Güç Sistemleri Planlaması için Elektrik Şebekelerinin Coğrafi Haritalar Üzerinde Görselleştirilmesi

Transkript

1 Güç Sistemleri Planlaması için Elektrik Şebekelerinin Coğrafi Haritalar Üzerinde Görselleştirilmesi Simulation of Electrical Networks on Geographic Maps for Power System Planning Mehmet Demircioğlu 1, Sinan Eren 2, Hale Çetinay, 2 Cevdet Ünlüer 1,Erkut Cebeci 2 1 Güç Bilgi Teknolojileri Grubu TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü mehmet.demircioglu@tubitak.gov.tr, cevdet.unluer@tubitak.gov.tr 2 Güç Sistemleri Analiz ve Planlama Teknolojileri Grubu TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü sinan.eren@tubitak.gov.tr, hale.cetinay@tubitak.gov.tr, erkut.cebeci@tubitak.gov.tr Özet Bu makalede, güç sistemleri planlamalarında elektrik şebekesi analiz ve yük akışı sonuçlarının coğrafi harita üzerinde gösterimi için geliştirilen yazılım sunulmuştur. Buradaki temel amaç elektrik sistemi yazılımları çıktılarının, coğrafi olarak görselleştirilmesi, böylelikle analiz ve sonucunda oluşturulan yorumların en kolay ve hızlı şekilde yapılmasına imkân sağlamaktır. Yazılım, Google nın sunmuş olduğu harita servisi kullanılarak haritalandırılmıştır. Geliştirilen sistem hâlihazırda Türkiye de uzun dönem iletim yatırımı planlama ve güvenliği sağlama çalışmalarında kullanılmaktadır. Hızlı talep artışına sahip ve hızla genişleyen büyük bir şebekesi olan Türkiye gibi ülkelerde doğru ve ekonomik yatırım ihtiyaçlarının belirlenmesi büyük önem arz etmektedir. Anahtar kelimeler: coğrafi harita, Google Maps, elektrik şebekesi, yük akışı, yatırım analizi, iletim planlama 1. Giriş Gelişen teknoloji ve artan nüfusa paralel olarak Türkiye deki elektrik tüketimi hızla artmaktadır. Verilere göre son on yılda elektrik tüketimi iki katına çıkmıştır[1] ve önümüzdeki dönemde bu trendin devam etmesi beklenmektedir[2]. Artan talebe yeterli arz sağlamak ve iletimde sorun yaşamamak adına elektrik şebekelerinin güvenli ve aynı zamanda ekonomik bir şekilde planlanması gerekmektedir. Bu da, ekonomi ve işlev açısından en verimli sonucu verecek olan planlamayı yapabilecek görsel ara yüzlü programlara ihtiyacı ortaya çıkarmıştır. Bu yazılım, Türkiye Elektrik İletim A.Ş. Araştırma Planlama Koordinasyon Dairesi (TEİAŞ APK) ile TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü arasında imzalanan teknik danışmanlık projesi (52H2801 kodlu TEİAŞ APK 2011) kapsamında gerçekleştirilmiştir. Planlama amacıyla gerçekleştirilen analizlerin veya işletmede karşılaşılabilecek problemlerin görselleştirilmesi konusunda analiz programlarının çeşitli çözümleri bulunmaktadır. Her ne kadar yük akışı sonuçlarının kullanıcı tarafından oluşturulan ve analiz programı ile uyumlu görsel dosyalar üzerinde incelenmesi mümkün olsa da (örneğin PSS\E *.sld dosyaları) bu dosyalar coğrafi olarak hazırlanmadığından sadece fikir verici araçlar olarak kullanılabilmektedir. Öte yandan, sistemin uzun vadede sorunsuz planlanmasına yardımcı olacak görsel yazılım araçları henüz yaygınlaşmamıştır. Literatürde, bu makalede sunulan çalışmaya yakın örnekler bulunmakla birlikte tam olarak paralellik bulunmamaktadır. Dinamik bir çalışma olan [3], işletmecilerin elektrik şebekesini coğrafi olarak görselleştirme modeli sunmaktadır. Coğrafi sunum uygulamalarının bir sonraki aşaması olarak sistemin statik kısıt ve dinamik kararlılık analiz modelleri [4] bulunmaktadır. Genel olarak elektriksel yük akışı yazılımların çıktıları.text formatında olup görsellikten uzaktır. Bu da, analizlerin çözümlenmesini zorlaştırmakla beraber, gereken müdahale ve yatırımın anlaşılmasını geciktirmektedir. Türkiye de iletim sistem operatörü (TEİAŞ) tarafından yaygın olarak PSS/E yük akışı programı kullanılmaktadır. PSS/E, elektrik sistemlerinin simülasyon ve analizlerini gerçekleştirebilen interaktif bir programdır. Programın çıktıları.text formatında olup yorumlanması zaman almaktadır. PSS/E bünyesinde olan ara yüzde ise çıktılar bir bütün olarak görülememekte, sadece belli noktalar arasındaki sistem işleyişi coğrafi olmayan bazı görsel dosyalarıyla sunulmaktadır. Bu durum, yapılan analizin sonucunu tüm sistemin üzerinde görmeyi, ayrıca analizi gerçekleştiren ekibin yatırım alternatiflerini belirlemesini zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, oluşturulacak olan ara yüzün sistemi tamamen kapsaması ve sistem hakkında net bir görüntü vermesi gerekmektedir.

