Güç Sistemleri Frekans Dinamikleri İzleme Sistemi Tasarımı ve Uygulamaları Mehmet Emre TERZİ 1 Yiğit KAHVECİ 2 1 Mehmet Emre TERZİ 2 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği 2 Yiğit KAHVECİ 3 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Özet 1 emre.terzi@aslancikelektrik.com.tr Son zamanlarda ülkemizde ve dünyada yaşanan büyük ölçekli Sistem Çökmeleri güç sistemlerinin güvenlik ve istikrardan uzak olduğunu göstermiştir. Gerek olay esnasında gerekse olay sonrasında sistemin çökmesine sebep olan durumların analizinde bilgi eksikliği en önemli etken olarak ortaya çıkmıştır. Elektrik Güç Sistemlerinin en önemli parametrelerinden birisi frekans parametreleridir. Güç sistemi dinamiklerini doğru ve etkin değerlendirebilmek için geniş bölge frekans dinamiklerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışma ile frekans dinamikleri etkin bir şekilde takip edilmiş, uygun formatta veritabanına kaydedilmiş ve yorumlanmıştır. 1. Giriş Teknolojinin, sanayinin gelişmesiyle beraber enerjiye olan talep artmaktadır. Son dönemlerde bu artış hızlanarak devam etmektedir. Bu durum enerji üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinin önemini arttırmaktadır. Enerji üretildikten sonra tüketicilere güvenilir bir şekilde ulaştırılması için çeşitli dağıtım şekilleri kullanılmaktadır. Dağıtım şekillerinden en çok tercih edileni enterkonnekte şebekedir. Enterkonnekte sistemi, bir ülkenin tamamının ya da belirli bölgelerinin elektrik enerji gereksinimlerini karşılayabilecek bir biçimde üretim ile tüketim merkezleri arasındaki enerji alışverişini sağlayan enerji taşıma sistemidir. Bu tip şebekelerde, o bölgedeki bütün elektrik üretim ve tüketim araçları büyük küçük ayrımı yapılmaksızın sisteme dahil edilmektedir. Bütün sistem üretimden tüketime kadar birbiriyle bağlantılı olduğu için, sistemde meydana gelen bütün olaylar sistemin genelinde bir takım etkilere sebep olmaktadır. Frekans dinamikleri yorumlanarak, sistemde meydana gelen bu değişimler ile olayın analizi etkin bir şekilde yapılabilmektedir. Elektrik Güç Sistemleri oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Anlık olarak üretilen ve tüketilen enerji değişmektedir. Arz talep sürekli değiştiğinden 2 yigit.kahveci@ktu.edu.tr enterkonnekte şebekede frekans dalgalanmaları meydana gelmektedir. Arz talep dengesinin sağlanamaması durumunda meydana gelen frekans dalgalanması, üretim santrallerinde ünitelerin devreden çıkmasına, belli bir bölgenin enerjisiz kalmasına ya da sistemin tamamen çökmesine sebep olabilir. 1.1. Güç Sistemlerindeki Bozukluklar Güç Sistemlerinde meydana gelen bozukluklar Generatör Çıkması (Generator Trip) Yük Atması (Load Shedding) Sistem Çökmesi (Blackout) Olmak üzere 3 temel bozukluktan oluşmaktadır. Üretimde olan santrallerin, ünitelerinin zarar görmemesi için kullandığı koruma röleleri mevcuttur. Bu koruma röleleri aktif olduğu zaman üniteler acil kapamaya gider. Bu olaya Generatör Çıkması (Generator Trip) denir. Aynı durum yüksek gerilim hatlarında da meydana gelebilmektedir. Hatlarda aşırı yüklenme gibi durumlar olduğunda kesiler açabilir ve sistem yük atabilir. Bu olaya Yük Atması (Load Shedding) denir. Sistemin kendini toparlayamaması durumunda enterkonnekte şebeke tamamen çökebilir. 31.03.2015 tarihinde ülkemizde bu olayın bir örneği yaşanmıştır. Bu olayda Sistem Çökmesi (Blackout) olarak adlandırılır. 2. Geniş Bölge İzleme Sistemi Türkiye enterkonnekte şebekesini izlemek ve analiz etmek için Ülkemizde Geniş Bölge İzleme Sistemi kurulması planlanmaktadır. Sistem; FDR Cihazları, Windows Yazılımı ve Algoritmalardan oluşmaktadır. 328
