Distribution system reliability assesment structural approach

Abstract

Günümüz modern toplumunda mühendisliğin temel işlevi çeşitli ürün ve sistemlerin güvenilir bir şekilde tasarımı, üretimi ve işletimidir. Söz konusu ürün ve sistemlerin "ne derece güvenilir" oldukları, güvenilirlik analizleriyle belirlenen bazı indislere göre değerlendirilirler. 1930'lu savaş yıllarında ortaya çıkan ilk güvenilirlik analizlerinin elektrik-enerji sistemlerine yansıması 1960'k yıllarda olmuştur. Elektrik- enerji sistemlerinde bu tarihden günümüze kadar yapılan güvenilirlik analizleri, Şekil l'de gösterildiği gibi üç gurupta değerlendirilir. Birinci düzey ikinci düzey Üçüncü düzey Şekil 1 Elektrik enerji sistemlerinde güvenilirlik aşamaları Çok sayıda bileşen içeren elektrik dağıtım sistemlerine ilişkin güvenilirlik analizleri genellikle üretim ve iletim aşamalarından bağımsız olarak yapılır. Bu analizler bileşenlerin (hat, kesici,vb) kapasitesi açısından Toplam Yük Kaybı (Total Loss of Continuity) ve Kısmi Yük Kaybı (Partial Loss of Continuity) şeklinde iki kısımda değerlendirilir. Bu çalışmada sonsuz kapasiteli (tam fazlalıklı) bileşenlerden oluşan bir dağıtım sisteminde güvenilirlik analizi konusunda bir hesaplama yöntemi sunulmuştur. Önerilen yöntemde yaklaşık hesap teknikleri benimsenmiştir. vı Sabit hızlı, onarılabilir bileşenlerden oluşmuş sistemlerin güvenilirlik analizleri tüm bir yaygın olarak kullanılan yöntem Markov modellemesidir. Durum uzayı gösterilimi adı verilen bu modeüeme ile sistemin olası tüm durumları ve durum geçişleri dikkate alınır. Sistemin durumu ise bileşenlerin durumlarına bağlıdır. Dolayısıyla Markov modellenmesinin ilk adımını bileşenlerin olası durumlarının (çalışma, arıza, bakım) modellenmesi oluşturur. Bir elemanın veya sistemin işlevini yerine getirmemesi olarak tanımlanan "arıza kavramı", oluşum şekli, oluşum anı ve etkileri açısından Çeşitli sekilerde sınıflandırılır. Güvenilirlik analizinde arızalar ve sistemin bir tür işlevini yerine getirmeme durumu olarak değerlendirilen programlı bakımlarda dikkate alınarak Şekil 2'deki gibi modellenirler. M UP X4 T M- bakım arıza durumu T- geçici arıza durumu P- kalıca arıza durumu UP- çalışma arıza durumu Şekil 2 Çeşitli çalışma türleri Şekil 2'de verilen model sadece çalışma ve pasif arıza olarak adlandırılan arıza durumlarım içermektedir. Yanlış anahtarlamalar ve bir anahtarlama elemanının çalışmasını gerektiren arızalar (kısadevre) aktif arızalar olarak adlandırılırlar. Bu arızaların etkileri ve giderilme yöntemleri pasif arızalardan farklıdır. Şekil 3'de heriki arızanın nasıl giderileceği şematik olarak gösterilmiştir. Dağıtım sistemlerinde Toplam Yük Kaybına dayalı güvenilirlik analizleri dört aşamada yapılır. Bu aşamalar a) temel yolların belirlenmesi; b) temel kesitlemelerin belirlenmesi; c) temel indislerin hesaplanması ve d) türev indislerin hesaplanması şeklindedir. Her aşama için modelleme ve hesaplama bakımından farklı seçenekler vardır. vıı Şekil 3 Pasif ve Aktif Arızaların Giderilmesi Dağıtım sistemlerinde aktif arızalar önemli rol oynarlar. Dolayısıyla bu arızaların da dikkate alınması gerekir. Şekil 4'de her iki arıza tümünün dikkate alındığı durum uzayı gösterilimi verilmiştir. Anahtarlama Pasif arıza Şekil 4 Bir Birimin Çalışma ve Arıza Durumları Bu çalışmada yapılan katkılardan biri temel yolların değişik bir yöntemle belirlenmesidir. Temel yolların belirlenmesi işlemi alışılagelmiş yöntemlerde eleman-düğüm bağlantı matrisi kullanılarak yapılır. Baraların 100% güvenilir olduğu ve ilgilenilenin