Diffusion of Smart Meters in Central East Europe

The present study deals with innovation diffusion as the central component of innovation process and takes smart meters as a concrete example from the electric power industry. Smart meters are seen as key enablers of the industry-wide shift towards smart grids and are recognized by the European Union as means of reaching its environmental and energy goals. However, the spread of smart meters through the market, especially in Central East Europe (CEE), is not corresponding to the expectations and identified benefits. The current work synthesizes available data for the under-researched geographical region of CEE and clarifies the process of smart meter diffusion and drivers behind it. In addition to innovation theories the methods applied are rate of adoption and thematic analysis. The results prove the large gap between optimal and actual diffusion as well as the lagging position of CEE in comparison to the EU’s market leaders. The smart metering market is driven from bottom-up and the majority of CEE countries have already carried out or started the initial activities. Therefore, in coming years more intensive smart meters deployment will be seen.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

Energiaratkaisujen vaikutukset kerrostalon asumiskustannuksiin

Tämä diplomityö on tehty East- West Trade & Consulting Oy:lle sekä Lappeenrannan Energia Oy:lle. Työssä tavoitteena oli selvittää energiatehokkuutta parantavien energiaratkaisujen vaikutuksia kerrostalon asumiskustannuksiin. Ratkaisuvaihtoehtoja vertailtiin myös hiilidioksidipäästöjen osalta. Laskelmat suoritettiin Lappeenrantaan suunnitellulle asuinkerrostalolle. Heinäkuun alussa 2012 voimaan tulevissa Suomen rakentamismääräyksissä on määritetty uudiskerrostalon kokonaisenergiankulutukselle raja-arvo, jota ei saa ylittää. Työssä selvitettiin, millaiset energiaratkaisut sekä täyttävät viranomaisvaatimukset että ovat kyseisessä kerrostalossa toteuttamiskelpoisia. Lisäksi määritettiin järjestelmäratkaisuilla, kuten aurinkosähköjärjestelmällä, mahdollisesti saavutettavat säästöt energiakustannuksissa verrattuna kaukolämpö- ja sähköjärjestelmään. Myös järjestelmäratkaisujen takaisinmaksuajat määritettiin. Työn tuloksista havaitaan, että valitsemalla aurinkoenergiaa ja maalämpöä uusiutuvaksi omavaraisenergiaksi kaukolämmön ja verkkosähkön rinnalle voidaan asumiskustannuksia ja CO2- päästöjä pienentää. Tulevaisuudessa energianhinnan nousu, teknologian kehitys ja teknologian investointikustannusten pieneneminen voivat lisätä aurinkoenergiajärjestelmien suosiota.

Järjestelmätoimittajan suorituskyvyn mittaaminen johtamisen välineenä

Tutkimuksen tavoitteena on analysoida kokonaisratkaisuja tarjoavan järjestelmätoimittajan suorituskyvyn mittaamisen suunnittelua johdon päätöksenteon tukivälineeksi. Alitavoitteena oli suunnitella mittaristo case-yrityksen valitulle yksikölle sekä konsernitasolle. Tutkimuksen myötä havaittiin tarpeelliseksi tunnistaa järjestelmätoimittajan toimialatason vahvimmat ydinkyvykkyydet ja esittää ratkaisuja niiden mittaamiselle. Tutkimuksesta rajattiin mittariston hyödyntäminen yksilötason ohjauksessa. Tutkimusta lähestyttiin toiminta-analyyttisenä tapaustutkimuksena. Tutkimuksen yhteydessä määriteltiin järjestelmätoimittaja teollisen palveluliiketoiminnan toimijaksi, jonka mittaus painottuu asiakaslähtöisen toiminnan edistämiseen. Suurimmat haasteet muodostuivat aineettoman pääoman, pääosin uudistuvan ja uuden liiketoiminnan verkostojen mittaamisesta. Tutkimustuloksena voitiin havaita, että toimialatason keskeisimpiin ydinkyvykkyyksiin ja case-yrityksen linjaamiin menestystekijöihin pohjautunut tarkastelu onnistui tunnistamaan keskeisiä ongelmakohtia järjestelmätoimittajan mittariston suunnittelussa. Merkittävimmät toimenpidesuositukset ja laaditut mittariehdotukset painottavat asiakkaan prosessien tuntemista, oman osaamisen johtamista asiakkaan prosesseihin soveltuviksi, uusien innovaatioiden ja kyvykkyyksien luomista, erilaisten verkostojen tunnistamista ja kehittämistä, kyvykkyyksien johtamista ja tuotekeskeisen myynnin kehittämistä palvelukeskeiseen suuntaan. Tutkimus esittää näihin tuloksiin pohjautuvan mittariston ja prosessin aikana syntyneet mittariehdotukset.

