akıllı enerji şebekeleri ve güç sistemleri - TOK2013

Transkript

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK2013, 26-28 Eylül 2013, Malatya
AKILLI ENERJİ ŞEBEKELERİ
VE GÜÇ SİSTEMLERİ
1
Hiyerarşik Kontrol ile Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarımı
B. Baykant Alagöz 1, Cemal Keleş 1, Asım Kaygusuz 1, Yusuf Kaplan 1, Abdulkerim Karabiber 1
1
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
İnönü Üniversitesi, Malatya
[email protected]
DC dağıtım ve yönetim sistemlerinin en temel elemanı
DC/DC dönüştürücülerdir [19]. DC/DC dönüştürücüler,
sistemde DC gerilim seviyelerini farklı DC gerilim
seviyelerine dönüştürülmesini sağlayan elemanlardır. DC
dağıtım hatlarında kullanılan DC/DC dönüştürücüler, AC
enerji hatlarında kullanılan transformatörler gibidir. DC/DC
dönüştürücülerin gerilim kararlılıklarının yüksek olması ve
gerilim seviyelerinin yönetilebilir olması, akıllı enerji dağıtım
mimarileri için çok önemlidir. Literatürde DC/DC dönüşümü
için düşürücü (buck) [20,21] ve yükseltici (boost) [22] olmak
üzere iki tip temel çevirici yapısı söz konusudur. Pratikte
düşürücü-yükseltici (buck-boost), flyback [23], forward
çeviriciler, yarım köprü çevirici ve tam köprü çeviriciler
kullanılmaktadır. Flyback tipi DC/DC dönüştürücülerde, önce
AC gerilime dönüşüm sağlanır, sonra transformatör yardımı
ile istenen gerilim seviyesi elde edilir. Düşürücü ve yükseltici
tip DC/DC dönüştürücülerin çalışması ise anahtarlama
(switched mode) tekniğine dayanır. Burada giriş gerilimi
Darbe Genişliği Modülasyonlu (DGM) işaret yardımı ile
kıyılır (chopping) ve istenen gerilim düzeyi bir kapasitif
elemen üzerinde oluşturulur. DC/DC dönüştürücülerin gerilim
kararlılığını iyileştirmek için PID (Proportional-IntegralDerivative) kontrolör veya kayan mod kontrolör (Sliding
Mode Control) önerilmiştir [20].
Çok kaynaklı yenilenebilir enerji sistemlerinde enerji
yönetimi
için
hiyerarşik
kontrol
stratejilerinin
uygulanabileceği gösterilmiştir [24]. Katmanlı kontrol
mimarisi ile farklı üretim karakteristiklerine sahip
kaynaklardan gelen enerjilerin farklı yük tiplerine en uygun
şekilde transfer edilebileceği görülmüştür. Böylece, karma
enerji sistemlerinin akıllı yönetimi sağlanabilmiştir [24, 25].
Bu çalışmada, düşürücü tip DC/DC dönüştürücünün daha
akıllı ve yönetilebilir bir güç sistemi bileşenine dönüşmesi için
maksimum güç sınırlaması kontrolü önerilmiştir. Bu amaçla,
hiyerarşik (çok katmanlı) bir kontrol mimarisi kullanılmıştır.
Alt katmanda, darbe genişliği modülatörünü kontrol eden PI
kontrolör yardımı ile çıkışta DC gerilim kararlılığı
sağlanırken, üst katmanda, maksimum güç sınırlaması
kontrolü modifiye edilmiş sigmoid fonksiyonu ile
gerçekleştirilmiştir. PI kontrolör pratik uygulama kolaylığı ve
yeterli derecede gerilim kararlılığı sağlaması nedeni ile tercih
edilmiştir. PI tabanlı alt kontrol katmanının üst katman
tarafından yönetimi ile DC/DC dönüştürücünün akım-gerilim
karakteristiğinin sigmoid fonksiyonuna uygun sürülmesi
sağlanmıştır. Böylece, DC/DC dönüştürücü çıkış gücü için bir
tepe gücü noktası regülasyonu söz konusu olmuştur ve
sistemin DC/DC güç sürücüsüne dönüşümü sağlanmıştır.
Önerilen DC/DC sürücü ile yükün çekebileceği maksimum
güç, kontrol edilebilir bir tepe gücü ile sınırlanır. Tepe gücü
noktasının yönetimi ile DC/DC sürücülerin bağlı olduğu
sistemlerde güç akışının daha güvenli ve kontrol edilebilir
Özetçe
Günümüzde yarı iletken güç elektroniği elemanlarında
sağlanan gelişmeler ile birlikte DC güç sistemleri daha yaygın
kullanım alanı bulmuştur. DC/DC dönüştürücüler, DC güç
sistemlerinin temel bileşeni durumundadır ve DC güç dağıtım
sistemlerinde, gerilim regülasyonunda önemli role sahiptirler.
Bu çalışmada, DC/DC dönüştürücülerin katmanlı kontrol
yöntemi ile anlık maksimum çıkış gücü sınırlaması kontrolü
sağlayan güç sürücülerine dönüşmesi sağlanmıştır. Geliştirilen
güç regülasyonlu DC/DC sürücüler, yükün çekebileceği gücü
bir üst limitin altında tutarak sistemde güç dağıtımını daha
emniyetli ve kontrol edilebilir duruma getirir. Önerilen güç
sürücüsü ile inşa edilen elektrikli araç DC güç dağıtım sistemi
uygulaması, Matlab/Simulink benzetimi yardımı ile
incelenmiştir. Benzetim sonucunda, DC/DC sürücülerin
elektrikli araçlar için batarya çıkışı güç enjeksiyonu
yönetimine imkân sağladığı görülmüştür. Aşırı güç çekimine
yol açan arıza durumlarında, sistemin korunmasına imkan
vermesi itibarı ile aracın enerji verimliliğini ve güvenliğini
artırabileceği görülmüştür.
1. Giriş
Günümüzde tüketici elektroniği, otomasyon sistemleri,
elektrikli ulaşım araçları gibi birçok sistem DC güce ihtiyaç
duymaktadır. Yarı iletken güç elektroniği elemanlarında
sağlanan gelişmeler sonucunda DC güç dağıtım sistemleri
yaygınlaşmaya başlamıştır. DC güç dağıtım ve depolama
sistemlerinin avantajları göz önüne alındığı zaman, gelecekte
güç dağıtımı ve yönetiminin büyük oranda DC sistemler ile
sağlanacağı öngörülebilmektedir. Günümüzde DC enerjinin
dağıtımı ve yönetimi, uzun mesafe elektrik enerji iletiminde
[1,2], fabrikalarda ve evlerde [3-5], gemilerde [6-8], elektrikli
araçlarda [9,10] kullanım alanı bulmuştur. Geleceğin akıllı
şebeke mimarilerinde DC dağıtım hatların (DC Bus)
bulunması muhtemeldir [11,12].
DC güç dağıtımı birçok avantaja sahiptir [13].
Elektromanyetik salınıma yol açmaması nedeni ile canlılar için
daha sağlıklıdır. Elektronik cihazlar açısından elektromanyetik
uyumluluğu (Electromagnetic Compatibility) [14] daha
yüksektir. Bu nedenle, güç hatları üzerinden haberleşme
uygulamaları için uygun bir iletim kanalı sağlar [15]. AC
sistemlerde harmonik ve reaktif güç kontrolü [16] önemli bir
sorun iken DC güç dağıtımında bu tür problemler mevcut
değildir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının (Güneş panelleri,
rüzgâr türbinleri) DC entegrasyonu daha kolaydır [17]. DC
tabanlı güç sistemlerinde, modern enerji depolama
sistemlerinin (bataryalar, yakıt hücreleri) kullanımı daha
verimlidir [18].
2
olması sağlanır. Örnek uygulama olarak, önerilen DC/DC
sürücülerin elektrikli araçlarda batarya güç dağıtımı yönetimi
uygulaması gösterilmiştir. Bu amaçla, Matlab/Simulink güç
sistemleri benzetimi kullanılmıştır. Simulink benzetimlerinde,
DC/DC sürücüler ile tasarlanan DC güç dağıtım mimarisinde,
yüksek enerjili batarya çıkışından araç bileşenlerine enjekte
olan gücün yönetimi incelenmiştir. Benzetimlerde, elektrikli
araç güç sistemlerinde, hem enerji verimliliğinin hem de
sistem güvenliğinin artırılabileceği görülmüştür.
limt →∞ e(t ) = limt →∞ ( Fg (t ) − VL (t )) → 0 sağlanır ve Denklem
(2) uyarınca çıkış gücü sınırlaması gerçekleşir. Sigmoid
fonksiyonu, yapay sinir ağlarında aktivasyon fonksiyonu
olarak yaygın kullanım alanı bulmuş ve nöron çıkışlarını belli
değer aralıklarında sınırlamıştır. Denklem (2)’de ifade edilen
α parametresi, DC/DC sürücü çıkış geriliminin ( VL ) düşüş
karakteristiğini ayarlar. Şekil 2’de güç sınırlayıcı fonksiyonun
sağladığı akım-gerilim ve güç-akım karakteristikleri, farklı α
değerleri için karşılaştırılmıştır. Şekilde görüldüğü üzere,
sürücüden çekilen akımın ( I L ), PR = VR I R ile belirlenen tepe
gücüne yaklaşması durumunda, sürücü çıkış gerilimi Denklem
(2) uyarınca düşmeye başlar. Çıkış geriliminin kontrollü
düşürülmesi, yük akımının ve nihayetinde çıkış gücünün
kontrollü düşmesini sağlar. Bu mekanizma ile DC/DC sürücü
çıkış gücünün PR tepe güç noktasını aşması önlenir. Şekil
2’de görüldüğü gibi, α parametresi azaldıkça tepe gücü
noktası yumuşar ve çıkış gerilimi daha erken ve daha yavaş
düşer. Yumuşak sınırlama cevabı gereken uygulamalar için
α ’ya küçük değerler verilmelidir.
2. Yöntem ve Tasarım
2.1. Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarımının Genel
Yapısı
Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücü, Şekil 1’de
görülen iki katmanlı kontrol mimarisine sahiptir.
Birinci katmanda, Şekil’1(a) da görülen Düşürücü tip
DC/DC dönüştürücü sistem kullanılmıştır. Düşürücü tip
DC/DC dönüştürücünün modeli,
dI L
1
= ( AV I − V L )
dt
L
(1a)
DGM
(a)
dV L I L V L
=
−
dt
C RC
II
(1b)
VI
IL
A
VL
L
şeklinde ifade edilir [20]. Burada VI ve I I sırası ile
C
R
dönüştürücü giriş gerilimi ve akımı, VL ve I L dönüştürücü
çıkış gerilimi ve akımıdır. A anahtarlama durumudur ve
DGM tarafından sürülmektedir. Anahtar kapalı iken A=1, açık
iken A=0 değerini alır. Ölçülen I L akım değerleri, Şekil’1(b)
de görülen üst kontrol katmanı içinde geri besleme
sağlamaktadır. VL gerilimi, yükü sürmekte ve alt kontrol
katmanı için geri besleme sağlamaktadır.
Birinci kontrol katmanında (Alt Kontrol Katmanı), darbe
genişliği modülasyonlu DC/DC dönüştürücü devresi PI
kontrolör yardımı ile kontrol edilmiştir. Bu katman, sürücünün
çıkış gerilim seviyesinin ( VL ), hedeflenen bir gerilim
seviyesinde
( VR )
kalmasını
sağlar.
Gerilim
(b)
Üst Kontrol Katmanı
V
Alt Kontrol Katmanı
PI Kontrolör
IR
VR
PR
VI
Sigmoid
Fonksiyonu
DGM
e
IL
Buck Tipi DC/DC
Dönüştürücü
hatası
( e = V − VL ), PI kontrolör ( k p = 5 , ki = 1 ) tarafından
sıfırlanır ve çıkış gerilim kararlığı sağlanır. İkinci kontrol
katmanı (Üst Kontrol Katmanı), birinci katmanı yönetir ve
sürücünün çıkış gücünü sınırlar. Yükün çektiği akımın ( I L )
Şekil 1: (a) Düşürücü tip DC/DC dönüştürücü devresi. (b)
Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücüsünün kontrol
mimarisi.
artması sonucu sürücü çıkış gücünün ( PL ) belirlenmiş bir
Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücünün operasyon
modları Tablo 1’de özetlenmiştir.
tepe gücünü ( PR ) yaklaşması durumunda, çıkış gerilimi düşer,
böylece sürücüden sisteme enjekte olan gücün ( PL ), tepe
gücü sınırının altında kalması sağlanır. Bu çalışmada güç
sınırlayıcı fonksiyon olarak modifiye edilmiş sigmoid
fonksiyonu kullanılmıştır. Bu fonksiyon yük akımına, referans
akımına ve gerilimine bağlı olarak,
Fg ( I L (t ), VR , I R , α ) =
VR
1 + eα ( I
L
(t ) − I
R
)
Tablo 1: Güç regülasyonlu DC/DC sürücü operasyon modları
(2)
bir
PI
kontrolör
tasarımı
Operasyon
Güç kesme
Açıklama
VL = 0
VR ≠ 0 ve I R ≠ 0
Normal
çalışma modu
Buck tipi DC/DC
dönüştürücü
olarak çalışır.
Güç
regülasyonu
çalışma modu
Çıkış gücü
sınırlanır.
ve PL < PR
VR ≠ 0 ve I R ≠ 0
denklemi ile ifade edilmiştir. Bu çalışmada alt kontrol
katmanı, V = Fg ( I L (t ),VR , I R , α ) fonksiyonu ile yönetilmiştir.
Uygun
Koşul
VR = 0 veya I R = 0
ve PL > PR
ile gerilim hatası,
3
VL
(a)
L
400
1
DC+
g
m
C
E
(a)
3
+
IGBT /Diode
C
2
DC-
+
- v
4
-
300
DC/DC Dönüştürücü
F
g
400
Vr
200
α =1
5
>=
α =3
α =0.4
100
PI
DGM
Scope
20
Gain
Repeating
Sequence
Integrator
Relational
Operator
1
s
0
10
Saturation
30
40
50
60
IL
4
2
1.5
Tepe Gücü
Constant 2
1
Vm
2
Im
10
Fark
PL
Üst Kontrol Katmanı
1
α =1
α =3
α =0.4
(b)
Divide
(b)
x 10
e
u
Voltaj Dusus Hizi Exponansiyel
Alfa
1
+
i
-
2
+
IL1
4
-
L
1
DC+
0.5
g
m
C
E
IGBT /Diode
+
- v
C
3
DC-
Scope
0
0
20
40
IL
60
80
5
Şekil 2: VL = Fg ( I L ;VR , I R ,α ) güç sınırlayıcı fonksiyonu ile
>=
Saturation
Relational
Operator
Alt Kontrol Katmanı
elde edilen VL - I L karakteristiği (a) ve PL - I L karakteristiği
(b).
Gain
1
s
Repeating
Sequence
Integrator 1
Şekil 3: (a) PI kontrolörlü düşürücü tip DC/DC dönüştürücü
tasarımı ( k p = 5 , ki = 1 ) (b) Güç regülasyonlu DC/DC sürücü
2.2. Sistemin Tasarımı ve Benzetim Sonuçları
tasarımı ( α = 1 ).
Şekil 3(a)’da PI kontrolörlü DC/DC dönüştürücü tasarımı (Alt
kontrol katmanı) görülmektedir [20]. Şekil 3(b)’de bu
dönüştürücü için tepe güç sınırlayıcı fonksiyon (Üst kontrol
katmanı) uygulanarak elde edilen güç regülasyonlu DC/DC
sürücü görülmektedir.
Şekil 4’de geleneksel DC/DC dönüştürücü (Şekil 3(a)) ve
DC/DC sürücü (Şekil 3(b)) için benzetim sonuçları
karşılaştırılmıştır. Bu benzetimlerde, VR = 400 V, I R = 20 A
mıştır. Her bir araç bileşeni için gerekli bağımsız gerilim ve
güç kontrolü, 60 V DC dağıtım hattına bağlı DC/DC sürücüler
ile gerçekleştirilmiştir. Şekilde verilen, araç bileşenlerinin
maksimum akım değeri öngörüleri, referans [26]’daki
elektrikli araç tasarımı dikkate alınarak belirlenmiştir. Yüksek
gerilim değerli dağıtım hattı, alçak gerilim hatlarına göre, aynı
yükleri beslemek için daha küçük kesitli kablolara ihtiyaç
duyar. Ancak gerilim değeri yükseldikçe yolcu ve araç
güvenliğini sağlamak zorlaşır. Bu nedenle hem güvenlik hem
de verimlilik açısından en uygun gerilim olan 60 V DC
dağıtım hattı kullanılmıştır. DC dağıtım hattı üzerinden alt
bileşenlerin toplamda maksimum 220 A akım talep
edebileceği varsayılmıştır.
Elektrikli araçlarda batarya sisteminin güç regülasyonlu
DC/DC sürücü ile yönetimi önemli avantajlar sağlayacaktır.
Bu avantajlardan başlıcaları şunlardır:
(i) Araç bileşenlerinin güç ihtiyacına göre güç dağıtımının
aktif yönetimi:
Elektrikli aracın güç ihtiyacı, çalışma durumlarına göre
değişmektedir. Park durumunda sadece güvenlik sistemleri
için düşük güce ihtiyaç duyulurken, sürüş durumunda, yol
koşullarına göre değişen yüksek güç talebi açığa
çıkabilmektedir. Bununla birlikte, klima ve multimedya gibi
sürüş konforunu artırmaya dönük sistemlerde devreye girdiği
zaman, güç gereksinimi daha da artmaktadır. Sürüş koşullarına
göre farklılaşan güç talebine göre, bataryadan güç çekiminin
aktif yönetimini sağlayabilecek olan DC/DC sürücü,
ve dolayısı ile PR = 8 kW ayarlanmıştır. 3. saniyede, yükün
aniden 45 A çekmeye başlaması ile yükün çektiği güç 18 kW
düzeylerine çıkmıştır. Bu aşırı güç koşullarında, geleneksel
DC/DC dönüştürücü yapı (Yeşil çizgili karakteristikler), yükü
beslemeye devam etmiştir. Önerilen DC/DC sürücü ise
referans güç aşımını algılamış ve normal çalışma modundan
güç regülasyonu çalışma moduna geçerek çıkış gücünü
düşürmüştür. Böylece sistemin uzun süreli aşırı güç çekimine
maruz kalması önlenmiştir.
3. Elektrikli Araçlarda Güç Dağıtımı Yönetimi
Uygulaması
Örnek uygulama olarak, önerilen güç regülasyonlu DC/DC
sürücüler ile inşa edilen elektrikli araç DC güç dağıtım sistemi
Şekil 5’de görülmektedir. Yönetim kolaylığı nedeni ile seri
bağlı batarya modeli tercih edilmiş ve 300 V düzeyinde çıkış
alınmıştır. Güç regülasyonlu DC/DC hat sürücüsü ile 300 V
batarya gerilimi 60 V düzeyine düşürülmüş ve DC dağıtım
hattı üzerinden, elektrikli araç bileşenlerine güç akışı sağlan-
4
bataryanın hem daha verimli kullanımını hem de sistemde
meydana gelebilecek olası arıza veya hata durumunda,
çekilebilecek
yüksek
güçten
korunmasına
olanak
sağlayacaktır. DC/DC sürücü, bataryadan sadece aracın
çalışma koşullarına göre ihtiyaç duyabileceği kadar güç
çekilmesine müsaade edebilecektir.
(ii) Bataryanın korunması ve kullanım ömrünün uzatılması:
Elektrikli araçlarda, bataryalardan yüksek güç çekimi söz
konusu olabilmektedir. Uzun süren yüksek güç çekimi (yüksek
akım), bataryanın aşırı ısınmasına ve yapısal bozulmalara
neden olmaktadır. Bu sorunun önlenmesi ve batarya ömrünün
uzatılması için çekilen gücün bataryanın dayanabileceği sınır
içinde tutulması gerekmektedir. Bu nedenle batarya ısı ve
enerji durumlarına göre, bataryadan çekilen gücün aktif
yönetimine ihtiyaç duyulmaktadır.
bataryadan çekilen akım, batarya sıcaklığı gibi parametreler
sürekli olarak ölçülebilmektedir [27]. Bu sistemden ölçülen
veriler değerlendirilerek, DC/DC sürücüler yardımı ile batarya
sisteminden çekilen gücün istenen düzeylerde tutulması
sağlanabilecektir.
Batarya
Şarj
Sistemi
Batarya
Takımı
(300 V)
Sol Teker
Elektrik
Motor
( 50 A)
Aydınlatma
Sistemleri
( 45 A)
Fanlar
Isıtma ve
Soğutma
( 35 A)
DC/DC
Sürücü
(60 V-48 V)
DC/DC
Sürücü
(60 V-12 V)
DC/DC
Sürücü
(60 V-48 V)
DC/DC
Sürücü
(60 V-48 V)
DC/DC
Sürücü
(60 V-24 V)
Sağ Teker
Elektrik
Motor
( 50 A)
Tüm Araç
Elektroniği
( 40 A)
DC/DC
Sürücü
(300 V-60 V)
60 V DC
Dağıtım Hattı
(a)
50
1
40
30
I
L
Şekil 5: Elektrikli araç için DC güç dağıtım hattı mimarisi.
Benzetimlerde, gerilim ve akım tepe değerleri Canterbury
Üniversitesi elektrikli araç çalışmalarında kullanılan değerler
dikkate alınarak öngörülmüştür [26].
2
20
10
0
0
2
4
6
8
Şekil 5’de genel mimarisi verilen elektrikli araç DC güç
dağıtım sisteminin Matlab/Simulink benzetim modeli Şekil
6’da görülmektedir.
10
t
(b)
500
Continuous
powergui
1
400
Hat Akim
Ref _Voltaj
Carpim
Hat Gerilim
Referans Guc Limiti
60
Vr
Carpim 1
Ref _Akim
+
220
300
+
Yuk Akimi
Ir
+
-
<Voltage (V)>
V
L
2
+
PilGerilim
m
<SOC (%)>
_
Hat Gucu
i
-
v
Gerilim
DC+
-
Diyot Pil Desarj
DC-
PilSarjDurum
200
Battery 1
DC /DC surucu
Ref _ Voltaj 2
V+
100
Ref _ Voltaj 1
48
48
Vr
Ref _Akim 2
Ref _ Akim 1
Vr
Ir
50
50
Ir
+
+
V-
DC +
DC +
DC-
DC -
V+
V-
-
-
Sag Teker
Sol Teker
DC /DC surucu 2
DC /DC surucu 1
Ref _Voltaj 5
0
Ref _ Voltaj 3
24
12
0
2
4
4
2
6
8
10
V+
x 10
Vr
Ref _Akim 5
Ir
40
+
Ref _Akim 3
45
t
(c)
1
+
V+
Ir
DC+
-
Tum Arac
Elektronik
Vr
DC +
V-
DC-
V-
DC-
DC /DC surucu 5
DC /DC surucu 3
Aydinlatma
Sistemi
Ref _ Voltaj 4
48
Ref _Akim 4
35
Vr
+
V+
Ir
DC+
V-
P
L
1.5
DC-
DC /DC surucu 4
Şekil 6: Elektrikli aracın DC
Matlab/Simulink benzetim modeli.
1
2
0.5
0
0
2
4
6
8
güç
dağıtım
Fan , Isitma
Sogutma
sistemi
Benzetim senaryosunda, Şekil 5’te tanımlanan bütün
sistemlerin aktif çalıştığı varsayılmış ve sistemleri süren
DC/DC sürücüler için kullanılan referans akım, gerilim ve
tepe gücü değerleri Tablo 2’de özetlenen değerlerden
alınmıştır. Bu senaryoda, 2. saniyede sol teker elektrik
motorunda meydana gelen arıza sonucu yüksek akım çekimi
başlatılmış ve bu arıza durumunda güç sistemin cevabı
incelenmiştir. Şekil 7 ve Şekil 8’de bu benzetimden alınan
bazı sonuçlar verilmiştir. Şekil 7’de, sağ teker ve sol teker DC
sürücü çıkışları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sol tekerde
2. saniyede başlayan, yüksek akım çekimine yol açan arıza
nedeniyle, DC/DC sürücünün tepe gücü olarak ayarlanan 2.4
kW değeri hızla aşılmıştır. DC/DC sürücü, bu arıza koşulunda
çıkış gerilimini yeterince düşürmüş ve çekilen gücü tepe
değerinin altına çekmiş, böylece çekilen yüksek akımı kontrol
10
t
Şekil 4: 3. saniyede aniden artan yük akımına karşılık,
düşürücü tip DC/DC dönüştürücünün cevabı (Yeşil çizgi:1
etiketi ) ve tasarlanan DC/DC sürücünün cevabı (Mavi çizgi: 2
etiketi).
Güç regülasyonlu DC/DC sürücüler, tepe gücü ayarlaması
ile aktif batarya yönetimine imkân sağlayabilecektir. Çoklu
batarya sistemlerinde, verimin artırılması ve batarya ömrünün
uzatılması için batarya dengeleyici (battery balance) sistemler
kullanılmakta ve modüler batarya yönetim sistemleri ile
5
DC dağıtım hattı elektriksel değerleri çizilmiştir. Arıza
durumunda (3 bölgesi) DC dağıtım hattı çalışmasını sağlıklı
bir şekilde sürdürebilmiştir. Böyle ciddi bir arıza durumunda,
elektrikli araç, çalışır durumunu sürdürebilir ve güvenli bir
duruşu sağlayabilir.
(a)
500
altına almıştır. Böylece hem sorunlu teker sisteminin izin
verilen güç bölgesinde çalışmasını sürdürmesine müsaade
edilmiş, hem de bu sorunun diğer sistemlerin çalışmasını
etkilemesi önlenmiştir.
Tablo 2: Elektrikli araç bileşenlerini süren DC/DC sürücü
yönetim değerleri
60 V DC hat
sürücü
Sol Teker DC
sürücü
Sağ Teker
DC sürücü
Aydınlatma
DC sürücü
Tüm araç için
DC sürücü
Klima için
DC sürücü
Aktif Normal
Aktif- 2.sn.de
arıza durumu
Aktif Normal
Aktif Normal
Aktif Normal
Aktif Normal
Referans
Akım
Referans
Gerilim
(IR )
( VR )
220 A
60 V
13.2 kW
50 A
48 V
2.4 kW
100
50 A
48 V
2.4 kW
0
45 A
12 V
0.5 kW
40 A
24 V
0.9 kW
300
200
0
0.5
1
1.5
t
2
2.5
3
2.5
3
(b)
80
1
2
3
60
35 A
48 V
1.6 kW
40
VL
(a)
70
3
L
Operasyon Durum
2
I
Bileşen
Sürücüsü
1
400
Tepe
Gücü
Sınırı
( PR )
20
60
2
50
0
40
I
L
-20
30
0
0.5
1
1.5
t
1
20
(c)
15000
10
0
1
0
0.5
1
L
2
2.5
3
2
3
10000
50
1
40
2
PL
(b)
60
V
1.5
t
2
5000
0
30
20
-5000
10
0
0
0.5
1
1.5
t
2
2.5
3000
PR
2500
1
1.5
t
2
2.5
3
4. Sonuçlar
2
Bu çalışmada, hiyerarşik kontrol mimarisine sahip güç
regülasyonlu DC/DC sürücü devre tasarlanmış ve elektrikli
araçlar için güç yönetimi uygulamasında kullanımı
gösterilmiştir. Önerilen DC/DC sürücü, geleneksel DC/DC
dönüştürücülere nazaran daha akıllı ve yönetilebilir güç
dağıtım sistemlerinin inşasına imkan sağlamaktadır. DC/DC
sürücü tasarımında, iki katmanlı kontrol mimarisi
uygulanmıştır. Alt katmanda, PID tabanlı kontrolör ile
hedeflenen çıkış gerilim kararlılığı sağlanırken, üst katmanda
modifiye sigmoid fonksiyonu ile tepe gücü yönetimi
sağlanmıştır. Böylece, elektrikli araç sistemleri gibi yerel
arızaların tüm sistemi etkileme riski olan sistemlerde, sistem
güvenilirliğinin artırılmasına önemli katkılar sağlanmıştır.
PL
2000
1500
1000
1
500
0
0.5
Şekil 8: Elektrikli araç 60 V DC dağıtım hattı (Bataryaya bağlı
DC/DC sürücü çıkışı) akım, gerilim ve güç karakteristikleri
için üç ayrı çalışma bölgesi gösterilmiştir: 1. bölge geçici
rejim bölgesi, 2. bölge normal durumda çalışma, 3. bölge sol
teker arıza durumunda çalışma.
3
(c)
3500
0
0
0.5
1
1.5
t
2
2.5
3
Şekil 7: Sol teker (Mavi düz çizgi: 2 etiketi) ve sağ tekere
(Yeşil kesikli çizgi: 1 etiketi) ait DC/DC sürücü akım (a),
gerilim (b) ve güç (c) çıkış karakteristikleri.
Şekil 8’de geçici rejim (1 bölgesi), normal çalışma rejimi
(2 bölgesi) ve sol teker arızası durumunda (3 bölgesi), 60 V
6
AC,” IEEE Electrical Power and Energy Conference,
Winnipeg, Canada, s: 340-345, 2011.
[14] J. Geng, R. Jin, Y. Fan, B. Liu, J. Li, Y. Cheng, Z. Wang,
“The study on electromagnetic compatibility of DC
electric motor in HAPS,” Aerospace Science and
Technology, Cilt: 9, s: 617-625, 2005.
[15] E. Kabalci, Y. Kabalci, I. Develi, “Modelling and
analysis of a power line communication system with
QPSK modem for renewable smart grids,” Electrical
Power and Energy Systems, Cilt: 34, s: 19-28, 2012.
[16] E.B. Makram ve S. Varadan, “Analysis of reactive power
and power factor correction in the presence of harmonics
and distortion,” Electric Power System Research, Cilt:
26, No: 3, s: 211-218, 1993.
[17] G.C Bakos ve N.F Tsagas, “Technoeconomic assessment
of a hybrid solar/wind installation for electrical energy
saving,” Energy and Buildings, Cilt: 35, No: 2, s: 139145, 2003.
[18] O.M. Toledo, D.O. Filho, A.S.A.C. Diniz, “Distributed
photovoltaic generation and energy storage systems: A
review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews,
Cilt: 14, s: 506-511, 2010.
[19] V. Costa, P.M. dos Santos, B. Borges, “A design
methodology for integrated inductor-based DC–DC
converters,” Microelectronics Journal, Cilt: 43, s: 401409, 2012.
[20] M. Hedlund, “Design and construction of a bidirectional
DC-DC converter for an EV application,” UPPSALA
University UPTEC F10 013.
[21] M.S. Banu, S. Vinod, S. Lakshmi, “Design of DC-DC
converter for hybrid wind solar energy system,”
International Conference on Computing, Electronics and
Electrical Technologies, India, s: 429-435, 2012.
[22] S.S. Saha, “Efficient soft-switched boost converter for
fuel cell applications,” International Journal of
Hydrogen Energy, Cilt: 36, s: 1710-1719, 2011.
[23] H. Liu, J. Elmes, K. Zhang, T.X. Wu, I. Batarseh, “Low
voltage flyback DC-DC converter for power supply
applications,” Proceedings of the IEEE National
Aerospace and Electronics Conference (NAECON),
Dayton, Ohio, USA, s: 215-218, 2011.
[24] A.B. Mboup, P.A. Ndiaye, F. Guerin, D. Lefebvre,
“Control design for hybrid electrical energy systems
based on dc/dc converters duty cycle value,” EVRE
Ecological Vehicles Renewable Energies Conference,
Monaco, s: 1-7, 2009.
[25] F. Valenciaga ve P. F. Puleston, “Supervisor Control for
a Stand-Alone Hybrid Generation system Using Wind
and Photovoltaic Energy,” IEEE Transactions on Energy
Conversion, Cilt: 20, No: 2, s: 398-405, 2005.
[26] W. Chen, S. Round, R. Duke, “Design of an Auxiliary
Power Distribution Network for an Electric Vehicle,”
International Workshop on Electronic Design, Test &
Applications, New Zealand, s: 257-261, 2002.
[27] T. Stuart, F. Fang, X. Wang, C. Ashtiani, A. Pesaran, “A
Modular Battery Management System for HEVs,” DOE’s
Office of Advanced Transportation Technologies,
National Renewable Energy Laboratory and Daimler
Chrysler, AG, s: 1-9, 2002.
Önerilen hiyerarşik kontrol katmanına sahip akıllı DC/DC
sürücüleri, sadece elektrikli araçlar için değil, her ölçekte DC
güç dağıtım sisteminde, koruma ve yönetim bileşeni olarak
görev yapabilir. Bu sürücüler, dağıtım hattı üzerinde, güç
regülasyonu ve gerilim kontrolü gereken her noktaya
bağlanarak, DC dağıtım hattının aktif güç yönetimi
gerçekleştirilebilir.
Kaynakça
[1] N. Hingorani, “High-voltage DC transmission: a power
electronics workhorse,” IEEE Spectrum Cilt: 33, s: 6372, 1996.
[2] M. Chaves, E. Margato, J. Fernando Silva, S. F. Pinto, J.
Santana, “HVDC transmission systems: Bipolar back-toback diode clamped multilevel converter with fast
optimum-predictive control and capacitor balancing
strategy,” Electric Power Systems Research, Cilt: 81, s:
1436-1445, 2011.
[3] E. Cetin, A. Yilanci, H.K. Ozturk, M. Colak, I. Kasikci,
S. Iplikci, “A micro-DC power distribution system for a
residential application energized by photovoltaicwind/fuel cell hybrid energy systems,” Energy and
Buildings, Cilt: 42, s: 1344-1352, 2010.
[4] H. Kakigano, M. Nomura, T. Ise, “Loss evaluation of DC
distribution for residential houses compared with AC
system,” International Power Electronics Conference,
Sapporo, Japan, s: 480-486 , 2010.
[5] W. Li, X. Mou, Y. Zhou, C. Marnay, “On voltage
standards for DC home microgrids energized by
distributed sources,” IEEE 7th International Power
Electronics and Motion Control Conference, Harbin,
China, s: 2282-2286, 2012.
[6] R. Limpaecher, “Novel converters for electric ship
propulsion system and shipboard power distribution,”
24th Power Modulator Symposium, Norfolk, USA, s: 8996, 2000.
[7] S.J. Dale, “Ship power system testing and simulation,”
Electric Ship Technologies Symposium, Philadelphia,
USA, s: 202-205, 2005.
[8] B. Song, R. McDowell, A. Bushnell, “A three-level DCDC converter with wide-input voltage operations for ship
electric power distribution systems,” IEEE Transactions
on Plasma Science, Cilt: 32, s:1856-1863, 2004.
[9] C. Chan, “An overview of electric vehicle technology,”
Proceeding of the IEEE, USA, s: 1202-1213, 1993.
[10] K. Clement-Nyns, E. Haesen, J. Driesen, “The impact of
vehicle-to-grid on the distribution grid,” Electric Power
Systems Research, Cilt: 81, s: 185-192, 2011.
[11] A. Karabiber, C. Keles, A. Kaygusuz, B. B. Alagoz, “An
approach for the integration of renewable distributed
generation in hybrid DC/AC microgrid,” Renewable
Energy, Cilt: 52, s: 251-259, 2013.
[12] W. Li, X. Mou, Y. Zhou, C. Marnay, “On voltage
standards for DC home microgrids energized by
distributed sources,” IEEE 7th International Power
Electronics and Motion Control Conference, Harbin,
China, s: 2282-2286, 2012.
[13] M. Amin, Y. Arafat, S. Lundberg, S. Mangold, “Low
voltage DC distribution system compared with 230 V
7
Akıllı Şebekelerde Kontrol ve Haberleşme: Günümüzden Geleceğe Fırsatlar
Murat Akçin1, Asım Kaygusuz1, Cemal Keleş1, Abdulkerim Karabiber1, B. Baykant Alagöz1
1
[email protected]
üretken-tüketici (İnteraktif kullanıcı) haline dönüşmeleri
beklenmektedir [6,20].
(ii) Dağıtık depolama uygulamaları: Enerji üretim
fazlasının şebekeye dağılmış depolama sistemlerinde
depolanması ve gerektiğinde enerji talebini karşılamak üzere
kullanılabilmesi hedeflenir [7]. Yüksek hacimli enerji
depolama sistemlerinden hane tipi depolama sistemine kadar
çok geniş ölçekte depolama sisteminin şebekeye dağıtılması
yenilenebilir enerji kaynakları gibi enerji sürekliliği olan
kaynakların etkin kullanımı için önem arz etmektedir
[21,22].
(iii) Talep odaklı yük yönetimi uygulamaları: Dağıtık
üretim ve depolama olanaklarına sahip şebekelerde üretimtalep dengesi ve enerji fiyatları daha akıllı yönetilebilir.
Enerji tüketiminin fazla olduğu zaman aralığı şebeke
elemanlarını zorlamaktadır. Tüketicin yardımıyla bu sorun
çözülmekle beraber enerji fiyatları ve enerji verimliği
artırılabilir [7]. Talebe bağlı olarak yürütülecek enerji üretim
ve depolama stratejileri enerji verimliliğini önemli ölçüde
artırabilecektir.
Yukarıda bahsedilen üç amaca yönelik uygulamalar etkin
haberleşme ve kontrol araçları ile mümkün olabilmektedir.
Şebeke durumları gözlemlenebilir ve kontrol edilebilir
olmalıdır. Bunun için akıllı şebeke bileşenlerinin veri alma,
veri işleme ve veri iletme kabiliyetine sahip olması
gerekmektedir. Bu nedenle söz konusu bileşenlerin
haberleşme ve programlanabilme kabiliyetine sahip akıllı
sistemleri (Mikroişlemcileri) içermesi gerekmektedir. Bu
birimlerin birbiri ile iletişimini ve etkileşimini yöneten
haberleşme protokollerine (TCP/IP gibi), haberleşme
altyapılarına
(Modemler,
yönlendiriciler,
kablosuz
haberleşme) ve sunuculara (Uygulama ve veri tabanları)
ihtiyaç duyulacaktır [8, 9].
Akıllı şebekeler, enerji üretim ve tüketim yönetimine
verimli ve akıllı bir yaklaşım sağlamıştır [10]. Bu yaklaşım
yöntemi ile hem tüketiciler hem de enerji üreticileri, gerçek
zamanlı enerji yönetimi aracılığıyla enerji tasarrufu, enerji
güvenilirliği ve enerji sürekliliği avantajlarına sahip
olabilirler. Akıllı şebekeler ile gerçek zamanlı ölçme ve
fiyatlandırma, akıllı yük atma (aşırı yükü kaldırmak için
belirli bölgelerde kısa süre elektriği kesme) veya kaydırma,
tüketim yönetimi, fiyat optimizasyonu ve enerji verimliliği
için tüketiciyi aktif hale getirme, enerji şebekesine hibrit
elektrikli araçların entegrasyonu, fotovoltaik sistem ve rüzgar
türbinleri gibi alternatif ve dağıtık üretim kaynaklarının
entegrasyonu gibi birçok yeni enerji kavramları literatüre
kazandırılmıştır.
Akıllı şebekeler küçük ölçekli elektrik üretiminin
şebekeye bağlanmasına imkân sağlamakla birlikte tüketicinin
de aktif hale gelmesini hedeflemektedir [20]. Üretim ve
Özetçe
Nüfus yoğunluğunun ve bireysel enerji ihtiyacının artışına
paralel olarak artan enerji talebine verimli, güvenli ve çevre
dostu bir şekilde cevap verilebilmesi ihtiyacı akıllı şebekeler
uygulamalarını gündeme getirmiştir. Bu bağlamda, akıllı
şebeke uygulamaları enerji üretimi, dağıtımı ve tüketimi
süreçlerinin gözlemlenebilir, kontrol edilebilir ve dolayısı ile
yönetilebilir olmasını hedeflemektedir. Bu amaca dönük
olarak geleceğin akıllı şebeke mimarisinde haberleşme ve
kontrol teknolojilerinin birlikte etkin kullanımına ihtiyaç
vardır. Bu çalışmada, akıllı şebekeler için yapılmış güncel
çalışmalar ve geliştirilen teknolojiler özetlenmekte ve bu
teknolojilerin hayata geçmesi durumunda sağlayabileceği
imkanlar ve fırsatlar için bir vizyon çizilmektedir.
1. Giriş
Dünya nüfusunun artması, fosil yakıta dayalı enerji
rezervlerinin azalması, teknolojik ve sosyal gelişim
sonucunda bireyin gündelik yaşamında enerjiye olan
bağımlılığının artması, yoğun sanayileşmenin ve verimsiz
enerji tüketiminin çevresel etkilerinin görülmeye başlaması
gibi etmenler, akıllı enerji yönetimini zorunlu kılmaktadır.
Enerjinin üretiminden başlayıp dağıtım ve tüketime kadar
uzanan bütün süreçleri kapsayan elektrik şebekelerinin,
gelişen teknolojik imkânlar ile daha verimli, daha güvenli,
daha çevre dostu ve daha yönetilebilir kılınması çabaları
akıllı şebeke kavramını doğurmuştur. Son zamanlarda konu
üzerine yoğunlaşılmış ve haberleşme, bilgi teknolojileri,
kontrol sistemleri, yarı-iletken teknolojileri gibi birçok
sahada akılı şebeke uygulamalarına dönük çalışmalar
yapılmaya başlanmıştır [1-20]. Akademik çalışmalara paralel
olarak, akıllı şebekelerin hayata geçirilmesi hususunda ulusal
ve uluslararası düzeyde çalışmalar için araştırma ve
geliştirme destek fonları ayrılmıştır.
Günümüzde akıllı şebeke uygulamaları, üç temel alt
başlıkta toplanabilir:
(i) Dağıtık üretim uygulamaları: Dağıtık üretim
uygulamaları, enerji verimliliği, güvenilirliği ve yenilebilir
enerji kaynakların kullanımı için büyük öneme sahiptir.
Akıllı şebekeler, küçük ölçekli enerji üretiminden yüksek
güçlü enerji santrallerine kadar çok geniş spektruma yayılan
enerji
kaynaklarının
dağıtım
şebekesi
üstünde
entegrasyonuna imkân sağlamalıdır [4,5]. Böylece,
yenilenebilir enerji kaynaklarının hane düzeyine kadar
yaygınlaşmasına ve hanelerin kendi enerjisini üretmesine
imkân sağlanacaktır. Bu durumda, yerinde üretim ve tüketim
ile iletim kayıplarının düşürülmesi sağlanarak enerji
verimliliği artırabilecektir. Klasik şebekede statik tüketici
durumunda olan hanelerin dağıtık üretim imkânları ile
8
elektrikli araçlar için GSM/GPRS tabanlı çözümler
geliştirilmiş olup, diğer teknolojilerin uygulanabilmesi için
çalışmalar sürdürülmektedir. IEEE 802.16 (WiMAX),
araştırmacılar arasında fazla ilgi görmediğinden sadece AMR
tabanlı uygulamalarda yer edinmiştir [13].
DASH7, yeni ve ticari amaçlar için geliştirilmiş bir
teknolojidir. Ancak ilk aşamada askeri haberleşme
sistemlerinde kullanılmış ve oldukça başarılı sonuçlar elde
edilmiştir. Bu nedenle tüketici ölçekli akıllı şebeke
haberleşme sistemi için ideal teknolojiler arasındaki yerini
almıştır [19]. Tüketici pazarına haberleşebilen akıllı cihazlar
kazandırılmış olmakla birlikte, akıllı şebeke haberleşme
sistemleri arasında standardizasyon ve uyumlu çalışabilme
sorunları tamamen çözülmüş değildir. IEEE, IET, ISO, NIST
gibi uluslararası düzenleyici kurumlar, akademik çevreler ve
ABB, EPRI, Siemens, IBM, BPL Global, General Electric,
Iberdrola gibi enerji hizmet şirketlerinin dünya genelinde
gerçekleşebilir, sürdürülebilir ve kabul edilebilir standartlar
ve çözümler geliştirmeye yönelik çalışmalarına devam
etmektedirler.
2.2. Akıllı Şebekelerde Kontrol Çalışmaları
Akıllı şebekelerde kontrol, lokal ölçekte güç elektroniği
elemanlarının kontrolünden geniş ölçekte yerel ve global
olarak şebeke durumlarının ve koşulların kontrolü ve
optimizasyonuna kadar uzanan geniş bir uygulama
yelpazesini kapsar. Bu bölümde, yakın zamanda yapılan
çalışmalar ve teknolojilere kısaca değinilmektedir.
Her güç sistemi bileşeninin kendine özgü bir yapısı ve
bunun sonucu olarak kendine özgü kontrol gereksinimleri
vardır. Ancak en genel anlamda güç sistemi kontrolü, yazılım
ve donanımın birlikte kullanılmasını gerektirir. NIST (Ulusal
Standart ve Teknoloji Enstitüsü) tarafından önerilen enerji
marketi, kontrol, haberleşme ve güç altyapısını tasvir eden
akıllı şebeke “Smart Grid” kavramsal modeli Şekil 1’de
gösterilmiştir.
tüketim noktasında alternatifler sunabilen akıllı şebeke
dağıtım sistemlerinin yapısının günümüzde kullanılan
şebekelere göre daha karmaşık olması ve ileri kontrol ve
haberleşme yöntemlerine ihtiyaç duyması kaçınılmazdır.
Bu çalışmada, akıllı şebekelerde haberleşme ve kontrol
alanında elde edilen gelişmeler özetlenecek, yakın gelecek
için imkânlardan bahsedilecek ve olası fırsatlar ile yapılması
gerekenler tartışılacaktır.
2. Akıllı Şebekelerde Haberleşme ve Kontrol
Uygulamaları
2.1. Akıllı Şebekelerde Haberleşme Çalışmaları
Akıllı şebekelerin mimarilerinde haberleşme ihtiyacı, yakınalan (Bina ve tesis içi) ve uzak-alan (Şehir içi ve
şehirlerarası) haberleşmelerinin her ikisini de kapsamaktadır.
Bu ihtiyaca dönük olarak geliştirilen teknoloji ve yöntemler
aşağıda kısaca özetlenmiştir.
Akıllı şebekelerin en büyük avantajlarından biri enerji
kaynakları ile tüketiciler arasında çift yönlü bir haberleşme
ağının kurulmasıdır [11]. Akıllı şebekelerin gerçek zamanlı
haberleşme yeteneği elektrik şebekelerini modernleştirmek
ve optimize etmek için gereken altyapıyı teşkil edecektir. Bu
durumda veri merkezleri ve üretici-tüketici tabanlı yazılımlar
bu altyapı üzerinden haberleşebileceklerdir. Bu haberleşme
altyapısı; bugün için fiber optik kablo, güç hattı üzerinden
geniş bant ve kablosuz teknolojiler içeren çeşitli iletişim
yolları kullanarak inşa edilebilmektedir [12]. Günümüz
haberleşme teknolojilerinin akıllı şebekelerde kullanılma
durumu, Tablo 1’de özetlenmiştir. Bu tablo var olan
haberleşme teknolojilerinin farklı akıllı şebeke uygulamaları
için mevcut durumunu ortaya koymaktadır. Ayrıca mevcut
haberleşme çözümleri ve bu alanda devam eden araştırmaları
da göstermektedir [13].
Geleneksel ve yeni nesil haberleşme sistemlerinde
GSM/GPRS teknolojisi önemli bir yer tutmaktadır [14].
Bunun temel nedeni GSM/GPRS teknolojisi kullanılarak elde
edilen çözümlerin hedeflenen noktalara kablosu erişim
sağlayabilmesidir. Standardizasyon ve uyumlu çalışabilme
sorunu halen mevcut olmasına rağmen, akıllı şebeke
uygulamalarında GSM/GPRS kullanım alanı bulabilmektedir.
Akıllı şebekeler için IEEE 802.11 (Wi-Fi) ve IEEE 802.16
(WiMAX) gibi standartlar getirilmiş olup bu standartların
geliştirilmesi ve olgunlaştırılması yolunda çalışmalar devam
etmektedir [15,16].
Güç hatları üzerinden haberleşme (Power Line
Communication-PLC), enerji dağıtım hattı ile birlikte enerji
iletim hattı üzerinden veri paylaşımı için geliştirilen bir
teknolojidir. PLC teknolojisi, en eski ve yaygın kullanılan
etkili bir yöntemdir [17]. Ancak devam eden uygulamalarda,
özellikle enerji dağıtım safhasında GSM/GPRS’in PLC
üzerine bir üstünlüğü söz konusudur. Bununla birlikte IEEE
802.15.4 (ZigBee) tabanlı çözümler, PLC ve GSM/GPRS
tabanlı
çözümleri
geride
bırakacak
performans
sergileyebildiği görülmüştür [18].
Akıllı şebeke haberleşme sistemlerinde devam eden
çalışmaların çoğu tüketici bölgesi üzerine yoğunlaşmıştır.
PLC, IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.4 (ZigBee) ve
GSM/GPRS tabanlı geliştirilen çözümler, ev otomasyonu ve
otomatik sayaç okuma (AMR) gibi amaçlar için
kullanılabilmektedir. Önümüzdeki yıllarda önemli bir
elektrik tüketicisi olarak karşımıza çıkacak olan hibrit
Şekil 1: NIST Akıllı Şebeke Modeli [23].
Donanım kısmı frekans, faz açısı, gerilim ve arıza gibi
durum bilgilerini toplayarak yazılım sistemlerine iletir. Akıllı
yazılımlar ile bilgilerin değerlendirilmesi veya durum
tahminleri yapılır. Seçilen kontrol yöntemi ve sınır
değerlerine bağlı olarak sistemin güncellenmesi yani aktifreaktif güç artırma veya azaltma, jeneratörleri devreye alma
veya çıkarma, arıza durumları için enerji kesme veya enerji
verme işlemleri otomatik olarak bu yazılımlar tarafından
kontrol edilebilir. Kontrol sistemleri, güç sistemlerinin
verimli çalışmasını sağlamakla kalmaz, sistemin çökmesini
veya arzu edilmeyen bir duruma düşmesini engeller.
9
amacıyla geliştirilmiştir [26]. Toplam vektör hatasının (TVH)
hesaplanmasını ve senkronize fazörlerin tanımını veren bu
standardın tanımı denklem (1) ve (2)’de verilmiştir.
Tablo 1: Günümüz Haberleşme Teknolojilerinin Akıllı
Şebekelerde Kullanılma Durumu
x 
(1)
X   m e j
 2
x
Burada, m ; x(t) sinyalinin etkin değeri,
2
 ; kosinüs fonksiyonu ile tanımlanmış anlık faz açısıdır.
THV 
a-
xr n  xr 2  xi n  xi 2
xr 2  xi 2
(2)
Burada xr n  ve xi n  ölçülen değer xr ve xi hesaplanan
değerlerdir.
TVH, faz açısı ve genlik değerleri için, hesaplanan değer
ile ölçülen değer arasındaki hatayı göstermektedir. Bu
standart sadece kararlı hali test etmeyi sağlamaktadır ki bu
durum güç sistemlerinde karşılaşılacak birçok durumdan
sadece biridir. Diğer durumlar; sinyalin frekansı, genliği, faz
açısı, harmonik bozulma, tanımlanan bandın dışına çıkma
olarak sıralanabilir. Bu parametreler iki performans seviyesi
ile tanımlanabilir. Düşük performans için seviye 1; daha az
filtreleme, daha hızlı tepki ve daha yüksek performans için
seviye 2; daha iyi filtreleme, uygun hesaplama ve yavaş
izleme uygulamaları için tanımlanmaktadır. IEEE C37.118
standardının uygulaması, IEC 61850’i haberleşme
standardını benimsemelidir [27].
Kontrol metodolojileri, çeşitlilik gösterebilmektedir. Bu
yöntemlerden birisi stokastik çözümlemedir. Stokastik
çözümleme istatistik verilere dayanarak sistemi tanımlamaya
çalışır ve elde edilen verilerle sistemi yönetir. Stokastik
çözümleme, kesin olmayan girişlerin çözümlemesinde etkili
ve hızlı bir yöntem sağlar[28]. Hangi saatlerde güç talebinin
fazla olacağı, güç değişim oranları, arıza bilgileri bu
yöntemle değerlendirilebilmektedir ve bu çerçevesinde güç
sistemi yönetilebilmektedir. Diğer bir yöntem, SCADA
uygulamalarıdır. SCADA verileri toplayıp, değerlendirip,
sistemin verimli yönetimini sağlayan endüstriyel bir kontrol
sistemidir. SCADA sistemi geniş çaplı ve kesin bilgilere
dayanarak çalışan bir yönetim aracıdır. SCADA’da, sistemin
yönetimi için gerekli olan bütün bilgiler anlık olarak
sensörler ve ölçüm cihazları ile toplanır [29]. Bilgilerin nasıl
yorumlanacağı ve sistemin tepkisi, olası bütün durumlar için
programlanır ve bu nedenle yöntem deterministik sonuçlar
üretir. Ayrıca SCADA’da, öğrenme uygulamaları yani geçmiş
bilgileri kaydederek gelecekte kullanabilmeye dayalı
uygulamalar geliştirilebilir. SCADA yöntemi, otomasyona
dayalı fabrikalar başta olmak üzere endüstrisel otomatik
kontrol uygulamalarında verimli ve yaygın bir şekilde
kullanılmaktadır. Stokastik, SCADA veya benzer diğer
yöntemlerin akıllı şebekelerde tercih edilmesinin sebebi ve
gerekli şartı kendilerine yetebilmeleri, dışarıdan müdahale
olmadan sistemi yönetebilmeleridir.
Elektrik enerjisi hassas, güçlü, etkili, alternatif
kaynaklara sahip ve aynı zamanda tehlikeli bir enerji iletim
formudur. Ekonomik verilerde ve refah düzeyinin
belirlenmesinde enerjinin etkin rol oynadığı bir zamanda,
teknolojik gelişmelerin ve büyük yatırımların enerji alanında
ağırlıklı bir şekilde yer alması kaçınılmazdır. Bu ihtiyacı
mevcut durumda kullanılan sistemler, b- kullanılması için
araştırmaların sürdüğü sistemler, c- henüz kullanılmayan
ancak çözüm geliştirilebilecek sistemler
Lokal ölçekte kontrol uygulamalarına örnek olarak,
jeneratörler, gerilim kararsızlıklarının olumsuz etkilerini
önlemek için otomatik voltaj regülatörleri (AVR)
kullanılmaktadır. Diğer bir örnek olarak Statik VAR
kompansatörler (SVC) ve yüksek gerilim doğru akım
(HVDC) sistemlerinin kararlı çalışması için kapalı çevrim
kontrol yapılarına ihtiyaç duymasıdır. Rüzgar türbini gibi
yenilebilir enerji sistemlerinin veriminin artırılması, kontrol
uygulamaları ile sağlanabilmiştir [24]. Dönüştürücü
bileşenler (DC/DC, DC/AC, AC/AC gibi) gerilim ve frekans
kararlıklarının sağlanması için kapalı çevrim kontrol
yapılarını kullanmaktadır [24].
Akıllı şebeke uygulamaları için geliştirilmiş uluslararası
standartlara değinmek faydalı olacaktır. Akıllı şebekelerde
kontrol çalışmalarının sınırları, NIST tarafından standart hale
getirilmiştir. NIST (Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsü)
Birleşmiş Milletler (US) çatısı altında kurulmuş ve akıllı
şebekelerin standartlarını tanımlamada dünya çapında kabul
görmüş bir oluşumdur. NIST standartlarını oluştururken
IEEE (Elektrik Elektronik Mühendisler Enstitüsü) ve IEC
(Uluslararası
Elektrik
Komisyonu)’nin
görüşlerini
değerlendirmektedir. IEEE bu standartları iki temel başlığa
ayırmıştır:
 IEEE C37.118.1; ölçüm tanımlama ve sınır değerleri
 IEEE C37.118.2; bilgi haberleşme ve yapıları [25].
IEEE C37.118 standardı, 2005 yılında kararlı hal için güç
ölçüm ünitelerinin ölçümlerini ve sınır değerlerini belirlemek
10
f) Taşımada elektrikli araçların artması ile birlikte
yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanan fazla enerji,
taşımada kullanılabilecek ve çevre üstünde ağır baskısı olan
taşımacılık biraz daha ucuz maliyetli ve doğa dostu
gerçekleştirilebilmesi sağlanabilecektir.
karşılamak için yeni elektrik şebekeleri tesis edilmeli ve bu
tesisler beklentileri karşılayacak şekilde kontrol ve
haberleşme teknolojileri ile donatılmalıdır. Enerji
sistemlerin, akıllı ve verimli yönetimi, haberleşme
imkanlarını kullanılabilen dağıtık kontrol mimarileri ile
mümkün olabilecektir.
(a)
3. Geleceğin Dünyasına Dönük Projeksiyonlar ve
Fırsatlar
Haberleşme Katmanı
Önceki bölümlerde özetlenen, geleceğin akıllı şebeke
mimarileri için geliştirilen haberleşme, kontrol yöntem ve
uygulamaları dikkate alınırsa, akıllı şebekenin yakın gelecek
altyapısının şu üç uygulama katman üzerinde gelişeceği
görülür: (i) Güç sistemi katmanı, (ii) haberleşme sistemleri
katmanı, (iii) kontrol sistemleri katmanı. Bu üç katman iç içe
geçerek geleceğin akıllı enerji dağıtım şebekesini oluşturması
beklenmektedir. Şekil 2(a) üç teknoloji katmanı ve Şekil 2(b)
bu katmanları oluşturan bileşenlerin iç içe geçmesi sonucu
birbirleri ile işlevsel ilişkileri tasvir edilmiştir. Geniş-alan
yönetim uygulamaları, dağıtık kontrol ve haberleşme
birimlerinin yönetimini sağlayan merkezi hizmetler,
birimlerinden oluşur. Bu hizmet birimlerinde (Sunucular)
sistem veri tabanlarını ileri düzey izleme, optimizasyon ve
yönetim algoritmaları yürütülecektir.
Şekil 2’de gösterilen sistem yapılarının inşası, hane
düzeyinden sitelere, şehirlere, ülkelere ve global olarak
dünya üzerinde çeşitli imkânlar ve fırsatlar sunacaktır.

