Akıllı Şebekeler: Yeni Uygulamalar ve İleriye Dönük Düşünceler

Ali Abur Northeastern Üniversitesi

Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Boston, MA, A.B.D. abur@ece.neu.edu

TMMOB Akıllı Şebekeler

Sempozyumu Ankara, Türkiye

26-27 Nisan 2013

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

Tahmini Enerji Kullanımı (2008)

2013 / Ali Abur

Geleneksel Şebekeler

2013 / Ali Abur

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’’

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

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.

2013 / Ali Abur

A.B.D Örneği

• 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.

http://www.eia.doe.gov/cneaf/solar.renewables/ilands/fig12.html

Rüzgar

Güneş

Nüfus Dağılımı

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

Şebekelerin Temel Kısıtlamaları

• Üretim yükü sürekli olarak izlemek zorunda • Kurulu kapasite > yükün en yüksek değeri

2013 / Ali Abur

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

Çözümler

2013 / Ali Abur

Yük Kapasite Oranı (YKO)

Ü𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑇𝑟𝑇𝑇 𝐸𝑟𝑟𝑟𝐸𝑟 𝑘𝑘𝑘𝑇𝑇𝑟Ş𝑟𝑒𝑟𝑘𝑟 𝐾𝑇𝑇𝑇𝑘𝑟𝑟𝑟𝑘𝑟 𝑘𝑘 ∗İş𝑟𝑟𝑟𝑟𝑇 𝑘𝑠𝑟𝑟𝑘𝑟 (𝑘𝑇𝑇𝑟)

AMAÇ : ORANI BİRE YAKINLAŞTIRMAK

2013 / Ali Abur

Yük Kapasite Oranı

Gerekli kurulu güç kapasitesi

Saat

Güç

SABAH ÖĞLEN ÖĞLEDEN SONRA GECE

Basit Örnek 14/20 = 0.7

2013 / Ali Abur

Günlük Yük Dağılımı

Gerekli kurulu güç kapasitesi

Saat

Güç

SABAH ÖĞLEN ÖĞLEDEN SONRA GECE

Basit Örnek: Yük kaydırmayla kapasite düşürümü

2013 / Ali Abur

Günlük Yük Dağılımı

Gerekli kurulu güç kapasitesi

Saat

Güç

SABAH ÖĞLEN ÖĞLEDEN SONRA GECE

AKILLI YKO YÜKSELTİLMESİ

2013 / Ali Abur

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

Çözümler

2013 / Ali Abur

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

Çözümler

2013 / Ali Abur

(PEV) Plug-in Electric Vehicles – Şebekeye Bağlanan Elektrikli araçlar: • [Sorun] Yüksek Şarj Talebi • [Fırsat] Mobil (yer değiştirebilen) ve dağınık

düzen enerji depolaması

Çözümler

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

Alternatif Enerji Kullanım Örneği

2013 / Ali Abur

FACTS ( Flexible ac Transmission System ) • Aktif, reaktif güç ve voltaj kontrolü • Şebekenin dinamik kontrolü • Cihazların birbirleriyle olan ters

etkileşimlerinin önlenmesi veya minimize edilmesi

Akıllı Şebekelerde Yeni Cihazlar

2013 / Ali Abur

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

Akıllı Şebekelerde Yeni Cihazlar

2013 / Ali Abur

• Bilgi ve iletişim: – 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.

Yardımcı Teknolojiler

2013 / Ali Abur

• 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.

Yardımcı Teknolojiler

2013 / Ali Abur

• Dağıtım otomasyonu: – Gelişmiş teşhis ve restorasyon metodları. Arıza tipi

ve yerinin tahmini ve arızanın zamanında giderilmesi, yükün hızlı restorasyonu.

• Güç elektroniği: – Çok ve çeşitli kontrol (aktif / reaktif güç, voltaj, faz

açısı) olanakları sağlar. – Özellikle yenilenebilen güç kaynaklarının şebekeye

bağlanmalarında kolaylık ve verimlilik sağlar.

Yardımcı Teknolojiler

2013 / Ali Abur

İletim şebekelerinin çalışma durumları

RESTORASYON DURUMU

KISMİ veya TOPTAN KESİNTİ

GÜVENLİ veya

GÜVENSİZ

LİMİTLER AŞILMIŞ

ACİL DURUM

NORMAL DURUM

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

İletişim Altyapısı SCADA / EMS

SCADA Arayüzü

RTU RTU IED IED RTU

İzlenen Cihazlar

İletişim Ağı

Yerel Bölge Ağları

Trafo Merkezi

Kontrol Merkezi PLANLAMA

ve ANALİZ

FONKSİYONLARI

ENERJİ YÖNETİM SİSTEMLERİ

(EMS)

Yerel Bölge Ağları

2013 / Ali Abur

• 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

Senkronize Fazör Ölçümü Synchronized Phasor Measurement Units (PMU)

2013 / Ali Abur

Senkronize Fazör Ölçümü - PMU

DALGA ÜZERİNDE NOKTALAR

2013 / Ali Abur

Senkronize Fazör Uygulamaları

Araştırmacılar: • Otomatik RAS* alarmları • OOS (out-of-step) koruma sistemi • Kısa/Uzun dönem kararlılık kontrolu • FACTS geri-besleme (feedback) kontrolu Planlamacılar: • Arıza (sonrası) analizi • Model doğrulama • Fazör ağı performans denetimi • Ölçüm kalitesi • Yeni geliştirilen yazılımların testi

