Akıllı Şebekeler: Yeni Uygulamalar ve İleriye Dönük Düşünceler

Transkript

1 Akıllı Şebekeler: Yeni Uygulamalar ve İleriye Dönük Düşünceler Ali Abur Northeastern Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Boston, MA, A.B.D. TMMOB Akıllı Şebekeler Sempozyumu Ankara, Türkiye Nisan 2013

2 Sunum Planı Giriş ve Tanımlar Amaç ve Beklentiler Sorunlar ve Çözümler Yeni Cihazlar Yardımcı Teknolojiler Akıllı Şebekelerde Durum Tahmini Akıllı Şebeke Vizyonu Sonuçlar ve Düşünceler

3 Tahmini Enerji Kullanımı (2008)

4 Geleneksel Şebekeler

5 Akıllı Şebekeler Nedir? Gerek elektrik üreticileri gerekse tüketicilerinin rahatlıkla ve verimli olarak elektrik şebekesine bağlanabilecekleri ve bu sayede üretilen elektrik enerjisinin en verimli, güvenilir ve sürdürülebilir şekilde tüketicilere aktarılmasını sağlayan elektrik şebekesi

6 Akıllı Şebekelerden Beklentiler Hem enerji hem de bilgi/veri alış verişinin verimli sekilde yapılması Şebekelerin akıllı yönde evrimi (İletim şebekeleri zaten büyük çapta akıllı uygulamalarla donanmış durumdalar) Akıllı uygulamaların dağıtım şebekelerine de indirilmesi

7 Akıllı Şebekelerin Amaçları 1. Arızalar karşısında otomatik olarak arıza yerinin tesbiti ve arızanın giderilmesi 2. Kullanıcıların yükün ayarlanmasına aktif katılımının sağlanması 3. Fiziksel ve bilgisayar üzerinden yapılacak (siber) saldırılara karşı şebekelerin korunması

8 Akıllı Şebekelerin Amaçları 4. Güç kalitesinin sağlanması ve arttırılması 5. Tüm üretim ve depolama seçeneklerinin verimin yükseltilmesi için kullanılması 6. Yeni cihaz, yazılım, hizmet ve pazarların kullanım ve oluşumuna yardımcı olması 7. Verimliliğinin olabildiğince arttırılması

9 Akıllı Şebekeler ve Yenilenebilir Kaynakların Getirdiği Sorunlar Kaynaklar -- yük merkezleri arası uzaklık. Ana enerji kaynaklarının sık değişen ve uzun dönemde tahmin edilmesi zor olan üretimleri. Üretilen enerjinin ucuza depolanamaması. Kaynak verimliliğindeki oynamalar.

10 A.B.D Örneği Rüzgar Nüfus Dağılımı Rüzgar ve güneş enerji kaynakları yük merkezlerinden uzaktalar. Uzaklık değişik tipte kaynakların verimli entegrasyonuna yardım eden bir faktör. (Akıllı) İletim şebekeleri bu kaynakların verimli entegrasyonu için gerekliler. Güneş

11 Akıllı Şebekeler Öncesi ve Sonrası Üretim İletim Dağıtım Tüketüreticiler Analog Koruma Röleleri Otomatik Üretim Kontrolu + Yük Frekans Kontrolu SCADA EMS Enerji Yönetim Sistemleri Combined Cycles HVDC-FACTS Enerji Pazarları ICT (Bilgi İletişim Teknolojileri) Co-jenerasyon Dijital Röleler FACTS (IGBTs) PMUs, Geniş-alanlı Kontrol (WAC) D-FACTS Akıllı Metreler Yaygın Düzen Yenilenebilir Kaynaklar Dağınık Düzen Yenilenebilir Kaynaklar ICT, akıllı sensörler, bulut hesaplamaları Mikro Şebekeler Büyük Çaplı Depolama Elektrikli Araçlar ve Küçük Çaplı Depolama

12 Şebekelerin Temel Kısıtlamaları Üretim yükü sürekli olarak izlemek zorunda Kurulu kapasite > yükün en yüksek değeri

13 Çözümler Seçenek 1: Yük kaydırıp tepe değerini düşür Fiyata duyarlı yükler ve talebin yönlendirilmesi Saate bağlı fiyatlandırma Tıkanıklığa bağlı fiyatlandırma Akıllı metreler

14 Yük Kapasite Oranı (YKO) Ürrrrrrr TTTTTT EEEEEE kkkaaa Şeeeee KKKKKKKKKK kk İşlllll ssssss (ssss) AMAÇ : ORANI BİRE YAKINLAŞTIRMAK

