Jännitteenkorotin heikkoihin jakeluverkkoihin

Sähkönkulutuksen kasvaessa jakeluverkossa syntyy yhä enemmän jännitteenalenemia, jotka ylittävät sähkön laatustandardin asettamat raja-arvot. Jännitteenalenemista kärsivät etenkin syrjäseuduilla asuvat ihmiset, joiden käyttökohteet sijaitsevat kaukana jakelumuuntajasta. Perinteinen tapa on ollut kasvattaa syöttävän jakelukaapelin poikkipinta-alaa ja vaihtaa jakelumuuntaja suurempaan ongelman ratkaisemiseksi, mutta investointi on kuitenkin kallis eikä välttämättä maksa itseään koskaan takaisin. On myös mahdollista, että aiempaa suuremman muuntajan tyhjäkäyntihäviöillä on huonontava vaikutus järjestelmän energiatehokkuuteen. Tällöin voi olla kokonaistaloudellisesti kannattavampaa liittää sähköverkkoon laite, jolla voidaan korjata jännitteenalenemia. Diplomityössä tutkitaan säästömuuntajaan perustuvaa jännitteenkorotinta, jolla voidaan vähentää jakeluverkon jännitteenalenemien aiheuttamia haittoja. Työssä tutkitaan laitteen eri kytkintopologioita sekä niiden ohjausmenetelmiä, joilla voidaan muuttaa säästömuuntajan käämikierrosmääriä sen ollessa kuormitettuna.

Techno-Economic Feasibility of Novel On-Line Condition Monitoring Methods in Low Voltage Distribution Networks

The focus in this thesis is to study both technical and economical possibilities of novel on-line condition monitoring techniques in underground low voltage distribution cable networks. This thesis consists of literature study about fault progression mechanisms in modern low voltage cables, laboratory measurements to determine the base and restrictions of novel on-line condition monitoring methods, and economic evaluation, based on fault statistics and information gathered from Finnish distribution system operators. This thesis is closely related to master’s thesis “Channel Estimation and On-line Diagnosis of LV Distribution Cabling”, which focuses more on the actual condition monitoring methods and signal theory behind them.

Impact of reliability of supply on long-term development approaches to electricity distribution networks

The Finnish electricity distribution sector, rural areas in particular, is facing major challenges because of the economic regulation, tightening supply security requirements and the ageing network asset. Therefore, the target in the distribution network planning and asset management is to develop and renovate the networks to meet these challenges in compliance with the regulations in an economically feasible way. Concerning supply security, the new Finnish Electricity Market Act limits the maximum duration of electricity supply interruptions to six hours in urban areas and 36 hours in rural areas. This has a significant impact on distribution network planning, especially in rural areas where the distribution networks typically require extensive modifications and renovations to meet the supply security requirements. This doctoral thesis introduces a methodology to analyse electricity distribution system development. The methodology is based on and combines elements of reliability analysis, asset management and economic regulation. The analysis results can be applied, for instance, to evaluate the development of distribution reliability and to consider actions to meet the tightening regulatory requirements. Thus, the methodology produces information for strategic decision-making so that DSOs can respond to challenges arising in the electricity distribution sector. The key contributions of the thesis are a network renovation concept for rural areas, an analysis to assess supply security, and an evaluation of the effects of economic regulation on the strategic network planning. In addition, the thesis demonstrates how the reliability aspect affects the placement of automation devices and how the reserve power can be arranged in a rural area network.

