Güç Trafosu için Dalgacık Tabanlı Fark Koruma Algoritması Wavelet Transform Based Differential Protection Algorithm for Power Transformer

Transkript

1 1 Güç Traosu için Dalgacık Tabanlı Fark Koruma Algoritması Wavelet Transorm Base Dierential Protection Algorithm or Power Transormer Merve TAN, Okan OZGONNL lektrik-lektronik Mühenisliği Bölümü Onokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun Özet İletim ve ağıtım hatları içine yer alan güç traolarının koruması önemli bir konuur. Bu amaçla yapılan birçok çalışmaa çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler arasına güvenirliği sebebiyle ark koruma yöntemi yaygın olarak kullanılan bir yöntemir. Yine e yöntemin göstermiş oluğu bazı yetersizlikler bu yöne çalışan bilim insanlarını bu yöntemi geliştirme yoluna itmiştir. Bu çalışmaa, algacık tabanlı ark koruma yöntemi için yeni bir bakış açısı geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Güç Traosu, Fark Koruma, Dalgacık Dönüşümü, Mıknatıslanma Akımı, İç Arıza. Abstract Protection o power transormers take part in transmission an istribution lines is an important issue. For the reason, there are many stuies which improve various methos on the subject. Among the methos, ierential protection metho is commonly use because o its reliability. On account o some challenging points in the metho, people who stuy on ierential protection, tries to improve the metho. This paper improves a new point o view to wavelet transorm base ierential protection algorithm or power transormers. Key Wors: Power Transormers, Dierential Protection, Wavelet Transorm, Inrush Current, Internal Faults. 1. Giriş İletim ve ağıtım sistemleri içine yer alan güç traoları, sistemin sürekliliği açısınan hayati öneme sahiptir. Güç traosuna oluşan bir arıza, sisteme uzun süre enerji verilememesine sebep olabilir. Ayrıca traonun onarım ve eğiştirme maliyetlerinin yüksek olması güç traosu korumasını aha a önemli hale getirmekteir. Dolayısıyla güç traoları, sürekli izlenmesi gereken ve arıza urumlarına hızlı koruma gerektiren evre elemanlarıır [1]. Güç sistemlerine oluşan arızaların %10 u güç traolarınan kaynaklanmaktaır; bunların a %70 i sargılar arası kısa evre arızalarıır [2]. 10MVA ve üzeri güçteki traoların korunmasına ark koruma yöntemi yaygın olarak kullanılır [3]. Fark koruma yöntemi, saece trao iç arızalarına evreye girer ve ış arızalara karşı a sistemin kararlılığını sağlar [4]. Böylelikle saece iç arıza urumlarına koruma sistemi tepki vererek, en küçük bölgenin etkilenmesi sağlanır, arıza ve enerji maliyetleri en aza inirgenmiş olur. Yine e trao ark koruma röleleri, traonun enerjilenirilmesinen kaynaklı mıknatıslanma akımı oluştuğu urumlara sanki arıza varmış gibi tepki vermeye yatkınır. Bu neenle mıknatıslanma akımı ile arıza akımı arasınaki ayrımın oğru yapılması çok önemliir [5]. Trao korumasına mıknatıslanma akımı ve arıza akımı arasınaki ayrımın oğru yapılabilmesi için birçok yöntem önerilmiştir. Bunlaran biri olan, hâlihazıra sayısal koruma röleleri içine kullanılan harmonik kısıtlar ve harmonik sınırlama yöntemlerine [6] a eğinilmiştir. Bu harmonik tabanlı yönteme ikinci harmonik ikkate alınır. Çünkü mıknatıslanma akımı sırasına ikinci harmonik