Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, Eylül 2013, Malatya AKILLI ENERJİ ŞEBEKELERİ VE GÜÇ SİSTEMLERİ

Transkript

1 AKILLI ENERJİ ŞEBEKELERİ VE GÜÇ SİSTEMLERİ 1

2 Hiyerarşik Kontrol ile Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarımı B. Baykant Alagöz 1, Cemal Keleş 1, Asım Kaygusuz 1, Yusuf Kaplan 1, Abdulkerim Karabiber 1 1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi, Malatya cemal.keles@inonu.edu.tr Özetçe Günümüzde yarı iletken güç elektroniği elemanlarında sağlanan gelişmeler ile birlikte DC güç sistemleri daha yaygın kullanım alanı bulmuştur. DC/DC dönüştürücüler, DC güç sistemlerinin temel bileşeni durumundadır ve DC güç dağıtım sistemlerinde, gerilim regülasyonunda önemli role sahiptirler. Bu çalışmada, DC/DC dönüştürücülerin katmanlı kontrol yöntemi ile anlık maksimum çıkış gücü sınırlaması kontrolü sağlayan güç sürücülerine dönüşmesi sağlanmıştır. Geliştirilen güç regülasyonlu DC/DC sürücüler, yükün çekebileceği gücü bir üst limitin altında tutarak sistemde güç dağıtımını daha emniyetli ve kontrol edilebilir duruma getirir. Önerilen güç sürücüsü ile inşa edilen elektrikli araç DC güç dağıtım sistemi uygulaması, Matlab/Simulink benzetimi yardımı ile incelenmiştir. Benzetim sonucunda, DC/DC sürücülerin elektrikli araçlar için batarya çıkışı güç enjeksiyonu yönetimine imkân sağladığı görülmüştür. Aşırı güç çekimine yol açan arıza durumlarında, sistemin korunmasına imkan vermesi itibarı ile aracın enerji verimliliğini ve güvenliğini artırabileceği görülmüştür. 1. Giriş Günümüzde tüketici elektroniği, otomasyon sistemleri, elektrikli ulaşım araçları gibi birçok sistem DC güce ihtiyaç duymaktadır. Yarı iletken güç elektroniği elemanlarında sağlanan gelişmeler sonucunda DC güç dağıtım sistemleri yaygınlaşmaya başlamıştır. DC güç dağıtım ve depolama sistemlerinin avantajları göz önüne alındığı zaman, gelecekte güç dağıtımı ve yönetiminin büyük oranda DC sistemler ile sağlanacağı öngörülebilmektedir. Günümüzde DC enerjinin dağıtımı ve yönetimi, uzun mesafe elektrik enerji iletiminde [1,2], fabrikalarda ve evlerde [3-5], gemilerde [6-8], elektrikli araçlarda [9,10] kullanım alanı bulmuştur. Geleceğin akıllı şebeke mimarilerinde DC dağıtım hatların (DC Bus) bulunması muhtemeldir [11,12]. DC güç dağıtımı birçok avantaja sahiptir [13]. Elektromanyetik salınıma yol açmaması nedeni ile canlılar için daha sağlıklıdır. Elektronik cihazlar açısından elektromanyetik uyumluluğu (Electromagnetic Compatibility) [14] daha yüksektir. Bu nedenle, güç hatları üzerinden haberleşme uygulamaları için uygun bir iletim kanalı sağlar [15]. AC sistemlerde harmonik ve reaktif güç kontrolü [16] önemli bir sorun iken DC güç dağıtımında bu tür problemler mevcut değildir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının (Güneş panelleri, rüzgâr türbinleri) DC entegrasyonu daha kolaydır [17]. DC tabanlı güç sistemlerinde, modern enerji depolama sistemlerinin (bataryalar, yakıt hücreleri) kullanımı daha verimlidir [18]. DC dağıtım ve yönetim sistemlerinin en temel elemanı DC/DC dönüştürücülerdir [19]. DC/DC dönüştürücüler, sistemde DC gerilim seviyelerini farklı DC gerilim seviyelerine dönüştürülmesini sağlayan elemanlardır. DC dağıtım hatlarında kullanılan DC/DC dönüştürücüler, AC enerji hatlarında kullanılan transformatörler gibidir. DC/DC dönüştürücülerin gerilim kararlılıklarının yüksek olması ve gerilim seviyelerinin yönetilebilir olması, akıllı enerji dağıtım mimarileri için çok önemlidir. Literatürde DC/DC dönüşümü için düşürücü (buck) [20,21] ve yükseltici (boost) [22] olmak üzere iki tip temel çevirici yapısı söz konusudur. Pratikte düşürücü-yükseltici (buck-boost), flyback [23], forward çeviriciler, yarım köprü çevirici ve tam köprü çeviriciler kullanılmaktadır. Flyback tipi DC/DC dönüştürücülerde, önce AC gerilime dönüşüm sağlanır, sonra transformatör yardımı ile istenen gerilim seviyesi elde edilir. Düşürücü ve yükseltici tip DC/DC dönüştürücülerin çalışması ise anahtarlama (switched mode) tekniğine dayanır. Burada giriş gerilimi Darbe Genişliği Modülasyonlu (DGM) işaret yardımı ile kıyılır (chopping) ve istenen gerilim düzeyi bir kapasitif elemen üzerinde oluşturulur. DC/DC dönüştürücülerin gerilim kararlılığını iyileştirmek için PID (Proportional-Integral- Derivative) kontrolör veya kayan mod kontrolör (Sliding Mode Control) önerilmiştir [20]. Çok kaynaklı yenilenebilir enerji sistemlerinde enerji yönetimi için hiyerarşik kontrol stratejilerinin uygulanabileceği gösterilmiştir [24]. Katmanlı kontrol mimarisi ile farklı üretim karakteristiklerine sahip kaynaklardan gelen enerjilerin farklı yük tiplerine en uygun şekilde transfer edilebileceği görülmüştür. Böylece, karma enerji sistemlerinin akıllı yönetimi sağlanabilmiştir [24, 25]. Bu çalışmada, düşürücü tip DC/DC dönüştürücünün daha akıllı ve yönetilebilir bir güç sistemi bileşenine dönüşmesi için maksimum güç sınırlaması kontrolü önerilmiştir. Bu amaçla, hiyerarşik (çok katmanlı) bir kontrol mimarisi kullanılmıştır. Alt katmanda, darbe genişliği modülatörünü kontrol eden PI kontrolör yardımı ile çıkışta DC gerilim kararlılığı sağlanırken, üst katmanda, maksimum güç sınırlaması kontrolü modifiye edilmiş sigmoid fonksiyonu ile gerçekleştirilmiştir. PI kontrolör pratik uygulama kolaylığı ve yeterli derecede gerilim kararlılığı sağlaması nedeni ile tercih edilmiştir. PI tabanlı alt kontrol katmanının üst katman tarafından yönetimi ile DC/DC dönüştürücünün akım-gerilim karakteristiğinin sigmoid fonksiyonuna uygun sürülmesi sağlanmıştır. Böylece, DC/DC dönüştürücü çıkış gücü için bir tepe gücü noktası regülasyonu söz konusu olmuştur ve sistemin DC/DC güç sürücüsüne dönüşümü sağlanmıştır. Önerilen DC/DC sürücü ile yükün çekebileceği maksimum güç, kontrol edilebilir bir tepe gücü ile sınırlanır. Tepe gücü noktasının yönetimi ile DC/DC sürücülerin bağlı olduğu sistemlerde güç akışının daha güvenli ve kontrol edilebilir 2

3 olması sağlanır. Örnek uygulama olarak, önerilen DC/DC sürücülerin elektrikli araçlarda batarya güç dağıtımı yönetimi uygulaması gösterilmiştir. Bu amaçla, Matlab/Simulink güç sistemleri benzetimi kullanılmıştır. Simulink benzetimlerinde, DC/DC sürücüler ile tasarlanan DC güç dağıtım mimarisinde, yüksek enerjili batarya çıkışından araç bileşenlerine enjekte olan gücün yönetimi incelenmiştir. Benzetimlerde, elektrikli araç güç sistemlerinde, hem enerji verimliliğinin hem de sistem güvenliğinin artırılabileceği görülmüştür. 2. Yöntem ve Tasarım 2.1. Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarımının Genel Yapısı Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücü, Şekil 1 de görülen iki katmanlı kontrol mimarisine sahiptir. Birinci katmanda, Şekil 1(a) da görülen Düşürücü tip DC/DC dönüştürücü sistem kullanılmıştır. Düşürücü tip DC/DC dönüştürücünün modeli, limt e( t) = limt ( Fg( t) VL( t)) 0sağlanır ve Denklem (2) uyarınca çıkış gücü sınırlaması gerçekleşir. Sigmoid fonksiyonu, yapay sinir ağlarında aktivasyon fonksiyonu olarak yaygın kullanım alanı bulmuş ve nöron çıkışlarını belli değer aralıklarında sınırlamıştır. Denklem (2) de ifade edilen α parametresi, DC/DC sürücü çıkış geriliminin ( V L) düşüş karakteristiğini ayarlar. Şekil 2 de güç sınırlayıcı fonksiyonun sağladığı akım-gerilim ve güç-akım karakteristikleri, farklı α değerleri için karşılaştırılmıştır. Şekilde görüldüğü üzere, sürücüden çekilen akımın ( I L ), P R = VRIR ile belirlenen tepe gücüne yaklaşması durumunda, sürücü çıkış gerilimi Denklem (2) uyarınca düşmeye başlar. Çıkış geriliminin kontrollü düşürülmesi, yük akımının ve nihayetinde çıkış gücünün kontrollü düşmesini sağlar. Bu mekanizma ile DC/DC sürücü çıkış gücünün P R tepe güç noktasını aşması önlenir. Şekil 2 de görüldüğü gibi, α parametresi azaldıkça tepe gücü noktası yumuşar ve çıkış gerilimi daha erken ve daha yavaş düşer. Yumuşak sınırlama cevabı gereken uygulamalar için α ya küçük değerler verilmelidir. dil dt 1 = ( AV L I V ) L (1a) (a) DGM dv dt L IL VL = (1b) C RC şeklinde ifade edilir [20]. Burada VI ve I I sırası ile dönüştürücü giriş gerilimi ve akımı, V L ve I L dönüştürücü çıkış gerilimi ve akımıdır. A anahtarlama durumudur ve DGM tarafından sürülmektedir. Anahtar kapalı iken A=1, açık iken A=0 değerini alır. ÖlçülenI L akım değerleri, Şekil 1(b) de görülen üst kontrol katmanı içinde geri besleme sağlamaktadır. V L gerilimi, yükü sürmekte ve alt kontrol katmanı için geri besleme sağlamaktadır. Birinci kontrol katmanında (Alt Kontrol Katmanı), darbe genişliği modülasyonlu DC/DC dönüştürücü devresi PI kontrolör yardımı ile kontrol edilmiştir. Bu katman, sürücünün çıkış gerilim seviyesinin ( V L ), hedeflenen bir gerilim seviyesinde ( V R ) kalmasını sağlar. Gerilim hatası ( e= V VL ), PI kontrolör ( k p = 5, k i = 1 ) tarafından sıfırlanır ve çıkış gerilim kararlığı sağlanır. İkinci kontrol katmanı (Üst Kontrol Katmanı), birinci katmanı yönetir ve sürücünün çıkış gücünü sınırlar. Yükün çektiği akımın ( I L ) artması sonucu sürücü çıkış gücünün ( P L) belirlenmiş bir tepe gücünü ( P R) yaklaşması durumunda, çıkış gerilimi düşer, böylece sürücüden sisteme enjekte olan gücün ( P L ), tepe gücü sınırının altında kalması sağlanır. Bu çalışmada güç sınırlayıcı fonksiyon olarak modifiye edilmiş sigmoid fonksiyonu kullanılmıştır. Bu fonksiyon yük akımına, referans akımına ve gerilimine bağlı olarak, VR Fg( IL( t), VR, IR, α ) = (2) α( I( t) I ) L 1+ e R denklemi ile ifade edilmiştir. Bu çalışmada alt kontrol katmanı, V = Fg( IL( t), VR, IR, α) fonksiyonu ile yönetilmiştir. Uygun bir PI kontrolör tasarımı ile gerilim hatası, Şekil 1: (a) Düşürücü tip DC/DC dönüştürücü devresi. (b) Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücüsünün kontrol mimarisi. Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücünün operasyon modları Tablo 1 de özetlenmiştir. Tablo 1: Güç regülasyonlu DC/DC sürücü operasyon modları Koşul Operasyon Açıklama V =0 veya I = 0 Güç kesme V = 0 R V I I I Üst Kontrol Katmanı V (b) Alt Kontrol Katmanı e PI Kontrolör R V R 0 ve I R 0 ve P L < PR V R 0 ve I R 0 ve P L > PR A L C I R V R Sigmoid Fonksiyonu DGM Normal çalışma modu Güç regülasyonu çalışma modu I L V L L R P R Buck Tipi DC/DC Dönüştürücü Buck tipi DC/DC dönüştürücü olarak çalışır. Çıkış gücü sınırlanır. V I I L V L 3

4 (a) 1 DC+ 2 DC- L g m C E IGBT/Diode C DC/DC Dönüştürücü v 400 (a) F g α=1 α=3 α=0.4 Scope DGM >= Relational Operator Saturation PI Vr 5 Gain 1 s Repeating Sequence Integrator 2 x α=1 α=3 α=0.4 I L (b) Tepe Gücü 1 Vm 2 Im 1 Constant 2 10 Fark Voltaj Dusus Hizi Alfa Divide Üst Kontrol Katmanı e u Exponansiyel (b) P L 1 i + - IL DC+ g m C E IGBT/Diode L 4-3 DC- C + - v Scope Şekil 2: V L = Fg( IL; VR, IR, α) güç sınırlayıcı fonksiyonu ile elde edilen VL-I L karakteristiği (a) ve PL -I L karakteristiği (b) Sistemin Tasarımı ve Benzetim Sonuçları I L Şekil 3(a) da PI kontrolörlü DC/DC dönüştürücü tasarımı (Alt kontrol katmanı) görülmektedir [20]. Şekil 3(b) de bu dönüştürücü için tepe güç sınırlayıcı fonksiyon (Üst kontrol katmanı) uygulanarak elde edilen güç regülasyonlu DC/DC sürücü görülmektedir. Şekil 4 de geleneksel DC/DC dönüştürücü (Şekil 3(a)) ve DC/DC sürücü (Şekil 3(b)) için benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu benzetimlerde, V R = 400V, I R = 20A ve dolayısı ile P R = 8kW ayarlanmıştır. 3. saniyede, yükün aniden 45 A çekmeye başlaması ile yükün çektiği güç 18 kw düzeylerine çıkmıştır. Bu aşırı güç koşullarında, geleneksel DC/DC dönüştürücü yapı (Yeşil çizgili karakteristikler), yükü beslemeye devam etmiştir. Önerilen DC/DC sürücü ise referans güç aşımını algılamış ve normal çalışma modundan güç regülasyonu çalışma moduna geçerek çıkış gücünü düşürmüştür. Böylece sistemin uzun süreli aşırı güç çekimine maruz kalması önlenmiştir. 3. Elektrikli Araçlarda Güç Dağıtımı Yönetimi Uygulaması Örnek uygulama olarak, önerilen güç regülasyonlu DC/DC sürücüler ile inşa edilen elektrikli araç DC güç dağıtım sistemi Şekil 5 de görülmektedir. Yönetim kolaylığı nedeni ile seri bağlı batarya modeli tercih edilmiş ve 300 V düzeyinde çıkış alınmıştır. Güç regülasyonlu DC/DC hat sürücüsü ile 300 V batarya gerilimi 60 V düzeyine düşürülmüş ve DC dağıtım hattı üzerinden, elektrikli araç bileşenlerine güç akışı sağlan- Şekil 3: (a) PI kontrolörlü düşürücü tip DC/DC dönüştürücü tasarımı ( k p = 5, k i = 1) (b) Güç regülasyonlu DC/DC sürücü tasarımı ( α = 1). >= Relational Operator Alt Kontrol Katmanı Saturation Repeating Sequence 1 s Integrator 1 mıştır. Her bir araç bileşeni için gerekli bağımsız gerilim ve güç kontrolü, 60 V DC dağıtım hattına bağlı DC/DC sürücüler ile gerçekleştirilmiştir. Şekilde verilen, araç bileşenlerinin maksimum akım değeri öngörüleri, referans [26] daki elektrikli araç tasarımı dikkate alınarak belirlenmiştir. Yüksek gerilim değerli dağıtım hattı, alçak gerilim hatlarına göre, aynı yükleri beslemek için daha küçük kesitli kablolara ihtiyaç duyar. Ancak gerilim değeri yükseldikçe yolcu ve araç güvenliğini sağlamak zorlaşır. Bu nedenle hem güvenlik hem de verimlilik açısından en uygun gerilim olan 60 V DC dağıtım hattı kullanılmıştır. DC dağıtım hattı üzerinden alt bileşenlerin toplamda maksimum 220 A akım talep edebileceği varsayılmıştır. Elektrikli araçlarda batarya sisteminin güç regülasyonlu DC/DC sürücü ile yönetimi önemli avantajlar sağlayacaktır. Bu avantajlardan başlıcaları şunlardır: (i) Araç bileşenlerinin güç ihtiyacına göre güç dağıtımının aktif yönetimi: Elektrikli aracın güç ihtiyacı, çalışma durumlarına göre değişmektedir. Park durumunda sadece güvenlik sistemleri için düşük güce ihtiyaç duyulurken, sürüş durumunda, yol koşullarına göre değişen yüksek güç talebi açığa çıkabilmektedir. Bununla birlikte, klima ve multimedya gibi sürüş konforunu artırmaya dönük sistemlerde devreye girdiği zaman, güç gereksinimi daha da artmaktadır. Sürüş koşullarına göre farklılaşan güç talebine göre, bataryadan güç çekiminin aktif yönetimini sağlayabilecek olan DC/DC sürücü, 5 Gain 4

5 <Voltage (V)> <SOC (%)> V+ V- V+ V Vr Ir DC+ DC- DC- Vr Ir DC+ DC- Vr Ir DC i - Vr Ir DC+ DC- Vr Ir DC+ DC- Vr Ir DC+ DC V+ V- V+ V- V+ V- + v - Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, Eylül 2013, Malatya bataryanın hem daha verimli kullanımını hem de sistemde meydana gelebilecek olası arıza veya hata durumunda, çekilebilecek yüksek güçten korunmasına olanak sağlayacaktır. DC/DC sürücü, bataryadan sadece aracın çalışma koşullarına göre ihtiyaç duyabileceği kadar güç çekilmesine müsaade edebilecektir. (ii) Bataryanın korunması ve kullanım ömrünün uzatılması: Elektrikli araçlarda, bataryalardan yüksek güç çekimi söz konusu olabilmektedir. Uzun süren yüksek güç çekimi (yüksek akım), bataryanın aşırı ısınmasına ve yapısal bozulmalara neden olmaktadır. Bu sorunun önlenmesi ve batarya ömrünün uzatılması için çekilen gücün bataryanın dayanabileceği sınır içinde tutulması gerekmektedir. Bu nedenle batarya ısı ve enerji durumlarına göre, bataryadan çekilen gücün aktif yönetimine ihtiyaç duyulmaktadır. I L (a) t (b) bataryadan çekilen akım, batarya sıcaklığı gibi parametreler sürekli olarak ölçülebilmektedir [27]. Bu sistemden ölçülen veriler değerlendirilerek, DC/DC sürücüler yardımı ile batarya sisteminden çekilen gücün istenen düzeylerde tutulması sağlanabilecektir. Batarya Şarj Sistemi Batarya Takımı (300 V) Şekil 5: Elektrikli araç için DC güç dağıtım hattı mimarisi. Benzetimlerde, gerilim ve akım tepe değerleri Canterbury Üniversitesi elektrikli araç çalışmalarında kullanılan değerler dikkate alınarak öngörülmüştür [26]. Şekil 5 de genel mimarisi verilen elektrikli araç DC güç dağıtım sisteminin Matlab/Simulink benzetim modeli Şekil 6 da görülmektedir. Continuous powergui Ref_Voltaj Carpim Sol Teker Elektrik Motor ( 50 A) DC/DC Sürücü (60 V-48 V) DC/DC Sürücü (300 V-60 V) 60 V DC DC/DC Sürücü (60 V-48 V) Sağ Teker Elektrik Motor ( 50 A) Referans Guc Limiti Aydınlatma Sistemleri ( 45 A) DC/DC Sürücü (60 V-12 V) DC/DC Sürücü (60 V-24 V) Tüm Araç Elektroniği ( 40 A) Hat Akim Fanlar Isıtma ve Soğutma ( 35 A) DC/DC Sürücü (60 V-48 V) Dağıtım Hattı Hat Gerilim 60 V L PilGerilim PilSarjDurum Ref_Akim m _ Battery 1 Diyot Pil Desarj DC /DC surucu Yuk Akimi Carpim 1 Gerilim Hat Gucu Ref_Voltaj 2 Ref_Voltaj t 2 x 104 (c) 1 Sag Teker Tum Arac Elektronik DC /DC surucu 1 DC /DC surucu 5 Ref_Akim2 50 Ref_Voltaj 5 24 Ref_Akim5 40 Ref_Akim1 50 Ref_Voltaj 3 12 Ref_Akim3 45 Ref_Voltaj 4 48 Ref_Akim4 35 DC /DC surucu 2 DC /DC surucu 3 Sol Teker Aydinlatma Sistemi 1.5 DC /DC surucu 4 Fan, Isitma Sogutma P L 1 2 Şekil 6: Elektrikli aracın DC güç dağıtım sistemi Matlab/Simulink benzetim modeli t Şekil 4: 3. saniyede aniden artan yük akımına karşılık, düşürücü tip DC/DC dönüştürücünün cevabı (Yeşil çizgi:1 etiketi ) ve tasarlanan DC/DC sürücünün cevabı (Mavi çizgi: 2 etiketi). Güç regülasyonlu DC/DC sürücüler, tepe gücü ayarlaması ile aktif batarya yönetimine imkân sağlayabilecektir. Çoklu batarya sistemlerinde, verimin artırılması ve batarya ömrünün uzatılması için batarya dengeleyici (battery balance) sistemler kullanılmakta ve modüler batarya yönetim sistemleri ile Benzetim senaryosunda, Şekil 5 te tanımlanan bütün sistemlerin aktif çalıştığı varsayılmış ve sistemleri süren DC/DC sürücüler için kullanılan referans akım, gerilim ve tepe gücü değerleri Tablo 2 de özetlenen değerlerden alınmıştır. Bu senaryoda, 2. saniyede sol teker elektrik motorunda meydana gelen arıza sonucu yüksek akım çekimi başlatılmış ve bu arıza durumunda güç sistemin cevabı incelenmiştir. Şekil 7 ve Şekil 8 de bu benzetimden alınan bazı sonuçlar verilmiştir. Şekil 7 de, sağ teker ve sol teker DC sürücü çıkışları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sol tekerde 2. saniyede başlayan, yüksek akım çekimine yol açan arıza nedeniyle, DC/DC sürücünün tepe gücü olarak ayarlanan 2.4 kw değeri hızla aşılmıştır. DC/DC sürücü, bu arıza koşulunda çıkış gerilimini yeterince düşürmüş ve çekilen gücü tepe değerinin altına çekmiş, böylece çekilen yüksek akımı kontrol 5

6 altına almıştır. Böylece hem sorunlu teker sisteminin izin verilen güç bölgesinde çalışmasını sürdürmesine müsaade edilmiş, hem de bu sorunun diğer sistemlerin çalışmasını etkilemesi önlenmiştir. Tablo 2: Elektrikli araç bileşenlerini süren DC/DC sürücü yönetim değerleri Bileşen Sürücüsü 60 V DC hat sürücü Sol Teker DC sürücü Sağ Teker DC sürücü Aydınlatma DC sürücü Tüm araç için DC sürücü Klima için DC sürücü I L Operasyon - Durum Aktif - Normal Aktif- 2.sn.de arıza durumu Aktif - Normal Aktif - Normal Aktif - Normal Aktif - Normal Referans Akım ( I ) R (a) Referans Gerilim ( V R) Tepe Gücü Sınırı ( P R) 220 A 60 V 13.2 kw 50 A 48 V 2.4 kw 50 A 48 V 2.4 kw 45 A 12 V 0.5 kw 40 A 24 V 0.9 kw 35 A 48 V 1.6 kw t (b) DC dağıtım hattı elektriksel değerleri çizilmiştir. Arıza durumunda (3 bölgesi) DC dağıtım hattı çalışmasını sağlıklı bir şekilde sürdürebilmiştir. Böyle ciddi bir arıza durumunda, elektrikli araç, çalışır durumunu sürdürebilir ve güvenli bir duruşu sağlayabilir. (a) P L I L V L t t (b) 2 2 (c) V L P L t 500 P R (c) t Şekil 7: Sol teker (Mavi düz çizgi: 2 etiketi) ve sağ tekere (Yeşil kesikli çizgi: 1 etiketi) ait DC/DC sürücü akım (a), gerilim (b) ve güç (c) çıkış karakteristikleri. Şekil 8 de geçici rejim (1 bölgesi), normal çalışma rejimi (2 bölgesi) ve sol teker arızası durumunda (3 bölgesi), 60 V t Şekil 8: Elektrikli araç 60 V DC dağıtım hattı (Bataryaya bağlı DC/DC sürücü çıkışı) akım, gerilim ve güç karakteristikleri için üç ayrı çalışma bölgesi gösterilmiştir: 1. bölge geçici rejim bölgesi, 2. bölge normal durumda çalışma, 3. bölge sol teker arıza durumunda çalışma. 4. Sonuçlar Bu çalışmada, hiyerarşik kontrol mimarisine sahip güç regülasyonlu DC/DC sürücü devre tasarlanmış ve elektrikli araçlar için güç yönetimi uygulamasında kullanımı gösterilmiştir. Önerilen DC/DC sürücü, geleneksel DC/DC dönüştürücülere nazaran daha akıllı ve yönetilebilir güç dağıtım sistemlerinin inşasına imkan sağlamaktadır. DC/DC sürücü tasarımında, iki katmanlı kontrol mimarisi uygulanmıştır. Alt katmanda, PID tabanlı kontrolör ile hedeflenen çıkış gerilim kararlılığı sağlanırken, üst katmanda modifiye sigmoid fonksiyonu ile tepe gücü yönetimi sağlanmıştır. Böylece, elektrikli araç sistemleri gibi yerel arızaların tüm sistemi etkileme riski olan sistemlerde, sistem güvenilirliğinin artırılmasına önemli katkılar sağlanmıştır. 6

7 Önerilen hiyerarşik kontrol katmanına sahip akıllı DC/DC sürücüleri, sadece elektrikli araçlar için değil, her ölçekte DC güç dağıtım sisteminde, koruma ve yönetim bileşeni olarak görev yapabilir. Bu sürücüler, dağıtım hattı üzerinde, güç regülasyonu ve gerilim kontrolü gereken her noktaya bağlanarak, DC dağıtım hattının aktif güç yönetimi gerçekleştirilebilir. Kaynakça [1] N. Hingorani, High-voltage DC transmission: a power electronics workhorse, IEEE Spectrum Cilt: 33, s: 63-72, [2] M. Chaves, E. Margato, J. Fernando Silva, S. F. Pinto, J. Santana, HVDC transmission systems: Bipolar back-toback diode clamped multilevel converter with fast optimum-predictive control and capacitor balancing strategy, Electric Power Systems Research, Cilt: 81, s: , [3] E. Cetin, A. Yilanci, H.K. Ozturk, M. Colak, I. Kasikci, S. Iplikci, A micro-dc power distribution system for a residential application energized by photovoltaicwind/fuel cell hybrid energy systems, Energy and Buildings, Cilt: 42, s: , [4] H. Kakigano, M. Nomura, T. Ise, Loss evaluation of DC distribution for residential houses compared with AC system, International Power Electronics Conference, Sapporo, Japan, s: , [5] W. Li, X. Mou, Y. Zhou, C. Marnay, On voltage standards for DC home microgrids energized by distributed sources, IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference, Harbin, China, s: , [6] R. Limpaecher, Novel converters for electric ship propulsion system and shipboard power distribution, 24 th Power Modulator Symposium, Norfolk, USA, s: 89-96, [7] S.J. Dale, Ship power system testing and simulation, Electric Ship Technologies Symposium, Philadelphia, USA, s: , [8] B. Song, R. McDowell, A. Bushnell, A three-level DC- DC converter with wide-input voltage operations for ship electric power distribution systems, IEEE Transactions on Plasma Science, Cilt: 32, s: , [9] C. Chan, An overview of electric vehicle technology, Proceeding of the IEEE, USA, s: , [10] K. Clement-Nyns, E. Haesen, J. Driesen, The impact of vehicle-to-grid on the distribution grid, Electric Power Systems Research, Cilt: 81, s: , [11] A. Karabiber, C. Keles, A. Kaygusuz, B. B. Alagoz, An approach for the integration of renewable distributed generation in hybrid DC/AC microgrid, Renewable Energy, Cilt: 52, s: , [12] W. Li, X. Mou, Y. Zhou, C. Marnay, On voltage standards for DC home microgrids energized by distributed sources, IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference, Harbin, China, s: , [13] M. Amin, Y. Arafat, S. Lundberg, S. Mangold, Low voltage DC distribution system compared with 230 V AC, IEEE Electrical Power and Energy Conference, Winnipeg, Canada, s: , [14] J. Geng, R. Jin, Y. Fan, B. Liu, J. Li, Y. Cheng, Z. Wang, The study on electromagnetic compatibility of DC electric motor in HAPS, Aerospace Science and Technology, Cilt: 9, s: , [15] E. Kabalci, Y. Kabalci, I. Develi, Modelling and analysis of a power line communication system with QPSK modem for renewable smart grids, Electrical Power and Energy Systems, Cilt: 34, s: 19-28, [16] E.B. Makram ve S. Varadan, Analysis of reactive power and power factor correction in the presence of harmonics and distortion, Electric Power System Research, Cilt: 26, No: 3, s: , [17] G.C Bakos ve N.F Tsagas, Technoeconomic assessment of a hybrid solar/wind installation for electrical energy saving, Energy and Buildings, Cilt: 35, No: 2, s: , [18] O.M. Toledo, D.O. Filho, A.S.A.C. Diniz, Distributed photovoltaic generation and energy storage systems: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt: 14, s: , [19] V. Costa, P.M. dos Santos, B. Borges, A design methodology for integrated inductor-based DC DC converters, Microelectronics Journal, Cilt: 43, s: , [20] M. Hedlund, Design and construction of a bidirectional DC-DC converter for an EV application, UPPSALA University UPTEC F [21] M.S. Banu, S. Vinod, S. Lakshmi, Design of DC-DC converter for hybrid wind solar energy system, International Conference on Computing, Electronics and Electrical Technologies, India, s: , [22] S.S. Saha, Efficient soft-switched boost converter for fuel cell applications, International Journal of Hydrogen Energy, Cilt: 36, s: , [23] H. Liu, J. Elmes, K. Zhang, T.X. Wu, I. Batarseh, Low voltage flyback DC-DC converter for power supply applications, Proceedings of the IEEE National Aerospace and Electronics Conference (NAECON), Dayton, Ohio, USA, s: , [24] A.B. Mboup, P.A. Ndiaye, F. Guerin, D. Lefebvre, Control design for hybrid electrical energy systems based on dc/dc converters duty cycle value, EVRE Ecological Vehicles Renewable Energies Conference, Monaco, s: 1-7, [25] F. Valenciaga ve P. F. Puleston, Supervisor Control for a Stand-Alone Hybrid Generation system Using Wind and Photovoltaic Energy, IEEE Transactions on Energy Conversion, Cilt: 20, No: 2, s: , [26] W. Chen, S. Round, R. Duke, Design of an Auxiliary Power Distribution Network for an Electric Vehicle, International Workshop on Electronic Design, Test & Applications, New Zealand, s: , [27] T. Stuart, F. Fang, X. Wang, C. Ashtiani, A. Pesaran, A Modular Battery Management System for HEVs, DOE s Office of Advanced Transportation Technologies, National Renewable Energy Laboratory and Daimler Chrysler, AG, s: 1-9,

