Geri Dön

The effects of communication delay on the operation ofdistributed energy resources in power distribution systems

Haberleşme sistemindeki gecikmelerin dağıtım sistemlerindeki dağıtık enerjı kaynaklarının işletimi üzerindeki etkileri

PDF İndir

  1. Tez No: 518491
  2. Yazar: NEGAR DASHTI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 140

Özet

Günümüzde elektrik sistemlerinin önemi kimseye saklı değildir. Bu önemin artmasındaki etkenlerden biri kesinlikle artan ihtiyaç miktarıdır. Tüketim sektörünün eğelim hızla değiştiğinden dolayı, elektrik üretim ve ulaşım sektörlerinde bu değişimlere ayak uydurarak güncellemektedir. Aslında, bu değişimler gelecekdeki muhtemel olan kesintileri ve büyük hataları önlemek amaçlı yapılmaktadır. Güç Elektrik sisteminin temel amacı, talep eden tüketicilere mümkün olduğunca elektrik enerjisi sağlamaktır. Elektrifikasyon hiyerarşisi yüksek gerilim üreten birimlerden başlar. Üretilen elektrik enerjisi, sırayla yüksek seviye ve orta seviye gerilim ve dağıtım sistemlerden sorumlu olan hatlardan geçerek tüketicilere ulaşmaktadır. Son yıllarda, güç sistemi hizla büyümektedir, hem büyüklük ve hem karmaşıklık anlaminda. Söz konusu olan büyüklük, birçok faktör göz önüne alınarak belirlenir ve çeşitli sonuçlar elde etmeye yardımcı olur. Çevresel ve ekonomiksel etkenler, güç sistemi evrimini yönlendiren önemli nedenlerdir. Esasen, CO2 emisyonunu sınırlamak gibi çevresel faktörler, gelecekte yenilenen enerji kaynakları sistemlerinin giderek kullanılmasına yol açmakta olup, şu anda merkezi güç üretim paradigmasını gelecekte daha fazla dağıtılmış yaklaşıma doğru itmektedir. Öte yandan, genellikle aralıklı enerji kaynakları olan daha fazla RES'nin entegrasyonu, güç sisteminin izlenmesi ve kontrolüne biraz karmaşıklık katar. Coğrafiye olarak uzak kalan tüketim noktaların elektriklenmesi de günümüzün elektrik endüstrisi için hayati bir sorunun olması halindedir. Büyük mesafeler, zor ulaşım şartları ve bir suru farklı nedenden dolayı, yenilenebilir enerji kaynaklarının bölgesel kullanılması, asıl santrallerden elektrik taşımaya kıyasen daha kabul edilebilir bir yöntem haline gelmiştir. Bundan mütevellit, amaçları daha yüksek kalite ve miktar ihtiyacını karşılamak olan microgrıdler ve Dağıtılmış Üretim (DG) kavramları güç sistemlerine tanıtılmıştır. Bununla birlikte, güç sistemi analizine getirilen bazı zorluklar ya da daha kesin bir deyişle, güçlükler söz konusudur. Dolayısıyla haberleşme sistemlerinin rolü inanılmaz derecede önemli olup, onların sisteme karşı etkileşimleri göz önüne alınmsıda zorunludur. Haberleşme dünyasındaki gelişimler ve teknolojik ilerlemeler onları güç sistemlerinde kullanıma uygun hale getirmiştir. Ancak bu kullanım ve etkileşimin pozitif yanları olduğu gibi negatif etkilerinde olabilir sistem üzerinde. Güç sisteminin evrimindeki yukarıda bahsedilen zorluklar, farklı iletişim altyapıları için farklı olabilir. Bu zorluklar, örneğin, deregüle enerji endüstrisine, senkronizasyon problemleri içerir, fakat en önemlisi yeni kaynakların entegrasyonuyla ilgilidir. Aralıklı davranış, küçük ölçekli ve yüksek sayıda