15 Yük Kapasite Oranı Güç Basit Örnek 14/20 = 0.7 Gerekli kurulu güç kapasitesi Saat SABAH ÖĞLEN ÖĞLEDEN SONRA GECE

16 Günlük Yük Dağılımı Basit Örnek: Yük kaydırmayla kapasite düşürümü Güç Gerekli kurulu güç kapasitesi SABAH ÖĞLEN ÖĞLEDEN SONRA GECE Saat

17 Günlük Yük Dağılımı Güç AKILLI YKO YÜKSELTİLMESİ Gerekli kurulu güç kapasitesi Saat SABAH ÖĞLEN ÖĞLEDEN SONRA GECE

18 Çözümler Yenilenebilir Kaynaklar -- RÜZGAR: Genelde gece en kuvvetli, yük ise en düşük Yük merkezlerine uzak, açık denizde konumlu

19 Çözümler Yenilenebilir Kaynaklar -- GÜNEŞ: Gün içinde en kuvvetli Bulutsuz bölgeler (güney, güneydoğu?)

20 Çözümler (PEV) Plug-in Electric Vehicles Şebekeye Bağlanan Elektrikli araçlar: [Sorun] Yüksek Şarj Talebi [Fırsat] Mobil (yer değiştirebilen) ve dağınık düzen enerji depolaması

21 Çözümler Seçenek 2: Enerjiyi depola ve kullan Büyük çaplı depolamanın maliyeti yüksek Hidrolik Pompalama (uzun dönem) Flywheel (Volan) depolaması Süper kapasitörler

22 Alternatif Enerji Kullanım Örneği

23 Akıllı Şebekelerde Yeni Cihazlar FACTS ( Flexible ac Transmission System ) Aktif, reaktif güç ve voltaj kontrolü Şebekenin dinamik kontrolü Cihazların birbirleriyle olan ters etkileşimlerinin önlenmesi veya minimize edilmesi

24 Akıllı Şebekelerde Yeni Cihazlar PMU Ölçüm Cihazları Kontrol: Bölgeler arası faz salınımlarının izlenmesi ve söndürülmesi Voltaj kararlılığı Durum tahmini Koruma sistemleri: Küresel ölçümlere dayalı (PMU kullanarak) geniş-alan koruma sistemleri

25 Bilgi ve iletişim: Yardımcı Teknolojiler Yeni sensörler: örneğin iletim hatlarına tek sarımlı bobin ile bağlanabilen ve aktif güç kontrolu sağlayan küçük trafolar. Akıllı sayaçlar, veri toplayıcıları: iki yönlü iletişim olanakları ile direk yük izlemesi ve kontrolü. Dijital röleler ve PMU lar: Programlanabilir röleler GPS alıcısı eklenmek yoluyla PMU olarak işlev görürler.

26 Yardımcı Teknolojiler Yeni sistem tasarımları: Mikro-şebekeler (ac/dc): Hem ana şebekeye bağlı hem de ondan bağımsız olarak çalışabilen küçük şebekeler. Kontrol sistemlerinin ileri teknolojisi nedeniyle sistem işletiminde kolaylık sağlarlar. Hiyerarşik ve dağınık kontrol sistemleri: trafo merkezleri, dağıtım yönetim ve iletim denetleme sistemleri.

27 Dağıtım otomasyonu: Gelişmiş teşhis ve restorasyon metodları. Arıza tipi ve yerinin tahmini ve arızanın zamanında giderilmesi, yükün hızlı restorasyonu. Güç elektroniği: Yardımcı Teknolojiler Çok ve çeşitli kontrol (aktif / reaktif güç, voltaj, faz açısı) olanakları sağlar. Özellikle yenilenebilen güç kaynaklarının şebekeye bağlanmalarında kolaylık ve verimlilik sağlar.

28 İletim şebekelerinin çalışma durumları NORMAL DURUM GÜVENLİ veya GÜVENSİZ RESTORASYON DURUMU ACİL DURUM KISMİ veya TOPTAN KESİNTİ LİMİTLER AŞILMIŞ

29 Durum Tahmininin Geleneksel Rolü Statik Güvenlik Analizi Güvenlik Analizi: Şebekenin izlenmesi, şebekenin durumunun belirlenmesi, güvenlik için gerekli koruyucu işlemlerin yapılması Şebekenin izlenmesi için gereken ölçümleri RTU lar sağlarlar ve kontrol merkezine gönderilir, bunlar durum tahmini için kullanılır. Ölçülen değerler: Akış: hatlarda güç akışları Fazör genliği: bara voltaj ve hat akımı genlikleri Fazör açısı: bara voltaj ve hat akımı faz açıları İnjeksiyonlar: jeneratör cıktıları ve yükler Durum: kesici ve anahtarlar, trafo tap pozisyonları