8 Akıllı Şebekelerde Kontrol ve Haberleşme: Günümüzden Geleceğe Fırsatlar Murat Akçin 1, Asım Kaygusuz 1, Cemal Keleş 1, Abdulkerim Karabiber 1, B. Baykant Alagöz 1 1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi, Malatya murat.akcin@ogr.inonu.edu.tr Özetçe Nüfus yoğunluğunun ve bireysel enerji ihtiyacının artışına paralel olarak artan enerji talebine verimli, güvenli ve çevre dostu bir şekilde cevap verilebilmesi ihtiyacı akıllı şebekeler uygulamalarını gündeme getirmiştir. Bu bağlamda, akıllı şebeke uygulamaları enerji üretimi, dağıtımı ve tüketimi süreçlerinin gözlemlenebilir, kontrol edilebilir ve dolayısı ile yönetilebilir olmasını hedeflemektedir. Bu amaca dönük olarak geleceğin akıllı şebeke mimarisinde haberleşme ve kontrol teknolojilerinin birlikte etkin kullanımına ihtiyaç vardır. Bu çalışmada, akıllı şebekeler için yapılmış güncel çalışmalar ve geliştirilen teknolojiler özetlenmekte ve bu teknolojilerin hayata geçmesi durumunda sağlayabileceği imkanlar ve fırsatlar için bir vizyon çizilmektedir. 1. Giriş Dünya nüfusunun artması, fosil yakıta dayalı enerji rezervlerinin azalması, teknolojik ve sosyal gelişim sonucunda bireyin gündelik yaşamında enerjiye olan bağımlılığının artması, yoğun sanayileşmenin ve verimsiz enerji tüketiminin çevresel etkilerinin görülmeye başlaması gibi etmenler, akıllı enerji yönetimini zorunlu kılmaktadır. Enerjinin üretiminden başlayıp dağıtım ve tüketime kadar uzanan bütün süreçleri kapsayan elektrik şebekelerinin, gelişen teknolojik imkânlar ile daha verimli, daha güvenli, daha çevre dostu ve daha yönetilebilir kılınması çabaları akıllı şebeke kavramını doğurmuştur. Son zamanlarda konu üzerine yoğunlaşılmış ve haberleşme, bilgi teknolojileri, kontrol sistemleri, yarı-iletken teknolojileri gibi birçok sahada akılı şebeke uygulamalarına dönük çalışmalar yapılmaya başlanmıştır [1-20]. Akademik çalışmalara paralel olarak, akıllı şebekelerin hayata geçirilmesi hususunda ulusal ve uluslararası düzeyde çalışmalar için araştırma ve geliştirme destek fonları ayrılmıştır. Günümüzde akıllı şebeke uygulamaları, üç temel alt başlıkta toplanabilir: (i) Dağıtık üretim uygulamaları: Dağıtık üretim uygulamaları, enerji verimliliği, güvenilirliği ve yenilebilir enerji kaynakların kullanımı için büyük öneme sahiptir. Akıllı şebekeler, küçük ölçekli enerji üretiminden yüksek güçlü enerji santrallerine kadar çok geniş spektruma yayılan enerji kaynaklarının dağıtım şebekesi üstünde entegrasyonuna imkân sağlamalıdır [4,5]. Böylece, yenilenebilir enerji kaynaklarının hane düzeyine kadar yaygınlaşmasına ve hanelerin kendi enerjisini üretmesine imkân sağlanacaktır. Bu durumda, yerinde üretim ve tüketim ile iletim kayıplarının düşürülmesi sağlanarak enerji verimliliği artırabilecektir. Klasik şebekede statik tüketici durumunda olan hanelerin dağıtık üretim imkânları ile üretken-tüketici (İnteraktif kullanıcı) haline dönüşmeleri beklenmektedir [6,20]. (ii) Dağıtık depolama uygulamaları: Enerji üretim fazlasının şebekeye dağılmış depolama sistemlerinde depolanması ve gerektiğinde enerji talebini karşılamak üzere kullanılabilmesi hedeflenir [7]. Yüksek hacimli enerji depolama sistemlerinden hane tipi depolama sistemine kadar çok geniş ölçekte depolama sisteminin şebekeye dağıtılması yenilenebilir enerji kaynakları gibi enerji sürekliliği olan kaynakların etkin kullanımı için önem arz etmektedir [21,22]. (iii) Talep odaklı yük yönetimi uygulamaları: Dağıtık üretim ve depolama olanaklarına sahip şebekelerde üretimtalep dengesi ve enerji fiyatları daha akıllı yönetilebilir. Enerji tüketiminin fazla olduğu zaman aralığı şebeke elemanlarını zorlamaktadır. Tüketicin yardımıyla bu sorun çözülmekle beraber enerji fiyatları ve enerji verimliği artırılabilir [7]. Talebe bağlı olarak yürütülecek enerji üretim ve depolama stratejileri enerji verimliliğini önemli ölçüde artırabilecektir. Yukarıda bahsedilen üç amaca yönelik uygulamalar etkin haberleşme ve kontrol araçları ile mümkün olabilmektedir. Şebeke durumları gözlemlenebilir ve kontrol edilebilir olmalıdır. Bunun için akıllı şebeke bileşenlerinin veri alma, veri işleme ve veri iletme kabiliyetine sahip olması gerekmektedir. Bu nedenle söz konusu bileşenlerin haberleşme ve programlanabilme kabiliyetine sahip akıllı sistemleri (Mikroişlemcileri) içermesi gerekmektedir. Bu birimlerin birbiri ile iletişimini ve etkileşimini yöneten haberleşme protokollerine (TCP/IP gibi), haberleşme altyapılarına (Modemler, yönlendiriciler, kablosuz haberleşme) ve sunuculara (Uygulama ve veri tabanları) ihtiyaç duyulacaktır [8, 9]. Akıllı şebekeler, enerji üretim ve tüketim yönetimine verimli ve akıllı bir yaklaşım sağlamıştır [10]. Bu yaklaşım yöntemi ile hem tüketiciler hem de enerji üreticileri, gerçek zamanlı enerji yönetimi aracılığıyla enerji tasarrufu, enerji güvenilirliği ve enerji sürekliliği avantajlarına sahip olabilirler. Akıllı şebekeler ile gerçek zamanlı ölçme ve fiyatlandırma, akıllı yük atma (aşırı yükü kaldırmak için belirli bölgelerde kısa süre elektriği kesme) veya kaydırma, tüketim yönetimi, fiyat optimizasyonu ve enerji verimliliği için tüketiciyi aktif hale getirme, enerji şebekesine hibrit elektrikli araçların entegrasyonu, fotovoltaik sistem ve rüzgar türbinleri gibi alternatif ve dağıtık üretim kaynaklarının entegrasyonu gibi birçok yeni enerji kavramları literatüre kazandırılmıştır. Akıllı şebekeler küçük ölçekli elektrik üretiminin şebekeye bağlanmasına imkân sağlamakla birlikte tüketicinin de aktif hale gelmesini hedeflemektedir [20]. Üretim ve 8

9 tüketim noktasında alternatifler sunabilen akıllı şebeke dağıtım sistemlerinin yapısının günümüzde kullanılan şebekelere göre daha karmaşık olması ve ileri kontrol ve haberleşme yöntemlerine ihtiyaç duyması kaçınılmazdır. Bu çalışmada, akıllı şebekelerde haberleşme ve kontrol alanında elde edilen gelişmeler özetlenecek, yakın gelecek için imkânlardan bahsedilecek ve olası fırsatlar ile yapılması gerekenler tartışılacaktır. 2. Akıllı Şebekelerde Haberleşme ve Kontrol Uygulamaları 2.1. Akıllı Şebekelerde Haberleşme Çalışmaları Akıllı şebekelerin mimarilerinde haberleşme ihtiyacı, yakınalan (Bina ve tesis içi) ve uzak-alan (Şehir içi ve şehirlerarası) haberleşmelerinin her ikisini de kapsamaktadır. Bu ihtiyaca dönük olarak geliştirilen teknoloji ve yöntemler aşağıda kısaca özetlenmiştir. Akıllı şebekelerin en büyük avantajlarından biri enerji kaynakları ile tüketiciler arasında çift yönlü bir haberleşme ağının kurulmasıdır [11]. Akıllı şebekelerin gerçek zamanlı haberleşme yeteneği elektrik şebekelerini modernleştirmek ve optimize etmek için gereken altyapıyı teşkil edecektir. Bu durumda veri merkezleri ve üretici-tüketici tabanlı yazılımlar bu altyapı üzerinden haberleşebileceklerdir. Bu haberleşme altyapısı; bugün için fiber optik kablo, güç hattı üzerinden geniş bant ve kablosuz teknolojiler içeren çeşitli iletişim yolları kullanarak inşa edilebilmektedir [12]. Günümüz haberleşme teknolojilerinin akıllı şebekelerde kullanılma durumu, Tablo 1 de özetlenmiştir. Bu tablo var olan haberleşme teknolojilerinin farklı akıllı şebeke uygulamaları için mevcut durumunu ortaya koymaktadır. Ayrıca mevcut haberleşme çözümleri ve bu alanda devam eden araştırmaları da göstermektedir [13]. Geleneksel ve yeni nesil haberleşme sistemlerinde GSM/GPRS teknolojisi önemli bir yer tutmaktadır [14]. Bunun temel nedeni GSM/GPRS teknolojisi kullanılarak elde edilen çözümlerin hedeflenen noktalara kablosu erişim sağlayabilmesidir. Standardizasyon ve uyumlu çalışabilme sorunu halen mevcut olmasına rağmen, akıllı şebeke uygulamalarında GSM/GPRS kullanım alanı bulabilmektedir. Akıllı şebekeler için IEEE (Wi-Fi) ve IEEE (WiMAX) gibi standartlar getirilmiş olup bu standartların geliştirilmesi ve olgunlaştırılması yolunda çalışmalar devam etmektedir [15,16]. Güç hatları üzerinden haberleşme (Power Line Communication-PLC), enerji dağıtım hattı ile birlikte enerji iletim hattı üzerinden veri paylaşımı için geliştirilen bir teknolojidir. PLC teknolojisi, en eski ve yaygın kullanılan etkili bir yöntemdir [17]. Ancak devam eden uygulamalarda, özellikle enerji dağıtım safhasında GSM/GPRS in PLC üzerine bir üstünlüğü söz konusudur. Bununla birlikte IEEE (ZigBee) tabanlı çözümler, PLC ve GSM/GPRS tabanlı çözümleri geride bırakacak performans sergileyebildiği görülmüştür [18]. Akıllı şebeke haberleşme sistemlerinde devam eden çalışmaların çoğu tüketici bölgesi üzerine yoğunlaşmıştır. PLC, IEEE (Wi-Fi), IEEE (ZigBee) ve GSM/GPRS tabanlı geliştirilen çözümler, ev otomasyonu ve otomatik sayaç okuma (AMR) gibi amaçlar için kullanılabilmektedir. Önümüzdeki yıllarda önemli bir elektrik tüketicisi olarak karşımıza çıkacak olan hibrit elektrikli araçlar için GSM/GPRS tabanlı çözümler geliştirilmiş olup, diğer teknolojilerin uygulanabilmesi için çalışmalar sürdürülmektedir. IEEE (WiMAX), araştırmacılar arasında fazla ilgi görmediğinden sadece AMR tabanlı uygulamalarda yer edinmiştir [13]. DASH7, yeni ve ticari amaçlar için geliştirilmiş bir teknolojidir. Ancak ilk aşamada askeri haberleşme sistemlerinde kullanılmış ve oldukça başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Bu nedenle tüketici ölçekli akıllı şebeke haberleşme sistemi için ideal teknolojiler arasındaki yerini almıştır [19]. Tüketici pazarına haberleşebilen akıllı cihazlar kazandırılmış olmakla birlikte, akıllı şebeke haberleşme sistemleri arasında standardizasyon ve uyumlu çalışabilme sorunları tamamen çözülmüş değildir. IEEE, IET, ISO, NIST gibi uluslararası düzenleyici kurumlar, akademik çevreler ve ABB, EPRI, Siemens, IBM, BPL Global, General Electric, Iberdrola gibi enerji hizmet şirketlerinin dünya genelinde gerçekleşebilir, sürdürülebilir ve kabul edilebilir standartlar ve çözümler geliştirmeye yönelik çalışmalarına devam etmektedirler Akıllı Şebekelerde Kontrol Çalışmaları Akıllı şebekelerde kontrol, lokal ölçekte güç elektroniği elemanlarının kontrolünden geniş ölçekte yerel ve global olarak şebeke durumlarının ve koşulların kontrolü ve optimizasyonuna kadar uzanan geniş bir uygulama yelpazesini kapsar. Bu bölümde, yakın zamanda yapılan çalışmalar ve teknolojilere kısaca değinilmektedir. Her güç sistemi bileşeninin kendine özgü bir yapısı ve bunun sonucu olarak kendine özgü kontrol gereksinimleri vardır. Ancak en genel anlamda güç sistemi kontrolü, yazılım ve donanımın birlikte kullanılmasını gerektirir. NIST (Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsü) tarafından önerilen enerji marketi, kontrol, haberleşme ve güç altyapısını tasvir eden akıllı şebeke Smart Grid kavramsal modeli Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1: NIST Akıllı Şebeke Modeli [23]. Donanım kısmı frekans, faz açısı, gerilim ve arıza gibi durum bilgilerini toplayarak yazılım sistemlerine iletir. Akıllı yazılımlar ile bilgilerin değerlendirilmesi veya durum tahminleri yapılır. Seçilen kontrol yöntemi ve sınır değerlerine bağlı olarak sistemin güncellenmesi yani aktifreaktif güç artırma veya azaltma, jeneratörleri devreye alma veya çıkarma, arıza durumları için enerji kesme veya enerji verme işlemleri otomatik olarak bu yazılımlar tarafından kontrol edilebilir. Kontrol sistemleri, güç sistemlerinin verimli çalışmasını sağlamakla kalmaz, sistemin çökmesini veya arzu edilmeyen bir duruma düşmesini engeller. 9

10 Tablo 1: Günümüz Haberleşme Teknolojilerinin Akıllı Şebekelerde Kullanılma Durumu a- mevcut durumda kullanılan sistemler, b- kullanılması için araştırmaların sürdüğü sistemler, c- henüz kullanılmayan ancak çözüm geliştirilebilecek sistemler Lokal ölçekte kontrol uygulamalarına örnek olarak, jeneratörler, gerilim kararsızlıklarının olumsuz etkilerini önlemek için otomatik voltaj regülatörleri (AVR) kullanılmaktadır. Diğer bir örnek olarak Statik VAR kompansatörler (SVC) ve yüksek gerilim doğru akım (HVDC) sistemlerinin kararlı çalışması için kapalı çevrim kontrol yapılarına ihtiyaç duymasıdır. Rüzgar türbini gibi yenilebilir enerji sistemlerinin veriminin artırılması, kontrol uygulamaları ile sağlanabilmiştir [24]. Dönüştürücü bileşenler (DC/DC, DC/AC, AC/AC gibi) gerilim ve frekans kararlıklarının sağlanması için kapalı çevrim kontrol yapılarını kullanmaktadır [24]. Akıllı şebeke uygulamaları için geliştirilmiş uluslararası standartlara değinmek faydalı olacaktır. Akıllı şebekelerde kontrol çalışmalarının sınırları, NIST tarafından standart hale getirilmiştir. NIST (Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsü) Birleşmiş Milletler (US) çatısı altında kurulmuş ve akıllı şebekelerin standartlarını tanımlamada dünya çapında kabul görmüş bir oluşumdur. NIST standartlarını oluştururken IEEE (Elektrik Elektronik Mühendisler Enstitüsü) ve IEC (Uluslararası Elektrik Komisyonu) nin görüşlerini değerlendirmektedir. IEEE bu standartları iki temel başlığa ayırmıştır: IEEE C ; ölçüm tanımlama ve sınır değerleri IEEE C ; bilgi haberleşme ve yapıları [25]. IEEE C standardı, 2005 yılında kararlı hal için güç ölçüm ünitelerinin ölçümlerini ve sınır değerlerini belirlemek amacıyla geliştirilmiştir [26]. Toplam vektör hatasının (TVH) hesaplanmasını ve senkronize fazörlerin tanımını veren bu standardın tanımı denklem (1) ve (2) de verilmiştir. x X m e j (1) 2 x Burada, m ; x(t) sinyalinin etkin değeri, 2 ; kosinüs fonksiyonu ile tanımlanmış anlık faz açısıdır. 2 x n x x n r 2 xr i 2 i 2 i r x THV (2) x x r n ve n Burada x i ölçülen değer x r ve x i hesaplanan değerlerdir. TVH, faz açısı ve genlik değerleri için, hesaplanan değer ile ölçülen değer arasındaki hatayı göstermektedir. Bu standart sadece kararlı hali test etmeyi sağlamaktadır ki bu durum güç sistemlerinde karşılaşılacak birçok durumdan sadece biridir. Diğer durumlar; sinyalin frekansı, genliği, faz açısı, harmonik bozulma, tanımlanan bandın dışına çıkma olarak sıralanabilir. Bu parametreler iki performans seviyesi ile tanımlanabilir. Düşük performans için seviye 1; daha az filtreleme, daha hızlı tepki ve daha yüksek performans için seviye 2; daha iyi filtreleme, uygun hesaplama ve yavaş izleme uygulamaları için tanımlanmaktadır. IEEE C standardının uygulaması, IEC i haberleşme standardını benimsemelidir [27]. Kontrol metodolojileri, çeşitlilik gösterebilmektedir. Bu yöntemlerden birisi stokastik çözümlemedir. Stokastik çözümleme istatistik verilere dayanarak sistemi tanımlamaya çalışır ve elde edilen verilerle sistemi yönetir. Stokastik çözümleme, kesin olmayan girişlerin çözümlemesinde etkili ve hızlı bir yöntem sağlar[28]. Hangi saatlerde güç talebinin fazla olacağı, güç değişim oranları, arıza bilgileri bu yöntemle değerlendirilebilmektedir ve bu çerçevesinde güç sistemi yönetilebilmektedir. Diğer bir yöntem, SCADA uygulamalarıdır. SCADA verileri toplayıp, değerlendirip, sistemin verimli yönetimini sağlayan endüstriyel bir kontrol sistemidir. SCADA sistemi geniş çaplı ve kesin bilgilere dayanarak çalışan bir yönetim aracıdır. SCADA da, sistemin yönetimi için gerekli olan bütün bilgiler anlık olarak sensörler ve ölçüm cihazları ile toplanır [29]. Bilgilerin nasıl yorumlanacağı ve sistemin tepkisi, olası bütün durumlar için programlanır ve bu nedenle yöntem deterministik sonuçlar üretir. Ayrıca SCADA da, öğrenme uygulamaları yani geçmiş bilgileri kaydederek gelecekte kullanabilmeye dayalı uygulamalar geliştirilebilir. SCADA yöntemi, otomasyona dayalı fabrikalar başta olmak üzere endüstrisel otomatik kontrol uygulamalarında verimli ve yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Stokastik, SCADA veya benzer diğer yöntemlerin akıllı şebekelerde tercih edilmesinin sebebi ve gerekli şartı kendilerine yetebilmeleri, dışarıdan müdahale olmadan sistemi yönetebilmeleridir. Elektrik enerjisi hassas, güçlü, etkili, alternatif kaynaklara sahip ve aynı zamanda tehlikeli bir enerji iletim formudur. Ekonomik verilerde ve refah düzeyinin belirlenmesinde enerjinin etkin rol oynadığı bir zamanda, teknolojik gelişmelerin ve büyük yatırımların enerji alanında ağırlıklı bir şekilde yer alması kaçınılmazdır. Bu ihtiyacı 10

11 karşılamak için yeni elektrik şebekeleri tesis edilmeli ve bu tesisler beklentileri karşılayacak şekilde kontrol ve haberleşme teknolojileri ile donatılmalıdır. Enerji sistemlerin, akıllı ve verimli yönetimi, haberleşme imkanlarını kullanılabilen dağıtık kontrol mimarileri ile mümkün olabilecektir. 3. Geleceğin Dünyasına Dönük Projeksiyonlar ve Fırsatlar Önceki bölümlerde özetlenen, geleceğin akıllı şebeke mimarileri için geliştirilen haberleşme, kontrol yöntem ve uygulamaları dikkate alınırsa, akıllı şebekenin yakın gelecek altyapısının şu üç uygulama katman üzerinde gelişeceği görülür: (i) Güç sistemi katmanı, (ii) haberleşme sistemleri katmanı, (iii) kontrol sistemleri katmanı. Bu üç katman iç içe geçerek geleceğin akıllı enerji dağıtım şebekesini oluşturması beklenmektedir. Şekil 2(a) üç teknoloji katmanı ve Şekil 2(b) bu katmanları oluşturan bileşenlerin iç içe geçmesi sonucu birbirleri ile işlevsel ilişkileri tasvir edilmiştir. Geniş-alan yönetim uygulamaları, dağıtık kontrol ve haberleşme birimlerinin yönetimini sağlayan merkezi hizmetler, birimlerinden oluşur. Bu hizmet birimlerinde (Sunucular) sistem veri tabanlarını ileri düzey izleme, optimizasyon ve yönetim algoritmaları yürütülecektir. Şekil 2 de gösterilen sistem yapılarının inşası, hane düzeyinden sitelere, şehirlere, ülkelere ve global olarak dünya üzerinde çeşitli imkânlar ve fırsatlar sunacaktır. Hane düzeyinde imkanlar: a) Akıllı sayaçlar yardımı ile esnek fiyatlandırma sistemi uygulanabilecektir. Böylece tüketicinin programlaması ve tercihleri dahilinde akıllı sayaçlar, tüketici yüklerini elektrik fiyatının ucuz olduğu saatlere kaydırılabilecektir. b) Uzak alan haberleşme sistemi (GSM/GPRS, PLC gibi) ile desteklenebilecek akıllı sayaçlar (AMR), tüketici bilgilerinin ve enerji sisteminin uzaktan yönetim ve testine imkân sağlayabilecektir. Ölçme, izleme ve arıza tespiti işlemleri uzaktan yürütülebilecektir. Lokal tesisat sorunları ve enerji verimliliği profilleri uzaktan değerlendirilebilecek ve tüketiciler bu konularda yönlendirilebileceklerdir. c) Uzak-alan (GSM/GPRS, PLC, uydu haberleşmesi) haberleşme kabiliyetine sahip akıllı sayaçlar, konutların multimedya hizmetinin (İnternet, telefon vs) güç-hattı üzerinden sağlanmasına olanak verebilir. d) Yakın alan, ev-içi cihaz haberleşmeleri (ZigBee, Wi- Fi, Power-line vs) ile cihazların uzaktan yönetimleri mümkün olabilecek, ayrıca ev cihazlarının kendi içinde haberleşebilmeleri, akıllı ev sistemlerinin daha bütünsel ve etkin bir yapıya kavuşmasını sağlayabilecektir. e) Akıllı sayaçlar yenilenebilir enerji sistemlerinin ve konutsal enerji depolama sistemlerinin, evlerde kullanılması ve yönetimini sağlayabilir. Böylece, hanelerin ve bireylerin enerji üreticisi durumuna gelmesi sağlanabilir. Çift yönlü akıllı sayaçlar, evde üretilen fazla enerjinin satılmasını sağlayarak hem tüketiciye hem de enerji sistemine faydalar sağlayabilecektir. Tüketiciler, bu kabiliyet ile üretkentüketici (Prosumer) haline dönüşmeleri beklenmektedir. Hanelerin, yenilenebilir enerji kaynaklarına dayanan (Rüzgar+Güneş) üretken-tüketici duruma kavuşmaları, C0 2 salınımını düşürecek ve çevre dostu enerji üretimi sağlayabilecektir. f) Taşımada elektrikli araçların artması ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanan fazla enerji, taşımada kullanılabilecek ve çevre üstünde ağır baskısı olan taşımacılık biraz daha ucuz maliyetli ve doğa dostu gerçekleştirilebilmesi sağlanabilecektir. (a) Güç Katmanı (b) H K G Haberleşme Katmanı Kontrol Katmanı H K G KS HS Geniş Alan Yönetim Uygulamaları Şekil 2: (a) Akıllı şebeke teknoloji katmanları, (b) Katman bileşenlerinin (G: Güç bileşenleri, K: Kontrol bileşenleri, H: Haberleşme bileşenleri, KS: Kontrol sunucusu, HS: Haberleşme sunucusu) birbiri ile olan işlevsel bağlantıları. Site düzeyinde imkanlar: a) Yenilenebilir enerji kaynaklarının mikro şebeke düzeyinde entegrasyonu ile sitelerin şebekeye olan enerji bağımlılığı azaltılabilecek, çevre dostu üretim ve tüketim desteklenebilecektir. b) Site içi haberleşme ve site hizmetlerinin (Güvenlik, sulama ve site içi aydınlatma sistemleri) yönetimi ve kontrolü güç dağıtım hattı üstünden sağlanabilir. Şehir ölçeğinde imkanlar: a) Akıllı şebeke üstünden dağıtık sensör ve dağıtık kontrol uygulamaları şehir-içi hizmetlerinin (Aydınlatma, parkların sulanması, güvenlik gibi) yönetimi ve otomasyonunu sağlayabilecektir. b) Katı-atık bertaraf tesislerinden elde edilen enerji, akıllı şebeke üstünden şehir içi hizmetlerin enerji ihtiyacında kullanılabilecektir. c) Hane ve site düzeyinde yenilebilir enerji kaynaklarının kullanılması, şehrin dışarıya olan enerji bağımlılığını azaltabilecek, yenilenebilir enerji kaynakları verimli H K G Lokal Uygulamalar H K G 11

12 saatlerde enerji bakımından %100 kendine yetebilir duruma gelebilecektir. Ülke ölçeğinde imkanlar: a) Akıllı şebekeler ile yenilebilir enerji kaynaklarının kullanımının ve paylaşımının artması sonucu, petrole, doğalgaza, kömüre dayalı olan enerjiye bağımlılık azalacak ve ülkelerin enerji talebini karşılamada doğal kaynaklarının ağırlığı artacaktır. Bu çevre-dostu enerji üretiminin sağlanması yanında ülkenin ekonomik durumuna ve beşeri faaliyetlerine olumlu etkileri olacaktır. b) Akıllı şebekeler sayesinde yerinde üretim ve tüketim sağlanabilmesinin bir sonucu olarak iletim-dağıtım kayıpları ve masrafları azaltılabilecektir. Daha verimli ve güvenilir enerji kullanımı sağlanabilecektir. c) Akıllı şebeke ile sağlanabilecek talep taraflı yük yönetimi stratejileri uygulanabilir optimal tüketim yönetimi uygulanabilecektir. Böylece, enerji fiyatları makul seviyelerde tutulabilecek, ihtiyaç fazlası enerji arzı (Aşırı üretim) önlenebilir olacaktır. Global ölçekte imkanlar: a) Akıllı şebekeler ile yenilebilir enerji kaynaklarının kullanımının artması, yerinde üretim ve tüketim ile verimliliğin artırılabilmesi, küresel ısınma gibi insan aktivitesinin çevre üzerindeki baskısını azaltacak dünyanın yaşanabilir kalmasına önemli katkılar sağlayacaktır. b) Global ölçekte birleşen akıllı şebekeler, enerji üretim ve tüketimine esneklik kazandırabilecek, ülkeler arasındaki enerji paylaşımına dayalı çekişmeleri ve kaygıları azaltacaktır. Global akıllı şebeke entegrasyonu ile enerji üreten ülkelerin, enerji arzlarını dünya ile paylaşmaları kolaylaşabilecektir. Örneğin, çöl ortasında küçük ölçekli güneş paneli tarlası kuran bir lokal üretici, üretimini global bir pazarın hizmetine sunma avantajına sahip olabilecek, böylece enerji pazarı derinleşebilecektir. Bu imkanın sosyoekonomik etkileri, dünyayı daha global kılacak, ülke sınırları biraz daha önemini yitirir duruma gelecektir. c) Global akıllı şebeke üzerinden global ölçekte haberleşme, uzaktan ölçme ve kontrol imkanları iyileşecektir. Bu uluslararası bilimsel araştırma ve gözlem istasyonlarının çalışmalarını kolaylaştırabilecektir. 4. Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası Önceki bölümde bahsi geçen imkan ve beklentilerin gerçekleşebilmesi için şu hususların göz önünde tutulması gerekmektedir. Hane ölçeğinde yapılması gerekenler: a) Akıllı sayaçlar, asgari olarak mikrobilgisayar, bellek ve haberleşme birimlerine sahip olmalıdır. Bu cihazlar hem uzak alan haberleşmesi (GSM/GPRS, PLC, uydu haberleşmesi) hem de bina içi güç sistemlerine erişim sağlayabilmesi için yakın-alan haberleşme modüllerine (ZigBee, Wi-Fi, Power-line vs) sahip olmalıdır. (b) Yenilebilir enerji sistemlerinin (Güneş ve rüzgar) hanelerde yaygınlaştırılması ve akıllı sayaçlar ile yönetilebilir olması sağlanmalıdır. Böylelikle, akıllı sayaç programları tarafından ev içi güç yönetimi, şebekeye enerji ihracı gibi işlevleri yerine getirebilmelidir. (c) Ev cihazları, akıllı sayaçlar ile haberleşebilir ve yönetilebilir olmalıdır. Geleneksel cihazlara bu uyumu kazandırabilmek için akıllı prizler tasarlanmalıdır. Akıllı prizler, akıllı sayaçlar ile yönetilebilir olmalıdır. d) Elektrikli araç şarj sistemleri garajlarda veya park yerlerinde kurulmalıdır. Mahalle ölçeğinde yapılması gerekenler: a) Yerel dağıtım şebekesinin güç hattından haberleşmeye (PLC) imkan sağlaması temin edilmelidir. Dağıtıcı bileşenlerinin uzaktan izlenebilir ve yönetilebilir olması sağlanmalıdır. b) Yerel üretim ve tüketimi desteklemek için yenilebilir enerji ve depolama siteleri kurulabilmeli ve buradan elde edilen enerjinin yerel tüketimi desteklemesi sağlanabilmelidir. c) Yerel hızla şarj ve dolum istasyonları, elektrikli araçlara hizmet için yaygınlaştırılmalıdır. Şehir ölçeğinde yapılması gerekenler: a) Şehirlerin elektriğini üretebilir duruma getirilmesi için çalışmalar yapılmalıdır. Her şehrin yakın bölgelerinde yenilebilir enerji (Güneş ve rüzgar) üretim alanları kurulmalıdır. Ayrıca, katı-atık bertaraf tesisleri enerji üretim istasyonlarına dönüştürülmeli ve akıllı şebekeye entegre edilmelidir. b) Şehir-içi enerji yönetimi için kontrol ve haberleşme sunucuları kurulmalı, bunlar şehrin enerji haritasını gerçek zamanlı olarak gözlemleyebilmeli ve enerji dengesinin korunması için yerel akıllı şebekenin kontrolünü sağlayabilmelidir. Lokal ücretlendirme, yenilenebilir kaynakları devreye alma veya çıkarma, enerji ithali ve ihracı işlemlerinin yönetimi gibi görevleri yürütebilmelidir. Ülke ölçeğinde yapılması gerekenler; a) Bütün şehirlerin enerji durum ve taleplerini değerlendirebilen ve enerji trafiğini yöneten ulusal enerji kontrol ve yönetim sistemi kurulmalıdır. b) Devlet destek programları ve gelişen teknolojinin sağlayacağı fiyat avantajlarına sahip yenilenebilir enerji kaynakları ile yerel üretim ve yerel tüketimi özendirecek tedbirlerin alınması ve mekanizmaların kurulması sağlanmalıdır. Global ölçekte yapılması gerekenler; a) Bütün ülkelerin enerji durum ve taleplerini değerlendirebilen ve enerji trafiğini global ölçekte yöneten global enerji kontrol ve yönetim sistemleri kurulmalıdır. b) Akıllı şebeke araştırmaları ve standardizasyonu için bağımsız kuruluşlar kurulmalıdır. Bu kuruluşlar, akıllı şebekelerin, belirli standartlara uygun gelişimini ve entegrasyonunu sağlayacak tedbirleri almaya yetkili kılınmalıdır. 5. Sonuçlar Bu çalışmada, akıllı şebekeler, haberleşme ve kontrol uygulamaları açısından değerlendirildi ve bu uygulamaların yaygınlaştırıldığı geleceğin dünya için, hane, site, şehir, ülke ve global ölçekte projeksiyonlar yapıldı ve beklentiler irdelendi. Enerji sistemlerin daha akıllı yönetimi ve etkin kullanımı için haberleşme ve kontrol sistemlerini bünyesinde barındıran akıllı şebeke mimarilerinin genel yapısı, işlevsel olarak iç-içe geçmiş güç-kontrol-haberleşme katmanları olarak tasvir edilebilmektedir. Bu mimari üzerinden yapılan yakın geleceğe ait projeksiyonların akıllı şebekeler konusu ile ilgilenen akademik, endüstriyel ve kamusal paydaşlara yol gösterici olması amaçlanmıştır. Bu 12

