Güç sistemlerinde geçici hal kararlılığı için geniş alan ölçümlerine dayalı erken kestirim ve düzeltici kontrol

Elektrik güç sistemleri, tüketicilere sürekli, kesintisiz ve güvenli bir hizmet sağlarken, sistem işletmecisi için en karlı ekonomik yük dağıtımını göz önünde bulunduracak şekilde tasarlanmaktadır. Diğer yandan güç sistemleri, depremler, kasırgalar, insan kaynaklı işletme hataları, kontrol sistemi arızaları, koruma sisteminde tespit edilemeyen arızalar, kasıtlı saldırılar, zayıf bağlantılar gibi çeşitli sorunlara maruz kalmakta ve kararlılığın bozulmasına, hatta enerji kesintilerine yol açabilecek birçok diğer etkeni bünyesinde barındırmaktadır. Güç sisteminde ciddi bir arıza meydana geldiğinde, şebekenin enterkonnekte yapısından dolayı sistemde yayılabilir ve güç sisteminin büyük bir kısmının kararlılığını tehlikeye atarak geniş çapta bir enerji kesintisine yol açabilir. Son birkaç on yıllık zaman zarfında, dünya genelindeki farklı şebekelerde, birbirine benzer sebeplerle birçok geniş çaplı enerji kesintisi meydana gelmiş, bu kesintiler milyonlarca tüketiciyi olumsuz etkilemiş ve ciddi miktarda mali zararlara sebep olmuştur. Türkiye'de Mart 2015'te meydana gelen geniş çaplı enerji kesintisi de bu tür sistem çökmelerine örnek olarak verilebilir. Oldukça yüklenmiş bir 400 kV'luk iletim hattının planlı bir bakım sebebiyle devreden çıkarılmasının sebep olduğu bu sorun, 76 milyon tüketiciyi 9 saatten uzun bir süre boyunca elektriksiz bırakmıştır. Başlangıçta, bu hattın devreden çıkarılması, Türkiye elektrik şebekesinin batı ve doğu kısımlarının birbirinde ayrılmasına sebep olmuştur. Sonrasında, Türkiye elektrik şebekesinin Avrupa şebekesi ile bağlantısı kesilmiş ve doğu ile batı kısımları kararlılıklarını kaybederek çökmüştür. Dünyanın çeşitli yerlerinde meydana gelen diğer büyük çaplı kesintilere 1965 yılında ABD'nin kuzeydoğusundaki, 1996'da ABD'nin batısındaki, 1999'da Brezilya'daki, 2003'te İtalya'daki, 2003'te İsveç'teki, 2004'te Bangladeş'teki ve 2012'de Hindistan'daki olaylar örnek verilebilir. Tarihte en büyük çaplı enerji kesintisi Temmuz 2012'de Hindistan'da yaşanmış ve 620 milyon kullanıcıyı birbirini takip eden iki gün boyunca elektriksiz bırakmıştır. Bir araştırma şirketine göre, dünya genelinde yaşanan elektrik kesintileri ve dalgalanmalarının yıllık maliyetinin 119 ila 188 milyar $ arasında olduğu tahmin edilmektedir. Yaşanan sorunların topluma ciddi miktarlarda yansıyan bu ekonomik sonuçları, güç sisteminin dinamik güvenliğinin önemini göstermektedir. Bu durum, sistemin kararlılığını kaybederek felaket boyutunda arızalara ve enerji kesintilerine sebep olabilecek olayların önlenmesi için kapsamlı şebeke izleme ve kontrol yöntemlerinin tasarlanmasına duyulan ihtiyacı artmaktadır. Buna yönelik olarak, güç sisteminin durumsal farkındalık kabiliyetlerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Son yıllarda fazör ölçme biriminin (FÖB) hızla gelişmesi, güç sistemi operatörlerine sistemi izleme, koruma, işletme ve kontrol etme gibi uygulamalarda FÖB kullanma esnekliği sağlamıştır. FÖB'ler güç sisteminde durumsal farkındalığın geleceği için en önemli teknoloji olarak kabul edilmektedir. FÖB'lerin ölçümleri, belirli bir zaman dilimine senkronize oldukları için, sistem işletmecilerinin tüm şebekenin gerçek zamanlı isabetli bir görünümünü oluşturmalarına yardımcı olabilmektedir. Ciddi bir arıza sonrasında güç sisteminin kararlılığını kaybetmesini engellemek için, geniş alan izleme, koruma ve kontrol (GAİKOK) sistemleri kullanılmaktadır. GAİKOK, sistemleri şebekenin kararlılığını ve güvenliğini 21. yüzyılın ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde arttırmak için tasarlanmıştır. GAİKOK sistemleri, şebekenin durumunu izlemek için FÖB ölçümlerini