Enerji iletim şebekelerinin donanım planlamasında optimizasyonu

Abstract

ENERJİ İLETİM ŞEBEKELERİNİN DONANIM PLANLAMASINDA OPTİMÎZASYON K. R. İrfan Güney Elk. Y. Müh. ÖZET Elektrik enerjisinin üretim, iletim ve dağıtımında, tüketicilere sürekli ve güvenilir bir hizmeti en düşük f iata mal etmek amacına yönelik bir düzen kurmak gerek mektedir. Hizmette en iyi düzenin kurulması çalışmaları, elektrik enerji sistemlerinin planlama ve projelendirme safhalarında başlar. Bu çalışmalarda, tesislerin yapım ve işletilmesinde ortaya çıkabilecek problemlerin öngö rülmesine, bu problemlerin ortadan kaldırılmasına, hiç değilse en aza indirilmesine özen gösterilir. Ancak bu durumu sağlayacak teknik üstünlükle birlikte daima yatı rım ve işletme maliyetlerinin olabildiği kadar düşürül mesi yolunda da gayret edilir. Başka bir deyişle, bir enerji sisteminin yapım ve kullanımında ön görülebilecek tüm üstünlük ve sakıncalar parasal açıdan değerlendiril mek zorundadır. Üretim kaynaklarının ve tüketicilerin sayılarının art ması ile ortaya çıkan büyük birleşik şebekelerde, işlet me güvenliği ile birlikte kaynaklardan en verimli şekil de yararlanma da sağlanabilmektedir. Ancak bu sistemin büyüklüğü ölçüsünde karmaşıklığı artmakta, en iyi ve ekonomik durumun bulunması zorlaşmaktadır. Daha önceki işletmelerden elde edilen veri ve deneyimlerin değerlen dirilmesi, gelişen teknik yolların kullanımı ve ekonomi dünyasının kural ve koşullarının uygulanması ile kısaca `optimal` olarak nitelendirilebilen böyle bir durumun belirlenmesine gidilebilir. - vii -Enerji iletim hatları elektrik enerji sistemlerinde bağlantı elemanı olara,k görev üstlenerek birleşik (enter- konnekte) şebekenin oluşmasını sağlamaktadır. Bu yüzden sistemin teknik ve ekonomik yönden değerlendirilmesinde önemi ve etkinlikleri büyüktür. Ancak çok geniş bir böl geye yayılmaları ve çeşitli malzemelerden oluşmaları, tam bir optimizasyon analizini güçleştirmektedir. Yapım ve işletme özelliklerinin değişik uzmanlık alanlarına gir mesi, çevre koşulları ile yakın ilişkileri olması, bu güçlüğü daha da arttırmaktadır. İletim hatları için yapılan optimizasyon analizleri, daha çok bu hatlar üzerinde kayıplar en az düzeye inecek şekilde yük dağılımı probleminin çözümlerini bulmaya yö neliktir. Bunun için çeşitli yöntemler ve bilgisayar uyarlamaları geliştirilmiştir. Ancak mekanik yapısını gözönüne alarak planlama ve işletmedeki optimizasyonu sağlama çalışmaları çok değişkene bağlılıkları dolayısıy la daha güçlükle gerçekleştirilebılmektedir. Değişik ülkelerdeki uygulamalara bağlı olarak, iletim hatları için verilen tekno-ekonomik modellere rastlanmak tadır. Ancak bu güne kadar olan yayınlarda bunların kay nakları ve elde ediliş yollarında açıklık görülmediğinden Türkiye koşullarına uydurulmaları ya mümkün değil veya çok güçtür. Bu çalışma, bu eksikliği tamamlamak amacı ile yapılmıştır. Çalışmanın esasını Türkiye için geçerli ola bilecek optimal iletim hattı modelinin belirlenmesi oluş turmaktadır. Bu amaç için elektrik mühendislerince çok iyi bilinen teknik üstünlüklerin, başka mühendislik alan larına giren tekniklerdeki üstünlüklerle ve ekonomik ko^ şullarla olabildiğince uyum sağlamasına çalışılmıştır. Modelleme işleminin esasları ve buna dayanarak kurulan tekno-ekonomik modelin nitelikleri açıklanmıştır. Bundan sonra bütün bilgiler, kriterler ve veriler doğrultusunda yeni bir tekno-ekonomik matematik model ortaya konmuştur. Bu modele göre elde edilen değerler, Türkiye'deki gerçek iletim hatlarındaki verilere göre bulunan maliyet değer leri ile karşılaştırılmıştir. Yaklaşım görüldükten sonra - viii -Türkiye'de kullanılan tek ye çift devreli iletim hatla rını birbirleri ile karşılaştırmak amaca, ile herbirihe ait genel maliyet fonksiyonları elde edilmiştir. İletim hatlarını oluşturan belli başlı elemanlar için de ayrı ayrı suboptimizasyon araştırmaları yapılmıştır. Bunun için iletim hatlarının belli başlı iletkenler, izolatörler ve askı takımları ile direklerinin yapı, yapım ve kullanımı üzerinde ayrı ayrı optimal değerlere varma yolları araştırılmıştır. İletkenlerde, iletken türü, kesiti, ile kullanım süresine bağlı olarak iletilebilen ekonomik güç değerle rinin elde edilmesi için bir algoritma geliştirilmiş ve bilgisayara uyarlanmıştır. Çeşitli gerilimlerde çalışan iletim şebekelerinde kullanılan değişik iletken türleri nin farklı yük ve yıllık kullanma sürelerine göre ekono mik güçlerinin değişimlerini gösteren fonksiyonlar elde edilmiştir. Bu fonksiyonlarda aktif (etkin) güç ile bir likte cos0 değerleri yardımı ile reaktif: (tepkin) güç et kileri de gözönüne alınmış ve böylelikle fonksiyonların reaktif güç etkisi İle bir eğri ailesine dönüştüğü göste rilmiştir. Bu suretle ekonomik gücün, gerilimin karesi ile birlikte bağlı olduğu, reaktif güç ye yıllık işleme süresi ile değişimleri ortaya konmuştur. İzolatör zincirlerinin optimal tasarımına varılması için yapılan çalışma sonunda özellikle ülkemizde hangi tip izolatörün uygun olacağı araştırılmış ve buna varmak için tutulan yol ile sonuçları açıklanmıştır. Ayrıca ge rilime bağlı olarak izolatör maliyetinin değişimi elde edilmiştir. Direk dayanım hesabı ile, optimal direk tasarımına varmak için hesap yolu ile bunun uygulanmasını sağlayan bilgisayar algoritması geliştirilmiştir. Buna göre yapı lan bilgisayar programı, özellikle dayanım hesapları ö- nemli olan yüksek gerilimli iletkenleri taşıyan çeşitli yapıda direklere uygulanmış ve sonuçlar karşılaştırıl- mıştır. ıx -