13 çalışmanın yakın gelecekte hayata geçmesi mümkün olabilecek olan akıllı uygulamalarının, kamuoyu nezdinde daha anlaşılabilir olması yönünde katkı sağlayabileceğini umuyoruz. Kaynakça [1] Y. Cunjiang, Z. Huaxun, Z. Lei, "Architecture Design For Smart Grid," Energy Procedia, Cilt: 17, s: , [2] C. Liu, Q. Zeng, Y. Liu, "A Dynamic Load Control Scheme for Smart Grid Systems," Energy Procedia, Cilt: 12, s: , [3] R.E. Brown, "Impact of Smart Grid on Distribution System Design," IEEE Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, Pittsburgh, PA, s:1-4, [4] B.B. Alagoz, A. Kaygusuz, A. Karabiber, "A user-mode distributed energy management architecture for smart grid applications," Energy, Cilt: 44, s: , [5] AA. Bayod-Rujula, "Future development of the electricity systems with distributed generation, Energy Cilt: 34, s:377-8, [6] S. Grijalva, M.U. Tariq, Prosumer-based smart grid architecture enables a flat, sustainable electricity industry", Innovative Smart Grid Technologies (ISGT) IEEE PES, s:1-6, [7] P. Vytelingum, T.D. Voice, S.D. Ramchurn, A. Rogers, N.R. Jennings, Agent-based micro-storage management for the smart grid," The ninth international conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2010), s:39-46, [8] E. Kabalci, Y. Kabalci, I. Develi, "Modelling and analysis of a power line communication system with QPSK modem for renewable smart grids," Electrical Power and Energy Systems, Cilt: 34, s:19 28, [9] S.S.S.R. Depuru, L. Wang, V. Devabhaktuni, "Smart meters for power grid: Challenges, issues, advantages and status," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt: 15, s: , [10] D. Rech, A. Harth, "Towards a Decentralised Hierarchical Architecture for Smart Grids," Proceedings of the 2012 Joint EDBT/ICDT Workshops, New York, USA, s: , [11] Y. Zhang, W. Sun, L. Wang, H. Wang, R.C. Green, M. Alam, "A Multi-Level Communication Architecture of Smart Grid Based on Congestion Aware Wireless Mesh Network," North American Power Symposium (NAPS), Boston, MA, s:1-6, [12] W. Wang, Y. Xu, M. Khanna, "A survey on the communication architectures in smart grid," Computer Networks, Cilt:55, s: , [13] A. Usman, S.H. Shami, "Evolution of Communication Technologies for Smart Grid applications," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt: 19, s: , [14] P. Lee, L. Lai, "A practical approach to wireless GPRS on-line power quality monitoring system," IEEE Power engineering society general meeting, s:1-7, [15] P. Rengaraju, C.H. Lung, A. Srinivasan, "Communication requirements and analysis of distribution networks using WiMAX technology for smart grids," Eighth international wireless communications and mobile computing conference (IWCMC), s: , [16] P. Parikh, M. Kanabar, T. Sidhu, "Opportunities and challenges of wireless communication technologies for smart grid applications," IEEE power and energy society general meeting, s:1-7, [17] S. Galli, A. Scaglione, Z. Wang, "Power line communications and the smart grid," First IEEE international conference on smart grid communications (SmartGridComm), s: , [18] P. Yi, A. Iwayemi, C. Zhou, "Developing ZigBee deployment guideline under WiFi interference for smart grid applications," IEEE Transactions on Smart Grid, Cilt: 2, s: , [19] J. Norair, Introduction to dash7 technologies, Dash7 Alliance Low Power RF Technical Overview, [20] P. Jarventaustaa, S. Repoa, A. Rautiainena, J. Partanenb, "Smart grid power system control in distributed generation environment," Annual Reviews in Control, Cilt: 34, s: , [21] O.M. Toledo, D.O. Filho, A.S.A.C. Diniz, "Distributed photovoltaic generation and energy storage systems: A review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt: 14, s: , [22] G.C. Bakos, N.F. Tsagas, "Techno economic assessment of a hybrid solar/wind installation for electrical energy saving," Energy and Buildings, Cilt: 35, s: , [23] Office of the National Coordinator for Smart Grid Interoperability. NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 1.0, U.S. National Institute of Standards and Technology Special Publication 1108 (online), Available at smartgrid_interoperability_final.pdf. [24] E.F. Camacho, T. Samad, M. Garcia-Sanz, I. Hiskens, "Control for Renewable Energy and Smart Grids," The Impact of Control Technology. T. Samad and A.M. Annaswamy. Editors, 2011, Available at [25] K. Martin, "Synchrophasor Standards Development- IEEE C &IEC 61850," Proceedings of the 44th Hawaii International Conference on System Sciences, Hawaii, [26] IEEE standard for Synchrophasors for Power Systems, IEEE C [27] M.G. Kanabar, I. Voloh, D. McGinn, "A review of smart grid standards for protection, control, and monitoring applications," 65th Annual Conference for Protective Relay Engineers, s: , [28] G. K. Venayagamoorthy, "Innovative Smart Grid Control Technologies," IEEE Power and Management Meeting, s: 1-5, [29] S. T. Mak, N. Farah, "Synchronizing SCADA and smart meters operation for advanced smart distribution grid applications," Innovative Smart Grid Technologies Conference, Washington, USA, s:1-7,

14 Şebeke Bağlantılı PV Güç Sistemlerinde Ada Modlu Çalışma (ADMÇ) ve Tespit Yöntemleri Gökay BAYRAK 1, Mehmet CEBECİ 2 1,2 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Fırat Üniversitesi, Elazığ gbayrak@firat.edu.tr, mcebeci@firat.edu.tr Özetçe Günümüzde fotovoltaik (PV) güç sistemleri, yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde önemli bir yere sahiptir. Özellikle şebeke bağlantılı (ŞB) PV sistemlerin gelişmesi ile PV sistemler ve elektrik şebekesi arasındaki etkileşimlerin incelenmesi de önemli bir konu olarak ortaya çıkmıştır. Dağıtık güç üretim (DG) sistemlerinin elektrik şebekesi ile uyumlu bir şekilde çalışabilmesi, sürdürülebilir ve güvenilir bir çalışmanın oluşturulabilmesi, bu konuların en başında gelmektedir. Bir dağıtım sisteminin, güç sisteminin kalan kısmından elektriksel olarak izole edildiğinde, enerji akışının halen kendisine bağlı bulunan DG tarafından devam ettirilmesi durumu olarak tanımlanan Ada Modlu Çalışma (ADMÇ) durumu, (ŞB) PV sistemlerin şebeke ile olan etkileşiminde karşılaşılan problemlerin en başında yer almaktadır. Bu çalışmada, ŞB PV sistemlerde oluşan ADMÇ durumu ortaya konularak, ADMÇ nin neden olduğu sorunlar ve konu ile ilgili mevcut standartlar açıklanmıştır. Çalışmada ayrıca PV sistemlerde kullanılan ADMÇ tespit yöntemleri sınıflandırılarak, genel çalışma prensipleri araştırılmıştır. Çalışmada incelenen ADMÇ tespit yöntemlerinin birbirlerine karşı olan üstünlükleri ve eksiklikleri de değerlendirilerek, ADMÇ hakkındaki mevcut durum ortaya konulmuştur. 1. Giriş Günümüz güç sistemi, büyük güç merkezlerinin senkronize şekilde işletildiği, üretilen gücün yüksek gerilimlerde uzun iletim hatları boyunca iletildiği ve tüketici tarafında bu gerilimin düşürüldüğü bir yapıya sahiptir. Bu durum, üretilen elektriğin maliyetinin, küçük ölçekli üretim yapan tesislerden daha ucuz olmasını sağlamak amacı ile gerçekleştirilmektedir. Ancak yakıt pili, gaz türbinleri, rüzgar türbinleri ve güneş pilleri teknolojilerindeki gelişmeler, güç elektroniğindeki yenilikler, elektrik piyasasının yeniden düzenlenmesini gerektirmektedir. Müşterilerin güç kalitesi ve güvenilirlik açısından talepleri ve güç endüstrisi üzerindeki çevre ile ilgili endişeler, dağıtık üretimin önemini arttırmaktadır. Dağıtık üretim, yüke yakın üretim yapacak şekilde kurulan merkezi üretim merkezleri dışında kalan ve genellikle müşteri tarafında yer alan üretim kaynakları olarak tanımlanabilir. Dağıtım sisteminde DG sayısının artması, iletim ve dağıtım kapasitesindeki yükselmelerden sakınılmasını, iletim ve dağıtım hattı kayıplarının azaltılmasını, güç kalitesinin geliştirilmesini ve sistemin gerilim profilinin geliştirilmesini sağlayacaktır. Gerçekte, dünya üzerindeki çoğu şebeke sistemlerinde DG nin belirgin bir etkisi vardır. Bu nedenle DG ile şebeke arasında birçok sorun vardır ve bunların en başında ada modlu çalışma (ADMÇ) problemi gelmektedir. Şekil 1 de, ADMÇ durumunu gösteren genel yapı gösterilmiştir. Şekil 1: ADMÇ durumunu gösteren genel yapı ADMÇ, bir dağıtım sistemi güç sisteminin kalan kısmından elektriksel olarak izole edildiğinde, enerji akışının halen kendisine bağlı bulunan DG tarafından devam ettirilmesi durumudur [1]. ADMÇ, mevcut sistemde bazı sorunlara neden olmaktadır. Bunlardan bazıları aşağıda açıklanmıştır: ADMÇ, primer kaynakların açılması ya da kapanmasından sonra, sistemi besleyen DG kaynakları için ve hatta çalışanların güvenliği için tehdit oluşturmaktadır. ADMÇ de, gerilim ve frekans, izin verilen standart değerlerinin dışına çıkmaktadır. Adalanan sistem, DG bağlantısı nedeni ile yetersiz bir şekilde topraklanmış olabilmektedir. Ani tekrar kapama, DG nin faz dışına çıkmasına neden olabilmektedir. Bu durum, büyük mekanik momentler ve akımlar üretebilmekte ve generatörlere ya da primer cihazlara zarar verebilmektedir [2,3]. Aynı zamanda, şebekeye ve diğer müşteri ekipmanlarına potansiyel zarar verme durumu olan geçici durumlar da oluşabilmektedir. Faz dışı tekrar kapama, eğer bir pik gerilim değerinde oluşursa, çok çeşitli kapasitif anahtarlama geçici bileşenleri üretebilmekte ve hafif sönümlü bir sistemde nominal gerilimin 3 katı büyüklükte bir tepe gerilimine neden olabilmektedir [4,5]. Genellikle bir dağıtım sistemi, herhangi güç üreten aktif bir kaynağa sahip değildir ve iletim hattında bir arıza oluştuğunda güç elde etmemektedir. Ancak DG de bu öngörü geçerli değildir. Mevcut çalışmalar, ADMÇ meydana geldiğinde, mümkün olan en kısa sürede DG nin elektrik şebekesinden ayrılması gerekliliğini ortaya koymaktadır. IEEE standardı [6], ADMÇ meydana geldiğinde, DG nin sistemden ayrılması gerektiğini söylemektedir. IEEE standardı da [7], istenilmeyen bir ADMÇ durumunun maksimum 2 sn içerisinde tespit edilmesi gerektiğini ve 14

15 dağıtım hattına enerji aktaran tüm DG lerin bu durumda çeşitli sorunlar ile karşı karşıya kalacağını belirtmektedir. Bu nedenlerden dolayı, ADMÇ yi hızlı ve doğru bir şekilde tespit etmek önemlidir [8-11]. Bu çalışmada, ŞB PV sistemlerde oluşan ADMÇ durumu ortaya konularak, ADMÇ nin neden olduğu sorunlar ve konu ile ilgili mevcut standartlar açıklanmıştır. Çalışmada ayrıca PV sistemlerde kullanılan ADMÇ tespit yöntemleri sınıflandırılarak, genel çalışma prensipleri araştırılmıştır. Çalışmada incelenen ADMÇ tespit yöntemlerinin birbirlerine karşı olan üstünlükleri ve eksiklikleri de değerlendirilerek, ADMÇ hakkındaki mevcut durum ortaya konulmuştur. 2. ADMÇ İle İlgili Temel Kavramlar ADMÇ ile ilgili yapılan çalışmalarda, ADMÇ ile ilgili kullanılan yöntemlerin performanslarının değerlendirilmesinde iki önemli kavram üzerine vurgu yapılmıştır. Bunlardan ilki, tanımlanamayan bölge (NDZ = Non Detection Zone) kavramı, diğeri ise kalite faktörü (Q f ) kavramıdır. Her iki özellik de, ADMÇ yi belirleme yöntemlerinin performanslarının değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır NDZ (Non Detection Zone) Kavramı NDZ kavramı, ADMÇ yöntemlerinin, ADMÇ yi tespit edemediği yük aralığı bölgesi olarak tanımlanmaktadır. Buradaki yük, ADMÇ olayının gerçekleşme olasılığına sahip olan yükleri ifade etmektedir. Eğer şebeke tarafına bağlı olan kesici açıldığında (şebeke bağlantısı kesildiğinde), ada modlu çalışan sistemde bir aktif güç dengesizliği ve reaktif güç dengesizliği varsa, devredeki PCC noktasındaki gerilim ve frekansın büyüklüğü, inverter ve yükün aktif ve reaktif güçlerinin eşit olduğu bir noktaya kayacak ve değişecektir. Güç dengesizliğinin büyük olduğu durumlarda, UFP/OFP (Under Frequecy Protection / Over Frequecy Protection ) veya UVP/OVP (Under Voltage Protection / Over Voltage Protection ) yöntemleri ile ADMÇ durumu tespit edilebilmektedir. Ancak sistemdeki yükün karakteristiklerine bağlı olarak, ve güç dengesizliklerinin küçük olduğu durumlarda, UFP/OFP ve UVP/OVP cihazlarının kesiciyi anahtarladıkları noktalar ile ve güç farkları tarafından belirlenen, ADMÇ'nin tespit edilemediği bir bölge (NDZ) oluşmaktadır. Şekil 2 de bu bölge gösterilmiştir. Burada taralı alan ile gösterilen bölgede, ve güç farklarına bağlı olarak ADMÇ tespit edilememektedir. Şekil 2: ADMÇ de NDZ bölgesinin genel görünümü Aktif yöntemler, NDZ konusunda pasif yöntemlere göre oldukça üstündürler. Ancak NDZ değeri bu yöntemlerin performansını değerlendirmek için yeterli bir kriter değildir. Aktif yöntemlerde NDZ nin değerlendirilebilmesi için gerçek RLC yük değerlerine bağlı olarak hesaplanan normalize edilmiş C norm ve L norm değerlerine göre değerlendirme yapılabilmektedir Lokal Yük Eşdeğer Modeli ADMÇ yöntemlerinin değerlendirilmesinde, lokal yük genellikle paralel RLC yükü ile modellenmektedir. Bunun sebebi, ADMÇ yöntemlerinin ADMÇ yi tespiti için en zor çalışma durumunun paralel RLC yükü ile oluşturulmasıdır. Sabit güçlü ya da harmonik içeren nonlineer yükler, ADMÇ nin tespitinde paralel RLC yükü kadar zorluk oluşturmamaktadır Kalite Faktörü (Q f ) IEEE standardına göre, eğer gerçek güç üretimi, yükün talep ettiği gücün % 50 si ve ada modlu çalışan yükün güç faktörü > 0.95 ise inverter, şebeke bağlantısını, güç kalitesi 2.5 ya da daha küçük olacak şekilde, 2 saniye içerisinde kesmelidir. Bu standarda göre kalite faktörü; her periyotta depo edilen maksimum enerjinin, bir periyotta kaybedilen toplam enerjiye oranının 2*pi katı olarak ifade edilmektedir. Kalite faktörü değeri, 0 ile 2.5 arasında değişmektedir ve bu değişim paralel RLC yüküne bağlı olarak değişmektedir. Kalite faktörü bu aralıkta değişirken, güç faktörü de 1 ile 0.37 aralığında değişmektedir. Yani kalite faktörü artarken, güç faktörü azalmaktadır. Kalite faktörünün arasındaki değerleri, dağıtım hattının ve lokal yük konfigürasyonlarının tüm problemli durumlarına karşılık gelebilmektedir. ( ) (2.1) Denklem 2.8, paralel RLC yükünün kalite faktörünün, frekanstan bağımsız olduğunu göstermektedir. Akım kaynağının frekansının, yükün frekansına eşit olduğu düşünüldüğünden, yükün gerilimi ile akımı aynı fazda olacaktır ve yükün geriliminin büyüklüğü sadece yükün direnç değerine bağlı olacaktır. 3. ADMÇ İle İlgili Mevcut Standartlar ADMÇ, DG lerde çalışan personele ya da şebekeye güvenlik açısından problem oluşturmaktadır. Bu nedenle, DG lerin ADMÇ ile ilgili standartları sağlamaları gereklidir. Bu standartlar, ADMÇ önleme yöntemlerinin geliştirilmesinde de önemli bir yol haritasıdır. Özellikle IEEE-1547, IEEE-929, IEC-62116, Japon ve Kore standartları incelemeye değer standartlardır. Tablo 1, ADMÇ ile ilgili mevcut bazı standartlarda yer alan kriterleri göstermektedir. IEEE-929 standardında kalite faktörü değeri Q f = 2.5 olarak seçilirken, Japon standartlarında Q f = 0, diğer standartlarda ise Q f = 1 olarak seçilmiştir. Kalite faktörüne ek olarak, gerilimin ya da frekansın normal çalışma aralığı da, ADMÇ belirleme kapasitesini etkilemektedir. Buradan hareketle, ADMÇ nin en geç 2 saniye içerisinde tespit edilmesi gerektiği görülmektedir. Bu aralığın, her ülke için kabul edilmiş şebeke gerilim veya frekans aralığını takip edecek şekilde düzenlenmesi bu açıdan önemlidir. Bu nedenle ülkemizde de böyle bir düzenlemeye ihtiyaç olduğu açıktır. 15

16 PV sistemler için ADMÇ yi de içeren test standartları, IEEE (Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic Systems) ile belirtilmiştir [5]. IEEE-929 standardı, normal olmayan şebeke koşullarında PV inverterlerin güvenlik ve koruma fonksiyonları ile ilgili kriterleri de belirlemiştir. Bu normal olmayan koşullar, gerilim ve frekans değişimi ile istenmeyen elektrik adalarının oluşmasına neden olan şebekenin kesilmesi durumlarıdır. IEEE-929 a göre hangi durumlarda ve en fazla ne kadar zaman içinde inverterin şebekeden ayrılması gerektiği Tablo 1 de gösterilmiştir [3,7]. Şebeke empedansındaki değişiklikler, şebekeyle paralel çalışan inverterlerin kararsızlığa gitmesine neden olur. Bu nedenle EN gibi standartlar şebeke empedansında 0.5 değişim meydana geldiğinde, 5 saniye içinde inverterin şebekeden ayrılmasını şart koşmaktadır. Bu amaçla şebeke empedansının sürekli olarak ölçülmesi ve izlenmesi gereklidir. Tablo 1: IEEE standartlarına göre ADMÇ kriterleri Durum Frekans Gerilim En Büyük Açma Zamanı 1 f nom 0.5 V nom 6 periyot 2 f nom 0.5 V nom < V < 0.88 V nom 3 f nom 0.88 V nom V 1.10 V nom 4 f nom 1.10 V nom < V < 1.37 V nom 4. ADMÇ Tespit Yöntemleri 2 saniye/120 periyot Normal Çalışma 5 f nom 1.37 V nom V 2 periyot 6 (f nom-0.7) f (f nom+0.5) Hz V nom 2 saniye/120 periyot Normal Çalışma 7 f < (f nom-0.7) Hz V nom 6 periyot 8 f > (f nom+0.5) Hz V nom 6 periyot ADMÇ nin tespitindeki ana düşünce, DG çıkış parametrelerini ve/veya sistem parametrelerini görüntülemek ve bu parametrelerdeki değişimden faydalanarak, ADMÇ nin oluşup oluşmadığına karar vermektir. ADMÇ tespit yöntemleri, uzaktan izleme ve yerel yöntemler olmak üzere iki ana başlık altında toplanabilir. Yerel yöntemler de pasif, aktif ve hibrit yöntemler olarak üç ana başlık altında incelenebilir. Şekil 3, bu yöntemlerin sınıflandırılmasını göstermektedir Yerel Yöntemler Bu yöntemler, gerilim ve frekans gibi, DG tarafındaki sistem parametrelerinin ölçülmesine dayalı olarak çalışmaktadırlar. Bu yöntemler pasif ve aktif yöntemler olarak iki ana başlık altında toplanmıştır Pasif Yöntemler Pasif yöntemler, PCC (Point of Common Coupling) noktasındaki gerilim, frekans, harmonik bozulma vb. sistem parametrelerindeki değişimin ölçülmesi üzerine çalışmaktadırlar. ADMÇ olayı gerçekleştiğinde, bu parametreler büyük miktarda değişim gösterir. Şebeke bağlantılı durum ile ADMÇ durumu arasındaki farklılık, bu parametreler için belirlenen eşik değerleri ile karşılaştırılır. ADMÇ yi sistemdeki diğer arızalardan ayırt etmek için, eşik değerleri belirlenirken dikkatli olunmalıdır. Pasif yöntemler genellikle hızlıdır ve sistemde bir bozulmaya neden olmazlar. Ancak ADMÇ nin tespitinde hatalara neden olan, büyük bir algılanamayan bölgeye (NDZ) sahiptirler. Pasif ADMÇ yöntemleri, aşağıda detaylı olarak açıklanmıştır: Frekans Koruma ve Gerilim Koruma Yöntemi Üst/alt frekans koruma (Under/Over Frequency Protection - UFP/OFP) ve üst/alt gerilim koruma (Under/Over Voltage Protection (UVP/OVP) yöntemleri, standart röle koruma veya anormal gerilim koruma olarak ta bilinmektedir. Bu yöntemler ŞB PV sistemler için temel bir koruma olarak kullanılmaktadır. OFP/UFP ve OVP/OFP yöntemleri, tüm şebeke bağlantılı PV sistemler için gereklidir. PCC noktası geriliminin veya frekansının belirlenen eşik değerleri aştığı durumda, bu yöntemler ile DG, şebekeye güç aktarmayı durdurmaktadır. OFP/UFP ve OVP/OFP yöntemleri, korumanın yanında, ADMÇ yi tespit etmek için de kullanılmaktadırlar. ŞB bir PV sistemde, güç akışı Şekil 4 te gösterilmiştir. Burada PCC noktası, şebeke ve inverter arasındaki ortak bağlantı noktasıdır. Bir PV inverter, OVP/UVP veya OFP/UFP fonksiyonları ile donatıldığında, inverterin standart röleler kullanarak temel pasif ADM önleme yöntemine sahip olduğu düşünülür. Şebeke bağlantılı tüm inverterlerin, yazılım ile geliştirilmiş bu standart rölelere sahip olması gereklidir. Şekil 4: ŞB bir PV sistemde güç akışı Şekil 3: ADMÇ tespit yöntemleri PV tarafından üretilen güç (P PV ), yükün harcadığı güçten (P load ) daha küçük olduğu durumda, PCC noktasındaki gerilim (V PCC ), eşdeğer giriş ve çıkış gücünü dengelemek amacı ile arttırılmalıdır. Eğer lokal yük ve PV sistem gücü birbirine eşitse, ADMÇ nin tespiti oldukça zor olacaktır. Bu yöntemin cevap süresi değişken olduğundan dolayı, OVP/UVP koruma ADMÇ yi önlemek için doğru şekilde tetikleme yapamayacaktır. 16

17 Çıkış Gücü Değişim Oranı (ROCOP) Yöntemi DG tarafındaki çıkış gücü değişim oranı ADMÇ durumunda, aynı yük değişim oranı için, çıkış gücü değişim oranından çok daha büyük bir değer alacaktır. Bu yöntem, DG ye sahip dağıtım sisteminde, dengeli yüke nazaran, dengesiz yükün olduğu durumlarda daha etkili bir yöntemdir Frekans Değişim Oranı (ROCOF) Yöntemi: Frekans değişim oranı DG, ADM çalıştığında çok yüksek bir değere sahip olacaktır. ROCOF rölenin çalışma performansını anlamak için, Şekil 5 te gösterilen ROCOF röle modeli kullanılmıştır. DG terminalindeki gerilim sinyalleri, PLL (Phase Locked Loop) döngüsüne gönderilir. PLL, temel bir frekans sinyali üretir ve bu sinyal bir türev alıcı devreden geçirilir. Buradan çıkan sinyal, filtrelerin zaman sabitini ve kabul edilen ölçüm penceresini temsil eden zaman sabiti olan T a yı içeren, birinci dereceden bir transfer fonksiyonuna aktarılır. Şekil 5: ROCOF röle modeli blok diyagramı Eğer frekans değişimi oranı, belirlenen eşik değerini aşarsa, bir tetikleme sinyali üretilecektir. 50 Hz lik bir sistem için ROCOF ayarları, 0.1 Hz/s den 1.0 Hz/s ye kadar değişebilir. Bu değer sistemin sağlamlığına bağlıdır ve daha kuvvetli bir sistemde daha küçük bir değer alır. İngiltere de ROCOF röleleri genellikle Hz/s değerine, Kuzey İrlanda da ise 0.45 Hz/s ile 0.5 Hz/s aralığında ayarlanmaktadır [6]. ROCOF röleleri ile ilgili en önemli problem, bu röleleri üreten farklı üretici firmaların ürünlerinde, aynı sistem olayında bile, aynı ayarlar yapılmasına rağmen, farklı cevapların alınmasıdır. Bunun nedeni, bu rölelerde frekans değişimi oranının tespitinde kullanılan algoritmaların birbirinden farklı olmasıdır. Vektör kaydırmanın ADMÇ deki etkinliği, DG çıkış gücündeki ani değişimin büyüklüğü ile ilişkilidir. Bu nedenle, yükün talep ettiği güç ile üretilen güç arasındaki fark yetersiz olduğunda, şebeke bağlantısının tespitinde problem yaşanmaktadır. Röleyi aktive edebilmek için, aradaki bu farkın en azından nominal gücün %15 i ile %20 si arasında bir değerde olmalıdır. Röle 10 derece ile ayarlandığında, ADMÇ nin tespiti için %30 luk bir güç farkı gerekmektedir Frekans/Güç Değişim Oranı Yöntemi oranı, küçük kapasiteli bir üretim sisteminde, büyük kapasiteli bir üretim sistemine göre daha büyüktür. değişim oranı, bu durumdan yararlanarak ADMÇ yi tespit etmek için kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalarda, DG ve yükler arasındaki güç farkının küçük olması durumunda, oranının, frekansın zamana göre değişim oranına göre daha hassas sonuçlar verdiği görülmüştür [2] Faz Sıçraması Tespit (PJD) Yöntemi PJD (Phase Jump Detection) yöntemi, inverter terminal gerilimi (V PCC ) ile inverter çıkış akımı (I PV_inv ) arasındaki faz farkının, Şekil 7 deki gibi ani bir faz sıçraması için görüntülenmesine dayanan bir yöntemdir [9]. Bu yöntemde, şebeke bağlantılı inverterlerin birim güç faktörüne sahip olmaları gerekmektedir. Çünkü PJD yöntemindeki NDZ, yalnızca güç faktörüne bağlıdır. ADMÇ boyunca güç faktörü ise lokal yüke bağlıdır. Eğer inverter birim güç faktöründe çalışmazsa, NDZ değişebilir. Bu nedenle PJD yöntemi, güç faktörü tespiti veya geçici faz tespiti olarak ta bilinir. PJD uygulama olarak avantajlı ve uygulaması kolay olsa da, güvenilir ADMÇ belirleme işlemi için eşik değerlerinin seçilmesinin zorluğu, yöntemin verimini düşürmektedir Vektör Kaydırma Yöntemi Faz yer değiştirme, faz sıçrama veya vektör darbe yöntemi olarak ta bilinmektedir. Bu yöntem, ADMÇ yi, faz değişiminin görüntülenmesi yolu ile tespit etmektedir. İzlenen gerilimin faz açısındaki değişim, ayarlanan değeri bir kez aştığında, vektör kaydırma rölesi, DG tarafını ani bir tetikleme üreterek uyarmaktadır. Şekil 6 da bu durum gösterilmiştir. Gerilim vektör kaydırma röleleri için genel ayarlar, 6 ve 12 derece arasında değişmektedir. Zayıf yapılı şebekelerde, anahtarlama ya da ağır müşteri yükleri durumunda yanlış çalışmayı önlemek amacı ile röle ayarının nispeten yüksek seçilmesi önerilmektedir. İngiltere de vektör kaydırma rölelerinin ayarları ETR-113 standartlarına göre 6, Kuzey İrlanda da ise 10 ile 12 arasında seçilmektedir [6]. Şekil 7: PJD yöntemine ilişkin ADMÇ tespit durumu Empedans Değişimi Yöntemi Şebeke empedansı, ADMÇ durumundaki sistemin empedansından belirgin şekilde daha küçüktür. Ada modlu çalışan bölgenin empedansı, şebeke devreden çıktığından itibaren artacaktır [10,11]. Kaynak empedansının sürekli olarak izlenmesi, sistemin ada modlu çalışıp çalışmadığı konusunda bir fikir vermektedir Harmonik Bozulma Yöntemi Şekil 6: ADMÇ durumunda gerilim dalga şeklinin değişimi Yükün konfigürasyoundaki ve miktarındaki değişim, özellikle inverter içeren DG sistemlerde, şebekede farklı harmonik akımlara yol açabilmektedir. ADMÇ yi tespit etmede kullanılan bir yöntem de, ADMÇ olayından önce ve 17