Hane düzeyinde imkanlar:
a) Akıllı sayaçlar yardımı ile esnek fiyatlandırma sistemi
uygulanabilecektir. Böylece tüketicinin programlaması ve
tercihleri dahilinde akıllı sayaçlar, tüketici yüklerini elektrik
fiyatının ucuz olduğu saatlere kaydırılabilecektir.
b) Uzak alan haberleşme sistemi (GSM/GPRS, PLC gibi)
ile desteklenebilecek akıllı sayaçlar (AMR), tüketici
bilgilerinin ve enerji sisteminin uzaktan yönetim ve testine
imkân sağlayabilecektir. Ölçme, izleme ve arıza tespiti
işlemleri uzaktan yürütülebilecektir. Lokal tesisat sorunları
ve enerji verimliliği profilleri uzaktan değerlendirilebilecek
ve tüketiciler bu konularda yönlendirilebileceklerdir.
c) Uzak-alan (GSM/GPRS, PLC, uydu haberleşmesi)
haberleşme kabiliyetine sahip akıllı sayaçlar, konutların
multimedya hizmetinin (İnternet, telefon vs)
güç-hattı
üzerinden sağlanmasına olanak verebilir.
d) Yakın alan, ev-içi cihaz haberleşmeleri (ZigBee, WiFi, Power-line vs) ile cihazların uzaktan yönetimleri mümkün
olabilecek,
ayrıca
ev
cihazlarının
kendi
içinde
haberleşebilmeleri, akıllı ev sistemlerinin daha bütünsel ve
etkin bir yapıya kavuşmasını sağlayabilecektir.
e) Akıllı sayaçlar yenilenebilir enerji sistemlerinin ve
konutsal enerji depolama sistemlerinin, evlerde kullanılması
ve yönetimini sağlayabilir. Böylece, hanelerin ve bireylerin
enerji üreticisi durumuna gelmesi sağlanabilir. Çift yönlü
akıllı sayaçlar, evde üretilen fazla enerjinin satılmasını
sağlayarak hem tüketiciye hem de enerji sistemine faydalar
sağlayabilecektir. Tüketiciler, bu kabiliyet ile üretkentüketici (Prosumer) haline dönüşmeleri beklenmektedir.
Hanelerin, yenilenebilir enerji kaynaklarına dayanan
(Rüzgar+Güneş) üretken-tüketici duruma kavuşmaları, C02
salınımını düşürecek ve çevre dostu enerji üretimi
sağlayabilecektir.
Kontrol Katmanı
Güç Katmanı
KS
(b)
Geniş Alan
Yönetim
Uygulamaları
HS
H
H
H
K
G
H
K
G
K
K
G
G
Lokal
Uygulamalar
Şekil 2: (a) Akıllı şebeke teknoloji katmanları, (b) Katman
bileşenlerinin (G: Güç bileşenleri, K: Kontrol bileşenleri, H:
Haberleşme bileşenleri, KS: Kontrol sunucusu, HS:
Haberleşme sunucusu) birbiri ile olan işlevsel bağlantıları.

Site düzeyinde imkanlar:
a) Yenilenebilir enerji kaynaklarının mikro şebeke
düzeyinde entegrasyonu ile sitelerin şebekeye olan enerji
bağımlılığı azaltılabilecek, çevre dostu üretim ve tüketim
desteklenebilecektir.
b) Site içi haberleşme ve site hizmetlerinin (Güvenlik,
sulama ve site içi aydınlatma sistemleri) yönetimi ve kontrolü
güç dağıtım hattı üstünden sağlanabilir.

Şehir ölçeğinde imkanlar:
a) Akıllı şebeke üstünden dağıtık sensör ve dağıtık
kontrol uygulamaları şehir-içi hizmetlerinin (Aydınlatma,
parkların sulanması, güvenlik gibi) yönetimi ve
otomasyonunu sağlayabilecektir.
b) Katı-atık bertaraf tesislerinden elde edilen enerji,
akıllı şebeke üstünden şehir içi hizmetlerin enerji ihtiyacında
kullanılabilecektir.
c) Hane ve site düzeyinde yenilebilir enerji kaynaklarının
kullanılması, şehrin dışarıya olan enerji bağımlılığını
azaltabilecek, yenilenebilir enerji kaynakları verimli
11
kazandırabilmek için akıllı prizler tasarlanmalıdır. Akıllı
prizler, akıllı sayaçlar ile yönetilebilir olmalıdır.
d) Elektrikli araç şarj sistemleri garajlarda veya park
yerlerinde kurulmalıdır.

Mahalle ölçeğinde yapılması gerekenler:
a) Yerel dağıtım şebekesinin güç hattından haberleşmeye
(PLC) imkan sağlaması temin edilmelidir. Dağıtıcı
bileşenlerinin uzaktan izlenebilir ve yönetilebilir olması
sağlanmalıdır.
b) Yerel üretim ve tüketimi desteklemek için yenilebilir
enerji ve depolama siteleri kurulabilmeli ve buradan elde
edilen
enerjinin
yerel
tüketimi
desteklemesi
sağlanabilmelidir.
c) Yerel hızla şarj ve dolum istasyonları, elektrikli
araçlara hizmet için yaygınlaştırılmalıdır.

Şehir ölçeğinde yapılması gerekenler:
a) Şehirlerin elektriğini üretebilir duruma getirilmesi için
çalışmalar yapılmalıdır. Her şehrin yakın bölgelerinde
yenilebilir enerji (Güneş ve rüzgar) üretim alanları
kurulmalıdır. Ayrıca, katı-atık bertaraf tesisleri enerji üretim
istasyonlarına dönüştürülmeli ve akıllı şebekeye entegre
edilmelidir.
b) Şehir-içi enerji yönetimi için kontrol ve haberleşme
sunucuları kurulmalı, bunlar şehrin enerji haritasını gerçek
zamanlı olarak gözlemleyebilmeli ve enerji dengesinin
korunması için yerel akıllı şebekenin kontrolünü
sağlayabilmelidir.
Lokal ücretlendirme, yenilenebilir
kaynakları devreye alma veya çıkarma, enerji ithali ve ihracı
işlemlerinin yönetimi gibi görevleri yürütebilmelidir.

Ülke ölçeğinde yapılması gerekenler;
a) Bütün şehirlerin enerji durum ve taleplerini
değerlendirebilen ve enerji trafiğini yöneten ulusal enerji
kontrol ve yönetim sistemi kurulmalıdır.
b) Devlet destek programları ve gelişen teknolojinin
sağlayacağı fiyat avantajlarına sahip yenilenebilir enerji
kaynakları ile yerel üretim ve yerel tüketimi özendirecek
tedbirlerin alınması ve mekanizmaların kurulması
sağlanmalıdır.

Global ölçekte yapılması gerekenler;
a) Bütün ülkelerin enerji durum ve taleplerini
değerlendirebilen ve enerji trafiğini global ölçekte yöneten
global enerji kontrol ve yönetim sistemleri kurulmalıdır.
b) Akıllı şebeke araştırmaları ve standardizasyonu için
bağımsız kuruluşlar kurulmalıdır. Bu kuruluşlar, akıllı
şebekelerin, belirli standartlara uygun gelişimini ve
entegrasyonunu sağlayacak tedbirleri almaya yetkili
kılınmalıdır.
saatlerde enerji bakımından %100 kendine yetebilir duruma
gelebilecektir.

Ülke ölçeğinde imkanlar:
a) Akıllı şebekeler ile yenilebilir enerji kaynaklarının
kullanımının ve paylaşımının artması sonucu, petrole,
doğalgaza, kömüre dayalı olan enerjiye bağımlılık azalacak
ve ülkelerin enerji talebini karşılamada doğal kaynaklarının
ağırlığı artacaktır. Bu çevre-dostu enerji üretiminin
sağlanması yanında ülkenin ekonomik durumuna ve beşeri
faaliyetlerine olumlu etkileri olacaktır.
b) Akıllı şebekeler sayesinde yerinde üretim ve tüketim
sağlanabilmesinin bir sonucu olarak iletim-dağıtım kayıpları
ve masrafları azaltılabilecektir. Daha verimli ve güvenilir
enerji kullanımı sağlanabilecektir.
c) Akıllı şebeke ile sağlanabilecek talep taraflı yük
yönetimi stratejileri uygulanabilir optimal tüketim yönetimi
uygulanabilecektir. Böylece, enerji fiyatları makul
seviyelerde tutulabilecek, ihtiyaç fazlası enerji arzı (Aşırı
üretim) önlenebilir olacaktır.

Global ölçekte imkanlar:
a) Akıllı şebekeler ile yenilebilir enerji kaynaklarının
kullanımının artması, yerinde üretim ve tüketim ile
verimliliğin artırılabilmesi, küresel ısınma gibi insan
aktivitesinin çevre üzerindeki baskısını azaltacak dünyanın
yaşanabilir kalmasına önemli katkılar sağlayacaktır.
b) Global ölçekte birleşen akıllı şebekeler, enerji üretim
ve tüketimine esneklik kazandırabilecek, ülkeler arasındaki
enerji paylaşımına dayalı çekişmeleri ve kaygıları
azaltacaktır. Global akıllı şebeke entegrasyonu ile enerji
üreten ülkelerin, enerji arzlarını dünya ile paylaşmaları
kolaylaşabilecektir. Örneğin, çöl ortasında küçük ölçekli
güneş paneli tarlası kuran bir lokal üretici, üretimini global
bir pazarın hizmetine sunma avantajına sahip olabilecek,
böylece enerji pazarı derinleşebilecektir. Bu imkanın sosyoekonomik etkileri, dünyayı daha global kılacak, ülke sınırları
biraz daha önemini yitirir duruma gelecektir.
c) Global akıllı şebeke üzerinden global ölçekte
haberleşme, uzaktan ölçme ve kontrol imkanları iyileşecektir.
Bu uluslararası bilimsel araştırma ve gözlem istasyonlarının
çalışmalarını kolaylaştırabilecektir.
4. Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası
Önceki bölümde bahsi geçen imkan ve beklentilerin
gerçekleşebilmesi için şu hususların göz önünde tutulması
gerekmektedir.

Hane ölçeğinde yapılması gerekenler:
a) Akıllı sayaçlar, asgari olarak mikrobilgisayar, bellek
ve haberleşme birimlerine sahip olmalıdır. Bu cihazlar hem
uzak–alan
haberleşmesi
(GSM/GPRS,
PLC,
uydu
haberleşmesi) hem de bina içi güç sistemlerine erişim
sağlayabilmesi için yakın-alan haberleşme modüllerine
(ZigBee, Wi-Fi, Power-line vs) sahip olmalıdır.
(b) Yenilebilir enerji sistemlerinin (Güneş ve rüzgar)
hanelerde yaygınlaştırılması ve akıllı sayaçlar ile yönetilebilir
olması sağlanmalıdır. Böylelikle, akıllı sayaç programları
tarafından ev içi güç yönetimi, şebekeye enerji ihracı gibi
işlevleri yerine getirebilmelidir.
(c) Ev cihazları, akıllı sayaçlar ile haberleşebilir ve
yönetilebilir olmalıdır. Geleneksel cihazlara bu uyumu
5. Sonuçlar
Bu çalışmada, akıllı şebekeler, haberleşme ve
kontrol uygulamaları açısından değerlendirildi ve bu
uygulamaların yaygınlaştırıldığı geleceğin dünya için, hane,
site, şehir, ülke ve global ölçekte projeksiyonlar yapıldı ve
beklentiler irdelendi. Enerji sistemlerin daha akıllı yönetimi
ve etkin kullanımı için haberleşme ve kontrol sistemlerini
bünyesinde barındıran akıllı şebeke mimarilerinin genel
yapısı, işlevsel olarak iç-içe geçmiş güç-kontrol-haberleşme
katmanları olarak tasvir edilebilmektedir. Bu mimari
üzerinden yapılan yakın geleceğe ait projeksiyonların akıllı
şebekeler konusu ile ilgilenen akademik, endüstriyel ve
kamusal paydaşlara yol gösterici olması amaçlanmıştır. Bu
12
çalışmanın yakın gelecekte hayata geçmesi mümkün
olabilecek olan akıllı uygulamalarının, kamuoyu nezdinde
daha anlaşılabilir olması yönünde katkı sağlayabileceğini
umuyoruz.
[16]
Kaynakça
[1] Y. Cunjiang, Z. Huaxun, Z. Lei, "Architecture Design
For Smart Grid," Energy Procedia, Cilt: 17, s:15241528, 2012.
[2] C. Liu, Q. Zeng, Y. Liu, "A Dynamic Load Control
Scheme for Smart Grid Systems," Energy Procedia, Cilt:
12, s:200-205, 2011.
[3] R.E. Brown, "Impact of Smart Grid on Distribution
System Design," IEEE Power and Energy Society
General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical
Energy in the 21st Century, Pittsburgh, PA, s:1-4, 2008.
[4] B.B. Alagoz, A. Kaygusuz, A. Karabiber, "A user-mode
distributed energy management architecture for smart
grid applications," Energy, Cilt: 44, s:167-177, 2012.
[5] AA. Bayod-Rujula, "Future development of the
electricity systems with distributed generation,” Energy
Cilt: 34, s:377-8, 2009.
[6] S. Grijalva, M.U. Tariq, “Prosumer-based smart grid
architecture enables a flat, sustainable electricity
industry", Innovative Smart Grid Technologies (ISGT)
IEEE PES,” s:1-6, 2011.
[7] P. Vytelingum, T.D. Voice, S.D. Ramchurn, A. Rogers,
N.R. Jennings, “Agent-based micro-storage management
for the smart grid," The ninth international conference
on Autonomous Agents and Multiagent Systems
(AAMAS 2010), s:39-46, 2010.
[8] E. Kabalci, Y. Kabalci, I. Develi, "Modelling and
analysis of a power line communication system with
QPSK modem for renewable smart grids," Electrical
Power and Energy Systems, Cilt: 34, s:19–28, 2012.
[9] S.S.S.R. Depuru, L. Wang, V. Devabhaktuni, "Smart
meters for power grid: Challenges, issues, advantages
and status," Renewable and Sustainable Energy Reviews,
Cilt: 15, s:2736–2742, 2011.
[10] D. Rech, A. Harth, "Towards a Decentralised
Hierarchical Architecture for Smart Grids," Proceedings
of the 2012 Joint EDBT/ICDT Workshops, New York,
USA, s:111-115, 2012.
[11] Y. Zhang, W. Sun, L. Wang, H. Wang, R.C. Green, M.
Alam, "A Multi-Level Communication Architecture of
Smart Grid Based on Congestion Aware Wireless Mesh
Network," North American Power Symposium (NAPS),
Boston, MA, s:1-6, 2011.
[12] W. Wang, Y. Xu, M. Khanna, "A survey on the
communication architectures in smart grid," Computer
Networks, Cilt:55, s:3604–3629, 2011.
[13] A. Usman, S.H. Shami, "Evolution of Communication
Technologies for Smart Grid applications," Renewable
and Sustainable Energy Reviews, Cilt: 19, s:191–199,
2013.
[14] P. Lee, L. Lai, "A practical approach to wireless GPRS
on-line power quality monitoring system," IEEE Power
engineering society general meeting, s:1-7, 2007.
[15] P.
Rengaraju,
C.H.
Lung,
A.
Srinivasan,
"Communication requirements and analysis of
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
13
distribution networks using WiMAX technology for
smart
grids,"
Eighth
international
wireless
communications and mobile computing conference
(IWCMC), s:666–670, 2012.
P. Parikh, M. Kanabar, T. Sidhu, "Opportunities and
challenges of wireless communication technologies for
smart grid applications," IEEE power and energy society
general meeting, s:1-7, 2010.
S. Galli, A. Scaglione, Z. Wang, "Power line
communications and the smart grid," First IEEE
international conference on smart grid communications
(SmartGridComm), s:303-308, 2010.
P. Yi, A. Iwayemi, C. Zhou, "Developing ZigBee
deployment guideline under WiFi interference for smart
grid applications," IEEE Transactions on Smart Grid,
Cilt: 2, s:110-120, 2011.
J. Norair, Introduction to dash7 technologies, Dash7
Alliance Low Power RF Technical Overview, 2009.
P. Jarventaustaa, S. Repoa, A. Rautiainena, J.
Partanenb, "Smart grid power system control in
distributed generation environment," Annual Reviews in
Control, Cilt: 34, s: 277-286, 2010.
O.M. Toledo, D.O. Filho, A.S.A.C. Diniz, "Distributed
photovoltaic generation and energy storage systems: A
review," Renewable and Sustainable Energy Reviews,
Cilt: 14, s:506–511, 2010.
G.C. Bakos, N.F. Tsagas, "Techno economic assessment
of a hybrid solar/wind installation for electrical energy
saving," Energy and Buildings, Cilt: 35, s:139–145,
2003.
Office of the National Coordinator for Smart Grid
Interoperability. NIST Framework and Roadmap for
Smart Grid Interoperability Standards, Release 1.0, U.S.
National Institute of Standards and Technology Special
Publication 1108 (online), 2009. Available at
http://www.nist.gov/public_affairs/releases/upload/
smartgrid_interoperability_final.pdf.
E.F. Camacho, T. Samad, M. Garcia-Sanz, I. Hiskens,
"Control for Renewable Energy and Smart Grids," The
Impact of Control Technology. T. Samad and A.M.
Annaswamy.
Editors,
2011,
Available
at
www.ieeecss.org.
K. Martin, "Synchrophasor Standards DevelopmentIEEE C37.118 &IEC 61850," Proceedings of the 44th
Hawaii International Conference on System Sciences,
Hawaii, 2011.
IEEE standard for Synchrophasors for Power Systems,
IEEE C37.118- 2005
M.G. Kanabar, I. Voloh, D. McGinn, "A review of smart
grid standards for protection, control, and monitoring
applications," 65th Annual Conference for Protective
Relay Engineers, s:281-289, 2012.
G. K. Venayagamoorthy, "Innovative Smart Grid Control
Technologies," IEEE Power and Management Meeting,
s: 1-5, 2011.
S. T. Mak, N. Farah, "Synchronizing SCADA and smart
meters operation for advanced smart distribution grid
applications," Innovative Smart Grid Technologies
Conference,
Washington,
USA,
s:1-7,
2012.
Şebeke Bağlantılı PV Güç Sistemlerinde Ada Modlu Çalışma
(ADMÇ) ve Tespit Yöntemleri
Gökay BAYRAK1, Mehmet CEBECİ 2
1,2
Fırat Üniversitesi, Elazığ
[email protected], [email protected]
ada modlu çalışma (ADMÇ) problemi gelmektedir. Şekil 1’de,
ADMÇ durumunu gösteren genel yapı gösterilmiştir.
Özetçe
Günümüzde fotovoltaik (PV) güç sistemleri, yenilenebilir
enerji kaynakları içerisinde önemli bir yere sahiptir. Özellikle
şebeke bağlantılı (ŞB) PV sistemlerin gelişmesi ile PV
sistemler ve elektrik şebekesi arasındaki etkileşimlerin
incelenmesi de önemli bir konu olarak ortaya çıkmıştır.
Dağıtık güç üretim (DG) sistemlerinin elektrik şebekesi ile
uyumlu bir şekilde çalışabilmesi, sürdürülebilir ve güvenilir
bir çalışmanın oluşturulabilmesi, bu konuların en başında
gelmektedir. Bir dağıtım sisteminin, güç sisteminin kalan
kısmından elektriksel olarak izole edildiğinde, enerji akışının
halen kendisine bağlı bulunan DG tarafından devam ettirilmesi
durumu olarak tanımlanan Ada Modlu Çalışma (ADMÇ)
durumu, (ŞB) PV sistemlerin şebeke ile olan etkileşiminde
karşılaşılan problemlerin en başında yer almaktadır. Bu
çalışmada, ŞB PV sistemlerde oluşan ADMÇ durumu ortaya
konularak, ADMÇ’nin neden olduğu sorunlar ve konu ile ilgili
mevcut standartlar açıklanmıştır. Çalışmada ayrıca PV
sistemlerde
kullanılan
ADMÇ
tespit
yöntemleri
sınıflandırılarak, genel çalışma prensipleri araştırılmıştır.
Çalışmada incelenen ADMÇ tespit yöntemlerinin birbirlerine
karşı olan üstünlükleri ve eksiklikleri de değerlendirilerek,
ADMÇ hakkındaki mevcut durum ortaya konulmuştur.
Şekil 1: ADMÇ durumunu gösteren genel yapı
ADMÇ, bir dağıtım sistemi güç sisteminin kalan kısmından
elektriksel olarak izole edildiğinde, enerji akışının halen
kendisine bağlı bulunan DG tarafından devam ettirilmesi
durumudur [1]. ADMÇ, mevcut sistemde bazı sorunlara neden
olmaktadır. Bunlardan bazıları aşağıda açıklanmıştır:

ADMÇ, primer kaynakların açılması ya da
kapanmasından sonra, sistemi besleyen DG kaynakları
için ve hatta çalışanların güvenliği için tehdit
oluşturmaktadır.