LVDC power distribution system: computational modelling

In the doctoral dissertation, low-voltage direct current (LVDC) distribution system stability, supply security and power quality are evaluated by computational modelling and measurements on an LVDC research platform. Computational models for the LVDC network analysis are developed. Time-domain simulation models are implemented in the time-domain simulation environment PSCAD/EMTDC. The PSCAD/EMTDC models of the LVDC network are applied to the transient behaviour and power quality studies. The LVDC network power loss model is developed in a MATLAB environment and is capable of fast estimation of the network and component power losses. The model integrates analytical equations that describe the power loss mechanism of the network components with power flow calculations. For an LVDC network research platform, a monitoring and control software solution is developed. The solution is used to deliver measurement data for verification of the developed models and analysis of the modelling results. In the work, the power loss mechanism of the LVDC network components and its main dependencies are described. Energy loss distribution of the LVDC network components is presented. Power quality measurements and current spectra are provided and harmonic pollution on the DC network is analysed. The transient behaviour of the network is verified through time-domain simulations. DC capacitor guidelines for an LVDC power distribution network are introduced. The power loss analysis results show that one of the main optimisation targets for an LVDC power distribution network should be reduction of the no-load losses and efficiency improvement of converters at partial loads. Low-frequency spectra of the network voltages and currents are shown, and harmonic propagation is analysed. Power quality in the LVDC network point of common coupling (PCC) is discussed. Power quality standard requirements are shown to be met by the LVDC network. The network behaviour during transients is analysed by time-domain simulations. The network is shown to be transient stable during large-scale disturbances. Measurement results on the LVDC research platform proving this are presented in the work.

Kotkan kaupungin ja lähialueen sähkönjakeluverkon kehittämissuunnitelma

Kotkan jakelualueella käytetään historiallisista syistä keskijänniteverkossa kahta jänniteta-soa, 10 kV ja 20 kV. Eri jännitetasojen lisäksi Kotkan jakelualueen 110/20 päämuuntajien kytkentäryhmänä on käytössä YNyn0, kun taas muualla verkossa käytetään YNd11 kyt-kentäryhmää. Jännitetasoista ja kytkentäryhmistä johtuen Kotkan jakeluverkon yhteenkyt-kettävyys ympäröivän verkon kanssa on haastavaa. Työn tavoitteena on selvittää Kotkan kaupungin keskijänniteverkon nykytila ja käytettä-vyys häiriötilanteissa pahimpana mahdollisena aikana, sekä löytää mahdolliset ongelma-kohdat. Verkon nykytila tarkasteltiin verkkotietojärjestelmän avulla käyttäen laskennallisia tuloksia, jotka skaalattiin vastaamaan kovemman pakkastalven kuormitusta. Skaalaus teh-tiin useamman vuoden takaiseen tilanteeseen, jolloin yleinen taloustilanne oli parempi ja verkon kuormitus suurempi, jolloin verkko ei tule alimitoitetuksi taloustilanteen parantuessa. Tulevaisuuden varalta muodostettiin alueen tulevaisuuden kuormitusennusteet käyttämällä historiatietoja sekä tulevaisuuden näkymiä apuna. Työn keskeisimmäksi sisällöksi muodostui selvittää tarve usean käyttöjännitteen säilyttä-miselle sekä erilaisten kytkentäryhmien ylläpitämiseen ja kosketusjänniteongelman ratkai-seminen. Alueen sähköverkon kehittämiseksi tehtiin useita eri vaihtoehtoja, joita vertailtiin elinkaarikustannusperiaatteella toisiinsa. Vertailun pohjalta saatiin investointistrategia ehdo-tukset, joiden pohjalta verkkoyhtiö voi tehdä tulevaisuuteen sijoittuvia ratkaisuja.

Modelling of changes in electricity end-use and their impacts on electricity distribution