dağıtılmış RES üretimi nedeniyle, yönetimi, kontrolü ve korunması zor bir görev haline gelir. Güvenilir, ekonomik olarak uygulanabilir ve güvenli bir çalışma sağlamak için, ölçüm ve kontrol verilerinin iletişimi için uygun koordinasyon esastır. Sistemdeki gizli hatalar, veri kaybı ve gecikmeler, haberleşme sistemlerinin muhtemel olan negatif etkilerin bir kaçıdır. Sistemdeki herhangi bir hata gibi haberleşme bölümündeki hatalarda sistemin karanlığına zarar vererek sistemin dayanaklığını ve performansını düşürebilme etkisine sahiptir. Dolayısıyla, artan ihtiyaç, dağıtılmış enerji üretim gerekliliği ve haberleşme sistemlerini potansiyel hataya uygun doğasından, haberleşme sistemlerinin doğru tanınması, tasarımı ve uygulanması ciddi bir gerekçe haline gelmektedir. Diğer taraftan elektrik cihaz üretimcileri, operatörler, mühendisler ve kullanıcıların birbirini doğru şekilde anlaması ve statülerini doğru şekilde birbirine yansıtması önemli bir konudur. Bu yüzden uluslararası standartlar ve protokoller ön görmektedir. DNP3 ve IEC 61850 iletişim protokolleri gibi standartlar, akıllı elektronik cihazların, elektrik sisteminin daha güvenilir ve akıllı çalışmasına izin verip, orta gerilimdeki elektrik trafo merkezlerinde tanımlanmasını sağlar. İkincisi, daha iyi performans ve uygulama fizibilitesini, birlikte çalışabilirlik ve daha iyi ölçeklenebilirlik sağlar. IEC 61850, detaylı özellikleri nedeniyle dünyanın her yerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. DNP3 ve IEC 61850 arasındaki hayati bir fark, ikincisinin veri ve bilgi alma ve gönderme detaylarını içermesi, aynı zamanda depolar ve koşturmalar hakkındaki açıklamaları da içermesidir. IEC 61850 otomasyon ve dağılmış üretim şebekeler için haberleşme koşulları, gerekçeleri, cihazları ve şartları hakkında gereken bilgiyi sağlamaktadır. Bu çalışmanın bir kısmı bu standardın genel tanıtım ve özetine aittir. Bu Standard toplam olarak on kısımdan ulaşmaktadır. Sözdizimleri, anlamsal kavramlar, gerekli koşullar, sistem özellikleri, jeneratör güçleri, gerilimler, akımlar, şebeke gerekçe ve özellikleri ve özetle haberleşme uygulamalar ile ilgili her şey detaylarıyla bu standardın kapsamındadır, çoğunlukla. IEC 61850'nin bile, haberleşme hatalarının onlmesini garanti etmediği açıklanacaktır. Yine de, sağlam bir sisteme sahip olmaya yol açar ve gerekli bilgileri sağlar. Öte yandan, yukarıda belirtildiği gibi, bu protokolde hata analizi ele alınmamıştır. Bu nedenle, sistem davranışını farklı koşullar altında tahmin etmek için sistemdeki bu arızaların etkilerini araştırmak önemlidir. Bu olası gizli hataların analizi bazı nedenlerden dolayı büyük bir önem taşır. Bu nedenler, system kararlığı, sağlamlığı ve güvenilirliğinı içerir. Çalışmanın üçüncü bölümü mikro şebekelerin çalışmalarını anlatmaktadır. Bu kısımda mikro şebekelerinde kontrol sistemleri analiz edilmiştir. Bu analizler bir haberleşme sisteminden dolayı sisteme dayatılan bir sıkıntının göz önünde bulundurulmasıyla yapılmıştır. Dağılmış üretim kaynaklarının özelliğine göre tasarlanmış olan kontrol yöntemleri anlatılmış ve içerdikleri haberleşme