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.

Microgrids and their operations

Interconnection of loads and small size generation forms a new type of distribution systems, the Microgrid. The microgrids can be operated together with the utility grid or be operated autonomously in an island. Thesesmall grids present a new paradigm of the construction of the low voltage distribution systems. The microgrids in the distribution systems can become small, controllable units, which immediately react to the system's changes. Along with that the microgrids can realize the special properties, such as increasing the reliability, reducing losses, voltage sag correction, uninterruptible supplying. The goals of the thesis are to explain the principles of the microgrid's functioning, to clarify the main ideas and positive features of the microgrids, to find out and prove their advantages and explain why they are so popular nowadays all over the world. The practical aims of the thesis are to construct and build a test setup of a microgrid based on two inverters from SMA Technologie AG in the laboratory and to test all the main modes and parameters of the microgrid's operating. Also the purpose of the thesis is to test the main component of the microgrid - the battery inverter which controls allthe processes and energy flows inside a microgrid and communicates with the main grid. Based on received data the main contribution of the thesis consists of the estimation of the established microgrid from the reliability, economy and simplicity of operating points of view and evaluation ofthe advisability of its use in different conditions. Moreover, the thesis assumes to give the recommendations and advice for the future investigations of the built system.

Direct-on-line axial flux permanent magnet synchronous generator static and dynamic performance

In distributed energy production, permanent magnet synchronous generators (PMSG) are often connected to the grid via frequency converters, such as voltage source line converters. The price of the converter may constitute a large part of the costs of a generating set. Some of the permanent magnet synchronous generators with converters and traditional separately excited synchronous generators couldbe replaced by direct-on-line (DOL) non-controlled PMSGs. Small directly networkconnected generators are likely to have large markets in the area of distributed electric energy generation. Typical prime movers could be windmills, watermills and internal combustion engines. DOL PMSGs could also be applied in island networks, such as ships and oil platforms. Also various back-up power generating systems could be carried out with DOL PMSGs. The benefits would be a lower priceof the generating set and the robustness and easy use of the system. The performance of DOL PMSGs is analyzed. The electricity distribution companies have regulations that constrain the design of the generators being connected to the grid. The general guidelines and recommendations are applied in the analysis. By analyzing the results produced by the simulation model for the permanent magnet machine, the guidelines for efficient damper winding parameters for DOL PMSGs are presented. The simulation model is used to simulate grid connections and load transients. The damper winding parameters are calculated by the finite element method (FEM) and determined from experimental measurements. Three-dimensional finite element analysis (3D FEA) is carried out. The results from the simulation model and 3D FEA are compared with practical measurements from two prototype axial flux permanent magnet generators provided with damper windings. The dimensioning of the damper winding parameters is case specific. The damper winding should be dimensioned based on the moment of inertia of the generating set. It is shown that the damper winding has optimal values to reach synchronous operation in the shortest period of time after transient operation. With optimal dimensioning, interferenceon the grid is minimized.

Particle transport method for convection-diffusion-reaction problems

Convective transport, both pure and combined with diffusion and reaction, can be observed in a wide range of physical and industrial applications, such as heat and mass transfer, crystal growth or biomechanics. The numerical approximation of this class of problemscan present substantial difficulties clue to regions of high gradients (steep fronts) of the solution, where generation of spurious oscillations or smearing should be precluded. This work is devoted to the development of an efficient numerical technique to deal with pure linear convection and convection-dominated problems in the frame-work of convection-diffusion-reaction systems. The particle transport method, developed in this study, is based on using rneshless numerical particles which carry out the solution along the characteristics defining the convective transport. The resolution of steep fronts of the solution is controlled by a special spacial adaptivity procedure. The serni-Lagrangian particle transport method uses an Eulerian fixed grid to represent the solution. In the case of convection-diffusion-reaction problems, the method is combined with diffusion and reaction solvers within an operator splitting approach. To transfer the solution from the particle set onto the grid, a fast monotone projection technique is designed. Our numerical results confirm that the method has a spacial accuracy of the second order and can be faster than typical grid-based methods of the same order; for pure linear convection problems the method demonstrates optimal linear complexity. The method works on structured and unstructured meshes, demonstrating a high-resolution property in the regions of steep fronts of the solution. Moreover, the particle transport method can be successfully used for the numerical simulation of the real-life problems in, for example, chemical engineering.

