Yeni Nesil Elektrik Dağıtım Şebekeleri İçin Çok Fonksiyonlu Dijital Aşırı Akım Rölesi Tasarımı ve Geliştirilmesi

Year 2019, Issue: 16, 915 - 924, 31.08.2019

Ender Oğuz Yavuz Ateş Metin Hekimoğlu

https://doi.org/10.31590/ejosat.597927

Cited By: 1

Abstract

Elektrik
enerjisinin üretimi, iletimi, dağıtımı ve tüketiminden oluşan süreçte;
ekipmanların ve canlıların arızalara karşı korunması ve enerji kalitesinin
sağlanması için koruma sistemlerinin doğru ve seçici bir şekilde çalışarak
görevlerini süreklilikle yerine getirmeleri gerekmektedir. Ancak bu süreçte
koruma sistemleri bazı hatalarla/arızalarla karşı karşıya kalmaktadır. Koruma
sistemlerinin etkili oldukları bölgelerde işletme koşullarının değişmesi,
koruma sistemlerinin farklı arızalara maruz kalmasına neden olmaktadır.

Seçicilik,
süratli çalışma, güvenilirlik, yedek koruma, kararlılık, ekonomiklik gibi
özellikleri taşıması beklenen koruma sistemleri uygun şekilde kurulmuş ve
sürekli çalışır durumda olmalıdır. İşletmelerdeki besleme yönünün değişmesi,
mevsimsel tüketim değişiklikleri gibi farklı senaryolara farklı şekilde uyum
sağlayabilecek adaptif koruma sistemleri yeni nesil şebekelerin sürekliliği
için elzemdir. Adaptif korumanın sağlanabimesi için koruma sisteminin en önemli
elemanları olan rölelelerin yüksek teknolojiye sahip, birçok koruma özelliğini
bir arada bulunduran akıllı donanımlar olmaları gerekmektedir.

Piyasadaki talep
ve teknoloji gelişmeler doğrultusunda birçok fonksiyonu bir arada bulunduran
yeni bir dijital koruma rölesi geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu hedefle bu
rölenin, kontrol, ölçü ve koruma fonksiyonlarını içermesi; röle üzerindeki tuş
takımı ve haberleşme portları üzerinden fonksiyonların aktif hale
getirilebilmesi beklenmektedir. Ayrıca beklenen bir diğer özellik RS485 portu
ile IEC 60870-5-103 protokolünü kullanarak iletişim yapabilmesi ve ethernet
portu ile bir otomasyon sistemi içerisinde IEC 61850 standardına uygun
haberleşme özelliklerini sağlamasıdır.

Hedeflenen
cihazın hem analizör hem de koruma ekipmanı olarak çalışması sağlanmıştır.
Cihaz “Düşük gerilim koruma
(27),” Arıza yeri tespit edici (FL)”, “Aşırı gerilim koruma (59N)”,” Termik
koruma (49)”, Açma devresi denetimi (74TCS)” koruma özelliklerini tek bir donanımda
sunmaktadır.

Ürün
geliştirilirken mikroişlemci kullanımı ve programlanması, manyetik
değişkenlerin ölçümü ve kontrolü, algoritma geliştirme, haberleşme
protokollerine uyum sağlama, laboratuar ve saha testleri yapma yöntemlerinden
faydalanılmıştır.

Bu çalışmada birçok koruma fonksiyonunun tek bir donanımda sunulduğu bir
dijital koruma rölesinin tasarımı, gerçeklenmesi ve test edilmesi ile elde
edilen sonuçlar verilmiştir.

Keywords

Dijital Aşırı Akım Rölesi, Adaptif Koruma, Aşırı Akım Koruma, Koruma Rölesi

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

3160576

Thanks

Bu çalışma TÜBİTAK 3160576 nolu “Elektrik Dağıtım Şebekelerinde Kullanılmak Üzere Çok Fonksiyonlu Dijital Aşırı Akım Rölesi Tasarımı ve Geliştirilmesi” isimli proje kapsamında desteklenmiş olup DATAKOM A.Ş. iş birliği ile yapılmıştır.

Design and Development of Multifunctional Digital Overcurrent Relays for New Generation Electricity Distribution Networks

Abstract

In the process consisting of generation, transmission, distribution and consumption of electrical energy; protection systems must perform their duties continuously and correctly in order to protect equipment and living creatures against failures and to ensure energy quality. However, in this process, protection systems encounter some faults. Changes in operating conditions in the regions where the protection systems are effective, causes the protection systems to be exposed to different faults.

The characteristics are expected from the protection systems, such as selectivity, rapid operation, reliability, backup protection, stability and economy should be properly installed and work in continuous operation. Adaptive protection systems can adapt to different scenarios such as change of feed direction in the operations and seasonal consumption changes. Because of this specialty adaptive protection systems are essential for the continuity of the new generation networks. In order to provide adaptive protection, the relays, which are the most important elements of the protection system, must be high-tech, intelligent equipment that combines many protection features.