sisteminin topolojisine göre gruplanmıştır. Bu sınıflandırılma bu yöntemleri ve haberleşmenin etkisini daha doğru ve derin bir şekilde anlamakta yardımcı olacaktır. Bu çalışmada, pratikte ve endüstride en uygun görülen kontrol yöntemi seçilip üzerine çalışılmıştır. Birinci kontrol katmanını Droop kontrolün uluşturduğu bu kontrol metodun ikinci katmanını ortamlama yakınlık metodu uluşturmaktadır. Tezin dördüncü bölümü sistemin küçük sinyal analizine ve sistem formulasiyonuna odaklanmaktadır. Bunun için ilk birinci tabakanın matematik modellenmesi yapılmıştır. İkinci tabakanın matematik modeli sonradan sisteme eklenmiştir. Matematiksel olarak sistem matrisinin nasıl kurulduğu gösterilmiştir. Bu çalışmanın öneminin bir kısmı diğer çalışmalara rağmen sistemin hiç bir önemli dinamiği göz arda edilmemiş. Yani birinci tabaka analizinde yedi tane durum değişkeni göz önünde bulunmuştur. Üstelik ikinci kontrol katmanın matematiksel formulasiyon ve analizinde iki yeni durum değişkeni sistem analizine eklenip toplam olarak her dağıtılmış enerji kaynağı için 9 tane durum değişkeni düşünülmüştür. Sonuç olarak sistem dinamiği tamamıyla dikkate alınmıştır. Çalışmanın diğer önem kazandıran yanı da geniş kapsamlı olmasıdır. Öyle ki formülleştirmeler sonradan herhangi bir sisteme uygulanmaya açıktır. Hiç bir şekilde basitleştirmek amaçlı hiç bir sistem özelleştirmesi bulunmaktadır. Bunun sonucu olarak da elde edilen formüller ve denklemler bütün güç sistemlerine yük miktarını ve şebeke özelliklerini değiştirerek, uygulanması mümkündür. Çalışmanın beşinci bolumu yapılan analizlerin bilgisayar aracılığıyla doğurulmasını yapmak üzeri yazılmıştır. Bu kısım iki alt kısmı içermektedir. Birinci olarak sistem kodlaması ikinci olarak simülasyon aracıyla sistem incelemesi yapılmaktadır. Birinci alt kısım da, kodlar da matematik formulasiyonun olduğu gibi, ilk başta birinci kontrol katman altında sistem incelemesi yapmaktadır. Sistemin Özdenerlerini elde edip incelendikten sonra sistemin genel davranışı, kararlılık aralığı ve sağlamlığına bakılmıştır. Bir sonraki aşamada ancak, birinci kontrol katmanının üzerine ikinci kontrol katmani kurulmaktadır. Tekrar sistem öz değerlerine bakılıp ve analizler yapılmaktadır. İkinci katmanın sağladığı kararlılık ilerlemesi içermektedir. Kodun üçüncü aşmasında haberleşme sistem hatası etkisinin göstergesi olarak bir gecikme sisteme uygulanmıştır. Tekrar sistemin davranışına bakılıp ve öz değerlerinin analizi ve yorumlaması yapılmıştır. Öz değerlerinin bu üç aşamadaki değişimleri sistemin kararlılığın iyileşip ya da daha kötüye gitmesinin göstergesidir. Diğer taraftan bu Özdenerlerinin analizinden sistemin dayanabileceği en büyük gecikme miktarı elde edilebilir. Simülasyon bölümünde ayni sistem uygulanıp ve üç değişik modda sistem davranışına bakılmıştır. Birinci olarak sadece Droop kontrol yani birinci kontrol katmanı uygulanarak sistem koşturulmuştur. İkinci olarak ikinci kontrol katmanı kurulup sistem davranışı göz önüne alınıp yorumlanmıştır. Üçüncü olarak da her iki kontrol katmanın olmasıyla ve ayni zamanda bir gecikmenin uygulanmasıyla yapılmıştır.