IP Telephony in Third Generation Mobile Systems: Transport Layer Dimensioning

Tämä diplomityö käsittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmien kuljetuskerroksen mitoitusta. Nykyisten matkapuhelinverkkojen korvaajiksi suunnitellut kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmät tulevat yhdistämään perinteisen puhelinviestinnän ja uudenlaiset datapalvelut. Uudet verkot tulevat perustumaan pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon joka mahdollistaa molempien liikennetyyppien, puheen sekä datan, siirtämisen samassa verkossa. Tämän ratkaisun uskotaan tarjoavan paremmat mahdollisuudet uusien palvelujen luomiseen ja parantavan tiedonsiirtokapasiteettia. Siirtyminen pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon aiheuttaa kuitenkin suuria muutoksia verkkoarkkitehtuurissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan tulevien runkoverkkojen mitoitukseen liittyviä näkökohtia sekä muodostetaan alustavia kuljetuskerroksen mitoitusohjeita. Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuoden 2000 toisella puoliskolla.

Collecting Transaction Data in a Fourth Generation Mobile Network

Tässä diplomityössä on oletettu että neljännen sukupolven mobiiliverkko on saumaton yhdistelmä olemassa olevia toisen ja kolmannen sukupolven langattomia verkkoja sekä lyhyen kantaman WLAN- ja Bluetooth-radiotekniikoita. Näiden tekniikoiden on myös oletettu olevan niin yhteensopivia ettei käyttäjä havaitse saanti verkon muuttumista. Työ esittelee neljännen sukupolven mobiiliverkkoihin liittyvien tärkeimpien langattomien tekniikoiden arkkitehtuurin ja perustoiminta-periaatteet. Työ kuvaa eri tekniikoita ja käytäntöjä tiedon mittaamiseen ja keräämiseen. Saatuja transaktiomittauksia voidaan käyttää tarjottaessa erilaistettuja palvelutasoja sekä verkko- ja palvelukapasiteetin optimoimisessa. Lisäksi työssä esitellään Internet Business Information Manager joka on ohjelmistokehys hajautetun tiedon keräämiseen. Sen keräämää mittaustietoa voidaan käyttää palvelun tason seurannassa j a raportoinnissa sekä laskutuksessa. Työn käytännön osuudessa piti kehittää langattoman verkon liikennettä seuraava agentti joka tarkkailisi palvelun laatua. Agentti sijaitsisi matkapuhelimessa mitaten verkon liikennettä. Agenttia ei kuitenkaan voitu toteuttaa koska ohjelmistoympäristö todettiin vajaaksi. Joka tapauksessa työ osoitti että käyttäjän näkökulmasta tietoa kerääville agenteille on todellinen tarve.

Physical layer development in third generation protocol software architecture

Diplomityön tavoitteena oli kehittää kolmannen sukupolven fyysistä protokollakerrosta matkapuhelimen ohjelmistoarkkitehtuurille. Kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmät ovat aikaisempia järjestelmiä monimutkaisempia. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden sekä aikataulujen kiireellisyyden vuoksi on tullut tarve ottaa käyttöön formaaleja menetelmiä ohjelmiston kehitystyöhön. Formaalit kuvauskielet mahdollistavat tarkan, yksiselitteisen ja simuloitavissa olevan järjestelmäkuvauksen muodostamisen. Fyysinen protokollakerros tarjoaa tiedon siirtoa ylemmille protokollakerroksille. Tämän tiedonsiirron hallinta vaatii protokollakerrosten välistä viestinvälitystä. Formaaleja kuvauskieliä käyttämällä voidaan viestinvälityksen toteutusta automatisoida ja siinä tarvittavaa logiikkaa havainnollistaa. Työssä suunniteltiin, toteutettiin ja testattiin ylempien protokollakerrosten kanssa kommunikoivaa osaa fyysisestä protokollakerroksesta. Tuloksena saatiin solunvalintatoiminnallisuuden vaatiman kommunikoinnin ja tilakoneen toteutus ohjelmistoarkkitehtuurissa. Ohjelmistonkehityksen alkuvaiheiden havaittiin olevan fyysisen kerroksen suorituskyvyn kannalta merkittävässä asemassa, koska tällöin viestinvälityksen optimointi on helpointa. Formaalit kuvauskielet eivät ole sellaisenaan täysin soveltuvia tarkoin määritellyn ohjelmistoarkkitehtuurin osien kehitykseen.

