Akıllı Şebekelerde Kontrol ve Haberleşme: Günümüzden Geleceğe Fırsatlar Murat AKÇİN, Asım KAYGUSUZ, Cemal KELEŞ Abdülkerim KARABİBER, Barış Baykant ALAGÖZ İnönü Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 27 Eylül 2013 Malatya

Sunum Planı Özetçe Giriş Akıllı Şebekelerde Haberleşme ve Kontrol Çalışmaları Geleceğin Dünyasına Dönük Projeksiyonlar ve Fırsatlar Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası Sonuçlar

ÖZET 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. Akıllı şebeke uygulamaları enerji üretimi, dağıtımı ve tüketimi süreçlerinin gözlemlenebilir, kontrol edilebilir ve dolayısı ile yönetilebilir olmasını hedeflemektedir. 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.

Akıllı enerji yönetimini zorunlu kılan etmenler; 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

Günümüzde akıllı şebeke uygulamaları, üç temel alt başlıkta toplanabilir: Dağıtık Üretim Uygulamaları: Merkezi olmayan ve şebekeye dağılmış olan hane üretici (domestic generation), yüksek güçlü üretim santrallerine kadar geniş bir spektrumda enerji üretiminin şebeke üzerinde entegrasyonunu hedefler. Dağıtık Depolama Uygulamaları: Enerji üretim fazlasının şebekeye dağılmış depolama sistemlerinde depolanması ve gerektiğinde enerji talebini karşılamak üzere kullanılmasını hedefler. Talep Taraflı Yük Yönetimi Uygulamaları: Dağıtık üretim ve depolama olanaklarına sahip şebekelerinde, üretim-talep dengesi ve enerji fiyatları daha akıllı yönetilebilir.

Akıllı şebekeler, enerji üretim ve tüketim ilişkisi Akıllı Şebekeler ile birçok yeni enerji kavramları literatüre kazandırılmıştır. 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

Akıllı Şebeke Uygulamalarının Etkinliği Akıllı Şebeke uygulamalarının etkin olması ; Şebeke durumları gözlemlenebilir ve kontrol edilebilir olmasını, Akıllı şebeke bileşenlerinin veri alma, veri işleme ve veri iletme kabiliyetine sahip olmasını, Söz konusu bileşenlerin haberleşme ve programlanabilme kabiliyetine sahip akıllı sistemleri (Mikroişlemcileri) içermesini, 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 duyulmasını, sonucunu doğurmaktadır.

Akıllı Şebekelerde Haberleşme Uygulamaları Yakın-alan (Bina ve tesis içi) Uzak-alan (Şehir içi ve şehirlerarası)

Geleneksel ve yeni nesil haberleşme sistemlerinde GSM/GPRS teknolojisi önemli bir yer tutmaktadır. IEEE 802.11 (Wi-Fi) IEEE 802.16 (WiMAX)

Dağıtık Yenilenebilir Enerji Tabanlı Üretim İletim Günümüz Haberleşme Teknolojilerinin Akıllı Şebekelerde Kullanılma Durumu Üretim Geleneksel Üretim Dağıtık Yenilenebilir Enerji Tabanlı Üretim İletim İletim hattı izleme ve koruma İzolatör izleme FACTS izleme ve kontrolü Dağıtım Trafo otomasyonu ve koruma Dağıtım hattı izleme ve koruma Aygıt izleme ve koruma Tüketim Ev otomasyonu ve kontrolü Endüstriyel otomasyonu ve kontrolü Otomatik sayaç okuma Elektrikli araçlar

Akıllı şebeke haberleşme sistemlerinde devam eden çalışmaların çoğu tüketici bölgesi üzerine yoğunlaşmıştır. PLC (Power Line Communication), IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.4 (ZigBee) GSM/GPRS tabanlı geliştirilen çözümler, Ev otomasyonu ve otomatik sayaç okuma (AMR)

(a) mevcut durumda kullanılan sistemler, Günümüz Haberleşme Teknolojilerinin Akıllı Şebekelerde Kullanılma Durumu (a) mevcut durumda kullanılan sistemler, (b) kullanılması için araştırmaların sürdüğü sistemler, c- henüz kullanılmayan ancak çözüm geliştirilebilecek sistemler

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. 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 modelidir.