2 Elektriksel planlama ve işletmede sistemin yük akışı sonuçları ve bu verilerin en verimli şekilde kullanılabilmesi önem teşkil etmektedir. Bu makalede ise PSS/E programı kullanılarak alınan yük akışı sonuçlarının web üzerinden bir kullanıcı ara yüzü ile görselleştirilmesi çalışması anlatılmaktadır. Bu çalışmada temel amaç, sistem analizlerini sanal ara yüzlerin dışına taşıyarak, gerçek coğrafi haritalar ile görselleştirmektir. Bu hususta, PSS/E kullanılarak yapılan Türkiye iletim sistemi yük akışı çıktısı, tasarlanan veri tabanı üzerine kayıt edilerek web üzerinden kullanıcılara coğrafi görünüm sağlamaktadır. Bunların yanı sıra sistemin bilgi ve analiz sonuçlarının güvenliğini sağlamak için güvenlik araçları da oluşturularak programa entegre edilmiştir. Makalenin ikinci bölümünde kullanılan kütüphanelerden bahsedilecektir. Üçüncü bölümünde ise oluşturulan programın temel yapısı anlatılmaktadır. Bunun yanı sıra, kullanılan yazılım araçları ve sistem işleyişi detaylı olarak işlenmiştir. Bölüm 4 de ise programın Türkiye iletim sistemi uzun dönem planlamasında kullanıldığı durum ve örnek analiz sonuçları bulunmaktadır. Bölüm 5'de sistemin test aşaması ve destekleyebileceği programlardan bahsedilmiştir. Son bölümümüzde ise gelecekte yapılabilecek çalışmalar söz konusu olacaktır. 2. Kullanılan Kütüphaneler Yazılım geliştirilirken açık kaynaklı kütüphanelerden yararlanılmıştır. Açık kütüphane seçimindeki amaç, yeterli derecede kaynak sağlamaktır. Aynı zamanda kütüphane içerisindeki sınıflar istenilen yazılıma entegre edilebildiğinden açık kütüphane kullanımı ilerleyen aşamalarda kolaylık sağlayacaktır. Kullanılan kütüphaneler Google Maps, JPA, Primefaces dir. 2.1 Google Maps Kütüphanesi Google interaktif harita servisidir. Google un sunmuş olduğu bu kütüphane sayesinde, yazılım uygulamalarında harita tabanlı uygulamalar geliştirilebilir. Ayrıca sunmuş olduğu servis ile javascript yardımıyla etkileşimli yazılımlar geliştirilebilmektedir. 2.2 Java Persistence API (JPA) Java Persistence API; ilişkisel verilerin (Relational Data), Java nesneleriyle nasıl ilişkilendirileceği, bu nesnelerin ilişkisel veri tabanında (Relational DataBase) daha sonra erişilmeye elverişli şekilde nasıl tutulacağı ile ilgilenir. Bunun yanı sıra, uygulama sona erdikten sonra da devamlılığının sağlanmasına uygundur. Geliştirilen uygulamada verilerin ilişkilendirilmesi ve veri tabanında saklanmasında bu kütüphaneden yararlanılmıştır. 2.3 Primefaces Java teknolojilerinde bulunan 3. Parti bileşen kütüphanesidir. Primefaces teknolojisi, ara yüzler tasarlarken kullanılan bir kütüphanedir. Bu teknolojinin yazılım geliştirirken kullanılması Ajax sistemlerinin uygulamaya entegrasyonunda kolaylık sağlamıştır. 3. Simulasyon Ara Yüzü Geliştirilen simulasyon ara yüzünde Java web teknolojileri kullanarak kullanıcı merkezli bir tasarım yapılmıştır. Sistem birbirine bağlı olan dört temel yapıdan oluşmaktadır (Şekil 1). Temel yapıların yanı sıra, programın güvenliğini sağlamak için sistem ile entegre şekilde çalışan bir güvenlik duvarı bulunmaktadır. Güvenlik duvarı sayesinde programa girilen elektrik sistemi bilgilerinin üçüncü şahıslar tarafından erişilmesi ve bundan kaynaklanan olası ticari zararlar engellenmektedir. Dört temel bloktan ilki bütün işlemlerin yönetilmesini sağlayan iş katmanı denilen yapıdır. İş katmanında, üzerinde analiz yapılacak.sav uzantılı