The Architecture of a Fourth Generation Mobile Network

Neljännen sukupolven mobiiliverkot yhdistävät saumattomasti televerkot, Internetin ja niiden palvelut. Alkuperin Internetiä käytettiin vain paikallaan pysyviltä tietokoneilta perinteisten televerkkojen tarjotessa puhelin- ja datapalveluita. Neljännen sukupolven mobiiliverkkojen käyttäjät voivat käyttää sekä Internetiin perustuvia että perinteisten televerkkojen palveluita liikkuessaankin. Tämä diplomityö esittelee neljännen sukupolven mobiiliverkon yleisen arkkitehtuurin. Arkkitehtuurin perusosat kuvaillaan ja arkkitehtuuria verrataan toisen ja kolmannen sukupolven mobiiliverkkoihin. Aiheeseen liittyvät Internet-standardit esitellään ja niiden soveltuvuutta mobiiliverkkoihin pohditaan. Langattomia, lyhyen kantaman nopeita liitäntäverkkotekniikoita esitellään. Neljännen sukupolven mobiiliverkoissa tarvittavia päätelaitteiden ja käyttäjien liikkuvuuden hallintamenetelmiä esitellään. Esitelty arkkitehtuuri perustuu langattomiin, lyhyen kantaman nopeisiin liitäntäverkkotekniikoihin ja Internet-standardeihin. Arkkitehtuuri mahdollistaa yhteydet toisiin käyttäjiin ilman tietoa heidän senhetkisestä päätelaitteesta tai sijainnista. Internetin palveluitavoidaan käyttää missä tahansa neljännen sukupolven mobiiliverkon alueella. Yleiskäytöistä liikkuvuuden hallintamenetelmää yhden verkon alueelle ehdotetaan. Menetelmää voidaan käyttää yhdessä esitellyn arkkitehtuurin kanssa.

Standardisation process of Universal Mobile Telecommunication System in Third Generation Partnership Project

Third Generation Partnership Project (3GPP) on organisaatio, joka määrittelee ja ylläpitää kolmannen sukupolven matkapuhelinverkon standardeja. Organisaatio luotiin monien eri standardointielinten toimesta havaittaessa, ettei maailmanlaajuista kolmannen sukupolven matkapuhelinteknologiaa voitaisi määritellä ilman laajaa yhteistyötä. 3GPP:ssä standardointityö on jakautunut usealle tekniselle määrittelyryhmälle. Jokaisen ryhmän tehtävänä on kehittää määrittelyjä ja raportteja omalla vastuualueellaan. 3GPP:ssä määrittelytyötä tehdään samanaikaisesti teknillisten määrittelyryhmien välillä. Tämä vaatii tiukkoja sääntöjä määrittelyjen luonti-, hyväksyntä- ja ylläpitotehtäviin. Vain siten on mahdollista hallita määrittelyihin tulevia muutoksia ja tarvittavaa kokonaistyömäärää. Tämä diplomityö kuvaa 3GPP:n määrittelemän UMTS-teknologian. Työssä keskitytään tarkemmin 3GPP-organisaation rakenteeseen, määritysten tekemiseen ja työskentelytapoihin. Tämä diplomityö osoittaa millainen organisaatio ja säännöt vaaditaan maailmanlaajuisen matkapuhelinjärjestelmän kehittämiseen.