ADMÇ’de, gerilim ve frekans, izin verilen standart
değerlerinin dışına çıkmaktadır.

Adalanan sistem, DG bağlantısı nedeni ile yetersiz bir
şekilde topraklanmış olabilmektedir.

Ani tekrar kapama, DG’nin faz dışına çıkmasına neden
olabilmektedir. Bu durum, büyük mekanik momentler ve
akımlar üretebilmekte ve generatörlere ya da primer
cihazlara zarar verebilmektedir [2,3]. Aynı zamanda,
şebekeye ve diğer müşteri ekipmanlarına potansiyel zarar
verme durumu olan geçici durumlar da oluşabilmektedir.
Faz dışı tekrar kapama, eğer bir pik gerilim değerinde
oluşursa, çok çeşitli kapasitif anahtarlama geçici
bileşenleri üretebilmekte ve hafif sönümlü bir sistemde
nominal gerilimin 3 katı büyüklükte bir tepe gerilimine
neden olabilmektedir [4,5].
Genellikle bir dağıtım sistemi, herhangi güç üreten aktif bir
kaynağa sahip değildir ve iletim hattında bir arıza oluştuğunda
güç elde etmemektedir. Ancak DG’de bu öngörü geçerli
değildir. Mevcut çalışmalar, ADMÇ meydana geldiğinde,
mümkün olan en kısa sürede DG’nin elektrik şebekesinden
ayrılması gerekliliğini ortaya koymaktadır. IEEE 929-2000
standardı [6], ADMÇ meydana geldiğinde, DG’nin sistemden
ayrılması gerektiğini söylemektedir.
IEEE 1547-2003
standardı da [7], istenilmeyen bir ADMÇ durumunun
maksimum 2 sn içerisinde tespit edilmesi gerektiğini ve
1. Giriş
Günümüz güç sistemi, büyük güç merkezlerinin senkronize
şekilde işletildiği, üretilen gücün yüksek gerilimlerde uzun
iletim hatları boyunca iletildiği ve tüketici tarafında bu
gerilimin düşürüldüğü bir yapıya sahiptir. Bu durum, üretilen
elektriğin maliyetinin, küçük ölçekli üretim yapan tesislerden
daha ucuz olmasını sağlamak amacı ile gerçekleştirilmektedir.
Ancak yakıt pili, gaz türbinleri, rüzgar türbinleri ve güneş
pilleri teknolojilerindeki gelişmeler, güç elektroniğindeki
yenilikler, elektrik piyasasının yeniden düzenlenmesini
gerektirmektedir. Müşterilerin güç kalitesi ve güvenilirlik
açısından talepleri ve güç endüstrisi üzerindeki çevre ile ilgili
endişeler, dağıtık üretimin önemini arttırmaktadır.
Dağıtık üretim, yüke yakın üretim yapacak şekilde kurulan
merkezi üretim merkezleri dışında kalan ve genellikle müşteri
tarafında yer alan üretim kaynakları olarak tanımlanabilir.
Dağıtım sisteminde DG sayısının artması, iletim ve dağıtım
kapasitesindeki yükselmelerden sakınılmasını, iletim ve
dağıtım hattı kayıplarının azaltılmasını, güç kalitesinin
geliştirilmesini ve sistemin gerilim profilinin geliştirilmesini
sağlayacaktır. Gerçekte, dünya üzerindeki çoğu şebeke
sistemlerinde DG’nin belirgin bir etkisi vardır. Bu nedenle DG
ile şebeke arasında birçok sorun vardır ve bunların en başında
14
dağıtım hattına enerji aktaran tüm DG’lerin bu durumda çeşitli
sorunlar ile karşı karşıya kalacağını belirtmektedir. Bu
nedenlerden dolayı, ADMÇ’yi hızlı ve doğru bir şekilde tespit
etmek önemlidir [8-11].
Bu çalışmada, ŞB PV sistemlerde oluşan ADMÇ durumu
ortaya konularak, ADMÇ’nin neden olduğu sorunlar ve konu
ile ilgili mevcut standartlar açıklanmıştır. Çalışmada ayrıca
PV sistemlerde kullanılan ADMÇ tespit yöntemleri
sınıflandırılarak, genel çalışma prensipleri araştırılmıştır.
Çalışmada incelenen ADMÇ tespit yöntemlerinin birbirlerine
karşı olan üstünlükleri ve eksiklikleri de değerlendirilerek,
ADMÇ hakkındaki mevcut durum ortaya konulmuştur.
RLC yük değerlerine bağlı olarak hesaplanan normalize
edilmiş Cnorm ve Lnorm değerlerine göre değerlendirme
yapılabilmektedir.
2.2. Lokal Yük Eşdeğer Modeli
ADMÇ yöntemlerinin değerlendirilmesinde, lokal yük
genellikle paralel RLC yükü ile modellenmektedir. Bunun
sebebi, ADMÇ yöntemlerinin ADMÇ’yi tespiti için en zor
çalışma durumunun paralel RLC yükü ile oluşturulmasıdır.
Sabit güçlü ya da harmonik içeren nonlineer yükler,
ADMÇ’nin tespitinde paralel RLC yükü kadar zorluk
oluşturmamaktadır.
2. ADMÇ İle İlgili Temel Kavramlar
2.3. Kalite Faktörü (Qf)
IEEE 929-2000 standardına göre, eğer gerçek güç üretimi,
yükün talep ettiği gücün % 50’si ve ada modlu çalışan yükün
güç faktörü > 0.95 ise inverter, şebeke bağlantısını, güç
kalitesi 2.5 ya da daha küçük olacak şekilde, 2 saniye
içerisinde kesmelidir.
Bu standarda göre kalite faktörü; her periyotta depo edilen
maksimum enerjinin, bir periyotta kaybedilen toplam enerjiye
oranının 2*pi katı olarak ifade edilmektedir.
Kalite faktörü değeri, 0 ile 2.5 arasında değişmektedir ve
bu değişim paralel RLC yüküne bağlı olarak değişmektedir.
Kalite faktörü bu aralıkta değişirken, güç faktörü de 1 ile 0.37
aralığında değişmektedir. Yani kalite faktörü artarken, güç
faktörü azalmaktadır. Kalite faktörünün 0-2.5 arasındaki
değerleri, dağıtım hattının ve lokal yük konfigürasyonlarının
tüm problemli durumlarına karşılık gelebilmektedir.
ADMÇ ile ilgili yapılan çalışmalarda, ADMÇ ile ilgili
kullanılan yöntemlerin performanslarının değerlendirilmesinde
iki önemli kavram üzerine vurgu yapılmıştır. Bunlardan ilki,
tanımlanamayan bölge (NDZ = Non Detection Zone) kavramı,
diğeri ise kalite faktörü (Qf) kavramıdır. Her iki özellik de,
ADMÇ’yi
belirleme
yöntemlerinin
performanslarının
değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
2.1. NDZ (Non Detection Zone) Kavramı
NDZ kavramı, ADMÇ yöntemlerinin, ADMÇ’yi tespit
edemediği yük aralığı bölgesi olarak tanımlanmaktadır.
Buradaki yük, ADMÇ olayının gerçekleşme olasılığına sahip
olan yükleri ifade etmektedir.
Eğer şebeke tarafına bağlı olan kesici açıldığında (şebeke
bağlantısı kesildiğinde), ada modlu çalışan sistemde bir aktif
güç dengesizliği
ve reaktif güç dengesizliği
varsa,
devredeki PCC noktasındaki gerilim ve frekansın büyüklüğü,
inverter ve yükün aktif ve reaktif güçlerinin eşit olduğu bir
noktaya kayacak ve değişecektir. Güç dengesizliğinin büyük
olduğu durumlarda, UFP/OFP (Under Frequecy Protection /
Over Frequecy Protection ) veya UVP/OVP (Under Voltage
Protection / Over Voltage Protection ) yöntemleri ile ADMÇ
durumu tespit edilebilmektedir. Ancak sistemdeki yükün
karakteristiklerine bağlı olarak,
ve
güç
dengesizliklerinin küçük olduğu durumlarda, UFP/OFP ve
UVP/OVP cihazlarının kesiciyi anahtarladıkları noktalar ile
ve
güç farkları tarafından belirlenen, ADMÇ'nin tespit
edilemediği bir bölge (NDZ) oluşmaktadır. Şekil 2’de bu
bölge gösterilmiştir. Burada taralı alan ile gösterilen bölgede,
ve
güç farklarına bağlı olarak ADMÇ tespit
edilememektedir.
(
)
⁄
√
(2.1)
Denklem 2.8, paralel RLC yükünün kalite faktörünün,
frekanstan bağımsız olduğunu göstermektedir. Akım
kaynağının frekansının, yükün frekansına eşit olduğu
düşünüldüğünden, yükün gerilimi ile akımı aynı fazda
olacaktır ve yükün geriliminin büyüklüğü sadece yükün direnç
değerine bağlı olacaktır.
3. ADMÇ İle İlgili Mevcut Standartlar
ADMÇ, DG’lerde çalışan personele ya da şebekeye
güvenlik açısından problem oluşturmaktadır. Bu nedenle,
DG’lerin ADMÇ ile ilgili standartları sağlamaları gereklidir.
Bu standartlar, ADMÇ önleme yöntemlerinin geliştirilmesinde
de önemli bir yol haritasıdır. Özellikle IEEE-1547, IEEE-929,
IEC-62116, Japon ve Kore standartları incelemeye değer
standartlardır.
Tablo 1, ADMÇ ile ilgili mevcut bazı standartlarda yer alan
kriterleri göstermektedir. IEEE-929 standardında kalite
faktörü değeri Qf = 2.5 olarak seçilirken, Japon standartlarında
Qf = 0, diğer standartlarda ise Qf = 1 olarak seçilmiştir. Kalite
faktörüne ek olarak, gerilimin ya da frekansın normal çalışma
aralığı da, ADMÇ belirleme kapasitesini etkilemektedir.
Buradan hareketle, ADMÇ’nin en geç 2 saniye içerisinde
tespit edilmesi gerektiği görülmektedir. Bu aralığın, her ülke
için kabul edilmiş şebeke gerilim veya frekans aralığını takip
edecek şekilde düzenlenmesi bu açıdan önemlidir. Bu nedenle
ülkemizde de böyle bir düzenlemeye ihtiyaç olduğu açıktır.
Şekil 2: ADMÇ’de NDZ bölgesinin genel görünümü
Aktif yöntemler, NDZ konusunda pasif yöntemlere göre
oldukça üstündürler. Ancak NDZ değeri bu yöntemlerin
performansını değerlendirmek için yeterli bir kriter değildir.
Aktif yöntemlerde NDZ’nin değerlendirilebilmesi için gerçek
15
PV sistemler için ADMÇ’yi de içeren test standartları,
IEEE 929-2000 (Recommended Practice for Utility Interface
of Photovoltaic Systems) ile belirtilmiştir [5]. IEEE-929
standardı, normal olmayan şebeke koşullarında PV
inverterlerin güvenlik ve koruma fonksiyonları ile ilgili
kriterleri de belirlemiştir. Bu normal olmayan koşullar, gerilim
ve frekans değişimi ile istenmeyen elektrik adalarının
oluşmasına neden olan şebekenin kesilmesi durumlarıdır.
IEEE-929’a göre hangi durumlarda ve en fazla ne kadar
zaman içinde inverterin şebekeden ayrılması gerektiği Tablo
1’de gösterilmiştir [3,7].
Şebeke empedansındaki değişiklikler, şebekeyle paralel
çalışan inverterlerin kararsızlığa gitmesine neden olur. Bu
nedenle EN50330-1 gibi standartlar şebeke empedansında 0.5
değişim meydana geldiğinde, 5 saniye içinde inverterin
şebekeden ayrılmasını şart koşmaktadır. Bu amaçla şebeke
empedansının sürekli olarak ölçülmesi ve izlenmesi gereklidir.
4.1. Yerel Yöntemler
Bu yöntemler, gerilim ve frekans gibi, DG tarafındaki
sistem
parametrelerinin
ölçülmesine
dayalı
olarak
çalışmaktadırlar. Bu yöntemler pasif ve aktif yöntemler olarak
iki ana başlık altında toplanmıştır.
4.1.1.
Pasif yöntemler, PCC (Point of Common Coupling)
noktasındaki gerilim, frekans, harmonik bozulma vb. sistem
parametrelerindeki
değişimin
ölçülmesi
üzerine
çalışmaktadırlar. ADMÇ olayı gerçekleştiğinde, bu
parametreler büyük miktarda değişim gösterir. Şebeke
bağlantılı durum ile ADMÇ durumu arasındaki farklılık, bu
parametreler için belirlenen eşik değerleri ile karşılaştırılır.
ADMÇ’yi sistemdeki diğer arızalardan ayırt etmek için, eşik
değerleri belirlenirken dikkatli olunmalıdır. Pasif yöntemler
genellikle hızlıdır ve sistemde bir bozulmaya neden olmazlar.
Ancak ADMÇ’nin tespitinde hatalara neden olan, büyük bir
algılanamayan bölgeye (NDZ) sahiptirler.
Pasif ADMÇ yöntemleri, aşağıda detaylı olarak
açıklanmıştır:
Tablo 1: IEEE 929-2000 standartlarına göre ADMÇ kriterleri
Durum
En Büyük Açma
Zamanı
Frekans
Gerilim
1
fnom
0.5 Vnom
2
fnom
0.5 Vnom < V <
0.88 Vnom
2 saniye/120 periyot
3
fnom
0.88 Vnom ≤ V
1.10 Vnom
Normal Çalışma
4
fnom
1.10 Vnom < V <
1.37 Vnom
2 saniye/120 periyot
5
fnom
1.37 Vnom ≤ V
6
(fnom-0.7) ≤ f ≤
(fnom+0.5) Hz
Vnom
Normal Çalışma
7
f < (fnom-0.7) Hz
Vnom
6 periyot
8
f > (fnom+0.5) Hz
Vnom
6 periyot
Pasif Yöntemler
4.1.1.1. Frekans Koruma ve Gerilim Koruma Yöntemi
6 periyot
Üst/alt frekans koruma (Under/Over Frequency Protection UFP/OFP) ve üst/alt gerilim koruma (Under/Over Voltage
Protection (UVP/OVP) yöntemleri, standart röle koruma veya
anormal gerilim koruma olarak ta bilinmektedir. Bu yöntemler
ŞB PV sistemler için temel bir koruma olarak
kullanılmaktadır. OFP/UFP ve OVP/OFP yöntemleri, tüm
şebeke bağlantılı PV sistemler için gereklidir. PCC noktası
geriliminin veya frekansının belirlenen eşik değerleri aştığı
durumda, bu yöntemler ile DG, şebekeye güç aktarmayı
durdurmaktadır. OFP/UFP ve OVP/OFP yöntemleri,
korumanın yanında, ADMÇ’yi tespit etmek için de
kullanılmaktadırlar.
ŞB bir PV sistemde, güç akışı Şekil 4’te gösterilmiştir.
Burada PCC noktası, şebeke ve inverter arasındaki ortak
bağlantı noktasıdır. Bir PV inverter, OVP/UVP veya
OFP/UFP fonksiyonları ile donatıldığında, inverterin standart
röleler kullanarak temel pasif ADM önleme yöntemine sahip
olduğu düşünülür. Şebeke bağlantılı tüm inverterlerin, yazılım
ile geliştirilmiş bu standart rölelere sahip olması gereklidir.
2 periyot
4. ADMÇ Tespit Yöntemleri
ADMÇ’nin tespitindeki ana düşünce, DG çıkış
parametrelerini ve/veya sistem parametrelerini görüntülemek
ve bu parametrelerdeki değişimden faydalanarak, ADMÇ’nin
oluşup oluşmadığına karar vermektir. ADMÇ tespit
yöntemleri, uzaktan izleme ve yerel yöntemler olmak üzere iki
ana başlık altında toplanabilir. Yerel yöntemler de pasif, aktif
ve hibrit yöntemler olarak üç ana başlık altında incelenebilir.
Şekil 3, bu yöntemlerin sınıflandırılmasını göstermektedir.
Şekil 4: ŞB bir PV sistemde güç akışı
PV tarafından üretilen güç (PPV), yükün harcadığı güçten
(Pload) daha küçük olduğu durumda, PCC noktasındaki gerilim
(VPCC), eşdeğer giriş ve çıkış gücünü dengelemek amacı ile
arttırılmalıdır. Eğer lokal yük ve PV sistem gücü birbirine
eşitse, ADMÇ’nin tespiti oldukça zor olacaktır. Bu yöntemin
cevap süresi değişken olduğundan dolayı, OVP/UVP koruma
ADMÇ’yi önlemek için doğru şekilde tetikleme
yapamayacaktır.
Şekil 3: ADMÇ tespit yöntemleri
16
4.1.1.2. Çıkış Gücü Değişim Oranı (ROCOP) Yöntemi
Vektör kaydırmanın ADMÇ’deki etkinliği, DG çıkış
gücündeki ani değişimin büyüklüğü ile ilişkilidir. Bu nedenle,
yükün talep ettiği güç ile üretilen güç arasındaki fark yetersiz
olduğunda, şebeke bağlantısının tespitinde problem
yaşanmaktadır. Röleyi aktive edebilmek için, aradaki bu farkın
en azından nominal gücün %15’i ile %20’si arasında bir
değerde olmalıdır. Röle 10 derece ile ayarlandığında,
ADMÇ’nin tespiti için %30’luk bir güç farkı gerekmektedir.
DG tarafındaki çıkış gücü değişim oranı
ADMÇ
durumunda, aynı yük değişim oranı için, çıkış gücü değişim
oranından çok daha büyük bir değer alacaktır. Bu yöntem,
DG’ye sahip dağıtım sisteminde, dengeli yüke nazaran,
dengesiz yükün olduğu durumlarda daha etkili bir yöntemdir.
4.1.1.3. Frekans Değişim Oranı (ROCOF) Yöntemi:
Frekans değişim oranı
DG, ADM çalıştığında çok
yüksek bir değere sahip olacaktır.
ROCOF rölenin çalışma performansını anlamak için, Şekil
5’te gösterilen ROCOF röle modeli kullanılmıştır. DG
terminalindeki gerilim sinyalleri, PLL (Phase Locked Loop)
döngüsüne gönderilir. PLL, temel bir frekans sinyali üretir ve
bu sinyal bir türev alıcı devreden geçirilir. Buradan çıkan
sinyal, filtrelerin zaman sabitini ve kabul edilen ölçüm
penceresini temsil eden zaman sabiti olan Ta‘yı içeren, birinci
dereceden bir transfer fonksiyonuna aktarılır.
4.1.1.5. Frekans/Güç Değişim Oranı Yöntemi
oranı, küçük kapasiteli bir üretim sisteminde,
büyük kapasiteli bir üretim sistemine göre daha büyüktür.
değişim oranı, bu durumdan yararlanarak ADMÇ’yi
tespit etmek için kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalarda, DG
ve yükler arasındaki güç farkının küçük olması durumunda,
oranının, frekansın zamana göre değişim oranına
göre daha hassas sonuçlar verdiği görülmüştür [2].
4.1.1.6. Faz Sıçraması Tespit (PJD) Yöntemi
PJD (Phase Jump Detection) yöntemi, inverter terminal
gerilimi (VPCC) ile inverter çıkış akımı (IPV_inv) arasındaki faz
farkının, Şekil 7’deki gibi ani bir faz sıçraması için
görüntülenmesine dayanan bir yöntemdir [9].
Bu yöntemde, şebeke bağlantılı inverterlerin birim güç
faktörüne sahip olmaları gerekmektedir. Çünkü PJD
yöntemindeki NDZ, yalnızca güç faktörüne bağlıdır. ADMÇ
boyunca güç faktörü ise lokal yüke bağlıdır. Eğer inverter
birim güç faktöründe çalışmazsa, NDZ değişebilir. Bu nedenle
PJD yöntemi, güç faktörü tespiti veya geçici faz tespiti olarak
ta bilinir. PJD uygulama olarak avantajlı ve uygulaması kolay
olsa da, güvenilir ADMÇ belirleme işlemi için eşik
değerlerinin seçilmesinin zorluğu, yöntemin verimini
düşürmektedir.
Şekil 5: ROCOF röle modeli blok diyagramı
Eğer frekans değişimi oranı, belirlenen eşik değerini aşarsa,
bir tetikleme sinyali üretilecektir. 50 Hz’lik bir sistem için
ROCOF ayarları, 0.1 Hz/s ‘den 1.0 Hz/s’ye kadar değişebilir.
Bu değer sistemin sağlamlığına bağlıdır ve daha kuvvetli bir
sistemde daha küçük bir değer alır. İngiltere’de ROCOF
röleleri genellikle 0.125 Hz/s değerine, Kuzey İrlanda’da ise
0.45 Hz/s ile 0.5 Hz/s aralığında ayarlanmaktadır [6].
ROCOF röleleri ile ilgili en önemli problem, bu röleleri
üreten farklı üretici firmaların ürünlerinde, aynı sistem
olayında bile, aynı ayarlar yapılmasına rağmen, farklı
cevapların alınmasıdır. Bunun nedeni, bu rölelerde frekans
değişimi oranının tespitinde kullanılan algoritmaların
birbirinden farklı olmasıdır.
4.1.1.4. Vektör Kaydırma Yöntemi
Faz yer değiştirme, faz sıçrama veya vektör darbe yöntemi
olarak ta bilinmektedir. Bu yöntem, ADMÇ’yi, faz
değişiminin görüntülenmesi yolu ile tespit etmektedir.
İzlenen gerilimin faz açısındaki değişim, ayarlanan değeri
bir kez aştığında, vektör kaydırma rölesi, DG tarafını ani bir
tetikleme üreterek uyarmaktadır. Şekil 6’da bu durum
gösterilmiştir. Gerilim vektör kaydırma röleleri için genel
ayarlar, 6 ve 12 derece arasında değişmektedir. Zayıf yapılı
şebekelerde, anahtarlama ya da ağır müşteri yükleri
durumunda yanlış çalışmayı önlemek amacı ile röle ayarının
nispeten yüksek seçilmesi önerilmektedir. İngiltere’de vektör
kaydırma rölelerinin ayarları ETR-113 standartlarına göre 6°,
Kuzey İrlanda’da ise 10° ile 12° arasında seçilmektedir [6].
Şekil 7: PJD yöntemine ilişkin ADMÇ tespit durumu
4.1.1.7. Empedans Değişimi Yöntemi
Şebeke empedansı, ADMÇ durumundaki sistemin
empedansından belirgin şekilde daha küçüktür. Ada modlu
çalışan bölgenin empedansı, şebeke devreden çıktığından
itibaren artacaktır [10,11]. Kaynak empedansının sürekli
olarak izlenmesi, sistemin ada modlu çalışıp çalışmadığı
konusunda bir fikir vermektedir.
4.1.1.8. Harmonik Bozulma Yöntemi
Yükün konfigürasyoundaki ve miktarındaki değişim,
özellikle inverter içeren DG sistemlerde, şebekede farklı
harmonik akımlara yol açabilmektedir. ADMÇ’yi tespit
etmede kullanılan bir yöntem de, ADMÇ olayından önce ve
Şekil 6: ADMÇ durumunda gerilim dalga şeklinin değişimi
17
hızının yavaş olması ve DG’nin birim güç faktöründe üretim
yaptığı sistemlerde kullanılamamasıdır.
sonra, DG terminal geriliminin toplam harmonik bozulma
(THD) miktarındaki değişimin görüntülendiği yöntemdir.
DG’nin geriliminin 3. harmoniğindeki değişim de, ADMÇ’nin
tespitinde iyi bir fikir verebilmektedir [8]. Bu yöntem, akımın
toplam harmonik bozulması ve gerilim dengesizliği gibi iki
parametreyi kullanmaktadır. Bununla birlikte, bu yöntem
yüksek kalite faktörü problemini çözememiştir ve eşik
değerlerini belirlemek de oldukça zordur [9].
4.1.2.2. Empedans Ölçüm Yöntemi
Bu yöntemin çalışma mantığı, pasif yöntemdeki ile aynıdır.
Pasif yöntemde, bir şönt indüktans, besleme gerilimine belirli
zaman aralıkları ile eklenmekte, kısa devre akımı ve kaynak
gerilimindeki azalma güç sisteminin kaynak empedansının
hesaplanmasında kullanılmaktadır [9]. Bununla birlikte, aktif
yöntemde, bir gerilim bölücü üzerinden DG terminaline
yüksek frekanslı bir sinyal eklenmektedir. Bu yüksek frekanslı
sinyal, şebeke bağlantısı koptuğunda çok belirgin bir değişim
göstermektedir [10].
4.1.2. Aktif Yöntemler
Aktif yöntemler, yük ve üretim sistemi arasındaki güç
farkının minimum olması durumunda bile ADMÇ’yi tespit
edilebilen yöntemlerdir. Pasif yöntemlerde, yük ve üretim
sistemi arasındaki güç farkının minimum olması durumunda
ADMÇ’nin tespiti mümkün değildir. Aktif yöntemler, bozucu
sinyallerin sisteme eklenmesi ile doğrudan güç sistemi ile
etkileşime girerler. Aktif yöntemlerin ana fikri, DG’de ADMÇ
meydana geldiğinde, sistemde PCC noktasına eklenen küçük
bozucu sinyallerin,
sistem
parametrelerinde
büyük
değişikliklere neden olacağı üzerine kuruludur. Oysa, DG
şebekeye bağlandığında bu değişiklikler ihmal edilebilecek
düzeyde olacaktır. Şekil 8, aktif yöntemlerin ADMÇ
durumundaki genel yapısını göstermektedir.
Aktif yöntemler, PCC’deki gerilim veya frekans
parametrelerindeki değişiklikleri tespit eden geri besleme
kontrol yöntemine sahiptir. Bu durumda, PV inverter bir akım
kaynağı gibi davrandığında, şebekeye sağlanan akım aşağıdaki
denklem ile ifade edilir:
4.1.2.3. Faz veya Frekans Kaydırma Yöntemleri
Göreceli faz farkının ölçümü, invertere dayalı DG’lerde
ADMÇ’nin tespiti için iyi bir fikir verebilir. Fazın şeklinde,
küçük bir bozucu etki yapmak sureti ile kaydırma yapılır. DG
şebekeye bağlandığında, frekans sabit olacaktır. Sistem ada
modlu çalıştığında ise fazdaki kayma, frekansta büyük bir
değişikliğe neden olacaktır. Kayma Mod Frekans Öteleme
Algoritması (SMS) [11], pozitif geri besleme kullanarak, PCC
noktasındaki frekansın değişimi ile inverter akımının faz
açısını değiştirir. SMS yöntemine ilişkin denklem aşağıda
verilmiştir:
[
(4.1)
(
)
]
(4.2)
Burada
,
frekansında meydana gelen maksimum faz
kayması,
nominal frekans ve
de bir önceki
periyottaki frekanstır. Şekil 9, ADMÇ olayından sonra
SMS’nin çalışma prensibini göstermektedir. SMS yöntemi
olmadığında, ADMÇ noktası, gerilim ve akım arasındaki faz
kontrolünü yapan PLL kontrolü tarafından, Şekil 9’da
gösterilen A noktasına gidecektir. Diğer durumlarda, ADMÇ
noktası, denklem 4.2’de belirtilen denklem ışığında, lokal yük
çizgisinin sıfır noktası olan A noktasına hareket edecektir. A
noktası, UFR ve OFR ile belirlenen alan içinde olursa, ADMÇ
olayı tespit edilemeyecektir.
Bununla birlikte, PLL kontrolünde bir faz filtresi
kullanılarak, ADMÇ olayından sonra çalışma noktası B
noktasına taşınabilir. B noktası, UFR ve OFR ile belirlenen
alan içinde olmadığından, SMS metodunu kullanan inverter,
ADMÇ olayını yakalayabilir. Burada
; derece cinsinden
lokal yük eğrisi,
; SMS eğrisi (derece), ; inverter çıkış
gerilimi frekansı (Hz),
; SMS filtre hattının maksimum
frekansıdır (Hz).
inverter akımının genliği (
,
frekans ve
faz açısıdır. Bu
üç parametre değiştirilebilir, düzeltilebilir veya arıza sinyalleri
olarak ayarlanabilir.
Burada
Şekil 8: ADMÇ’nin tespitinde kullanılan aktif yöntemlerin
genel çalışma prensibi
ADMÇ’nin tespitinde kullanılan bazı aktif yöntemler ve
kısa çalışma prensipleri aşağıda açıklanmıştır:
4.1.2.1.Reaktif Güç Akışı Hata Tespiti (REED) Yöntemi
Bu yöntemde, DG tarafı ve şebeke arasındaki PCC
noktasındaki reaktif güç akışı kontrol edilir [11]. Bu güç akışı,
sadece şebeke bağlandığı zaman gerçekleşebilir. Eğer reaktif
güç akışı seviyesi, ayarlanan değerini koruyamazsa, ADMÇ
tespit edilebilir. Terminal gerilimindeki büyük bir değişiklik,
reaktif gücün hemen hemen hiç değişmemesini sağladığında
ADMÇ tespit edilebilir. Bu yöntemin en önemli sorunu,
Şekil 9: ADMÇ’nin tespitinde kullanılan SMS yöntemine
ilişkin eğri
18
Bu tespit yöntemi, birden fazla inverterin yer aldığı
sistemlerde de kullanılabilir. Bu yöntemin dezavantajı, yükün
faz açısının eğiminin, SMS hattından daha büyük olduğu
durumda, kararlı çalışma noktalarının kararsız çalışma
noktalarına kayabilmesi ve ADMÇ’nin tespit edilememesidir.
4.1.2.8. Sandia Frekans Öteleme (SFS) Yöntemi
SFS Yöntemi, genellikle Pozitif Geri Beslemeli Aktif
Frekans Kaydırma (AFDPF) yöntemi olarak ta bilinir ve Aktif
Frekans Kaydırma (AFD) yönteminden geliştirilen yeni bir
yöntemdir [9]. SFS yöntemi, pozitif geri besleme kullanarak,
inverter çıkış akımı dalga şekline ölü zamanlar veya kesintiler
ekleyerek, yeni bir faz açısı oluşturmaktadır. Bundan dolayı,
inverter çıkış akımı frekansı, şebeke frekansından farklı bir
değere zorlanmaktadır [10,11].
Denklem 4.3’te gösterilen kesim frekansı, şebeke
frekansındaki hatanın bir fonksiyonu olarak aşağıdaki gibi
ifade edilir:
4.1.2.4. Aktif Frekans Öteleme (AFD) Yöntemi
AFD yöntemi, inverter akımının sıfır geçişinde, Şekil 10’da
gösterildiği gibi akımın yarı periyodunun kontrolü esasına
dayanmaktadır. Burada TI ve TV, DG çıkış akımının ve
şebeke geriliminin, bir yarı periyotluk sürelerini ifade
etmektedir. TZ ise ölü zaman ya da sıfır zaman olarak
adlandırılır ve DG çıkış akımının sıfır olduğu zamanı ifade
etmektedir. Şebeke bağlantısı olmadığı durumda, inverter
birim güç faktöründe çalışarak, adalanan sistemin geriliminin
frekansını sürekli arttırıp azaltarak, lokal yükün rezonans
frekansını arayacaktır. Bu yöntem, özellikle rezistif yüklerde
oldukça etkili iken, diğer yüklerde başarısız sonuç
verebilmektedir [6].
(4.3)
Burada ( ) kesim frekansı, (K) hızlanma katsayısı, (fa),
VPCC'nin ölçülen frekansı ve (fline) hat frekansıdır.
4.1.2.9. Sandia Gerilim Öteleme (SVS) Yöntemi
SVS Yöntemi, PCC noktasındaki gerilimin genliği üzerine
dayalı olan pozitif geri besleme yöntemini kullanmaktadır.
Şebeke bağlandığında, sistemin gücü üzerindeki etkisi yoktur
ya da çok küçüktür. Fakat şebeke bağlantısı kesildiğinde, VPCC
geriliminde azalma olacaktır. Yük empedansının durumuna
göre bu azalma devam edecektir. Sonuç olarak, çıkış akımı ve
gücü de azalacaktır. VPCC gerilimindeki bu azalma, UVP ile
belirlenebilir. İnverter çıkış gücünü arttırmak ya da azaltmak,
uygun OVP/UVP yöntemleri kullanarak mümkündür ve
inverter sonunda işlemi sonlandıracaktır [5, 8, 10]
4.1.3. Hibrit Yöntemler
Şekil 10: AFD yönteminde kullanılan sinyalin değişimi
Hibrit yöntemler, hem aktif hem de pasif yöntemlerin bir
arada kullanıldığı yöntemlerdir. Aktif yöntem, sadece ADMÇ
pasif yöntem tarafından tespit edildiğinde kullanılmaktadır.
4.1.2.5. Geri Beslemeli Aktif Frekans Öteleme (AFDPF)
Yöntemi
Bu yöntem, inverter akımının ölü bölgesini arttırarak,
frekans değişimindeki artışı, nominal değerden uzak tutacak
uygun değerine ayarlamaktadır [8]. AFDPF yöntemindeki
sorun, paralel RLC yükündeki faz açısının, çalışma frekansına
bağlı olması ve bu durumun zaman zaman ADMÇ’nin
tespitini sağlayamamasıdır.
4.2. Uzaktan İzleme Yöntemleri
Uzaktan izleme yöntemleri, şebeke ve DG’ler arasındaki
iletişime dayalı olarak çalışmaktadırlar. Bu yöntemler, yerel
tekniklerden daha güvenilir olmasına rağmen, uygulama
maliyetleri yüksek ve ekonomik değildirler. Uzaktan izleme
yöntemlerinden bazıları aşağıda açıklanmıştır:
4.1.2.6. Otomatik Faz Kaydırma Yöntemi (APS)
4.2.1. Güç Hattı Sinyal (PLCC) Yöntemi
APS yöntemi, SMS yönteminin değiştirilmiş bir halidir [3].
APS yöntemi ile sadece inverter çıkış akımının başlangıç açısı,
bir önceki periyottaki frekansa göre değiştirilir.
Bu yöntemde, sistem ada modlu çalıştığında, tetikleme
noktasına ulaşıncaya kadar, inverter terminal geriliminin
frekansındaki değişim korunur. Sadece, olası kararlı çalışma
noktalarında ek faz kaydırma eklenir. APS algortiması bazen
yavaş hareket ederek, gerçek yük şartlarında ADMÇ’nin
tespitinde başarısız olabilmektedir.
PLCC yönteminde, iletim sistemindeki bir sinyal
generatörü, mevcut güç hattını sinyal yolu olarak kullanarak,
sürekli olarak dağıtım fiderlerine bir sinyal gönderir. Eğer alıcı
sinyali algılamazsa (iletim ve dağıtım sistemleri arasındaki
kesicilerin açılması nedeni ile oluşur), bir ADMÇ durumu
vardır [7-9]. Şekil 11, bu yönteme ilişkin genel yapıyı
göstermektedir. Bu yapı, çoklu DG sistemlerinde de etkin bir
şekilde kullanılabilmektedir.
4.1.2.7. Adaptif Lojik Faz Kaydırma (ALPS) Yöntemi
ALPS yöntemi, ek faz kaydırmayı düzenleyerek, her faz
kaydırmanın etkisini ayrıca değerlendirmektedir [7]. Bu
algoritma, inverter içeren DG şebekeye bağlandığında, küçük
bir faz kaydırması üretmektedir. Oysa ADMÇ hızlı bir faz
kaymasına neden olacaktır.
Şekil 11: PLCC yöntemi genel yapısı
19
4.2.2. SCADA Yöntemi (Transfer Trip Yöntemi)
Kaynakça
Bu yöntemdeki temel düşünce, bir dağıtım sisteminde
ADMÇ’ye neden olabilecek tüm kesici ve ayırıcıları
görüntülemektir.
Bu
amaçla
SCADA
sistemleri
kullanılmaktadır [6]. Bu yöntem, şebeke ile DG’ler arasında
çok iyi bir etkileşim gerektirir ve bu durum da hem şebeke
hem de DG sahipleri için maliyetleri arttırır.
W. Jian, L. Xing-yuan, Q. Xiao-yan, “Power System Research
on Distributed Generation Penetration”, Automation of Electric
Power Systems, vol. 29(24), pp. 90-97, 2005.
[2] J. Mulhausen, et al. “Anti-islanding today, successful islanding
in the future.” in Protective Relay Engineers, 63rd Annual
Conference for 2010.
[3] T. Ackermann, G. Andersson, and L. Söder, “Distributed
generation: a definition.” Electric Power Systems Research, vol.
57(3): p. 195-204. 2001.
[4] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of
Photovoltaic (PV) Systems, in IEEE Std 929-2000, 2000.
[5] IEEE Application Guide for IEEE Std 1547, IEEE Standard for
Interconnecting Distributed Resources with Electric Power
Systems, p. 1-207, 2009.
[6] IEA International Energy Agency, Evaluation of Islanding