temel harmoniğin yaklaşık %60 ına kaar ulaşmaktaır. Buraan yola çıkarak mıknatıslanma akımı ve iç arıza akımının birbirinen ayırt eilmesi üşünülür [7]. Bu yöntem çoğu mıknatıslanma akımı urumlarına oğru sonuç verirken bazı arıza urumlarına zayılık göstermekteir. Ayrıca yeni geliştirilen, mıknatıslanma anına ikinci harmoniği %60 tan üşük olan çekirek yapısına sahip traolar için uygun eğilir [8]. Son öneme yapılan çalışmalara trao ark koruma algoritması içine kullanılmak üzere işaret işleme ve yapay zekâ yöntemleri üzerine urulmuştur. İşaret işleme yöntemlerinen biri olan algacık önüşümü yöntemi ile bir traoa anlık oluşan urağan olmayan eğişimler izlenerek mıknatıslanma akımı ile iç arıza akımı ayırt eilebilmekteir. Bu çalışmaa algacık tabanlı ark koruma algoritması incelenmiştir. 2. Araçlar ve Yöntem 2.1. Fark Koruma İşlevi Fark koruma işlevi, traonun birincil ve ikincil yan akımlarının karşılaştırılması esasına ayanır. Bu işlem yapılırken birincil ve ikincil yan akımları arasına oluşan yük ve trao kaynaklı az arkı yok eilmeli ve önüştürme oranın etkisini e yok eecek işlemler yapılmalıır. Bu işlemler 48

2 2 eney sırasına kullanılan akım traolarının seçimiyle veya hesap sırasına oğru katsayıların seçimiyle sağlanabilir. Fark Koruma işlevine oluşturulan akımlar (1) ve (2) eki gibiir. i D i 1 i 2 i 1 + i i 2 2 (1) (2) (1) e ele eilen akım ark akımını (2) e ele eilen akım ise kısıtlama akımını iae etmekteir. Fark koruma algoritmasına göre bu akımlar karşılaştırılır, traonun niteliğine göre bir sınır katsayısı belirlenerek olağan çalışma, enerjilenme anı veya arıza urumuna anlık olarak karar verilebilir [9]. Bunun için röle içine çeşitli algoritmalar işlenir. Bu çalışmaa algacık önüşümü kullanılmıştır, algacık katsayılarınan enerji işareti üretilerek karar aşamasına geçilir. Böylelikle karar alma sağlanabilir. Bu işlev 87 stanarı olarak bilinir. Dalgacık katsayıları için oluşturuluğuna bu stanart 87W olarak alanırılır [10] Dalgacık Dönüşümü Zaman-rekans üzlemleri önüşüm yöntemleri arasına en çok bilinen Fourier Yöntemi urağan olmayan işaretlerin izlenmesi için uygun eğilir. Bunan olayı anlık işaret işlemek için arklı önüşüm yöntemlerine başvurulmuştur. Bu yöntemlere örnek olarak kısa zamanlı Fourier önüşümü ve ayrık algacık önüşümü verilebilir. Her iki yönteme e işaret bir önem boyunca pencere işlevi kullanılarak işlenir. Böylelikle urağan olmayan işaretler kolaylıkla incelenebilmekteir. Dalgacık önüşümünün kısa zamanlı Fourier önüşümünen (short time Fourier transorm- STFT) üstünlüğü çok çözümlü işlem yapabilmesiir. STFT için sabit bir rekans eğeri için tek çözümlü işlem yapılabilir [11]. Dalgacık önüşümü işlevini gerçekleştirmek için işlenecek işaretin ana algacık aileleri olarak alanırılan algacıkların yüksek ve alçak geçiren süzgeç özelliğineki bileşenleriyle katlanır; algacık ve ölçekleme katsayıları (3) ve (4) eki gibi ele eilir. w( k) s( k) L n 1 L n 1 h ( n) * x( k + n L) g ( n) * x( k + n L) (4) w(k), algacık katsayılarını, s(k) ölçekleme katsayılarını iae etmekteir. g (n) ve h (n) alçak ve yüksek geçiren süzgeçleri iae eer; L ise süzgeçlerin boyutunu temsil etmekteir [12]. Gerçek zamanlı analizlere urağan algacık önüşümü yöntemi olarak bilinen