OPTIMISATION IN THE PLANNING OF SUPPLY OF POWER TRANSMISSION NETWORKS SUMMARY K.R. İrfan Güney Elk. Y. Müh. It is accepted by all those concerned that supply of uninterrupted, reliable electrical power requires a meticulous, efficient planning. A sound system has to be developed for the production, transmission and distribu tion of electrical energy. Efforts for setting up the best system start at the planning and project -development stages. Utmost attention has to be paid to foresee the problems which are likely to arise in the course of installation and operation of these systems with the aim of eliminating or at least minimizing them. While trying to achieve superiority in the technical aspects of the job, cost reduction will also be taken into account as an important factor. In other words, all kinds of technical processes and materials which can be employed in the building and operation of the system will also have to be evaluated from the standpoint of cost. The large, inter-connected networks developed as a consequence of increased numbers of power supply units and consumers, make it possible to achieve safety as well as most efficient use of resources. The complexity of the system, however, increases together with its size and finding an optimal solution both technically and economically becomes even more difficult. Evaluation of data and experience accumulated through the previous systems, employment of newly developed techniques and the use of principles and teachings of the economy discipline may lead us to what is called `the optimal solution`. Power transmission lines function as the connecting element in the development of inter-connected systems. Therefore, they play an important part in the evaluation of the system from the technical as well as the economic - x -standpoint. However, the fact that they are dispersed oyer quite a large area, and are composed of a great variety of materials makes the optimisation analysis a difficult process. Production and use of such elements involve knowledge in different areas of expertise, their close interdependence with environmental conditions increases this difficulty even more. Optimisation analysis involving the transmission lines, in most cases, concentrates on finding a solution to the problem of distribution of load so as to minimize losses. Various methods and computer applications have been developed for this purpose. On the other 'hand, studies concerning optimisation in planning and operation, through taking into account its mechanical design involve a greater number of variables and therefore is of a more complex nature. Techno-economic models have been developed for trans mission lines subject to various applications in different countries. On the other hand, adopting such models to the conditions existing in Turkey is either not possible or very difficult, because we cannot obtain sufficient information about their sources and development techniques from the publications available, issued on the subject. This study has been undertaken as a modest contribution to fill in this gap. It concentrates on developing a mo del for optimal transmission lines applicable in Turkey. For this purpose, techniques developed in other fields of engineering and the economic considerations have been adopted to the technicalities of the job which constitute the domain of the electrical engineers. It covers a description of the model building process followed by the techno-economic model developed on this basis. A new techno-economic mathematical model has been introduced using all available data, criteria and infor mation. Values obtained according to this model have been compared with cost figures of actual transmission lines. - xi -rIn order to compare the single and double circuit transmission lines in use in Turkey, cost functions haye been obtained for each of them. Optimisation surveys have also been conducted for each of the main elements constituting the transmission lines. Analysis has been made to arrive at optimal values concerning the design, manufacturing and use of main conductors, insulation materials, suspension equipment and poles used in transmission lines. In relation to conductors, an algorithm has been developed for computer application to obtain values for the most economic power transmission using the type, cross-section of conductors and time-span as variables. Concerning different types of conductors used in trans mission networks operating under various voltages functions have been developed for showing changes in their economic powers dependent upon load and duration of annual usage. In these functions the impact of reactive power has been taken into account together with active power by means of cos# values and through this it has been possible to show that functions transform into a family of curves under the impact to reactive power. Thus, variations in economic power as a function of reactive power, duration of annual usage and square of the applied voltage have been introduced. As a conclusion of this study undertaken to achieve optimisation in designing the insulator chains, specifications have been developed for the most suitable type of insulators to be used in Turkey and an explanation of the method employed in arriving at this conclusion has been given. In addition, variations in the cost of insulators as a function of voltage have been obtained. An algorithm for computer application has been introduced for the calculation of pole strength, optimal pole design and its application. The computer programme has been applied to poles of various design carrying high voltage conductors which are of special importance and a comparison has been made of the results obtained. - xii -