dışında bir dallanmanın sonuca etkimediği varsayımına dayanan bu yöntem, dağıtım sistemlerinde bazı problemlere yol açmaktadır. Koridorlar yöntemi adım verdiğimiz yöntemle, dağıtım sisteminin giriş ve çıkış arasındaki temel yolların belirlenmesi yukarıda belirtilen sakmalar ortadan kaldırmaktadır. vııı Çalışmada aktif ve pasif arızalara karşı düşen ve ana kesitlemeler adını verdiğimiz kesitlemelerin belirlenmesi için bilinen yöntemlerden biri kullanıkmştır. Aktif arızalara ve yanlış anahtarlamalara ilişkin ikincil kesitlemeler adı verilen kesitiemelerin belirlenmesi için, ana kesitlemelerde yer alan baralara ait S ve SS eleman gurupları tanımlanmıştır. Her eleman için söz konusu son iki arızayı ayrı ayrı modellemenin getireceği hesaplama ve hafıza problemlerini gidermek amacıyla, önerilen yöntemde, sadece S ve SS guruplarına giren ikincil kesitlemeler dikkate alınmaktadır. Ana ve ikincil temel kesitlemeler belirlendikten sonra dağıtım sisteminin temel kesitlemelerden oluşmuş eşdeğeri kurulmakta ve buradan öngörülen herhangi bir baraya ilişkin temel indisler (arıza hızı, onarım süresi ve yokluk) hesaplanmaktadır. Gerekirse türev indisler de belirlenerek karşılaştırmalar yapılabilmektedir. Önerilen yöntemin doğruluğu ve üstünlüklerini ortaya koymak için Şekil 5'de verilen dağıtım sisteminin 5 numaralı harasına ait güvenilirlik indisleri hesaplanmıştır. Şekil 5 Örnek dağıtım sistemi Hesaplama sonunda temel güvenilirlik indisleri, X =1.34794 arıza/yıl = 7.6599 saat U = 10.325327 saat/yıl ıx Bu sayısal değerler literatürdekilerle karşılaştırıldığında sonuçların aynı olduğu görülmüştür. Daha az bellek ve daha az işlemle aynı değerlerin elde edilmiş olması, yöntemin geçerliliğinin ve üstünlüğünün bir ölçüsü olarak vurgunalanabilir. Yine de mutlak bir yargıya varmak için yöntemin programlanması ve karşılaştırılmaların daha fazla örnek sistem üzerinde yapılması gerekmektedir.

This study presents a method for distribution system reliability assessment. The proposed method is based on the system structure and does not take into consideration the system constraints. Reliability assessment of distribution system with constraints can be considered as a future step of the method. Chapter 1 gives the historical background of reliability, especially reliability evaluation in electric power systems. Hieararchical levels of power system reliability studies are introduced. Chapter 2 begins with the definitions of basic reliability parameters. Markov modelling of a two state component as well as serially and parallel connected components are summarised. The chapter continues with the several types of the classifications of the failures and terminates with reliability indices and their applications. Chapter 3 is devoted to the steps of distribution system reliability assessment. Determination of minimal paths by conventional method and by the proposed "predecessor method" are introduced and compared. Minimal cut sets of total failures called basic minimal cut sets are deduced by Conventional algorithms. Minimal cut sets resulting from active failures and inadequate operation of circuit breakers are deduced by proposed S and SS groups of the specific nodes. Application of the proposed method on a typical distribution network is presented in Chapter 4. Using component reliability data, three basic reliability indices are evaluated at a specified busbar. The comparison of the results with those presented in the literature shows that the same numerical values are attained with less computational effort.