The electricity distribution sector will face significant changes in the future. Increasing reliability demands will call for major network investments. At the same time, electricity end-use is undergoing profound changes. The changes include future energy technologies and other advances in the field. New technologies such as microgeneration and electric vehicles will have different kinds of impacts on electricity distribution network loads. In addition, smart metering provides more accurate electricity consumption data and opportunities to develop sophisticated load modelling and forecasting approaches. Thus, there are both demands and opportunities to develop a new type of long-term forecasting methodology for electricity distribution. The work concentrates on the technical and economic perspectives of electricity distribution. The doctoral dissertation proposes a methodology to forecast electricity consumption in the distribution networks. The forecasting process consists of a spatial analysis, clustering, end-use modelling, scenarios and simulation methods, and the load forecasts are based on the application of automatic meter reading (AMR) data. The developed long-term forecasting process produces power-based load forecasts. By applying these results, it is possible to forecast the impacts of changes on electrical energy in the network, and further, on the distribution system operator’s revenue. These results are applicable to distribution network and business planning. This doctoral dissertation includes a case study, which tests the forecasting process in practice. For the case study, the most prominent future energy technologies are chosen, and their impacts on the electrical energy and power on the network are analysed. The most relevant topics related to changes in the operating environment, namely energy efficiency, microgeneration, electric vehicles, energy storages and demand response, are discussed in more detail. The study shows that changes in electricity end-use may have radical impacts both on electrical energy and power in the distribution networks and on the distribution revenue. These changes will probably pose challenges for distribution system operators. The study suggests solutions for the distribution system operators on how they can prepare for the changing conditions. It is concluded that a new type of load forecasting methodology is needed, because the previous methods are no longer able to produce adequate forecasts.

Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation

Over the recent years, smart grids have received great public attention. Many proposed functionalities rely on power electronics, which play a key role in the smart grid, together with the communication network. However, “smartness” is not the driver that alone motivates the research towards distribution networks based on power electronics; the network vulnerability to natural hazards has resulted in tightening requirements for the supply security, set both by electricity end-users and authorities. Because of the favorable price development and advancements in the field, direct current (DC) distribution has become an attractive alternative for distribution networks. In this doctoral dissertation, power electronic converters for a low-voltage DC (LVDC) distribution system are investigated. These include the rectifier located at the beginning of the LVDC network and the customer-end inverter (CEI) on the customer premises. Rectifier topologies are introduced, and according to the LVDC system requirements, topologies are chosen for the analysis. Similarly, suitable CEI topologies are addressed and selected for study. Application of power electronics into electricity distribution poses some new challenges. Because the electricity end-user is supplied with the CEI, it is responsible for the end-user voltage quality, but it also has to be able to supply adequate current in all operating conditions, including a short-circuit, to ensure the electrical safety. Supplying short-circuit current with power electronics requires additional measures, and therefore, the short-circuit behavior is described and methods to overcome the high-current supply to the fault are proposed. Power electronic converters also produce common-mode (CM) and radio-frequency (RF) electromagnetic interferences (EMI), which are not present in AC distribution. Hence, their magnitudes are investigated. To enable comprehensive research on the LVDC distribution field, a research site was built into a public low-voltage distribution network. The implementation was a joint task by the LVDC research team of Lappeenranta University of Technology and a power company Suur-Savon S¨ahk¨o Oy. Now, the measurements could be conducted in an actual environment. This is important especially for the EMI studies. The main results of the work concern the short-circuit operation of the CEI and the EMI issues. The applicability of the power electronic converters to electricity distribution is demonstrated, and suggestions for future research are proposed.

Sähkönjakeluverkon suunnitteluperusteet

Diplomityössä määritellään sähkönjakeluverkon suunnitteluperusteet. Suunnitteluperusteet antavat ohjeet verkostosuunnittelijoille siitä, miten sähköverkko suunnitellaan sähköteknisesti oikein, taloudelliset näkökohdat huomioiden. Työn alussa määritellään kaikkiin suunnittelutehtäviin vaikuttavat sähkötekniset ja taloudelliset laskentaparametrit. Oikeiden parametrien käyttäminen on ehdottoman tärkeää totuudenmukaisten lopputulosten saavuttamiseksi. Eniten lopputuloksiin vaikuttaville laskentaparametreille suoritetaan työn loppuosassa herkkyysanalyysi, jotta tulevaisuuden mahdollisesti erilaiset olosuhteet voitaisiin huomioida. Varsinaisissa suunnitteluun liittyvissä osioissa käsitellään keski- ja pienjänniteverkkojen suunnittelunlisäksi jakelumuuntajan mitoittaminen, sekä määritellään rajat erilaisille verkoston rakenteille. Erityisesti elinkaarikustannusajattelua painotetaan suunnittelutehtävissä ottamalla huomioon komponenttien koko pitoaikana syntyvät kustannukset.

