Modernization of protection and control system of HV/MV substation in Russia

This work describes different possibilities of protection and control system improvement of primary distribution substation. The status of condition and main problems of power networks from reliability point of view in Russia are described. This work studies technologies used today in Russia for protection of distribution networks with their disadvantages. Majority of medium voltage networks (6-35 kV) has isolated network point. There is still no any protection available on the market which allows to estimate distance to fault in case of earth fault. The thesis analyses methods of earth fault distance calculation. On the basis of computer simulation the influence of various factors on calculation accuracy is studied. The practical implementation of the method presupposes usage of digital relay. Application of digital relay is accompanied by numerous opportunities which are described in this work. Also advantages of system implemented on the basis of IEC 61850 standard are examined. Finally, suitability of modern digital relays from GOST standard point of view is analyzed.

Hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutukset

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty hajautetun sähköntuotannon verkostovaikutuksia eri näkökulmista. Työssä on esitelty keskeisimmät sähkötekniset vaikutukset jakeluverkkoon ja tarkasteltu vaikutuksia suojauksen, käyttövarmuuden, verkkoliiketoiminnan ja suunnittelun näkökulmasta. Tarkastelu osuuden lopuksi on esitetty yksinkertainen esimerkki pienvoimalan liittämisen vaikutuksista jakeluverkkoon. Työn lopuksi on otettu katsaus tuleviin vaikutuksiin tuotantoyksiköiden lisääntyessä jakeluverkoissa. Hajautettu sähköntuotanto mahdollistaa paikallisten energiavarojen hyödyntämisen sähköntuotantoon jakeluverkon alueella. Tämä tarkoittaa, että siirtoetäisyydet pienenevät, jolloin häviöt saadaan minimoitua. Haittapuolena tällaisessa järjestelmässä on epävarmuus jakeluverkon ja tuotantoyksiköiden käyttäytymisestä eri tilanteissa, kuten myös jännitteen nousu. Suojauksen toimivuus on myös suuri ongelma, koska sen täytyy toimia riippumatta siitä onko voimala verkossa vai ei. Suojauksen toiminta hajautetun tuotannon yhteydessä on epävarmaa ja selvästi tällä hetkellä suurin este järjestelmän laajempaan hyödyntämiseen.

Haja-asutusalueen keskijänniteverkon kaapeloinnin ja automaation suunnittelumetodiikka

Tässä diplomityössä tutkitaan erilaisia keskijänniteverkon kehittämismenetelmiä sekä suunnittelua haja-asutusalueelle. Suunnittelumetodiikan perustana on vertailla sähköverkon käyttövarmuuden tunnuslukujen sekä kokonaiskustannusten kehittymistä erilaisilla investointiratkaisuilla. Lähemmässä tarkastelussa ovat erilaiset kaapelointimenetelmät sekä automaatiolaitteet kuten maastoon sijoitettavat katkaisijat sekä kauko-ohjattavat erottimet. Kehittämisratkaisujen vertailemiseksi sähköverkosta muodostetaan laskentaa varten malli, jonka avulla on mahdollista tarkastella mm. käyttövarmuuden tunnuslukujen sekä verkon kustannusten kehittymistä. Verkon kustannuksissa otetaan huomioon investointikustannukset, käyttö- ja kunnossapitokustannukset, viankorjauskustannukset sekä keskeytyskustannukset. Keskeytysten laskentaa varten toteutetaan erilliset laskentalohkot, jotta keskeytyskustannukset saadaan mallinnettua tarkasti. Kaapelointistrategia-analyysissä vertaillaan kaapeloinnin erilaisia toteuttamisperiaatteita. Erilaisia tutkittavia kaapelointimenetelmiä ovat vyörytysmenetelmä, vikaherkimpien kohteiden uusinta, vanhimpien kohteiden uusinta, täydellinen kaapelointi sekä optimiverkostoratkaisu, jossa on hyödynnetty keskijännitejohtojen kaapeloinnin lisäksi mm. automaatioratkaisuja ja 1000 V tekniikkaa. Kaapelointimenetelmiä vertailtaessa on havaittu, että vikaherkimmistä kohteista aloitettava saneeraus tuottaa parhaimman tuloksen, jos optimiratkaisua ei oteta huomioon.

Maasulkuvirtojen kehitys ja kompensointi Haminan Energia Oy:n keskijänniteverkossa

Tässä työssä tutkitaan maasulkuvirtoja sekä niiden vaikutusta ja kehitystä Haminan Ener-gia Oy:n keskijänniteverkossa. Lisäksi tarkastellaan erilaisia mahdollisuuksia rajoittaa maasulkuvirtojen suuruuksia. Tutkimusalueena käytetään koko Haminan Energia Oy:n keskijänniteverkkoaluetta. Maasulkuvirtojen suuruuden ja vaikutusten tutkimiseksi suori-tetaan erilaisin lähtökriteerein maasulkujen vikavirtalaskennat verkkotietojärjestelmällä. Verkon kehittymisen analysoimiseksi selvitetään sen ikätietoja, kaava-alueiden muutok-sia sekä päämuuntaja- ja varasyöttökapasiteetteja. Analyysien pohjalta saatujen tulosten perusteella työssä laaditaan arvio maasulkuvirtojen kehityksestä tulevaisuudessa. Maasulkuvirtojen kompensoimiseksi päädytään rakenta-maan uusi päämuuntaja Laurilan sähköasemalle sekä parantamaan eräiden muuntamoiden ja erottimien maadoituksia. Nämä parannusehdotukset toteuttamalla pystytään sähkötur-vallisuusmääräykset täyttämään maasulkujen osalta pitkälle tulevaisuuteen sekä vähentä-mään asiakkaiden kokemia keskeytyksiä. Lisäksi työssä tehdään ohjeistus Haminan Energia Oy:lle maasulkuvirtojen laskentaa varten.

