Güvenilirliğe İki Katına Çıkmak: Karaçi'nin Tasarlanmış Akıllı Şebeke Atılımı

Artan talep ve şebeke varlıklarına ilişkin sınırlı görünürlük karşısında, Karaçi merkezli K-Electric, Pakistan'ın en büyük şehrine yeni altyapı, sermaye harcamaları veya gecikme olmadan 600 MW'tan fazla güvenli güç ithalatı sağlayan şirket içi özel bir koruma sistemi tasarladı.

Pakistan'ın en büyük şehri ve ekonomik devi Karaçi, 2023 Nüfus Sayımı'na göre 20,3 milyona ulaştı. Şehrin birincil enerji sağlayıcısı olan K-Electric (KE) için (tüm konut, ticari, endüstriyel ve tarımsal tüketicileri dahil) bu büyüme yalnızca muazzam bir fırsat değil, aynı zamanda büyük bir baskı da sunuyor.

Son beş yılda, artan sıcaklıklar, kentsel genişleme, sanayileşme ve politika destekli parçalı üretimden merkezi şebeke arzına geçişin etkisiyle ortalama tepe talebi arttı. Güneş enerjisi şebeke talebini etkilerken, KE hızla yeni endüstriyel tüketicileri sisteme dahil etti, düzinelerce yük uzatma talebini işledi ve şebeke genelindeki önemli 132 kV koridorlarını güçlendirmek için çalıştı. Aynı zamanda, yeni kesintiler ve yük üretim dinamikleriyle karakterize edilen artan sistem karmaşıklığıyla da boğuşuyor. Dahası, kapasite ve güvenilirliği artırmaya yönelik hedefli yatırımlara rağmen, patlayıcı nüfus artışı altyapısının fiziksel sınırlarını zorladı.

1. Uluslararası Uzay İstasyonu tarafından 9 Ocak 2021'de Arap Denizi'nin 421 km yukarısından çekilen bu görüntü, Pakistan'ın en büyük şehri Karaçi'nin geceleri parıldadığını gösteriyor. Şu anda 20,3 milyondan fazla nüfusa ev sahipliği yapan şehrin patlayıcı büyümesi ve artan elektrik talebi, K-Electric'i yeni iletim hatları olmadan elektrik ithalatını iki katına çıkaran yeni bir şebeke çözümü geliştirmeye itti. Kaynak: NASA

Resmen 1913 yılında kurulan ve 2005 yılında özelleştirilen K-Electric, bugün Karaçi ve çevre bölgelerde 6.500 kilometrekarelik bir alana yayılan Güney Asya'nın en geniş kentsel elektrik sistemlerinden birini işletmektedir. Altyapısında 78 şebeke istasyonu ve yaklaşık 1.400 kilometre yüksek gerilim iletim hattı bulunmakta ve 3,8 milyon müşteriye hizmet vermektedir. Şirket, 2009 yılından bu yana üretim, iletim ve dağıtım iyileştirmelerine 4,6 milyar dolardan fazla yatırım yaparak, sahip olduğu üretim kapasitesini 1.500 MW'ın üzerinde artırmış ve iletim ve dağıtım kapasitesini iki katından fazla artırmıştır. Tüm bunları yaparken, iletim ve dağıtım kayıplarını %35,9'dan %15,99'a düşürmek için çalışmaktadır.

Şehrin ekonomik ve altyapısal gelişimini güvenilir, uygun fiyatlı ve sürdürülebilir enerji sağlayarak sağlamadaki önemli rolünün bilincinde olan şirket, enerji optimizasyonu ve operasyonel mükemmellik için sürekli çaba sarf ediyor. Projeye, KE'nin Şebeke Kontrol biriminin liderleri Ali Imran Hussain ve Faisal Mairaj liderlik ediyor. Mairaj, POWER'a verdiği demeçte, paralel ve giderek daha da tartışılmaz bir girişimin, şebekenin daha hızlı, daha yalın ve daha akıllı çalışmasını sağlayan çözümler olan yaratıcılıktan yararlanmak olduğunu söyledi.

2020 yılında, büyük yeni altyapı için çok az seçeneğin olması ve hata payının olmaması nedeniyle KE, POWER'ın 2025 Akıllı Şebeke Ödülü'ne layık görülen, Cross Trip Scheme olarak bilinen otomasyon odaklı özel bir koruma sistemi olan yerel bir atılımı hayata geçirdi.