18 sonra, DG terminal geriliminin toplam harmonik bozulma (THD) miktarındaki değişimin görüntülendiği yöntemdir. DG nin geriliminin 3. harmoniğindeki değişim de, ADMÇ nin tespitinde iyi bir fikir verebilmektedir [8]. Bu yöntem, akımın toplam harmonik bozulması ve gerilim dengesizliği gibi iki parametreyi kullanmaktadır. Bununla birlikte, bu yöntem yüksek kalite faktörü problemini çözememiştir ve eşik değerlerini belirlemek de oldukça zordur [9] Aktif Yöntemler Aktif yöntemler, yük ve üretim sistemi arasındaki güç farkının minimum olması durumunda bile ADMÇ yi tespit edilebilen yöntemlerdir. Pasif yöntemlerde, yük ve üretim sistemi arasındaki güç farkının minimum olması durumunda ADMÇ nin tespiti mümkün değildir. Aktif yöntemler, bozucu sinyallerin sisteme eklenmesi ile doğrudan güç sistemi ile etkileşime girerler. Aktif yöntemlerin ana fikri, DG de ADMÇ meydana geldiğinde, sistemde PCC noktasına eklenen küçük bozucu sinyallerin, sistem parametrelerinde büyük değişikliklere neden olacağı üzerine kuruludur. Oysa, DG şebekeye bağlandığında bu değişiklikler ihmal edilebilecek düzeyde olacaktır. Şekil 8, aktif yöntemlerin ADMÇ durumundaki genel yapısını göstermektedir. Aktif yöntemler, PCC deki gerilim veya frekans parametrelerindeki değişiklikleri tespit eden geri besleme kontrol yöntemine sahiptir. Bu durumda, PV inverter bir akım kaynağı gibi davrandığında, şebekeye sağlanan akım aşağıdaki denklem ile ifade edilir: (4.1) Burada inverter akımının genliği (, frekans ve faz açısıdır. Bu üç parametre değiştirilebilir, düzeltilebilir veya arıza sinyalleri olarak ayarlanabilir. Şekil 8: ADMÇ nin tespitinde kullanılan aktif yöntemlerin genel çalışma prensibi hızının yavaş olması ve DG nin birim güç faktöründe üretim yaptığı sistemlerde kullanılamamasıdır Empedans Ölçüm Yöntemi Bu yöntemin çalışma mantığı, pasif yöntemdeki ile aynıdır. Pasif yöntemde, bir şönt indüktans, besleme gerilimine belirli zaman aralıkları ile eklenmekte, kısa devre akımı ve kaynak gerilimindeki azalma güç sisteminin kaynak empedansının hesaplanmasında kullanılmaktadır [9]. Bununla birlikte, aktif yöntemde, bir gerilim bölücü üzerinden DG terminaline yüksek frekanslı bir sinyal eklenmektedir. Bu yüksek frekanslı sinyal, şebeke bağlantısı koptuğunda çok belirgin bir değişim göstermektedir [10] Faz veya Frekans Kaydırma Yöntemleri Göreceli faz farkının ölçümü, invertere dayalı DG lerde ADMÇ nin tespiti için iyi bir fikir verebilir. Fazın şeklinde, küçük bir bozucu etki yapmak sureti ile kaydırma yapılır. DG şebekeye bağlandığında, frekans sabit olacaktır. Sistem ada modlu çalıştığında ise fazdaki kayma, frekansta büyük bir değişikliğe neden olacaktır. Kayma Mod Frekans Öteleme Algoritması (SMS) [11], pozitif geri besleme kullanarak, PCC noktasındaki frekansın değişimi ile inverter akımının faz açısını değiştirir. SMS yöntemine ilişkin denklem aşağıda verilmiştir: [ ( ) ] (4.2) Burada, frekansında meydana gelen maksimum faz kayması, nominal frekans ve de bir önceki periyottaki frekanstır. Şekil 9, ADMÇ olayından sonra SMS nin çalışma prensibini göstermektedir. SMS yöntemi olmadığında, ADMÇ noktası, gerilim ve akım arasındaki faz kontrolünü yapan PLL kontrolü tarafından, Şekil 9 da gösterilen A noktasına gidecektir. Diğer durumlarda, ADMÇ noktası, denklem 4.2 de belirtilen denklem ışığında, lokal yük çizgisinin sıfır noktası olan A noktasına hareket edecektir. A noktası, UFR ve OFR ile belirlenen alan içinde olursa, ADMÇ olayı tespit edilemeyecektir. Bununla birlikte, PLL kontrolünde bir faz filtresi kullanılarak, ADMÇ olayından sonra çalışma noktası B noktasına taşınabilir. B noktası, UFR ve OFR ile belirlenen alan içinde olmadığından, SMS metodunu kullanan inverter, ADMÇ olayını yakalayabilir. Burada ; derece cinsinden lokal yük eğrisi, ; SMS eğrisi (derece), ; inverter çıkış gerilimi frekansı (Hz), ; SMS filtre hattının maksimum frekansıdır (Hz). ADMÇ nin tespitinde kullanılan bazı aktif yöntemler ve kısa çalışma prensipleri aşağıda açıklanmıştır: Reaktif Güç Akışı Hata Tespiti (REED) Yöntemi Bu yöntemde, DG tarafı ve şebeke arasındaki PCC noktasındaki reaktif güç akışı kontrol edilir [11]. Bu güç akışı, sadece şebeke bağlandığı zaman gerçekleşebilir. Eğer reaktif güç akışı seviyesi, ayarlanan değerini koruyamazsa, ADMÇ tespit edilebilir. Terminal gerilimindeki büyük bir değişiklik, reaktif gücün hemen hemen hiç değişmemesini sağladığında ADMÇ tespit edilebilir. Bu yöntemin en önemli sorunu, Şekil 9: ADMÇ nin tespitinde kullanılan SMS yöntemine ilişkin eğri 18

19 Bu tespit yöntemi, birden fazla inverterin yer aldığı sistemlerde de kullanılabilir. Bu yöntemin dezavantajı, yükün faz açısının eğiminin, SMS hattından daha büyük olduğu durumda, kararlı çalışma noktalarının kararsız çalışma noktalarına kayabilmesi ve ADMÇ nin tespit edilememesidir Aktif Frekans Öteleme (AFD) Yöntemi AFD yöntemi, inverter akımının sıfır geçişinde, Şekil 10 da gösterildiği gibi akımın yarı periyodunun kontrolü esasına dayanmaktadır. Burada T I ve T V, DG çıkış akımının ve şebeke geriliminin, bir yarı periyotluk sürelerini ifade etmektedir. T Z ise ölü zaman ya da sıfır zaman olarak adlandırılır ve DG çıkış akımının sıfır olduğu zamanı ifade etmektedir. Şebeke bağlantısı olmadığı durumda, inverter birim güç faktöründe çalışarak, adalanan sistemin geriliminin frekansını sürekli arttırıp azaltarak, lokal yükün rezonans frekansını arayacaktır. Bu yöntem, özellikle rezistif yüklerde oldukça etkili iken, diğer yüklerde başarısız sonuç verebilmektedir [6]. Şekil 10: AFD yönteminde kullanılan sinyalin değişimi Geri Beslemeli Aktif Frekans Öteleme (AFDPF) Yöntemi Bu yöntem, inverter akımının ölü bölgesini arttırarak, frekans değişimindeki artışı, nominal değerden uzak tutacak uygun değerine ayarlamaktadır [8]. AFDPF yöntemindeki sorun, paralel RLC yükündeki faz açısının, çalışma frekansına bağlı olması ve bu durumun zaman zaman ADMÇ nin tespitini sağlayamamasıdır Otomatik Faz Kaydırma Yöntemi (APS) APS yöntemi, SMS yönteminin değiştirilmiş bir halidir [3]. APS yöntemi ile sadece inverter çıkış akımının başlangıç açısı, bir önceki periyottaki frekansa göre değiştirilir. Bu yöntemde, sistem ada modlu çalıştığında, tetikleme noktasına ulaşıncaya kadar, inverter terminal geriliminin frekansındaki değişim korunur. Sadece, olası kararlı çalışma noktalarında ek faz kaydırma eklenir. APS algortiması bazen yavaş hareket ederek, gerçek yük şartlarında ADMÇ nin tespitinde başarısız olabilmektedir Adaptif Lojik Faz Kaydırma (ALPS) Yöntemi ALPS yöntemi, ek faz kaydırmayı düzenleyerek, her faz kaydırmanın etkisini ayrıca değerlendirmektedir [7]. Bu algoritma, inverter içeren DG şebekeye bağlandığında, küçük bir faz kaydırması üretmektedir. Oysa ADMÇ hızlı bir faz kaymasına neden olacaktır Sandia Frekans Öteleme (SFS) Yöntemi SFS Yöntemi, genellikle Pozitif Geri Beslemeli Aktif Frekans Kaydırma (AFDPF) yöntemi olarak ta bilinir ve Aktif Frekans Kaydırma (AFD) yönteminden geliştirilen yeni bir yöntemdir [9]. SFS yöntemi, pozitif geri besleme kullanarak, inverter çıkış akımı dalga şekline ölü zamanlar veya kesintiler ekleyerek, yeni bir faz açısı oluşturmaktadır. Bundan dolayı, inverter çıkış akımı frekansı, şebeke frekansından farklı bir değere zorlanmaktadır [10,11]. Denklem 4.3 te gösterilen kesim frekansı, şebeke frekansındaki hatanın bir fonksiyonu olarak aşağıdaki gibi ifade edilir: (4.3) Burada ( ) kesim frekansı, (K) hızlanma katsayısı, (f a ), V PCC 'nin ölçülen frekansı ve (f line ) hat frekansıdır Sandia Gerilim Öteleme (SVS) Yöntemi SVS Yöntemi, PCC noktasındaki gerilimin genliği üzerine dayalı olan pozitif geri besleme yöntemini kullanmaktadır. Şebeke bağlandığında, sistemin gücü üzerindeki etkisi yoktur ya da çok küçüktür. Fakat şebeke bağlantısı kesildiğinde, V PCC geriliminde azalma olacaktır. Yük empedansının durumuna göre bu azalma devam edecektir. Sonuç olarak, çıkış akımı ve gücü de azalacaktır. V PCC gerilimindeki bu azalma, UVP ile belirlenebilir. İnverter çıkış gücünü arttırmak ya da azaltmak, uygun OVP/UVP yöntemleri kullanarak mümkündür ve inverter sonunda işlemi sonlandıracaktır [5, 8, 10] Hibrit Yöntemler Hibrit yöntemler, hem aktif hem de pasif yöntemlerin bir arada kullanıldığı yöntemlerdir. Aktif yöntem, sadece ADMÇ pasif yöntem tarafından tespit edildiğinde kullanılmaktadır Uzaktan İzleme Yöntemleri Uzaktan izleme yöntemleri, şebeke ve DG ler arasındaki iletişime dayalı olarak çalışmaktadırlar. Bu yöntemler, yerel tekniklerden daha güvenilir olmasına rağmen, uygulama maliyetleri yüksek ve ekonomik değildirler. Uzaktan izleme yöntemlerinden bazıları aşağıda açıklanmıştır: Güç Hattı Sinyal (PLCC) Yöntemi PLCC yönteminde, iletim sistemindeki bir sinyal generatörü, mevcut güç hattını sinyal yolu olarak kullanarak, sürekli olarak dağıtım fiderlerine bir sinyal gönderir. Eğer alıcı sinyali algılamazsa (iletim ve dağıtım sistemleri arasındaki kesicilerin açılması nedeni ile oluşur), bir ADMÇ durumu vardır [7-9]. Şekil 11, bu yönteme ilişkin genel yapıyı göstermektedir. Bu yapı, çoklu DG sistemlerinde de etkin bir şekilde kullanılabilmektedir. Şekil 11: PLCC yöntemi genel yapısı 19

20 SCADA Yöntemi (Transfer Trip Yöntemi) Bu yöntemdeki temel düşünce, bir dağıtım sisteminde ADMÇ ye neden olabilecek tüm kesici ve ayırıcıları görüntülemektir. Bu amaçla SCADA sistemleri kullanılmaktadır [6]. Bu yöntem, şebeke ile DG ler arasında çok iyi bir etkileşim gerektirir ve bu durum da hem şebeke hem de DG sahipleri için maliyetleri arttırır. 5. ADMÇ Yöntemlerinin Karşılaştırılması ADMÇ tespit yöntemleri, yerel ve uzaktan izleme yöntemleri olarak iki ana başlık altında incelenmiştir. Yerel teknikler de kendi arasında, pasif, aktif ve hibrit yöntemler olarak üçe ayrılmaktadır. Pasif yöntemler, ekonomik ve pratik olması nedeni ile şebeke bağlantılı DG için gereklidir. Ayrıca pasif yöntemler, güç kalitesi üzerinde bozulmaya neden olmaz ve kolayca uygulanabilirler. Pasif yöntemlerin en önemli sorunu, NDZ nin yüksek olması ve eşik değerlerinin belirlenmesindeki güçlüklerdir. Bunun yanında, pasif yöntemler, tüm yük şartları altında (özellikle dengeli yükkaynak durumunda) garantili bir çalışma vermezler. Aktif yöntemler, pasif yöntemlerdeki yüksek NDZ yi azaltmak için geliştirilmişlerdir ve yüksek kalite faktörlü yükler dışında çok küçük NDZ ye sahiptirler. Aktif yöntemlerin arkasında UFP/OFP ve UVP/OVP yöntemleri işletildiği için sistemin kararlılığını bozmaktadırlar. Bu nedenle aktif yöntemler sistem kararlılığını ve güç kalitesini bozabilirler. Bu sorun, aynı DG ye birden fazla inverter bağlandığında daha büyük olmaktadır. İletişime dayalı yöntemler en mükemmel performansa sahip olmasına rağmen, şebeke tarafında ek iletişim aygıtları ve sensörleri gerektiğinden sistem ve işletme maliyetleri aşırı yüksektir. Bu nedenle, bu yöntemler, güç kalitesi ve kararlılığın sistem maliyeti yerine tercih edildiği genellikle büyük güçlü sistemlerde kullanılır. Bunun yerine NDZ nin küçük, güç kalitesinin iyi ve daha ucuz maliyeti olan hibrit yöntemleri kullanmak daha objektif bir yaklaşım olabilir. Ancak hibrit sistemler günümüzde halen Japonya dışında başka bir yerde gerçek sistemlerde kullanılmamaktadır [11]. Kaynakça [1] W. Jian, L. Xing-yuan, Q. Xiao-yan, Power System Research on Distributed Generation Penetration, Automation of Electric Power Systems, vol. 29(24), pp , [2] J. Mulhausen, et al. Anti-islanding today, successful islanding in the future. in Protective Relay Engineers, 63rd Annual Conference for [3] T. Ackermann, G. Andersson, and L. Söder, Distributed generation: a definition. Electric Power Systems Research, vol. 57(3): p [4] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems, in IEEE Std , [5] IEEE Application Guide for IEEE Std 1547, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, p , [6] IEA International Energy Agency, Evaluation of Islanding Detection Methods for Photovoltaic Utility Interactive Power Systems, in Task V Report, [7] IEEE, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems. IEEE Std , 2003: p. 0_1-16. [8] D. Velasco, et al., Review of anti-islanding techniques in distributed generators. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol.14(6): p , [9] Z. Xuancai, et al., Analysis of the Non-detection Zone with Passive Islanding Detection Methods for Current Control DG System., in Applied Power Electronics Conference and Exposition, [10] M. Liserre,; F. Blaabjerg,; R. Teodorescu,, "Grid Impedance Estimation via Excitation of LCL -Filter Resonance," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol.43, no.5, pp , Sept.-oct [11] M. Ciobotaru, R. Teodorescu, P. Rodriguez, "Online grid impedance estimation for single-phase grid-connected systems using PQ variations," Power Electronics Specialists Conference, pp: , Sonuç Literatür incelendiğinde, ADMÇ yöntemlerinin çoğunun halen öneri seviyesinde olduğu görülmektedir. Araştırmalar geliştirildikçe, gerçek sistem uygulamaları da geniş şekilde yer alabilecektir. Buradan hareketle, tüm çalışma koşulları altında, bütün sistemlerde güvenilir bir şekilde çalışacak, özel bir ADMÇ tespit yönteminin olmadığı görülmektedir. ADMÇ yönteminin seçimi, DG nin tipine ve sistem karakteristiklerine bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle genel amaçlı ve uygulamada kolayca gerçekleştirilebilecek yeni ADMÇ tespit yöntemlerine ihtiyaç bulunmaktadır. ŞB PV sistemlerin hızla geliştiği ülkemizde de, konu hakkında yapılacak çalışmalara ihtiyaç olduğu ve elektrik iletim ve dağıtım şirketlerinin de PV sistemlerin şebekeye bağlanması ile ortaya çıkacak en önemli problemlerin başında gelen ADMÇ olayı için önlemlerini alması için gerekli çalışmaları yürütmesi gerekliliği açıkça ortaya çıkmaktadır. Teşekkür Bu çalışma, Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi (FÜBAP) tarafından, MF numaralı proje kapsamında desteklenmiştir. 20

21 Şebeke Bağlantılı Bir PV Güç Sisteminde Güç Akışının Labview İle Gerçek Zamanlı Olarak İzlenilmesi Gökay BAYRAK 1, Mehmet CEBECİ 2 1,2 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Fırat Üniversitesi, Elazığ gbayrak@firat.edu.tr, mcebeci@firat.edu.tr Özetçe Fotovoltaik (PV) sistemlerdeki teknolojik gelişmeler, PV güç sistemlerini diğer yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde bir adım daha öne çıkartmaktadır. Buna paralel olarak, dağıtık üretim (DG) sistemleri içerisinde şebeke bağlantılı (ŞB) PV güç sistemleri de önemli bir yere sahip olmaya başlamıştır. ŞB PV güç sistemlerinin hızla gelişmesi, bu sistemlerin mevcut elektrik şebekesine bağlanması, elektrik şebekesi ile uyumlu bir şekilde çalışabilmesi ve güç kalitesi konuları da bu nedenle ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada öncelikle, ŞB PV sistemlerin şebeke ile etkileşimlerinin araştırılabilmesi amacı ile Fırat Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü bünyesinde tesis edilen 1.2 kwp lik bir ŞB PV güç sisteminin tasarımı, çalışması ve sistemin elektrik şebekesine bağlanması anlatılmış ve açıklanmıştır. Daha sonra PV sisteme, elektriksel yükler ve şebeke arasındaki güç akışının gerçek zamanlı olarak incelenebilmesi amacı ile geliştirilen Labview destekli kontrol ve izleme altyapısı entegre edilmiştir. ŞB PV sistemi oluşturan tüm birimler açıklanarak, PV sistemdeki güç akışına ilişkin sonuçlara da yer verilmiştir. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen yazılım ve donanım altyapısının ŞB PV sistemlerin şebeke ile olan etkileşimlerinin incelenebilmesi için uygun bir yapıya sahip olduğunu göstermektedir. 1. Giriş Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanıldığı dağıtık üretim sistemlerinin yaygınlaşması mevcut elektrik şebekesinin de yeniden düzenlenmesini gerektirmektedir. ŞB PV sistemlerin şebekeye bağlanması noktası da bu nedenle önemli bir konu olarak ortaya çıkmaktadır. PV, rüzgar ve yakıt pili gibi sistemlerin şebekeye entegre olmaları ve mevcut elektrik şebekesine bağlanarak [1,2,3], belirlenen kriterler ışığında bağlanması için günümüzde birçok çalışma yapılmaktadır [4-8]. ŞB PV sistemler, elektrik şebekesine bağlı olacak şekilde tasarlanırlar. Enerji ihtiyacının fazla olduğu saatlerde, ŞB PV sistem devreye sokularak enerji sistemi rahatlatılmaktadır [5,6]. Aynı zamanda, enerji üretildiği yerden çok fazla uzaklarda kullanılmadığı için, kayıpların asgari seviyede kalması sağlanmış olmaktadır. ŞB bir PV sistem ile bir konutun elektrik gereksinimi karşılanırken, üretilen fazla elektrik şebekeye satılabilmektedir. Yeterli enerjinin üretilemediği durumlarda ise mevcut elektrik şebekesinden sisteme enerji alınmaktadır [7,9]. Güneş ışınlarının PV modüllere gelmesi ile modülleri oluşturan PV diyotlar sayesinde bu ışınlar, DC ye dönüştürülür. Üretilen DC elektriğin, AC elektriğe dönüştürülmesi ve şebekeye uyumlu olması gerekmektedir. Bunun için, DC/AC inverterler kullanılır. Şekil 1 de ŞB bir PV sistemin blok şeması görülmektedir. PV Dizi DC-DC Dönüştürücü & MPPT DC-AC Dönüştürücü Çift Yönlü Sayaç Elektriksel Yükler Şebeke Şekil 1: Tipik bir şebeke bağlantılı PV sistemin blok şeması Şebekeye bağlantılı sistemlerde, enerjinin depolanmaya ihtiyacı olmadığı için şebekeden bağımsız sistemlere göre maliyetleri daha düşüktür. Avrupa Birliği'nin 2015 yılına kadar bir milyon küçük PV sistem kurmayı hedeflediği açıklanmıştır. Benzer şekilde ABD 2015 yılına kadar binaların çatılarına bir milyon PV panel yerleştirmeyi hedeflemiştir[10]. Aynı hedeften yola çıkarak Kaliforniya'da 2017 yılına kadar bir milyon PV sistem kurulmasını hedeflemiştir [11]. Hollanda ise ŞB PV sistemleri yaygınlaştırmak için çatıda kur-işletsahip ol programını başlatmıştır [12]. Laboratuvar ortamında gerçekleştirilen bu uygulama çalışmasında, öncelikle 1.2 kwp lik ŞB bir PV sistemin tasarımı, gerçekleştirilen ŞB PV sistemin özellikleri ve elde edilen sonuçlar açıklanmıştır. Daha sonra, PV sistemin şebekeye bağlanması ile PV sistem-yük ve şebeke arasındaki güç akışının izlenebilmesi amacı ile Labview ile geliştirilen güç akışı izleme programı anlatılmıştır. Prototip sistemden elde edilen sonuçlar ve sistemin güç akışı ile ilgili çıktılara da ayrıca yer verilerek, geliştirilen sistemin avantajları sıralanmıştır. 2. Şebeke Bağlantılı PV Sistemin Oluşturulması ŞB PV sistem, kişisel ihtiyaçlar, iklim şartları, yerleşim yeri, hava durumu ve güç ihtiyacı tahminleri gibi etkenlere bağlı olarak seçilebilecek farklı birimlerden oluşur. Temel sistem elemanlarını belirleyen en önemli etken işlevsel ve işlemsel ihtiyaçlardır. Genel olarak ŞB bir PV sistem, PV 21

22 panel ve diziler, DC-DC çevirici, DC-AC dönüştürücü (inverter) ve yük olmak üzere dört ana birimden oluşur. Bu bölümde, laboratuvar ortamında oluşturulan ŞB prototip sistemin detayları anlatılmıştır. Öncelikle 5 adet 160 Wp gücündeki PV paneller birbiri ile seri bağlanarak, PV dizi elde edilmiştir. Daha sonra PV inverter, çift yönlü elektrik sayacı, webbox ve sensorbox ünitelerinin bağlantıları gerçekleştirilmiştir. ŞB PV sistemin tasarımından sonra, elektronik ölçüm kartlarının tasarımı yapılmış ve Labview sinyal işleme ünitesi kullanılarak kontrol sistemi altyapısı oluşturulmuştur. Sistemi oluşturan bileşenlere ilişkin detaylı açıklama ve her bir bileşenin çalışması ile ilgili ayrıntılı bilgi ilerleyen bölümlerde verilmiştir PV Dizi Her biri 160 Wp güce sahip 5 adet DPS-160 güneş paneli seri bağlanarak PV dizi oluşturulmuştur. PV dizi, demonte olarak imal edilmiş alüminyum profillerin birleştirilmesi ile elde edilen taşıyıcı sistem üzerine yerleştirilmiştir. Şekil 2 de bu yapı gösterilmiştir. PV dizi çıkışından elde edilen DC gerilim, PV inverter girişine uygulanmıştır. Burada kullanılan güneş panellerinin her birinin kısa devre akımı 5 A ve açık devre gerilimi 43.3 V dir. Güneş panelleri ve panellerin kurulu olduğu taşıyıcı sistem, Fırat Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü laboratuvarında tesis edilmiştir. Şekil 2: Mevcut taşıyıcı sistem ve her biri 160 Wp güce sahip güneş panellerinden oluşan PV dizi PV diziyi oluşturan güneş panelleri seri bağlı olduğundan, PV diziden elde edilebilecek maksimum akım 5 A ve maksimum gerilim de V olmaktadır. PV inverter giriş gerilimi V DC olduğundan, uygulanan gerilim değeri belirtilen aralıkta uygun bir değere sahiptir. Tablo 1, PV diziyi oluşturan DPS-160 güneş panellerine ilişkin elektriksel özellikleri göstermektedir. Kullanılan güneş panelleri mono kristal yapıda olup, MPP noktasında üreteceği maksimum güç ise 160 W olmaktadır. Tablo 1: DPS-160 güneş paneli elektriksel özellikleri Max. Güç (Pmax) 160W Max Güç Noktasındaki Gerilim Değeri (Vmpp ) 35.2 V Max Güç Noktasındaki Akım Değeri (Impp ) 4.44 A Açık Devre Gerilimi (Voc ) 43.3 V Kısa Devre Akımı (Isc ) 4.98 A Akımın Sıcaklık Katsayısı ( ) Gerilimin Sıcaklık Katsayısı ( ) Seri Bağlı Hücre Sayısı (N sc) 12 Paralel Bağlı Kol Sayısı (N pc) 5 Güneş Pili Yapısı Mono-Crystalline Silicon 2.2. Şebeke Bağlantılı PV İnverter ŞB PV sistemdeki güç akışının izlenebilmesi için gerekli olan ŞB PV inverter, FÜBAP MF projesi kapsamında, SMA marka, SB-1200 model inverter olarak seçilmiştir. Şekil 3 de ŞB PV sistemde kullanılan inverter görülmektedir. PV inverterin maksimum gücü 1.2 kwp olup, iki adet string bağlantıyı sağlayabilmektedir. MPPT özelliğine de sahip olan şebeke bağlantılı inverterin, minimum DC giriş gerilimi 100 V, maksimum DC giriş gerilimi ise 400 V dir. Şekil 3: ŞB PV sistemde kullanılan SB-1200 inverter genel görünümü İnverter, Piggy Pack haberleşme kartı sayesinde, RS-485 üzerinden haberleşme özelliğine de sahiptir. Bu sayede inverter ile ilgili tüm bilgilere, webbox üzerinden ulaşılabilmektedir. Şekil 4 de ise, şebeke bağlantılı PV inverterin iç yapısı ve RS-485 haberleşme kartının PV invertere monte edilmiş hali görülmektedir. Haberleşme kartının uçları dışarıya taşınarak, PV sisteme uzaktan erişimi sağlayan webbox modem ve güneş ışınımı ve sıcaklık bilgisinin alındığı sensorbox ünitesi ile bağlantıları da gerçekleştirilmiştir. Şekil 4: Şebeke bağlantılı PV İnverterin iç yapısı ve RS-485 haberleşme kartının görünümü PV inverterin hem şebeke ile hem de PV dizi ile ilgili çalışmasını anlamak için, Şekil 5 de gösterilen PV inverterin genel yapısının anlaşılması gereklidir. PV inverter, MPP kontrol ünitesi, tek fazlı inverter bacağı, trafo ve SMA Grid Guard adı verilen bir koruma ünitesi olmak üzere 4 ana birimden oluşmaktadır. Şekil 5 de gösterilen yapıda, inverter girişinde PV dizi bağlantısı gerçekleştirilmektedir. Bu kısımda ayrıca PV sistemde toprak hatası olup olmadığı da kontrol edilmektedir. İnverter girişine uygulanan DC gerilim, MPP ünitesi ile PV sistemin en fazla güç üretebileceği noktayı tespit 22