kullanır ve kritik arızalar yaşandığında yayılmalarının önüne geçer. FÖB ölçümleri saniyede 30 ila 120 örnek sıklığında toplanarak, GAİKÖK sisteminin güç sistemi dinamiklerini ve salınımları tespit etmesini sağlar. Bu örnekleme hızı, güç sisteminin bozucu etkiler olduğundaki davranışının analiz edilmesi ve hızla ilgili iyileştirici kontrol hareketlerinin uygulanması için yeterlidir. GAİKÖK sistemleri, toplanan FÖB ölçümlerini kontrol merkezinde analiz ederek sistemdeki bozucuları tespit eder ve yine bu ölçümlere dayanarak yerini ve türünü belirleyebilir. Bir arıza durumunda, geniş alan ölçümleri, sistem dinamikleri değiştikçe kararlılığın korunup korunamayacağının belirlenmesinde kullanılabilir. GAİKÖK sistemleri devam etmekte olan arızanın kritikliğini toplanan verilere dayanarak ölçebilir ve güç sistemi dinamiklerinin değişmekte olduğu yönü işaret edebilir. Geçici hal kararlılığının arıza sonrası kestirimi ve devam etmekte olan bir arızanın kritikliğinin ölçülmesi, beklenen bir kararsızlık durumuna karşı düzeltici kontrol hareketlerinin uygulanması için yeterli zamanın sağlanması için büyük öneme sahiptir. Hızlı vana (valf) kontrolü, yük atma, koruyucu ada çalışmasına geçme gibi hangi düzeltici kontrol hareketinin uygulanacağının seçimi arızanın sistem üzerindeki etkisine bağlıdır. Bu tez çalışmasında, büyük ölçekte bir güç sisteminin ciddi zorlayıcı durumlara karşı, kapsamlı geniş alan ölçüm sistemi uygulamasıyla dinamik güvenliğinin arttırılması amaçlanmaktadır. Önerilen geniş alan kontrol yöntemi, güç sisteminin arızanın giderilmesi sonrasında geçici hal kararlılığını kestirme yeteneğine sahiptir ve kısa bir zaman dilimi içerisinde arızanın şiddetini ölçebilmektedir. Tezde önerilen geniş alan kontrol yöntemi, üç ana aşamaya ayrılabilir. İlk aşamada, şebekenin arıza sonrası geçici hal kararlılığı FÖB ölçümleri kullanılarak kestirilmektedir. Önerilen özgün erken kestirim algoritması, sistemin geçici hal durumunun kararlı olup olmayacağını tespit etmek için derin öğrenebilen bir yapay sinir ağından, yığılmış seyrek oto kodlayıcıdan yararlanmaktadır. Önerilen geniş alan kontrol yönteminin ikinci aşamasında, devam eden arızanın şiddeti özgün bir şiddet endeksine dayanarak FÖB ile toplanan verilerden yararlanılarak ölçülür. Son olarak, ciddi arızalar sistemin kararlılığını tehdit ettiğinde, özgün bir gerçek zamanlı uyarlanabilir koruyucu adalara ayırma algoritması uygulanarak, devam eden bir arızanın ilerlemesinin önüne geçilir. Arıza sonrasında şebekenin geçici hal kararlılığının kestirimi, geniş alan izleme, koruma ve kontrol sisteminin performansı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Şebekenin durumsal farkındalık yeteneği şiddetli arızalar ortaya çıktığında kararsızlıkların hızla tespit edilmesi ile iyileştirilebilir. Bu sayede, düzeltici kontrol hareketlerinin uygulanabilmesi için yeterli zaman sağlanabilir. Bu tezde, arıza sonrasında sistemin geçici hal kararlılığının arıza temizlendikten hemen sonra kestirimi için derin öğrenebilen yapay sinir ağlarına dayalı özgün bir yöntem önerilmektedir. Önerilen erken kestirim mantığı, sistemin kararlılığı sadece arıza sonrasındaki işletme durumuna değil, aynı zamanda arıza öncesindeki işletme durumu, arızanın yeri ve süresine de bağlı olduğu için arızanın yaşandığı tüm zaman dilimine ait ölçümleri kullanır. Arızaya ait tüm zaman dilimi, arızanın ortaya çıktığı anda başlar ve temizlendiği zaman sona erer. Bu arızaya ait ölçümlerden yararlanma mantığı, literatürde sadece arıza sonrasındaki ölçümlerin kullanıldığı mevcut çalışmalara göre farklılık göstermektedir. FÖB ile toplanan gerilim genliklerinin yörüngelerinin belirli bölümleri alınarak bir veri grubu oluşturulmuş ve derin öğrenebilen bir yapay sinir ağı, yığınlı seyrek