Local Services in a Fourth Generation Mobile Network

Neljännen sukupolven mobiiliverkot kokoaa kaikki tietoliikenneverkot ja palvelut Internetin ympärille. Tämä mullistus muuttaa vanhat vertikaaliset tietoliikenneverkot joissa yhden tietoliikenneverkon palvelut ovat saatavissa vain kyseisen verkon päätelaitteille horisontaaliseksi malliksi jossa päätelaitteet käyttävät omaa verkkoansa pääsynä Internetin palveluihin. Tämä diplomityö esittelee idean paikallisista palveluista neljännen sukupolven mobiiliverkossa. Neljännen sukupolven mobiiliverkko yhdistää perinteiset televerkkojen palvelut ja Internet palvelut sekä mahdollistaa uuden tyyppisten palveluiden luonnin. TCP/IP protokollien ja Internetin evoluutio on esitelty. Laajakaistaiset, lyhyen kantaman radiotekniikat joita käytetään langattomana yhteytenä Internetiin on käsitelty. Evoluutio kohti neljännen sukupolven mobiiliverkkoja on kuvattu esittelemällä vanhat, nykyiset ja tulevat mobiiliverkot sekä niiden palvelut. Ennustukset palveluiden ja markkinoiden tulevaisuuden kehityksestä on käsitelty. Neljännen sukupolven mobiiliverkon arkkitehtuuri mahdollistaa paikalliset palvelut jotka ovat saatavilla vain yhdessä paikallisessa 4G verkossa. Paikalliset palvelut voidaan muunnella jokaiselle käyttäjälle erikseen käyttäen profiili-informaatiota ja paikkatietoa. Työssä on pohdittu paikallisten palveluiden käyttökelpoisuutta ja mahdollisuuksia käyttäen Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun 4G projektin palvelupilotin tuloksia.

Use of scenario analysis in studying emerging technology – Case Grid computing

Tutkimuksen selvitettiin miten skenaarioanalyysia voidaan käyttää uuden teknologian tutkimisessa. Työssä havaittiin, että skenaarioanalyysin soveltuvuuteen vaikuttaa eniten teknologisen muutoksen taso ja saatavilla olevan tiedon luonne. Skenaariomenetelmä soveltuu hyvin uusien teknologioiden tutkimukseen erityisesti radikaalien innovaatioiden kohdalla. Syynä tähän on niihin liittyvä suuri epävarmuus, kompleksisuus ja vallitsevan paradigman muuttuminen, joiden takia useat muut tulevaisuuden tutkimuksen menetelmät eivät ole tilanteessa käyttökelpoisia. Työn empiirisessä osiossa tutkittiin hilaverkkoteknologian tulevaisuutta skenaarioanalyysin avulla. Hilaverkot nähtiin mahdollisena disruptiivisena teknologiana, joka radikaalina innovaationa saattaa muuttaa tietokonelaskennan nykyisestä tuotepohjaisesta laskentakapasiteetin ostamisesta palvelupohjaiseksi. Tällä olisi suuri vaikutus koko nykyiseen ICT-toimialaan erityisesti tarvelaskennan hyödyntämisen ansiosta. Tutkimus tarkasteli kehitystä vuoteen 2010 asti. Teorian ja olemassa olevan tiedon perusteella muodostettiin vahvaan asiantuntijatietouteen nojautuen neljä mahdollista ympäristöskenaariota hilaverkoille. Skenaarioista huomattiin, että teknologian kaupallinen menestys on vielä monen haasteen takana. Erityisesti luottamus ja lisäarvon synnyttäminen nousivat tärkeimmiksi hilaverkkojen tulevaisuutta ohjaaviksi tekijöiksi.

Performance Management of a Next Generation Network

Today's communication networks consist of numerous interdependent network components. To manage these networks and to ensure their reliable and efficient operation to meet the increasing customer usability demands, extensive network management tools are required from the service provider. The goal of this study was to adapt the Next Generation Network (NGN) providing VoIP services within a performance oriented network management system. This study focuses only on NGN network and the project was implemented as an assignment of the Network Operations Center of Elisa Corporation. The theoretical part of this study introduces the network environment of the Elisa NGN platform: its components and used signalling protocols as well as other exploitable communication protocols. In addition, the Simple Network Management Protocol (SNMP) is closely examined since it is commonly used as the basis of IP (Internet Protocol) network management. Also some primary applications enabled by the NGN technology are introduced. The empirical part of this study contains a short overview of the implemented network performance management system and its properties. The most crucial monitored MIB modules, SNMP parameters and implemented performance measurements are described. The trap topology and the role of the traps for management of the NGN platform are considered and finally, the conclusion based on the several disquisitions is made supported with suggestions for future improvements.