mowt ya a swt işlevi kullanılabilir. Bu işlev, ayrık zamanlı algacık önüşümü olan wt işlevinin aynısıır. Tek arkı, wt e yapılan örnek sayısını yarıya inirme kısmı mowt yapılmaığınan aha hızlı sonuç ele eilir, hesap yükü azaltılır. Bu neenle bu çalışmaa mowt kullanılmıştır. Son olarak a bir önem boyunca, algacık katsayıları ele eilmiş işaretin enerji işareti oluşturularak traonun urumu hakkına yorum yapılabilir. Bunun için (5) enklemi kullanılır. ε ( k) k n k Δ k x ( n) (3) (5) Buraa Δ k s yani bir önem boyunca alınan örnekleme aeini, k toplam örnekleme anınaki katsayıyı temsil eer. Ölçekleme ve algacık katsayıları için ayrı ayrı enerji işaretleri (6) enklemini oluşturur. ε ε + ε (6) ε :algacık katsayılarının enerjisi ε : Ölçekleme katsayılarının enerjisi Bu çalışmaa algacık katsayısı yani yüksek rekans işaretleri üzerine çalışılacaktır Yöntem Bu çalışmaa kullanılan iş akışı basamakları aşağıaki gibiir: Dalgacık tabanlı ark koruma yönteminin test eilmesi amacıyla Şekil 1'eki eney üzeneği kurulmuştur. Bu eney üzeneğinen her biri 2 saniyelik olan, normal çalışma, enerjilenme (mıknatıslanma akımı), iç arıza ve mıknatıslanma akımı ile birlikte iç arıza bilgisi içeren, toplama 70 aet örnek eney verisi ele eilmiştir. Şekil 1: Çalışmaa kullanılan eney üzeneği Deney sırasına ele eilen birincil ve ikincil yan akım örnekleri arasına, trao önüştürme oranı ve üç azlı traonun yılız üçgen bağlı olmasınan kaynaklı hem genlik hem e az arkı oluşmaktaır. Bu urumu giermek için bazı önüştürme işlemleri uygulanarak birincil ve ikincil yan akımları işlenebilir uruma getirilmiştir. Her bir örnek için birincil ve ikincil yan akımları kullanılarak ark ve kısıtlama akımlarını ele eebilmek için (1) ve (2) enklemlerinen yararlanılmıştır. Buraya kaar yapılan işlemler, normal çalışma ile iç arıza urumunu ayırt etmek için yeterliir; Ancak iç arıza ile mıknatıslanma akımını ayırt etmek için ark koruma yöntemi tek başına yeterli eğilir. Bu çalışmaa ark koruma yöntemini geliştirmek için algacık önüşümü kullanılmıştır. Dalgacık katsayıları ele eilirken mowt işlevinen yararlanılmıştır, ana algacık ailesi olarak a Daubechies(4) seçilmiştir. Dalgacık önüşümü yapılırken her bir örnek anlık olarak yüksek ve alçak rekans bileşenlerine ayrılır. Bunun için (3) ve (4) te gösterilen enklemler kullanılmıştır. Bu çalışmaa ark koruma işlevinin karar algoritmasını 49

3 3 oluşturmak için ele algacık önüşümü yapılarak ele eilen yüksek rekans bileşenleri(algacık katsayıları) kullanılmıştır. Şekil 2 e mıknatıslanma akımı için şekil 3 te arıza akımı için algacık katsayıları örnekleri görülmekteir. Şekil 4: A azı arıza ark ve kısıtlama akımlarının algacık katsayılarının enerjisi Şekil 2:A azı mıknatıslanma akımı algacık katsayıları Şekil 5:A azı mıknatıslanma akımı için ark ve kısıtlama akımlarının algacık katsayılarının enerji ağılımı Şekil 3:A azı iç arıza algacık katsayıları Karar aşamasına ark ve kısıtlama akımlarının algacık katsayıları karşılaştırılarak bir sonuca varılır. Bu karşılaştırma arklı şekillere yapılabilir. [13] te algacık katsayılarının enerji ağılımına bakılarak veya etkin eğerlerinen yararlanılarak yapılabileceği anlatılmıştır. Tabi bu aşamaa gerçek zamanlı uygulama yapabilmek için