Detection Methods for Photovoltaic Utility Interactive Power
Systems, in Task V Report, 2002.
[7] IEEE, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources
With Electric Power Systems. IEEE Std 1547-2003, 2003: p.
0_1-16.
[8] D. Velasco, et al., “Review of anti-islanding techniques in
distributed generators.” Renewable and Sustainable Energy
Reviews, vol.14(6): p. 1608-1614, 2010.
[9] Z. Xuancai, et al., “Analysis of the Non-detection Zone with
Passive Islanding Detection Methods for Current Control DG
System.”, in Applied Power Electronics Conference and
Exposition, 2009.
[10] M. Liserre,; F. Blaabjerg,; R. Teodorescu, , "Grid Impedance
Estimation via Excitation of LCL -Filter Resonance," Industry
Applications, IEEE Transactions on , vol.43, no.5, pp.14011407, Sept.-oct. 2007
[11] M. Ciobotaru, R. Teodorescu, P. Rodriguez, "Online grid
impedance estimation for single-phase grid-connected systems
using PQ variations," Power Electronics Specialists Conference,
pp: 2306-2312, 2007.
[1]
5. ADMÇ Yöntemlerinin Karşılaştırılması
ADMÇ tespit yöntemleri, yerel ve uzaktan izleme
yöntemleri olarak iki ana başlık altında incelenmiştir. Yerel
teknikler de kendi arasında, pasif, aktif ve hibrit yöntemler
olarak üçe ayrılmaktadır. Pasif yöntemler, ekonomik ve pratik
olması nedeni ile şebeke bağlantılı DG için gereklidir. Ayrıca
pasif yöntemler, güç kalitesi üzerinde bozulmaya neden olmaz
ve kolayca uygulanabilirler. Pasif yöntemlerin en önemli
sorunu, NDZ’nin yüksek olması ve eşik değerlerinin
belirlenmesindeki güçlüklerdir. Bunun yanında, pasif
yöntemler, tüm yük şartları altında (özellikle dengeli yükkaynak durumunda) garantili bir çalışma vermezler.
Aktif yöntemler, pasif yöntemlerdeki yüksek NDZ’yi
azaltmak için geliştirilmişlerdir ve yüksek kalite faktörlü
yükler dışında çok küçük NDZ’ye sahiptirler. Aktif
yöntemlerin arkasında UFP/OFP ve UVP/OVP yöntemleri
işletildiği için sistemin kararlılığını bozmaktadırlar. Bu
nedenle aktif yöntemler sistem kararlılığını ve güç kalitesini
bozabilirler. Bu sorun, aynı DG’ye birden fazla inverter
bağlandığında daha büyük olmaktadır.
İletişime dayalı yöntemler en mükemmel performansa
sahip olmasına rağmen, şebeke tarafında ek iletişim aygıtları
ve sensörleri gerektiğinden sistem ve işletme maliyetleri aşırı
yüksektir. Bu nedenle, bu yöntemler, güç kalitesi ve
kararlılığın sistem maliyeti yerine tercih edildiği genellikle
büyük güçlü sistemlerde kullanılır. Bunun yerine NDZ’nin
küçük, güç kalitesinin iyi ve daha ucuz maliyeti olan hibrit
yöntemleri kullanmak daha objektif bir yaklaşım olabilir.
Ancak hibrit sistemler günümüzde halen Japonya dışında
başka bir yerde gerçek sistemlerde kullanılmamaktadır [11].
6.Sonuç
Literatür incelendiğinde, ADMÇ yöntemlerinin çoğunun
halen öneri seviyesinde olduğu görülmektedir. Araştırmalar
geliştirildikçe, gerçek sistem uygulamaları da geniş şekilde yer
alabilecektir. Buradan hareketle, tüm çalışma koşulları altında,
bütün sistemlerde güvenilir bir şekilde çalışacak, özel bir
ADMÇ tespit yönteminin olmadığı görülmektedir. ADMÇ
yönteminin seçimi, DG’nin tipine ve sistem karakteristiklerine
bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle genel amaçlı ve
uygulamada kolayca gerçekleştirilebilecek yeni ADMÇ tespit
yöntemlerine ihtiyaç bulunmaktadır. ŞB PV sistemlerin hızla
geliştiği ülkemizde de, konu hakkında yapılacak çalışmalara
ihtiyaç olduğu ve elektrik iletim ve dağıtım şirketlerinin de PV
sistemlerin şebekeye bağlanması ile ortaya çıkacak en önemli
problemlerin başında gelen ADMÇ olayı için önlemlerini
alması için gerekli çalışmaları yürütmesi gerekliliği açıkça
ortaya çıkmaktadır.
Teşekkür
Bu çalışma, Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri
Koordinasyon Birimi (FÜBAP) tarafından, MF.11.39.
numaralı proje kapsamında desteklenmiştir.
20
Şebeke Bağlantılı Bir PV Güç Sisteminde
Güç Akışının Labview İle Gerçek Zamanlı Olarak İzlenilmesi
Gökay BAYRAK1, Mehmet CEBECİ 2
1,2
Fırat Üniversitesi, Elazığ
[email protected], [email protected]
Güneş ışınlarının PV modüllere gelmesi ile modülleri
oluşturan PV diyotlar sayesinde bu ışınlar, DC’ye
dönüştürülür. Üretilen DC elektriğin, AC elektriğe
dönüştürülmesi ve şebekeye uyumlu olması gerekmektedir.
Bunun için, DC/AC inverterler kullanılır. Şekil 1’de ŞB bir
PV sistemin blok şeması görülmektedir.
Özetçe
Fotovoltaik (PV) sistemlerdeki teknolojik gelişmeler, PV güç
sistemlerini diğer yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde bir
adım daha öne çıkartmaktadır. Buna paralel olarak, dağıtık
üretim (DG) sistemleri içerisinde şebeke bağlantılı (ŞB) PV
güç sistemleri de önemli bir yere sahip olmaya başlamıştır. ŞB
PV güç sistemlerinin hızla gelişmesi, bu sistemlerin mevcut
elektrik şebekesine bağlanması, elektrik şebekesi ile uyumlu
bir şekilde çalışabilmesi ve güç kalitesi konuları da bu nedenle
ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada öncelikle, ŞB PV
sistemlerin şebeke ile etkileşimlerinin araştırılabilmesi amacı
ile Fırat Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Bölümü bünyesinde tesis edilen 1.2 kWp’lik bir ŞB PV güç
sisteminin tasarımı, çalışması ve sistemin elektrik şebekesine
bağlanması anlatılmış ve açıklanmıştır. Daha sonra PV
sisteme, elektriksel yükler ve şebeke arasındaki güç akışının
gerçek zamanlı olarak incelenebilmesi amacı ile geliştirilen
Labview destekli kontrol ve izleme altyapısı entegre
edilmiştir. ŞB PV sistemi oluşturan tüm birimler açıklanarak,
PV sistemdeki güç akışına ilişkin sonuçlara da yer verilmiştir.
Elde edilen sonuçlar, geliştirilen yazılım ve donanım
altyapısının ŞB PV sistemlerin şebeke ile olan etkileşimlerinin
incelenebilmesi için uygun bir yapıya sahip olduğunu
göstermektedir.
PV Dizi
DC-DC
Dönüştürücü
& MPPT
DC-AC
Dönüştürücü
Çift Yönlü Sayaç
Şebeke
Elektriksel
Yükler
Şekil 1: Tipik bir şebeke bağlantılı PV sistemin blok şeması
Şebekeye bağlantılı sistemlerde, enerjinin depolanmaya
ihtiyacı olmadığı için şebekeden bağımsız sistemlere göre
maliyetleri daha düşüktür. Avrupa Birliği'nin 2015 yılına
kadar bir milyon küçük PV sistem kurmayı hedeflediği
açıklanmıştır. Benzer şekilde ABD 2015 yılına kadar binaların
çatılarına bir milyon PV panel yerleştirmeyi hedeflemiştir[10].
Aynı hedeften yola çıkarak Kaliforniya'da 2017 yılına kadar
bir milyon PV sistem kurulmasını hedeflemiştir [11]. Hollanda
ise ŞB PV sistemleri yaygınlaştırmak için çatıda kur-işletsahip ol programını başlatmıştır [12].
Laboratuvar ortamında gerçekleştirilen bu uygulama
çalışmasında, öncelikle 1.2 kWp’lik ŞB bir PV sistemin
tasarımı, gerçekleştirilen ŞB PV sistemin özellikleri ve elde
edilen sonuçlar açıklanmıştır. Daha sonra, PV sistemin
şebekeye bağlanması ile PV sistem-yük ve şebeke arasındaki
güç akışının izlenebilmesi amacı ile Labview ile geliştirilen
güç akışı izleme programı anlatılmıştır. Prototip sistemden
elde edilen sonuçlar ve sistemin güç akışı ile ilgili çıktılara da
ayrıca yer verilerek, geliştirilen sistemin avantajları
sıralanmıştır.
1. Giriş
Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanıldığı dağıtık
üretim sistemlerinin yaygınlaşması mevcut elektrik
şebekesinin de yeniden düzenlenmesini gerektirmektedir. ŞB
PV sistemlerin şebekeye bağlanması noktası da bu nedenle
önemli bir konu olarak ortaya çıkmaktadır. PV, rüzgar ve yakıt
pili gibi sistemlerin şebekeye entegre olmaları ve mevcut
elektrik şebekesine bağlanarak [1,2,3], belirlenen kriterler
ışığında bağlanması için günümüzde birçok çalışma
yapılmaktadır [4-8].
ŞB PV sistemler, elektrik şebekesine bağlı olacak şekilde
tasarlanırlar. Enerji ihtiyacının fazla olduğu saatlerde, ŞB PV
sistem devreye sokularak enerji sistemi rahatlatılmaktadır
[5,6]. Aynı zamanda, enerji üretildiği yerden çok fazla
uzaklarda kullanılmadığı için, kayıpların asgari seviyede
kalması sağlanmış olmaktadır. ŞB bir PV sistem ile bir
konutun elektrik gereksinimi karşılanırken, üretilen fazla
elektrik şebekeye satılabilmektedir. Yeterli enerjinin
üretilemediği durumlarda ise mevcut elektrik şebekesinden
sisteme enerji alınmaktadır [7,9].
2. Şebeke Bağlantılı PV Sistemin
Oluşturulması
ŞB PV sistem, kişisel ihtiyaçlar, iklim şartları, yerleşim
yeri, hava durumu ve güç ihtiyacı tahminleri gibi etkenlere
bağlı olarak seçilebilecek farklı birimlerden oluşur. Temel
sistem elemanlarını belirleyen en önemli etken işlevsel ve
işlemsel ihtiyaçlardır. Genel olarak ŞB bir PV sistem, PV
21
panel ve diziler, DC-DC çevirici, DC-AC dönüştürücü
(inverter) ve yük olmak üzere dört ana birimden oluşur.
Bu bölümde, laboratuvar ortamında oluşturulan ŞB prototip
sistemin detayları anlatılmıştır. Öncelikle 5 adet 160 Wp
gücündeki PV paneller birbiri ile seri bağlanarak, PV dizi elde
edilmiştir. Daha sonra PV inverter, çift yönlü elektrik sayacı,
webbox
ve
sensorbox
ünitelerinin
bağlantıları
gerçekleştirilmiştir. ŞB PV sistemin tasarımından sonra,
elektronik ölçüm kartlarının tasarımı yapılmış ve Labview
sinyal işleme ünitesi kullanılarak kontrol sistemi altyapısı
oluşturulmuştur. Sistemi oluşturan bileşenlere ilişkin detaylı
açıklama ve her bir bileşenin çalışması ile ilgili ayrıntılı bilgi
ilerleyen bölümlerde verilmiştir.
2.2. Şebeke Bağlantılı PV İnverter
ŞB PV sistemdeki güç akışının izlenebilmesi için gerekli
olan ŞB PV inverter, FÜBAP MF.11.39 projesi kapsamında,
SMA marka, SB-1200 model inverter olarak seçilmiştir. Şekil
3’de ŞB PV sistemde kullanılan inverter görülmektedir. PV
inverterin maksimum gücü 1.2 kWp olup, iki adet string
bağlantıyı sağlayabilmektedir. MPPT özelliğine de sahip olan
şebeke bağlantılı inverterin, minimum DC giriş gerilimi 100
V, maksimum DC giriş gerilimi ise 400 V’dir.
2.1. PV Dizi
Her biri 160 Wp güce sahip 5 adet DPS-160 güneş paneli
seri bağlanarak PV dizi oluşturulmuştur. PV dizi, demonte
olarak imal edilmiş alüminyum profillerin birleştirilmesi ile
elde edilen taşıyıcı sistem üzerine yerleştirilmiştir. Şekil 2’de
bu yapı gösterilmiştir. PV dizi çıkışından elde edilen DC
gerilim, PV inverter girişine uygulanmıştır. Burada kullanılan
güneş panellerinin her birinin kısa devre akımı 5 A ve açık
devre gerilimi 43.3 V’dir. Güneş panelleri ve panellerin kurulu
olduğu taşıyıcı sistem, Fırat Üniversitesi Elektrik-Elektronik
Müh. Bölümü laboratuvarında tesis edilmiştir.
Şekil 3: ŞB PV sistemde kullanılan SB-1200 inverter genel
görünümü
İnverter, Piggy Pack haberleşme kartı sayesinde, RS-485
üzerinden haberleşme özelliğine de sahiptir. Bu sayede
inverter ile ilgili tüm bilgilere, webbox üzerinden
ulaşılabilmektedir.
Şekil 4’de ise, şebeke bağlantılı PV inverterin iç yapısı ve
RS-485 haberleşme kartının PV invertere monte edilmiş hali
görülmektedir. Haberleşme kartının uçları dışarıya taşınarak,
PV sisteme uzaktan erişimi sağlayan webbox modem ve güneş
ışınımı ve sıcaklık bilgisinin alındığı sensorbox ünitesi ile
bağlantıları da gerçekleştirilmiştir.
Şekil 2: Mevcut taşıyıcı sistem ve her biri 160 Wp güce sahip
güneş panellerinden oluşan PV dizi
PV diziyi oluşturan güneş panelleri seri bağlı olduğundan,
PV diziden elde edilebilecek maksimum akım 5 A ve
maksimum gerilim de 216.5 V olmaktadır. PV inverter giriş
gerilimi 100-400 V DC olduğundan, uygulanan gerilim değeri
belirtilen aralıkta uygun bir değere sahiptir. Tablo 1, PV diziyi
oluşturan DPS-160 güneş panellerine ilişkin elektriksel
özellikleri göstermektedir. Kullanılan güneş panelleri mono
kristal yapıda olup, MPP noktasında üreteceği maksimum güç
ise 160 W olmaktadır.
Tablo 1: DPS-160 güneş paneli elektriksel özellikleri
Max. Güç
(Pmax)
Max Güç Noktasındaki Gerilim Değeri
Max Güç Noktasındaki Akım Değeri
Açık Devre Gerilimi
Kısa Devre Akımı
Akımın Sıcaklık Katsayısı
Gerilimin Sıcaklık Katsayısı
Seri Bağlı Hücre Sayısı
Paralel Bağlı Kol Sayısı
Güneş Pili Yapısı
(Vmpp ) 35.2 V
(Impp )
4.44 A
(Voc )
43.3 V
(Isc )
4.98 A
0.038
( )
-0.35
( )
(Nsc)
12
(Npc)
5
Mono-Crystalline
Silicon
Şekil 4: Şebeke bağlantılı PV İnverterin iç yapısı ve RS-485
haberleşme kartının görünümü
160W
PV inverterin hem şebeke ile hem de PV dizi ile ilgili
çalışmasını anlamak için, Şekil 5’de gösterilen PV inverterin
genel yapısının anlaşılması gereklidir. PV inverter, MPP
kontrol ünitesi, tek fazlı inverter bacağı, trafo ve “SMA Grid
Guard” adı verilen bir koruma ünitesi olmak üzere 4 ana
birimden oluşmaktadır. Şekil 5’de gösterilen yapıda, inverter
girişinde PV dizi bağlantısı gerçekleştirilmektedir. Bu kısımda
ayrıca PV sistemde toprak hatası olup olmadığı da kontrol
edilmektedir. İnverter girişine uygulanan DC gerilim, MPP
ünitesi ile PV sistemin en fazla güç üretebileceği noktayı tespit
22
etmektedir. “Lokal MPP” algoritması adı verilen MPPT
yöntemi ile bu çalışma gerçekleşmektedir. Tek fazlı inverter
bacağının girişine uygulanan DC gerilim, inverter bacağının
çıkışında tek fazlı AC gerilime dönüştürülmektedir. Elde
edilen AC gerilim trafonun girişine uygulanmakta, trafo çıkışı
ise koruma ünitesine bağlanmaktadır. Kullanılan trafo ile hem
PV sistem ile şebeke birbirinden manyetik kuplaj ile izole
edilmiş, hem de bozucu etkiler filtre edilmiş olmaktadır.
Sistemdeki aşırı gerilimlere karşı varistörler kullanılmıştır ve
inverter ile ilgili bilgilerin webbox ünitesine aktarılabilmesi
için de RS-485 haberleşme ünitesi mevcuttur.
Şekil 6: Farklı gerilimlerdeki, PV inverter çıkış gücü-şebeke
empedansı değişimi eğrileri
AG şebekesinin çalışmalar sebebiyle devre dışı bırakılması
durumunda, şebeke empedansı önemli oranda yükselir ve
inverter güvenlik amacı ile şebeke beslemesini keser. Şebeke
gözetiminin en iyi şekilde çalışmasının temin edilmesi için,
bağlantı noktasına bağlanan hatların empedansının mümkün
olduğunca düşük tutulması gereklidir. VDE 0126-1-1
standardına göre, inverter ile ev içi dağıtım şebekesi
arasındaki AC hat empedansı 0,5 Ω’dan fazla olamazken,
2006 yılındaki değişiklik ile bu değer 1 Ω’a yükseltilmiştir.
“SMA Grid Guard” koruma ünitesi, PV sistem ile
şebekenin gerilimini, frekansını ve şebekenin empedansını
kontrol ederek, PV sistem ile şebekenin istenilen kriterlere ve
standartlara uygun şekilde bağlanmasını sağlayan özel bir
yapıya sahiptir. Şekil 7’de, SB-1200 inverterin “SMA Grid
Guard” ünitesinin iç yapısı gösterilmiştir.
Şekil 5: PV inverter genel yapısı
Otomatik koruma ünitesi, PV sistem ile şebeke arasında
güvenliği sağlayan bir ünitedir ve PV sistemin, DG şebekeden
istenilmeyen bir şekilde ayrılmasını önlemeye çalışmaktadır.
Bu nedenle kabul edilemeyen gerilim ve frekans değerlerinde,
hem müşteriler için, hem de şebekede çalışan personel için
maksimum bir koruma sağlamaktadır. 1990 yılından önce
sadece opsiyonel bir seçenek olan koruma ünitesi, PV
sistemlerin hızlı gelişimi ile 1999 yılından sonra standartlar ile
zorunlu hale getirilmiştir.
Elektrik üretim, iletim ve dağıtım şirketleri, önceden
belirlenen gerilim ve frekans eşik değerlerinin aşılmamasını
istemektedirler. Bu değerler aşılmadığı sürece, şebeke daha
etkin bir şekilde kullanılabilecek ve bir arızaya neden olmadan
servis verebilecektir. 1999 yılında tanımlanan DIN VDE 0126
standartlarında, ŞB inverterlerin, MSD (Mains monitoring
with allocated Switching Devices) olarak tanımlanan bir
koruma ünitesine sahip olması gerekliliği ortaya konulmuştur.
Bu kriterlere göre şebekeyi kontrol eden SB-1200 inverterler,
2006 yılından sonra VDE 0126-1-1 standardının getirdiği
koruma önlemlerine paralel olarak, yeni bir koruma ünitesi
olan “SMA Grid Guard” ünitesi ile donatılmıştır. VDE 01261-1 standardı, PV sistemlerin şebekeden bağlantısının
kesilmesi ile ilgili empedans izleme yöntemi, pasif yöntemler
olan gerilim ve frekans izleme yöntemleri olmak üzere 3 temel
yöntem önermiştir.
AG şebekesinin empedansı, inverter çıkış terminalinden,
son trafo istasyonuna kadar ölçülmektedir. Şekil 6’da, farklı
gerilim seviyelerinde, PV inverter çıkış gücü-şebeke
empedansı değişimi eğrileri gösterilmiştir. Gerilim değeri
arttıkça, şebeke empedansı azalırken, gerilim değeri azaldıkça
şebeke empedansı artmaktadır. İnverterin şebekeden ayrıldığı
253 V değerinde, şebeke empedansı 0.7 Ω, gerilimin 200 V
olduğu durumda ise şebeke empedansı 2 Ω’dan büyük bir
değere ulaşmaktadır. Özellikle gerilim azaldıkça, empedans
değişiminin oldukça hızlı değiştiği görülmektedir.
Şekil 7: SB-1200 inverter SMA Grid Guard ünitesi iç yapısı
Burada otomatik koruma ünitesi, seri bağlı fakat
birbirinden bağımsız 2 adet anahtarlama ünitesinden (MSD)
oluşmaktadır. Bu ünitelerin her biri, sürekli olarak, bağlı
bulunulan şebekenin gerilimini, frekansını ve empedansını
izlemektedir. K1 ve K2 röleleri anahtarlama için
kullanılmaktadır. PV sistem, şebekeden 200 ms gibi bir sürede
ayrılmaktadır. Ayrıca sistemin girişine bağlı olan PV sistemin
izolasyon direnci de (RISO) ölçülmektedir. İzolasyon direnci,
PV sistemin pozitif veya negatif kutbu ve toprak potansiyeli
arasındaki dirençtir. Eğer izolasyon direnci 500 kΩ’dan büyük
ise PV tesis yeterli miktarda izole edilmiştir. 500 kΩ’dan
küçük bir izolasyon direnci, DC hattın izolasyonunun yetersiz
olduğunu gösterir ve PV panellerin hasar görmesine neden
olabilir.
23
2.3. Güneş Işınımı ve PV Modül Sıcaklığının Ölçülmesi
2.4. PV Sisteme Ait Bilgilerin Elde Edilmesi
ŞB PV sistemde, sistemdeki güneş panellerinin maruz
kaldığı güneş ışınım şiddetinin ve güneş panellerinin
sıcaklıklarının ölçülebilmesi amacı ile sensorbox ünitesi
kullanılmıştır. Sensorbox ünitesi, güneş panelleri modül
sıcaklık bilgisi, ortam sıcaklığı bilgisi, güneş ışınımı şiddeti
bilgisi ve eğer bir anemometre mevcut ise rüzgar hızı
bilgisinin alınabildiği bir yapıya sahiptir.
Sistemde kullanılan sensorbox ünitesinde, güneş paneli
modül sıcaklığını ölçebilmek amacı ile 2 uçlu bir PT-100
sensörü kullanılmıştır. Kullanılan sensör ile -20 C ile 110 C
arasında güneş paneli modül sıcaklığı ölçülebilmektedir.
Modül sıcaklık sensörünün ölçüm doğruluğu 0.5 C olup,
çözünürlüğü 0.1 C’dir. Şekil 8’de, PV sistemde kullanılan
sensorbox ünitesi ve modül sıcaklığının ölçülebilmesi için
kullanılan sensör gösterilmiştir.
Tasarımı yapılan ŞB PV sistemde, güneş ışınımı ve modül
sıcaklığı bilgileri ile güneş panelleri, PV dizi ve PV invertere
ilişkin elektriksel parametrelerin elde edilebilmesi, elde edilen
verilerin
uzaktan
izlenilebilmesi
ve
daha
sonra
değerlendirebilmek amacı ile kaydedilebilmesi için webbox
modem ünitesi kullanılmıştır. Modem ünitesi, PV sistemler ile
ilgili olarak geliştirilmiş olan bir uzaktan izleme ünitesi olarak
tanımlanabilir. PV sisteme ilişkin birçok veri, modem ünitesi
sayesinde görüntülenebilmektedir. Şekil 11’de, webbox
ünitesinin, PV sistemlerde kullanılabilen çeşitli çalışma
şekilleri gösterilmiştir.
Şekil 11: Webbox ünitesinin PV sistemlerde kullanılabilen
çeşitli çalışma şekilleri
Şekil 8: Sensorbox ünitesi ve modül sıcaklık sensörü
PV sistemde kullanılan modem ünitesi girişine, sensorbox
ve PV inverterden gelen bilgiler aktarılmaktadır. Modem
ünitesi, kendisine gelen bu bilgileri ethernet ile yerel ağ
üzerinden aktarabilmektedir. Elde edilen bu bilgiler doğrudan
webbox arayüzü ile bilgisayar üzerinden görüntülenebildiği
gibi, uygun haberleşme altyapısı ile elde edilen verilerin
aktarılması ile “Sunny Portal” uygulamasında olduğu gibi,
internet üzerinden de görüntülenebilmektedir.
Sensorbox ünitesinden elde edilen güneş ışınım şiddeti ve
güneş paneli sıcaklığı bilgileri, RS485 haberleşme hattı
üzerinden webbox ünitesine aktarılmıştır. Şekil 9’da,
13 Aralık 2012 tarihinde ve saat 09:30-16:00 saatleri arasında
PV sisteme etki eden güneş ışınım şiddeti görülmektedir.
2.5. PV Sistemin İnternet Üzerinden İzlenmesi
Elde edilen verilerin, uzak bir bilgisayar ile internet
üzerinden izlenilebilmesi için, “Sunny Portal” programı
kullanılmıştır. Bu programın kullanılabilmesi için, sistemin
öncelikle kayıt edilmesi gerekmektedir. Bu kayıt işlemi,
webbox arayüz menüsündeki “Info” menüsü kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Bu işlem başarı ile gerçekleştirildikten
sonra, Sunny Portal web sayfası üzerinden, kullanıcı adı ve
şifre girmek sureti ile internete bağlı herhangi bir
bilgisayardan, geliştirilen ŞB PV sisteme ilişkin bilgilere
ulaşmak mümkün olmaktadır.
Geliştirilen PV sisteme ilişkin bilgiler, program üzerinden
görülebilmektedir. Şekil 12’de, geliştirilen PV sisteme ait bilgi
ekranı gösterilmiştir. Burada, PV sistemde kullanılan birimler
görülebilmektedir. Geliştirilen PV sistem ile ilgili tanıtıcı
bilgiler de, bu ekran üzerinden düzenlenebilmektedir. PV
sistemin genel görüntüsü de, bu sayfa üzerinden sisteme
yüklenebilmektedir.
Şekil 9: PV panele etki eden güneş ışınım şiddeti
Yine aynı tarih ve zaman aralığında, güneş panelleri modül
sıcaklığının değişim eğrisi ise Şekil 10’da gösterilmiştir.
Güneş paneli modül sıcaklığı ve güneş ışınım şiddeti,
gerçekleştirilen sistem ile gerçek zamanlı olarak takip
edilebilmektedir.
Şekil 10: PV panel modül sıcaklığı değişimi
24
ESÜ, PV sistem-şebeke ve yük tarafındaki akım,gerilim ve
frekans bilgilerinin elde edilebilmesi amacı ile geliştirilen
elektronik ölçüm kartlarından, devre kesicilerinden ve ölçüm
kartlarından elde edilen bilgilerin değerlendirildiği Labview
sinyal işleme kartından oluşmaktadır. Ölçüm kartları
tarafından elde edilen akım,gerilim ve frekans bilgileri,
Labview kartının analog giriş uçlarına uygulanmaktadır ve bu
sinyaller 0-10 V aralığında değişmektedir.
ŞB PV sistemdeki güç akışının izlenebilmesi amacı ile
geliştirilen ESÜ’den alınan bilgiler Labview kartına
aktarılmıştır. Labview ile geliştirilen uygulama yazılımı ile de
güç akışının gerçek zamanlı olarak izlenebilmesine imkan
sağlanmıştır. Geliştirilen yazılım, PV sistem-şebeke ve yük
tarafına ait akım, gerilim, frekans, aktif güç, reaktif güç,
görünür güç, faz farkı, tepe değerler, efektif değerler ve bu
parametrelerin değişimlerinin görülebildiği oldukça esnek ve
kolay uygulanabilir bir yapıya sahiptir.
Geliştirilen Labview programının giriş ara yüzü ve PV
sistemin çalıştırılması ile elde edilen sonuçların bir kısmı,
Şekil 15’te gösterilmiştir. Burada PV sistem tarafından
üretilen aktif güç, şebekeye aktarılan güç ve yükün talep ettiği
aktif güç gerçek zamanlı olarak izlenebilmektedir. Ayrıca
sistemde anlık olarak akımın değişimi ve reaktif güç değişimi
de görülebilmektedir. ESÜ’deki kesicilerin çalışma
durumlarında ilişkin bilgi de ekran da mevcuttur.
Şekil 12: PV sisteme ait bilgi ekranı internet ara yüzü
PV sistemin çalışması ile ilgili bilgiler, günlük olarak
kaydedilmektedir. Kaydedilen veriler, program üzerinden
grafiksel olarak görüntülenebileceği gibi, “.CSV” formatlı bir
dosya olarak ta kaydedilebilmektedir. Şekil 13’de, farklı
günlerde çalıştırılan sistemde, PV inverter çıkışından elde
edilen enerji gösterilmiştir. Üretilen enerji, günlük, aylık ve
yıllık olarak görüntülenebilmektedir. Ayrıca PV sistemden
elde edilen toplam enerji de sistemde kayıt altına alınmaktadır.
Şekil 13: PV inverter çıkışından elde edilen enerjinin
görüntülenmesi
3. Labview İle PV Sistemin Güç Akışının
İzlenmesi
PV sistemin şebeke ile olan bağlantısı gerçekleştirildikten
sonra, PV sistemin çalışması ve sistemdeki güç akışının
izlenebilmesi amacı ile Şekil 14’te gösterilen elektriksel
senkronizasyon ünitesi (ESÜ) gerçekleştirilmiştir.
Şekil 15: Geliştirilen ŞB PV Sistemde Güç Akışı
Labview ile geliştirilen uygulama yazılımında, Şekil
15’teki giriş ara yüzünün dışında, PV sistem-şebeke ve yüke
ait akım, gerilim, frekans, aktif güç, reaktif güç, faz farkı vb.
parametrelerin değişimlerinin izlenebildiği ara yüzler de
mevcuttur. Şekil 16, sistemin şebekeye bağlandığı durumda,
PV inverter çıkışındaki gerilimi, Şekil 17 ise bu gerilimin
değişimini göstermektedir.
Şekil 14: Elektriksek Senkronizasyon Ünitesi (ESÜ) görünüşü
Şekil 16: PV inverter çıkış gerilimi
25
4. Sonuçlar
Gerçekleştirilen bu uygulama çalışmasında, öncelikle 1.2
kWp’lik ŞB bir PV sistemin tasarımı, gerçekleştirilen ŞB PV
sistemin özellikleri ve elde edilen sonuçlar açıklanmıştır. Daha
sonra, PV sistemin şebekeye bağlanması ile PV sistem-yük ve
şebeke arasındaki güç akışının izlenebilmesi amacı ile
Labview ile geliştirilen güç akışı izleme programı
anlatılmıştır. Prototip sistemden elde edilen sonuçlar ve
sistemin güç akışı ile ilgili çıktılar, hızla gelişen ve
yaygınlaşan ŞB PV sistemlerin izlenebilmesi, mevcut
elektriksel şebeke ile etkileşimlerinin izlenebilmesi amacı ile
gerçekçi, uygulanabilir ve pratik bir çözüm sunmaktadır.
Teşekkür
Bu çalışma, Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri
Koordinasyon Birimi (FÜBAP) tarafından, MF.11.39.
numaralı proje kapsamında desteklenmiştir.
Şekil 17: PV inverter çıkış geriliminin değişimi
ŞB PV sistemde, aktif, reaktif ve görünür güçler, PV
sistem, yük ve şebeke için hesaplanmakta ve
görüntülenebilmektedir. Şekil 18 ‘de yükün talep ettiği güçler
ve bunların değişimleri gösterilmiştir. Şekil 19’da ise her üç
tarafa ait aktif güç değişimlerinin gerçek zamanlı olarak
değişimi gösterilmiştir. PV sistemin ürettiği yaklaşık 300 W’ın
100 W kadarı yük tarafından kullanılmakta, kalan yaklaşık
200 W ise şebekeye aktarılmaktadır. Bu durum şekilden
açıkça görülebilmektedir.
Kaynakça
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Şekil 18: Yük tarafından çekilen güçler
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
Şekil 19: PV sistem, şebeke ve yüke ait aktif güç değişimleri
26
M. Bojic, M. Blagojevic, “Photovoltaic electricity production of
a grid-connected urban house in Serbia” , Energy Policy, 34
(17): 2941–8, 2006.
A. Fernández-Infantes, J. Contreras, JL. Bernal-Agustín,
“Design of grid connected PV systems considering electrical,
economical and environmental aspects: apractical case”,
Renewable Energy, 31(13):2042–62, 2006
W. Durisch, D. Tille, A. Wörz, W. Plapp, “Characterisation of
photovoltaic generators”, Applied Energy, 65(1–4):273–84,
2000.
D.H.W. Li, G.H.W. Cheung, JC. Lam, “Analysis of the
operational performance and efficiency characteristic for
photovoltaic system in Hong Kong”, Energy Conversion
Management,;46(7,8):1107–18, 2005.
T. Muneer, S. Younes, N. Lambert, “Kubie J. Life cycle
assessment of a mediumsized photovoltaic facility at a high
latitude location”, Proc Inst Mech Eng Part A: Journal of
Power Energy, 220(A6):517–24, 2006.
H.A. Al-Ismaily, D. Probert, “Photovoltaic electricity prospects
in Oman”, Applied Energy, 59 (2–3):97–124. 1998.
S. A. Kalogirou, “Use of TRNSYS for modeling and simulation
of a hybrid pv thermal solar system for Cyprus”, Renewable
Energy, 23(2):247–60, 2001.
J. C. Lam, C. L. Tsang, D.H.W. Li, “Long term ambient
temperature analysis and energy use implications in Hong
Kong”, Energy Conversion Management, 45(3):315–27, 2004.
S. H. Yoo, E. T. Lee, “Efficiency characteristic of building
integrated photovoltaics as a shading device”, Buildings and
Environment, 37(6):615–23, 2002.
S. Dubey, G.S. Sandhu, G. N. Tiwari, “Analytical expression for
electrical efficiency of PV/T hybrid air collector”, Applied
Energy, 86(5):697–705, 2009.
S. Rehman, M. A. Bader, S. A. Al-Moallem, “Cost of solar
energy generated using PV panels”, Renewable and Sustainable
Energy Reviews,11(8):1843–57, 2007.
T. Muneer, S. Younes, N. Lambert, J. Kubie, “Life cycle
assessment of a medium sized photovoltaic facility at a high
latitude location”. Proc Inst Mech Eng Part A: J Power Energy,
220(A6):517–24, 2006.
J. D. Mondol, Y. G. Yohanis, B. Norton, “Optimising the
economic viability of grid connected photovoltaic systems”,
Applied Energy, 86(7–8):985–99, 2009.
I. Nawaz, G. N. Tiwari, “Embodied energy analysis of
photovoltaic (PV) system based on macro- and micro-level”,
Energy Policy, 34(17):3144–52, 2006.
L. Lu, H. X.Yang, “Environmental payback time analysis of a
roof-mounted building integrated photovoltaic system in Hong
Kong”, Applied Energy, 87(12):3625–31, 2010.
Yenilenebilir Kaynakları İçeren Güç Sistemlerinin PowerWorld Programı ile