23 etmektedir. Lokal MPP algoritması adı verilen MPPT yöntemi ile bu çalışma gerçekleşmektedir. Tek fazlı inverter bacağının girişine uygulanan DC gerilim, inverter bacağının çıkışında tek fazlı AC gerilime dönüştürülmektedir. Elde edilen AC gerilim trafonun girişine uygulanmakta, trafo çıkışı ise koruma ünitesine bağlanmaktadır. Kullanılan trafo ile hem PV sistem ile şebeke birbirinden manyetik kuplaj ile izole edilmiş, hem de bozucu etkiler filtre edilmiş olmaktadır. Sistemdeki aşırı gerilimlere karşı varistörler kullanılmıştır ve inverter ile ilgili bilgilerin webbox ünitesine aktarılabilmesi için de RS-485 haberleşme ünitesi mevcuttur. Şekil 6: Farklı gerilimlerdeki, PV inverter çıkış gücü-şebeke empedansı değişimi eğrileri Şekil 5: PV inverter genel yapısı Otomatik koruma ünitesi, PV sistem ile şebeke arasında güvenliği sağlayan bir ünitedir ve PV sistemin, DG şebekeden istenilmeyen bir şekilde ayrılmasını önlemeye çalışmaktadır. Bu nedenle kabul edilemeyen gerilim ve frekans değerlerinde, hem müşteriler için, hem de şebekede çalışan personel için maksimum bir koruma sağlamaktadır yılından önce sadece opsiyonel bir seçenek olan koruma ünitesi, PV sistemlerin hızlı gelişimi ile 1999 yılından sonra standartlar ile zorunlu hale getirilmiştir. Elektrik üretim, iletim ve dağıtım şirketleri, önceden belirlenen gerilim ve frekans eşik değerlerinin aşılmamasını istemektedirler. Bu değerler aşılmadığı sürece, şebeke daha etkin bir şekilde kullanılabilecek ve bir arızaya neden olmadan servis verebilecektir yılında tanımlanan DIN VDE 0126 standartlarında, ŞB inverterlerin, MSD (Mains monitoring with allocated Switching Devices) olarak tanımlanan bir koruma ünitesine sahip olması gerekliliği ortaya konulmuştur. Bu kriterlere göre şebekeyi kontrol eden SB-1200 inverterler, 2006 yılından sonra VDE standardının getirdiği koruma önlemlerine paralel olarak, yeni bir koruma ünitesi olan SMA Grid Guard ünitesi ile donatılmıştır. VDE standardı, PV sistemlerin şebekeden bağlantısının kesilmesi ile ilgili empedans izleme yöntemi, pasif yöntemler olan gerilim ve frekans izleme yöntemleri olmak üzere 3 temel yöntem önermiştir. AG şebekesinin empedansı, inverter çıkış terminalinden, son trafo istasyonuna kadar ölçülmektedir. Şekil 6 da, farklı gerilim seviyelerinde, PV inverter çıkış gücü-şebeke empedansı değişimi eğrileri gösterilmiştir. Gerilim değeri arttıkça, şebeke empedansı azalırken, gerilim değeri azaldıkça şebeke empedansı artmaktadır. İnverterin şebekeden ayrıldığı 253 V değerinde, şebeke empedansı 0.7 Ω, gerilimin 200 V olduğu durumda ise şebeke empedansı 2 Ω dan büyük bir değere ulaşmaktadır. Özellikle gerilim azaldıkça, empedans değişiminin oldukça hızlı değiştiği görülmektedir. AG şebekesinin çalışmalar sebebiyle devre dışı bırakılması durumunda, şebeke empedansı önemli oranda yükselir ve inverter güvenlik amacı ile şebeke beslemesini keser. Şebeke gözetiminin en iyi şekilde çalışmasının temin edilmesi için, bağlantı noktasına bağlanan hatların empedansının mümkün olduğunca düşük tutulması gereklidir. VDE standardına göre, inverter ile ev içi dağıtım şebekesi arasındaki AC hat empedansı 0,5 Ω dan fazla olamazken, 2006 yılındaki değişiklik ile bu değer 1 Ω a yükseltilmiştir. SMA Grid Guard koruma ünitesi, PV sistem ile şebekenin gerilimini, frekansını ve şebekenin empedansını kontrol ederek, PV sistem ile şebekenin istenilen kriterlere ve standartlara uygun şekilde bağlanmasını sağlayan özel bir yapıya sahiptir. Şekil 7 de, SB-1200 inverterin SMA Grid Guard ünitesinin iç yapısı gösterilmiştir. Şekil 7: SB-1200 inverter SMA Grid Guard ünitesi iç yapısı Burada otomatik koruma ünitesi, seri bağlı fakat birbirinden bağımsız 2 adet anahtarlama ünitesinden (MSD) oluşmaktadır. Bu ünitelerin her biri, sürekli olarak, bağlı bulunulan şebekenin gerilimini, frekansını ve empedansını izlemektedir. K1 ve K2 röleleri anahtarlama için kullanılmaktadır. PV sistem, şebekeden 200 ms gibi bir sürede ayrılmaktadır. Ayrıca sistemin girişine bağlı olan PV sistemin izolasyon direnci de (R ISO ) ölçülmektedir. İzolasyon direnci, PV sistemin pozitif veya negatif kutbu ve toprak potansiyeli arasındaki dirençtir. Eğer izolasyon direnci 500 kω dan büyük ise PV tesis yeterli miktarda izole edilmiştir. 500 kω dan küçük bir izolasyon direnci, DC hattın izolasyonunun yetersiz olduğunu gösterir ve PV panellerin hasar görmesine neden olabilir. 23

24 2.3. Güneş Işınımı ve PV Modül Sıcaklığının Ölçülmesi ŞB PV sistemde, sistemdeki güneş panellerinin maruz kaldığı güneş ışınım şiddetinin ve güneş panellerinin sıcaklıklarının ölçülebilmesi amacı ile sensorbox ünitesi kullanılmıştır. Sensorbox ünitesi, güneş panelleri modül sıcaklık bilgisi, ortam sıcaklığı bilgisi, güneş ışınımı şiddeti bilgisi ve eğer bir anemometre mevcut ise rüzgar hızı bilgisinin alınabildiği bir yapıya sahiptir. Sistemde kullanılan sensorbox ünitesinde, güneş paneli modül sıcaklığını ölçebilmek amacı ile 2 uçlu bir PT-100 sensörü kullanılmıştır. Kullanılan sensör ile -20 C ile 110 C arasında güneş paneli modül sıcaklığı ölçülebilmektedir. Modül sıcaklık sensörünün ölçüm doğruluğu 0.5 C olup, çözünürlüğü 0.1 C dir. Şekil 8 de, PV sistemde kullanılan sensorbox ünitesi ve modül sıcaklığının ölçülebilmesi için kullanılan sensör gösterilmiştir PV Sisteme Ait Bilgilerin Elde Edilmesi Tasarımı yapılan ŞB PV sistemde, güneş ışınımı ve modül sıcaklığı bilgileri ile güneş panelleri, PV dizi ve PV invertere ilişkin elektriksel parametrelerin elde edilebilmesi, elde edilen verilerin uzaktan izlenilebilmesi ve daha sonra değerlendirebilmek amacı ile kaydedilebilmesi için webbox modem ünitesi kullanılmıştır. Modem ünitesi, PV sistemler ile ilgili olarak geliştirilmiş olan bir uzaktan izleme ünitesi olarak tanımlanabilir. PV sisteme ilişkin birçok veri, modem ünitesi sayesinde görüntülenebilmektedir. Şekil 11 de, webbox ünitesinin, PV sistemlerde kullanılabilen çeşitli çalışma şekilleri gösterilmiştir. Şekil 8: Sensorbox ünitesi ve modül sıcaklık sensörü Sensorbox ünitesinden elde edilen güneş ışınım şiddeti ve güneş paneli sıcaklığı bilgileri, RS485 haberleşme hattı üzerinden webbox ünitesine aktarılmıştır. Şekil 9 da, 13 Aralık 2012 tarihinde ve saat 09:30-16:00 saatleri arasında PV sisteme etki eden güneş ışınım şiddeti görülmektedir. Şekil 11: Webbox ünitesinin PV sistemlerde kullanılabilen çeşitli çalışma şekilleri PV sistemde kullanılan modem ünitesi girişine, sensorbox ve PV inverterden gelen bilgiler aktarılmaktadır. Modem ünitesi, kendisine gelen bu bilgileri ethernet ile yerel ağ üzerinden aktarabilmektedir. Elde edilen bu bilgiler doğrudan webbox arayüzü ile bilgisayar üzerinden görüntülenebildiği gibi, uygun haberleşme altyapısı ile elde edilen verilerin aktarılması ile Sunny Portal uygulamasında olduğu gibi, internet üzerinden de görüntülenebilmektedir PV Sistemin İnternet Üzerinden İzlenmesi Şekil 9: PV panele etki eden güneş ışınım şiddeti Yine aynı tarih ve zaman aralığında, güneş panelleri modül sıcaklığının değişim eğrisi ise Şekil 10 da gösterilmiştir. Güneş paneli modül sıcaklığı ve güneş ışınım şiddeti, gerçekleştirilen sistem ile gerçek zamanlı olarak takip edilebilmektedir. Elde edilen verilerin, uzak bir bilgisayar ile internet üzerinden izlenilebilmesi için, Sunny Portal programı kullanılmıştır. Bu programın kullanılabilmesi için, sistemin öncelikle kayıt edilmesi gerekmektedir. Bu kayıt işlemi, webbox arayüz menüsündeki Info menüsü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu işlem başarı ile gerçekleştirildikten sonra, Sunny Portal web sayfası üzerinden, kullanıcı adı ve şifre girmek sureti ile internete bağlı herhangi bir bilgisayardan, geliştirilen ŞB PV sisteme ilişkin bilgilere ulaşmak mümkün olmaktadır. Geliştirilen PV sisteme ilişkin bilgiler, program üzerinden görülebilmektedir. Şekil 12 de, geliştirilen PV sisteme ait bilgi ekranı gösterilmiştir. Burada, PV sistemde kullanılan birimler görülebilmektedir. Geliştirilen PV sistem ile ilgili tanıtıcı bilgiler de, bu ekran üzerinden düzenlenebilmektedir. PV sistemin genel görüntüsü de, bu sayfa üzerinden sisteme yüklenebilmektedir. Şekil 10: PV panel modül sıcaklığı değişimi 24

25 Şekil 12: PV sisteme ait bilgi ekranı internet ara yüzü PV sistemin çalışması ile ilgili bilgiler, günlük olarak kaydedilmektedir. Kaydedilen veriler, program üzerinden grafiksel olarak görüntülenebileceği gibi,.csv formatlı bir dosya olarak ta kaydedilebilmektedir. Şekil 13 de, farklı günlerde çalıştırılan sistemde, PV inverter çıkışından elde edilen enerji gösterilmiştir. Üretilen enerji, günlük, aylık ve yıllık olarak görüntülenebilmektedir. Ayrıca PV sistemden elde edilen toplam enerji de sistemde kayıt altına alınmaktadır. ESÜ, PV sistem-şebeke ve yük tarafındaki akım,gerilim ve frekans bilgilerinin elde edilebilmesi amacı ile geliştirilen elektronik ölçüm kartlarından, devre kesicilerinden ve ölçüm kartlarından elde edilen bilgilerin değerlendirildiği Labview sinyal işleme kartından oluşmaktadır. Ölçüm kartları tarafından elde edilen akım,gerilim ve frekans bilgileri, Labview kartının analog giriş uçlarına uygulanmaktadır ve bu sinyaller 0-10 V aralığında değişmektedir. ŞB PV sistemdeki güç akışının izlenebilmesi amacı ile geliştirilen ESÜ den alınan bilgiler Labview kartına aktarılmıştır. Labview ile geliştirilen uygulama yazılımı ile de güç akışının gerçek zamanlı olarak izlenebilmesine imkan sağlanmıştır. Geliştirilen yazılım, PV sistem-şebeke ve yük tarafına ait akım, gerilim, frekans, aktif güç, reaktif güç, görünür güç, faz farkı, tepe değerler, efektif değerler ve bu parametrelerin değişimlerinin görülebildiği oldukça esnek ve kolay uygulanabilir bir yapıya sahiptir. Geliştirilen Labview programının giriş ara yüzü ve PV sistemin çalıştırılması ile elde edilen sonuçların bir kısmı, Şekil 15 te gösterilmiştir. Burada PV sistem tarafından üretilen aktif güç, şebekeye aktarılan güç ve yükün talep ettiği aktif güç gerçek zamanlı olarak izlenebilmektedir. Ayrıca sistemde anlık olarak akımın değişimi ve reaktif güç değişimi de görülebilmektedir. ESÜ deki kesicilerin çalışma durumlarında ilişkin bilgi de ekran da mevcuttur. Şekil 13: PV inverter çıkışından elde edilen enerjinin görüntülenmesi 3. Labview İle PV Sistemin Güç Akışının İzlenmesi PV sistemin şebeke ile olan bağlantısı gerçekleştirildikten sonra, PV sistemin çalışması ve sistemdeki güç akışının izlenebilmesi amacı ile Şekil 14 te gösterilen elektriksel senkronizasyon ünitesi (ESÜ) gerçekleştirilmiştir. Şekil 15: Geliştirilen ŞB PV Sistemde Güç Akışı Labview ile geliştirilen uygulama yazılımında, Şekil 15 teki giriş ara yüzünün dışında, PV sistem-şebeke ve yüke ait akım, gerilim, frekans, aktif güç, reaktif güç, faz farkı vb. parametrelerin değişimlerinin izlenebildiği ara yüzler de mevcuttur. Şekil 16, sistemin şebekeye bağlandığı durumda, PV inverter çıkışındaki gerilimi, Şekil 17 ise bu gerilimin değişimini göstermektedir. Şekil 14: Elektriksek Senkronizasyon Ünitesi (ESÜ) görünüşü Şekil 16: PV inverter çıkış gerilimi 25

26 4. Sonuçlar Gerçekleştirilen bu uygulama çalışmasında, öncelikle 1.2 kwp lik ŞB bir PV sistemin tasarımı, gerçekleştirilen ŞB PV sistemin özellikleri ve elde edilen sonuçlar açıklanmıştır. Daha sonra, PV sistemin şebekeye bağlanması ile PV sistem-yük ve şebeke arasındaki güç akışının izlenebilmesi amacı ile Labview ile geliştirilen güç akışı izleme programı anlatılmıştır. Prototip sistemden elde edilen sonuçlar ve sistemin güç akışı ile ilgili çıktılar, hızla gelişen ve yaygınlaşan ŞB PV sistemlerin izlenebilmesi, mevcut elektriksel şebeke ile etkileşimlerinin izlenebilmesi amacı ile gerçekçi, uygulanabilir ve pratik bir çözüm sunmaktadır. Şekil 17: PV inverter çıkış geriliminin değişimi ŞB PV sistemde, aktif, reaktif ve görünür güçler, PV sistem, yük ve şebeke için hesaplanmakta ve görüntülenebilmektedir. Şekil 18 de yükün talep ettiği güçler ve bunların değişimleri gösterilmiştir. Şekil 19 da ise her üç tarafa ait aktif güç değişimlerinin gerçek zamanlı olarak değişimi gösterilmiştir. PV sistemin ürettiği yaklaşık 300 W ın 100 W kadarı yük tarafından kullanılmakta, kalan yaklaşık 200 W ise şebekeye aktarılmaktadır. Bu durum şekilden açıkça görülebilmektedir. Şekil 18: Yük tarafından çekilen güçler Şekil 19: PV sistem, şebeke ve yüke ait aktif güç değişimleri Teşekkür Bu çalışma, Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi (FÜBAP) tarafından, MF numaralı proje kapsamında desteklenmiştir. Kaynakça [1] M. Bojic, M. Blagojevic, Photovoltaic electricity production of a grid-connected urban house in Serbia, Energy Policy, 34 (17): , [2] A. Fernández-Infantes, J. Contreras, JL. Bernal-Agustín, Design of grid connected PV systems considering electrical, economical and environmental aspects: apractical case, Renewable Energy, 31(13): , 2006 [3] W. Durisch, D. Tille, A. Wörz, W. Plapp, Characterisation of photovoltaic generators, Applied Energy, 65(1 4):273 84, [4] D.H.W. Li, G.H.W. Cheung, JC. Lam, Analysis of the operational performance and efficiency characteristic for photovoltaic system in Hong Kong, Energy Conversion Management,;46(7,8): , [5] T. Muneer, S. Younes, N. Lambert, Kubie J. Life cycle assessment of a mediumsized photovoltaic facility at a high latitude location, Proc Inst Mech Eng Part A: Journal of Power Energy, 220(A6):517 24, [6] H.A. Al-Ismaily, D. Probert, Photovoltaic electricity prospects in Oman, Applied Energy, 59 (2 3): [7] S. A. Kalogirou, Use of TRNSYS for modeling and simulation of a hybrid pv thermal solar system for Cyprus, Renewable Energy, 23(2):247 60, [8] J. C. Lam, C. L. Tsang, D.H.W. Li, Long term ambient temperature analysis and energy use implications in Hong Kong, Energy Conversion Management, 45(3):315 27, [9] S. H. Yoo, E. T. Lee, Efficiency characteristic of building integrated photovoltaics as a shading device, Buildings and Environment, 37(6):615 23, [10] S. Dubey, G.S. Sandhu, G. N. Tiwari, Analytical expression for electrical efficiency of PV/T hybrid air collector, Applied Energy, 86(5): , [11] S. Rehman, M. A. Bader, S. A. Al-Moallem, Cost of solar energy generated using PV panels, Renewable and Sustainable Energy Reviews,11(8): , [12] T. Muneer, S. Younes, N. Lambert, J. Kubie, Life cycle assessment of a medium sized photovoltaic facility at a high latitude location. Proc Inst Mech Eng Part A: J Power Energy, 220(A6):517 24, [13] J. D. Mondol, Y. G. Yohanis, B. Norton, Optimising the economic viability of grid connected photovoltaic systems, Applied Energy, 86(7 8):985 99, [14] I. Nawaz, G. N. Tiwari, Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro- and micro-level, Energy Policy, 34(17): , [15] L. Lu, H. X.Yang, Environmental payback time analysis of a roof-mounted building integrated photovoltaic system in Hong Kong, Applied Energy, 87(12): ,

27 Yenilenebilir Kaynakları İçeren Güç Sistemlerinin PowerWorld Programı ile Analizi Yasin İçel 1, Burhan Baran 2, Asım Kaygusuz 2, Ömer Bektaş 3 1 Meslek Yüksekokulu, Elektrik ve Enerji Bölümü Adıyaman Üniversitesi, Adıyaman yicel@adiyaman.edu.tr 2 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi, Malatya burhanbaran@hotmail.com asim.kaygusuz@inonu.edu.tr 3 Meslek Yüksekokulu, Elektronik ve Otomasyon Bölümü Tunceli Üniversitesi, Tunceli omrbektas@hotmail.com Özetçe Bu çalışmada güç sistemlerinin analizinde profesyonel olarak kullanılan PowerWorld programı ile modern güç sistemlerinin analizi için örnekler sunulmuştur. Öncelikle program hakkında bilgi verilmiş ve kısaca tanıtılmıştır. Ardından güç sistemlerinde güç akış analizi, kararlılık analizi, alternatif enerji kaynaklarından rüzgâr enerjisinin sistem yük akışına ve iletim hatlarının yüklenmesine olan etkisi konularında örnekler yapılarak karşılaştırmalı olarak tartışılmıştır. Bu örnekler ışığında PowerWorld programı güç akışı, kararlılık, iletim hatlarının yüklenme oranları ve özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının sisteme eklenmesiyle oluşabilecek etkinin analizi için kolaylıkla kullanılabileceği görülmüştür. 1. Giriş Enerji üretiminde, yenilenebilir enerji kaynaklarının payı gün geçtikçe artmaktadır. Rüzgâr ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı elektrik üretiminin, iklim ve çevre kirliliği üzerinde daha az olumsuz etkiye sahip olması, enerji üretimi için yakıt gerektirmemesi, tüketilecek enerjinin bölgesel üretilebileceğinden dolayı iletim hatlarında kayıpların minimize edilebilmesi gibi avantajlarından dolayı enerji üretimindeki payı gün geçtikçe artmaktadır [1]. Bu tür yenilenebilir kaynakların, geleneksel güç sistemine entegre edilmesinin önündeki en önemli güçlük, üretim süreksizliği ve belirsizlikleri olarak gösterilmektedir. Üretim belirsizlikleri ve süreksizlikleri, sistemin yük akışlarında anlık değişimlere neden olabilmektedir [2]. Mevcut güç sistemlerinin en iyi şekilde işletilmesi kadar, gelecekte sistemlerde meydana gelebilecek gelişmelerin planlanması yönünden de yük akış analizi etütlerinden elde edilen başlıca bilgiler, bir güç sisteminin planlaması, işletimi ve kontrolünde matematiksel modelinin kurulması, bara admitans ve empedans matrisleri, her barada geriliminin genliği, faz açışı ve her hatta akan aktif ve reaktif güçler oldukça önemli yer tutar. Bunun için Gauss - Seidel, Newton - Raphson ve Fast Decoupled Yük Akış Metodu gibi yöntemler geliştirilerek güç sistemi ve yük akış analizleri AC hesap boardları ile yapılmıştır. Bu işlem oldukça can sıkıcı ve zaman alıcıdır. Bilgisayarlardaki hızlı gelişmelerin sonucu olarak eskiden kullanılan analiz metotları yerlerini bilgisayar analiz metotlarına bırakmıştır. Bilgisayarların hızı, güvenirliği ve yüksek hassasiyeti, kısa zamanda güç sistemlerinin analizinde ve bilhassa yük akış analizinde en fazla kullanılan bir araç haline gelmelerine sebep olmuştur. Bilgisayarların, güç sistemlerinin analizinde kullanılmağa başlanması ile beraber nümerik analiz metotları da ön plana çıkmıştır. Büyük yapıdaki güç sistemlerinin analizinde bilgisayara dayalı çözüm tekniklerine gereksinim duyulur. Pratik, teorik ve eğitim amaçlı kullanımlarda güç sistemlerinin sayısal analizinde bilgisayar destekli programlara ihtiyaç her geçen gün artmaktadır [3]. Bilgisayar kullanımının yeni yaygınlaştığı dönemlerden itibaren bu amaçla birçok çalışma yapılmıştır [4,5]. Bilgisayar teknolojisindeki hızlı ilerleme sayesinde ve grafik ortamının daha etkin kullanıldığı programlar geliştirilmiştir [6-8]. Güç sistemlerini birçok yönden inceleyebilen paket programlar geliştirilmiş olup kişisel bilgisayarlarda kullanıma hazır hale getirilmiştir. Örneğin: Mathcad, Mathematica, Matpower, Neplan, Pscad, Etap, PowerWorld, Uwpflow, Gyte, VST, ATP/EMTP ve PSpice gibi programlarla güç sistemlerinin değişik işletme ve çalışma şekillerine göre analizleri yapılabilmektedir [9-12]. Söz konusu programların hemen hemen hepsinde sonuçlar ya görsel olarak sunulmakta ya da ara işlemler gösterilmeden sadece istenen sayısal sonuçlar kullanıcıya aktarılmaktadır. Elde edilen bu sonuçlar karmaşık yapıdaki güç sistemlerinin analizinin yapılmasında mühendislere, operatörlere ve teknik elemanlara sistem hakkında ön bilgiler vermektedir. Kullanılan paket programlar güç sistemleri üzerinde gerçekleştirilecek işlemlerin bilinçli ve kontrollü bir şekilde yapılmasına imkân tanır.[12]. 27

28 2. PowerWorld Programı Güç analiz problemlerinin bilgisayarda çözümü 1950 li yıllarda başlamıştır. Bilgisayarlarda yük akış analizi ile uygulamalar yapılması güç sistemleri adına büyük faydalar sağlamıştır [13]. PowerWorld Simulator (PWS) güç akış analizi yapabilmek için geliştirilmiş bir programdır [14]. Yapılan modellemeler ve analizler sonucu mevcut güç sistemlerinin en iyi şekilde işletilebilmesi ve gelecekte sistemde meydana gelebilecek problemlerin değerlendirilmesi sağlanabilmektedir. Bu program ile her bir hattaki MW ve MVAR yük akışları, her bara geriliminin genliği, faz açısı, hatlardaki aktif ve reaktif güç akışları, gerilimlerdeki değişimler, hat kapasiteleri gibi durumlar bilgisayar ortamında hesaplanarak görüntülenebilmektedir. Bu simülatörde sisteme santral, iletim hattı, yük eklenebilir veya çıkarılabilir. Uzal ve ark. [15] İzmir ili ve çevresine ait güç sisteminin geleneksel güç akış algoritmasını ve Power World Simulator programı yardımıyla gerçek verilerle uyumlu modelleri oluşturulmuş ve bu modellerin ürettiği değerlerin gerçek sistemle neredeyse bire bir tuttuğunu gözlemlemişlerdir. Aydın ve ark. [16] ise, enerji iletim sistemlerinde seri kapasitörlerin gerilim kararlılığı açısından sistem büyümelerine etkileri konulu çalışmalarında, reaktif güç kontrolü ile sistemin gerilim kararlılığının sağlanmasında, seri kompanzasyon sistemlerinin kullanılmasının, pratik ve ekonomik bir çözüm olduğunu PowerWorld programı yardımıyla göstermişlerdir. Tablo 2: Hat değerleri Hat No: Rezistans Reaktans 4-5 0,0125 0, ,0095 0, ,0178 0,0950 0,0150 0,0100 0,0780 0,0900 0,0670 0,3000 Baralara ait gerilim açılarının dereceleri ve birim değerleri Şekil 1 de görüldüğü gibidir. 1.durum: Jeneratör ve yüklerin Tablo 1 de verilen aktifreaktif güçlerine ve iletim hatlarının Tablo 2 de verilen rezistans-reaktans değerlerine göre yük akış analizi ve geçici durum kararlılık analizinin yapılması Uygulama Örnekleri Örnek 1: Yük Akış ve Geçici Durum Kararlılığı Analizi: PowerWorld [14] programı ile modern güç sistemi analizini öncelikle örnek bir güç sisteminde inceleyelim. Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılacak sisteme ait güç, yük ve hat değerleri Tablo 1 ve Tablo 2 de verilmiştir. Güç sistemi 8 bara, 3 jeneratör ve 2 yükten oluşmaktadır. 7. bara ile 8. bara arasında 1,00 sn. de başlayıp 1,80 sn. de biten bir faz-toprak arızası olması durumu incelenecektir. Simülasyon 12 sn. boyunca devam edecektir. Örnek güç sistemindeki mevcut güç ve yük değerlerine göre güç sistemin kararlılığının incelenmesi durumu, güç sistemindeki jeneratör ve yüklerin aktif-reaktif güç değerlerinin değiştirilmesi sonucunda sistemdeki jeneratörlerin kararlı duruma geçme sürelerinin değişmesi durumu ve jeneratör ile yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin değiştirilmesi sonucunda sistemin kararsızlığa gitmesi durumu sistemdeki jeneratörlerin rotor açılarının zamana bağlı değişimlerine göre incelenecektir. Şekil 1: Güç sistemi Geçici Durum Kararlılığı Analizinin yapılabilmesi için öncelikle sistemin yük akış analizinin yapılması gereklidir. Tablo 1 ve Tablo 2 deki değerlere göre Şekil 1 de verilen güç sisteminin yük akış analizi yapıldığı zaman akış yönleri Şekil 2 deki gibi elde edilmiştir. Tablo 1: Sisteme ait değerler Aktif Güç Reaktif Güç Jeneratör MW 12 Mvar Jeneratör MW 11 Mvar Jeneratör 3 Yük 1 Yük MW 130 MW 115 MW 2 Mvar 45 Mvar 30 Mvar Şekil 2: Güç sisteminin yük akış analizi 28

29 Ardından Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılmış ve Şekil 3 deki sonuçlar elde edilmiştir. Şekil 4: 2. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana bağlı değişimleri Şekil 4 den de görüleceği üzere 1 nolu jeneratör 10,5. sn., 2 nolu jeneratör 11,5 sn. ve 3 nolu jeneratör ise 9,5 sn. den itibaren kararlı hale gelmişlerdir. Bu sistem kararlıdır. Şekil 3: 1. durum için jeneratör rotor açılarının zamana bağlı değişimleri Şekil 3 den de görüleceği üzere jeneratörler 1. saniyeden itibaren kararsızlığa başlamıştır. Ancak sistemin bu kararsızlığı giderebilecek yeteneği olması sebebi ile jeneratörlerin rotor açılarındaki kararsızlık zamanla azalıp 12. saniyede tamamen giderilmiştir. Bu sebeple bu sistem kararlı bir sistemdir. 2.durum: Jeneratör ve yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin değiştirilmesi sonucunda sistemdeki jeneratörlerin kararlı duruma geçme sürelerinin değişmesi durumunun incelenmesi. 3.durum: Jeneratör ve yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin değiştirilmesi sonucunda sistemin kararsızlığa gitmesi durumunun incelenmesi. Tablo 4: 3. duruma ait güç sistemi değerleri Aktif Güç Reaktif Güç Jeneratör MW 43 Mvar Jeneratör 2 80 MW 32 Mvar Jeneratör 3 Yük 1 Yük MW 130 MW 200 MW 17 Mvar 45 Mvar 30 Mvar Tablo 3: 2. duruma ait güç sistemi değerleri Aktif Güç Reaktif Güç Jeneratör MW 13 Mvar Jeneratör MW 18 Mvar Jeneratör 3 Yük 1 Yük MW 130 MW 150 MW 6 Mvar 45 Mvar 30 Mvar Şekil 5: 3. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana bağlı değişimleri Şekil 5 incelendiğinde, her üç jeneratör de karasızlığa gitmiştir. Bu sebeple bu güç sistemi kararsızdır. 29

30 Örnek 2: Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Yük Akışına Etkisinin Analizi: Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde yük akışına ve iletim hatlarındaki yüklenmelere olan etkisini incelemek için, yapısında iki rüzgâr türbini bulunan bir sistem PowerWorld programında benzetimi yapılarak analiz edilmiştir. ile 3. ve 5. baralar arasındaki iletim hatlarında yüklenme oranları oldukça yükselmiştir. Rüzgâr türbinlerinin sisteme olan etkisini incelemek için türbinler aktifleştirildiğinde sistemin yük akışı Şekil 8 de gösterildiği şekilde olmaktadır. Şekil 6 da 7 bara, 3 jeneratör, 2 rüzgâr türbin, 6 yük ve 11 hattan oluşan sistemde rüzgâr türbinlerinin aktif edilmeden önceki yük akış durumu gösterilmiştir. Şekil 8: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten sonraki durumu Şekil 6: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan önceki durumu Şekil 9: Örnek sistemde 2. baranın rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten sonraki durumu Şekil 7: Örnek sistemde 2. baranın rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan önceki durumu Şekil 7 de ise sistemde ana jeneratörün bağlı olduğu 2. baranın (salınım barası) durumu gösterilmiştir. Sisteme dikkat edilecek olursa yük akışlarının 2 nolu baradan diğer baralara doğru olduğu görülmektedir. Özellikle 2. bara Şekil 9 da rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten sonra sistemde ana jeneratörün bağlı olduğu 2 nolu baranın durumu gösterilmektedir. Dikkat edilecek olursa sistemin ihtiyaç duyduğu enerjiyi ilk durumda 2. baraya bağlı jeneratör tek başına sağlarken (375 MW) ikinci durumda ihtiyaç duyulan enerjinin elde edilmesinde rüzgâr türbinleri de etkili olmuş ve ana jeneratörün ürettiği enerji azalmıştır (162 MW). Ayrıca baralar arasındaki yük akışlarında da değişiklik görülmektedir. İlk durumda 2. baradan 1. baraya yük akışı 30