Paperitehtaan sähkötasehallinta ja sähkön kysyntäjousto energiakustannusten hallinnassa

Paperiteollisuus on energiaintensiivistä teollisuutta, jossa on tehty pitkään työtä tuotantoprosessien energiatehokkuuden parantamiseksi. Paperitehtaan energiakustannuksiin voidaan kuitenkin vaikuttaa myös sähkötaseen hallinnalla ja sähkön kysyntäjouston avulla. Tehtaan seuraavan vuorokauden sähkön kulutus pyritään ennustamaan mahdollisimman tarkasti, mutta esimerkiksi paperitehtaan häiriötilanteissa sähkötase poikkeaa ennustetusta. Tällöin sähkötasetta voidaan korjata ensisijaisesti sähkön jälkimarkkinoiden eli Elbas- kaupankäynnin avulla. Ellei tasetta saada korjattua sähkön jälkimarkkinoilla tase-ero korjataan tasesähköllä, jonka hinta muodostuu säätösähkömarkkinoilla. Tasesähkön hinta saattaa poiketa Elspot- markkinahinnasta voimakkaasti, jolloin tase-erosta joko hyödytään tai hävitään kustannusmielessä. Tämän työn tarkoituksena on selvittää sähkötasehallinnan parantamisen ja sähkön kysyntäjouston vaikutukset paperitehtaan energiakustannuksiin. Työssä tutkittiin tehtaan sähkö-tasehallinnan nykytilannetta ja selvitettiin tase-erojen kustannusvaikuttavuutta. Lisäksi työssä luotiin ajomalleja sähkön kysyntäjouston toteuttamiselle massatehtaan eri tuotantoprosesseille, sekä määritettiin rajahintoja seuraavan vuorokauden energiaennusteeseen. Onnistunut energiaennuste perustuu paperitehtaan käynnin tarkkoihin ja ajankohtaisiin lähtötietoihin. Sähkötaseen poikkeamiin voidaan puolestaan varautua paremmin, kun informaatio tehtaan prosessien alasajosta tulee voimalaitoksen tietoon mahdollisimman aikaisin. Sähkötaseen poikkeamien hallinta voidaan tehdä, joko Elbas- kaupan tai tasesähkön avulla. Ajankohdasta ja tasepoikkeaman volyymista riippuen täytyy tehdä valinta, kumpi vaihtoehdoista on kustannusmielessä kannattavampi. Paperitehtaan eri prosesseille luoduilla ajomalleilla saatiin esiin huomattava säästöpotentiaali. Ajomallien noudattaminen vaatii suunnitelmallista tuotannon hallintaa ja sähkön Elspot- hinnan käyttäytymisen säännöllistä seurantaa. Seuraavan vuorokauden rajahintatietojen määrittämisen pohjalta voidaan arvioida, millä Elspot- hinnalla sähkön myynti muuttuu paperin tuotantoa kannattavammaksi.

Baltian maiden sähkömarkkinat

Tässä kandidaatintutkielmassa on tarkoituksena selvittää Baltian maiden sähkömarkkinoi- den kehittymistä ja avautumista kilpailulle. Baltian maiden sähkömarkkinoiden kehittymis- tä on vauhdittanut EU:n energiapolitiikka, jolla pyritään edistämään toimivien yhteiseu- rooppalaisten sähkömarkkinoiden kehittymistä. Baltian maista tullaankin lähitulevaisuu- dessa rakentamaan lisäsiirtoyhteyksiä Pohjoismaihin ja Eurooppaan. Työssä tutkitaan myös Baltian maiden sähköntuotantorakenteen muodostumista ja sähkönsiirtoverkon ra- kennetta. Suomen ja Venäjän välisessä sähkökaupassa on tapahtunut merkittäviä muutok- sia syksyn 2011 jälkeen. Tutkitaan myös Venäjän ja Baltian maiden välistä sähkönsiirtoa.