oto kodlayıcı çevrim dışı eğitilmiştir. Sonrasında, eğitilmiş yığınlı seyrek oto kodlayıcı, çevrim içi bir uygulamada, arıza temizlenmesinin hemen sonrasında, güç sisteminin arıza sonrası kararlılığının belirlenmesinde kullanılmıştır. Yığınlı seyrek oto kodlayıcı, otomatik olarak veri grubu içerisinden çıkarımlar yapabilmekte ve geleneksel makine öğrenme araçlarının eksikliğinin üstesinden gelmektedir. Önerilen yöntem, arıza sonrası sistem kararlılığını arıza temizlendiği anda doğru bir şekilde tahmin edebilmekte ve literatürdeki mevcut yaklaşımlardaki makine öğrenme araçları gibi arıza sonrası ek ölçümlere ihtiyaç duymamaktadır. Önceden anlatıldığı şekilde erken kestirim yöntemi ile bir kararsızlık tespit edildiğinde, önerilen geniş alan kontrol yöntemi devam eden arızanın kritiklik seviyesini ölçmektedir. Yeni bir frekans tabanlı arıza şiddeti endeksi (FtAŞİ) isimli bir bilgi tabanlı arıza şiddeti endeksi kullanılarak devam eden bir arızanın önem derecesi belirlenmektedir. Önerilen arıza şiddeti endeksi FtAŞİ, devam eden bir zorlayıcı durumun ciddiyetini ölçmekte ve sistemin durumunu belirlenmiş tanımlardan biriyle ifade etmektedir: güvenli, güvenli değil fakat ciddi değil, güvenli değil ve ciddi. Güvenli olmayan durumlar arasında sınıflandırma yapılmasının sebebi koruyucu ada çalışması gerektiren en şiddetli zorlayıcı durumların ayırdedilebilmesidir. Ada çalışmasına geçme, agresif ve yüksek maliyetli bir kontrol hareketi olduğu için, bu uygulamayı gerekitren durumların ayırdedilebilmesine özellikle dikkat edilmesi gerekmektedir. FtAŞİ, arıza sonrası generatörlerin bara gerilimlerinin frekansının, FÖB'lerin ölçtüğü gerilim dalga şekilllerinden doğrudan kestirimini, IEEE C37.118.1-2011 standardında belirtildiği şekilde yapmaktadır. Ardışık ve zincirleme sistem çökmelerine sebep olabilecek, arıza şiddeti endeksi tarafından tespit edilmiş ciddi bir arıza durumunda, geniş alan kontrol yöntemi, arızanın yayılmasını önlemek amacıyla bir adalara ayırma planı önerir. Birçok adalara ayırma planı adayı farklı model ve ölçüm tabanlı adalara ayırma mantığıyla üretilir ve en iyi adalara ayırma planı aradan uygulanmak üzere seçilir. Model tabanlı bir algoritma olarak, yavaş uyumluluk tabanlı adalara ayırmadan yararlanılmış, ölçüm tabanlı adalara ayırma algoritmaları olarak ise K-ortalamalı kümeleme, hiyerarşik kümeleme ve bulanık ilişkili özvektör merkezi-tabanlı kümeleme alogritmalarından yararlanılmıştır. FÖB'lerden elde edilen en güncel yük akışı bilgisi kullanılarak adalara ayırma planı hazırlanır. Model tabanlı adalara ayırma mantığı FÖB'lerin arıza öncesindeki en son sürekli hal ölçümlerine dayanmaktadır. Literatürde arıza öncesi dinamiklerini kullanan geçmiş çalışmalardan farklı olarak, tezde kullanılan ölçüm tabanlı adalara ayırma algoritmaları, arıza sonrası gerilim açısının yörüngesini kullanarak adalara ayırma planlarını üretmektedir. Bu çalışmada sunulan bu özgün yaklaşım, bozucuya bağlı adalara ayırma planları sağlamaktadır. Bu planlar, bozucudan bağımsız olup arıza öncesi ölçümlerini kullanan model veya ölçüm tabanlı algoritmalara göre daha avantajlıdır. Önerilen bu yaklaşım şebekede meydana gelen her ciddi zorlayıcı durum için alternatif adalara ayırma planları sağlamaktadır. Bu yaklaşımı kullanarak, sonuçta elde edilen adalara ayırma planı arızayı küçük bir adada izole etmekte ve sistemin geri kalanını ek parçalara bölünmekten kurtarmaktadır. Bu nedenle, yaklaşım daha az yük atma ve daha kolay yeniden enerjilendirme sürecine olanak sağlamaktadır. Sunulan geniş alan kontrol yöntemi iki güç sistemi modelinde test edilmiştir: 127-baralı 37-generatörlü Batı Eyaletleri Koordinasyon Kurulu (Western States Coordination Council – WSCC) test sistemi ve Türkiye enterkonnekte güç sistemi.