31 olurken ikinci durumda bu yük akışı tersine dönmüş ve 1. baradan 2. baraya doğru akmaktadır. Enerji sistemlerinde en önemli kayıplardan biri iletim hatlarındaki kayıplardır. Sistem incelendiğinde 1. durumda iletim hatlarında özellikle 2. bara ile 3. bara ve 5. bara arasında yüksek oranda yüklenme meydana geldiği görülmektedir. Bu da iletim hatlarında ciddi kayıplar meydana geleceğini göstermektedir. Rüzgâr türbinleri devreye alındığında bu hatlardaki yüklenmelerin ciddi oranda düştüğü görülmektedir. Bu da alternatif enerji kaynaklarının sisteme sağladığı en önemli katkılardan biridir. PowerWorld programı ile güç sistemlerinde yer alan iletim hatlarındaki yüklenmelerin hassasiyetleri de incelenebilmektedir. Örnek güç sistemimizde rüzgâr türbinleri devre dışı iken güç sisteminde yer alan iletim hatlarının bazılarında dengesiz yüklenmeler meydana gelmektedir (Şekil 10). Şekil 12 de ise her iki rüzgâr türbini de devreye alındığında güç sisteminde yer alan iletim hatlarında yüklenmede düzelme meydana gelmiş ve iletim hatlarındaki aşırı yüklenme ve dengesizlik ortadan kalkmıştır. Güç sisteminde yük akışı ve iletim hatlarındaki yüklenme dağılımı kararlı hale yaklaşmıştır. Şekil 12: Örnek sistemin rüzgâr türbinleri aktif olduğunda iletim hatları yüklenme durumu Şekil 10: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan önceki iletim hatları yüklenme durumu Şekil 11 de, 1. Rüzgar türbini devreye alındığında güç sisteminde yer alan iletim hatlarında yüklenmede düzelme meydana gelmemiş hatta iletim hatlarında aşırı yüklenme ve dengesizlik artmıştır. Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinin kararlılıklarına olan etkisi, 2. bara ile 1. bara arasında 1,00 saniyesinde başlayıp 1,80 sn. de biten bir faz-toprak arızası olması durumu Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılarak incelenecektir. Simulasyon 10 sn. boyunca devam edecektir. Örnek güç sistemindeki güç ve yük değerlerinin değişiminden oluşan iki farklı duruma karşılık sistemdeki jeneratörlerin rotor açılarının zamana göre değişimlerini gösteren şekillerden kararlılıkları incelenecektir. Şekil 13 de 1. durum için güç sisteminde rüzgâr türbinleri aktif değilken iki bara arasında arıza meydana geldiği durum incelenmiş ve sistemin karasız olduğu görülmüştür. Şekil 11: Örnek sistemin 1. rüzgâr türbini aktif olduğunda iletim hatları yüklenme durumu Şekil 13: 1. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana bağlı değişimleri 31

32 Şekil 14 de rüzgâr türbinleri devreye alındığında (2.durum) güç sisteminde yer alan rüzgâr türbinlerinin ve 2. bara jeneratörünün (slack jeneratör) aynı arıza durumunda başlangıçta kararsız bir çalışma gösterip daha sonra kararlı hale geldiği görülmüştür. Bu da alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde kararlık açısından olumlu etkiler meydana getirdiğini göstermektedir. Şekil 14: 2. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana bağlı değişimleri 3. Sonuç Güç akışı, kararlılık gibi analizlerin güç sistemlerinin işletilmesi ve planlanması açısından ne kadar büyük bir önem taşıdığı bilinmektedir. Bu analizler literatürde büyük bir paya sahiptir. Ayrıca araştırmaların yenilenebilir kaynakları içeren sistemleri de kapsayacak şekilde yapılması ve tüm sistemin beraber değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, örnek güç sistemlerinin PowerWorld Simulator programı yardımıyla gerçek verilerle uyumlu modelleri oluşturulmuştur. Güç sistemlerinde yük akışının nasıl olacağı, hangi durumlarda yük akışlarının yön değiştirdiği gösterilmiştir. Kararlı bir şekilde çalışan bir güç sisteminin hangi durumlarda kararsız hale geçtiği incelenmiştir. Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde iletim hatlarında meydana gelen kayıpları elime ettiği, iletim hatlarındaki yüklenmeye ve güç sistemlerinin kararlılıklarının sağlanmasında olumlu etkileri olduğu gösterilmiştir. Sonuç olarak PowerWorld programı ile güç sistemlerinde değişik senaryolar için gerçek sistemin nasıl tepki verebileceği bilgisayar desteği ile kolaylıkla benzetimi yapılarak incelenebileceği görülmüştür. Kaynakça [1] JA Pecas Lopes ve N Hatziargyriou, "Integrating Distributed Generation İnto Electric Power Systems: A Review Of Drivers, Challenges and Opportunities, Electric Power Systems Research, Cilt:77, s: , [2] A. Kaygusuz ve O. Gül, Yenilenebilir Dağıtık Üretim Koşullarının Güç Sistemlerinin Yük Akışına Etkilerinin Analizi, EMO Bilimsel Dergi, Cilt: 2, No: 4, s:77-85,2012 [3] F.C. Berry, P.S. DiPiazza ve S.L. Sauser, The Future of Electrical and Computer Engineering Educatio, IEEE Transactions on Education, Cilt:46, No:4, s: , [4] T.H. Ortmeyer, Applications of Microcomputers in Power System Protection Education, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:3, No: 4, s: , [5] Y. Tamura ve I. Morie, Development of Power System Simulator Research and Education, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:5, No: 2, s: , [6] V.A. Levi ve D.P. Nedic, Application of the Optimal Power Flow Model in Power System Education, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:16, No: 4, s: , [7] S. Islam ve N. Chowdhury, A Case-Based Windows Graphic Package for the Education and Training of Power System Restoration, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:16, No:2, s: , [8] J.R. Shin ve W.H. Lee, A Windows-Based Interactive and Graphic Package for the Education and Training of Power System Analysis and Operation, IEEE Transactions on Power Systems, Cilt:14, No: 4, s: , [9] E. Allen ve N. LaWhite, Interactive Object- Oriented Simulation of Interconnected Power Systems Using SIMULINK, IEEE Transactions on Education, Cilt: 44, No:1, s: 87-95, [10] T. Gözel ve M.H. Hocaoğlu, Güç Sistem Analizi İçin Grafik Kullanıcı Arabirimi, Eleco 2004 Elektrik- Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, s: [11] S. Ayasun ve C. Dafis, Symbolic Analysis and Simulation for Power System Dynamic Performance Assessment, IEEE Power Engineering Society General Meeting, Cilt:1, s: , [12] G. Koçyiğit, Güç Sistemlerinin Bilgisayar Ortamında Modellenmesi, Analizi Ve İnternet Üzerinden Eğitim Amaçlı Programlarının Tasarlanması, Marmara Ünv. Fen Bilimleri Ens., Doktora Tezi, İstanbul, [13] İ. Tosun, Güç Sistemleri Eğitimi İçin Matlab GUI Tabanlı Bir Yük Akış Simülatörü, Fırat Ünv. Fen Bilimleri Ens., Yüksek Lisans Tezi, Elazığ, [14] [15] H.Uzal, A.Zonturlu, B.Kalaycı, E.Karatepe, F.Ugranlı, K.Bülbül, İzmir İli ve Çevresi Elektrik Şebekesinin Farklı Senaryolar Altında İncelenmesi, II. Elektrik Tesisat Ulusal Kongresi, İzmir-Türkiye, Kasım 2011 [16] F. Aydın, Y. Uyaroğlu, M.A. Yalçın, Enerji İletim Sistemlerinde Seri Kapasitörlerin Gerilim Kararlılığı Açısından Sistem Büyümelerine Etkileri, III. Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, Kocaeli,

33 Veri Madenciliği Yaklaşımı Kullanarak Elektrik Dağıtım Sistemlerindeki Harmoniklerin Zamansal Değişimlerinin İncelenmesi Hüseyin Erişti 1, Vedat Tümen 2 1 Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tunceli Üniversitesi, Tunceli heristi@tunceli.edu.tr 2 Tunceli Meslek Yüksekokulu Tunceli Üniversitesi, Tunceli vtumen@tunceli.edu.tr Özetçe Bu makalede, güç sistemleri için gerçekleştirilen gerçek zamanlı harmonik izleme sistemi ile harmonik bozuklukların tespiti ve analizi için etkili bir sınıflama yaklaşımı önerilmiştir. Gerçek zamanlı harmonik izleme sistemi ile belirlenen bir dağıtım sistemine bağlanan güç analizörü ile elde edilen verilere, veri madenciliği kümeleme tekniklerinden k-means algoritması ve sınıflama tekniklerinden çok katmanlı algılayıcı algoritması uygulanmıştır. Elektrik dağıtım sistemlerinde olumsuz etkiler meydana getiren akım harmoniklerinin bozulma miktarları ve zamansal değişim süreçleri hakkında önemli bilgiler elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre gerçekleştirilen kümeleme ve sınıflama yaklaşımlarıyla, elektrik dağıtım sistemlerinde olumsuz etkiler meydana getiren harmoniklerin zamansal değişim süreçleri hakkında önemli bilgiler elde edildiği gözlemlenmiştir. 1. Giriş Gün geçtikçe gelişen teknoloji sistemlerindeki yüklerde de çeşitlilik artmıştır. Bu yüklerin her zaman lineer yani doğrusal olması istenir. Fakat son yıllarda, yarı iletken teknolojinin kullanılmasıyla sistemlerde nonlineer yüklerde yüksek miktarda bir artış gözlenmiştir. Aynı zamanda giderek artan enerji talebi ve enerji maliyetlerindeki hızlı artışlar nedeniyle, güç kalitesi ve enerji verimliliği, güç sistemlerinin en önemli parametrelerinden biri haline gelmiştir. Güç sisteminde meydana gelen arızalar ve anahtarlama olayları ile birlikte; hat sonundaki kullanıcılardan kaynaklanan arıza ve nonlineer yük kullanımı sonucunda güç kalitesi problemleri ortaya çıkmaktadır. Bu durumların arasından, güç sistemine bağlanan ve sayıları gittikçe artan konverterler, ark fırınları, güç elektroniği elemanları, statik var kompensatörleri gibi nonlineer yükler, sistemdeki akım ve gerilim büyüklüklerinin nonsinüzoidal olmasına, yani bir güç kalitesi problemi olan harmonik bozulmalara neden olurlar. Harmonikler, sistem üzerindeki elemanlarda ve sisteme bağlı yüklerde; arıza ve hatalı çalışma gibi olumsuz durumlar meydana getirmektedir. Bu nedenle, güç sistemlerinde meydana gelen güç kalitesi problemlerinin belirlenmesi ve oluşabilecek olumsuz durumların ortadan kaldırılması gerekmektedir [1]. Güç sistemi elemanları ve sisteme bağlı olan elektrik cihazları üzerinde birçok olumsuz etki bırakmaktadır. Güç problemleri, güç sistemlerinde donanım arızalanmasına neden olmaktadır. Bu sorunlar, hem son kullanıcılar hem de güç sistemi açısından ciddi boyutlarda maliyet ve çalışma sorunları ortaya çıkarmaktadır [2,3]. Bu olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak için harmoniklerin, ulusal ve uluslararası standartlarda belirtilen sınır değerlerinin altında olması gerekmektedir. Bu nedenle güç sistemlerinde harmoniklerin sürekli olarak izlenmesi gerekmektedir. Günümüzde, harmonik bozulma problemlerini tespit etmek ve azaltmak için elektrik dağıtım sistemlerine harmonik izleme sistemleri yerleştirilmesinde hızlı bir artış olduğu görülmektedir [4]. Veri Madenciliği, saklı desenleri ve veri içindeki ilişkileri belirlemek ve örüntüler içerisindeki gizli bilgilerin çıkarılması için çeşitli analitik araçları kullanan bir süreç olarak tanımlanabilir. Harmonik izleme sistemi, elektrik tesisleri ve bu tesislerden yararlananlar için büyük önem arz etmektedir. Harmonik olayları tanımlamak için gerilim ve akım değerlerinin sürekli izlenmesi gerekmektedir. Harmonik izleme sistemi ile ölçülen ortamın güç kalitesinin hataları önceden tahmin edilir ve böylece tehlikeli bir durumun başlangıcı öncesinde alarm vererek gerekli önlemleri almamızı ya da bir harmonik eliminasyon sistemi tasarlanmışsa; bu sistemin devreye girmesini sağlar [5]. Bu çalışmada, bir dağıtım sisteminde kurulan harmonik izleme sisteminden elde edilen, herhangi bir sınıf bilgisi içermeyen harmonik veriler, k-means algoritması ile k sayıda sınıfa ayrılmıştır. Elde edilen bu sınıf bilgisine göre; Çok Katmanlı Algılayıcı (ÇKA) sınıflandırıcısı eğitilerek harmonik verilerin sınıflandırılması yapılmıştır. Sunulan sistemin performansını değerlendirmek için Tunceli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi (TÜMF) dağıtım sistemi çıkışından elde edilen gerçek harmonik veriler kullanılmış ve bu harmonik veriler sınıflandırılarak elde edilen sınıflandırma sonuçlarına göre; önerilen yaklaşımın, harmonik sınıflandırmada kullanılabilecek etkili bir yaklaşım olduğu gözlemlenmiştir. 2. Harmonikler Harmonikler genel olarak nonlineer elemanlar ile nonsinüzoidal kaynaklardan herhangi birisi veya bunların ikisinin sistemde bulunmasından meydana gelirler. Akımgerilim karakteristiği doğrusal olmayan elemanlara nonlineer elemanlar denir. Harmonikli akım ve gerilimin güç sistemlerinde bulunması, sinüzoidal dalganın bozulması anlamına gelir. Bozulan dalgalar nonsinüzoidal dalga olarak adlandırılır. Yarı iletken elemanların yapısı gereği ve sanayide kullanılan bazı doğrusal olmayan yüklerin (transformatör, ark 33

34 fırınları, v.b.) etkisiyle; akım ve gerilim dalga biçimleri, periyodik olmakla birlikte, frekans ve genliği farklı diğer sinüzoidal dalgaların toplamından meydana gelmektedir. Temel dalga dışındaki sinüzoidal dalgalara harmonik denir [5]. Harmonikler, güç sistemlerinde ek kayıplar, ek gerilim düşümleri, rezonans olayları, güç faktörünün değişmesi vb. gibi teknik ve ekonomik problemlere yol açar [6]. Ayrıca harmonikler, güç faktörünün düzeltilmesi için endüstriyel tesislerde yapılan kompanzasyon ünitelerinde, rezonans olayı sonucu ciddi problemlere neden olmaktadır [7,8]. IEEE standartlarına göre; endüstriyel dağıtım sistemlerindeki harmonik akımlar ve harmonik gerilimler için kurallar belirlenmiştir. Belirlenen harmonik standartlar, akım için %5, gerilim için ise %3 tür [9]. 3. Veri Madenciliği Veri madenciliği bir veya daha fazla makine öğrenme tekniğinin uygulanarak otomatik olarak bir veritabanı içinde bulunan verilerden bilgi çıkartılması, verilerin analiz edilmesi ve işe yarar bilgilerin çıkarılması işlemidir [10]. Veri madenciliği her geçen gün yeni ve farklı alanlarda kullanılmaya başlamaktadır. En yaygın kullanılan alanların başında; bilgisayar bilimleri, elektrik elektronik mühendisliği, enerji, endüstri, telekomünikasyon alanları gelir. Sağlık alanlarında ise biyotıp, gen mühendisliği ve DNA sıralama desenlerinin analizlerinde de uygulanırken, ayrıca finans analizi, bankacılık, kredi ve derecelendirme, astronomi gibi birçok alanda da veri madenciliğinin farklı uygulamaları görülmektedir. Veri madenciliği, tahmin edici ve tanımlayıcı olmak üzere iki modelden oluşmaktadır. Tahmin edici modellerde, sonuçları bilinen veriler göz önüne alınarak bir model oluşturulur ve sonuçları bilinmeyen veri setleri için kurulan bu modelden yararlanarak sonuç değerlerini tahmin etme hedeflenir. Örneğin; belli bir süreçteki elektriksel harmonik veriler bağımsız değişkenleri oluşturur. Bu harmonik değerlerin şebekede bir sorun oluşturup oluşturmadığı ise bağımlı değişken olarak tanımlanır. Bu verilere uygun olarak kurulan model daha sonraki süreçlerde harmonik değerlere bakılarak sorun oluşturup oluşturmayacağı tahmininde kullanılmaktadır. Tanımlayıcı modellerde, karar vermeye öncülük etmede kullanılabilecek eldeki mevcut veriler içerisindeki örüntülerin tanımlanması sağlanmaktadır [11]. Veri madenciliği modellerini gördükleri işlevlere göre: Sınıflama (Classification) ve Regresyon, Kümeleme (Clustering), Birliktelik Kuralları (Association Rules) olmak üzere üç ana başlık altında incelebilir. Sınıflama ve regresyon modelleri tahmin edici, kümeleme, birliktelik kuralları ve ardışık zamanlı örüntü modelleri tanımlayıcı modellerdir. Sınıflama ve regresyon modelleri arasındaki fark, tahminde bulunulan bağımlı değişkenin süreklilik gösteren bir değer içermesidir [12] K- means algoritması En iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan algoritmalardan biri olan k-means sayısal veriler üzerinde çalışan bir algoritmadır. İlk olarak J. MacQueen tarafından 1967 yılında tanıtılmıştır. K-means algoritması, çalışmadan önce sabit bir küme sayısına ihtiyaç duyar. Küme sayısı k ile gösterilir ve elemanlarının birbirlerine olan yakınlıklarına göre oluşacak sınıf sayısını ifade eder [13]. k-means algoritması seçilen uzaklık ölçütüne göre her bir verinin, (1) e göre küme merkezlerine olan uzaklığını hesaplar. Burada, d uzaklık fonksiyonudur ve genellikle hesaplamada Öklid uzaklık fonksiyonu kullanılır. Şekil 1 de k-means kümeleme algoritmasının akış diyagramı görülmektedir. Şekil 1: k-means kümeleme algoritması akış diyagramı Şekil 1 de k-means kümeleme algoritması akış diyagramına göre ilk adımda k küme sayısı belirlenir. Daha sonra küme merkezleri rastgele atanır. Sonraki adımda verilerin küme merkezlerine olan uzaklıklarına göre kümelere ayrılır. Kümeye yerleştirme işleminde, veri noktası ile kümenin merkezi arasındaki uzaklık ölçüt olarak kullanılmaktadır. Daha sonraki işlemde ise bu kümedeki verilerin diğer küme merkezine olan uzaklıkları hesaplanarak hangi kümeye yakınsa veri oraya aktarılır. (2) de verilerin küme merkezlerine uzaklıklarına göre en küçük uzaklıkta kalana kadar kümeleme algoritma yürütümü devam eder ve kümeleme işlemi sona erer. Kümeleme sonucu küme içi elamanlar arasındaki benzerlikler çok iken, kümeler arası elamanları arasındaki benzerlikler çok düşüktür Çok Katmanlı Algılayıcı Algoritması Rumelhart tarafından 1986 yılında geliştirilen bu modele, hata yayma modeli veya geriye yayım modeli olarak ta tanımlanır. Çok katmanlı algılayıcı, birden fazla algılayıcının kullanımı ile meydana gelmektedir. Kullanılacak olan ağ mimarisine göre gizli katman sayısı ve her katmandaki algılayıcı sayısı değişmektedir. Bununla birlikte, kullanılan ağırlık ve eşik değerleri de değişmektedir. Bu model özellikle sınıflandırma, tanıma ve genelleme gerektiren problemlerin çözümünde çok etkin rol oynamaktadır. Bu modelin temel amacı, ağın 34

35 beklenen çıktısı ile ürettiği çıktı arasındaki hatayı en aza indirmektir. Çok katmanlı algılayıcı modeli ileriye doğru bağlantılı ve giriş katmanı, ara(gizli) katman ve çıkış katmanı olmak üzere 3 katmandan oluşur. bölgesine yerleştirilerek IEC /CLASS B ve IEEE uluslararası standartlara göre harmonik değerlerinin ölçümü yapılmıştır. Bu ölçümler sonucunda, elde edilen harmonik veriler birtakım ön işlemlerden geçirilerek bir veritabanına aktarılmaktadır. Elde edilen harmonik veriler çok fazla miktarda ve karmaşık bir yapıda olduğundan, bu verilerden bilgi çıkarımı için, veri madenciliği tekniklerinin kullanılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Şekil 3 te, harmonik izleme sisteminin bir yapısı verilmiştir. Şekil 3: Tasarlanan harmonik izleme sistemi Şekil 2: Çok Katmanlı Algılayıcı un yapısı ve k nıncı çıkış birimi için (l:l çıkış katmanı); Kümelemede harmonik verilerin sınıf bilgileri elde edilmiştir. Sınıflamada da kümelemede elde edilen sınıf bilgileri kullanılarak ÇKA algoritmasının eğitimi gerçekleştirilmiştir. Test verileri üzerinde sınıflandırma başarımları elde edilmiştir. Kullanılan sınıflandırıcıların parametreleri önceden belirlenmiştir. Genelde varsayılan değerler kullanılarak sınıflama işlemleri yapılmıştır. Her senaryo için sınıf parametreleri küme sayısına göre değişmiştir. Tablo 1 de ÇKA algoritmasının parametre bilgileri görülmektedir. Tablo 1: Çok Katmanlı Algılayıcı algoritmasının parametre değerleri Özellikler ÇKA Katman sayısı 3 Gizli katman sayısı 6 Aktivasyon fonksiyonu Tansig Öğrenme oranı 0,3 Momentum Değeri 0,2 Doğrulama Eşiği Harmonik İzleme Sistemi Dağıtım sistemlerinde harmoniklerin izlenmesi, ulusal ve uluslararası standartlara göre harmonik bilginin elde edilmesi ve harmonik iyileştirme işleminin belirlenmesi için oldukça önemlidir. Bu çalışmada, dağıtım sistemlerinde akım harmoniklerinin değişimlerinin gerçek zamanlı izlenmesi ve bu veriler üzerinde çeşitli analiz çalışmalarının gerçekleştirilmesi için bir harmonik sistem tasarlanmıştır. Tasarlanan bu harmonik izleme sistemi, belirlenen dağıtım Önerilen bu harmonik izleme sisteminde, belirlenen ölçüm noktasından akım bilgileri, veri alımında kullanılan analizörün akım klampları ile çekilerek güç izleme cihazının belleğine kaydedilir. İzleme cihazı içerisinde bu akım sinyalleri üzerinde çeşitli algoritmalar kullanılarak, akımlara ait harmonik bilgiler gerçek zamanlı olarak elde edilmektedir. İzleme cihazının sahip olduğu veri aktarım teknolojileri kullanılarak, harmonik bilgiler bilgisayar ortamına aktarılmaktadır. Bilgisayar ortamında yazılan izleme yazılımı ile harmonik veriler üzerinde analiz çalışmaları gerçekleştirilmektedir. Şekil 4 te, oluşturulan harmonik sınıflandırma sisteminin yapısı gösterilmiştir. L1 L2 L3 Fazlar Güç kalitesi analizörü Harmonik verilerin elde edilmesi ve FFT analizi Harmoniklerin kümelenme sonuçları Veritabanı Harmonik verilerin ön işlemesi ve sonuçların görüntülenmesi K-means kümeleme k=4 k=5 k=6 Sınıflandırma algoritması MLP Multi Layer Perceptron Multi Harmonik verilerin analizi Şekil 4: Gerçekleştirilen harmonik sınıflandırma sistemi Gerçekleştirilen alçak gerilim sistemlerindeki harmoniklerin izlenmesi yaklaşımı, Tunceli Üniversitesi Mühendislik Fakültesinin dağıtım panosunda, Aralık 2011 ile Mart 2012 tarihleri arasında elde edilen gerçek akım harmonik verilerine uygulanmıştır. Harmonik izleme sisteminde ilk olarak 10 ar dakikalık aralıklarla üç faz akım verileri elde edilmiştir. Daha sonra üç faz akım verilerine FFT dönüşümü uygulanılarak 3., 5., 7., 9., 11. ve 13. akım harmonik bileşenleri elde edilmiştir. Tablo 2 de, tek faz için 12 haftalık ölçüm ile oluşan hafta içi veri miktarları bulunmaktadır. Tablo 2. Tek faz için hafta içi oluşan verilerin sayıları Harmonik Derece 1 saat 1 gün (x 24) 1 hafta (x 5) 12hafta (x 12) 3. Harmonik Harmonik Harmonik Harmonik Harmonik Harmonik Toplam Tek faz için 12 haftada toplam harmonikli veri elde edilmiştir. Bu verilerin adet hafta içi, adet 35

36 ise hafta sonu verisidir. Bu çalışmada kullanılan üç faz verisinin 4 haftalık verileri sıralı olarak alınarak toplamda 12 haftalık veri elde edilmektedir. Kümeleme ve sınıflama işlemi için hafta içi olan toplam adet harmonikli veri kullanılmıştır. Harmonikli veriler, MATLAB ortamında bulunan k-means fonksiyonuna giriş olarak sunulmuştur. Tablo 3 te harmonik değerlerin bir bölümü görülmektedir. Tablo 3: Harmonik değerlerinin bir bölümü Saat 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm Bu çalışmada, k-means algoritmasında gerekli olan k küme değeri dışarıdan verilerek bölümleme işlemi yapılmıştır. k-means kümeleme algoritmasına k değeri 4, 5 ve 6 belirlenerek ayrı ayrı kümeleme işlemi yapılmıştır. k parametresine göre veriler k adet kümeye bölünmüştür. Kümeleme işlemleri sonucunda oluşan kümelerin merkezleri, kümelerdeki veririn ağırlıklarına göre değişmektedir. Algoritma, kümeleri ayırırken son eklenen verilerden sonra küme merkezini hesaplamaktadır. Gün içerisindeki harmonik değişimler, k adet farklı küme altında incelenerek küme merkezleri ve kümelerin zamansal değişimleri elde edilmiştir. Tablo 4 te k=4, Tablo 5 de k=5, Tablo 6 da k=6 parametrelerine göre kümelenmiş harmonikli veriler görülmektedir. Algoritma yürütümü sonucunda oluşan bu kümelerin barındırdığı verilerin değerlerine göre; küme merkezleri oluşmaktadır. k-means algoritması harmonik derecelerin taşımış olduğu değerleri daha önceden rastgele belirlenen merkezlerlerin Öklid uzaklık formülüne göre hesaplamasını yaparak ayırmaktadır. Oluşan kümelerin merkez değerleri Şekil 5 te görülmektedir. Tablo 4: k=4 e göre oluşan küme verileri K Saat 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm , Tablo 5: k=5 e göre oluşan küme verileri K Saat 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm , Tablo 6: k=6 ya göre oluşan küme verileri K Saat 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm , Harmonik Değerler Harmonikler 3 rd 5 th 7 th 9 th 11 th 13 th Harmonik Değerler Harmonikler 3 rd 5 th 7 th 9 th 11 th 13 th Harmonik Değerler Harmonikler 3 rd 5 th 7 th 9 th 11 th 13 th S1 S2 S3 S4 Sınıflar 0 S1 S2 S3 S4 S5 0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 Sınıflar Sınıflar Şekil 5: k = 4, 5 ve 6 parametresi için sınıflara ait küme merkezlerinin dağılımı Tüm k değerleri için oluşan küme değerleri incelendiğinde; k=4 iken en yüksek harmonik değerlerin 2. kümede toplandığı; buna karşın en düşük harmonik değerlerin ise 4. kümede toplandığı görülmektedir. 2 ve 3. kümede toplanan değerlerin uluslararası standartlar düzeyinin üstünde olduğu tespit edilmiştir. k=5 iken en yüksek harmonikli veriler 3. kümede toplandığı, en düşük değerlerin de 4. kümede, yine uluslar arası standartların üstünde olan orta değerlerin de 1. kümede toplandığı görülmektedir. k=6 durumunda, en düşük harmonikli değerlerin 1. ve 2. kümelerde toplandığı, orta değerlerin de 4. ve 5. kümelerde toplandığı 3. ve 6. kümelerde ise en yüksek harmonik değerlerin toplandığı görülmektedir. Tablo 7, Tablo 8 ve Tablo 9 da oluşan kümelerin sayısal olarak değerleri görülmektedir. Tablolar incelendiğinde; genelde 3. ve 5. harmonik değerlerin tüm kümelerde yüksek olduğu görülmektedir. Tablo 7: k=4 parametresi için sınıflara ait küme merkezlerinin değerleri Harmonik Dereceler Sınıf 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm S S S S Tablo 8: k=5 parametresi için sınıflara ait küme merkezlerinin değerleri Harmonik Dereceler Sınıf 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm S S S S S Tablo 9: k=6 parametresi için sınıflara ait küme merkezlerinin değerleri Harmonik Dereceler Sınıf 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm S S S S S S