Analizi
Yasin İçel1, Burhan Baran2, Asım Kaygusuz2, Ömer Bektaş3
1
Meslek Yüksekokulu, Elektrik ve Enerji Bölümü
Adıyaman Üniversitesi, Adıyaman
[email protected]
2
[email protected]
[email protected]
3
Meslek Yüksekokulu, Elektronik ve Otomasyon Bölümü
Tunceli Üniversitesi, Tunceli
[email protected]
oldukça önemli yer tutar. Bunun için Gauss - Seidel, Newton
- Raphson ve Fast Decoupled Yük Akış Metodu gibi
yöntemler geliştirilerek güç sistemi ve yük akış analizleri AC
hesap boardları ile yapılmıştır. Bu işlem oldukça can sıkıcı
ve zaman alıcıdır. Bilgisayarlardaki hızlı gelişmelerin sonucu
olarak eskiden kullanılan analiz metotları yerlerini bilgisayar
analiz metotlarına bırakmıştır. Bilgisayarların hızı,
güvenirliği ve yüksek hassasiyeti, kısa zamanda güç
sistemlerinin analizinde ve bilhassa yük akış analizinde en
fazla kullanılan bir araç haline gelmelerine sebep olmuştur.
Bilgisayarların, güç sistemlerinin analizinde kullanılmağa
başlanması ile beraber nümerik analiz metotları da ön plana
çıkmıştır.
Büyük yapıdaki güç sistemlerinin analizinde bilgisayara
dayalı çözüm tekniklerine gereksinim duyulur. Pratik, teorik
ve eğitim amaçlı kullanımlarda güç sistemlerinin sayısal
analizinde bilgisayar destekli programlara ihtiyaç her geçen
gün artmaktadır [3]. Bilgisayar kullanımının yeni
yaygınlaştığı dönemlerden itibaren bu amaçla birçok çalışma
yapılmıştır [4,5]. Bilgisayar teknolojisindeki hızlı ilerleme
sayesinde ve grafik ortamının daha etkin kullanıldığı
programlar geliştirilmiştir [6-8].
Güç sistemlerini birçok yönden inceleyebilen paket
programlar geliştirilmiş olup kişisel bilgisayarlarda
kullanıma hazır hale getirilmiştir. Örneğin: Mathcad,
Mathematica, Matpower, Neplan, Pscad, Etap, PowerWorld,
Uwpflow, Gyte, VST, ATP/EMTP ve PSpice gibi
programlarla güç sistemlerinin değişik işletme ve çalışma
şekillerine göre analizleri yapılabilmektedir [9-12]. Söz
konusu programların hemen hemen hepsinde sonuçlar ya
görsel olarak sunulmakta ya da ara işlemler gösterilmeden
sadece istenen sayısal sonuçlar kullanıcıya aktarılmaktadır.
Elde edilen bu sonuçlar karmaşık yapıdaki güç sistemlerinin
analizinin yapılmasında mühendislere, operatörlere ve teknik
elemanlara sistem hakkında ön bilgiler vermektedir.
Kullanılan paket programlar güç sistemleri üzerinde
gerçekleştirilecek işlemlerin bilinçli ve kontrollü bir şekilde
yapılmasına imkân tanır.[12].
Özetçe
Bu çalışmada güç sistemlerinin analizinde profesyonel olarak
kullanılan PowerWorld programı ile modern güç
sistemlerinin analizi için örnekler sunulmuştur. Öncelikle
program hakkında bilgi verilmiş ve kısaca tanıtılmıştır.
Ardından güç sistemlerinde güç akış analizi, kararlılık
analizi, alternatif enerji kaynaklarından rüzgâr enerjisinin
sistem yük akışına ve iletim hatlarının yüklenmesine olan
etkisi konularında örnekler yapılarak karşılaştırmalı olarak
tartışılmıştır. Bu örnekler ışığında PowerWorld programı güç
akışı, kararlılık, iletim hatlarının yüklenme oranları ve
özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının sisteme
eklenmesiyle oluşabilecek etkinin analizi için kolaylıkla
kullanılabileceği görülmüştür.
1. Giriş
Enerji üretiminde, yenilenebilir enerji kaynaklarının payı gün
geçtikçe artmaktadır. Rüzgâr ve güneş gibi yenilenebilir
enerji kaynaklarına dayalı elektrik üretiminin, iklim ve çevre
kirliliği üzerinde daha az olumsuz etkiye sahip olması, enerji
üretimi için yakıt gerektirmemesi, tüketilecek enerjinin
bölgesel üretilebileceğinden dolayı iletim hatlarında
kayıpların minimize edilebilmesi gibi avantajlarından dolayı
enerji üretimindeki payı gün geçtikçe artmaktadır [1]. Bu tür
yenilenebilir kaynakların, geleneksel güç sistemine entegre
edilmesinin önündeki en önemli güçlük, üretim süreksizliği
ve
belirsizlikleri
olarak
gösterilmektedir.
Üretim
belirsizlikleri ve süreksizlikleri, sistemin yük akışlarında
anlık değişimlere neden olabilmektedir [2].
Mevcut güç sistemlerinin en iyi şekilde işletilmesi kadar,
gelecekte sistemlerde meydana gelebilecek gelişmelerin
planlanması yönünden de yük akış analizi etütlerinden elde
edilen başlıca bilgiler, bir güç sisteminin planlaması, işletimi
ve kontrolünde matematiksel modelinin kurulması, bara
admitans ve empedans matrisleri, her barada geriliminin
genliği, faz açışı ve her hatta akan aktif ve reaktif güçler
27
Tablo 2: Hat değerleri
2. PowerWorld Programı
Hat No:
4-5
4-6
4-8
5-8
6-7
7-8
Güç analiz problemlerinin bilgisayarda çözümü 1950’li
yıllarda başlamıştır. Bilgisayarlarda yük akış analizi ile
uygulamalar yapılması güç sistemleri adına büyük faydalar
sağlamıştır [13].
PowerWorld Simulator (PWS) güç akış analizi yapabilmek
için geliştirilmiş bir programdır [14]. Yapılan modellemeler
ve analizler sonucu mevcut güç sistemlerinin en iyi şekilde
işletilebilmesi ve gelecekte sistemde meydana gelebilecek
problemlerin değerlendirilmesi sağlanabilmektedir. Bu
program ile her bir hattaki MW ve MVAR yük akışları, her
bara geriliminin genliği, faz açısı, hatlardaki aktif ve reaktif
güç akışları, gerilimlerdeki değişimler, hat kapasiteleri gibi
durumlar
bilgisayar
ortamında
hesaplanarak
görüntülenebilmektedir.
Bu simülatörde sisteme santral, iletim hattı, yük eklenebilir
veya çıkarılabilir. Uzal ve ark. [15] İzmir ili ve çevresine ait
güç sisteminin geleneksel güç akış algoritmasını ve Power
World Simulator programı yardımıyla gerçek verilerle
uyumlu modelleri oluşturulmuş ve bu modellerin ürettiği
değerlerin gerçek sistemle neredeyse bire bir tuttuğunu
gözlemlemişlerdir. Aydın ve ark. [16] ise, enerji iletim
sistemlerinde seri kapasitörlerin gerilim kararlılığı açısından
sistem büyümelerine etkileri konulu çalışmalarında, reaktif
Rezistans
0,0125
0,0095
0,0178
0,0950
0,0150
0,0100
Reaktans
0,0650
0,0580
0,0780
0,0900
0,0670
0,3000
Baralara ait gerilim açılarının dereceleri ve birim değerleri
Şekil 1’de görüldüğü gibidir.
1.durum: Jeneratör ve yüklerin Tablo 1’de verilen aktifreaktif güçlerine ve iletim hatlarının Tablo 2’de verilen
rezistans-reaktans değerlerine göre yük akış analizi ve geçici
durum kararlılık analizinin yapılması.
güç kontrolü ile sistemin gerilim kararlılığının
sağlanmasında,
seri
kompanzasyon
sistemlerinin
kullanılmasının, pratik ve ekonomik bir çözüm olduğunu
PowerWorld programı yardımıyla göstermişlerdir.
2.1. Uygulama Örnekleri
Örnek 1: Yük Akış ve Geçici Durum Kararlılığı Analizi:
PowerWorld [14] programı ile modern güç sistemi analizini
öncelikle örnek bir güç sisteminde inceleyelim.
Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılacak sisteme ait güç,
yük ve hat değerleri Tablo 1 ve Tablo 2’ de verilmiştir. Güç
sistemi 8 bara, 3 jeneratör ve 2 yükten oluşmaktadır. 7. bara
ile 8. bara arasında 1,00 sn.’de başlayıp 1,80 sn.’de biten bir
faz-toprak arızası olması durumu incelenecektir. Simülasyon
12 sn. boyunca devam edecektir. Örnek güç sistemindeki
mevcut güç ve yük değerlerine göre güç sistemin
kararlılığının incelenmesi durumu, güç sistemindeki
jeneratör ve yüklerin aktif-reaktif güç değerlerinin
değiştirilmesi sonucunda sistemdeki jeneratörlerin kararlı
duruma geçme sürelerinin değişmesi durumu ve jeneratör ile
yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin değiştirilmesi sonucunda
sistemin
kararsızlığa
gitmesi
durumu
sistemdeki
jeneratörlerin rotor açılarının zamana bağlı değişimlerine
göre incelenecektir.
Şekil 1: Güç sistemi
Geçici Durum Kararlılığı Analizinin yapılabilmesi için
öncelikle sistemin yük akış analizinin yapılması gereklidir.
Tablo 1 ve Tablo 2’ deki değerlere göre Şekil 1’ de verilen
güç sisteminin yük akış analizi yapıldığı zaman akış yönleri
Şekil 2’ deki gibi elde edilmiştir.
Tablo 1: Sisteme ait değerler
Jeneratör 1
Jeneratör 2
Jeneratör 3
Yük 1
Yük 2
Aktif Güç
147 MW
110 MW
140 MW
130 MW
115 MW
Reaktif Güç
12 Mvar
11 Mvar
2 Mvar
45 Mvar
30 Mvar
Şekil 2: Güç sisteminin yük akış analizi
28
Ardından Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılmış ve Şekil
3’deki sonuçlar elde edilmiştir.
Şekil 4: 2. durum için jeneratörlerin rotor açılarının zamana
bağlı değişimleri
Şekil 4’ den de görüleceği üzere 1 nolu jeneratör 10,5. sn., 2
nolu jeneratör 11,5 sn. ve 3 nolu jeneratör ise 9,5 sn.’den
itibaren kararlı hale gelmişlerdir. Bu sistem kararlıdır.
3.durum: Jeneratör ve yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin
değiştirilmesi sonucunda sistemin kararsızlığa gitmesi
durumunun incelenmesi.
Şekil 3: 1. durum için jeneratör rotor açılarının zamana bağlı
değişimleri
Şekil 3’den de görüleceği üzere jeneratörler 1. saniyeden
itibaren kararsızlığa başlamıştır. Ancak sistemin bu
kararsızlığı giderebilecek yeteneği olması sebebi ile
jeneratörlerin rotor açılarındaki kararsızlık zamanla azalıp
12. saniyede tamamen giderilmiştir.
Tablo 4: 3. duruma ait güç sistemi değerleri
Jeneratör 1
Jeneratör 2
Jeneratör 3
Yük 1
Yük 2
Bu sebeple bu sistem kararlı bir sistemdir.
2.durum: Jeneratör ve yüklerdeki aktif-reaktif güçlerin
değiştirilmesi sonucunda sistemdeki jeneratörlerin kararlı
duruma
geçme
sürelerinin
değişmesi
durumunun
incelenmesi.
Aktif Güç
287 MW
80 MW
120 MW
130 MW
200 MW
Reaktif Güç
43 Mvar
32 Mvar
17 Mvar
45 Mvar
30 Mvar
Tablo 3: 2. duruma ait güç sistemi değerleri
Jeneratör 1
Jeneratör 2
Jeneratör 3
Yük 1
Yük 2
Aktif Güç
143 MW
140 MW
150 MW
130 MW
150 MW
Reaktif Güç
13 Mvar
18 Mvar
6 Mvar
45 Mvar
30 Mvar
Şekil 5 incelendiğinde, her üç jeneratör de karasızlığa
gitmiştir. Bu sebeple bu güç sistemi kararsızdır.
29
ile 3. ve 5. baralar arasındaki iletim hatlarında yüklenme
oranları oldukça yükselmiştir.
Örnek 2: Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Yük Akışına
Etkisinin Analizi:
Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde yük akışına
ve iletim hatlarındaki yüklenmelere olan etkisini incelemek
için, yapısında iki rüzgâr türbini bulunan bir sistem
PowerWorld programında benzetimi yapılarak analiz
edilmiştir.
Rüzgâr türbinlerinin sisteme olan etkisini incelemek için
türbinler aktifleştirildiğinde sistemin yük akışı Şekil 8’ de
gösterildiği şekilde olmaktadır.
Şekil 6’ da 7 bara, 3 jeneratör, 2 rüzgâr türbin, 6 yük ve 11
hattan oluşan sistemde rüzgâr türbinlerinin aktif edilmeden
önceki yük akış durumu gösterilmiştir.
Şekil 8: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten
sonraki durumu
Şekil 6: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan
önceki durumu
Şekil 9: Örnek sistemde 2. baranın rüzgâr türbinlerinin aktif
edildikten sonraki durumu
Şekil 9’ da rüzgâr türbinlerinin aktif edildikten sonra
sistemde ana jeneratörün bağlı olduğu 2 nolu baranın durumu
gösterilmektedir. Dikkat edilecek olursa sistemin ihtiyaç
duyduğu enerjiyi ilk durumda 2. baraya bağlı jeneratör tek
başına sağlarken (375 MW) ikinci durumda ihtiyaç duyulan
enerjinin elde edilmesinde rüzgâr türbinleri de etkili olmuş
ve ana jeneratörün ürettiği enerji azalmıştır (162 MW).
Ayrıca baralar arasındaki yük akışlarında da değişiklik
görülmektedir. İlk durumda 2. baradan 1. baraya yük akışı
Şekil 7: Örnek sistemde 2. baranın rüzgâr türbinlerinin aktif
olmadan önceki durumu
Şekil 7’ de ise sistemde ana jeneratörün bağlı olduğu 2.
baranın (salınım barası) durumu gösterilmiştir.
Sisteme dikkat edilecek olursa yük akışlarının 2 nolu baradan
diğer baralara doğru olduğu görülmektedir. Özellikle 2. bara
30
Şekil 12’ de ise her iki rüzgâr türbini de devreye alındığında
güç sisteminde yer alan iletim hatlarında yüklenmede
düzelme meydana gelmiş ve iletim hatlarındaki aşırı
yüklenme ve dengesizlik ortadan kalkmıştır. Güç sisteminde
yük akışı ve iletim hatlarındaki yüklenme dağılımı kararlı
hale yaklaşmıştır.
olurken ikinci durumda bu yük akışı tersine dönmüş ve 1.
baradan 2. baraya doğru akmaktadır.
Enerji sistemlerinde en önemli kayıplardan biri iletim
hatlarındaki kayıplardır. Sistem incelendiğinde 1. durumda
iletim hatlarında özellikle 2. bara ile 3. bara ve 5. bara
arasında yüksek oranda yüklenme meydana geldiği
görülmektedir. Bu da iletim hatlarında ciddi kayıplar
meydana geleceğini göstermektedir. Rüzgâr türbinleri
devreye alındığında bu hatlardaki yüklenmelerin ciddi oranda
düştüğü görülmektedir. Bu da alternatif enerji kaynaklarının
sisteme sağladığı en önemli katkılardan biridir.
PowerWorld programı ile güç sistemlerinde yer alan iletim
hatlarındaki
yüklenmelerin
hassasiyetleri
de
incelenebilmektedir. Örnek güç sistemimizde rüzgâr
türbinleri devre dışı iken güç sisteminde yer alan iletim
hatlarının bazılarında dengesiz yüklenmeler meydana
gelmektedir (Şekil 10).
Şekil 12: Örnek sistemin rüzgâr türbinleri aktif olduğunda
iletim hatları yüklenme durumu
Alternatif
enerji
kaynaklarının
güç
sistemlerinin
kararlılıklarına olan etkisi, 2. bara ile 1. bara arasında 1,00
saniyesinde başlayıp 1,80 sn.’ de biten bir faz-toprak arızası
olması durumu Geçici Durum Kararlılığı Analizi yapılarak
incelenecektir. Simulasyon 10 sn. boyunca devam edecektir.
Örnek güç sistemindeki güç ve yük değerlerinin
değişiminden oluşan iki farklı duruma karşılık sistemdeki
jeneratörlerin rotor açılarının zamana göre değişimlerini
gösteren şekillerden kararlılıkları incelenecektir.
Şekil 10: Örnek sistemin rüzgâr türbinlerinin aktif olmadan
önceki iletim hatları yüklenme durumu
Şekil 13’ de 1. durum için güç sisteminde rüzgâr türbinleri
aktif değilken iki bara arasında arıza meydana geldiği durum
incelenmiş ve sistemin karasız olduğu görülmüştür.
Şekil 11’ de, 1. Rüzgar türbini devreye alındığında güç
sisteminde yer alan iletim hatlarında yüklenmede düzelme
meydana gelmemiş hatta iletim hatlarında aşırı yüklenme ve
dengesizlik artmıştır.
Şekil 11: Örnek sistemin 1. rüzgâr türbini aktif olduğunda
iletim hatları yüklenme durumu
31
Şekil 14’ de rüzgâr türbinleri devreye alındığında (2.durum)
güç sisteminde yer alan rüzgâr türbinlerinin ve 2. bara
jeneratörünün (slack jeneratör) aynı arıza durumunda
başlangıçta kararsız bir çalışma gösterip daha sonra kararlı
hale geldiği görülmüştür. Bu da alternatif enerji
kaynaklarının güç sistemlerinde kararlık açısından olumlu
etkiler meydana getirdiğini göstermektedir.
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
3. Sonuç
Güç akışı, kararlılık gibi analizlerin güç sistemlerinin
işletilmesi ve planlanması açısından ne kadar büyük bir önem
taşıdığı bilinmektedir. Bu analizler literatürde büyük bir paya
sahiptir. Ayrıca araştırmaların yenilenebilir kaynakları içeren
sistemleri de kapsayacak şekilde yapılması ve tüm sistemin
beraber değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada,
örnek güç sistemlerinin PowerWorld Simulator programı
yardımıyla
gerçek
verilerle
uyumlu
modelleri
oluşturulmuştur. Güç sistemlerinde yük akışının nasıl
olacağı, hangi durumlarda yük akışlarının yön değiştirdiği
gösterilmiştir. Kararlı bir şekilde çalışan bir güç sisteminin
hangi durumlarda kararsız hale geçtiği incelenmiştir.
Alternatif enerji kaynaklarının güç sistemlerinde iletim
hatlarında meydana gelen kayıpları elime ettiği, iletim
hatlarındaki
yüklenmeye
ve
güç
sistemlerinin
kararlılıklarının sağlanmasında olumlu etkileri olduğu
gösterilmiştir. Sonuç olarak PowerWorld programı ile güç
sistemlerinde değişik senaryolar için gerçek sistemin nasıl
tepki verebileceği bilgisayar desteği ile kolaylıkla benzetimi
yapılarak incelenebileceği görülmüştür.
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
Kaynakça
[1]
JA Pecas Lopes ve N Hatziargyriou, "Integrating
Distributed Generation İnto Electric Power Systems: A
Review Of Drivers, Challenges and Opportunities”,
Electric Power Systems Research, Cilt:77, s:1189-1203,
2007.
32
A. Kaygusuz ve O. Gül, “Yenilenebilir Dağıtık Üretim
Koşullarının Güç Sistemlerinin Yük Akışına
Etkilerinin Analizi”, EMO Bilimsel Dergi, Cilt: 2, No:
4, s:77-85,2012
F.C. Berry, P.S. DiPiazza ve S.L. Sauser, “The Future
of Electrical and Computer Engineering Educatio”,
IEEE Transactions on Education, Cilt:46, No:4, s:467476, 2003.
T.H. Ortmeyer, “Applications of Microcomputers in
Power
System
Protection
Education”,
IEEE
Transactions on Power Systems, Cilt:3, No: 4, s:18471850, 1988.
Y. Tamura ve I. Morie, “Development of Power System
Simulator Research and Education”, IEEE Transactions
on Power Systems, Cilt:5, No: 2, s:492-498, 1990.
V.A. Levi ve D.P. Nedic, “Application of the Optimal
Power Flow Model in Power System Education”, IEEE
Transactions on Power Systems, Cilt:16, No: 4, s: 572580, 2001.
S. Islam ve N. Chowdhury, “A Case-Based Windows
Graphic Package for the Education and Training of
Power System Restoration”, IEEE Transactions on
Power Systems, Cilt:16, No:2, s:181-187, 2001.
J.R. Shin ve W.H. Lee, “A Windows-Based Interactive
and Graphic Package for the Education and Training of
Power System Analysis and Operation”, IEEE
Transactions on Power Systems, Cilt:14, No: 4, s:11931199, 1999.
E. Allen ve N. LaWhite, “Interactive Object- Oriented
Simulation of Interconnected Power Systems Using
SIMULINK”, IEEE Transactions on Education, Cilt:
44, No:1, s: 87-95, 2001.
T. Gözel ve M.H. Hocaoğlu, “Güç Sistem Analizi İçin
Grafik Kullanıcı Arabirimi”, Eleco’2004 ElektrikElektronik-Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu,
Bursa, s:301-305. 2004.
S. Ayasun ve C. Dafis, “Symbolic Analysis and
Simulation for Power System Dynamic Performance
Assessment”, IEEE Power Engineering Society General
Meeting, Cilt:1, s:823-831, 2005.
G. Koçyiğit, “Güç Sistemlerinin Bilgisayar Ortamında
Modellenmesi, Analizi Ve İnternet Üzerinden Eğitim
Amaçlı Programlarının Tasarlanması”, Marmara Ünv.
Fen Bilimleri Ens., Doktora Tezi, İstanbul, 2008.
İ. Tosun, “Güç Sistemleri Eğitimi İçin Matlab GUI
Tabanlı Bir Yük Akış Simülatörü”, Fırat Ünv. Fen
Bilimleri Ens., Yüksek Lisans Tezi, Elazığ, 2008.
www.Powerworld.com
H.Uzal, A.Zonturlu, B.Kalaycı, E.Karatepe, F.Ugranlı,
K.Bülbül, “İzmir İli ve Çevresi Elektrik Şebekesinin
Farklı Senaryolar Altında İncelenmesi”, II. Elektrik
Tesisat Ulusal Kongresi, İzmir-Türkiye, 24-27 Kasım
2011
F. Aydın, Y. Uyaroğlu, M.A. Yalçın, “Enerji İletim
Sistemlerinde Seri Kapasitörlerin Gerilim Kararlılığı
Açısından Sistem Büyümelerine Etkileri”, III. Enerji
Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, Kocaeli, 2009.
Veri Madenciliği Yaklaşımı Kullanarak Elektrik Dağıtım Sistemlerindeki
Harmoniklerin Zamansal Değişimlerinin İncelenmesi
1
Hüseyin Erişti1, Vedat Tümen2
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
[email protected]
2
Tunceli Meslek Yüksekokulu
[email protected]
maliyet ve çalışma sorunları ortaya çıkarmaktadır [2,3]. Bu
olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak için harmoniklerin, ulusal
ve uluslararası standartlarda belirtilen sınır değerlerinin altında
olması gerekmektedir. Bu nedenle güç sistemlerinde
harmoniklerin sürekli olarak izlenmesi gerekmektedir.
Günümüzde, harmonik bozulma problemlerini tespit
etmek ve azaltmak için elektrik dağıtım sistemlerine harmonik
izleme sistemleri yerleştirilmesinde hızlı bir artış olduğu
görülmektedir [4].
Veri Madenciliği, saklı desenleri ve veri içindeki ilişkileri
belirlemek ve örüntüler içerisindeki gizli bilgilerin çıkarılması
için çeşitli analitik araçları kullanan bir süreç olarak
tanımlanabilir.
Harmonik izleme sistemi, elektrik tesisleri ve bu
tesislerden yararlananlar için büyük önem arz etmektedir.
Harmonik olayları tanımlamak için gerilim ve akım
değerlerinin sürekli izlenmesi gerekmektedir. Harmonik
izleme sistemi ile ölçülen ortamın güç kalitesinin hataları
önceden tahmin edilir ve böylece tehlikeli bir durumun
başlangıcı öncesinde alarm vererek gerekli önlemleri almamızı
ya da bir harmonik eliminasyon sistemi tasarlanmışsa; bu
sistemin devreye girmesini sağlar [5].
Bu çalışmada, bir dağıtım sisteminde kurulan harmonik
izleme sisteminden elde edilen, herhangi bir sınıf bilgisi
içermeyen harmonik veriler, k-Means algoritması ile k sayıda
sınıfa ayrılmıştır. Elde edilen bu sınıf bilgisine göre; Çok
Katmanlı Algılayıcı (ÇKA) sınıflandırıcısı eğitilerek harmonik
verilerin sınıflandırılması yapılmıştır. Sunulan sistemin
performansını değerlendirmek için Tunceli Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi (TÜMF) dağıtım sistemi çıkışından
elde edilen gerçek harmonik veriler kullanılmış ve bu
harmonik veriler sınıflandırılarak elde edilen sınıflandırma
sonuçlarına
göre;
önerilen
yaklaşımın,
harmonik
sınıflandırmada kullanılabilecek etkili bir yaklaşım olduğu
gözlemlenmiştir.
Özetçe
Bu makalede, güç sistemleri için gerçekleştirilen gerçek
zamanlı harmonik izleme sistemi ile harmonik bozuklukların
tespiti ve analizi için etkili bir sınıflama yaklaşımı
önerilmiştir. Gerçek zamanlı harmonik izleme sistemi ile
belirlenen bir dağıtım sistemine bağlanan güç analizörü ile
elde edilen verilere, veri madenciliği kümeleme tekniklerinden
k-means algoritması ve sınıflama tekniklerinden çok katmanlı
algılayıcı algoritması uygulanmıştır. Elektrik dağıtım
sistemlerinde olumsuz etkiler meydana getiren akım
harmoniklerinin bozulma miktarları ve zamansal değişim
süreçleri hakkında önemli bilgiler elde edilmiştir. Elde edilen
sonuçlara göre gerçekleştirilen kümeleme ve sınıflama
yaklaşımlarıyla, elektrik dağıtım sistemlerinde olumsuz etkiler
meydana getiren harmoniklerin zamansal değişim süreçleri
hakkında önemli bilgiler elde edildiği gözlemlenmiştir.
1. Giriş
Gün geçtikçe gelişen teknoloji sistemlerindeki yüklerde de
çeşitlilik artmıştır. Bu yüklerin her zaman lineer yani doğrusal
olması istenir. Fakat son yıllarda, yarı iletken teknolojinin
kullanılmasıyla sistemlerde nonlineer yüklerde yüksek
miktarda bir artış gözlenmiştir. Aynı zamanda giderek artan
enerji talebi ve enerji maliyetlerindeki hızlı artışlar nedeniyle,
güç kalitesi ve enerji verimliliği, güç sistemlerinin en önemli
parametrelerinden biri haline gelmiştir. Güç sisteminde
meydana gelen arızalar ve anahtarlama olayları ile birlikte; hat
sonundaki kullanıcılardan kaynaklanan arıza ve nonlineer yük
kullanımı sonucunda güç kalitesi problemleri ortaya
çıkmaktadır. Bu durumların arasından, güç sistemine bağlanan
ve sayıları gittikçe artan konverterler, ark fırınları, güç
elektroniği elemanları, statik var kompensatörleri gibi
nonlineer yükler, sistemdeki akım ve gerilim büyüklüklerinin
nonsinüzoidal olmasına, yani bir güç kalitesi problemi olan
harmonik bozulmalara neden olurlar.
Harmonikler, sistem üzerindeki elemanlarda ve sisteme
bağlı yüklerde; arıza ve hatalı çalışma gibi olumsuz durumlar
meydana getirmektedir. Bu nedenle, güç sistemlerinde
meydana gelen güç kalitesi problemlerinin belirlenmesi ve
oluşabilecek olumsuz durumların ortadan kaldırılması
gerekmektedir [1]. Güç sistemi elemanları ve sisteme bağlı
olan elektrik cihazları üzerinde birçok olumsuz etki
bırakmaktadır.
Güç
problemleri,
güç
sistemlerinde
donanım
arızalanmasına neden olmaktadır. Bu sorunlar, hem son
kullanıcılar hem de güç sistemi açısından ciddi boyutlarda
2. Harmonikler
Harmonikler genel olarak nonlineer elemanlar ile
nonsinüzoidal kaynaklardan herhangi birisi veya bunların
ikisinin sistemde bulunmasından meydana gelirler. Akımgerilim karakteristiği doğrusal olmayan elemanlara nonlineer
elemanlar denir. Harmonikli akım ve gerilimin güç
sistemlerinde bulunması, sinüzoidal dalganın bozulması
anlamına gelir. Bozulan dalgalar nonsinüzoidal dalga olarak
adlandırılır. Yarı iletken elemanların yapısı gereği ve sanayide
kullanılan bazı doğrusal olmayan yüklerin (transformatör, ark
33
fırınları, v.b.) etkisiyle; akım ve gerilim dalga biçimleri,
periyodik olmakla birlikte, frekans ve genliği farklı diğer
sinüzoidal dalgaların toplamından meydana gelmektedir.
Temel dalga dışındaki sinüzoidal dalgalara harmonik denir
[5]. Harmonikler, güç sistemlerinde ek kayıplar, ek gerilim
düşümleri, rezonans olayları, güç faktörünün değişmesi vb.
gibi teknik ve ekonomik problemlere yol açar [6]. Ayrıca
harmonikler, güç faktörünün düzeltilmesi için endüstriyel
tesislerde yapılan kompanzasyon ünitelerinde, rezonans olayı
sonucu ciddi problemlere neden olmaktadır [7,8]. IEEE 5191992 standartlarına göre; endüstriyel dağıtım sistemlerindeki
harmonik akımlar ve harmonik gerilimler için kurallar
belirlenmiştir. Belirlenen harmonik standartlar, akım için %5,
gerilim için ise %3 tür [9].
Burada, d uzaklık fonksiyonudur ve genellikle
hesaplamada Öklid uzaklık fonksiyonu kullanılır. Şekil 1’de
k-means
kümeleme
algoritmasının
akış
diyagramı
görülmektedir.
3. Veri Madenciliği
Veri madenciliği bir veya daha fazla makine öğrenme
tekniğinin uygulanarak otomatik olarak bir veritabanı içinde
bulunan verilerden bilgi çıkartılması, verilerin analiz edilmesi
ve işe yarar bilgilerin çıkarılması işlemidir [10]. Veri
madenciliği her geçen gün yeni ve farklı alanlarda
kullanılmaya başlamaktadır. En yaygın kullanılan alanların
başında; bilgisayar bilimleri, elektrik elektronik mühendisliği,
enerji, endüstri, telekomünikasyon alanları gelir. Sağlık
alanlarında ise biyotıp, gen mühendisliği ve DNA sıralama
desenlerinin analizlerinde de uygulanırken, ayrıca finans
analizi, bankacılık, kredi ve derecelendirme, astronomi gibi
birçok alanda da veri madenciliğinin farklı uygulamaları
görülmektedir.
Veri madenciliği, tahmin edici ve tanımlayıcı olmak üzere
iki modelden oluşmaktadır. Tahmin edici modellerde,
sonuçları bilinen veriler göz önüne alınarak bir model
oluşturulur ve sonuçları bilinmeyen veri setleri için kurulan bu
modelden yararlanarak sonuç değerlerini tahmin etme
hedeflenir. Örneğin; belli bir süreçteki elektriksel harmonik
veriler bağımsız değişkenleri oluşturur. Bu harmonik
değerlerin şebekede bir sorun oluşturup oluşturmadığı ise
bağımlı değişken olarak tanımlanır. Bu verilere uygun olarak
kurulan model daha sonraki süreçlerde harmonik değerlere
bakılarak sorun oluşturup oluşturmayacağı tahmininde
kullanılmaktadır. Tanımlayıcı modellerde, karar vermeye
öncülük etmede kullanılabilecek eldeki mevcut veriler
içerisindeki örüntülerin tanımlanması sağlanmaktadır [11].
Veri madenciliği modellerini gördükleri işlevlere göre:
 Sınıflama (Classification) ve Regresyon,
 Kümeleme (Clustering),
 Birliktelik Kuralları (Association Rules)
olmak üzere üç ana başlık altında incelebilir. Sınıflama ve
regresyon modelleri tahmin edici, kümeleme, birliktelik
kuralları ve ardışık zamanlı örüntü modelleri tanımlayıcı
modellerdir. Sınıflama ve regresyon modelleri arasındaki fark,
tahminde bulunulan bağımlı değişkenin süreklilik gösteren bir
değer içermesidir [12].
Şekil 1: k-Means kümeleme algoritması akış diyagramı
Şekil 1’de k-Means kümeleme algoritması akış
diyagramına göre ilk adımda k küme sayısı belirlenir. Daha
sonra küme merkezleri rastgele atanır. Sonraki adımda
verilerin küme merkezlerine olan uzaklıklarına göre kümelere
ayrılır. Kümeye yerleştirme işleminde, veri noktası ile
kümenin merkezi arasındaki uzaklık ölçüt olarak
kullanılmaktadır. Daha sonraki işlemde ise bu kümedeki
verilerin diğer küme merkezine olan uzaklıkları hesaplanarak
hangi kümeye yakınsa veri oraya aktarılır. (2)’de verilerin
küme merkezlerine uzaklıklarına göre en küçük uzaklıkta
kalana kadar kümeleme algoritma yürütümü devam eder ve
kümeleme işlemi sona erer.
Kümeleme sonucu küme içi elamanlar arasındaki
benzerlikler çok iken, kümeler arası elamanları arasındaki
benzerlikler çok düşüktür.
3.2. Çok Katmanlı Algılayıcı Algoritması
Rumelhart tarafından 1986 yılında geliştirilen bu modele, hata
yayma modeli veya geriye yayım modeli olarak ta tanımlanır.
Çok katmanlı algılayıcı, birden fazla algılayıcının kullanımı
ile meydana gelmektedir. Kullanılacak olan ağ mimarisine
göre gizli katman sayısı ve her katmandaki algılayıcı sayısı
değişmektedir. Bununla birlikte, kullanılan ağırlık ve eşik
değerleri de değişmektedir. Bu model özellikle sınıflandırma,
tanıma ve genelleme gerektiren problemlerin çözümünde çok
etkin rol oynamaktadır. Bu modelin temel amacı, ağın
3.1. K- means algoritması
En iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan algoritmalardan biri
olan k-means sayısal veriler üzerinde çalışan bir algoritmadır.
İlk olarak J. MacQueen tarafından 1967 yılında tanıtılmıştır.
K-means algoritması, çalışmadan önce sabit bir küme sayısına
ihtiyaç duyar. Küme sayısı k ile gösterilir ve elemanlarının
birbirlerine olan yakınlıklarına göre oluşacak sınıf sayısını
ifade eder [13]. k-means algoritması seçilen uzaklık ölçütüne
göre her bir verinin, (1)’e göre küme merkezlerine olan
uzaklığını hesaplar.
34
bölgesine yerleştirilerek IEC 61000-4-7/CLASS B ve IEEE
519-1995 uluslararası standartlara göre harmonik değerlerinin
ölçümü yapılmıştır. Bu ölçümler sonucunda, elde edilen
harmonik veriler birtakım ön işlemlerden geçirilerek bir
veritabanına aktarılmaktadır. Elde edilen harmonik veriler çok
fazla miktarda ve karmaşık bir yapıda olduğundan, bu
verilerden bilgi çıkarımı için, veri madenciliği tekniklerinin
kullanılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Şekil 3’te, harmonik
izleme sisteminin bir yapısı verilmiştir.
beklenen çıktısı ile ürettiği çıktı arasındaki hatayı en aza
indirmektir. Çok katmanlı algılayıcı modeli ileriye doğru
bağlantılı ve giriş katmanı, ara(gizli) katman ve çıkış katmanı
olmak üzere 3 katmandan oluşur.
Şekil 3: Tasarlanan harmonik izleme sistemi
Şekil 2: Çok Katmanlı Algılayıcı’un yapısı
Önerilen bu harmonik izleme sisteminde, belirlenen
ölçüm noktasından akım bilgileri, veri alımında kullanılan
analizörün akım klampları ile çekilerek güç izleme cihazının
belleğine kaydedilir. İzleme cihazı içerisinde bu akım
sinyalleri üzerinde çeşitli algoritmalar kullanılarak, akımlara
ait harmonik bilgiler gerçek zamanlı olarak elde edilmektedir.
İzleme cihazının sahip olduğu veri aktarım teknolojileri
kullanılarak, harmonik bilgiler bilgisayar ortamına
aktarılmaktadır. Bilgisayar ortamında yazılan izleme yazılımı
ile
harmonik
veriler
üzerinde
analiz
çalışmaları
gerçekleştirilmektedir. Şekil 4’te, oluşturulan harmonik
sınıflandırma sisteminin yapısı gösterilmiştir.
ve k’nıncı çıkış birimi için (l:L çıkış katmanı);
L1
Kümelemede harmonik verilerin sınıf bilgileri elde
edilmiştir. Sınıflamada da kümelemede elde edilen sınıf
bilgileri
kullanılarak
ÇKA
algoritmasının
eğitimi
gerçekleştirilmiştir. Test verileri üzerinde sınıflandırma
başarımları elde edilmiştir. Kullanılan sınıflandırıcıların
parametreleri önceden belirlenmiştir. Genelde varsayılan
değerler kullanılarak sınıflama işlemleri yapılmıştır. Her
senaryo için sınıf parametreleri küme sayısına göre
değişmiştir. Tablo 1’de ÇKA algoritmasının parametre
bilgileri görülmektedir.
Sınıflandırma
algoritması
Fazlar
Harmoniklerin
kümelenme sonuçları
L2
MLP
Multi Layer
Multi
Perceptron
Güç kalitesi
analizörü
Harmonik verilerin elde
edilmesi ve FFT analizi
Harmonik verilerin ön işlemesi
ve sonuçların görüntülenmesi
K-means kümeleme
Veritabanı
L3
k=4
k=5
k=6
Harmonik verilerin analizi
Şekil 4: Gerçekleştirilen harmonik sınıflandırma sistemi
Gerçekleştirilen
alçak
gerilim
sistemlerindeki
harmoniklerin izlenmesi yaklaşımı, Tunceli Üniversitesi
Mühendislik Fakültesinin dağıtım panosunda, Aralık 2011 ile
Mart 2012 tarihleri arasında elde edilen gerçek akım harmonik
verilerine uygulanmıştır. Harmonik izleme sisteminde ilk
olarak 10’ar dakikalık aralıklarla üç faz akım verileri elde
edilmiştir. Daha sonra üç faz akım verilerine FFT dönüşümü
uygulanılarak 3., 5., 7., 9., 11. ve 13. akım harmonik
bileşenleri elde edilmiştir. Tablo 2’de, tek faz için 12 haftalık
ölçüm ile oluşan hafta içi veri miktarları bulunmaktadır.
Tablo 1: Çok Katmanlı Algılayıcı algoritmasının parametre
değerleri
Özellikler
ÇKA
Katman sayısı
3
Gizli katman sayısı
6
Aktivasyon fonksiyonu
Tansig
Öğrenme oranı
0,3
Momentum Değeri
0,2
Doğrulama Eşiği
20
Tablo 2. Tek faz için hafta içi oluşan verilerin sayıları
Harmonik
Derece
3. Harmonik
5. Harmonik
7. Harmonik
9. Harmonik
11. Harmonik
13. Harmonik
Toplam
4. Harmonik İzleme Sistemi
Dağıtım sistemlerinde harmoniklerin izlenmesi, ulusal ve
uluslararası standartlara göre harmonik bilginin elde edilmesi
ve harmonik iyileştirme işleminin belirlenmesi için oldukça
önemlidir. Bu çalışmada, dağıtım sistemlerinde akım
harmoniklerinin değişimlerinin gerçek zamanlı izlenmesi ve
bu
veriler
üzerinde
çeşitli
analiz
çalışmalarının
gerçekleştirilmesi için bir harmonik sistem tasarlanmıştır.
Tasarlanan bu harmonik izleme sistemi, belirlenen dağıtım
1
saat
6
6
6
6
6
6
36
1 gün
(x 24)
144
144
144
144
144
144
864
1 hafta
(x 5)
720
720
720
720
720
720
4.320
12hafta
(x 12)
8.640
8.640
8.640
8.640
8.640
8.640
51.840
Tek faz için 12 haftada toplam 72.576 harmonikli veri
elde edilmiştir. Bu verilerin 51.840 adet hafta içi, 20.736 adet
35
Bu çalışmada, k-means algoritmasında gerekli olan k
küme değeri dışarıdan verilerek bölümleme işlemi yapılmıştır.
k-Means kümeleme algoritmasına k değeri 4, 5 ve 6
belirlenerek ayrı ayrı kümeleme işlemi yapılmıştır. k
parametresine göre veriler k adet kümeye bölünmüştür.
Kümeleme işlemleri sonucunda oluşan kümelerin merkezleri,
kümelerdeki veririn ağırlıklarına göre değişmektedir.
Algoritma, kümeleri ayırırken son eklenen verilerden sonra
küme merkezini hesaplamaktadır. Gün içerisindeki harmonik
değişimler, k adet farklı küme altında incelenerek küme
merkezleri ve kümelerin zamansal değişimleri elde edilmiştir.
Tablo 4’te k=4, Tablo 5’de k=5, Tablo 6’da k=6
parametrelerine göre kümelenmiş harmonikli veriler
görülmektedir.
Algoritma yürütümü sonucunda oluşan bu kümelerin
barındırdığı verilerin değerlerine göre; küme merkezleri
oluşmaktadır. k-Means algoritması harmonik derecelerin
taşımış olduğu değerleri daha önceden rastgele belirlenen
merkezlerlerin Öklid uzaklık formülüne göre hesaplamasını
yaparak ayırmaktadır. Oluşan kümelerin merkez değerleri
Şekil 5’te görülmektedir.
ise hafta sonu verisidir. Bu çalışmada kullanılan üç faz
verisinin 4 haftalık verileri sıralı olarak alınarak toplamda 12
haftalık veri elde edilmektedir. Kümeleme ve sınıflama işlemi
için hafta içi olan toplam 51.840 adet harmonikli veri
kullanılmıştır. Harmonikli veriler, MATLAB ortamında
bulunan k-means fonksiyonuna giriş olarak sunulmuştur.
Tablo 3’te harmonik değerlerin bir bölümü görülmektedir.
Tablo 3: Harmonik değerlerinin bir bölümü
3.Hrm
4.05
3.38
3.6
3.85
4.77
2.79
4.51
3.48
4.01
3.06
K
Saat
Tablo 4: k=4’e göre oluşan küme verileri
3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm K
4
4
4
3
4
2
2
1
1
3
13.00
13.10
13.20
13.30
13.40
13.50
14.00
14.10
14.20
14.30
6.37
5.65
5.7
6.05
7.87
6.09
6.39
5.83
5.16
5.13
10.85
10.16
10.2
10.12
12.01
9.805
10.08
9.23
8.38
8.175
7.Hrm
10.85
10.16
10.2
10.12
12.01
9.805
10.08
9.23
8.38
8.175
4.88
5.25
5.19
5.85
6.97
5.38
5.35
3.95
2.95
3.11
9.Hrm
4.88
5.25
5.19
5.85
6.97
5.38
5.35
3.95
2.95
3.11
11.Hrm
7.39
7.39
6.84
7.34
8.64
7.21
7.12
6.29
5.24
4.62
7.39
7.39
6.84
7.34
8.64
7.21
7.12
6.29
5.24
4.62
3.51
3.51
3.68
3.2
3.93
3.54
3.42
3.08
2.95
2.99
3rd
5th
7th
9th
11th
13th
Tablo 5: k=5’e göre oluşan küme verileri
3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm K
13.00
13.10
13.20
13.30
13.40
13.50
14.00
14.10
14.20
14.30
5
5
4
4
4
2
2
1
1
4
4.05
3.38
3.6
3.85
4.77
2.79
4.51
3.48
4,01
3.06
6.37
5.65
5.7
6.05
7.87
6.09
6.39
5.83
5.16
5.13
10.85
10.16
10.2
10.12
12.01
9.805
10.08
9.23
8.38
8.175
4.88
5.25
5.19
5.85
6.97
5.38
5.35
3.95
2.95
3.11
7.39
7.39
6.84
7.34
8.64
7.21
7.12
6.29
5.24
4.62
3.51
3.51
3.68
3.2
3.93
3.54
3.42
3.08
2.95
2.99
15
10
25
20
0
0
S1
S2
Sınıflar
10.85
10.16
10.2
10.12
12.01
9.805
10.08
9.23
8.38
8.175
4.88
5.25
5.19
5.85
6.97
5.38
5.35
3.95
2.95
3.11
7.39
7.39
6.84
7.34
8.64
7.21
7.12
6.29
5.24
4.62
3.51
3.51
3.68
3.2
3.93
3.54
3.42
3.08
2.95
2.99
30
3rd
5thth
7th
9
11thth
13
25
10
5
S1
S4
S3
6.37
5.65
5.7
6.05
7.87
6.09
6.39
5.83
5.16
5.13
15
10
5
4.05
3.38
3.6
3.85
4.77
2.79
4.51
3.48
4,01
3.06
20
15
5
13.00
13.10
13.20
13.30
13.40
13.50
14.00
14.10
14.20
14.30
Harmonik Değerler
20
3rd
5th
7th
9th
11th
13th
Harmonikler
25
30
Harmonik Değerler
30
5
5
4
4
4
2
2
1
1
6
Tablo 6: k=6’ya göre oluşan küme verileri
Saat 3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm
35
35
35
Harmonik Değerler
Saat
13.Hrm
3.51
3.51
3.68
3.2
3.93
3.54
3.42
3.08
2.95
2.99
Harmonikler
4.05
3.38
3.6
3.85
4.77
2.79
4.51
3.48
4,01
3.06
5.Hrm
6.37
5.65
5.7
6.05
7.87
6.09
6.39
5.83
5.16
5.13
Harmonikler
Saat
13.00
13.10
13.20
13.30
13.40
13.50
14.00
14.10
14.20
14.30
S2
S3
Sınıflar
S4
S5
0
S1
S3
S2
Sınıflar
S4
S5
S6
Şekil 5: k = 4, 5 ve 6 parametresi için sınıflara ait küme merkezlerinin dağılımı
Tablo 8: k=5 parametresi için sınıflara ait küme
merkezlerinin değerleri
Harmonik Dereceler
3.Hrm 5.Hrm 7.Hrm 9.Hrm 11.Hrm 13.Hrm
S1
7.976 6.557 9.364 6.189
7.088
2.396
S2
S3
S4
32.001 24.79 23.41 19.39 14.165
15.616 14.34 16.39 11.98 11.027
4.321 3.46 5.457 3.332 3.675
6.771
4.730
1.487
Harmonik Dereceler
Sınıf
Sınıf
Harmonik Dereceler
kümede toplandığı görülmektedir. k=6 durumunda, en düşük
harmonikli değerlerin 1. ve 2. kümelerde toplandığı, orta
değerlerin de 4. ve 5. kümelerde toplandığı 3. ve 6. kümelerde
ise en yüksek harmonik değerlerin toplandığı görülmektedir.
Tablo 7, Tablo 8 ve Tablo 9’da oluşan kümelerin sayısal
olarak değerleri görülmektedir. Tablolar incelendiğinde;
genelde 3. ve 5. harmonik değerlerin tüm kümelerde yüksek
olduğu görülmektedir.
S1
S2
S3
S4
S5
17.202
6.841
32.272
3.741
9.548
15.783 17.647
5.531 7.805
24.932 23.503
2.998 4.973
8.112 11.428
36
13.279
4.891
19.498
3.084
7.746
11.498
5.324
14.227
3.406
9.294
4.980
1.855
6.808
1.432
3.259
Sınıf
Tüm k değerleri için oluşan küme değerleri
incelendiğinde; k=4 iken en yüksek harmonik değerlerin 2.
kümede toplandığı; buna karşın en düşük harmonik değerlerin
ise 4. kümede toplandığı görülmektedir. 2 ve 3. kümede
toplanan değerlerin uluslararası standartlar düzeyinin üstünde
olduğu tespit edilmiştir. k=5 iken en yüksek harmonikli veriler
3. kümede toplandığı, en düşük değerlerin de 4. kümede, yine
uluslar arası standartların üstünde olan orta değerlerin de 1.
S1
S2
S3
S4
S5
S6
5.036
3.779
17.153
10.520
8.818
32.256
5.348 8.169
2.890 4.841
15.681 17.455
6.331 7.308
7.885 11.909
24.925 23.502
4.994
3.014
13.111
4.909
8.014
19.492
5.786
3.324
11.339
4.488
10.150
14.224
1.881
1.417
4.946
1.903
3.431
6.806
k-Means işlemi ile elde edilen bu kümelere ait sınıf
bilgileri ve veriler kullanılarak önerilen harmonik izleme
sisteminin eğitim ve test aşamaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca
izleme sisteminin sınıflandırıcı aşamasında performans
değerlendirmesi için kullanılan ÇKA sınıflandırıcısı için
eğitim ve test aşamaları gerçekleştirilerek sonuçlar elde
edilmiştir. k=4, k=5 ve k=6 için elde edilen sınıflandırma
sonuçlarının değerleri Tablo 10’da görülmektedir.
bilgiler elde edilebilir. Harmonik eliminasyon ile yüksek,
alçak ve değişken güç sistemlerinde oluşan harmonik
bozukluklarda, düzeltme ve kırpma gibi fonksiyonlarla güç
sistemlerinin enerji verimliliğini artırıcı harmonik filtreleme
yapılabilmektedir. Ayrıca aktif-pasif harmonik filtreleme
alanlarında çalışan uzmanların yaralanabileceği bir araç olarak
önerilmiştir.
6. Kaynaklar
Tablo 10: k küme sayısına göre Çok Katmanlı Algılayıcı
algoritmasının başarım oranları
k küme Doğru
Hatalı
Başarım
sayısı
Sınıflama Sınıflama Yüzdesi
35
99.13 %
4 küme 3 997
171
95.75 %
5 küme 3 861
320
92.06 %
6 küme 3 712
[1] Erişti, H. “Güç Kalitesi İçin Dalgacık Dönüşümü ve
Destek Vektör Makine Tabanlı Bir Olay Tanıma
Tekniğinin Geliştirilmesi”, Doktora Tezi, Fırat
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ. 2010.
[2] Bollen, M.H.J. and Gu, I.Y.H., Signal processing of
power quality disturbances, John Wiley & Sons, New
York, 2006.
[3] Erişti, H. and Demir, Y., A new algorithm for automatic
classification of power quality events based on wavelet
transform and SVM , Expert systems with applications,
37-6, 4094-4ı02, 2010.
[4] Asheibi, A., Stirling, D. and Sutanto, D., “Analyzing
Harmonic Motoring Data Using Supervised and
Unsupervised Learning” , IEEE Transactions On Power
Delivery, 24-1, 293 -301, 2009.
[5] Asheibi A. T. M., “Discovery and Pattern Classiﬁcation
of Large Scale Harmonic Measurements Using Data
Mining”, Doctor of Philosophy, University of
Wollongong, School of Electrical, Computer and
Telecommunications Engineering, Avusturalya. 2009.
[6] Ferracci, P., 2001. “Power Quality, Schneider Electric,
Cahier Technique”, Cahier Technique Schneider Electric,
p.2, 199.
[7] Chi-Jui, W. and Wei-Nan, C., “Developing a Harmonics
Education Facility in a Power System Simulator for
Power Engineering Education” , IEEE Transactions on
Power Systems , 12-1, 22-29, 1997.
[8] Lin, H., “An Internet-Based Graphical Programming
Tool for Teaching Power System Harmonic
Measurement” , IEEE Transactions on Education, 49-3,
404-414, 2006.
[9] IEEE Std 519-1992, “IEEE Recommended Practice and
Requirements for Harmonic Control in Electrical Power
Systems.” Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc., New York, 1992.
[10] Hosmer, D.W. ve Lemeshow, S.,. Applied Logistic
Regression, Wiley Series In Probability And Statisytics,
8,49-50, 143, 156, Canada, 2000.
[11] Sezer Ü., “Karar Ağaçlarının Birliktelik Kuralları İle
İyileştirilmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli. 2008.
[12] Yıldırım, Ö., “Veri Madenciliği Yöntemleriyle
Depremlerin Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Fırat
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 2010.
[13] McQueen, “J., Some Methods For Classification and
Analysis of Multivariate Observations”, Proceedings of
5-th Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and
Probability, University of California Press, 1:281-297.
Berkeley, 1967.
Elde edilen sınıflandırma sonuçları incelendiğinde;
önerilen harmonik izleme sisteminde algoritmaların
başarımlarına
bakıldığında,
Yapay
sinir
ağları
algoritmalarından olan ÇKA algoritmasının en yüksek
başarımı 4 032 adet veriden, küme sayısı 4 iken sadece 35 adet
veriyi hatalı sınıflandırarak göstermiştir. 4 032 adet
harmonikli veri, 4 küme ile bölündüğünde toplamda 320 veriyi
yanlış sınıflarken, başarımı % 99,13 olmuştur. k=5
parametresine göre; toplam 171 adet veri yanlış sınıflanmış ve
başarımı %95.75 olmuştur. k=6 parametresine göre de;
başarım % 92.06 olmuştur. Bu sonuçlara göre; en yüksek
başarım 4 kümede olmuştur. Bu sonuçlar kullanılarak dağıtım
sistemleri 4 küme sistemine göre tasarlanarak harmonik
eliminasyon sistemleri oluşturabilir.
Sınıflandırma işlemi ile kümelenmiş harmonikli verilerin
8 064 adetlik kısmı sınıflandırıcının eğitim aşamasında, 4 032
adetlik kısmı ise test aşamasında kullanılarak oluşan sınıf
sonuçlarına göre; harmonik bozukluklar ile ilgili çeşitli bilgiler
elde edilmiştir. Harmonik bozukluların giderilmesi için bu
sınıf parametreleri kullanılarak eliminasyon sistemleri
geliştirilebilir. Sınıf sayısı parametresine göre oluşan sonuçlar
için farklı eliminasyon sistemleri geliştirilebilir ve böylece
herhangi bir dağıtım sistemine kurulan harmonik izleme
sistemi ile gerekli ölçümlerden sonra oluşan harmonik sınıf
bilgisine göre filtreleme işlemleri rahatlıkla yapılabilmektedir.
Sistemde oluşan anlık harmonik bozukluklara ait veriler
hemen sınıflandırılarak oluşan sınıf bilgisine göre; elimine
sistemi devreye otomatik olarak sokularak filtreleme işlemi
rahatlıkla yapılmaktadır.
5. Sonuçlar
Bu çalışmada, 3 fazlı bir sistemde meydana gelen harmonik
verileri sınıflandırmak için ÇKA temelli bir yaklaşım ileri
sürülmüştür. Önerilen yöntemde harmonik veriler, k-means
algoritması ile kümelenmiş ve her veri için sınıf bilgileri elde
edilmiştir. ÇKA sınıflandırıcısı eğitimi bu sınıf bilgilerine
göre yapılmıştır. ÇKA algoritmasının varsayılan parametreleri
kullanılarak başarımları tespit edilmiştir. Ayrıca oluşan bu
başarımlar karşılaştırılmıştır. Önerilen sınıflandırıcının k=4
durumunda harmonik verileri sınıflandırmadaki başarısının
oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Önerilen akıllı
harmonik izleme sistemi kullanılarak güç sistemindeki
harmonik değişimler, harmonik standartlarına göre oldukça
rahat, hızlı ve güvenilir olarak izlenebilir. Ayrıca önerilen
akıllı harmonik izleme sistemi kullanılarak, güç sisteminde
harmonik eliminasyon yapılması açısından oldukça önemli
37
PLC, Wi-Fi ve ZigBee Teknolojilerinin Akıllı Ev Uygulamaları
için Başarım Karşılaştırması
Ali Güney1, Hasari Çelebi2, Mehmet Uzunoğlu3
1
Elektronik Mühendisliği Bölümü
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, İstanbul Cad. No:101 41400, Gebze, Kocaeli
[email protected]
2
Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü
[email protected]
3
Elektrik Mühendisliği Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi, Davutpaşa Mah., Davutpaşa Cad. 34220 Esenler, İstanbul
[email protected]
hızlarıyla doğru orantılı olarak fazla miktarlarda kullanırlar.
Fakat her daim büyük boyutlarda veri iletimine ihtiyaç
duyulmayabilir. Sensör ve kontrol cihazları küçük boyutlarda
veri iletir veya alırlar. Bu durumda bu tarz verilerin iletimini
sağlamak ve böyle cihazların kontrolünü yapmak için sistem
kaynaklarını mümkün olduğunca az kullanacak, akıllı ağ
topolojilerini
destekleyecek
bir
teknolojiye
ihtiyaç
duyulmuştur. Bunun üzerine IEEE, 802.15.4 standardını
çıkarmış, bu standartları temel alan ZigBee protokolünün ve
bu protokolü destekleyen cihazların üretilmesini sağlamıştır.
Böylelikle düşük güç tüketen, düşük maliyetli, akıllı ağ
topolojileri kurabilen ZigBee destekli cihazlar günlük
yaşamda yerini almaya başlamıştır [4].
Özetçe
Elektrik hatları üzerinden haberleşme (PLC), Wi – Fi ve
ZigBee son yıllarda popüler haberleşme teknolojileri arasında
yerlerini almaktadır. Bu teknolojilerin başarımları uygulamaya
göre değişiklik arz edebilmektedir. Bunlar akıllı ev otomasyon
uygulamaları için haberleşme teknoloji adayları olarak
gösterilmekte olup hangisinin kullanılıp kullanılmayacağı
araştırma konusudur.
Bu bağlamda, bu çalışmada PLC ile Wi – Fi haberleşme
teknolojilerinin başarımları throughput (çıktı) ve jitter
(seğirme) açısından ve ZigBee ile Wi – Fi haberleşme
teknolojilerinin başarımı ise RSSI değerleri yardımıyla Yol –
Kayıp Modeli açısından ev ortamında ölçüm yapılarak
karşılaştırılmıştır.
Projenin başlatılmasındaki ana sebep; Akıllı Ev
Uygulamalarında bir noktadan bir noktaya veri transferini
gerçekleştirmek üzere optimum performansa sahip haberleşme
teknolojisinin belirlenmesidir. Bunun yanı sıra PLC, Wi-Fi ve
ZigBee teknolojilerinin menzile bağlı performanslarının
kıyaslanması ve performanslarına etki edebilecek nedenlerin
belirlenmesi de projeden beklenen çıktılar arasındadır.
1. Giriş
Verinin hızlı ve güvenli bir şekilde bir noktadan başka
bir noktaya iletilmesi önemli bir konu olmuştur. Günümüzde
daha çok veri iletim ortamları olarak uzak mesafelerde fiberoptik kablolar, bina içi uygulamalarda ise cat 5, cat 6 kablolar
veya hava (radyo dalgaları, mikro dalga, kızıl ötesi ışınlar)
kullanılmaktadır. [1]
Bu çalışma da öncelikle ZigBee radyo yayını yapabilen
iki cihaz arasında farklı menzillerde RSSI ölçümü
gerçekleştirilmiş ve daha sonra aynı noktalarda Wi-Fi için aynı
ölçüm gerçekleştirilip performanslar kıyaslanmıştır. Daha
sonra iki PLC adaptör arasında beş farklı menzilde throughput
(çıktı) ve jitter (seğirme) performansları ölçülmüş ve aynı
ölçüm noktalarında iki Wi-Fi cihazı arasında aynı ölçümler
gerçekleştirilip performanslar kıyaslanmıştır.
Elektrik hatlarının aynı zamanda veri iletimi için de
kullanıldığı bina içi uygulamalar (HomePlug) ise oldukça az
miktardadır. Genelde PLC (Power Line Carrier- Güç Hattı
Üzerinden Veri İletimi ), özelde Bina İçi Uygulamalar (Home
Plug) tekniklerinin geliştirilmesi veri iletim ortamları
açısından yeni yaklaşımlar ortaya çıkarabilir [2][3].
2. Ölçüm Ortamı ve Düzeneği
Kablosuz haberleşme denildiği zaman akla ses, resim,
video vb. gibi büyük boyutlu verilerin yüksek veri hızında
iletimini yapabilen Wi-Fi, WIMAX, Bluetooth ve şimdilerde
popüler olan 3G, 4G gibi teknolojiler gelmektedir. Bu
standartları kullanan cihazlar sistem kaynaklarını da iletim
Bu çalışmada ölçümlerin ve testlerin gerçekleştirildiği
ev ortamının 2 boyutlu planı Şekil 1’de görülmektedir. Teste
başlamadan önce ortamdaki diğer Wi – Fi cihazların ve
bilgisayarların Wi – Fi özellikleri kapatılmıştır. Çünkü
38
cihazların ‘Beacon’ (işaret sinyali) atmasından dolayı ölçüm
performansını etkilemesi söz konusudur. Ortamın stabil
olduğuna emin olduktan sonra ölçüm yapılacak cihazları iki
metre aralıkla yerleştirerek projenin farklı senaryoları için veri
toplanmıştır.
3.1. ZigBee ve Wi – Fi Teknolojileri için Yol – Kayıp
Modelinin Çıkartılması
Öncelikle ZigBee teknolojisi için Şekil 1’de gösterilen
ev ortamında ölçümler iki metre aralıklarla on metreye kadar
gerçekleştirilmiştir. Ölçümler sırasında Texas Instruments’a ait
CC2530 ZigBee Development Kit kullanılmıştır.
ZigBee için RSSI değerleri ‘Paket Hata Oranı Test’
uygulamasıyla elde edilmiştir. Bu uygulama CC2530 EM
devresinin üzerindeki CC2530 Mikrodenetleyicisine IAR
Embedded Workbench programı yardımıyla yüklenmektedir
[5].
Bu uygulamada iki adet Şekil 2’deki devreden
kullanılarak birisi ‘Transmitter (Verici)’ modunda, diğeri
‘Receiver (Alıcı)’ modunda 11.kanalda haberleşecek ve çıkış
gücü 0 dBm olacak şekilde ayarlanıp, 1000 adet paket
transferi gerçekleştirilmiştir.
Şekil 1: Test Ölçümünün Gerçekleştirildiği Evin 2
Boyutlu Planı
3. Veri Toplama
Bu çalışma üç kısımdan oluşmaktadır; birinci kısımda
Wi – Fi ile ZigBee haberleşme teknolojilerinin Yol – Kayıp
Modeli’nin (Path – Loss Model) çıkartılması söz konusudur.
Yol – Kayıp Modeli oluşturulurken mesafeye bağlı RSSI
değerinin değişimi söz konusudur.
Çalışmanın ikinci kısmında ise Iperf yazılımı yardımıyla
PLC ve Wi-Fi teknolojileri üzerinde Throughput (Çıktı)
ölçümleri farklı menzillerde gerçekleştirilmiş ve iki farklı
haberleşme teknolojisinin performansları karşılaştırılmıştır.
Şekil 2: Paket Hata Oranı Test Uygulama Devresi
Ölçümler sonucunda her noktada 1000 adet anlık RSSI
değeri elde edilmiştir. 1000 adet değerden ortalama RSSI
değeri, her bir nokta için hesaplanıp değerler kaydedilmiştir.
Kaydedilen değerler deney sonuçları başlığı altında Tablo
2’de görülmektedir.
Çalışmanın üçüncü kısmında yine Iperf yazılımı
yardımıyla farklı menzillerde elde edilen Jitter (Seğirme)
sonuçları PLC ve Wi – Fi teknolojisi için kıyaslanmıştır. PLC,
Wi-Fi, ve ZigBee teknolojileri için yapılan bu ölçümler Tablo
1’de özetlenmektedir. Throughput (Çıktı) ve Jitter (Seğirme)
ölçümlerinde Iperf programı kullanıldığından dolayı
çalışmanın ikinci ve üçüncü kısımları tek başlık altında
sunulmuştur.
Tablo 1: Test Ölçümleri
Teknoloji
RSSI
ZigBee
√
Wi – Fi
√
Throughput
Jitter
√
√
√
√
Şekil 3: Airties AirTouch 4420 Kablosuz Modemler
PLC
39
Şekil 3’teki Wi-Fi modemlerde gömülü olarak Linux
işletim sistemi mevcuttur. Cihazların diğer bir özelliği ise
USB bellek ile dış hafıza desteğinin bulunmasıdır. Bu
modemlere Windows Telnet Sunucusu yardımıyla erişilip
konfigüre edilebilmektedir. Ayrıca cihazlara farklı IP değerleri
atanarak birbirleriyle eşleşmiş durumdadırlar. Çalışılacak
kanal da 11.Kanal (2405 MHz) olarak belirlenmiştir. Kısacası
şartların ZigBee ve Wi – Fi için bire bir uygun olması
sağlanmıştır.
3.2. PLC – Wi-Fi Teknolojileri için Throughput (Çıktı) ve
Jitter (Seğirme) Performans Karşılaştırması
Çalışmanın ikinci kısmında PLC ve Wi – Fi
teknolojilerinin performansları kıyaslanmaktadır. Performans
kıyaslaması ‘Throughput (Çıktı) Test’ yardımıyla Iperf
yazılımı üzerinden gerçekleştirilmiştir. Akıllı ev otomasyon
uygulamalarında genelde düşük iletim hızı (Low Data Rate)
kullanıldığından dolayı iletim hızı 1 Mbit/san olarak
belirlenmiştir. Iperf yazılımı sadece UDP modda iletim hızı
değeri tanımlamaya izin verdiğinden dolayı UDP portu tercih
edilmiştir. Ayrıca ölçümlerin gerçekleştirildiği ev bu
çalışmanın birinci kısmında belirtilen Şekil 1’deki evle
aynıdır. Bunun haricinde Iperf programı açık kaynak kodlu bir
program olduğundan ötürü Iperf yazılımıyla test alınan
bilgisayarların özelliklerine göre belirlenen performans testi
sonuçları farklılık gösterebilir.
Bu aşamalardan sonra RSSI ölçümü için planladığımız
çalışma prensibi; cihaz içerisinde koşturmak üzere Linux
tabanlı script dosyası oluşturularak anlık olarak 1000 adet
RSSI değerini ölçüp USB bellek içerisine bilgileri Text
dosyası halinde yazabilmesidir.
Wi-Fi modemdeki işlemciye telnet sunucusu yardımı ile
girilen “wl rssi CihazınMacAdresi” Linux komutu
yardımıyla diğer cihazdan gönderilen data paketinin
alındığında RSSI değeri, paketi alan cihaz tarafında anlık
olarak görülebilmektedir. Oluşturulan script dosyası sayesinde
sürekli elle bu değerin yazılıp çıkan değerlerin kaydedilmesi
yerine cihaz içerisinde koşturulan script dosyasıyla bu işlemler
otomatik olarak yapılıp, değerler USB içerisinde oluşturulan
dosyalara menzile göre kaydedilmektedir. Ölçümler 2 metre
aralıklarla 10 metreye kadar gerçekleştirilmiştir.
PLC ölçümleri için test sisteminin kurulum şeması Şekil
5’te görülmektedir.
Script dosyası cihaz içerisinde çalıştığı sırada 1000 adet
RSSI değerini ölçüp Broadcom Chipset üreticisi tarafından
veri sayfasında (datasheet) belirtilen ortalama RSSI değeri
hesabına göre hesaplamaları yaparak test sonucunu USB
içerisinde bir klasör oluşturarak 1000 ölçüm sonucundaki
RSSI değerinin averajını text dosyasına yazdırmaktadır.
Ölçüm sırasındaki test ortamı Şekil 4’te görülmektedir.
10 metreye kadar ölçümler tamamlanarak veriler elde
edilmiştir. Wi – Fi için elde edilen RSSI değerlerinin menzile
göre değişimi ölçüm sonuçları başlığı altında Tablo 3’te
görülmektedir. Ayrıca ZigBee ve Wi-Fi haberleşme
teknolojilerinin mesafeye bağlı RSSI performansları, ölçüm
sonuçları başlığı altında Şekil 10’da incelenmiştir.
Şekil 5: PLC Test Kurulumu
Şekil 5’te gösterilen PLC test ortamı kurulurken bazı hususlar
dikkate alınmıştır. Öncelikli olarak kurulan test ortamının
gerçek bir simülasyon olması için tipik bir evin elektrik
hattının çekilmesi sırasında kullanılan kablonun bire bir aynısı
kullanılmıştır. Şekil 6’da görülen kablo, 3 girişli 2,5mm2
kalınlığına sahip HES Antigron kablo tipidir.
Şekil 6: HES 3*2,5 Antigron (NYM) Kablo
Test sırasında Şekil 7’de görülen PLC adaptörler
kullanılmıştır. Kurulum tamamlandıktan sonra Şekil 5’ten
görüleceği üzere bilgisayarlara sabit IP değerleri verilmiştir.
Bunun amacı bilgisayardan bilgisayara veri aktarımının Iperf
yazılımı yardımıyla gerçekleştirilmesidir. Bütün işlemler
Şekil 4: Test Ortamı
40
tamamlandıktan sonra test kurulumu Şekil 8’deki gibi
görülmektedir.
PLC için gerekli veriler elde edildikten sonra Şekil 9’da
görülen Wi – Fi test kurulumu gerçekleştirilmiştir.
Throughput (Çıktı) testi bize PLC adaptörlerimizin ağ
performansı hakkında gerekli bilgileri vermektedir.
Throughput (Çıktı) testinde ‘Client’ tarafından bir saniye
aralıklarla veri paketleri ‘Server’ tarafına doğru PLC ağı
üzerinden basılmıştır. Gönderilen her bir paket sabit bant
genişliğine sahiptir. Sonucu veren kısım ise ‘Server’ kısmında
her bir saniyede gönderilen bu paketlerin bant genişliği ve
zaman gecikmesinin analizidir. Test uygulamasında ilk olarak
iki PLC adaptör arasındaki uzaklık 2 metre alınmış ve
Throughput
(Çıktı)
testi
1000
saniye
aralığında
tamamlanmıştır. Daha sonra iki adaptör arasındaki menzil
sırasıyla 4 m – 6 m – 8 m – 10 m’ye çekilerek PLC adaptörler
üzerindeki ölçümler tamamlanmıştır. Iperf’te UDP modda
çalışıp Throughput (Çıktı) testi gerçekleştirildiğinde ekstra
olarak Jitter (Seğirme) bilgisi verilmektedir. Fakat Throughput
(Çıktı) testinden kast edilen Jitter (Seğirme) testi değildir.
Yani ekstra olarak Jitter (Seğirme) için ölçüm yapılmamıştır.
Sonuçlar, ölçüm sonuçları başlığı altında Tablo 4’te