Güvenilirlik Koordinatörleri: • Durum tesbiti • Frekans kararsızlığı ve sistemin

adalara ayrılmasının tesbiti 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) 2013 / Ali Abur

PMU Ölçümlerinin Paylaşımı

Secure Network

Apps

Source: NASPI

2013 / Ali Abur

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

2013 / Ali Abur

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

Yeni “akıllı şebeke” ortamı: Hiyerarşik DT

2013 / Ali Abur

Akıllı Trafo merkezlerinde SCADA sistemleri: IEC 61850 Standard Donanım

Process bus

Switchgear CT/VT

Switch

Process bus

Gateway

Kontrol Merkezi

Uygulama Yazılımlar

Ofis Çalışmaları

Bay controller IED IED PMU IED

Switchgear CT/VT

Station bus

2013 / Ali Abur

– 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)

Trafo merkezlerinde alınan ölçümler

2013 / Ali Abur

İki seviyeli durum tahmini

İletim şebekesi kontrol merkezi

Trafo merkezi - Lineer model - IED ve PMU verilerinin kullanımı - Yerel filtreler - Topolojik hataların yerel teşhisi

Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller

2013 / Ali Abur

İki seviyeli durum tahmini

İletim şebekesi kontrol merkezi

Trafo merkezi

Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller

- Eski DT yazılımı kolayca adapte edilir - Injeksiyon ölçümlerinin çoğunluğu

kullanılmaz - Hesaplama yükünde düşüş - Düşük iletişim band genişliği

2013 / Ali Abur

• Örnek: Trafo merkezi

Yerel olarak gözlemlenemeyen trafo merkezi (ölçümler bir üst seviyeye gönderilir)

(Q için de aynısı)

=

21

23

2

21

23

111001

PP

PPP

=

31

32

31

32

3

3

3

1001100111

PP

PPPPP

cb

ca

3

3

3

3

111

VVVV

c

b

a

=

Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller

2013 / Ali Abur

• Örnek: Kontrol merkezi

21 yerine 11 ölçüm merkezi olarak işlenir !

××××××

××××

×××××××

××××××

×××××××××××

=

3

2

1

3

2

12

21

23

3

31

32

12

21

23

31

32

0000

010000

000

0000

000

0

VVV

QQQVQQPPPPP

θθ

Hiyerarşik Durum Tahmini: Lineer ve non-lineer modeller

2013 / Ali Abur

Matematiksel Model

r

xhxh

xhxhxh

zz

zzz

I

I

V

trad

I

I

V

trad

+

=

)()(

)()()(

)Im(

)Re(

)Im(

)Re(

θθ

voltage magnitudemeasurements

voltage anglemeasurements

current real part measurements

current imaginary part measurements

rxhztoSubjectWrrxJMinimize T

+==

)()(

Senkro-fazörler PMU larla durum tahmini

2013 / Ali Abur

DirekZRHRHX

eXHZÖlçümleriFazör

İteratifZRHRHX

eXhZÖlçümleriSCADA

T

T

111

111

)(ˆ

)(ˆ)(_

−−−

−−−

=

+⋅=

∆=∆

+=

Senkro-fazörler Problem çözümüne etkisi

2013 / Ali Abur

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.

Senkro-fazörler Referans PMU nun seçimi

2013 / Ali Abur

• 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

Senkro-Fazörler Yeni Formulasyon

2013 / Ali Abur

• İzlenebilir bölgelerde herhangi bir baraya PMU yerleştirilebilir.

• Pseudo-ölçümler ancak bölge sınırlarında olurlarsa izlenebilir bölgeleri birleştirebilirler.

Senkro-fazörler Avantajları

2013 / Ali Abur

),,(),,( 2121 ppxJppxJ ′′′=

k lkl

kl

Px

θ θ−=

lm

mllm x

P′−′

=θθ

' 'kl k l

kl k l

xx

θ θθ θ−

=−

' 'lm l m

lm l m

xx

θ θθ θ−

=−

l mlm

lm

Px

θ θ−=

kl

lkkl x

P′

′−=

θθ

Senkro-fazörler Çok çözümlü durumlar

2013 / Ali Abur

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.

İzleme ve Durum Tahmini İletişim, Kontrol ve Komut

Bilgi İşlem

Bölgesel Şebeke Operatörü

Küresel Konumlandırma

Uydusu

2013 / Ali Abur

İletim Şebekesi Şebekenin Geniş Alanlı Kontrolu

Ölçüm ve Tahmin

İletişim

Teknoloji / Cihaz

İletişim

FDR PMU

Depolama

HVDC

Rüzgar Türbinleri

FACTS

Güneş Enerjisi

Duyarlı Yük

Akıllı Şebekelerin İşletme Vizyonu

2013 / Ali Abur

– 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

Günümüz Şebekesi

2013 / Ali Abur

– 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

ABD Enerji Bakanlığı: “2030 ŞEBEKESİ” VİZYONU

Ana Şebeke (Belkemiği), Bölgesel Şebekelerarası Bağlar,

Yerel Dağıtım, Mini- and Mikro-Şebekeler

Geleceğin Şebekeleri

2013 / Ali Abur

• 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

SONUÇLAR ve DÜŞÜNCELER

2013 / Ali Abur