30 İletişim Altyapısı SCADA / EMS PLANLAMA ve ANALİZ FONKSİYONLARI Yerel Bölge Ağları ENERJİ YÖNETİM SİSTEMLERİ (EMS) İletişim Ağı Kontrol Merkezi SCADA Arayüzü Yerel Bölge Ağları RTU RTU IED IED RTU İzlenen Cihazlar Trafo Merkezi

31 Senkronize Fazör Ölçümü Synchronized Phasor Measurement Units (PMU) 1960tan bu yana geleneksel SCADA verileri Voltaj ve Akım Genlikleri Frekans 2-4 saniyede bir ölçüm Senkronize Fazör Ölçüm Üniteleri (PMU s) Voltaj ve Akım faz açıları Frekans ve zamana göre değişim oranı GPS ile senkronize olarak saniyede 30 ölçüm Kredi: Khurana, UIUC

32 Senkronize Fazör Ölçümü - PMU DALGA ÜZERİNDE NOKTALAR

33 Senkronize Fazör Uygulamaları Araştırmacılar: Otomatik RAS* alarmları OOS (out-of-step) koruma sistemi Kısa/Uzun dönem kararlılık kontrolu FACTS geri-besleme (feedback) kontrolu Güvenilirlik Koordinatörleri: Durum tesbiti Frekans kararsızlığı ve sistemin adalara ayrılmasının tesbiti Planlamacılar: Arıza (sonrası) analizi Model doğrulama Fazör ağı performans denetimi Ölçüm kalitesi Yeni geliştirilen yazılımların testi Sistem Operatörleri: Şebeke performansının izlenmesi Alarmlar ve uyarılar Arızanın farkedilip yerinin saptanması Gerekli önlemlere karar verilmesi Bölgelerarası yük akışı tahmini Dinamik hat limitleri Kredi: NASPI Operations Implementation Task Team (OITT) * : Remedial Action Schemes (RAS)

34 PMU Ölçümlerinin Paylaşımı Secure Network Apps Source: NASPI

35 Yeni akıllı şebeke ortamı: Hiyerarşik DT Yeni dijital trafo merkezlerindeki bilgi ve ölçüm artışı Akıllı Elektronik Cihazlar ve koruma rölelerinin yerel bölge ağları (LAN) üzerinden sağladıkları ölçümler Yerel bilgisayar: Trafo merkezi çapında SCADA kullanımı Hem sayıca hem çözünürlüğü yüksek ölçümler Akıllı metreler, ölçüm toplayıcıları (DataConcentrators). Dağınık üretimin izlenmesi. Tüm ölçümleri tek kontrol merkezine yollamak uygun olmayabilir: Çözüm: Ölçümleri hiyerarşik (trafo merkezi, iletim kontrol merkezi) ve bölgelere dağılmış şekilde işlemek

36 Yeni akıllı şebeke ortamı: Hiyerarşik DT Avantajları: Tüm ölçümler (atılmadan ve başka ölçümlerle birleştirilmeden) kullanılabiliyor Yerel seviyede çok daha detaylı modelleme olanağı 3-Faz modeller Kesicilerin modellenmesi (yerel topoloji tesbit /doğrulama) Hatalı ölçümlerin erken teşhisi

37 Akıllı Trafo merkezlerinde SCADA sistemleri: IEC Standard Donanım Uygulama Yazılımlar Ofis Çalışmaları Kontrol Merkezi Gateway Switch Station bus Bay controller IED IED PMU IED Process bus Process bus Switchgear CT/VT Switchgear CT/VT

38 Trafo merkezlerinde alınan ölçümler Voltaj genliği Trafo güç akışı Harici injeksiyonlar (gelen hatlarda yük akışı) Akım genliği Kesiciler (güç akışı) Trafolar (güç akışı) Hatlar (injeksiyonlar) Dahili sistemde faz farkları (IEDs) V-V V-I Ayrıca: V & I fazörler (PMU ölçümleri, eğer varsa)

39 Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller İki seviyeli durum tahmini İletim şebekesi kontrol merkezi Trafo merkezi - Lineer model - IED ve PMU verilerinin kullanımı - Yerel filtreler - Topolojik hataların yerel teşhisi

40 Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller İki seviyeli durum tahmini İletim şebekesi kontrol merkezi - Eski DT yazılımı kolayca adapte edilir - Injeksiyon ölçümlerinin çoğunluğu kullanılmaz - Hesaplama yükünde düşüş - Düşük iletişim band genişliği Trafo merkezi