Sähkönjakeluverkon ja sähköasemien kehittämissuunnitelma

Tämän työn tavoitteena on tarkastella keskijänniteverkonja sähköasemien kehittämistarpeita kahdella kohdealueella Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n verkossa. Tarkastelun pohjatiedoiksi selvitettiin verkon sähköinen nykytila, luotettavuus, verkon topologia, kuormitusten jakautuminen ja muodostettiintulevaisuuden kuormitusennusteet. Lisäksi tarkasteltiin sähköasemien korvattavuus. Keskeiseksi työn sisällöksi muodostui kevytsähköasemien eri sijoituspaikkojen kannattavuustarkastelut, ottaen huomioon uuden keskijännitesyöttöpisteen vaikutukset keskijänniteverkon vahvistustarpeisiin, häviöihin ja käyttövarmuuteen. Laskelmat suoritettiin elinkaarikustannusperiaatteella huomioiden investointien, keskeytyksestä aiheutuneen haitan, häviöiden, kunnossapidon javiankorjauksen kustannukset. Työn tuloksena saatiin investointistrategiaehdotukset, joiden pohjalta verkkoyhtiö voi tehdä lähitulevaisuuden ratkaisuja sekä valmistautua tuleviin investointeihin.

The structure and development of Russia's food retail sector from the point of view of Finnish food industry

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää Venäjän ruoan vähittäiskaupan rakenne ja sen tuleva kehitys. Tällä hetkellä se on yksi maailman nopeimmin kasvavista markkinoista. Kasvun syynä on korkea öljyn hinta, jokaon kumuloitunut ihmisten palkkoihin. Kuitenkin vaikka tulot kasvavat, ruokaan käytetty osuus tuloista on pysynyt suhteellisen vakaana. Kulutus on siis siirtymässä laadukkaampiin ja arvokkaampiin tuotteisiin Modernien kauppojen osuus markkinoista on vielä pieni, koska Venäjän vähittäiskauppasektori on yhä hajaantunut perinteisiin kauppaformaatteihin kuten kioskeihin, toreille ja pieniin ruokakauppoihin. Kauppaketjut ovat kuitenkin tulossa merkittävämmiksi. Suurin markkina-alue vähittäiskauppiaille on Moskova, mutta tällä hetkellä ketjut laajentavat toimintojaan nopeasti myös muille Venäjän alueille. Parhaat kasvunäkymät ovat alueilla, vaikka Moskovan markkinat eivät olekaan kyllästyneet. Tärkein kasvua rajoittava tekijä Moskovassa on rakennustonttien ja kiinteistöjen saatavuus. Vähittäiskauppamarkkinat lähestyvät kyllästymispistettä, josta seuraa markkinoiden konsolidaatio. Tämä prosessi on jo alkanut, mutta kovin paljon yritysostoja ei ole vielätehty. Toistaiseksi kauppaketjut ovat tyytyneet muodostamaan alliansseja. Ketjut pyrkivät parantamaan asemaansa hintaneuvotteluissa muodostamalla osto-alliansseja, luomalla omia brändejä ja käyttämällä alueellista laajentumista lyömäaseena. Jotta ruoan tuottaja pääsisi myös alueellisille markkinoille, on sen ehkä suostuttava myymään tuotteitaan edullisempaan hintaan. Tavarantoimittajat ovat vahvassa asemassa silloin, kun heillä on toimiva jakeluverkko, kyky JIT-toimituksiin,kunnollinen dokumentaatiokäytäntö, vahva brändi ja edullinen hinta. Ns. listausmaksun suuruus voi määrittää tuottajan tuotteilleen saaman hyllytilan koon.