Aktiivisen verkkosillan tuottaman yhteismuotoisen jännitteen vaimentaminen kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä, taajuusmuuttajatopologiassa

Pulssinleveysmoduloidun vaihtosuuntaajan hyötysuhteen parantaminen ja kytkentätaajuuden suurentaminen ovat johtaneet lähtöjännitteen suuritaajuiseen taajuussisältöön kaksitasoisessa, jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajatopologiassa. Kasvava tarve siirtää tehoa myös verkkoon päin on lisännyt aktiivisen verkkosillan käyttöä. Kaksitasoisen aktiivisen verkkosillan vaikutuksesta DC-välipiirin keskipisteen ja kolmivaiheisen kuorman tähtipisteen välinen jännite on nollasta poikkeava aiheuttaen suurentuneen yhteismuotoisen jännitteen taajuusmuuttajan lähtöön ja verkon puolelle. Lisäksi yhteismuotoisten jännitteiden aiheuttamat kytkentätaajuiset häiriövirrat voivat aiheuttaa vikavirtasuojien tahatonta laukeamista, vaikeuttaa EMC-standardien vaatimusten täyttämistä, lisätä moottorin käämieristyksien rasitusta ja mahdollisuutta moottorin laakerivaurioille. Diplomityössä tutkitaan aktiivisen ja passiivisen verkkosillan tuottamaa yhteismuotoista jännitettä simuloinneilla. Esitellään aikaisempaa tutkimustietoa yhteismuotoisen jännitteen ja virran vaimennusratkaisuista aktiivista verkkosiltaa käytettäessä. Tutkimustiedon pohjalta suunnitellaan koelaitteistolle soveltuva suodin. Suotimen toiminta testataan simuloinnein sekä kokeellisin mittauksin. Tehdyt mittaukset osoittavat, että suunniteltu suodin vaimentaa yhteismuotoista jännitettä noin 20 dB verkkosillan kytkentätaajuudella ja tämän jälkeen yli 20 dB/dekadi taajuuteen 100 kHz asti. Lisäksi yhteismuotoisen virran suuruus syöttökaapelin kautta pieneni ehdotetun suotimen vaikutuksesta.

Critical infrastructure protection against cyber threats

A postgraduate seminar series with a title Critical Infrastructure Protection against Cyber Threats held at the Department of Military Technology of the National Defence University in the fall of 2013 and 2014. This book is a collection of some of talks that were presented in the seminar. The papers address origin of critical infrastructure protection, wargaming cyberwar in critical infrastructure defence, cyber-target categorization, supervisory control and data acquisition systems vulnerabilities, electric power as critical infrastructure, improving situational awareness of critical infrastructure and trust based situation awareness in high security cloud environment. This set of papers tries to give some insight to current issues of the network-centric critical infrastructure protection. The seminar has always made a publication of the papers but this has been an internal publication of the Finnish Defence Forces and has not hindered publication of the papers in international conferences. Publication of these papers in peer reviewed conferences has indeed been always the goal of the seminar, since it teaches writing conference level papers. We still hope that an internal publication in the department series is useful to the Finnish Defence Forces by offering an easy access to these papers.

Siirtohinnoittelun kehittäminen etäluettavilta mittareilta saatavan datan avulla sähkönjakeluyhtiö Mäntsälän Sähkö Oy:lle