kayar pencere yöntemi kullanılır. Bu çalışmaa enerji ağılımı enerji ağılımı yapılmıştır. Denklem (5) yarımıyla ark ve kısıtlama akımlarının algacık katsayılarının enerji işaretleri ele eilmiştir. Kayar pencerenin genişliği için enklem (7) kullanılmıştır. Δk s (7) Buraa örnekleme rekansını, s sistem rekansını iae eer. Bu çalışmaa örnekleme rekansı 2000 Hz ve sistem rekansı 50 Hz oluğunan kayar pencere genişliği 40 örneği kapsar. Şekil 4 te örnek arıza verisi için, Şekil 5 te önek mıknatıslanma verisi için enerji ağılımları görülüyor. Bu çalışmaa kısıtlama akımının enerjisi ark akımının enerjisi olarak gösterilmiştir. Denklem (8) ark koruma işlevinin karar işleviir. i i + 0 k * i (8) Buraa i ark akımını, i kısıtlama akımını iae etmekteir. k ve i 0 a sırayla çalışma karakteristiğinin oranını ve rölenin çalışması için gereken asgari ark akımını iae etmekteir [14]. Bu çalışmaa i yerine, i yerine kullanılmıştır. Dolayısıyla için k katsayısı incelenmiştir. Normal çalışma örnekleri için k eğeri 1,5 eğerinin altına iken iç arıza mıknatıslanma akımı bilgileri içeren veriler 3,5 ile 5 arasına eğişkenlik göstermekteir. Bu urum Şekil 6 a görülmekteir. 50

4 4 ağılımı c. Fark akımı/kısıtlama akımı ( C nin örnekten örneğe eğişimi C ). Şekil 6: A azı birincil yan karakteristiğinen bir kesit Şekil 6 a mıknatıslanma akımını, birincil yan iç arızalarını, normal çalışma koşullarını temsil etmekteir. Şekile arıza ve mıknatıslanma akımları iç içe çıktığı için ayrım yapılamamaktaır. Dolayısıyla k katsayısı için belirlenemez. Ancak oranının anlık eğişimi gözlemleniğine saece iç arıza anına anlık bir sıçrama oluğu Şekil 7, Şekil 8 ve Şekil 9 un c bölümlerine görülmekteir. Şekil 9:İç arıza urumu verileri için a. Fark akımının algacık katsayılarının enerji ağılımı b. Kısıtlama akımının algacık katsayılarının enerji ağılımı c. Fark akımı/kısıtlama akımı ( C örnekten örneğe eğişimi ). C nin Denklem (9) ve enklem (10) e uyarlanmış k katsayısı görülmekteir. ( i) C( i) ( i) (9) k C( i) C( i 1) (10) Şekil 7:Normal çalışma verileri için a. Fark akımının algacık katsayılarının enerji ağılımı b. Kısıtlama akımının algacık katsayılarının enerji ağılımı c. Fark akımı/kısıtlama akımı ( C örnekten örneğe eğişimi ). C nin Çalışmaa kullanılan 70 aet veri inceleniğine (10) enkleminen ele eilen k katsayısının sınır eğeri bu çalışma için 0.67 seçilmiştir. Mıknatıslanma akımı bilgisi içeren nereeyse tüm anlık verilerin k katsayısının 0.67 eğerinin altına kalığı Şekil 10 a görülmekteir. Üstüneki eğerler ise mıknatıslanma akımı örnek verilerinin normal çalışma zamanına aittir. Dolayısıyla i ma seçilerek bu kusurlar gierilebilmekteir. Ayrıca iç arıza bilgisi içeren verilerin yalnızca iki tanesi algoritma taraınan yakalanamamıştır. Yakalanamayan bu iki örnek veri hem mıknatıslanma akımı hem e iç arıza akımı içermekteir; Ayrıca arıza akımı aşırı sönümlü oluğunan mıknatıslanma akımı içine gömülmüştür. Örneği şekil 11 e görülmekteir. Şekil 8:Mıknatıslanma akımı verileri için a. Fark akımının algacık katsayılarının enerji ağılımı b. Kısıtlama akımının algacık katsayılarının enerji Şekil 10:Mıknatıslanma akımı örneği içeren tüm verilere k katsayısının urumu 51