37 k-means işlemi ile elde edilen bu kümelere ait sınıf bilgileri ve veriler kullanılarak önerilen harmonik izleme sisteminin eğitim ve test aşamaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca izleme sisteminin sınıflandırıcı aşamasında performans değerlendirmesi için kullanılan ÇKA sınıflandırıcısı için eğitim ve test aşamaları gerçekleştirilerek sonuçlar elde edilmiştir. k=4, k=5 ve k=6 için elde edilen sınıflandırma sonuçlarının değerleri Tablo 10 da görülmektedir. Tablo 10: k küme sayısına göre Çok Katmanlı Algılayıcı algoritmasının başarım oranları k küme sayısı Doğru Sınıflama Hatalı Sınıflama Başarım Yüzdesi 4 küme % 5 küme % 6 küme % Elde edilen sınıflandırma sonuçları incelendiğinde; önerilen harmonik izleme sisteminde algoritmaların başarımlarına bakıldığında, Yapay sinir ağları algoritmalarından olan ÇKA algoritmasının en yüksek başarımı adet veriden, küme sayısı 4 iken sadece 35 adet veriyi hatalı sınıflandırarak göstermiştir adet harmonikli veri, 4 küme ile bölündüğünde toplamda 320 veriyi yanlış sınıflarken, başarımı % 99,13 olmuştur. k=5 parametresine göre; toplam 171 adet veri yanlış sınıflanmış ve başarımı %95.75 olmuştur. k=6 parametresine göre de; başarım % olmuştur. Bu sonuçlara göre; en yüksek başarım 4 kümede olmuştur. Bu sonuçlar kullanılarak dağıtım sistemleri 4 küme sistemine göre tasarlanarak harmonik eliminasyon sistemleri oluşturabilir. Sınıflandırma işlemi ile kümelenmiş harmonikli verilerin adetlik kısmı sınıflandırıcının eğitim aşamasında, adetlik kısmı ise test aşamasında kullanılarak oluşan sınıf sonuçlarına göre; harmonik bozukluklar ile ilgili çeşitli bilgiler elde edilmiştir. Harmonik bozukluların giderilmesi için bu sınıf parametreleri kullanılarak eliminasyon sistemleri geliştirilebilir. Sınıf sayısı parametresine göre oluşan sonuçlar için farklı eliminasyon sistemleri geliştirilebilir ve böylece herhangi bir dağıtım sistemine kurulan harmonik izleme sistemi ile gerekli ölçümlerden sonra oluşan harmonik sınıf bilgisine göre filtreleme işlemleri rahatlıkla yapılabilmektedir. Sistemde oluşan anlık harmonik bozukluklara ait veriler hemen sınıflandırılarak oluşan sınıf bilgisine göre; elimine sistemi devreye otomatik olarak sokularak filtreleme işlemi rahatlıkla yapılmaktadır. 5. Sonuçlar Bu çalışmada, 3 fazlı bir sistemde meydana gelen harmonik verileri sınıflandırmak için ÇKA temelli bir yaklaşım ileri sürülmüştür. Önerilen yöntemde harmonik veriler, k-means algoritması ile kümelenmiş ve her veri için sınıf bilgileri elde edilmiştir. ÇKA sınıflandırıcısı eğitimi bu sınıf bilgilerine göre yapılmıştır. ÇKA algoritmasının varsayılan parametreleri kullanılarak başarımları tespit edilmiştir. Ayrıca oluşan bu başarımlar karşılaştırılmıştır. Önerilen sınıflandırıcının k=4 durumunda harmonik verileri sınıflandırmadaki başarısının oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Önerilen akıllı harmonik izleme sistemi kullanılarak güç sistemindeki harmonik değişimler, harmonik standartlarına göre oldukça rahat, hızlı ve güvenilir olarak izlenebilir. Ayrıca önerilen akıllı harmonik izleme sistemi kullanılarak, güç sisteminde harmonik eliminasyon yapılması açısından oldukça önemli bilgiler elde edilebilir. Harmonik eliminasyon ile yüksek, alçak ve değişken güç sistemlerinde oluşan harmonik bozukluklarda, düzeltme ve kırpma gibi fonksiyonlarla güç sistemlerinin enerji verimliliğini artırıcı harmonik filtreleme yapılabilmektedir. Ayrıca aktif-pasif harmonik filtreleme alanlarında çalışan uzmanların yaralanabileceği bir araç olarak önerilmiştir. 6. Kaynaklar [1] Erişti, H. Güç Kalitesi İçin Dalgacık Dönüşümü ve Destek Vektör Makine Tabanlı Bir Olay Tanıma Tekniğinin Geliştirilmesi, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ [2] Bollen, M.H.J. and Gu, I.Y.H., Signal processing of power quality disturbances, John Wiley & Sons, New York, [3] Erişti, H. and Demir, Y., A new algorithm for automatic classification of power quality events based on wavelet transform and SVM, Expert systems with applications, 37-6, ı02, [4] Asheibi, A., Stirling, D. and Sutanto, D., Analyzing Harmonic Motoring Data Using Supervised and Unsupervised Learning, IEEE Transactions On Power Delivery, 24-1, , [5] Asheibi A. T. M., Discovery and Pattern Classification of Large Scale Harmonic Measurements Using Data Mining, Doctor of Philosophy, University of Wollongong, School of Electrical, Computer and Telecommunications Engineering, Avusturalya [6] Ferracci, P., Power Quality, Schneider Electric, Cahier Technique, Cahier Technique Schneider Electric, p.2, 199. [7] Chi-Jui, W. and Wei-Nan, C., Developing a Harmonics Education Facility in a Power System Simulator for Power Engineering Education, IEEE Transactions on Power Systems, 12-1, 22-29, [8] Lin, H., An Internet-Based Graphical Programming Tool for Teaching Power System Harmonic Measurement, IEEE Transactions on Education, 49-3, , [9] IEEE Std , IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, [10] Hosmer, D.W. ve Lemeshow, S.,. Applied Logistic Regression, Wiley Series In Probability And Statisytics, 8,49-50, 143, 156, Canada, [11] Sezer Ü., Karar Ağaçlarının Birliktelik Kuralları İle İyileştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli [12] Yıldırım, Ö., Veri Madenciliği Yöntemleriyle Depremlerin Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, [13] McQueen, J., Some Methods For Classification and Analysis of Multivariate Observations, Proceedings of 5-th Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability, University of California Press, 1: Berkeley,

38 PLC, Wi-Fi ve ZigBee Teknolojilerinin Akıllı Ev Uygulamaları için Başarım Karşılaştırması Ali Güney 1, Hasari Çelebi 2, Mehmet Uzunoğlu 3 1 Elektronik Mühendisliği Bölümü Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, İstanbul Cad. No: , Gebze, Kocaeli aguney@gyte.edu.tr 2 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü hcelebi@gyte.edu.tr 3 Elektrik Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi, Davutpaşa Mah., Davutpaşa Cad Esenler, İstanbul uzunoglu@yildiz.edu.tr Özetçe Elektrik hatları üzerinden haberleşme (PLC), Wi Fi ve ZigBee son yıllarda popüler haberleşme teknolojileri arasında yerlerini almaktadır. Bu teknolojilerin başarımları uygulamaya göre değişiklik arz edebilmektedir. Bunlar akıllı ev otomasyon uygulamaları için haberleşme teknoloji adayları olarak gösterilmekte olup hangisinin kullanılıp kullanılmayacağı araştırma konusudur. Bu bağlamda, bu çalışmada PLC ile Wi Fi haberleşme teknolojilerinin başarımları throughput (çıktı) ve jitter (seğirme) açısından ve ZigBee ile Wi Fi haberleşme teknolojilerinin başarımı ise RSSI değerleri yardımıyla Yol Kayıp Modeli açısından ev ortamında ölçüm yapılarak karşılaştırılmıştır. 1. Giriş Verinin hızlı ve güvenli bir şekilde bir noktadan başka bir noktaya iletilmesi önemli bir konu olmuştur. Günümüzde daha çok veri iletim ortamları olarak uzak mesafelerde fiberoptik kablolar, bina içi uygulamalarda ise cat 5, cat 6 kablolar veya hava (radyo dalgaları, mikro dalga, kızıl ötesi ışınlar) kullanılmaktadır. [1] Elektrik hatlarının aynı zamanda veri iletimi için de kullanıldığı bina içi uygulamalar (HomePlug) ise oldukça az miktardadır. Genelde PLC (Power Line Carrier- Güç Hattı Üzerinden Veri İletimi ), özelde Bina İçi Uygulamalar (Home Plug) tekniklerinin geliştirilmesi veri iletim ortamları açısından yeni yaklaşımlar ortaya çıkarabilir [2][3]. Kablosuz haberleşme denildiği zaman akla ses, resim, video vb. gibi büyük boyutlu verilerin yüksek veri hızında iletimini yapabilen Wi-Fi, WIMAX, Bluetooth ve şimdilerde popüler olan 3G, 4G gibi teknolojiler gelmektedir. Bu standartları kullanan cihazlar sistem kaynaklarını da iletim hızlarıyla doğru orantılı olarak fazla miktarlarda kullanırlar. Fakat her daim büyük boyutlarda veri iletimine ihtiyaç duyulmayabilir. Sensör ve kontrol cihazları küçük boyutlarda veri iletir veya alırlar. Bu durumda bu tarz verilerin iletimini sağlamak ve böyle cihazların kontrolünü yapmak için sistem kaynaklarını mümkün olduğunca az kullanacak, akıllı ağ topolojilerini destekleyecek bir teknolojiye ihtiyaç duyulmuştur. Bunun üzerine IEEE, standardını çıkarmış, bu standartları temel alan ZigBee protokolünün ve bu protokolü destekleyen cihazların üretilmesini sağlamıştır. Böylelikle düşük güç tüketen, düşük maliyetli, akıllı ağ topolojileri kurabilen ZigBee destekli cihazlar günlük yaşamda yerini almaya başlamıştır [4]. Projenin başlatılmasındaki ana sebep; Akıllı Ev Uygulamalarında bir noktadan bir noktaya veri transferini gerçekleştirmek üzere optimum performansa sahip haberleşme teknolojisinin belirlenmesidir. Bunun yanı sıra PLC, Wi-Fi ve ZigBee teknolojilerinin menzile bağlı performanslarının kıyaslanması ve performanslarına etki edebilecek nedenlerin belirlenmesi de projeden beklenen çıktılar arasındadır. Bu çalışma da öncelikle ZigBee radyo yayını yapabilen iki cihaz arasında farklı menzillerde RSSI ölçümü gerçekleştirilmiş ve daha sonra aynı noktalarda Wi-Fi için aynı ölçüm gerçekleştirilip performanslar kıyaslanmıştır. Daha sonra iki PLC adaptör arasında beş farklı menzilde throughput (çıktı) ve jitter (seğirme) performansları ölçülmüş ve aynı ölçüm noktalarında iki Wi-Fi cihazı arasında aynı ölçümler gerçekleştirilip performanslar kıyaslanmıştır. 2. Ölçüm Ortamı ve Düzeneği Bu çalışmada ölçümlerin ve testlerin gerçekleştirildiği ev ortamının 2 boyutlu planı Şekil 1 de görülmektedir. Teste başlamadan önce ortamdaki diğer Wi Fi cihazların ve bilgisayarların Wi Fi özellikleri kapatılmıştır. Çünkü 38

39 cihazların Beacon (işaret sinyali) atmasından dolayı ölçüm performansını etkilemesi söz konusudur. Ortamın stabil olduğuna emin olduktan sonra ölçüm yapılacak cihazları iki metre aralıkla yerleştirerek projenin farklı senaryoları için veri toplanmıştır ZigBee ve Wi Fi Teknolojileri için Yol Kayıp Modelinin Çıkartılması Öncelikle ZigBee teknolojisi için Şekil 1 de gösterilen ev ortamında ölçümler iki metre aralıklarla on metreye kadar gerçekleştirilmiştir. Ölçümler sırasında Texas Instruments a ait CC2530 ZigBee Development Kit kullanılmıştır. ZigBee için RSSI değerleri Paket Hata Oranı Test uygulamasıyla elde edilmiştir. Bu uygulama CC2530 EM devresinin üzerindeki CC2530 Mikrodenetleyicisine IAR Embedded Workbench programı yardımıyla yüklenmektedir [5]. Bu uygulamada iki adet Şekil 2 deki devreden kullanılarak birisi Transmitter (Verici) modunda, diğeri Receiver (Alıcı) modunda 11.kanalda haberleşecek ve çıkış gücü 0 dbm olacak şekilde ayarlanıp, 1000 adet paket transferi gerçekleştirilmiştir. Şekil 1: Test Ölçümünün Gerçekleştirildiği Evin 2 Boyutlu Planı 3. Veri Toplama Bu çalışma üç kısımdan oluşmaktadır; birinci kısımda Wi Fi ile ZigBee haberleşme teknolojilerinin Yol Kayıp Modeli nin (Path Loss Model) çıkartılması söz konusudur. Yol Kayıp Modeli oluşturulurken mesafeye bağlı RSSI değerinin değişimi söz konusudur. Çalışmanın ikinci kısmında ise Iperf yazılımı yardımıyla PLC ve Wi-Fi teknolojileri üzerinde Throughput (Çıktı) ölçümleri farklı menzillerde gerçekleştirilmiş ve iki farklı haberleşme teknolojisinin performansları karşılaştırılmıştır. Çalışmanın üçüncü kısmında yine Iperf yazılımı yardımıyla farklı menzillerde elde edilen Jitter (Seğirme) sonuçları PLC ve Wi Fi teknolojisi için kıyaslanmıştır. PLC, Wi-Fi, ve ZigBee teknolojileri için yapılan bu ölçümler Tablo 1 de özetlenmektedir. Throughput (Çıktı) ve Jitter (Seğirme) ölçümlerinde Iperf programı kullanıldığından dolayı çalışmanın ikinci ve üçüncü kısımları tek başlık altında sunulmuştur. Şekil 2: Paket Hata Oranı Test Uygulama Devresi Ölçümler sonucunda her noktada 1000 adet anlık RSSI değeri elde edilmiştir adet değerden ortalama RSSI değeri, her bir nokta için hesaplanıp değerler kaydedilmiştir. Kaydedilen değerler deney sonuçları başlığı altında Tablo 2 de görülmektedir. Tablo 1: Test Ölçümleri Teknoloji RSSI Throughput Jitter ZigBee Wi Fi PLC Şekil 3: Airties AirTouch 4420 Kablosuz Modemler 39

40 Şekil 3 teki Wi-Fi modemlerde gömülü olarak Linux işletim sistemi mevcuttur. Cihazların diğer bir özelliği ise USB bellek ile dış hafıza desteğinin bulunmasıdır. Bu modemlere Windows Telnet Sunucusu yardımıyla erişilip konfigüre edilebilmektedir. Ayrıca cihazlara farklı IP değerleri atanarak birbirleriyle eşleşmiş durumdadırlar. Çalışılacak kanal da 11.Kanal (2405 MHz) olarak belirlenmiştir. Kısacası şartların ZigBee ve Wi Fi için bire bir uygun olması sağlanmıştır. Bu aşamalardan sonra RSSI ölçümü için planladığımız çalışma prensibi; cihaz içerisinde koşturmak üzere Linux tabanlı script dosyası oluşturularak anlık olarak 1000 adet RSSI değerini ölçüp USB bellek içerisine bilgileri Text dosyası halinde yazabilmesidir. Wi-Fi modemdeki işlemciye telnet sunucusu yardımı ile girilen wl rssi CihazınMacAdresi Linux komutu yardımıyla diğer cihazdan gönderilen data paketinin alındığında RSSI değeri, paketi alan cihaz tarafında anlık olarak görülebilmektedir. Oluşturulan script dosyası sayesinde sürekli elle bu değerin yazılıp çıkan değerlerin kaydedilmesi yerine cihaz içerisinde koşturulan script dosyasıyla bu işlemler otomatik olarak yapılıp, değerler USB içerisinde oluşturulan dosyalara menzile göre kaydedilmektedir. Ölçümler 2 metre aralıklarla 10 metreye kadar gerçekleştirilmiştir PLC Wi-Fi Teknolojileri için Throughput (Çıktı) ve Jitter (Seğirme) Performans Karşılaştırması Çalışmanın ikinci kısmında PLC ve Wi Fi teknolojilerinin performansları kıyaslanmaktadır. Performans kıyaslaması Throughput (Çıktı) Test yardımıyla Iperf yazılımı üzerinden gerçekleştirilmiştir. Akıllı ev otomasyon uygulamalarında genelde düşük iletim hızı (Low Data Rate) kullanıldığından dolayı iletim hızı 1 Mbit/san olarak belirlenmiştir. Iperf yazılımı sadece UDP modda iletim hızı değeri tanımlamaya izin verdiğinden dolayı UDP portu tercih edilmiştir. Ayrıca ölçümlerin gerçekleştirildiği ev bu çalışmanın birinci kısmında belirtilen Şekil 1 deki evle aynıdır. Bunun haricinde Iperf programı açık kaynak kodlu bir program olduğundan ötürü Iperf yazılımıyla test alınan bilgisayarların özelliklerine göre belirlenen performans testi sonuçları farklılık gösterebilir. PLC ölçümleri için test sisteminin kurulum şeması Şekil 5 te görülmektedir. Script dosyası cihaz içerisinde çalıştığı sırada 1000 adet RSSI değerini ölçüp Broadcom Chipset üreticisi tarafından veri sayfasında (datasheet) belirtilen ortalama RSSI değeri hesabına göre hesaplamaları yaparak test sonucunu USB içerisinde bir klasör oluşturarak 1000 ölçüm sonucundaki RSSI değerinin averajını text dosyasına yazdırmaktadır. Ölçüm sırasındaki test ortamı Şekil 4 te görülmektedir. 10 metreye kadar ölçümler tamamlanarak veriler elde edilmiştir. Wi Fi için elde edilen RSSI değerlerinin menzile göre değişimi ölçüm sonuçları başlığı altında Tablo 3 te görülmektedir. Ayrıca ZigBee ve Wi-Fi haberleşme teknolojilerinin mesafeye bağlı RSSI performansları, ölçüm sonuçları başlığı altında Şekil 10 da incelenmiştir. Şekil 5: PLC Test Kurulumu Şekil 5 te gösterilen PLC test ortamı kurulurken bazı hususlar dikkate alınmıştır. Öncelikli olarak kurulan test ortamının gerçek bir simülasyon olması için tipik bir evin elektrik hattının çekilmesi sırasında kullanılan kablonun bire bir aynısı kullanılmıştır. Şekil 6 da görülen kablo, 3 girişli 2,5mm 2 kalınlığına sahip HES Antigron kablo tipidir. Şekil 6: HES 3*2,5 Antigron (NYM) Kablo Şekil 4: Test Ortamı Test sırasında Şekil 7 de görülen PLC adaptörler kullanılmıştır. Kurulum tamamlandıktan sonra Şekil 5 ten görüleceği üzere bilgisayarlara sabit IP değerleri verilmiştir. Bunun amacı bilgisayardan bilgisayara veri aktarımının Iperf yazılımı yardımıyla gerçekleştirilmesidir. Bütün işlemler 40

41 tamamlandıktan sonra test kurulumu Şekil 8 deki gibi görülmektedir. Throughput (Çıktı) testi bize PLC adaptörlerimizin ağ performansı hakkında gerekli bilgileri vermektedir. Throughput (Çıktı) testinde Client tarafından bir saniye aralıklarla veri paketleri Server tarafına doğru PLC ağı üzerinden basılmıştır. Gönderilen her bir paket sabit bant genişliğine sahiptir. Sonucu veren kısım ise Server kısmında her bir saniyede gönderilen bu paketlerin bant genişliği ve zaman gecikmesinin analizidir. Test uygulamasında ilk olarak iki PLC adaptör arasındaki uzaklık 2 metre alınmış ve Throughput (Çıktı) testi 1000 saniye aralığında tamamlanmıştır. Daha sonra iki adaptör arasındaki menzil sırasıyla 4 m 6 m 8 m 10 m ye çekilerek PLC adaptörler üzerindeki ölçümler tamamlanmıştır. Iperf te UDP modda çalışıp Throughput (Çıktı) testi gerçekleştirildiğinde ekstra olarak Jitter (Seğirme) bilgisi verilmektedir. Fakat Throughput (Çıktı) testinden kast edilen Jitter (Seğirme) testi değildir. Yani ekstra olarak Jitter (Seğirme) için ölçüm yapılmamıştır. Sonuçlar, ölçüm sonuçları başlığı altında Tablo 4 te görülmektedir. PLC için gerekli veriler elde edildikten sonra Şekil 9 da görülen Wi Fi test kurulumu gerçekleştirilmiştir. Şekil 9 daki test kurulumu gerçekleştirildikten sonra PLC adaptörlerle oluşturulan ağ yerine bu sistemde çalışmanın birinci kısmında kullanılan Wi Fi cihazlar yardımıyla network oluşturulmuştur. Oluşturulan Wi Fi ağının üzerinden Throughput (Çıktı) testi gerçekleştirilmiştir. Şekil 9: Wi-Fi Test Kurulumu Şekil 7: Kullanılan PLC Adaptörler Şekil 9 dan görüleceği üzere Server ve Client modunda çalışan bilgisayarlar cihazlara ethernet kablosu yardımıyla bağlanarak kablosuz ağ kurulumunu gerçekleştirirler. Wi Fi için Throughput (Çıktı) testi, Iperf yazılımı yardımıyla 4 m 6m 8 m 10 m menzilleri için gerçekleştirilmiştir. Test sırasında PLC uygulamasında olduğu gibi 1000 adet veri bir saniye aralıklarla 1000 saniye zaman aralığında Client tarafından Server tarafına gönderilmiştir. Test sonucunda da her bir menzil için 1000 saniye zaman aralığında elde edilen ortalama bant genişliği (bandwidth) ve Jitter (Seğirme) değerleri Tablo 5 teki gibi elde edilmiştir. Hem PLC hem Wi Fi için test işlemleri sonlandırıldıktan sonra PLC ve Wi Fi haberleşme teknolojilerinin performans kıyaslaması ölçüm sonuçları başlığı altında Tablo 4 ve Tablo 5 teki verilere dayanarak Şekil 11 ve Şekil 12 de gösterilmektedir. 4. Ölçüm Sonuçları Wi Fi ile ZigBee haberleşme teknolojileri için mesafeye bağlı elde edilen RSSI değerlerinin değişimi Tablo 2 ve Tablo 3 te görülmektedir. Tablo 2: ZigBee RSSI Test Sonuçları Menzil (metre) RSSI (dbm) Şekil 8: Test Sistemi 2 m m m m m

42 Tablo 2 ve Tablo 3 teki değerler kullanılarak cihazların menzile göre RSSI değerlerindeki değişim Şekil 10 da görüldüğü gibi verilmektedir. Iperf yazılımı yardımıyla PLC ve Wi-Fi teknolojileri için Throughput (Çıktı) ölçümleri farklı menzillerde gerçekleştirilmiş ve iki farklı haberleşme teknolojisinin performansları karşılaştırılmıştır. Test sonuçları Tablo 4 ve Tablo 5 te görülmektedir. Tablo 4 ve Tablo 5 teki değerler kullanılarak Throughput (Çıktı) testi sonuçları için elde edilen performans grafikleri Şekil 11 ve Şekil 12 de gösterilmektedir. Tablo 3: Wi-Fi için RSSI Test Sonuçları Tablo 5: Wi-Fi için Throughput (Çıktı) Testi Sonuçları Menzil (metre) Bant Genişliği (Kbits/san) Jitter (milisaniye) 2 m m m m m Menzil (metre) RSSI (dbm) 2 m m m m m Bant Genişliği (Kbits/san) PLC Throughput Ölçümleri Wi-Fi Throughput Ölçümleri Wi-Fi RSSI Ölçümleri ZigBee RSSI Ölçümleri Menzil (metre) RSSI (dbm) Şekil 11: PLC ve Wi Fi Teknolojilerinin Throughput (Çıktı) Performans Karşılaştırması Menzil (metre) Şekil 10: ZigBee WiFi RSSI Performans Karşılaştırma Grafiği Tablo 4: PLC için Throughput (Çıktı) Testi Sonuçları Jitter (milisaniye) PLC Jitter Ölçümleri Wi-Fi Jitter Ölçümleri Menzil (metre) Bant Genişliği (Kbits/san) Jitter (milisaniye) Menzil (metre) 2 m m m Şekil 12: PLC ve Wi Fi Teknolojilerinin Jitter (Seğirme) Performans Karşılaştırması 8 m m

43 5. Sonuçlar Bu çalışmada, akıllı ev otomasyon uygulamaları için PLC, Wi-Fi ve ZigBee haberleşme teknolojilerinin başarımları için ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümler sonucu, ZigBee ve Wi Fi teknolojileri kıyaslandığında verinin yakın veya uzak mesafelere iletilmesinde Wi Fi teknolojisinin belirgin bir üstünlüğü mevcuttur. Bu sonuca göre, akıllı ev otomasyon uygulamalarında Wi Fi teknolojisini kullanmak daha avantajlı olmaktadır. Fakat güç tüketiminin az olması istendiğinde ve istenen menzile verinin ZigBee teknolojisi ile taşınabildiği sistemlerde ZigBee ile çalışmak daha verimli bir çözüm olduğu görülmektedir. Ölçüm sonuçlarına göre, Wi Fi teknolojisinin throughput (çıktı) açısından PLC teknolojisinden daha üstün başarım gösterdiği görülmektedir. Bu sonuç verinin Wi Fi ile daha uzak menzillere taşınabildiğini göstermektedir ki akıllı ev otomasyonları için önemli bir gereksinimdir. PLC ve Wi Fi Jitter (Seğirme) performansları göz önüne alındığında kısa mesafelerde PLC teknolojisinin üstünlüğü göze çarpmaktadır. Fakat PLC de düğüm sayısının artışıyla birlikte uzak menzillerde performansında düşüş gözlenmektedir. Jitter (Seğirme) değeri arttıkça verinin iletimi de gecikmekte ve belli bir menzilden sonra veri iletimi çok yavaş hale gelmektedir. Wi Fi teknolojisinin performansı tüm menzil boyunca incelendiğinde akıllı ev otomasyon uygulamalarında kullanıma daha uygun olduğu gözlenmektedir. Tüm bu değerlendirmeler sonucunda Wi Fi teknolojisinin ZigBee ve PLC teknolojilerine göre şimdilik akıllı ev otomasyon uygulamalarının gereksinimlerini daha çok karşıladığı görülmüştür. Teşekkür Bu çalışmanın bir kısmı, İSTKA/2011/KCE- 27 NO'LU proje kapsamında desteklenmiştir. Kaynakça [1] Veri İletiminde Home Plug Uygulamaları (web.firat.edu.tr/feeb/kitap/c12/80.pdf ) [2] Khurram H.Z., Powerline Carrier (PLC) Communication Systems, MS Thesis, Department of Microelectronics and Information Technology, IMIT Royal Institue of Technology, Sweden, Semyember [3] Ackerman K.W., Timed Power Line Data Communication, MS Thesis, University of Saskatchewan, Canada, January [4] ZigBee Teknolojisi Kullanılarak Kablosuz Kafe Otomasyon Sistemi Tasarımı (web.firat.edu.tr/feeb/kitap/c12/108.pdf ) [5] Şubat

44 Akıllı Şebekeler İçin DC Dağıtımlı Alternatif Enerji Sistemlerinin Kullanımı Engin ÇETİN 1, Serdar İPLİKÇİ 2, Sıddık İÇLİ 3, Metin ÇOLAK 4 1, 2 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Pamukkale Üniversitesi, Kınıklı-Denizli 1 engincetin@pau.edu.tr, 2 iplikci@pau.edu.tr 3, 4 Güneş Enerjisi Enstitüsü Ege Üniversitesi, Bornova-İzmir 3 siddik.icli@ege.edu.tr, 4 metin.colak@ege.edu.tr Özetçe Akıllı şebeke konsepti, son yıllarda dünyada olduğu gibi ülkemizde de ön plana çıkan bir olgudur. Yapılan bu çalışmada, akıllı şebeke sistemlerinde değerlendirilebilecek, alternatif enerji sistemleri ile enerjilendirilen (fotovoltaik sistem, rüzgar türbini ve yakıt pili) DC enerji dağıtım sistemli bir konut uygulaması ele alınmıştır. sebebiyle tekrar AC ye dönüştürülmek durumunda kalmaktadır. Bu DC/AC dönüşüm; sisteme DC/AC invertör ilavesi, maliyet artışları, DC/AC dönüşüm sonucu enerji kayıpları, sistem boyutlarının büyümesi, enerji kalitesinde bozulmalar gibi olumsuzlukları da beraberinde getirmektedir [3-6]. 1. Giriş 1900 lerin başından itibaren düzenlenmekte olan elektrik güç şebekeleri, değişik yapılanmaların ardından büyük bir enterkonnekte ağa dönüşmüştür [1]. Bu tür sistemlerde yer alan özellikle yük analizi, arz-talep dengesi ve kontrolü, enerji tüketim davranışlarının izlenmesi, akıllı sayaç ve izleme sistemleri, elektrikli araçlar ve şarj sistemleri gibi bir çok unsur, klasik güç dağıtım sistemlerinin akıllı şebekelere dönüşmesine yol açmıştır. Akıllı şebeke sistemlerinde, konvansiyonel enerji üretim sistemlerinin yanı sıra, alternatif ve yenilenebilir enerji sistemleri de önemli bir yer tutar (Şekil 1). Akıllı şebekelerde yer alan fotovoltaik sistemler, yakıt pilleri, rüzgar türbinleri gibi özellikle alternatif enerji kaynaklarına dayalı enerji üretimi, üzerinde durulması gereken unsurlardır. Zira kömür, petrol, doğal gaz gibi geleneksel fosil yakıt kaynaklı rezervler, son yıllarda artan tüketim nedeniyle hızlı bir düşüş eğilimi içerisine girmiştir. Fosil kaynaklı yakıt kullanımı, çevresel tahribat, sera gazı salınımı v.b. etkenler nedeniyle azaltılmaya da çalışılmaktadır [2]. Bu ve buna benzer nedenlerle son zamanlarda fosil kaynaklı yakıtlara alternatif olarak, güneş, rüzgar, hidrojen v.b. alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesi yoluna gidilmektedir. Alternatif enerji sistemlerinde kullanılan fotovoltaik panel ve yakıt pili gibi ekipmanlar, doğru akım (DC) karakteristikte enerji üretimi yaparlar. Ayrıca mikro ölçekli rüzgar türbinlerinin çıkışları, DC karakteristiktedir. Sonuç olarak fotovoltaik, yakıt pili, rüzgar türbini gibi enerji sistemleri ile üretilen DC elektrik enerjisi, tüketicilerin büyük oranda alternatik akım (AC) karakteristikte olması Şekil 1: Akıllı şebeke temel yapılanma örneği [7]. Yapılan bu çalışmada, akıllı şebeke sistemlerinde kullanılabilecek bir DC mikro şebeke ele alınmıştır. Bunun için, Pamukkale Üniversitesi Temiz Enerji Evi bünyesinde bulunan 5 kw fotovoltaik, 2.4 kw yakıt pili ve 0.4 kw rüzgar türbini, sistemde enerji kaynağı olarak kullanılmıştır. Mikro DC dağıtım sistemi için yine DC karakteristikli tüketim birimleri (lamba, sirkülasyon pompası, fan, TV, buzdolabı ve elektrik süpürgesi) kullanılmış, sistemdeki veri toplama ve izleme işlemleri, kurulan PLC tabanlı düzenek ile sağlanmıştır. 2. DC Enerji Dağıtım Sistemleri Elektrik enerjisinin iletim ve dağıtım biçimi, yüz yıldan fazla bir süredir tartışma konusu olmaktadır. Nikola Tesla ve George Westinghouse ın AC iletim hatlarına karşı DC iletim hatlarını savunan Thomas A. Edison arasında önemli çekişmeler olmuş, bu çekişmelere War of Currents adı bile verilmiştir. Günümüzde Avrupa nın 16 ayrı bölgesinde yüksek gerilim doğru akım (High Voltage Direct Current- 44