Sähkönsiirtomaksuilla katetaan luonnollisena alueellisena monopolina toimivan paikallisen sähkönjakeluyhtiön toiminta. Koska sähköverkkoyhtiöt toimivat monopoliasemassa, niiden toimintaa valvoo Energiavirasto. Energiavirasto valvoo pääasiassa verkkoyhtiöiden liikevaihtoa ja toiminnan tehokkuutta. Verkkoyhtiöiden toimintaa säätää Suomessa sähkömarkkinalaki. Verkkoyhtiöiden kustannusrakenne on hyvin sidottu verkoston kustannuksiin. Koska sähköverkoston kustannukset ovat pitkän käyttöiän ja suurien alkuinvestointien vuoksi vuosittain kiinteät ja merkittävän suuret, olisi verkkoyhtiön kannalta tärkeää, että vuosittaiset tulot eivät suuresti vaihtelisi. Nykyisellä hinnoittelumallilla kuitenkin verkkoyhtiöiden tulot jäävät hyvin riippuvaisiksi talven kylmyydestä. Nykyisin Suomessa yleisesti käytettävässä siirtohinnoittelun hinnoittelumallissa ei huomioida myöskään sitä, että verkkoyhtiön kustannukset ovat enemmän riippuvaisia verkossa siirretyistä tehoista kuin energioista. Siirtohinnoittelun kannalta on tapahtunut ja on tapahtumassa merkittäviä muutoksia. Etäluettavien sähkönkulutusmittarien käyttöönoton myötä asiakkaiden kulutuksesta saadaan huomattavasti entistä enemmän tietoa, mikä auttaa kustannusvastaavien hintojen määrittämisessä. Samaan aikaan asiakkaiden sähkön käyttö voi muuttua huomattavasti varsinkin sähköautojen ja lämpöpumppujen yleistymisen myötä. Tämän työn tarkoituksena on luoda Mäntsälän Sähkö Oy:lle sähkönsiirtohinnoittelun kustannuksia vastaavien hintojen määrittämiseksi laskentasovellus sekä selvittää tulevaisuuden siirtohinnoittelun toteuttamismahdollisuuksia. Lyhyen aikavälin suunnittelussa keskitytään kustannusvastaavien hintojen määrittämiseen keskihintaperiaatteen avulla ja pidemmän aikavälin suunnittelussa asiakkaiden huipputehoihin perustuvan hinnoittelun toteuttamisen vaikutuksiin sekä verkkoyhtiön että asiakkaan näkökulmasta.

Assessment of techno-economic use cases for small-scale island grids

The main objective of the study was to define the methodology for assessing the limits for application island grids instead of interconnecting with existing grid infrastructure. The model for simulation of grid extension distance and levelised cost of electricity has been developed and validated by the case study in Finland. Thereafter, sensitivities of the application limits were examined with the respect to operational environment, load conditions, supply security and geographical location. Finally, recommendations for the small-scale rural electrification projects in the market economy environment have been proposed.

Hydrologisen tilanteen ja tuulivoimatuotannon muutosten vaikutus vesiarvoihin pohjoismaisilla sähkön spot-markkinoilla

Vesivoimalla on merkittävä rooli pohjoismaisessa sähköntuotantojärjestelmässä. Spot-markkinoille tarjottavan vesivoiman hinta riippuu vaihtoehtoisen tuotannon hinnasta ja odotetusta vesivoimantuottajien käytettävissä olevasta veteen sitoutuneen potentiaalienergian määrästä. Hydrologisella tilanteella tarkoitetaan tässä tämän potentiaalienergian poikkeamaa normaalitasostaan. Viime vuosina tuulivoimatuotanto pohjoismaisella sähkömarkkina-alueella on kasvanut voimakkaasti, ja on tullut aiheelliseksi tarkastella, millaisia vaikutuksia tällä on vesivoimantuottajien toimintaan. Työssä määritellään vesivoimalle vaihtoehtoisen sähköntuotannon tuotantokustannus, joka pitkällä aikavälillä toimii vertailutasona, jonka perusteella vesivoimantuottajat määrittävät markkinoilla tarjontahinnan tuotannolleen. Tarkastellaan, kuinka hydrologisen tilanteen ja vaihtoehtoisen tuotannon tuotantokustannusten muutokset vaikuttavat vesiarvoon, joka on hinta, jolla hintariippuvaista eli säätyvää vesivoimaa tarjotaan spot-markkinoille. Todetaan, että hydrologisen tilanteen vahvistuminen ja vaihtoehtoisen tuotantokustannuksen aleneminen alentavat vesiarvoja. Todetaan lisäksi, että tuulivoima vaikuttaa sähkön hinnanmuodostukseen markkinoilla samankaltaisesti kuin hintariippumaton vesivoimatuotanto. Esitetään aikasarjamalli vesivoimatuotannon hintariippuvuuden mallintamiseksi. Vertaillaan vesivoimatuottajien toimintaa kahdella vesivoimatuotantoa sisältävällä hinta-alueella, joista toisella tuulivoimatuotanto on kasvanut voimakkaammin kuin toisella. Havaitaan, että molemmilla hinta-alueilla hydrologisen tilanteen vahvistuminen on alentanut ja heikkeneminen nostanut vesiarvoja. Lisäksi havaitaan, että alueella, jonka tuulivoimatuotanto on kasvanut enemmän, vesiarvot ovat laskeneet suhteessa alueen, jolla tuulivoimatuotanto on kasvanut vähemmän, vesiarvoihin. Tuulivoiman voidaan todeta syrjäyttäneen markkinoilta tuotantokustannuksiltaan kalliimpaa tuotantoa.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.