5 5 Şekil 11:Fark eilemeyen arıza birincil yan akımı 3. Sonuç ve Yorum Bu çalışmaa, trao koruması için yaygın olarak kullanılan ark koruma yöntemini güçlenirmek için, karar kısmına algacık önüşümü tabanlı yeni bir algoritma geliştirilmiştir. Bunun için laboratuvar ortamına ele eilen veriler kullanılmıştır. 70 aet 2 saniyelik verilere mıknatıslanma akımı, iç arıza, normal çalışma ve hem mıknatıslanma akımı hem e iç arıza bilgileri içeren birincil ve ikincil yan akım örnekleri bulunmaktaır. Örnek veriler gerekli önüştürmeler yapılarak iyileştirilikten sonra ark koruma algoritmasına uygun olarak ark ve kısıtlama akım bilgilerine önüştürülmüştür. Daha sonra a bu bilgiler algacık önüşümü yarımıyla ölçekleme ve algacık katsayılarına ayrılmıştır. Dalgacık katsayılarınan yararlanarak anlık enerji ağılımları gözlemlenmiştir. Fark koruma algoritmasına uygun olarak k katsayısı 0.67 seçilmiş ve yöntemin başarımı yalnızca 2 aet çok sönümlü iç arızayı kaçırması sebebiyle %97 olarak belirlenmiştir. Yöntem iğer algacık önüşümü uygulamalarınan mowt kullanılarak oluşturuluğu için aha hızlı sonuç vermekteir. Ayrıca yaygın olarak kullanılan harmonik tabanlı yönteme göre herhangi bir sınırlama getirmeiğinen başarımı aha yüksektir. [6] K. Behrent, N. Fischer, an C. Labuschagne, Consierations or using harmonic blocking an harmonic restraint techniques on transormer ierential relays, Journal o eliable Power, vol. 2, no. 3, pp ,2011. [7] K. Bakırcıoğlu, Dieransiyel Koruma, lektrik Mühenisliği 214, UDK: [8] A. Guzman, S. Zocholl, G. Benmouyal, an H. Altuve, Correction to a current-base solution or transormer ierential protection-part ii: relay escription an evaluation, Power Delivery, I Transaction son, vol. 18, no. 2, pp , [9] S. Horowitz an A. Phake, Power System elaying. Wiley,2008.[Online]. Available: QAAQBAJ&printsec [10] A. Phake an J. Thorp, Computer elaying or Power Systems, Wiley,2009. [11] F. Jurao an J.. Saenz, Comparison between iscrete stt an wavelets or the analysis o power quality events, I Trans. Power Del., vol. 17, no. 3, pp , Jul [12] F.B.Costa, B.A.Souza, N.S.D.Brito, eal-time Detection o Voltage Sags Base on Wavelet Transorm, 2010 I/PS Transmission an Distribution Conerence an xposition: Latin America, /10/$ I [13] F. B. Costa an J. Driesen, Assessment o voltage sag inices base on scaling an wavelet coeicient energy analysis, I Trans. Power Del., vol. 28, no. 1, pp , Jan [14]. P. Meeiros, F. B. Costa, an J. F. Fernanes, Dierential protection o power transormers using the wavelet transorm, I PS Gen. Meeting, Kaynaklar [1] D. Barbosa, U. Netto, D. Coury, an M. Oleskovicz, Power transormer ierential protection base on clarke s transorm an uzzy systems, Power Delivery, I Transactions on, vol. 26, no. 2, pp ,2011. [2] J. Blackburn an T. Domin, Protective elaying: Principles an Applications Thir ition. Taylor & Francis, [3] Ieee guie or protecting power transormers, I St C (evision o I St C ), pp , May [4] O. Ozgonenel, S. Karagol, Transormer ierential protection using wavelet transorm, lectric Power Systems esearch 114 (2014) [5]. P. Meeiros, F. B. Costa, K. M. Silva, Power Transormer Dierential Protection Using the Bounary Discrete Wavelet Transorm, Transactions on Power Delivery, DOI /TPWD , I 52