45 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, Eylül 2013, Malatya HVDC) iletim hatlarıyla elektrik enerjisi taşınmakta, 3 ayrı bölgesinde yeni HVDC iletim hatları inşaatları devam etmekte, 9 ayrı bölgesinde de HVDC iletim hatları planlanmaktadır [3, 8]. açık devre gerilimi (Voc) 21.7 V, kısa devre akımı (Isc) 8.0 A dir (Kyocera, 2009). HVDC alanında en çok uygulamayı, ABB (Asea Brown Boveri) firması yürütmektedir. HVDC alanında ilk uygulamayı, ABB nin kurucu şirketi olan ASEA yapmıştır [3]. ABB nin HVDC alanındaki uygulamaları şu şekilde özetlenebilir; Çin in Xiang Jiaba bölgesinde 2071 km uzunluğunda ±800 kv/6400 MW lık dünyanın en uzun iki kutuplu UHVDC (Ultra High Voltage Direct Current) iletim hattı, Çin in Three Gorges Hidroelektrik Santrali ile Shangai arasında iletim yapan 1060 km uzunluğunda ±500 kv/3000 MW lık iki kutuplu HVDC iletim hattı (Şekil 2), Çin in Three Gorges Hidroelektrik Santrali ile Guangdong arasında iletim yapan 940 km uzunluğunda ±500 kv/3000 MW lık iki kutuplu HVDC iletim hattı, İtalya ile Sardunya Adası arasında deniz geçişi ile iletim yapan 2x420 km denizaltı hattı uzunluğuna sahip ±500 kv/1000 MW lık HVDC iletim hattı, Kuzey Amerika da Quebec ile New England arasında iletim yapan 1480 km uzunluğunda ±450 kv/2000 MW lık iki kutuplu HVDC iletim hattı ve Brezilya-Sao Paolo da 1585 km uzunluğunda ±600 kv/6300 MW lık dört kutuplu HVDC iletim hattı [3]. Şekil 3: PAÜ Temiz Enerji Evi [3]. Şekil 4: Hareketli ve sabit montajlı fotovoltaik paneller [3]. Sistemde hidrojenden elektrik üretimi yapmak amacıyla her biri 1.2 kw gücünde iki adet yakıt pili de kullanılmıştır (Şekil 5). PEM (Proton Exchange Membrane) tipi yakıt pilleri, basitliği, kompaktlığı ve kolay bakımı sebebiyle seçilmiştir. Kullanılan Nexa Yakıt Pili Modülleri 1.2 kw düzensiz DC karakteristikte güç üretmekte ve nominal çıkış gerilimi V DC ve nominal çıkış akımı 46 A olmaktadır. Sistemde yer alan yakıt pilleri oksidant olarak havayı kullanmakta ve sadece kullanılmayan hava, su, ısı ve elektrik çıkışı olmaktadır. Yakıt pili dizisi, 47 adet yakıt pili hücre elemanından oluşmaktadır. Nexa Yakıt Pili Modülü nün; >%99,99 saflığında H2 isteği, <18.5 l/dak H2 tüketimi, max. 870 ml/h su emisyonu, 7.2 bar-15 bar aralığında H2 giriş basıncı gibi özellikleri bulunmaktadır (3, 10, 11, 12). Şekil 2: Three Gorges-Çin HVDC iletim sistemi [3, 9]. 3. Gerçeklenen Mikro DC Dağıtım Sistemi 3.1 Sistemin Enerji Kaynakları Şekil 3 te, mikro DC dağtım sistemin kurulduğu Pamukkale Üniversitesi Temiz Enerji Evi (PAÜ-TENEV) görülmektedir. PAÜ-TENEV de, yapılan çalışma için 5 kw fotovoltaik panel, 400 W rüzgar türbini ve 2 x 1.2 kw yakıt pili kurulu gücü kullanılmıştır. Sistem hem şebeke destekli hem de şebekeden bağımsız (off-grid) olarak çalışabilecek şekilde planlanmıştır. Tesiste bulunan FV paneller (Şekil 4), Kyocera 125GHT2 model, 125W gücünde, polikristal, maksimum çıkış gerilimi (Vm) 17.4 V, maksimum çıkış akımı (Im) 7.2 A, Şekil 5: 1.2 kw PEM tipi yakıt pili [3]. 45

46 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, Eylül 2013, Malatya Sistemde 48V DC sisteme göre (akü şarjı) seçilmiş 12.5 m/s rüzgar hızında 400 Wp nominal güce ulaşabilen Southwest marka Air-x/400 model rüzgar türbini de bulunmaktadır. Şekil 6 da rüzgar türbini görülmektedir. Sistemde kullanılan yüklerin elektriksel karakteristikleri ise, Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1: Sistemde kullanılan yüklerin elektriksel karakteristikleri [3, 6]. 3.3 DC Dağıtım Panosu ve Veri Toplama Sistemi Şekil 8 de, DC dağıtım panosu görülmektedir. Şekil 6: 400 W rüzgar türbini [3]. Rüzgar türbini üretime yaklaşık 3.6 m/s de başlamaktadır. Rotor çapı 1.15 m dir. 6 m/s ortalama rüzgar hızında aylık enerji üretimi 30 kwh olan, maksimum 49.2 m/s rüzgar hızına dayanabilen bir türbindir. Türbinin aşırı hıza karşı elektronik tork kontrol sistemi ve pik güç izleme özelliğine sahip mikroişlemci tabanlı akıllı dahili regülatörü bulunmaktadır (3, 13, 14). 3.2 Yük Birimleri Şekil 7 de, sistemde DC yük olarak kullanılan TV (12 V), lamba (12V), elekrik süpürgesi (12 V), sirkülasyon pompası (24 V), buzdolabı (24 V) ve fan (24 V) üniteleri görülmektedir. Şekil 8: DC dağıtım panosu [3,6]. Şekil 8 deki pano, toplam sekiz bölümden oluşmaktadır [3, 6]. Bölüm A / Dağıtım Klemensleri: 12 ve 24V DC yük linye çıkışları. Bölüm B / 12 ve 24 V DC Dağıtım Baraları: DC yük dağıtımı, harici ölçme ve ek bağlantı amaçlı. Bölüm C / Darbe Koruma: DC aşırı gerilim koruma parafuduru. Bölüm D / 12 ve 24 V DC/DC Konvertörler: 12 ve 24 V DC yüklere uygun değerde stabil gerilim sağlayan üniteler. Şekil 7: DC yük birimleri [3,6]. 46

47 Bölüm E / İzolasyon İzleme Cihazı ve Devre Kesiciler: Pozitif ve negatif hatlarla toprak arası temaslarda koruma amaçlı, ayrıca cihazların kısa devreye karşı korunması için. Bölüm F / PLC Güç Ünitesi: PLC (Programmable Logic Controller) için gerekli enerjiyi sağlayan kısım. Bölüm G / PLC CPU-224 Ünitesi ve EM 235 Analog Modüller: DC karaktersitikli akım, gerilim, güç, enerji okumaları/kaydı için kullanılan üniteler. Bölüm H / Voltaj Konvertörleri ve Şöntler: DC karakteristikli akım ve gerilimlerin EM 235 lerin okuyabileceği düzeyde sinyallere dönüştürülmesi için kullanılan konvertör ve şöntlerin bulunduğu kısım. 4. Deneysel Çalışma 12 ve 24 V olarak DC dağıtım yapılan sistem üzerindeki yükler, değişik sistem koşullarını test edebilmek amacıyla belirli güçlerde devreye alınmış ve sonuçlar, Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile kayıt altına alınmıştır. Şekil 10: 12 V luk tüm yükler devrede iken 12 V konvertör girişinden ölçülen güç değerleri [3] Fluke 43B, DC ve AC probları vasıtasıyla, bir elektrik tesisatı üzerindeki akım, gerilim, harmonik, gerilim çökmesi, gerilim yükselmesi, frekans değişimi gibi bir çok parametreyi izleme ve kayıt altına alabilme yeteneğine sahiptir. Şekil 9 ve 10 da, 12 V konvertör çıkışına tüm yükler (TV, kırkdört adet lamba ve elektrik süpürgesi) bağlı iken konvertör girişinden Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri, Şekil 11 ve 12 de ise konvertör çıkışından Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri görülmektedir. Konvertör girişinden çekilen akım A, çıkışından çekilen akım ise A dir. Konvertör çıkış gücü 585 W, giriş gücü ise 702 W tır (konvertör boştaki gücü dahil). Bu esnada konvertör giriş terminallerindeki voltaj değeri V, çıkış terminallerindeki voltaj değeri ise V olarak tespit edilmiştir. Şekil 11: 12 V luk yükler devrede iken 12 V konvertör çıkışından ölçülen akım ve gerilim değerleri [3] Şekil 9: 12V luk tüm yükler devrede iken konvertör girişinden ölçülen akım-gerilim değerleri [3] Şekil 12: 12 V luk yükler devrede iken 12 V konvertör çıkışından ölçülen güç değerleri [3] 47

48 Şekil 13: 24V luk yükler devredeyken 24V konvertör girişinden ölçülen akım-gerilim değerleri [3] Şekil 16: 24 V luk tüm yükler devrede iken 24 V konvertör çıkışından ölçülen güç değerleri [3] Şekil 13 ve 14 te, 24 V luk tüm yükler (fanlar, sirkülasyon pompası ve buzdolabı ünitesi) devrede iken konvertör girişinden Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri, Şekil 15 ve 16 da ise konvertör çıkışından Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri görülmektedir. Konvertör girişinden çekilen akım A, çıkışından çekilen akım ise A dir. Konvertör çıkış gücü 91 W, giriş gücü ise 100 W tır (konvertör boştaki gücü dahil). Bu esnada konvertör giriş terminallerindeki voltaj değeri V, çıkış terminallerindeki voltaj değeri ise V olarak tespit edilmiştir. Şekil 14: 24 V luk yükler devrede iken 24 V konvertör girişinden ölçülen güç değerleri [3] 5. Sonuç Yenilenebilir enerji kaynakları; çevreyle dost, modüler, rezerv bakımından konvansiyonel kaynaklar gibi dışa bağımlı olmayan kaynaklar olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Bu nedenle son yıllarda özellikle akıllı elektrik şebekeleri baz alındığında yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmalar, tüm dünya ile birlikte ülkemizde de önemli bir ivme kazanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerji, bu tür sistemlerin yüksek maliyetli ar-ge çalışmalarına dayalı olması nedeniyle pahalı olduğundan, tüketimi esnasında maksimum verime ulaşılması gereken bir unsur olarak karşımıza çıkmaktadır. Bununla birlikte enerji verimliliği kavramı da bunu gerektirmektedir. Enerjinin üretildiği yerden tüketildiği yere taşınması, üretildiği karakteristikte tüketilmesi, enerji verimliliği açısından son derece önemlidir. Fotovoltaik sistem (FV), rüzgar türbini, yakıt pili gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerji DC karakteristiktedir. Bu nedenle bu enerjinin üretildiği karakteristikte de tüketilmesi gerekmektedir. Şekil 15: 24V luk yükler devredeyken 24V konvertör çıkışından ölçülen akım-gerilim değerleri [3] Yapılan bu çalışmada, FV-rüzgar-yakıt pili hibrit enerji üretim sistemince üretilen DC enerjinin, aynı karakteristikte iletimi ve tüketimi üzerine bir uygulamalı model 48

49 oluşturulmuştur. Bunun için 12 V ve 24 V DC enerji dağıtım sistemi kurulmuş, bu voltaj değerlerine uygun olarak da DC karakteristikli yükler devreye alınarak bu yükler üzerinde uygulamalı bir çalışma yapılmıştır. Çalışma esas itibariyle fotovoltaik-rüzgar türbini-yakıt pili enerji üretim sistemlerinin bir arada olduğu, DC dağıtım sistemine sahip bir çalışma olması itibariyle kendi alanında öncü ve ilkleri bünyesinde barındıran bir çalışmadır. Çalışma için özel bir pano tasarlanmış, sisteme uygun DC yükler bir araya getirilerek bu pano üzerinden deneyler yapılmıştır. DC sistemlerde kullanılan ekipman, piyasadan seri üretimin az olması nedeniyle yüksek maliyetlere temin edilebilmektedir. Buna karşın DC sistemlerin yaygınlaşmasıyla birlikte fiyatların da AC sistemlerde kullanılan ekipmanların fiyatları seviyesine ineceği öngörülmektedir. Yapılan bu çalışma ile, DC sistemlerin pratik anlamda uygulanabilirliği hususunun önünde hiçbir engelin olmadığı da kanıtlanmıştır. DC sistemler önümüzdeki dönemde önemli ölçüde ön plana çıkacaktır. Özellikle lokal üretim lokal tüketim prensibi içerisinde ulusal enterkonnekte sistemlerin yerini lokal üreticilerin alması ve elektrik enerjisini kendi tüketimleri için üretmeleri, petrol, doğalgaz, kömür gibi konvansiyonel kaynakların azaldığı günümüzde, uzak bir hayal olarak görülmemelidir. Türkiye nin enerji alanında çağın gerisinde kalmak, ayrıca enerji açığını dışa bağımlı bir politika çerçevesinde karşılamak gibi bir lüksü yoktur. Ülkemizin her geçen gün artan enerji ihtiyacını yerli ve yenilenebilir enerji kaynaklarını ön plana çıkararak karşılaması gerekmektedir. Bu noktada, sanayi ile işbirliği içerisinde bilimsel çalışma ve projelerin arttırılması ve bu çalışmalardan elde edilen sonuçların da vakit kaybetmeksizin uygulamaya konulması gerekmektedir. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Ekim, Denizli, [5] E. Cetin, A. Yilanci, H. K. Ozturk, I. Kasikci, M. Colak, S. Icli, Construction of a Fuel Cell System with DC Power Distribution for Residential Applications, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36(17), pp , [6] E. Cetin, A. Yilanci, H. K. Ozturk, M. Colak, I. Kasikci, and S. Iplikci, S., A Micro DC Power Distribution System for a Residential Application Energized by Photovoltaic-Wind/Fuel Cell Hybrid Energy Systems, Energy&Buildings, Vol. 42 (8), pp , [7] Siemens, 2013, [8] Answers, 2010, (Erişim tarihi: 14 Haziran 2010) [9] ABB, 2010, (Erişim tarihi: 14 Haziran 2010) [10] Nexa, Power Module Installation Manuel and Integration Guide, MAN , [11] A. Yılancı, H. K. Öztürk, E. Çetin, S. Kıvrak, İ. Dinçer, 1.2 kwp Gücündeki Nexa Yakıt Pili Modülü nün Performans Analizi, 4. Ege Enerji Sempozyumu, Mayıs, Ege Üniversitesi, İzmir, [12] A. Yılancı, 5 kw Gücündeki Güneş-Hidrojenli Bir Sistemin Kurulması ve Performansının Analizi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, 148 s., [13] Southwest, 2009, Air-x/400W Wind Turbine Technical Specification Data Sheet, PDF version, 2 p., USA. [14] Southwest, 2008, Air-x/400W Wind Turbine Owner s Manual, PDF version, 32 p., Document No. 3-CMLT- 1004, Revision: E, October, USA. Teşekkür Yazarlar katkılarından dolayı Tübitak a, DPT ye ve Pamukkale Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü ne teşekkür ederler. Kaynakça [1] A. Keyhani, Yenilenebilir Enerji Sistemlerinde Akıllı Şebeke Tasarımı, EMO ve Wiley, [2] E. Cetin, A. Yilanci, Y. Oner, M. Colak, I. Kasikci, and H. K. Ozturk, Electrical Analysis of a Hybrid Photovoltaic-Hydrogen/Fuel Cell Energy System in Denizli, Turkey, Energy&Buildings, Vol. 41(9), pp , [3] E. Çetin, 2010, Fotovoltaik-Rüzgar-Yakıt Pili Hibrit Güç Sistemi İçin Bir Mikro Doğru Akım Dağıtım Şebekesi Tasarlanması, Uygulanması ve Analizi, Doktora Tezi, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü. [4] E. Çetin, M. Hekim, E.Y. Ulu, A. Yılancı, H. K. Öztürk, Alternatif Enerji Sistemlerinin Kullanıldığı Binalarda Enerji Üretim ve Dağıtım Uygulamaları, YEKSEM 49

50 Eğitim Amaçlı Bir Elektrik Dağıtım Otomasyonunun SCADA İle Denetimi Erdem Erdem 1, Cemal Keleş 1, Serdar Ethem Hamamcı 1, Nusret Tan 1 1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi, Malatya {erdem.erdem, cemal.keles, serdar.hamamci, nusret.tan}@inonu.edu.tr Özetçe Son zamanlarda klasik eğitim araçlarının yanı sıra sanal benzetim araçları önemi artan ve kabul gören bir mühendislik eğitim sistemi sunmaya başlamıştır. Bu eğitim sistemi göz önüne alınarak gerçekleştirilen bu çalışmada, İnönü Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Elektrik Tesisleri Laboratuarı için eğitim amaçlı olarak tasarlanan SCADA tabanlı Elektrik Dağıtım Otomasyonu aracı tanıtılmaktadır. Bu otomasyon programında amaç, üç fazlı bir orta gerilim elektrik dağıtım sisteminin benzetiminin yapılması sureti ile bu dağıtım hattının çalışma ilkelerini incelemek, arıza deneyleri yapmak, arıza anlarında hattın davranışını gerçek zamanlı olarak gözlemek, internet ve GSM ile uzaktan erişim sağlayarak tüm bu deney işlemlerini uzaktan kontrol edebilme olanağını sunmaktır. 1. Giriş Mühendislikte bilgisayar yardımıyla kontrol, günümüzde bir çok uygulaması bulunan bir alandır. Bunların içinde ilk akla gelen, özellikle son yıllarda kullanımı artan ve uzaktan kontrol ile veri toplama/izleme imkanları sunan SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) sistemidir [1, 2]. SCADA sisteminin kullanım alanları teknolojinin gelişmesiyle son zamanlarda özellikle endüstriyel sanayide oldukça yaygınlaşmıştır [3, 4]. Bir SCADA sisteminin temelinde bir merkez istasyon, bu istasyona bağlı harici çevre istasyonları ve bu iki birim arasında denetim işlemini gerçekleştiren bir yazılım bulunur [5]. Merkez istasyona dışarıdan gelen bilgi akım, gerilim, ısı, ses, basınç veya hareket şeklinde sensörler tarafından sağlanmaktadır. Bu bilgiler bilgisayarda işlenerek eşzamanlı olarak kullanıcıya sunulmaktadır. Böylece kontrolü yapılan cihazın veya ortamın durumu hakkında istenildiği zaman bilgi sahibi olunmaktadır [6, 7]. Bu çalışmada, SCADA sisteminin yukarıda belirtilen özellikleri ve avantajları göz önüne alınarak hazırlanan eğitim amaçlı Elektrik Dağıtım Otomasyonu programının temel özellikleri anlatılmaktadır. Bu otomasyon programı, Elektrik Tesisleri laboratuarında klasik eğitim deneylerinin yanında internet ve GSM üzerinden uzaktan erişimli sanal deneyler yapılmasına imkan sağlayan yeni bir eğitim modeli sunmaktadır. Bu program ile kullanıcı, sistem bilgilerini eş zamanlı olarak görebilmekte ve daha da önemlisi meydana gelen arızalara manuel düzeltme olmaksızın uzaktan müdahale edebilmektedir. Bu müdahalenin özellikle internet üzerinden veya GSM ile yapılabilmesi programın en önemli avantaj ve özelliklerinden birisidir. Bu programı kullanan öğrencilerin, staj ortamında veya mezun olduklarında iş yerinde bulunan daha kapsamlı otomasyon programlarına daha kolay uyum göstermesi beklenmektedir. 2. Uzaktan SCADA Uygulamaları ve Eğitime Katkıları Özellikle her an sürekli çalışma özelliği gösteren tesis ve istasyonların her türlü otomasyonunda veya geniş bir alanda dağınık halde bulunan elektrik, doğalgaz, üretim hatları ve motor kumandası otomasyonu gibi bir çok sanayi ve hizmet sektöründe uzaktan kontrollü SCADA uygulamaları yaygın olarak kullanılmaktadır. Uzaktan kontrol için SCADA ile yapılan bir yazılım uygulamasında 1. Kontrolü yapılan harici çevre elemanlarına internet veya GSM üzerinden uzaktan kolay müdahale imkanı vermesi, 2. Üst düzey görsellik yardımıyla cihazların anlık olarak çalışıp çalışmadığı bilgilerinin ekranda görülüyor olması, 3. Çalışan bir cihazda meydana gelen arızanın anında kullanıcıya bildirilmesi, 4. Sisteme büyük çapta zarar verebilecek bir arızanın meydana gelmesi durumunda tüm sistemin çalışmasının durdurulması vb. gibi temel özelliklerin bulunması beklenmektedir [8, 9]. Bilgi ve iletişim teknolojisindeki hızlı gelişmeler sonucunda eğitim amaçlı laboratuar düzenek ve cihazlarına uzaktan erişim oldukça kolay bir hale gelmiştir. Son yıllarda internet üzerinden kontrol edilebilen gerçek zamanlı deney setleri üzerine oldukça yoğun çalışmalar yapıldığı gözlenmektedir. Bu çalışmalara örnek olarak; bir iklimlendirme (HVAC) sistemine uzaktan erişim sağlayarak PID kontrolü gerçekleştiren uygulamalar [10], Mekatronik eğitim sisteminin SCADA ile uzaktan kontrolünü amaçlayan çalışmalar [11], sıvı seviyesi ve sıcaklığın uzaktan kontrol edilebildiği uygulamalar [12], mikrokontrolör deneylerinin uzaktan yapılabildiği laboratuar uygulamaları [13] gösterilebilir. Yukarıdaki örneklere bakıldığında uluslararası alanda birçok üniversitenin farklı alanlarda uzaktan erişimli laboratuar eğitimini uzun bir süreden beri yürütüyor olmasına rağmen ülkemizde benzer uygulamaların oldukça yeni olduğu gözlemlenmektedir. Bu açıdan bakıldığında, sunulan bu çalışmanın elektrik tesisleri gibi öğrenci sağlığı için yüksek risk içeren bir laboratuar için büyük kolaylıklar sağlayacağı düşünülmektedir. 3. Elektrik Tesisleri Laboratuarı için Elektrik Dağıtım Otomasyonu Uygulaması Bu çalışmada Elektrik Tesisleri Laboratuarında SCADA sistemi ile Microelettrica firmasının MC-20 serisi aşırı akım rölesi kullanılarak elektrik dağıtım otomasyonu gerçekleştirilmiştir. Sistem röle ile iletişim kurarak, tüm analog ve dijital bilgileri alıp daha önceden hazırlanan tek hat 50

51 Şekil 1: Yazılım ana ekranının görünümü şemasına işlemektedir. Yazılımın bu durumu gösteren ekran çıktısı Şekil 1'de görülmektedir. Bu yazılım sayesinde, kesici ve ayırıcıların açık veya kapalı olduğu kontrol edilebilir, fiderde çalışma olup olmadığı denetlenebilir, fiderde oluşan tüm arıza kayıtlarının gösterilmesi sağlanabilir, kesicilerin uzaktan açılması veya kapatılması gerçekleştirilebilir, yapılan tüm manevraların kayıt altına alınması ve rölelere uzaktan bağlantı kurarak rölede her türlü ayar yapılabilmektedir. Böylece bu uzaktan kontrollü sistemle öğrenciler SCADA ile fider otomasyonunun ve fiderde manevranın nasıl yapıldığını uygulamalı olarak yapabileceklerdir. Elektrik Dağıtım Otomasyonuna ait yazılımının çalıştırılabilmesi için sistem güvenliği önemlidir ve bu nedenle program çalıştırıldığında önceden belirlenen kullanıcı adı ve şifresi doğru bir şekilde girilmelidir. Bu işlemden sonra sistem röle ile bağlantı kurarak varsa- meydana gelen arıza kayıtlarını ve ayırıcı/kesicilerin konumunu SCADA yazılımına yüklemektedir. Bu kayıtlar gerek yazılımın Olay Kaydı bölümünde gerekse sistemin otomatik olarak bilgisayarın masa üstünde açtığı Arıza Kaydı dosyasında görülebilir. Röledeki arıza kayıtları silinse dahi bilgisayarın veri tabanındaki bu veriler kayıt altında olup kullanıcı istediği zaman bu kayıtları görebilmektedir. Bu yazılım, kesici ve ayırıcılarının konumunun yanı sıra fiderin anlık akım bilgilerini de alarak otomasyon ekranında eş zamanlı olarak gösterir. Eğer yazılımla kesiciyi uzaktan açmak ve kapatmak istenirse öncelikle manevra şifresinin girilmesi gerekir. Bu şifreyle sistemin güvenliği sağlanmış olup sistem sorumlularının dışında başka kişilerin müdahalesi önlenmiş olur. Manevra şifresi doğru girildiğinde ekranda Manevra Açık ikazı görülmektedir. Kullanıcı kesiciyi açmak veya kapatmak istediğinde sistem yanlış bir işlemin yapılmaması için Fakülte çıkışı kesicisini açmak istediğinizden emin misiniz? şeklinde bir sorgulamadan sonra açma veya kapama işlemini gerçekleştirmektedir. Bu da sistemin güvenilirliğini arttırmaktadır. Bu durumda yazılım ekranının görünümü Şekil 2'de verilmiştir. Yapılan işlemlerin tamamı yazılımın olay kaydı bölümünde kayıt altına alınmaktadır. Bu durumu gösteren pencere Şekil 3' te görülmektedir. Kullanıcının yaptığı manevralardan sonra yazılım bir dakika içinde manevrayı otomatik olarak kapatmaktadır. Elektrik Dağıtım Otomasyonu yazılımının en önemli özelliği, son derece güvenli, pratik ve kullanışlı olmasıdır. Örneğin; dağıtım sisteminde, herhangi bir ekip çalışması var ise, sistemi kumanda ve kontrol eden kişiler program aracılığı ile bu durumdan mutlaka bilgilendirilir. Zira yetkili kullanıcılar önceden ya da işlem yaparken, sistem tarafından uyarılmaktadır. Dolayısıyla sistemde yanlış manevra gerçekleştirme olanağı bulunmamaktadır. Ayrıca dağıtım sisteminde veya kabinde çalışma yapan ekip, kesici mahallinde fider kumanda panelinde bulunan anahtar veya orta gerilim hücresinin kapısı açıldığında bu kapıya bağlı bir anahtar vasıtası ile kesicinin uzaktan kapatılmasına imkan vermemekle birlikte, sistemde kırmızı tonda Çalışma var ikazını gönderecektir. Böylece hatta çalışan ekip sistemde görülen bu ikazla kendi güvenliğini de almış olmaktadır. Bu duruma rağmen kesici uzaktan kapatılmak istendiğinde Şekil 4'te gösterildiği gibi Fakülte çıkışında çalışma var. Siz kesiciyi kapatmaya yetkili değilsiniz! ikazını vererek kesicinin kapatılmasına asla müsaade edilmez. Böylece olası bir iş kazası önlenmiş olur. Fiderlerin herhangi birinde arızadan dolayı bir açma varsa bilgisayar ekranında Şekil 5'teki gibi bir ikaz çıkar. Bu ikazda arıza veren fiderin isim etiketi üzerine arızanın nedeni formun altında da arızanın oluştuğu tarih-saat, fiderin adı ve arızanın oluştuğu andaki arıza akımlarını yanıp sönerek yazar. Eğer yazılımda sesli ikaz açık ise, operatörü uyarmak için sistem sesli bir uyarı ikazı verir. Bu da operatörün arızanın nedeniyle ilgili sağlıklı bilgi almasını sağlar. Bu arıza ilgili çıkışın olay kaydı formunda kayıt altına alınır. Arıza giderildikten sonra Arıza Sil butonuna basarak hem arıza bilgilerinin yazıldığı mesaj form üzerinden silinir hem de sesli ikaz kapatılmış olur. 51

52 Şekil 2: Manevra işlemi güvenliği için sorgu ekranı Şekil 3: Yazılımın olay kaydı ekranı Şekil 4: Yazılımın güvenlik için ikaz ekranı 52

53 Şekil 5: Yazılımın arıza anında ekran çıktısı SCADA yazılımıyla dağıtım sistemindeki rölelere uzaktan her türlü program yapılabilmektedir. Bunun için ana form üzerinde bulunan Röle ayarı butonuna basarak MSComm2 röle ayar programı açılır. Bu programla röle istenilen değerlere uzaktan kolayca set edilebilir. Ancak bu programın açılabilmesi için manevra şifresinin girilmesi gerekir. Bununla da yetkisiz kişilerin rölelerde ayar yapmasına imkan tanınmaz. MSComm2 programı açılırken sistem SCADA yazılım portunu kapatarak bilgisayarın aynı portla MSComm2 programının açılmasına olanak sağlar. MSComm2 yazılımı ile ayarlar yapıldıktan sonra MSComm2 programı kapatılıp SCADA program formu üzerinde bulunan Port aç butonuna basıldığında yazılımın rölelerle bilgi alış verişi yeniden başlatılır. Eğer kullanıcı portu açmaz ise sistem 30 saniye sonra portu otomatik olarak açarak röle ile tekrar bağlantı kurar. Bu sistemin öğrenciler tarafından daha iyi anlaşılabilmesi için üniversitemiz mühendislik fakültesinde elektrik tesisleri laboratuvarında orta gerilim şaltı kurulmuş olup sistemin kontrolü için SCADA yazılımı da sisteme kurulmuştur. Öğrencilere orta gerilimde manevranın nasıl yapılması gerektiği ve arıza meydana geldiğinde sistemin nasıl çalıştığının daha iyi anlaşılabilmesi için SCADA yazılımında sanal akım benzetimi ile röle akım set değeri, röle açma zamanı ve açma eğrisinin bulunduğu yazılım eklenmiştir. Bu durumda yazılım ekranı Şekil 6'da görülmektedir. Laboratuvar ortamında orta gerilim şebekesinin bulunması ve arıza akımlarının verilmesi gerek can güvenliği gerekse teçhizat yönünden ciddi sorunlar teşkil edeceğinden yazılım için böyle bir uygulama uygun görülmüştür. Program üzerinden eğitim verilirken set edilen değerler sanal iken (akım, zaman, eğri değerleri) test edilen arıza akımlarında kesici ve ayırıcılar canlı olarak açılmaktadır. Böylelikle sistem daha gerçekçi bir şekilde çalışmakta ve testi yapan öğrencilerin fiderde arıza meydana geldiğinde sistemin nasıl çalıştığını uygulamalı görmeleri sağlanmaktadır. Fiderin çektiği akımın daha iyi analiz edilmesi için otomasyon yazılımı her saat başı fiderin çektiği akımı Şekil 7'de görüldüğü gibi kayıt altına almaktadır. Şekil 6: Yazılımda röle verilerinin gösterildiği ekran çıktısı 53

54 Şekil 7: Kayıt altına alınan akım değerlerinin ekranda yazdırılması Şekil 8: Rölenin arıza durum bilgilerinin GSM vasıtasıyla SMS olarak gönderilmesi Sistemin haberleşmesi bilgisayarın haberleşme portunun RS232 kablosuyla aşırı akım rölesine bağlanarak gerçekleştirilir. Bunun yanı sıra bilgisayar ile röle arasına RF Modem yada Access Point ile WiFi ağ oluşturularak da iletişim sağlanabilir. Ayrıca sisteme GSM Modem bağlandığı takdirde meydana gelen tüm arıza bilgileri, operatörün cep telefonuna kısa mesaj olarak bildirilebilmektedir (Şekil 8). Son olarak, yukarıda anlatılan tüm bu özelliklere sahip olan sistemin laboratuar ortamında kurulu hali Şekil 9 da verilmiştir. 4. Sonuçlar Bu çalışmada, İnönü Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektrik Tesisleri Laboratuarı için yazılımı gerçekleştirilen Orta Gerilim Elektrik Dağıtım Otomasyonu tanıtılmaktadır. Oluşturulan bu yazılım ile öğrencilere SCADA yardımıyla elektrik dağıtım otomasyonunun uzaktan nasıl yapıldığını uygulamalı olarak görme imkanı sağlanmıştır. Orta gerilim hatlarında birebir çalışma esnasında meydana gelen can güvenliği sorunları, bu yazılım için oluşturulan arıza benzetim sistemi sebebiyle ortadan kaldırılmış ve böylece öğrencilerin güvenli bir ortamda bu deneyleri yapması sağlanmıştır. Kaynakça [1] E. Erdem, M.S. Mamiş, SCADA ile pompa ve su dağıtım otomasyonu- ERDEM SCADA, Bileşim Otomasyon Dergisi, Cilt: 250, s: 34-35, [2] S. Özkan, Enerji sektöründe scada uygulamaları ve scada otomasyonu örneklemesi, Gazi Üni. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lizans Tezi, [3] G. Clarke, D. Reynders, Practical Modern SCADA Protocols, IDC technologies, [4] A. Daneels, W. Salter, What is SCADA?, Trieste, Proc. Int. Conf. on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, s: ,