Akıllı Şebekelerde Kontrol Çalışmaları NIST Akıllı Şebeke Modeli

Akıllı Şebekelerde Kontrol Çalışmaları Lokal ölçekte kontrol uygulamalarına örnek olarak, jeneratörler, gerilim kararsızlıklarının olumsuz etkilerini önlemek için otomatik voltaj regülatörleri (AVR) kullanılmaktadır. Diğer bir örnek olarak Statik VAR kompanzatörler (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. Dönüştürücü bileşenler (DC/DC, DC/AC, AC/AC gibi) gerilim ve frekans kararlıklarının sağlanması için kapalı çevrim kontrol yapılarını kullanmaktadır.

Akıllı Şebekelerde Kontrol Çalışmaları Akıllı şebekelerde kontrol çalışmalarının sınırları, NIST tarafından standart hale getirilmiş olup 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

Akıllı Şebekelerde Kontrol Çalışmaları IEEE C37.118 standardı, 2005 yılında kararlı hal için güç ölçüm ünitelerinin ölçümlerini ve sınır değerlerini belirlemek amacıyla geliştirilmiştir. Toplam vektör hatasının (TVH) hesaplanmasını ve senkronize fazörlerin tanımını veren bu standardın tanımı denklem (1) ve (2)’de verilmiştir. (1) Burada, ; ; sinyalinin etkin değeri, ; kosinüs fonksiyonu ile tanımlanmış anlık faz açısıdır. (2) Burada ve ölçülen değer ve hesaplanan değerlerdir.

Kontrol metodolojileri 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. Hangi saatlerde güç talebinin fazla olacağı, güç değişim oranları, arıza bilgileri bu yöntemle değerlendirilebilmektedir ve bu çerçevesinde güç sistemi yönetilebilmektedir.

Kontrol metodolojileri SCADA uygulamaları; 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. Bilgilerin nasıl yorumlanacağı ve sistemin tepkisi, olası bütün durumlar için programlanır ve bu nedenle yöntem deterministik sonuçlar üretir.

Geleceğin Dünyasına Dönük Projeksiyonlar ve Fırsatlar 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.

Geleceğin akıllı şebeke mimarileri için geliştirilen haberleşme, kontrol yöntem ve uygulamaları dikkate alınırsa; Haneler, Siteler, Şehirler, Ülkeler, Global olarak dünya üzerinde çeşitli imkânlar ve fırsatlar sunacaktır.

Hane düzeyinde imkanlar: a) Akıllı sayaçlar yardımı ile esnek fiyatlandırma sistemi , b) Uzak alan haberleşme sistemi (GSM/GPRS, PLC gibi) ile desteklenebilecek akıllı sayaçlar (AMR), tüketici bilgilerinin ve enerji sisteminin uzaktan yönetim ve testi, c) Uzak-alan (GSM/GPRS, PLC, uydu haberleşmesi) haberleşme kabiliyetine sahip akıllı sayaçlar, konutların multimedya hizmetinin (İnternet, telefon vs) güç-hattı üzerinden sağlanması, d) Yakın alan, ev-içi cihaz haberleşmeleri (ZigBee, Wi-Fi, Power-line vs) ile cihazların uzaktan yönetimleri, e) Akıllı sayaçlar yenilenebilir enerji sistemlerinin ve konutsal enerji depolama sistemlerinin, evlerde kullanılması ve yönetimi

Site düzeyinde imkanlar: Yenilenebilir enerji kaynaklarının mikro şebeke düzeyinde entegrasyonu ile sitelerin şebekeye olan enerji bağımlılığının azaltılması, Çevre dostu üretim ve tüketimin desteklenmesi, Site içi haberleşme ve site hizmetlerinin (Güvenlik, sulama ve site içi aydınlatma sistemleri) yönetimi ve kontrolü güç dağıtım hattı üstünden sağlanması.

Şehir ölçeğinde imkanlar: Akıllı şebeke üstünden dağıtık sensör ve dağıtık kontrol uygulamaları şehir-içi hizmetlerinin (Aydınlatma, parkların sulanması, güvenlik gibi) yönetimi ve otomasyonunun sağlanması Katı-atık bertaraf tesislerinden elde edilen enerji, akıllı şebeke üstünden şehir içi hizmetlerin enerji ihtiyacında kullanılabilmesi, Hane ve site düzeyinde yenilebilir enerji kaynaklarının kullanılması, şehrin dışarıya olan enerji bağımlılığını azaltarak yenilenebilir enerji kaynakları verimli saatlerde enerji bakımından %100 kendine yetebilir duruma gelebilmesi.