görülmektedir.
Şekil 9’daki test kurulumu gerçekleştirildikten sonra
PLC adaptörlerle oluşturulan ağ yerine bu sistemde çalışmanın
birinci kısmında kullanılan Wi – Fi cihazlar yardımıyla
network oluşturulmuştur. Oluşturulan Wi – Fi ağının
üzerinden Throughput (Çıktı) testi gerçekleştirilmiştir.
Şekil 9: Wi-Fi Test Kurulumu
Şekil 9’dan görüleceği üzere ‘Server’ ve ‘Client’
modunda çalışan bilgisayarlar cihazlara ethernet kablosu
yardımıyla
bağlanarak
kablosuz
ağ
kurulumunu
gerçekleştirirler. Wi – Fi için Throughput (Çıktı) testi, Iperf
yazılımı yardımıyla 4 m – 6m – 8 m – 10 m menzilleri için
gerçekleştirilmiştir. Test sırasında PLC uygulamasında olduğu
gibi 1000 adet veri bir saniye aralıklarla 1000 saniye zaman
aralığında ‘Client’ tarafından ‘Server’ tarafına gönderilmiştir.
Test sonucunda da her bir menzil için 1000 saniye zaman
aralığında elde edilen ortalama bant genişliği (bandwidth) ve
Jitter (Seğirme) değerleri Tablo 5’teki gibi elde edilmiştir.
Hem PLC hem Wi – Fi için test işlemleri sonlandırıldıktan
sonra PLC ve Wi – Fi haberleşme teknolojilerinin performans
kıyaslaması ölçüm sonuçları başlığı altında Tablo 4 ve Tablo
5’teki verilere dayanarak Şekil 11 ve Şekil 12’de
gösterilmektedir.
Şekil 7: Kullanılan PLC Adaptörler
4. Ölçüm Sonuçları
Wi–Fi
ile
ZigBee
haberleşme
teknolojileri
için mesafeye bağlı elde edilen RSSI değerlerinin değişimi
Tablo 2 ve Tablo 3’te görülmektedir.
Tablo 2: ZigBee RSSI Test Sonuçları
Şekil 8: Test Sistemi
41
Menzil (metre)
RSSI (dBm)
2m
-66.768724
4m
-80.111272
6m
-86.765190
8m
-91.012780
10 m
-98.065099
Tablo 5: Wi-Fi için Throughput (Çıktı) Testi Sonuçları
Tablo 2 ve Tablo 3’teki değerler kullanılarak cihazların
menzile göre RSSI değerlerindeki değişim Şekil 10’da
görüldüğü gibi verilmektedir. Iperf yazılımı yardımıyla PLC
ve Wi-Fi teknolojileri için Throughput (Çıktı) ölçümleri farklı
menzillerde gerçekleştirilmiş ve iki farklı haberleşme
teknolojisinin performansları karşılaştırılmıştır. Test sonuçları
Tablo 4 ve Tablo 5’te görülmektedir. Tablo 4 ve Tablo 5’teki
değerler kullanılarak Throughput (Çıktı) testi sonuçları için
elde edilen performans grafikleri Şekil 11 ve Şekil 12’de
gösterilmektedir.
Menzil (metre)
Bant Genişliği
(Kbits/san)
Jitter (milisaniye)
2m
1000
0.730
4m
6m
8m
1000
1000
999
0.765
0.778
0.875
10 m
-
0.840
Tablo 3: Wi-Fi için RSSI Test Sonuçları
RSSI (dBm)
2m
-51.4120
4m
-58.9839
6m
-60.2041
8m
-60.3955
10 m
-60.5060
999.8
999.6
999.4
PLC Throughput Ölçümleri
Wi-Fi Throughput Ölçümleri
999.2
999
-50
Wi-Fi RSSI Ölçümleri
ZigBee RSSI Ölçümleri
-60
RSSI (dBm)
1000
Bant Genişliği (Kbits/san)
Menzil (metre)
2
3
4
5
Menzil (metre)
6
7
8
Şekil 11: PLC ve Wi – Fi Teknolojilerinin
Throughput (Çıktı) Performans Karşılaştırması
-70
-80
-90
1.3
3
4
5
6
7
Menzil (metre)
8
9
1.2
10
Jitter (milisaniye)
-100
2
Şekil 10: ZigBee – WiFi RSSI Performans
Karşılaştırma Grafiği
Tablo 4: PLC için Throughput (Çıktı) Testi Sonuçları
Menzil (metre)
Bant Genişliği
(Kbits/san)
Jitter (milisaniye)
2m
1000
0.634
4m
1000
0.660
6m
999
1.055
8m
999
1.130
10 m
-
1.193
PLC Jitter Ölçümleri
Wi-Fi Jitter Ölçümleri
1.1
1
0.9
0.8
0.7
2
3
4
5
6
7
Menzil (metre)
8
9
Şekil 12: PLC ve Wi – Fi Teknolojilerinin Jitter
(Seğirme) Performans Karşılaştırması
42
10
5. Sonuçlar
Bu çalışmada, akıllı ev otomasyon uygulamaları için
PLC, Wi-Fi ve ZigBee haberleşme teknolojilerinin başarımları
için ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümler sonucu, ZigBee ve
Wi – Fi teknolojileri kıyaslandığında verinin yakın veya uzak
mesafelere iletilmesinde Wi – Fi teknolojisinin belirgin bir
üstünlüğü mevcuttur. Bu sonuca göre, akıllı ev otomasyon
uygulamalarında Wi – Fi teknolojisini kullanmak daha
avantajlı olmaktadır. Fakat güç tüketiminin az olması
istendiğinde ve istenen menzile verinin ZigBee teknolojisi ile
taşınabildiği sistemlerde ZigBee ile çalışmak daha verimli bir
çözüm olduğu görülmektedir. Ölçüm sonuçlarına göre, Wi –
Fi teknolojisinin throughput (çıktı) açısından PLC
teknolojisinden daha üstün başarım gösterdiği görülmektedir.
Bu sonuç verinin Wi – Fi ile daha uzak menzillere
taşınabildiğini göstermektedir ki akıllı ev otomasyonları için
önemli bir gereksinimdir. PLC ve Wi – Fi Jitter (Seğirme)
performansları göz önüne alındığında kısa mesafelerde PLC
teknolojisinin üstünlüğü göze çarpmaktadır. Fakat PLC’de
düğüm sayısının artışıyla birlikte uzak menzillerde
performansında düşüş gözlenmektedir. Jitter (Seğirme) değeri
arttıkça verinin iletimi de gecikmekte ve belli bir menzilden
sonra veri iletimi çok yavaş hale gelmektedir. Wi – Fi
teknolojisinin performansı tüm menzil boyunca incelendiğinde
akıllı ev otomasyon uygulamalarında kullanıma daha uygun
olduğu gözlenmektedir. Tüm bu değerlendirmeler sonucunda
Wi – Fi teknolojisinin ZigBee ve PLC teknolojilerine göre
şimdilik akıllı ev otomasyon uygulamalarının gereksinimlerini
daha çok karşıladığı görülmüştür.
Teşekkür
Bu
çalışmanın
bir
kısmı, İSTKA/2011/KCE27 NO'LU proje kapsamında desteklenmiştir.
Kaynakça
[1] Veri
İletiminde
Home
Plug
(web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/80.pdf)
Uygulamaları
[2] Khurram
H.Z.,
“Powerline
Carrier
(PLC)
Communication Systems”, MS Thesis, Department of
Microelectronics and Information Technology, IMIT
Royal Institue of Technology, Sweden, Semyember 2003.
[3] Ackerman K.W., “Timed Power Line Data
Communication”,
MS
Thesis,
University
of
Saskatchewan, Canada, January 2005.
[4] ZigBee Teknolojisi Kullanılarak Kablosuz Kafe
Otomasyon
Sistemi
Tasarımı
(web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/108.pdf)
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Zigbee, Şubat 2009
43
Akıllı Şebekeler İçin DC Dağıtımlı Alternatif Enerji Sistemlerinin
Kullanımı
Engin ÇETİN1, Serdar İPLİKÇİ2, Sıddık İÇLİ3, Metin ÇOLAK4
1, 2
1
Pamukkale Üniversitesi,
Kınıklı-Denizli
2
[email protected],
[email protected]
3, 4
3
Güneş Enerjisi Enstitüsü
Ege Üniversitesi, 4Bornova-İzmir
[email protected],
[email protected]
sebebiyle tekrar AC’ye dönüştürülmek durumunda
kalmaktadır. Bu DC/AC dönüşüm; sisteme DC/AC invertör
ilavesi, maliyet artışları, DC/AC dönüşüm sonucu enerji
kayıpları, sistem boyutlarının büyümesi, enerji kalitesinde
bozulmalar gibi olumsuzlukları da beraberinde getirmektedir
[3-6].
Özetçe
Akıllı şebeke konsepti, son yıllarda dünyada olduğu gibi
ülkemizde de ön plana çıkan bir olgudur. Yapılan bu
çalışmada, akıllı şebeke sistemlerinde değerlendirilebilecek,
alternatif enerji sistemleri ile enerjilendirilen (fotovoltaik
sistem, rüzgar türbini ve yakıt pili) DC enerji dağıtım
sistemli bir konut uygulaması ele alınmıştır.
1. Giriş
1900’lerin başından itibaren düzenlenmekte olan elektrik güç
şebekeleri, değişik yapılanmaların ardından büyük bir
enterkonnekte ağa dönüşmüştür [1]. Bu tür sistemlerde yer
alan özellikle yük analizi, arz-talep dengesi ve kontrolü,
enerji tüketim davranışlarının izlenmesi, akıllı sayaç ve
izleme sistemleri, elektrikli araçlar ve şarj sistemleri gibi bir
çok unsur, klasik güç dağıtım sistemlerinin akıllı şebekelere
dönüşmesine yol açmıştır.
Akıllı şebeke sistemlerinde, konvansiyonel enerji üretim
sistemlerinin yanı sıra, alternatif ve yenilenebilir enerji
sistemleri de önemli bir yer tutar (Şekil 1). Akıllı
şebekelerde yer alan fotovoltaik sistemler, yakıt pilleri,
rüzgar türbinleri gibi özellikle alternatif enerji kaynaklarına
dayalı enerji üretimi, üzerinde durulması gereken unsurlardır.
Zira kömür, petrol, doğal gaz gibi geleneksel fosil yakıt
kaynaklı rezervler, son yıllarda artan tüketim nedeniyle hızlı
bir düşüş eğilimi içerisine girmiştir. Fosil kaynaklı yakıt
kullanımı, çevresel tahribat, sera gazı salınımı v.b. etkenler
nedeniyle azaltılmaya da çalışılmaktadır [2]. Bu ve buna
benzer nedenlerle son zamanlarda fosil kaynaklı yakıtlara
alternatif olarak, güneş, rüzgar, hidrojen v.b. alternatif enerji
kaynaklarının geliştirilmesi yoluna gidilmektedir.
Şekil 1: Akıllı şebeke temel yapılanma örneği [7].
Yapılan bu çalışmada, akıllı şebeke sistemlerinde
kullanılabilecek bir DC mikro şebeke ele alınmıştır. Bunun
için, Pamukkale Üniversitesi Temiz Enerji Evi bünyesinde
bulunan 5 kW fotovoltaik, 2.4 kW yakıt pili ve 0.4 kW rüzgar
türbini, sistemde enerji kaynağı olarak kullanılmıştır. Mikro
DC dağıtım sistemi için yine DC karakteristikli tüketim
birimleri (lamba, sirkülasyon pompası, fan, TV, buzdolabı ve
elektrik süpürgesi) kullanılmış, sistemdeki veri toplama ve
izleme işlemleri, kurulan PLC tabanlı düzenek ile
sağlanmıştır.
2. DC Enerji Dağıtım Sistemleri
Alternatif enerji sistemlerinde kullanılan fotovoltaik
panel ve yakıt pili gibi ekipmanlar, doğru akım (DC)
karakteristikte enerji üretimi yaparlar. Ayrıca mikro ölçekli
rüzgar türbinlerinin çıkışları, DC karakteristiktedir. Sonuç
olarak fotovoltaik, yakıt pili, rüzgar türbini gibi enerji
sistemleri ile üretilen DC elektrik enerjisi, tüketicilerin
büyük oranda alternatik akım (AC) karakteristikte olması
Elektrik enerjisinin iletim ve dağıtım biçimi, yüz yıldan fazla
bir süredir tartışma konusu olmaktadır. Nikola Tesla ve
George Westinghouse’ın AC iletim hatlarına karşı DC iletim
hatlarını savunan Thomas A. Edison arasında önemli
çekişmeler olmuş, bu çekişmelere “War of Currents” adı bile
verilmiştir. Günümüzde Avrupa’nın 16 ayrı bölgesinde
yüksek gerilim doğru akım (High Voltage Direct Current-
44
HVDC) iletim hatlarıyla elektrik enerjisi taşınmakta, 3 ayrı
bölgesinde yeni HVDC iletim hatları inşaatları devam
etmekte, 9 ayrı bölgesinde de HVDC iletim hatları
planlanmaktadır [3, 8].
açık devre gerilimi (Voc) 21.7 V, kısa devre akımı (Isc) 8.0
A’dir (Kyocera, 2009).
HVDC alanında en çok uygulamayı, ABB (Asea Brown
Boveri) firması yürütmektedir. HVDC alanında ilk
uygulamayı, ABB’nin kurucu şirketi olan ASEA yapmıştır
[3].
ABB’nin HVDC alanındaki uygulamaları şu şekilde
özetlenebilir; Çin’in Xiang Jiaba bölgesinde 2071 km
uzunluğunda ±800 kV/6400 MW’lık dünyanın en uzun iki
kutuplu UHVDC (Ultra High Voltage Direct Current) iletim
hattı, Çin’in Three Gorges Hidroelektrik Santrali ile Shangai
arasında iletim yapan 1060 km uzunluğunda ±500 kV/3000
MW’lık iki kutuplu HVDC iletim hattı (Şekil 2), Çin’in
Three Gorges Hidroelektrik Santrali ile Guangdong arasında
iletim yapan 940 km uzunluğunda ±500 kV/3000 MW’lık iki
kutuplu HVDC iletim hattı, İtalya ile Sardunya Adası
arasında deniz geçişi ile iletim yapan 2x420 km denizaltı
hattı uzunluğuna sahip ±500 kV/1000 MW’lık HVDC iletim
hattı, Kuzey Amerika’da Quebec ile New England arasında
iletim yapan 1480 km uzunluğunda ±450 kV/2000 MW’lık
iki kutuplu HVDC iletim hattı ve Brezilya-Sao Paolo’da 1585
km uzunluğunda ±600 kV/6300 MW’lık dört kutuplu HVDC
iletim hattı [3].
Şekil 3: PAÜ Temiz Enerji Evi [3].
Şekil 4: Hareketli ve sabit montajlı fotovoltaik paneller [3].
Sistemde hidrojenden elektrik üretimi yapmak amacıyla
her biri 1.2 kW gücünde iki adet yakıt pili de kullanılmıştır
(Şekil 5). PEM (Proton Exchange Membrane) tipi yakıt
pilleri, basitliği, kompaktlığı ve kolay bakımı sebebiyle
seçilmiştir. Kullanılan Nexa Yakıt Pili Modülleri 1.2 kW
düzensiz DC karakteristikte güç üretmekte ve nominal çıkış
gerilimi 22-50 V DC ve nominal çıkış akımı 46 A
olmaktadır. Sistemde yer alan yakıt pilleri oksidant olarak
havayı kullanmakta ve sadece kullanılmayan hava, su, ısı ve
elektrik çıkışı olmaktadır. Yakıt pili dizisi, 47 adet yakıt pili
hücre elemanından oluşmaktadır. Nexa Yakıt Pili
Modülü’nün; >%99,99 saflığında H2 isteği, <18.5 l/dak H2
tüketimi, max. 870 ml/h su emisyonu, 7.2 bar-15 bar
aralığında H2 giriş basıncı gibi özellikleri bulunmaktadır (3,
10, 11, 12).
Şekil 2: Three Gorges-Çin HVDC iletim sistemi [3, 9].
3. Gerçeklenen Mikro DC Dağıtım Sistemi
3.1 Sistemin Enerji Kaynakları
Şekil 3’te, mikro DC dağtım sistemin kurulduğu Pamukkale
Üniversitesi Temiz Enerji Evi (PAÜ-TENEV) görülmektedir.
PAÜ-TENEV’de, yapılan çalışma için 5 kW fotovoltaik
panel, 400 W rüzgar türbini ve 2 x 1.2 kW yakıt pili kurulu
gücü kullanılmıştır. Sistem hem şebeke destekli hem de
şebekeden bağımsız (off-grid) olarak çalışabilecek şekilde
planlanmıştır.
Tesiste bulunan FV paneller (Şekil 4), Kyocera 125GHT2 model, 125W gücünde, polikristal, maksimum çıkış
gerilimi (Vm) 17.4 V, maksimum çıkış akımı (Im) 7.2 A,
Şekil 5: 1.2 kW PEM tipi yakıt pili [3].
45
Sistemde 48V DC sisteme göre (akü şarjı) seçilmiş 12.5
m/s rüzgar hızında 400 Wp nominal güce ulaşabilen
Southwest marka Air-x/400 model rüzgar türbini de
bulunmaktadır. Şekil 6’da rüzgar türbini görülmektedir.
Sistemde kullanılan yüklerin elektriksel karakteristikleri
ise, Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1: Sistemde kullanılan yüklerin elektriksel
karakteristikleri [3, 6].
3.3 DC Dağıtım Panosu ve Veri Toplama Sistemi
Şekil 8’de, DC dağıtım panosu görülmektedir.
Şekil 6: 400 W rüzgar türbini [3].
Rüzgar türbini üretime yaklaşık 3.6 m/s’de
başlamaktadır. Rotor çapı 1.15 m’dir. 6 m/s ortalama rüzgar
hızında aylık enerji üretimi 30 kWh olan, maksimum 49.2
m/s rüzgar hızına dayanabilen bir türbindir. Türbinin aşırı
hıza karşı elektronik tork kontrol sistemi ve pik güç izleme
özelliğine sahip mikroişlemci tabanlı akıllı dahili regülatörü
bulunmaktadır (3, 13, 14).
3.2 Yük Birimleri
Şekil 7’de, sistemde DC yük olarak kullanılan TV (12 V),
lamba (12V), elekrik süpürgesi (12 V), sirkülasyon pompası
(24 V), buzdolabı (24 V) ve fan (24 V) üniteleri
görülmektedir.
Şekil 8: DC dağıtım panosu [3,6].
Şekil 8’deki pano, toplam sekiz bölümden oluşmaktadır
[3, 6].
Bölüm A / Dağıtım Klemensleri: 12 ve 24V DC yük linye
çıkışları.
Bölüm B / 12 ve 24 V DC Dağıtım Baraları: DC yük
dağıtımı, harici ölçme ve ek bağlantı amaçlı.
Bölüm C / Darbe Koruma: DC aşırı gerilim koruma
parafuduru.
Bölüm D / 12 ve 24 V DC/DC Konvertörler: 12 ve 24 V
DC yüklere uygun değerde stabil gerilim sağlayan üniteler.
Şekil 7: DC yük birimleri [3,6].
46
Bölüm E / İzolasyon İzleme Cihazı ve Devre Kesiciler:
Pozitif ve negatif hatlarla toprak arası temaslarda koruma
amaçlı, ayrıca cihazların kısa devreye karşı korunması için.
Bölüm F / PLC Güç Ünitesi: PLC (Programmable Logic
Controller) için gerekli enerjiyi sağlayan kısım.
Bölüm G / PLC CPU-224 Ünitesi ve EM 235 Analog
Modüller: DC karaktersitikli akım, gerilim, güç, enerji
okumaları/kaydı için kullanılan üniteler.
Bölüm H / Voltaj Konvertörleri ve Şöntler: DC
karakteristikli akım ve gerilimlerin EM 235’lerin
okuyabileceği düzeyde sinyallere dönüştürülmesi için
kullanılan konvertör ve şöntlerin bulunduğu kısım.
4. Deneysel Çalışma
12 ve 24 V olarak DC dağıtım yapılan sistem üzerindeki
yükler, değişik sistem koşullarını test edebilmek amacıyla
belirli güçlerde devreye alınmış ve sonuçlar, Fluke 43B güç
kalitesi analizörü ile kayıt altına alınmıştır.
Şekil 10: 12 V’luk tüm yükler devrede iken 12 V konvertör
girişinden ölçülen güç değerleri [3]
Fluke 43B, DC ve AC probları vasıtasıyla, bir elektrik
tesisatı üzerindeki akım, gerilim, harmonik, gerilim çökmesi,
gerilim yükselmesi, frekans değişimi gibi bir çok parametreyi
izleme ve kayıt altına alabilme yeteneğine sahiptir.
Şekil 9 ve 10’da, 12 V konvertör çıkışına tüm yükler
(TV, kırkdört adet lamba ve elektrik süpürgesi) bağlı iken
konvertör girişinden Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile
ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri, Şekil 11 ve 12’de ise
konvertör çıkışından Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile
ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri görülmektedir.
Konvertör girişinden çekilen akım 14.88 A, çıkışından
çekilen akım ise 47.78 A’dir. Konvertör çıkış gücü 585 W,
giriş gücü ise 702 W’tır (konvertör boştaki gücü dahil). Bu
esnada konvertör giriş terminallerindeki voltaj değeri 47.14
V, çıkış terminallerindeki voltaj değeri ise 12.25 V olarak
tespit edilmiştir.
Şekil 11: 12 V’luk yükler devrede iken 12 V konvertör
çıkışından ölçülen akım ve gerilim değerleri [3]
Şekil 9: 12V’luk tüm yükler devrede iken konvertör girişinden
ölçülen akım-gerilim değerleri [3]
çıkışından ölçülen güç değerleri [3]
47
Şekil 16: 24 V’luk tüm yükler devrede iken 24 V
konvertör çıkışından ölçülen güç değerleri [3]
Şekil 13: 24V’luk yükler devredeyken 24V konvertör
girişinden ölçülen akım-gerilim değerleri [3]
Şekil 13 ve 14’te, 24 V’luk tüm yükler (fanlar,
sirkülasyon pompası ve buzdolabı ünitesi) devrede iken
konvertör girişinden Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile
ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri, Şekil 15 ve 16’da ise
konvertör çıkışından Fluke 43B güç kalitesi analizörü ile
ölçülen gerilim, akım ve güç değerleri görülmektedir.
Konvertör girişinden çekilen akım 2.518 A, çıkışından
çekilen akım ise 3.912 A’dir. Konvertör çıkış gücü 91 W,
giriş gücü ise 100 W’tır (konvertör boştaki gücü dahil). Bu
esnada konvertör giriş terminallerindeki voltaj değeri 57.24
V, çıkış terminallerindeki voltaj değeri ise 24.94 V olarak
tespit edilmiştir.
5. Sonuç
Yenilenebilir enerji kaynakları; çevreyle dost, modüler,
rezerv bakımından konvansiyonel kaynaklar gibi dışa bağımlı
olmayan kaynaklar olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Bu
nedenle son yıllarda özellikle akıllı elektrik şebekeleri baz
alındığında yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları üzerine
yapılan çalışmalar, tüm dünya ile birlikte ülkemizde de
önemli bir ivme kazanmıştır.
girişinden ölçülen güç değerleri [3]
Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerji, bu
tür sistemlerin yüksek maliyetli ar-ge çalışmalarına dayalı
olması nedeniyle pahalı olduğundan, tüketimi esnasında
maksimum verime ulaşılması gereken bir unsur olarak
karşımıza çıkmaktadır. Bununla birlikte enerji verimliliği
kavramı da bunu gerektirmektedir.
Enerjinin üretildiği yerden tüketildiği yere taşınması,
üretildiği karakteristikte tüketilmesi, enerji verimliliği
açısından son derece önemlidir. Fotovoltaik sistem (FV),
rüzgar türbini, yakıt pili gibi yenilenebilir enerji
kaynaklarından elde edilen enerji DC karakteristiktedir. Bu
nedenle bu enerjinin üretildiği karakteristikte de tüketilmesi
gerekmektedir.
Yapılan bu çalışmada, FV-rüzgar-yakıt pili hibrit enerji
üretim sistemince üretilen DC enerjinin, aynı karakteristikte
iletimi ve tüketimi üzerine bir uygulamalı model
Şekil 15: 24V’luk yükler devredeyken 24V konvertör
çıkışından ölçülen akım-gerilim değerleri [3]
48
oluşturulmuştur. Bunun için 12 V ve 24 V DC enerji dağıtım
sistemi kurulmuş, bu voltaj değerlerine uygun olarak da DC
karakteristikli yükler devreye alınarak bu yükler üzerinde
uygulamalı bir çalışma yapılmıştır. Çalışma esas itibariyle
fotovoltaik-rüzgar
türbini-yakıt
pili
enerji
üretim
sistemlerinin bir arada olduğu, DC dağıtım sistemine sahip
bir çalışma olması itibariyle kendi alanında öncü ve ilkleri
bünyesinde barındıran bir çalışmadır. Çalışma için özel bir
pano tasarlanmış, sisteme uygun DC yükler bir araya
getirilerek bu pano üzerinden deneyler yapılmıştır.
[5]
[6]
DC sistemlerde kullanılan ekipman, piyasadan seri
üretimin az olması nedeniyle yüksek maliyetlere temin
edilebilmektedir.
Buna
karşın
DC
sistemlerin
yaygınlaşmasıyla birlikte fiyatların da AC sistemlerde
kullanılan ekipmanların fiyatları seviyesine ineceği
öngörülmektedir. Yapılan bu çalışma ile, DC sistemlerin
pratik anlamda uygulanabilirliği hususunun önünde hiçbir
engelin olmadığı da kanıtlanmıştır.
[7]
[8]
[9]
[10]
DC sistemler önümüzdeki dönemde önemli ölçüde ön
plana çıkacaktır. Özellikle lokal üretim lokal tüketim
prensibi içerisinde ulusal enterkonnekte sistemlerin yerini
lokal üreticilerin alması ve elektrik enerjisini kendi
tüketimleri için üretmeleri, petrol, doğalgaz, kömür gibi
konvansiyonel kaynakların azaldığı günümüzde, uzak bir
hayal olarak görülmemelidir.
[11]
[12]
Türkiye’nin enerji alanında çağın gerisinde kalmak,
ayrıca enerji açığını dışa bağımlı bir politika çerçevesinde
karşılamak gibi bir lüksü yoktur. Ülkemizin her geçen gün
artan enerji ihtiyacını yerli ve yenilenebilir enerji
kaynaklarını ön plana çıkararak karşılaması gerekmektedir.
Bu noktada, sanayi ile işbirliği içerisinde bilimsel çalışma ve
projelerin arttırılması ve bu çalışmalardan elde edilen
sonuçların da vakit kaybetmeksizin uygulamaya konulması
gerekmektedir.
[13]
[14]
Teşekkür
Yazarlar katkılarından dolayı Tübitak’a, DPT’ye ve
Pamukkale Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri
Koordinatörlüğü’ne teşekkür ederler.
Kaynakça
[1] A. Keyhani, Yenilenebilir Enerji Sistemlerinde Akıllı
Şebeke Tasarımı, EMO ve Wiley, 2013.
[2] E. Cetin, A. Yilanci, Y. Oner, M. Colak, I. Kasikci, and
H. K. Ozturk, “Electrical Analysis of a Hybrid
Photovoltaic-Hydrogen/Fuel Cell Energy System in
Denizli, Turkey”, Energy&Buildings, Vol. 41(9), pp.
975-981, 2009.
[3] E. Çetin, 2010, Fotovoltaik-Rüzgar-Yakıt Pili Hibrit
Güç Sistemi İçin Bir Mikro Doğru Akım Dağıtım
Şebekesi Tasarlanması, Uygulanması ve Analizi,
Doktora Tezi, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi
Enstitüsü.
[4] E. Çetin, M. Hekim, E.Y. Ulu, A. Yılancı, H. K. Öztürk,
“Alternatif Enerji Sistemlerinin Kullanıldığı Binalarda
Enerji Üretim ve Dağıtım Uygulamaları, YEKSEM
49
Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, 14-16
Ekim, Denizli, 2011.
E. Cetin, A. Yilanci, H. K. Ozturk, I. Kasikci, M. Colak,
S. Icli, “Construction of a Fuel Cell System with DC
Power Distribution for Residential Applications”,
International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36(17),
pp. 11474-11479, 2011.
E. Cetin, A. Yilanci, H. K. Ozturk, M. Colak, I. Kasikci,
and S. Iplikci, S., “A Micro DC Power Distribution
System for a Residential Application Energized by
Photovoltaic-Wind/Fuel Cell Hybrid Energy Systems”,
Energy&Buildings, Vol. 42 (8), pp. 1344-1352, 2010.
Siemens, 2013, http://www.siemens.de/energiewendedeutschland/intelligente-verteilung-undenergiespeicher.html?stc=deccc020226
Answers, 2010, http://www.answers.com/topic/highvoltage-direct-current (Erişim tarihi: 14 Haziran 2010)
ABB, 2010, www.abb.com/hvdc (Erişim tarihi: 14
Haziran 2010)
Nexa, Power Module Installation Manuel and
Integration Guide, MAN5000054, 2002.
A. Yılancı, H. K. Öztürk, E. Çetin, S. Kıvrak, İ. Dinçer,
“1.2 kWp Gücündeki Nexa Yakıt Pili Modülü’nün
Performans Analizi”, 4. Ege Enerji Sempozyumu, 21-23
Mayıs, Ege Üniversitesi, İzmir, 2008.
A. Yılancı, 5 kW Gücündeki Güneş-Hidrojenli Bir
Sistemin Kurulması ve Performansının Analizi,
Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Doktora Tezi, 148 s., 2008.
Southwest, 2009, Air-x/400W Wind Turbine Technical
Specification Data Sheet, PDF version, 2 p., USA.
Southwest, 2008, Air-x/400W Wind Turbine Owner’s
Manual, PDF version, 32 p., Document No. 3-CMLT1004, Revision: E, October, USA.
Eğitim Amaçlı Bir Elektrik Dağıtım Otomasyonunun SCADA İle Denetimi
Erdem Erdem1, Cemal Keleş1, Serdar Ethem Hamamcı1, Nusret Tan1
1
{erdem.erdem, cemal.keles, serdar.hamamci, nusret.tan}@inonu.edu.tr
Özetçe
2. Uzaktan SCADA Uygulamaları ve Eğitime
Katkıları
Son zamanlarda klasik eğitim araçlarının yanı sıra sanal
benzetim araçları önemi artan ve kabul gören bir mühendislik
eğitim sistemi sunmaya başlamıştır. Bu eğitim sistemi göz
önüne alınarak gerçekleştirilen bu çalışmada, İnönü
Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü,
Elektrik Tesisleri Laboratuarı için eğitim amaçlı olarak
tasarlanan SCADA tabanlı Elektrik Dağıtım Otomasyonu aracı
tanıtılmaktadır. Bu otomasyon programında amaç, üç fazlı bir
orta gerilim elektrik dağıtım sisteminin benzetiminin
yapılması sureti ile bu dağıtım hattının çalışma ilkelerini
incelemek, arıza deneyleri yapmak, arıza anlarında hattın
davranışını gerçek zamanlı olarak gözlemek, internet ve GSM
ile uzaktan erişim sağlayarak tüm bu deney işlemlerini uzaktan
kontrol edebilme olanağını sunmaktır.
Özellikle her an sürekli çalışma özelliği gösteren tesis ve
istasyonların her türlü otomasyonunda veya geniş bir alanda
dağınık halde bulunan elektrik, doğalgaz, üretim hatları ve
motor kumandası otomasyonu gibi bir çok sanayi ve hizmet
sektöründe uzaktan kontrollü SCADA uygulamaları yaygın
olarak kullanılmaktadır. Uzaktan kontrol için SCADA ile
yapılan bir yazılım uygulamasında
1. Kontrolü yapılan harici çevre elemanlarına internet veya
GSM üzerinden uzaktan kolay müdahale imkanı vermesi,
2. Üst düzey görsellik yardımıyla cihazların anlık olarak
çalışıp çalışmadığı bilgilerinin ekranda görülüyor olması,
3. Çalışan bir cihazda meydana gelen arızanın anında
kullanıcıya bildirilmesi,
4. Sisteme büyük çapta zarar verebilecek bir arızanın meydana
gelmesi durumunda tüm sistemin çalışmasının durdurulması
vb. gibi temel özelliklerin bulunması beklenmektedir [8, 9].
Bilgi ve iletişim teknolojisindeki hızlı gelişmeler
sonucunda eğitim amaçlı laboratuar düzenek ve cihazlarına
uzaktan erişim oldukça kolay bir hale gelmiştir. Son yıllarda
internet üzerinden kontrol edilebilen gerçek zamanlı deney
setleri üzerine oldukça yoğun çalışmalar yapıldığı
gözlenmektedir. Bu çalışmalara örnek olarak; bir
iklimlendirme (HVAC) sistemine uzaktan erişim sağlayarak
PID kontrolü gerçekleştiren uygulamalar [10], Mekatronik
eğitim sisteminin SCADA ile uzaktan kontrolünü amaçlayan
çalışmalar [11], sıvı seviyesi ve sıcaklığın uzaktan kontrol
edilebildiği uygulamalar [12], mikrokontrolör deneylerinin
uzaktan
yapılabildiği
laboratuar
uygulamaları
[13]
gösterilebilir.
Yukarıdaki örneklere bakıldığında uluslararası alanda
birçok üniversitenin farklı alanlarda uzaktan erişimli
laboratuar eğitimini uzun bir süreden beri yürütüyor olmasına
rağmen ülkemizde benzer uygulamaların oldukça yeni olduğu
gözlemlenmektedir. Bu açıdan bakıldığında, sunulan bu
çalışmanın elektrik tesisleri gibi öğrenci sağlığı için yüksek
risk içeren bir laboratuar için büyük kolaylıklar sağlayacağı
düşünülmektedir.
1. Giriş
Mühendislikte bilgisayar yardımıyla kontrol, günümüzde bir
çok uygulaması bulunan bir alandır. Bunların içinde ilk akla
gelen, özellikle son yıllarda kullanımı artan ve uzaktan kontrol
ile veri toplama/izleme imkanları sunan SCADA (Supervisory
Control And Data Acquisition) sistemidir [1, 2]. SCADA
sisteminin kullanım alanları teknolojinin gelişmesiyle son
zamanlarda
özellikle
endüstriyel
sanayide
oldukça
yaygınlaşmıştır [3, 4]. Bir SCADA sisteminin temelinde bir
merkez istasyon, bu istasyona bağlı harici çevre istasyonları ve
bu iki birim arasında denetim işlemini gerçekleştiren bir
yazılım bulunur [5]. Merkez istasyona dışarıdan gelen bilgi
akım, gerilim, ısı, ses, basınç veya hareket şeklinde sensörler
tarafından sağlanmaktadır. Bu bilgiler bilgisayarda işlenerek
eşzamanlı olarak kullanıcıya sunulmaktadır. Böylece kontrolü
yapılan cihazın veya ortamın durumu hakkında istenildiği
zaman bilgi sahibi olunmaktadır [6, 7].
Bu çalışmada, SCADA sisteminin yukarıda belirtilen
özellikleri ve avantajları göz önüne alınarak hazırlanan eğitim
amaçlı Elektrik Dağıtım Otomasyonu programının temel
özellikleri anlatılmaktadır. Bu otomasyon programı, Elektrik
Tesisleri laboratuarında klasik eğitim deneylerinin yanında
internet ve GSM üzerinden uzaktan erişimli sanal deneyler
yapılmasına imkan sağlayan yeni bir eğitim modeli
sunmaktadır. Bu program ile kullanıcı, sistem bilgilerini eş
zamanlı olarak görebilmekte ve daha da önemlisi meydana
gelen arızalara manuel düzeltme olmaksızın uzaktan müdahale
edebilmektedir. Bu müdahalenin özellikle internet üzerinden
veya GSM ile yapılabilmesi programın en önemli avantaj ve
özelliklerinden birisidir. Bu programı kullanan öğrencilerin,
staj ortamında veya mezun olduklarında iş yerinde bulunan
daha kapsamlı otomasyon programlarına daha kolay uyum
göstermesi beklenmektedir.
3. Elektrik Tesisleri Laboratuarı için Elektrik
Dağıtım Otomasyonu Uygulaması
Bu çalışmada Elektrik Tesisleri Laboratuarında SCADA
sistemi ile Microelettrica firmasının MC-20 serisi aşırı akım