Üretim ve İletim Direktörü Abbas Husain, "Tamamen şirket içinde tasarlanan, test edilen ve devreye alınan proje, K-Electric'in trafo ve hatların aynı seviyede kullanılmasını sağlamak için koruma ve kontrol şemasını güvenli bir şekilde geliştirmesine ve sermaye harcamalarından tasarruf etmesine olanak sağladı," dedi. "Güvenilirliğin maliyetli altyapı ve uzun zaman çizelgelerine bağlı olduğu bir şebeke ortamında, KE'nin yazılım odaklı çözümü, dokuz ay gibi kısa bir sürede esneklik ve dayanıklılığı hassasiyetle sağladı."

600 MW Bariyerini Aşmak

Çözüm, operasyonel ve ekonomik ihtiyaçlardan doğdu. KE İletim Operasyonları Başkanı Hussain, "Ülkenin yukarısında fazla elektrik mevcuttu," diye hatırlıyor. "Bu, ulusal şebekenin yetersiz kullanım ve kapasite ücreti sorunlarının bir kısmını çözmesine yardımcı olmamızı sağladığı için istekliydik. Dolayısıyla bir zorluk vardı: Teknik sınırlamalardan, şebekenin güvenilirliğinden veya bağlantının emniyet ve güvenliğinden ödün vermeden mevcut bağlantıdan nasıl daha fazla elektrik çekilebilirdi?"

O dönemde, KE'nin ulusal şebekeden ithalat limiti yaklaşık 600 MW idi. Bu tavan, koruma eşikleri, bağlantı güvenilirliği endişeleri ve KE şebekesi dışındaki varlıklara ilişkin sınırlı görünürlük nedeniyle belirlenmişti. KE'nin bu tavanı en az 1.000-1.100 MW'a çıkarması gerekiyordu. Ancak 2020 yılında üçüncü taraf danışmanlarla iş birliği içinde yürütülen bir fizibilite çalışması, geleneksel altyapı seçeneklerini eledi. Yeni bağlantılar veya genişletilmiş trafo kapasitesi çok pahalıydı, proje süreleri uzamıştı ve yakın vadeli ihtiyaçları karşılamak için çok belirsizdi.

Bunun yerine, çalışma, gerçek zamanlı şebeke kesintilerine yanıt olarak dinamik yük atılımını mümkün kılan ve hem KE'nin dahili şebekesini hem de ulusal şebeke operatörüne ait yukarı akış varlıklarını koruyan dijital bir kontrol mimarisi olan "çapraz geçiş" mantığına dayalı özel bir koruma sisteminin teknik uygulanabilirliğini araştırdı. Simülasyonlar, ototransformatörlerin kaybı ve yüksek gerilim bağlantılarının devre dışı kalması gibi en kötü senaryoları modelledi ve doğru adaptif mantıkla KE'nin kritik operasyonel eşikleri aşmadan ithalatı önemli ölçüde artırabileceğini gösterdi. Aynı derecede önemli olan, yaklaşımın yeni bir sermaye harcaması gerektirmemesiydi.

Bir Mühendislik Yeniliği

KE'nin nihai olarak tasarlayıp uyguladığı sistem, özünde, şebeke kesintilerine hızlı ve otomatik müdahaleler sağlamak üzere tasarlanmış, özel olarak tasarlanmış bir Özel Koruma Sistemi'dir (SPS). Ağ Planlama Başkanı Faisal Mairaj, "Altyapı üç katmandan oluşuyor," diye açıkladı. "Birincisi, koruma röleleri. İkincisi, Uzak Terminal Birimleri (RTU'lar) ve Eşzamanlı Sayısal Hiyerarşi'den (SDH) oluşan iletişim ekipmanı. Ve son olarak, KE sistemimizde geliştirilen ve operatörü uyaran ve eylemleri gerçek zamanlı olarak yönlendiren mantık olan SCADA."

SPS, trafo yüklemesi, kesici konumları ve ana bağlantılardaki güç akış yönüne bağlı olarak otomatik yük reddini yöneten özelleştirilmiş bir dijital kural kümesi olan adaptif trip mantığıyla çalışır. Röle panelleri, kritik şebeke düğümlerindeki bu değişkenleri sürekli olarak izler. Aşırı yükleme veya yukarı akıştaki 500 kV hatlarının devre dışı kalması gibi bir dengesizlik tespit edildiğinde, sistem seçili trafo merkezlerine transfer trip sinyalleri göndererek sistem bütünlüğünü korumak için belirli 132 kV besleyicilerin kademeli olarak kesilmesini başlatır.