In line with the demands in the market and technological developments, it is aimed to develop a new digital protection relay which incorporates many functions together. With this objective, it is expected from this relay containing control, measurement and protection functions. Also, it is ecptected the functions can be activated via the keypad and communication ports on the relay. In addition to this, it is expected that it can communicate with the RS485 port using the IEC 60870-5-103 protocol, and that it provides the communication features in accordance with the IEC 61850 standard in an automation system with its ethernet port.

The targeted device is can operate both as an analyzer and protection equipment. The protection features “Undervoltage Protection (27),” Fault Locater (FL)”, “Overvoltage Protection (59N)”,” Thermal Protection (49)”, Trip Circuit Supervision (74TCS) are offered in a single hardware.

During product development, microprocessor usage and programming, measurement and control of magnetic variables, algorithm development, adaptation to communication protocols, laboratory and field tests were used.

In this study, the design, implementation and testing of a digital protection relay in which several protection functions are presented in a single hardware are given.

Keywords

Digital Overcurrent Relay, Adaptive Protection, Overcurrent Protection, Protection Relay

Project Number

3160576

References

• IEEE C37.90 (2006). IEEE Standard for relays and relay systems associated with electric power apparatus, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, USA.
• IEEE 100 (1996). The IEEE standard dictionary of electrical and electronics terms, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, USA.
• Alvarez de Sotomayor, A., Della Giustinaa, D., Massa, G., Dedè, A., Ramos, F., Barbatoa, A. 2018. IEC 61850-based adaptive protection system for the MV distribution smart grid, Sustainable Energy, Grids and Networks (15), 26-33
• J. Shah, N. Khristi, V. N. Rajput and K. S. Pandya, A comparative study based on objective functions for optimum coordination of overcurrent relays, 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS), 2017, Pune, India
• Kiaei, I., Lotfifard, S., Ghanaatian, M. 2019. Current-only Directional Overcurrent Protection Using Postfault Current. 2019 IEEE Texas Power and Energy Conference (TPEC), February 2019, TX, USA
• A. Sahrin, A. Tjahjono, M. Pujiantara and M. H. Purnomo, The modeling of directional overcurrent relay in loop system using cascade forward neural network, 2017 International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA), Surabaya, 2017, 69-74.
• A. N. Milioudis, G. T. Andreou and D. P. Labridis, 2015. Detection and Location of High Impedance Faults in Multiconductor Overhead Distribution Lines Using Power Line Communication Devices, IEEE Transactions on Smart Grid(6), no. 2, 894-902
• Ateş, Y. 2016. Dağıtık Üretim Tesisleri İçeren Şebekeler İçin Akıllı ve Adaptif Bir Koruma Metodunun Geliştirilmesi. Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 123s, İstanbul
• Srinivas, S.T.P., Shanti Swarup, K. 2019. Application of improved invasive weed optimization technique for optimally setting directional overcurrent relays in power systems, Applied Soft Computing (79), 1-13
• Sreerama, R., Swarup, K. S. 2017. Detection, localization and fault diagnosis using PetriNets for smart power distribution grids, 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS), 2017, Pune, India
• M. Baňas, M. Höger and J. Altus, "Application of the directional overcurrent relays with directional comparison system in medium voltage networks," 2018 19th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE), Brno, 2018, pp. 1-6.
• Nojavan, M., Seyedi, H., Mehdinejad, M. 2016. A novel scheme for current-only directional overcurrent relay, International Journal of Electrical Power & Energy Systems (82), 252-263
• Mohammadzadeh, N., Mohammadi, R., Mahdi, C., Maleki, G. 2019. Optimal coordination of directional overcurrent relays considering two-level fault current due to the operation of remote side relay, Electric Power Systems Research (175)
• Abu-Siada, A., Mir, S. 2019. A new on-line technique to identify fault location within long transmission lines, Engineering Failure Analysis (105), 52-64
• Doğancı A.Ç. Elektrik Dağıtım Sistemlerinde Adaptif Koruma. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 83s, İstanbul
• Arıkan, O., Aydın, H., Gürsanlı, Ö. Yüksek Gerilim Enerji İletim Hatlarını Koruma Uygulaması, Güç Sistemleri Konferansı, İstanbul 2016
• Momessoa Antonio E.C., Maycon S. W., Eduardo B., Asadaa N. 2019. Fuzzy adaptive setting for time-current-voltage based overcurrent relays in distribution systems, International Journal of Electrical Power & Energy Systems (108), 135-144
• R. Agarwal, T. G. Arora and R. Tiwari, "Designing of Numerical Directional Overcurrent Relay," 2018 International Conference on Smart Electric Drives and Power System (ICSEDPS), Nagpur, 2018, pp. 186-191
• Bayrak, M., Usta, Ö. 2003. Adaptif Mesafe Rölesi, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 10. Ulusal Kongresi, İstanbul 2003
• Keyhani, A. 2011. Design of Smart Power Grid Renewable Energy Systems. Wiley Publication, 560s, Singapur.
• Pehlivanoğlu Gürbüz, K. 2019. Smart Grid Applications and Technologies in Distribution Systems, Ortadoğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 126s, Ankara