Özet (Çeviri)

Main objective of Power Electrical system is providing electrical energy for demanding consumers, as much as possible. The hierarchy of electrification starts from the high voltage generating units. The generated electrical energy reaches to the consumers passing through lines that are responsible for transmitting high level and medium level voltages and distribution systems, respectively. In the recent years, power system is growing in their size and complexity. It is determined by many factors and leads to several consequences. Environmental and economic aspects, as well as deregulation in power industry, are the important reasons that drive power system evolution. Mainly the environmental factors, such as limiting CO2 emission, lead to growing usage of the small renewable energy sources (RES) systems, what pushes currently centralized power generation paradigm towards more distributed approach in the future. On the other hand, the integration of more RES, which are usually intermittent sources of energy, adds some complexity to the monitoring and control of the power system. Micro-grids and Distributed Generation (DG) concepts have been introduced to the power system in order to meet the aims with both higher quality and quantity. However, there are some draw backs or at the more precise meaning of the word, Challenges, that are brought to the power system analysis using distributed generations. The aforementioned challenges in evolution of the power system determine inseparable challenges for diverse communication infrastructure. Those challenges include, for example, the synchronization between different entities in case of deregulated power industry, but most importantly challenges more directly related to integration of the new sources. Due to the intermittent behavior, small-scale and high number generation of distributed RES, their management, control, and protection become a difficult task. In order to provide reliable, economically feasible and safe operation, proper coordination through communication of measurement data and control data is essential. The communication infrastructure can exchange crucial data; however, it also brings new threats in the control and management of the power system. It is well known that the delays such as communication delays in the power system reduce the system damping performance and may even lead to instability if the delay margins are exceeded. Standards such as DNP3 and IEC 61850 communication protocols provide definition of intelligent electronic devices at electrical substations of medium voltages that let the power system operate more reliably and wisely. From which the second one has proved its better performance and application feasibility, interoperability and better scalability. IEC 61850 is widely used all around the world due to its in detail specifications, as well. One vital difference between DNP3 and IEC 61850 is that the second one not only includes the details of sending and receiving data and information, but also includes descriptions about the storages and executions. It will be explained that even IEC 61850 does not guarantee the system operation with absolutely no failure or fault. Nevertheless, it provides the opportunity and necessary information that paves the way of having a robust system. On the other hand, as it is mentioned above, failure analysis is not addressed in these protocol. Hence, it is important to investigate the effects of these failures in the system to predict the system behavior under different conditions. These potential hidden failures are important to analyze since they endanger the robustness, reliability, security and stability in the system with communication infrastructure which may result in black outs our outages in system. Pocket loss, link failure, data corruption and delays, etc. are failures which attract more attention of engineers due to their probability of occurrence. From which, the last one is the most frequent one and it couldn't be ignored in the system. On the other hand of the story, the control system over the distributed energy resources (DER) that aims at the frequency restoration, voltage regulation and active-reactive power sharing operates under the rules of hierarchy control, mostly. Droop control laws are used for the primary level of the control structure. This droop control enhances the performance of the system, however, it may not guarantee the stability and robustness, as well. Hence, the secondary layer should be implemented. That is where communication infrastructure is needed for data transmission. The control methodologies could be classified due to this communication between the DERs. These control methodologies have been studied in this thesis. Pros and cons are investigated and a case study with the most appropriate one and the most frequent failure, i.e. constant delay is going to be discussed. Stability analysis considering primary and secondary control and eventually, communication failure (or more specifically latency) is a challenge in power system. Most studies either include simple structures of the power system or excludes some dynamics within the power system. However, this study tries to be as comprehensive as possible. This comprehensiveness aids to get some instable regions of the frequency domain analysis revealed and have the system better known. The algorithm provided and used for the thesis does not use any simplification, as well. All in All, power system and the communication used in, should be able to preserve stability and reliability of the system, regardless of the frequent transients and communication failures imposed on system.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    863492

    Çok kaynaklı mikroşebekelerde aşırı akım koruma rölesi performans analizi

    Performance analysis of overcurrent protection relay in multi source microgrids

    HABİP YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER USTA

  2. Tez No

    387736

    Network topologies for long armature linear motors

    Uzun armatürlü lineer motorlar için ağ topolojileri

    KÜBRA KARAYAĞIZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. AHMET ONAT

  3. Tez No

    46204

    FDDI ve FDDI şebekeleri performans analizi

    Başlık çevirisi yok

    HİLMİ ŞENER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. GÜNSEL DURUSOY

  4. Tez No

    834334

    Alçak gerilim sistemlerinde ark flaş analizi ve koruma

    Arc flash analysis and protection in low voltage systems

    GÜLŞAH DAMLA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER USTA

  5. Tez No

    195734

    Dental cerrahide sedasyon uygulamasının anksiyete üzerine etkilerinin araştırılması

    The effects of sedection on crixiety patiers indental surgery

    ROZİ HARA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Diş HekimliğiYeditepe Üniversitesi

    Ağız, Diş, Çene Hastalıkları ve Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL ŞENÇİFT

Geri Dön