KE uzmanları, simülasyon modellerinin kademeli tepki aşamalarını özetlediğini belirtti: Ana devrelerdeki akım yüklemesi, eşiği istenen süreden daha uzun süre aşarsa, röleler, endüstriyel ve ticari bölgelere hizmet veren kritik olmayan 132 kV besleyicilerden başlayarak hedefli yük reddini tetikleyecekti. 500 kV bağlantıların her ikisinin de devre dışı kalması veya yukarı akışta tamamen adalama yapılması gibi daha ciddi durumlar, güç trafosu devreleri ve hatta yüksek gerilimli 220 kV besleyiciler de dahil olmak üzere daha kapsamlı kesintileri başlatacaktı. Eşikler, koruma rölelerine kodlanmış ve KE'nin merkezi kontrol arayüzü aracılığıyla gerçek zamanlı görünürlük ve otomatik yürütme sağlamak için SCADA sistemiyle sıkı bir şekilde entegre edilmiştir.

Ancak projenin en kritik tasarım kısıtlamalarından biri, KE'nin bu mantığı, bağlı olduğu yukarı akış varlıklarından canlı SCADA verilerine erişim olmadan kurmak zorunda olmasıydı. Mairaj, "Bu, temelde enerji ithal ettiğimiz uzak bir istasyon, ancak başka bir kuruluş tarafından bakımı ve işletimi yapılıyor," diye açıkladı. "Sorun ağımızdaysa halledebiliriz. Ancak başka bir ağdaysa ve görünürlüğümüz yoksa, yönetemeyiz." Bu sorunu aşmak için KE, sistemini yalnızca devre kesici durumu ve trafo yüklemesinden şebeke koşullarını çıkaracak şekilde tasarladı ve böylece tam veri veya doğrudan kontrol olmadığında bile güvenilir, gerçek zamanlı eyleme olanak tanıdı.

Uygulama ve Koordinasyon

Projenin aciliyeti göz önüne alındığında, KE, koruma, kontrol, telekomünikasyon ve SCADA'yı kapsayan özel bir işlevler arası görev gücü oluşturdu. Imran, "Şemalar ve zaman çizelgeleriyle eksiksiz bir yol haritası vardı; neyin, kim tarafından ve ne zaman yapılması gerektiği" dedi. Dağıtımı hızlandırmak için KE, mevcut altyapısını yeniden düzenledi ve trafo merkezlerindeki planı uygulamak için tamamen şirket içi iş gücüne güvendi. Dahili uyumun daha hızlı bir geri dönüşe olanak sağladığını, ancak ulusal şebeke operatörünün katılımının yaklaşımı doğrulamak için sürekli koordinasyon ve fikir birliği oluşturma gerektirdiğini belirtti.

Proje, 2021 başlarında tamamen hayata geçirildi ve hizmete girdi. Hızlı lansmanın en önemli faydalarından biri, KE'nin sağlam tasarımdan faydalanarak tedarik gecikmelerini ve maliyetlerini en aza indirme becerisiydi. Ağı, riski ve tasarımdaki mantığı anlamaya daha fazla zaman ayırmak, rutin bir ağ yükseltmesine benzer şekilde hızlandırılmış bir uygulama sağladı.

Ancak etkisi anında görüldü. Proje, şebekeye 600 MW'tan fazla ek enerji girişi sağladı; bu da artan sermaye harcamalarını karşılamaya ve artan talebi karşılamaya yetiyor. Ayrıca, devreye alındığından beri kesintisiz olarak faaliyet göstererek en az iki büyük şebeke felaketinin önlenmesine yardımcı oldu.

Üretim ve İletim Direktörü Abbas Husain, "Yüce Tanrı'nın yardımıyla, projenin başarısız olduğu hiçbir senaryo yaşanmadı," dedi. "Başka hiçbir çözüm bu kadar hızlı bir etki yaratamazdı. Beş ila altı ayda 600 MW'lık bir enterkonneksiyon sağlayamazsınız. Beş ila altı ayda enerjili üretim kapasitesi ekleyemezsiniz; bu en az üç yıl sürer. Ama biz şehrin daha ucuz elektriğe sahip olmasını sağladık. Fosil yakıtlı santrallerin yanmamasını sağladık. Bu hiç de az bir kazanç değil."

Projeden alınan dersler sorulduğunda uzmanlar, meslektaşlarını düşünceli tasarıma öncelik vermeye çağırdı. İnsan yapımı sistemlerde her zaman kusurlar olabileceğini, bu nedenle dikkatli tasarıma yatırımın uygulamadan daha öncelikli olması gerektiğini belirttiler. Güvenilirlik söz konusu olduğundan, riskleri belirlemek ve iletmek kritik öneme sahiptir. Sağlam bir tasarım yaklaşımının stratejik uygulamayı da desteklediğini ve yüksek sermaye harcaması olmadan sürdürülebilir enerji ithalatını mümkün kıldığını belirttiler.