Ülke ölçeğinde imkanlar: Akıllı şebekeler ile yenilebilir enerji kaynaklarının kullanımının ve paylaşımının artması sonucu, petrole, doğalgaza, kömüre dayalı olan enerjiye bağımlılık azaltılması ve ülkelerin enerji talebini karşılamada doğal kaynaklarının ağırlığının artırılması, Akıllı şebekeler sayesinde yerinde üretim ve tüketim sağlanabilmesinin bir sonucu olarak iletim-dağıtım kayıpları ve masrafları azaltılması, daha verimli ve güvenilir enerji kullanımı sağlanabilmesi, Akıllı şebeke ile sağlanabilecek talep taraflı yük yönetimi stratejileri uygulanabilir optimal tüketim yönetimi sağlanması, Enerji fiyatları makul seviyelerde tutularak ihtiyaç fazlası enerji arzı (Aşırı üretim) önlenebilir olması.

Global ölçekte imkanlar: Akıllı şebekeler ile yenilebilir enerji kaynaklarının kullanımının artması, yerinde üretim ve tüketim ile verimliliğin artırılabilmesi, küresel ısınma gibi insan aktivitesinin çevre üzerindeki baskısını azaltılması, Global ölçekte birleşen akıllı şebekeler, enerji üretim ve tüketimine esneklik kazandırarak, ülkeler arasındaki enerji paylaşımına dayalı çekişmeleri ve kaygıları azaltması, Global akıllı şebeke entegrasyonu ile enerji üreten ülkelerin, enerji arzlarını dünya ile paylaşmalarının kolaylaşabilmesi, Global akıllı şebeke üzerinden global ölçekte haberleşme, uzaktan ölçme ve kontrol imkanları sağlanarak uluslararası bilimsel araştırma ve gözlem istasyonlarının çalışmalarını kolaylaştırabilecek olması.

Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası Hane ölçeğinde yapılması gerekenler: 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. 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. Ev cihazları, akıllı sayaçlar ile haberleşebilir ve yönetilebilir olmalıdır. Geleneksel cihazlara bu uyumu kazandırabilmek için akıllı prizler tasarlanmalıdır. Akıllı prizler, akıllı sayaçlar ile yönetilebilir olmalıdır. Elektrikli araç şarj sistemleri garajlarda veya park yerlerinde kurulmalıdır.

Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası Mahalle ölçeğinde yapılması gerekenler: Yerel dağıtım şebekesinin güç hattından haberleşmeye (PLC) imkan sağlaması temin edilmelidir. Dağıtıcı bileşenlerinin uzaktan izlenebilir ve yönetilebilir olması sağlanmalıdır. Yerel üretim ve tüketimi desteklemek için yenilebilir enerji ve depolama siteleri kurulabilmeli ve buradan elde edilen enerjinin yerel tüketimi desteklemesi sağlanabilmelidir. Yerel hızla şarj ve dolum istasyonları, elektrikli araçlara hizmet için yaygınlaştırılmalıdır.

Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası Şehir ölçeğinde yapılması gerekenler: 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. 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.

Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası Ülke ölçeğinde yapılması gerekenler; Bütün şehirlerin enerji durum ve taleplerini değerlendirebilen ve enerji trafiğini yöneten ulusal enerji kontrol ve yönetim sistemi kurulmalıdır. 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.

Akıllı Şebekelere Dönüşüm İçin Bir Yol Haritası Global ölçekte yapılması gerekenler; Bütün ülkelerin enerji durum ve taleplerini değerlendirebilen ve enerji trafiğini global ölçekte yöneten global enerji kontrol ve yönetim sistemleri kurulmalıdır. Akıllı şebeke araştırmaları ve standardizasyonu için bağımsız kuruluşlar kurulmalıdır. Bu kuruluşlar, akıllı şebekelerin, belirli standartlara uygun gelişimini ve entegrasyonunu sağlayacak tedbirleri almaya yetkili kılınmalıdır.

Sonuçlar   Bu çalışmada, akıllı şebekeler, haberleşme ve kontrol uygulamaları açısından değerlendirilmiş ve bu uygulamaların yaygınlaştırıldığı geleceğin dünya için, hane, site, şehir, ülke ve global ölçekte projeksiyonlar yapılarak beklentiler irdelenmiştir. 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 çalışmanın yakın gelecekte hayata geçmesi mümkün olabilecek olan akıllı uygulamalarının, kamuoyu nezdinde daha anlaşılabilir olması yönünde katkı sağlayabileceğini umuyoruz.

TEŞEKKÜRLER