PSS/E dosyası yükleme işlemi yapılmaktadır. Ayrıca kullanıcı tarafından önceden yüklenmiş dosyaların arşivleri de tutularak geçmiş dosyalara da erişmek mümkün kılınmıştır. Harita üzerindeki veriler için kordinat ekleme ve güncellemesi işlemi de bu katmanda yapılmaktadır (Şekil 2). Bu sayede lokasyonlarda güncelleme, ekleme ve düzeltme yapılmasına imkân verilmektedir. Yüklenen PSS/E dosyası birinci yapıda işlem sürecine girdikten sonra Python dili ile yazılan bağlayıcı kod çalıştırılmaktadır. Bağlayıcı kodun yazılım dili olarak Python un seçilmesinin sebebi, Python dilinin PSS/E analiz aracı ile entegreli çalışabilmesidir. Bir başka deyişle, temel amaç; ana programın PSS/E ile iletişimde olmasını sağlamaktır ve PSS/E nin bünyesine bulunan kütüphane Python u kullanım için uygun kılmaktadır. Java yazılımı ile PSS/E içerisine erişim yapılamadığından, Python kodları, java yazılım dili ile oluşturulan sistem komutları ile çalıştırılmaktadır. Ana program içerisinde Python kodunu tetikleyerek PSS/E ile işlem yapması için Şekil 3 de gösterilen kaba kod kullanılmıştır. Bu sayede birbirinden farklı yapıya sahip iki aracın anlaşmasını sağlanmıştır. Ana program ile ayrıca, yapıların birbirleri ile olan ilişkileri ve zamanlamaları kontrol edilmektedir. Yüklenen.sav dosyasının sonuçları PSS/E den alınana kadar geçen sürede veri tabanından alınan veriler güncel olmayacaktır. Sistem komut ekranı sayesinde analizler tamamlanana kadar ana yazılım bekletilmekte, PSS/E üzerindeki işlem tamamlandıktan sonra gelen sonuçlar veri tabanından web ara yüzüne aktarılmaktadır. İşlem sürecini beklemeye almak için Java dilinin Thread yapısı kullanılmıştır. PSS/E ile oluşan analiz sonuçları Python ile yazılan kod ile veri tabanına işlenmektedir. Veri tabanındaki sonuçlar kullanılarak ise analiz haritaları oluşturulmaktadır. Harita üzerindeki lokasyonları, PSS/E de bulunan noktalarla eşlemek için sürekli olarak güncellenen bir tablo mevcuttur. Tablo üzerinde, PSS/E dosyasında bulunan sanal merkezlerin sistem üzerinde olan karşılığı ve lokasyonu tutulmaktadır. Bu sayede, yeni bir ekleme olduğunda ya da bir düzelmede PSS/E ve yazılım sistemi birbiri ile sürekli senkronize kalmakta, karşılıklı olarak eşleşmektedir. Veri tabanı sisteminde kullanıcılar arasında güvenliği sağlamak amacıyla her bir kullanıcı için yeni bir kimlik oluşturulmuş, bu sayede farklı kullanıcıların sonuçlarının

3 birbirinden ayrı olarak veri tabanında depolanması ve aynı anda birden fazla kullanıcı için haritalandırma çalışması yapılmasını mümkün kılınmıştır. Bunun yanı sıra, veri tabanının güvenliği için, veriler belli filtrelerden geçirilerek veri tabanına kaydedilmektedir. Bu sayede kullanıcılar dışında üçüncü şahısların veri tabanına erişimi durumda karşılaştığı veriler anlamsız olacaktır. Verilerin güvenliği için başka bir yöntem de her kullanıcıya farklı bir kripto edilmiş kayıt sistemi kullanmaktır. Bu sayede kullanıcı dışındaki erişimlerde verilerin gizliliğini korunabilir. Ancak oluşturulan sistemde bu işleme gerek görülmemiştir. Şekil 3. Python ve PSS/E Kaba Kodu İşlemler tamamlandıktan sonra veri tabanındaki verilerin harita üzerine aktarılması için kullanıcı, haritalandırma ekranına yönlendirilmektedir. Harita olarak Google Maps Api nin sağlamış olduğu harita kullanılmıştır. Analiz sonuçları harita altında kullanıcıların seçimlerine sunulmuş işlem alanları ile