rölesi
kullanılarak
elektrik
dağıtım
otomasyonu
gerçekleştirilmiştir. Sistem röle ile iletişim kurarak, tüm
analog ve dijital bilgileri alıp daha önceden hazırlanan tek hat
50
Şekil 1: Yazılım ana ekranının görünümü
şemasına işlemektedir. Yazılımın bu durumu gösteren ekran
çıktısı Şekil 1'de görülmektedir. Bu yazılım sayesinde, kesici
ve ayırıcıların açık veya kapalı olduğu kontrol edilebilir,
fiderde çalışma olup olmadığı denetlenebilir, fiderde oluşan
tüm arıza kayıtlarının gösterilmesi sağlanabilir, kesicilerin
uzaktan açılması veya kapatılması gerçekleştirilebilir, yapılan
tüm manevraların kayıt altına alınması ve rölelere uzaktan
bağlantı kurarak rölede her türlü ayar yapılabilmektedir.
Böylece bu uzaktan kontrollü sistemle öğrenciler SCADA ile
fider otomasyonunun ve fiderde manevranın nasıl yapıldığını
uygulamalı olarak yapabileceklerdir.
Elektrik Dağıtım Otomasyonuna ait yazılımının
çalıştırılabilmesi için sistem güvenliği önemlidir ve bu nedenle
program çalıştırıldığında önceden belirlenen kullanıcı adı ve
şifresi doğru bir şekilde girilmelidir. Bu işlemden sonra sistem
röle ile bağlantı kurarak –varsa- meydana gelen arıza
kayıtlarını ve ayırıcı/kesicilerin konumunu SCADA yazılımına
yüklemektedir. Bu kayıtlar gerek yazılımın Olay Kaydı
bölümünde gerekse sistemin otomatik olarak bilgisayarın masa
üstünde açtığı Arıza Kaydı dosyasında görülebilir. Röledeki
arıza kayıtları silinse dahi bilgisayarın veri tabanındaki bu
veriler kayıt altında olup kullanıcı istediği zaman bu kayıtları
görebilmektedir.
Bu yazılım, kesici ve ayırıcılarının konumunun yanı sıra
fiderin anlık akım bilgilerini de alarak otomasyon ekranında eş
zamanlı olarak gösterir. Eğer yazılımla kesiciyi uzaktan açmak
ve kapatmak istenirse öncelikle manevra şifresinin girilmesi
gerekir. Bu şifreyle sistemin güvenliği sağlanmış olup sistem
sorumlularının dışında başka kişilerin müdahalesi önlenmiş
olur. Manevra şifresi doğru girildiğinde ekranda Manevra
Açık ikazı görülmektedir. Kullanıcı kesiciyi açmak veya
kapatmak istediğinde sistem yanlış bir işlemin yapılmaması
için “Fakülte çıkışı kesicisini açmak istediğinizden emin
misiniz?” şeklinde bir sorgulamadan sonra açma veya kapama
işlemini gerçekleştirmektedir. Bu da sistemin güvenilirliğini
arttırmaktadır. Bu durumda yazılım ekranının görünümü Şekil
2'de verilmiştir. Yapılan işlemlerin tamamı yazılımın olay
kaydı bölümünde kayıt altına alınmaktadır. Bu durumu
gösteren pencere Şekil 3' te görülmektedir. Kullanıcının
yaptığı manevralardan sonra yazılım bir dakika içinde
manevrayı otomatik olarak kapatmaktadır.
Elektrik Dağıtım Otomasyonu yazılımının en önemli
özelliği, son derece güvenli, pratik ve kullanışlı olmasıdır.
Örneğin; dağıtım sisteminde, herhangi bir ekip çalışması var
ise, sistemi kumanda ve kontrol eden kişiler program aracılığı
ile bu durumdan mutlaka bilgilendirilir. Zira yetkili
kullanıcılar önceden ya da işlem yaparken, sistem tarafından
uyarılmaktadır. Dolayısıyla sistemde yanlış manevra
gerçekleştirme olanağı bulunmamaktadır. Ayrıca dağıtım
sisteminde veya kabinde çalışma yapan ekip, kesici mahallinde
fider kumanda panelinde bulunan anahtar veya orta gerilim
hücresinin kapısı açıldığında bu kapıya bağlı bir anahtar
vasıtası ile kesicinin uzaktan kapatılmasına imkan vermemekle
birlikte, sistemde kırmızı tonda “Çalışma var” ikazını
gönderecektir. Böylece hatta çalışan ekip sistemde görülen bu
ikazla kendi güvenliğini de almış olmaktadır. Bu duruma
rağmen kesici uzaktan kapatılmak istendiğinde Şekil 4'te
gösterildiği gibi “Fakülte çıkışında çalışma var. Siz kesiciyi
kapatmaya yetkili değilsiniz!” ikazını vererek kesicinin
kapatılmasına asla müsaade edilmez. Böylece olası bir iş
kazası önlenmiş olur.
Fiderlerin herhangi birinde arızadan dolayı bir açma varsa
bilgisayar ekranında Şekil 5'teki gibi bir ikaz çıkar. Bu ikazda
arıza veren fiderin isim etiketi üzerine arızanın nedeni formun
altında da arızanın oluştuğu tarih-saat, fiderin adı ve arızanın
oluştuğu andaki arıza akımlarını yanıp sönerek yazar. Eğer
yazılımda sesli ikaz açık ise, operatörü uyarmak için sistem
sesli bir uyarı ikazı verir. Bu da operatörün arızanın nedeniyle
ilgili sağlıklı bilgi almasını sağlar. Bu arıza ilgili çıkışın olay
kaydı formunda kayıt altına alınır. Arıza giderildikten sonra
“Arıza Sil” butonuna basarak hem arıza bilgilerinin yazıldığı
mesaj form üzerinden silinir hem de sesli ikaz kapatılmış olur.
51
Şekil 2: Manevra işlemi güvenliği için sorgu ekranı
Şekil 3: Yazılımın olay kaydı ekranı
Şekil 4: Yazılımın güvenlik için ikaz ekranı
52
Şekil 5: Yazılımın arıza anında ekran çıktısı
SCADA yazılımıyla dağıtım sistemindeki rölelere uzaktan
her türlü program yapılabilmektedir. Bunun için ana form
üzerinde bulunan “Röle ayarı” butonuna basarak MSComm2
röle ayar programı açılır. Bu programla röle istenilen değerlere
uzaktan kolayca set edilebilir. Ancak bu programın
açılabilmesi için manevra şifresinin girilmesi gerekir. Bununla
da yetkisiz kişilerin rölelerde ayar yapmasına imkan tanınmaz.
MSComm2 programı açılırken sistem SCADA yazılım
portunu kapatarak bilgisayarın aynı portla MSComm2
programının açılmasına olanak sağlar. MSComm2 yazılımı ile
ayarlar yapıldıktan sonra MSComm2 programı kapatılıp
SCADA program formu üzerinde bulunan “Port aç” butonuna
basıldığında yazılımın rölelerle bilgi alış verişi yeniden
başlatılır. Eğer kullanıcı portu açmaz ise sistem 30 saniye
sonra portu otomatik olarak açarak röle ile tekrar bağlantı
kurar.
Bu sistemin öğrenciler tarafından daha iyi anlaşılabilmesi
için üniversitemiz mühendislik fakültesinde elektrik tesisleri
laboratuvarında orta gerilim şaltı kurulmuş olup sistemin
kontrolü için SCADA yazılımı da sisteme kurulmuştur.
Öğrencilere orta gerilimde manevranın nasıl yapılması
gerektiği ve arıza meydana geldiğinde sistemin nasıl
çalıştığının daha iyi anlaşılabilmesi için SCADA yazılımında
sanal akım benzetimi ile röle akım set değeri, röle açma
zamanı ve açma eğrisinin bulunduğu yazılım eklenmiştir. Bu
durumda yazılım ekranı Şekil 6'da görülmektedir. Laboratuvar
ortamında orta gerilim şebekesinin bulunması ve arıza
akımlarının verilmesi gerek can güvenliği gerekse teçhizat
yönünden ciddi sorunlar teşkil edeceğinden yazılım için böyle
bir uygulama uygun görülmüştür. Program üzerinden eğitim
verilirken set edilen değerler sanal iken (akım, zaman, eğri
değerleri) test edilen arıza akımlarında kesici ve ayırıcılar
canlı olarak açılmaktadır. Böylelikle sistem daha gerçekçi bir
şekilde çalışmakta ve testi yapan öğrencilerin fiderde arıza
meydana geldiğinde sistemin nasıl çalıştığını uygulamalı
görmeleri sağlanmaktadır. Fiderin çektiği akımın daha iyi
analiz edilmesi için otomasyon yazılımı her saat başı fiderin
çektiği akımı Şekil 7'de görüldüğü gibi kayıt altına almaktadır.
Şekil 6: Yazılımda röle verilerinin gösterildiği ekran çıktısı
53
Şekil 7: Kayıt altına alınan akım değerlerinin ekranda yazdırılması
Şekil 8: Rölenin arıza durum bilgilerinin GSM vasıtasıyla SMS olarak gönderilmesi
Sistemin haberleşmesi bilgisayarın haberleşme portunun
RS232 kablosuyla aşırı akım rölesine bağlanarak
gerçekleştirilir. Bunun yanı sıra bilgisayar ile röle arasına RF
Modem yada Access Point ile WiFi ağ oluşturularak da
iletişim sağlanabilir. Ayrıca sisteme GSM Modem bağlandığı
takdirde meydana gelen tüm arıza bilgileri, operatörün cep
telefonuna kısa mesaj olarak bildirilebilmektedir (Şekil 8).
Son olarak, yukarıda anlatılan tüm bu özelliklere sahip
olan sistemin laboratuar ortamında kurulu hali Şekil 9’da
verilmiştir.
görme imkanı sağlanmıştır. Orta gerilim hatlarında birebir
çalışma esnasında meydana gelen can güvenliği sorunları, bu
yazılım için oluşturulan arıza benzetim sistemi sebebiyle
ortadan kaldırılmış ve böylece öğrencilerin güvenli bir
ortamda bu deneyleri yapması sağlanmıştır.
Kaynakça
[1] E. Erdem, M.S. Mamiş, “SCADA ile pompa ve su
dağıtım otomasyonu- ERDEM SCADA”, Bileşim
Otomasyon Dergisi, Cilt: 250, s: 34-35, 2013.
[2] S. Özkan, “Enerji sektöründe scada uygulamaları ve
scada otomasyonu örneklemesi”, Gazi Üni. Fen Bilimleri
Enstitüsü, Yüksek Lizans Tezi, 2006.
[3] G. Clarke, D. Reynders, “Practical Modern SCADA
Protocols”, IDC technologies, 2004.
[4] A. Daneels, W. Salter, “What is SCADA?”, Trieste, Proc.
Int. Conf. on Accelerator and Large Experimental
Physics Control Systems, s: 339-343, 1999.
4. Sonuçlar
Bu çalışmada, İnönü Üniversitesi Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektrik Tesisleri
Laboratuarı için yazılımı gerçekleştirilen Orta Gerilim Elektrik
Dağıtım Otomasyonu tanıtılmaktadır. Oluşturulan bu yazılım
ile öğrencilere SCADA yardımıyla elektrik dağıtım
otomasyonunun uzaktan nasıl yapıldığını uygulamalı olarak
54
Şekil 9: Eğitim amaçlı SCADA kontrollü elektrik dağıtım otomasyonu sistemi.
[10] S. Soygüder, H. Alli ve Ö. Aydoğmuş, “Bir HVAC
Sisteminin PLC ile PID Denetimi ve Scada Uygulaması”,
Otomasyon Elektrik - Elektronik - Makina - Bilgisayar
Dergisi, Cilt No:112498-2007/05, s:60-67, 2007.
[11] R. Yenitepe, “Design and implementation of a SCADAcontrolled MTMPS as a mechatronics training unit”,
Comput. Appl. Eng. Educ., Cilt: 20, s:247–254, 2012.
[12] A. Adıyan ve A. Gören, “Depo sıvı seviyesi kontrolü için
eğitim amaçlı SCADA sistem tasarımı”, Endüstri
Otomasyon Dergisi, 2013 (basımda).
[13] S. Şahin, M. Ölmez ve Y. İşler, “Microcontroller-based
experimental setup and experiments on SCADA
education”, IEEE Transactions on Education, Cilt: 53,
No: 3, s.437-444, 2010.
[5] S.A. Boyer, “SCADA Supervisory Control and Data
Acquisition 2nd Edition”, ISA-The Instrumentation,
Systems, and Automation Society, NY, s: 38-84, 1999.
[6] D.J. Gaushell, H.T. Darlington, “Supervisory Control and
Data Acquisition”, Proceeding of IEEE, Cilt: 75, s: 16451658, 1987.
[7] D.J. Gaushell, R.B. Block, “SCADA communication
techniques and standards”, Computer Applications in
Power, IEEE, Cilt: 6, s: 45-50, 1993.
[8] Telvent, “Telvent Automation S/3 User Manual”, Telvent
S/3-2, Canada, s: 1.1-5.15, 1999.
[9] Telvent, “Telvent Automation S/3 Manager Manual”,
Telvent S/3-1, Canada, s: 5.1-5.35, 1999.
55
Akıllı Şebeke Haberleşmeleri için Elektrik Güç Hatlarının
Yüksek Frekanslarda Performans Testleri ve Uyumlandırılması
Hakan Paşa PARTAL1,2, Sultan ÇALIŞKAN1, Mehmet Ali BELEN1, Sibel ZORLU PARTAL1
1
Elektrik-Elektronik Fakültesi
Yıldız Teknik Üniversitesi, Đstanbul, Türkiye
2
Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü
Syracuse Üniversitesi, Syracuse, NY, USA
[email protected]
sağlayıcılar tarafından ortaya atılmış bir kavramdır. Günümüz
elektrik şebekeleri, basit arz talep ihtiyaçlarını karşılamak
üzere 100 yıl önce kurulmuştur. Ortaya çıkan teknolojilerle iki
yollu bilgi akışı, haberleşme mimarisi, akıllı algılama ve akıllı
ölçme teknolojileri mevcut güç hatlarına dâhil edilmiştir. [1]
Özetçe
Bu bildiride, kontrol ve otomasyon amaçlı iletilecek datanın,
akıllı şebeke haberleşmesi ile mevcut güç hatları kullanılarak
verimli bir şekilde iletilebilmesi için güç hattı modellemesi
yapılmıştır. Bu çalışma için bir elektrik hat örneği ele alınarak
network analizör cihazı yardımı ile yüksek frekanslarda
performans testleri yapılmış, sinyalinin verimli bir şekilde
iletilebilmesi için filtreleme ve empedans uyumlama
teknikleri uygulanmıştır. AWR Simülatörü ile filtre tasarımı
ve hattın performansı benzetilerek, iletilen haberleşme
sinyalinin minumum yansıma ile iletilmesi için öneriler
verilmiştir.
Đletişimde, özellikle yüksek veri hızına sahip sistemlerin
gerekliliği her geçen gün artmaktadır. Yüksek veri hızına
sahip yani yüksek kapasiteli iletişim sistemleri için farklı
teknolojiler mevcuttur. Enerji hattı iletişimi (PLC) de, bu
amaçla araştırılan ve geliştirilmesi hedeflenen bir teknoloji
olarak değerlendirilmektedir. Enerji hattı mevcut bir altyapıya
sahip olduğundan, bir iletişim ortamı olarak kullanılması,
diğer sistemlere göre daha az maliyetli olabilmektedir.
1. Giriş
PLC teknolojilerinin rolü ve akıllı şebekelerde kullanımındaki
faydalar [2]’de detaylı olarak verilmiştir. Bunun yanında
Avustralya’da gerçekleştirilen bir projede, güç hatlarının
DC/AC ve RF parametleri ile ilgili analizleri yayınlanmıştır
[3-4]. Bu çalışmada, SWER (Single Wire Earth Return)
hatlarının modellemesi yapılmış ve hatta ait empedans,
kapasitans, endüstans, radyasyon değerleri hesaplanmış ve
grafik üzerinde gösterilmiştir.
Elektrik dağıtımı amaçlı kullanılan iletken hatlar üzerinden,
gerilim hatlarının farklı kablo kesitleri ve elektriksel
parametrelere sahip olması nedeniyle, yüksek frekanslarda
verimli sinyal iletimi ve haberleşme kanal modellemesi
oldukça zordur. Gürültü seviyesi, hattaki sinyal zayıflaması ve
empedans uyumlaması, frekans ve zamana bağlı değişkenler
olduklarından, ileri sinyal işleme ve kanal kodlama yöntemleri
ile kanal üzerindeki bozucu etkiler azaltılabilmektedir. Bir veri
iletim teknolojisi olan PLC (Power Line Communication-Güç
Hatları Üzerinden Haberleşme) uygulamalarında, RF
haberleşme sinyalinin minumum yansımaya maruz kalıp,
maksimum verimle iletilmesi gerekmektedir. Aksi takdirde
iletimdeki data kayıpları yüksek oranlarda olabilir. Bu
kayıplar, rezistif kayıplar yanında, elektromagnetik dalga
yansıma ve zayıflaması ile radyasyon kayıpları olarak da
ortaya çıkmaktadır. Özellikle haberleşme sinyalinin taşıyıcısı
olan elektromagnetik dalga yansımalarını ve radyasyon
kayıplarını azaltmak için bu bildiride, filtreleme ve uyumlama
çalışması yapılmıştır. Bu çalışma testler ve simülatörler
yardımı ile gösterilmiştir ve güç hatları üzerinden
haberleşmeyi verimli hale getirebilmek için öneriler
verilmiştir.
PLC, düşük ve orta seviyeli elektrik şebeke gerilimi kullanarak
iletişim hizmetleri sağlayan bir iletişim teknolojisidir. Enerji
hatları üzerinden iletişimin var olan altyapı sistemini
kullanması maliyet etkin ve hızlı veri iletimine olanak
sağlamaktadır. PLC ile enerji yönetimine, bina otomasyonu,
gerçek zamanlı izleme, internet erişimi, telefon, multimedya
gibi servisler örnek olarak verilebilir. Mevcut güç ağı
sistemini veri transferi için kullanan PLC teknolojisi ile birden
çok kullanıcıya veya kontrolü hedeflenen cihaza hizmet
sunulabilir. Güç ağı üzerinde veri iletiminde kullanılan frekans
aralığı genelde 30 MHz’ın altındadır. Ancak 250 MHz’e kadar
frekans bandı kullanımı da mümkündür.
Güç ağı üzerinden iletişim, 1920’li yıllarda şirketlerin tesisleri
arasında ucuz haberleşme sağlamak amacıyla enerji
56
2.2 PLC Çalışma Bantları ve Data Đletim Hızları
2. PLC Teknolojilerine Bakış
Uygulama bölgelerine göre güç hatları haberleşmesi için
değişik frekans bant aralıkları ve genişlikleri kullanılmaktadır
(Şekil 1, [5]).
Kablosuz yayın yapan sistemler ve ağlar, benzer sistemlerin ya
da aynı frekans bandında çalışan diğer cihazların oluşturacağı
girişimlere maruz kalabilirler. Özellikle son yıllarda, iletişim
altyapısı için yeni yatırım gerektirmemesi nedeniyle, internet
erişimi, uzaktan sayaç okuma ve ev otomasyonu gibi
konularda enerji hatları üzerinden sayısal iletişim (PLC)
uygulama alanları bulmaya başlamıştır. Aslında çok yüksek
gürültü ve zayıflatma özellikleri nedeniyle, enerji hatları
sorunlu bir iletişim kanalıdır. Fakat kablosuz teknolojide
kullanılan ve anlık vuru gürültüsüne daha dayanıklı yaygın
spektrum yöntemlerinin, bu alanda da kullanılması ile iletişim
kanalının verimliliğinin artırılması mümkün olmaktadır.
Elektrik güç hattı ağları, ofis ve okul gibi mekânlarda duvarlar
nedeniyle zayıflayan kablosuz ağlara bir alternatif olarak
kullanılabileceği gibi kablosuz ağları destekleme amaçlı da
kullanılabilir. Akıllı evler, ev içi ağlar ve araç içi ağlarda da
kullanılan PLC sistemlerinin belki en büyük avantajı, mevcut
olan altyapıyı kullanarak az bir maliyetle geniş kitlelere hizmet
verilmesine olanak sağlamasıdır. Örneğin internet için elektrik
hatlarını kullanan BPL telefon hatlarını kullanan DSL
sistemlerine iyi bir alternatif olabilir. Hatta oldukça düşük
erişim süreleri sunabilen PLC’nin, ileride ADSL’e alternatif
olması sağlanabildiğinde, bu alanda büyük bir başarı elde
edilmiş olacaktır.
2.2.1.Ultra Dar Band (UNB) PLC
Çok düşük data oranında (100 bps’e kadar) ve 0.3-3 Hz gibi
alçak frekansta çalışma gösterir. UNB PLC, 150 km veya daha
fazlası bir menzile sahiptir. Genelde, uzak mesafelere enerji
dağıtımı için kullanılan orta gerilim hatları üzerinden
haberleşme için tercih edilir.
2.2.2.Dar Band (NB) PLC
3-500 kHz frekans bantlarında (VLF, LF ve MF) çalışan
haberleşme teknolojisidir. Genelde, yerel elektrik dağıtım
uygulamalarında kullanılabilen NB-PLC, iki grupta
değerlendirilebilir:
•
•
Düşük Veri Oranı (LDR) Uygulamaları: Tek
taşıyıcılı teknolojiler birkaç Kbps data oranına
sahiptirler (Örneğin HomePlug C&C).
Yüksek Veri Oranı (HDR) Uygulamaları: Birden
fazla taşıyıcılı teknolojiler onlarca kilobitten 500
Kbps’ye kadar data oranına sahiptirler.
PLC teknolojisi önceleri tek taşıyıcı dar bant, birkaç bit/s ile
birkaç kilobit/s data oranında düşük frekans bantlarında (kHz
mertebelerinde) çözüm sunarken, teknoloji ilerledikçe bu
çözüm daha geniş bant, 200 Mb/s data oranına sahip olan
yüksek frekans bantlarında (MHz mertebelerinde) çözümler
sunmaya başlamıştır.
2.1. PLC Kullanımı
Eelektrik ve veri iletiminin aynı hat üzerinden gerçekleşirildiği
PLC’de, yüksek frekanslı taşıyıcı sinyal, güç hattına enjekte
edilir ve veri ile taşıyıcı modüle edilerek iletilir. Elektrik
iletimi genliği büyük ve yavaş değişen dalga ile sağlanırken,
veri iletimi genliği küçük ve hızlı değişen dalga ile sağlanır.
Đki iletim farklı hızlarda sağlanmasına rağmen, karşılıklı olarak
engelleme söz konusu değildir. Bu sayede veri sinyalleri enerji
hatları üzerinden dış dünyaya aktarılır ve iletişim sağlanmış
olur.
Şekil 1. Şebeke dağılım örneği
2.2.3.Geniş Band (BB) PLC
HF ve VHF (1.8-250 MHz) bandında çalışan ve birkaç
megabit/s’den birkaç yüz megabit/s’ye kadar data oranına
sahiptir teknolojidir (Örneğin HomePlug 1.0). Genelde bina
içi geniş bantlı internet, TV, ses haberleşmelerinde
kullanılabileceği gibi, akıllı şebekeler ev otomasyonu ve
kontrolü amaçlı uygulamaları da mevcuttur.
PLC adaptörler sayesinde bu teknolojiden faydalanılmaktadır.
Endüstride mevcut bir örnek olarak; 220 Volt'luk elektrik
prizinden gelen sinyalin, adaptör tarafından 4.5 MHz ile 21
MHz arasındaki bir frekans aralığında alındığı HomePlug
standardını
destekleyen
ürünler
verilebilir.
Bunun
yapılabilmesi için alıcı ya da verici konumunda bir cihaz
olması gereklidir. Her odada bir priz vardır, bu da aslında her
odada ağ bağlantısının olması demektir. Adaptörler 200-500
mbps’e varan hız desteği verebilirler. Adaptörlerin kablolu
veya kablosuz seçenekleri bulunmaktadır. Güvenlik ise 128 bit
AES şifreleme yöntemi ile sağlanmaktadır. Kullanılan her bir
adaptör modem gibi çalışmaktadır ve hattın sınırını
kullanmaktadır.
2.3 Akıllı Şebekelerde PLC’nin Rolü
2.3.1 Yüksek Gerilim Hatlarında PLC
Yüksek gerilim hatlarında, 3-500 kHz bandında çalışan ve
birkaç yüz kpbs data oranına sahip PLC teknolojileri
kullanılabilmektedir. Bu teknolojiler yüksek güvenilirlik,
nispeten düşük maliyet ve uzun mesafe erişime olanak
sağladıkları için yüksek gerilim ağlarında önemli rol
oynamaktadırlar. YG hatları, kanal zayıflama karakteristikleri
57
açısından, band geçiren ve zamanla değişmeyen özellikte
olması sebebiyle iyi bir dalga kılavuzu olabilirler. Bu hatlarda
gürültü esas olarak korona etkisi ve diğer sızıntı ya da boşalma
(deşarj) olaylarından kaynaklanır. Tipik olarak 10-30 desibel
civarında korona gürültü gücü dalgalanmaları iklime bağlı
olarak görülebilir. Mümkün olduğunda alternatif olarak
PLC’den daha yüksek data oranına izin veren fiber optik veya
mikrodalga hatları, şebekenin iletim tarafında kullanılabilir.
3.1 Kablo Modellemesi ve Ölçümler
Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektromanyetik Alanlar ve
Mikrodalga Laboratuarı’nda, 15kHz ile 500kHz frekans
aralığında 1m’lik NYM model 2x2.5 mm’lik kablonun yüksek
haberleşme frekansında iletim ve yansıma parametreleri
(Saçılma-S parametreleri) ölçülmüştür. Elde edilen Sparametreleri ile AWR adlı elektromagnetik ve mikrodalga
devre simülatöründe kablo modeli oluşturulmuştur.
2.3.2 Orta Gerilim Hatlarında PLC
Şekil 3’de, 1 metrelik kablo için oluşturulan devre modeli,
AWR Elektromagnetik ve Mikrodalga Devre Simülatöründe
göstermektedir. Şekil 4’te ise bu devreye ait Network Analizor
ile ölçülen iletim kayıpları (S21) ve yansıma kayıpları (S11)
parametreleri değerlerine yer verilmiştir.
Orta gerilim (OG) şebeke hatlarında veri aktarım teknolojisi,
geleceğin akıllı şebekeleri için önemli bir konudur. OG
hatlarında bilgi ve güç iletimi, trafolar ve şebeke arasında
gerçekleşmektedir. Ancak günümüzde çoğunlukla mevcut
şebekelerde OG hatlarındaki trafolar, bu haberleşme
altyapısına uygun olarak tasarlanmamışlardır. Bu alanda
yapılacak ileri çalışmalarla, mevcut PL (Power Line) altyapısı,
OG hatlarında alternatif bir haberleşme ağı olarak yer
alabilecektir.
2.3.3 Alçak Gerilim Hatlarında PLC
VNA ile ölçüm
yapılan
Bakır hat-1 kısmı
Alçak Gerilim tarafında oldukça geniş PLC uygulamaları
mevcuttur. Bunlara örnek olarak, akıllı şebeke haberleşmeleri,
otomatik sayaç okuma (Automatic Meter Reading-AMR),
gelişmiş ölçüm altyapısı (Advenced Metering InfrastructureAMI), şebeke-araç (vehicle-to-grid-V2G) haberleşmeleri, talep
tarafı yönetimi (Demand Side Management-DSM) ve ev enerji
yönetimi (Home Energy Management-HEM) uygulamaları
verilebilir.
Varsayılan
gerilim kaynağı
Bakır hat 1
Varsayılan
yük
Bakır hat 2
3. Elektrik Güç Hat Modeli ve Ölçümler
PLC uygulamalarında, RF haberleşme sinyalinin minumum
yansımaya maruz kalıp, maksimum verimle iletilmesi
gerekmektedir. Aksi takdirde iletimde data kayıpları yüksek
oranlarda olabilecektir. Bu kayıplar hem rezistif kayıplar hem
de elektromagnetik dalga zayıflaması ve radyasyon kayıpları
olarak ortaya çıkmaktadır.
Bu çalışmada bina içinde
kullanılan bir elektrik kablo örneği alınarak Vektor Network
Analizor (VNA)’de yüksek frekans cevabı ölçümü yapılmıştır.
VNA’da yapılan ölçüm sonuçlarıyla hat modelinin devre
simülatöründe yapılan analizi karşılaştırılmıştır.
Şekil 3 : Devre simülatöründe kablonun devre modeli
Cable S Parameter
5
0
-10
-20
-30
-40
DB(|S(1,1)|)
-50
DB(|S(2,1)|)
-60
5
105
205
305
Frequency (kHz)
405
500
Şekil 4: Şekil 2’teki kablonun iletim (S21) ve yansıma (S11)
parametrelerinin network analizor ile ölçümü
3.1 Kablonun Yüksek Frekans Performans Analizi Ve
Empedans Uyumlandırması
Port 1
Ölçüm sonuçları kullanılarak AWR’da oluşturulan kablo
modeline ait 1m ve 10m için simülasyon sonuçlarına
bakılarak, data iletiminin verimini artırma ve yansımayı
azaltmak amacı ile uyumlama (filtre) devreleri eklenmiştir.
Şekil 5’te de gösterildiği gibi, ayrıca AC/DC işareti, RF
Port 2
Şekil 2. Test edilen 1 metrelik çift damarlı kablo örneği ile RF
haberleşme ve VNA ölçümleri için eklenmiş portlar
58
Şekil 5’de gösterilen sisteme ait 1 metrelik kablo için saçılma
parametreleri benzetimi Şekil 6’da yapılmıştır. 15-500kHz
aralığında geri dönüş kaybı (S11) -20dB’nin altında ve iletim
kaybı (S21) 0 dB’ye çok yakın olarak elde edilmiştir.
Empedans değerleri ise sistem empedansı olan 50 ohm’a yakın
değerlerde ölçülmüştür. Reaktif empedans değeri ise oldukça
küçüktür.
işaretten izole edebilmek ve sistemde bir arızaya sebep
olmamak için portların bağlantı noktalarında DC blok
kapasitorler kullanılmıştır.
PORT
P=2
Z=50 Ohm
PORT
P=1
Z=50 Ohm
CAP
ID=C3
C=1
IND
ID=L1
L=3 mH
CAP
ID=C1
C=1 uF
ACVS
ID=V1
Mag=1 V
Ang=0 Deg
Offset=0 V
DCVal=0 V
Bu frekanslardaki dalga boyu 1 kilometreye yakın
olduğundan, 1 metrelik güç kablosunun olumsuz etkileri
gözlemlenemeyecek kadar küçüktür. Ancak iletim sinyali daha
uzak mesafelere gittikce, yani kablo boyu uzadıkça empedans
uyumsuzluğu etkisi artacaktır. Şekil 7’de gösterilen sistemde
10 metrelik kablo için saçılma parametreleri benzetimi
yapılmıştır. 15 - 500 kHz aralığında geri dönüş/yansıma kaybı
(S11) -10dB’nin altında ve iletim kaybı (S21) -2 dB’ye kadar
çıkmaktadır. Empedansın reaktif bileşeni ise gittikçe
büyümekte olup, elektromagnetik sinyal yansımaları
başlamaktadır. Bu da kablo uzadıkça filtrelemenin
gereksinimini ortaya çıkarmaktadır. Bu amaçla Şekil 5’de
gösterilen filtre ve uyumlama (matching) devresi
uygulandığında kablonun iletim performansında iyileştirmeler
elde edilmiştir.
IND
ID=L3
L=1
IND
ID=L2
L=2 mH
CAP
ID=C2
C=1 uF
SUBCKT
ID=S1
NET="cal500khz"
1
2
RES
ID=R1
R=22 Ohm
2
1
SUBCKT
ID=S2
NET="cal500khz"
Cable Return Loss vs Insertion Loss 10m
5
Şekil 5. 1 metre kablo modeli : Uyumlama devreleri ve DC/RF
izolasyonu
0
-5
-10
dB
Cable Return Loss vs Insertion Loss
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
-60
-15
-20
-25
-30
-35
-40
DB(|S(2,1)|)
Matching Circuit
DB(|S(2,1)|)
cable model
DB(|S(1,1)|)
Matching Circuit
DB(|S(1,1)|)
cable model
-45
10
5
55
105
155
DB(|S(1,2)|)
Matching circuit
DB(|S(1,2)|)
measurement
DB(|S(1,1)|)
Matching circuit
DB(|S(1,1)|)
measurement
205
255
305
Frequency (kHz)
355
405
455
110
210
310
Frequency (kHz)
410
500
(a)
500
(a)
10 m cable Impedance
80
70
1 m cable Impedance
60
60
55
50
50
40
45
30
20
40
35
30
25
20
Re(ZIN(1)) (Ohm)
1 metre
10
Im(ZIN(1)) (Ohm)
1 metre
-10
0
Re(ZIN(1)) (Ohm)
10 metre
-20
15
-30
10
-40
Im(ZIN(1)) (Ohm)
10 metre
10
5
0
5
55
105
155
205
255
305
Frequency (kHz)
355
405
455
60
110
160
210
260
310
Frequency (kHz)
360
410
460
500
500
(b)
(b)
Şekil 7 : 10 m’lik kablo için (a) S parametresi ölçümü ve
Şekil 6 : 1 metre kablo için (a) S-parametreleri ölçümü (b)
Empedans değeri
uyumlandırılması (matching) (b) Empedans değeri
59
4. Sonuçlar
Bu bildiri kapsamında PLC sistemleri üzerine deneysel bir
çalışma yapılmıştır. Bunun için numune bir kablo testi ile, güç
hattı üzerinden haberleşme sinyalinin iletim verimini artırmak
amacıyla, filtrelerle uyumlama çalışması yapılmış ve sonuçlar
analiz edilmiştir. Enerji iletiminde yaygın olarak kullanılan
NYM 2x2.5mm’lik bir kablonun elektromagnetik dalga
saçılım parametreleri 15-500 kHz frekans aralığında ölçülmüş,
benzetim programı için bir model oluşturulmuş ve bir
empedans uyumlama çalışması sunulmuştur. Farklı
uzunluklardaki
kabloların
saçılım
parametreleri
karşılaştırılarak, yüksek verimle data iletimi için filtre
devrelerinin önemi vurgulanmıştır.
Kaynakça
[1] M. Kuzlu and M. Pipattanasomporn “Assessment of
Technologies
and
Network
Communication
Requirements for Different Smart Grid Applications,”
IEEE Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), 2013,
Washington, DC, USA.
[2] Stefano Galli, Anna Scaglione, and Zhifang Wang, “For
the Grid and Through the Grid: The Role of Power Line
Communications in the Smart Grid,” Proceedings of the
IEEE, Vol. 99, No. 6, p. 998, June 2011
[3] C.J.Kikkert, “Effect of couplers and line branches on PL
Ccommunication channel response”
Smart
Grid
Communications, 2011 IEEE International Conference
on, p. 309 – 314.
[4] C.J.Kikkert ve G.D.Reid “Radiation and Attenuation of
Single Wire Earth Return Power Lines at LF
Frequencies,” Australia, 2009
[5] M. Nassar, J. Lin, Y. Mortazavi, A. Dabak, Il Han Kim,
and B. L. Evans, “Local utility power line
communications in the 3-500khz band,” IEEE Signal
Processing Magazine, p. 116, September 2012
60

akıllı enerji şebekeleri ve güç sistemleri - TOK2013

Transkript

Benzer belgeler

Araştırma derinliği Yüzeyden verilen akımın nüfüz derinliği tamamen

asat genel müdürlüğü coğrafi bilgi sistemleri veri üretimi ve teslimi

Tunceli İli Ali Baba Mahallesindeki Yapı Uygulamalarında Görülen

Geliştirilmiş CP - SMA Solar Technology AG

Mutfak tipi bir mikrodalga fırının mikroişlemci ile kontrolü

EA Teknolojileri

Lucky 2012 Seker - Ankara Üniversitesi Veteriner Fakültesi

DTMF Destekli PLC ile Akıllı Ev Uygulaması

İYİ FİKİRLER NEREDEN GELİR