Pienvesivoimalanmallinnus ja jakeluverkkovaikutusten tarkastelu

Tässä työssä simuloitiin Valkealassa sijaitsevaa Tirvan pienvesivoimalaitosta ja sen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Pienvesivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ympäristöön verkko- ja voimalaitostietojen perusteella. Sähköverkko kuvattiin malliin koko 110 kV:n siirtävän verkon ja Tirvan pienjänniteverkon väliltä. Mallin avulla tehtiin sarja hajautettua sähköntuotantoa koskevia tarkasteluita. Tarkasteluissa huomattiin voimalaitoksen verkkoonliitynnän aiheuttavan standardien ylärajoilla olevan transienttisen muutoksen voimalaitoksen jännitteisiin. Työssä tehtiin yksityiskohtaisempi jännitehäviöiden mittaus voimalaitoksen pullonkaulana toimivalle pienitehoiselle jakelumuuntajalle. Tuotannon lisäämisen yhteydessä näkyvän yllättävän jännitteen laskun syyt paikannettiin muuntajalla tapahtuviin loistehon siirrosta johtuviin ylimääräisiin jännitehäviöihin. Voimalaitoksella ei ole merkittävää vaikutusta vikatilanteiden virtoihin.

Sähköverkkoyhtiön keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma

Tämän työn tavoitteena oli laatia KSS Energia Oy:n keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma. Tätä varten selvitettiin verkon nykytila ja sen toimivuus korvaustilanteissa. Suunnitelmaa varten laadittiin verkoston vuoteen 2020 asti ulottuva kuormitusennuste. Kehittämissuunnitelmassa paikannettiin alueet, joilla kuormitettavuus, korvattavuus tai oikosulkukestoisuus olisivat toimivansähkönjakelun esteinä tulevaisuudessa. Työn painopistealueiksi muodostuivat Vuolenkosken, Paimenpolun ja Valkealan alueet. Näiden alueiden kasvavan tehontarpeen tyydyttämiseksi selvitettiin uusien sähköasemien rakentamisvaihtoehtoja. Suunnitelmassa tarkasteltiin ja vertailtiin kolmen uuden sähköaseman rakentamista keskijänniteverkon saneerausvaihtoehtoon. Työssä selvitettiin myös miten alueen kuormituksen kasvun aiheuttama lisätehontarpeen jakelu voidaan hoitaa. Näiden alueiden kuormituksen kasvu edellyttää uusien sähköasemien rakentamista seuraavien 10vuoden kuluessa.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Sähkönjakeluverkon ylläpitopalveluiden ulkoistamisella saavutettavat hyödyt

Sähkönsiirto jakeluverkoissa on alueellista monopoliliiketoimintaa. Tätä monopoliliiketoimintaa säätelee Suomessa energiamarkkinavirasto. Siirtoliiketoiminnalle on asetettu kohtuullisen tuoton rajoitukset siten, että liiketoiminnan täytyy olla myös tehokkaasti toteutettua. Sähköverkkojen ylläpitopalveluiden toteuttamiseksi on markkinoille syntynyt useita näiden palveluiden tuottamiseen erikoistuneita palveluyrityksiä. Ulkoistamalla ylläpitopalvelut ulkopuoliselle palveluyritykselle sähköverkkoyhtiöt pyrkivät hakemaan toiminnalleen tehokkuutta, kustannussäästöjä ja toimintojen selkeytymistä. Yhtiön johto voi näin keskittyä toiminnan ja tuloksen kehittämisen kannalta olennaisiin asioihin. Tässä työssä on selvitetty sähköverkkojen ylläpitotoimintojen ulkoistamisella saavutettavissa olevia hyötyjä. Hyötyjen toteutumista on tutkittu Eltel Networks Pohjoinen Oy:n ja sen asiakasyritysten Kainuun Sähkö Oyj:n, Kajaanin Lämpö Oy:n ja Kajaanin Puhelinosuuskunnan asiakastapauksissa.