Comparison of electricity generation costs

The economical competitiveness of various power plant alternatives is compared. The comparison comprises merely electricity producing power plants. Combined heat and power (CHP) producing power will cover part of the future power deficit in Finland, but also condensing power plants for base load production will be needed. The following types of power plants are studied: nuclear power plant, combined cycle gas turbine plant, coal-fired condensing power plant, peat-fired condensing power plant, wood-fired condensing power plant and wind power plant. The calculations are carried out by using the annuity method with a real interest rate of 5 % per annum and with a fixed price level as of January 2008. With the annual peak load utilization time of 8000 hours (corresponding to a load factor of 91,3 %) the production costs would be for nuclear electricity 35,0 €/MWh, for gas based electricity 59,2 €/MWh and for coal based electricity 64,4 €/MWh, when using a price of 23 €/tonCO2 for the carbon dioxide emission trading. Without emission trading the production cost of gas electricity is 51,2 €/MWh and that of coal electricity 45,7 €/MWh and nuclear remains the same (35,0 €/MWh) In order to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive to the changes of nuclear fuel price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk. Furthermore, increase of emission trading price improves the competitiveness of the nuclear alternative. The competitiveness and payback of the nuclear power investment is studied also as such by using various electricity market prices for determining the revenues generated by the investment. The profitability of the investment is excellent, if the market price of electricity is 50 €/MWh or more.

The use of future-oriented knowledge in regional innovation processes: Research on knowledge generation, transfer and conversion

The importance of the regional level in research has risen in the last few decades and a vast literature in the fields of, for instance, evolutionary and institutional economics, network theories, innovations and learning systems, as well as sociology, has focused on regional level questions. Recently the policy makers and regional actors have also began to pay increasing attention to the knowledge economy and its needs, in general, and the connectivity and support structures of regional clusters in particular. Nowadays knowledge is generally considered as the most important source of competitive advantage, but even the most specialised forms of knowledge are becoming a short-lived resource for example due to the accelerating pace of technological change. This emphasizes the need of foresight activities in national, regional and organizational levels and the integration of foresight and innovation activities. In regional setting this development sets great challenges especially in those regions having no university and thus usually very limited resources for research activities. Also the research problem of this dissertation is related to the need to better incorporate the information produced by foresight process to facilitate and to be used in regional practice-based innovation processes. This dissertation is a constructive case study the case being Lahti region and a network facilitating innovation policy adopted in that region. Dissertation consists of a summary and five articles and during the research process a construct or a conceptual model for solving this real life problem has been developed. It is also being implemented as part of the network facilitating innovation policy in the Lahti region.

Assessment of Environmental Impacts of Power Generation

Through indisputable evidence of climate change and its link to the greenhouse gas emissions comes the necessity for change in energy production infrastructure during the coming decades. Through political conventions and restrictions energy industry is pushed toward using bigger share of renewable energy sources as energy supply. In addition to climate change, sustainable energy supply is another major issue for future development plans, but neither of these should come with unbearable price. All the power production types have environmental effects as well as strengths and weaknesses. Although each change comes with a price, right track in minimising the environmental impacts and energy supply security can be found by combining all possible low-carbon technologies and by improving energy efficiency in all sectors, for creating a new power production infrastructure of tolerable energy price and of minor environmental effects. GEMIS-Global Emission Model for Integrated Systems is a life-cycle analysis program which was used in this thesis to make indicative energy models for Finland’s future energy supply. Results indicate that the energy supply must comprise both high capacity nuclear power as well as large variation of renewable energy sources for minimization of all environmental effects and keeping energy price reasonable.