41 Örnek: Trafo merkezi Yerel olarak gözlemlenemeyen trafo merkezi (ölçümler bir üst seviyeye gönderilir) (Q için de aynısı) = P P P P P = P P P P P P P cb ca V V V V c b a = Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller

42 Örnek: Kontrol merkezi 21 yerine 11 ölçüm merkezi olarak işlenir! = V V V Q Q Q V Q Q P P P P P θ θ Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller

43 Senkro-fazörler PMU larla durum tahmini Matematiksel Model voltage magnitude measurements voltage angle measurements current real part measurements current imaginary part measurements z z z z z trad V θ Re( I ) Im( I ) = h h h h h trad V θ Re( Im( ( x) ( x) ( x) + I )( x) I ( x) ) r Minimize Subject to J ( x) = r T Wr z = h( x) + r

44 Direk Z R H R H X e X H Z Ölçümleri Fazör İteratif Z R H R H X e X h Z Ölçümleri SCADA T T ) ( ˆ ) ( ˆ ) ( _ = + = = + = Senkro-fazörler Problem çözümüne etkisi

45 Senkro-fazörler Referans PMU nun seçimi Eğer referans barasında PMU yoksa: Referans açısı ile gerçek açılar uyumsuzluk içinde olurlar. Eğer referans barasında PMU varsa ama ölçülen açıda hata varsa: Referans açısındaki hata teşhis edilemez. Daha da kötüsü, bazı diğer ölçümler hatalı olarak yanlış teşhis edilirler.

46 Senkro-Fazörler Yeni Formulasyon Referans baranın kullanılmaması. SCADA ve fazör ölçümlerindeki hatalar teşhis ve tesbit edilebilir. PMU SCADA Durum Tahmini ve Hata Teşhisi Tahmin Edilmiş ve Düzeltilmiş Ölçümler Tahmin Edilen Durum

47 Senkro-fazörler Avantajları İzlenebilir bölgelerde herhangi bir baraya PMU yerleştirilebilir. Pseudo-ölçümler ancak bölge sınırlarında olurlarsa izlenebilir bölgeleri birleştirebilirler.

48 ),, ( ),, ( p p x J p p x J = k l kl kl P x θ θ = lm m l lm x P = θ θ ' ' kl k l kl k l x x θ θ θ θ = ' ' lm l m lm l m x x θ θ θ θ = l m lm lm P x θ θ = kl l k kl x P = θ θ Senkro-fazörler Çok çözümlü durumlar

49 Akıllı İletim Şebekesi Vizyonu Ülke çapında kurulacak iletim şebekesi: Sürekli izlenen, dinamik olarak kontrol edilen, yüksek verimli ve güvenlikli, düşük maliyetli, yenilenebilir kaynakları kolayca entegre edebilen, tüm depolama kaynaklarını kullanan ve duyarlı yük talebi olan şebeke. Küresel Konumlandırma Uydusu İzleme ve Durum Tahmini İletişim, Kontrol ve Komut Bilgi İşlem Bölgesel Şebeke Operatörü

50 Akıllı Şebekelerin İşletme Vizyonu İletim Şebekesi Şebekenin Geniş Alanlı Kontrolu HVDC Ölçüm ve Tahmin Depolama PMU FDR İletişim İletişim Güneş Enerjisi Duyarlı Yük FACTS Teknoloji / Cihaz Rüzgar Türbinleri

51 Günümüz Şebekesi Az sayıda yenilenebilir kaynaklar Ağırlıklı olarak sabit ac iletim hatlarıyla dolu; yüksek marjınlı işletim Sadece yük değişimine bağlı olarak üretimin yükü izlemesi Limitli durum izleme kapasitesi; büyük çapta yerel kontrollar

52 Geleceğin Şebekeleri Ana Şebeke (Belkemiği), Bölgesel Şebekelerarası Bağlar, Yerel Dağıtım, Mini- and Mikro-Şebekeler ABD Enerji Bakanlığı: 2030 ŞEBEKESİ VİZYONU Yenilenebilen kaynakların yüksek oranda şebekeye katılımı (>50%) Flexible DC and AC iletim şebekeleri, çok küçük işletme/kararlılık marjını ( ~0) Sürekli değişen yük ve kaynaklar; şebeke esnekliği yüksek yükler Sürekli ve doğru durum tesbiti; ultra-geniş-alanlı kontrol

53 SONUÇLAR ve DÜŞÜNCELER İletim şebekelerinde pek çok akıllı uygulamalar zaten yapılıyor Dağıtım şebekelerindeki uygulamalar daha az yaygın Enerji depolama teknolojileri henüz yetersiz Bilgi/veri iletişim teknolojisi uygulamalar için yeterli Sorunlar: Maliyetler ve yatırımlara gerekçe bulma zorlukları