2.1. FDR Cihazı Şekil 2: Gelen paket bilgi Şekil 1: FDR Mimarisi FDR NO: Gelen bilgi paketinin hangi cihazdan ve buna bağlı olarak hangi lokasyondan geldiği bilgisinin yorumlanmasında kullanılan cihaz numarasıdır. Bu değer FDR cihazı imal edilirken belirlenmektedir. Frekans Disturbance Recorder(FDR), GPS ile senkronize edilmiş çıkışı 120 V olan tek fazlı bir faz ölçüm ünitesidir. Çıkış geriliminin tipik 3-faz faz ölçüm ünitesinden daha düşük tutulmasının sebebi uygulanmasının nispeten ucuz ve basit olmasıdır. FDR, analog-digital dönüştürücü yardımıyla çıkışın voltaj sinyalini ölçekli bir biçimde çok hızlı ( saniyede 1440 kere ) örneklenmesiyle çalışır. Her bir numune için voltaj sinyalinin anlık faz açısı kart üzerindeki sayısal işaret işleyicide hesaplanır. Daha sonra cihaz 100ms aralıklarla faz açısını, frekansı ve gerilimin genliğini hesaplar. Bu bilgiler sunucuya iletilip burada işlenip depo edilir. Frekans ölçümleri doğruluğu ± 0.0005 Hz olan FDR ile belirlenir.[1] Bir FDR nin yalnızca güç çıkışı, ethernet portu ve gökyüzünden bir görüntüye ( GPS anteni için ) ihtiyacı vardır. Bu tarz FDR ler trafo, ofis hatta özel konutlar dahil olmak üzere her yerde kullanılabilir. 2.2. Windows Yazılımı Frequency Disturbance Recorder cihazı, yönlendirilmiş IP adreslerine bağlı olduğu şebekenin frekans dinamiklerini, paket halinde yollamaktadır. Bu paketlerin geldiği portu dinleyerek, paketteki verileri anlamlı bir şekilde ayırarak depolama işlemi C# ile kodlanmış Windows yazılımı ile sağlanmaktadır. TARİH: Gelen bilgi paketinin hangi tarihte geldiği bilgisini vermektedir. Tarih AAGGYY formatında gelmektedir. SAAT: Gelen bilgi paketinin ne zaman geldiği bilgisini vermektedir. Bu bilgi lokasyondan bağımsız olarak Eş Güdümlü Evrensel Zaman (UTC) baz alınarak gönderilmektedir. FRAME: FDR cihazı saniyede 10 paket göndermektedir. Frame bilgisi, gelen paketin hangi örneklemeye ait olduğu bilgisini vermektedir. FREKANS: Bir saniyedeki periyot sayısına frekans denir. Ülkemizde AC şebekede sinüzoidal dalganın bir periyodunu tamamlaması 20ms sürmektedir. Bu duruma göre şebekemizde bir saniyedeki periyot sayısı 50 olarak hesaplanmaktadır. Frekansın birimi Hertz dir. GERİLİM: Ülkemizde şebeke gerilimi idealde 220 V tur. Uygulamada 220V civarında değişkenlik göstermektedir. Gelen pakette şebekenin gerilim bilgisini göstermektedir. FAZ FARKI: İdeal de gerilim ile akım arasında faz farkı sıfırdır. Fakat uygulamada endüktif ve kapasitif yüklerden dolayı akım ve gerilim arasında faz farkı oluşmaktadır. Gelen pakette gerilim ile akım arasındaki faz farkını göstermektedir. 329
Yazılım FDR cihazının gönderdiği bu bilgileri uygun formatta MSSQL veritabanına kaydetmektedir. 2.3. Algoritmalar ve Yazılım Güç istemlerindeki bozuklukların tespiti için veritabanında kayıtlı bulunan ve anlık olarak alınmaya devam eden verilerdeki değişimler kullanılmaktadır. Normal şartlar altında devreden çıkan üniteler saniyede 0.25 ile 0.40MW arasında yük atmaktadır. Aslancık HES ten alınan grafiklerde 60MW lık ünitenin devreden çıkması için geçen zamanın 196sn olduğu gözlemlenmiştir. Santral olağan durumda devreden çıkarken saniyede 0.36MW güç atmaktadır. Şekil 3: MSSQL Veritabanı Veritabanı içerisinde her bölge için ayrı tablo bulunmaktadır. Bu sayede farklı bölgelerden gelen verilerin birbiriyle karışması engellenmiş ve daha istikrarlı bir sistem kurulmuştur. Şekil 5: Aslancık HES Olağan Yük Atma Grafiği Saniyede gelen veri sayısı 10 dur. Şebeke sisteminde meydana gelen olaylar sonucunda sistemin kendini istikrarlı hale getirmesi, geçmişteki örneklerin incelenmesi sonucunda 30sn olarak belirlenmiştir. Bu sebeple 30sn lik çerçeveler halinde sistemin frekans dinamiklerinin incelenmesi olayların yakalanması için idealdir. 30 saniyede elde edilen örnek sayısı; 30 Frame = 30 10 = 300 (1) Şekil 4: MSSQL Veritabanındaki Tablolar 330