çeşitli seçeneklerle haritalandırılabilmektedir. Şekil 1. Temel Program Yapısı 4. Yazılımın Görsel Çıktıları Geliştirilen yazılımın analiz ve yatırım çalışmalarında kullanılan 4 Temel çıktısı bulunmaktadır. Bunlardan ilki gerilim görselidir. Şekil 4 de 2017 yılı yaz puant dönemine ait bir yük akışı senaryosunda, 154 kv bara gerilimleri görseli gösterilmektedir. Yazılım, yük akışı sonucuna göre voltaj bilgilerini otomatik olarak almakta ve p.u. (Per Unit) bazında renklendirerek haritalandırmaktadır. Şekilden de takip edilebileceği üzere, senaryoda Güneydoğu Anadolu Bölgesi, Edirne İli ve Bodrum civarında gerilim düşmesi olduğu ve bölgelerin detaylı incelenmesinin gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Gerilimlerin takip edilebilmesi için 380 kv ve 154 kv seçenekleri bulunmakta, gerilim değerlerine göre trafo merkezleri coğrafi olarak renklendirilmektedir. Şekil 2. Ana Program Dosya Yükleme Ekranı Yazılımın ikinci çıktısı trafo doluluk oranlarını gösteren görseldir. Şekil 5 de 2017 yılına ait bir yük akışı senaryosunda Ankara ilindeki trafo yüklenmeleri görseli verilmiştir. Yazılım, kullanıcı tarafından eklenen PSS/E dosyasındaki trafo kapasitelerini ve yüklenmelerini otomatik

4 olarak okuyarak, doluluk oranlarına göre renklendirip harita üzerinde kullanıcıya sunmaktadır. Bu sayede trafo merkezlerindeki doluluk takip edilebilmekte, kapasite artırımı veyahut yeni trafo merkezi gibi kararların analizi kolaylaşmaktadır. Şekilde görüldüğü gibi Ankara merkezde bulunan bazı trafo merkezlerindeki mevcut yük trafolarının 2017 yılına doğru kritik yükleneceği görülmektedir. Bu da, civar bölge için kapasite artırımı ya da yeni trafo merkezi analizi yapılması sonucu ortaya çıkmaktadır. Diğer bir çıktı ise elektrik iletim hatlarının yüklenme oranlarını gösteren görseldir. Şekil 6 da 2017 yılına ait bir yaz puant yük akışı senaryosunda İstanbul İli civarı 380 kv iletim hatlarının yüklenmelerini gösteren yazılım çıktısı bulunmaktadır. Yazılım, hat yüklenmelerini kullanıcı tarafından eklenen PSS/E dosyasından otomatik olarak okuyarak, söz konusu hattı yüklenme oranına göre renklendirmektedir. Bu sayede takip edilmesi zor olan nümerik veriler yerine, hatların dolum oranı harita üzerinden rahatlıkla takip edilebilir duruma getirilmiştir. Şekilden de takip edilebileceği üzere yüklenen senaryoda boğaz geçiş hatlarının, diğer iletim hatlarına kıyasla daha dolu olduğu ancak hiçbir hattın kapasitesinin üzerinde yüklenmediği sonucu çıkarılabilir. İletim hattı görselleri, 380 kv ve 154 kv bazında yapılabilmektedir. Bunun yanı sıra renklendirme hattın hava sıcaklığına bağlı olarak değişen bahar, yaz ve kış kapasitesine göre seçilebilmekte, böylece her sezon için kullanıma uygunluk sağlanmaktadır. Yazılımın son çıktısı üretim ve tüketim grafiklerini gösteren görseldir. Şekil 7 de Çukurova bölgesinin üretim tüketim grafiğini gösteren program görseli çıktısı bulunmaktadır. Kullanıcı tarafından ek bir bilgi girilmesine gerek kalmadan yazılım otomatik olarak yüklenen PSS/E dosyasından bu bilgileri alabilmektedir. Veri tabanında bulunan koordinatlara göre üretim ve tüketim grafikleri coğrafi olarak haritaya eklenerek, görsel kullanıcıya sunulmaktadır. Şekilden de takip edilebileceği üzere, yüklenen PSS/E dosyasında Yumurtalık ve Hatay civarında üretimin tüketime oranla fazla olduğu ve trendin bu şekilde devam etmesi halinde iletim güvenliği için bu bölgelere yatırımı gerekliliği analizi sonucuna varılacaktır. Üretim ve tüketim grafiklerinin görsel olarak çıktısının yanı sıra, yazılımda üretiminin hangi kaynaktan olduğu (Kömür/Doğalgaz yakıtlı TES, Barajlı/Akarsu HES, RES, JES, NES) bilgisine de ulaşılabilmektedir. Sonuçlar ise, TEİAŞ trafo merkezi, il, Elektrik Dağıtım A.