Investigation of the applicability of LVDC microgrids in utility distribution in Russia

The research towards efficient, reliable and environmental-friendly power supply solutions is producing growing interest to the “Smart Grid” approach for the development of the electricity networks and managing the increasing energy consumption. One of the novel approaches is an LVDC microgrid. The purpose of the research is to analyze the possibilities for the implementation of LVDC microgrids in public distribution networks in Russia. The research contains the analysis of the modern Russian electric power industry, electricity market, electricity distribution business, regulatory framework and standardization, related to the implementation of LVDC microgrid concept. For the purpose of the economic feasibility estimation, a theoretical case study for comparing low voltage AC and medium voltage AC with LVDC microgrid solutions for a small settlement in Russia is presented. The results of the market and regulatory framework analysis along with the economic comparison of AC and DC solutions show that implementation of the LVDC microgrid concept in Russia is possible and can be economically feasible. From the electric power industry and regulatory framework point of view, there are no serious obstacles for the LVDC microgrids in Russian distribution networks. However, the most suitable use cases at the moment are expected to be found in the electrification of remote settlements, which are isolated from the Unified Energy System of Russia.

Cardiovascular effects of short term exposure to electric and magnetic fields of electricity power transmission

In the electrical industry the 50 Hz electric and magnetic fields are often higher than in the average working environment. The electric and magnetic fields can be studied by measuring or by calculatingthe fields in the environment. For example, the electric field under a 400 kV power line is 1 to 10 kV/m, and the magnetic flux density is 1 to 15 µT. Electricand magnetic fields of a power line induce a weak electric field and electric currents in the exposed body. The average current density in a human being standing under a 400 kV line is 1 to 2 mA/m2. The aim of this study is to find out thepossible effects of short term exposure to electric and magnetic fields of electricity power transmission on workers' health, in particular the cardiovascular effects. The study consists of two parts; Experiment I: influence on extrasystoles, and Experiment II: influence on heart rate. In Experiment I two groups, 26 voluntary men (Group 1) and 27 transmission-line workers (Group 2), were measured. Their electrocardiogram (ECG) was recorded with an ambulatory recorder both in and outside the field. In Group 1 the fields were 1.7 to 4.9 kV/m and 1.1 to 7.1 pT; in Group 2 they were 0.1 to 10.2 kV/m and 1.0 to 15.4 pT. In the ECG analysis the only significant observation was a decrease in the heart rate after field exposure (Group 1). The drop cannot be explained with the first measuring method. Therefore Experiment II was carried out. In Experiment II two groups were used; Group 1 (26 male volunteers) were measured in real field exposure, Group 2 (15 male volunteers) in "sham" fields. The subjects of Group 1 spent 1 h outside the field, then 1 h in the field under a 400 kV transmission line, and then again 1 h outside the field. Under the 400 kV linethe field strength varied from 3.5 to 4.3 kV/m, and from 1.4 to 6.6 pT. Group 2spent the entire test period (3 h) in a 33 kV outdoor testing station in a "sham" field. ECG, blood pressure, and electroencephalogram (EEG) were measured by ambulatory methods. Before and after the field exposure, the subjects performed some cardiovascular autonomic function tests. The analysis of the results (Experiments I and II) showed that extrasystoles or arrythmias were as frequent in the field (below 4 kV/m and 4 pT) as outside it. In Experiment II there was no decrease detected in the heart rate, and the systolic and diastolic blood pressure stayed nearly the same. No health effects were found in this study.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.