f ortalama = yy(1)+yy(2)+ +yy(n) n (2) Yapılan çalışmada, ele alınan çerçevedeki frekans değerlerinin en büyüğü(f maks ), en küçüğü(f min ) ve f ortalama değerlerinin kullanılarak elde edildiği K gbi katsayısı kullanılmaktadır. Şekil 6: 30 saniyelik çerçeve grafiği K gbi = (f maks f min ) f ortalama (3) Şebekenin frekans değerinin doğrudan kullanılması uygun değildir. Şebekede sürekli dalgalanmalar olduğu için doğrusallaştırma yöntemlerinin uygulanması gerekmektedir. Veriye ilk olarak hareketli ortalama filtresi uygulanmaktadır. yy(1) = y(1) yy(2) = (y(1) + y(2) + y(3))/3 yy(3) = (y(1) + y(2) + y(3) + y(4) + y(5))/5 yy(4) = (y(2) + y(3) + y(4) + y(5) + y(6))/5... K gbi katsayısı çerçevedeki frekans değişiminin ortalama üzerindeki etkisini göstermektedir. Frekans değişiminin maksimum 0.1 olması beklenmektedir. Ülkemizde şebeke frekansımız 50Hz dir. Bu sebeple maksimum K gbi katsayı değeri; K gbi maks = 0.1 50 = 5 (4) olmalıdır. 25 Şubat 2012 tarihinde 1468MW lık yük atması olayında, frekansta meydana gelen dalgalanma incelendiğinde sistemin başarılı bir şekilde olayı yakaladığı gözlemlenmiştir. Şekil 7: Hareketli ortalama filtre ile doğrusallaştırılmış veri Frekans dinamiklerinin daha etkin kullanılabilmesi için doğrusallaştırılmış halleri kullanılmıştır. 30 saniyelik çerçeve her veri geldiğinde yazılım tarafından incelenmeye alınmaktadır. Çerçevenin içerisindeki frekans değerlerinin ortalamasına göre çerçevedeki diğer frekans değerleri değerlendirilmektedir. Şekil 8: 25.02.2012 1468MW Yük Atması Olayı İncelemesi 331
Generatör devreden çıktığı zaman frekans değerinde düşme meydana gelmektedir. Yük atmasında ise tam tersi yaşanır ve frekans değerinde yükselme meydana gelir. Olayın yakalanmasından sonra türünün tespiti için bu bilgiler doğrultusunda, çerçevenin içerisindeki frekans değerlerinin ortalaması ile son değerinin kıyaslaması yapılır. Generatör devreden çıktığı zaman frekans ani olarak düşer. Bu sebeple K gbi katsayısı belirlenen sınırın üstüne çıktığı andaki çerçevede son değer, ortalama değerden büyük olur. Yük atması durumunda ise bunun tam tersi olur. olarak olay tespit edilir. Bu çalışmalar neticesinde Geniş Bölge İzleme yazılımı hazırlanmıştır. Okunan verilerin depolanması, işlenmesi ve yorumlanması işlemleri hazırlanan bu yazılım ile yapılmaktadır. Şekil 11: Geniş Bölge İzleme Yazılımı Şekil 9: Yük Atması Olayına Frekansın Tepkisi[2] Şekil 10: Generatör Çıkması Olayına Frekansın Tepkisi [3] 3. Sonuçlar Yapılan araştırmalar sonucunda elde edilen hesaplamalar, algoritmalar ve tespitler sonucunda enerjinin üretiminden tüketimine kadar bütün aşamalarında meydana gelen aksaklıkların tespiti için yeni bir bakış açısı getirilmiştir. Bu yeni bakış açısı Microsoft Visual Studio ile C# programlama dilinde hazırlanan yazılıma entegre edilmiştir. Ülkemizin bir çok noktasına Geniş Bölge İzleme Sistemi nin kurulması ve merkez ile haberleştirilerek, ülkemizin enterkonnekte şebekesinin merkezden takip edilmesi planlanmaktadır. Ülkemizin enterkonnekte şebekesinin analizini yapar duruma gelmek planlanmaktadır. Çalışmanın sonraki adımı, tespit edilen olayların konumunun tespitidir. Meydana gelen olayların hangi üretim santralinde ya da hangi dağıtım hattında meydana geldiğini tespit etmektir. 4. Kaynaklar [1] Zhian Zhong, "Power Systems Frequency Dynamic Monitoring System Design" 2015. [2] https://www.youtube.com/watch?v=hxb1yhjodc8 Yukarıdaki grafiklerde de görüldüğü gibi olayın meydana geldiği çerçevede; [3] https://www.youtube.com/watch?v=_fpohwunu5k f n >f ortalama Generatör Çıkması (Generator Trip) f n <f ortalama Yük Atması (Load Shedding) 332