Ş. (EDAŞ) ve TEİAŞ Yük Tevzi Merkezi (YTM) bazında gösterilme seçenekleriyle çeşitli kullanımlar için uygunluk sağlamaktadır. Şekil 4. Türkiye 2017 yılı yaz dönemi 154kV Sistem Bara Gerilimleri

5 hatlardaki yük akışı bilgilerinin web üzerinden bir veri tabanında kayıt edilmesidir. Bu sayede her güne ait üretim ve tüketim verisi otomatik olarak oluşacak ve kısa dönemli talep tahmininde kolaylık sağlanacaktır. Ayrıca verilerin web üzerinden bir veri tabanında toplanması uzun dönemde de bilgilerin güvenliği açısından önem teşkil etmektedir. Şekil 5. Türkiye 2017 yılı trafo yüklenmeleri Veri toplanmasında getirdiği kolaylık ve güvenliğin yanı sıra, bu makalede anlatılan çalışmada Türkiye de ilk olan coğrafi bir yük akışı görseli yazılımı denenmiştir ve karşılaşılan sorunlar geliştirmeye açıktır. Örnek olarak, mevcut durumda veri tabanında sadece trafo merkezlerinin güncel koordinatları bulunmaktadır ve iletim hatları kuş uçuşu olarak gösterilmiştir. Ancak uzun vadede iletim sistemindeki hat ve kabloların koordinatları da veri tabanına eklenerek coğrafi görünüm geliştirilebilir. Uzun dönemli bir çalışma olarak ise harita ve yük akışı programının birbiri ile tamamen irtibatını sağlayarak, harita üzerinden yapılacak bir değişmenin yük akışı programına işlenmesi yazılımı gösterilebilir. Bu sayede, olası yatırım önerileri ve analizler tamamen kullanıcı ara yüzünden yapılarak zamandan tasarruf ve kolaylık sağlanabilir. 6. Sonuç Bu makalede Türkiye için PSS/E yük akışı programı ile uyumlu çalışan bir görsel ara yüz yazılımı tasarımı anlatılmıştır. Görsel ara yüz yazılımında Google Maps Api nin sağlamış olduğu harita kullanılmıştır. Bahsedilen yazılım Türkiye de uzun dönem iletim yatırımı planlama ve güvenliği sağlama açısından kullanılmaktadır. Şekil 6. Türkiye 2017 yılı 380kV hat yük akışları Şekil 7. Çukurova Bölgesi üretim tüketim görseli 5. Gelecek Dönem Çalışmaları Yapılan çalışma Türkiye de yük akışı için görsel ara yüz tasarımı alanında yapılacak olan yazılım ve uygulamalar açısından temel teşkil etmektedir. Görsel ara yüz çalışmasının planlanan bir sonraki aşaması trafo merkezlerinden ve santrallerden dinamik olarak saatlik üretim, tüketim ve Geliştirilen yazılım diğer örnekler için bir temel oluşturması açısından gelişime açıktır ve hali hazırda bu konudaki çalışmalar devam etmektedir. 7. Kaynaklar [1] TEİAŞ. (2012). Türkiye Elektrik Üretim - İletim İstatistikleri. (Şubat 2013) Alıntı adresi: [2] TÜBİTAK UZAY Güç Sistemleri Analiz Grubu Türkiye Elektrik Sistemi İçin Transformatör Merkezi (TM) Bazlı Bölgesel Talep (MW) Projeksiyonu Çalışmaları Dönemi, Eylül 2012 [3] Overbye, T.J., "Coğrafi veriler ile geniş alan güç sistemi görselleştirmesi" Güç ve Enerji Topluluğu Genel Toplantısı - 21.yy da Elektrik Enerjisinin Dönüştürülmesi ve İletilmesi, 2008 IEEE, pp.1,3, July 2008 [4] Song, S.S., Jang, G., Park C.H. Güç Sistemlerinin Kararlığının Değerlendirilmesi için dinamik analizlerin görselleştirilmesi Elektrik Mühendisliği ve Teknolojileri Dergisi Vol. 6, No. 4, pp. 484~492, 2011