Virtalähdejärjestelmän ohjauksen suunnittelu

Virtalähdejärjestelmä koostuu itsenäisesti toimivista virtalähdeyksiköistä. Virtalähdeyksiköt ovat rinnankytketty syöttämään virtaa kuormaan. Tämä diplomityö käsittelee virtalähdeyksiköiden ohjaamiseen liittyviä ongelmia ja ratkaisuja. Työssä suunnitellaan virtalähdejärjestelmän ohjauselektroniikkaa sekä mikrokontrollerin ohjelmakoodia. Lisäksi kehitetään ratkaisuja virtalähteen hallintaan ja automaattiseen ohjaukseen. Huomiota kiinnitetään vikasietoisuuteen ja käyttäjäystävällisyyteen.

Tuulivoimakäyttö sähköverkon vikatilanteissa

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, meneillään olevan tuulivoimalasimulaattorin kehitystyön yhteydessä. Työssä käydään läpi simulaattorissa käytettyjen generaattorisillan ja verkkosillan säätöperiaatteita, tehdään katsaus siirtoverkon jännitevikoihin sekä tuulivoimalan toimintaan näissä vikatilanteissa. Työn varsinainen tutkimuskohde on verkkosillan säädön toiminnan simuloiminen siirtoverkon jännitevioissa ja säädön parannusehdotukset.

Sähköasemainvestointihankkeen määrittely

Tämän työn tavoitteena oli tehdä perusteltu esitys kahden suunnitellun sähköaseman toiminnan aloittamisen ajankohdasta sekä rakentamisen kestosta lupamenettelyineen. Työssä oli pyrkimys perustella asemien maantieteellinen sijainti, toteutustapa, rakenne sekä sähköasemien syöttöön tarvittavien 110 kV johtojen alustava rakenne ja reitti. Työssä on tarkasteltu uuden sähköaseman verkosto- ja kustannusvaikutuksia, sähköasemarakenteita ja niiden valintaa, sähköasemainvestointihankkeen vaiheita ja rakennuttamisprosessin läpivientiin tarvittavaa aikaa. Verkoston nykytilaa, käyttövarmuutta ja selviytymistä kuormituksen kasvusta on tarkasteltu sähköasemien toiminnan aloittamisen ajankohtien määrittämiseksi. Työn keskeisin painopiste oli sähköasemien rakentamisajankohdan määrittäminen. Sähköasemien toiminnan aloittamisen ajankohdan määrääväksi tekijäksi muodostuivat sähköasemien korvaustilanteet. Nykytilassa Valkealan haja-asutusalueen sähkönjakelua ei voida taata yksittäisen sähköaseman korvaustilanteessa, minkä takia sähköasemahankkeen valmistelu on aloitettava välittömästi. Kouvolan ydinkeskustan alueen maakaapeliverkon tehonsiirtokyky ja päämuuntajien reservitehokapasiteetti korvaustilanteissa riittävät vielä 5-10 vuotta riippuen suuresti alueen kuormituksen kasvusta.

Grounding in a wind power application

The subject of this master’s thesis is to research grounding in a particular wind power application. The aim is to define how the grounding from different points effects to the function of the whole system. The investigated subjects are generator voltage spikes, ground currents and system fault situations. The first part of this thesis represents power electronics, which is commonly used in wind power systems. The second part concentrates more to the grounding, electrical safety demands and potential fault situations. The object of the simulations is to investigate voltage spikes and fault situations. Measurements will be made with small-scale setup and in the last part simulation and measurement results are compared to each other and to a full-scale system.

Eliminating Software Failures - A Literature Survey

Software faults are expensive and cause serious damage, particularly if discovered late or not at all. Some software faults tend to be hidden. One goal of the thesis is to figure out the status quo in the field of software fault elimination since there are no recent surveys of the whole area. Basis for a structural framework is proposed for this unstructured field, paying attention to compatibility and how to find studies. Bug elimination means are surveyed, including bug knowhow, defect prevention and prediction, analysis, testing, and fault tolerance. The most common research issues for each area are identified and discussed, along with issues that do not get enough attention. Recommendations are presented for software developers, researchers, and teachers. Only the main lines of research are figured out. The main emphasis is on technical aspects. The survey was done by performing searches in IEEE, ACM, Elsevier, and Inspect databases. In addition, a systematic search was done for a few well-known related journals from recent time intervals. Some other journals, some conference proceedings and a few books, reports, and Internet articles have been investigated, too. The following problems were found and solutions for them discussed. Quality assurance is testing only is a common misunderstanding, and many checks are done and some methods applied only in the late testing phase. Many types of static review are almost forgotten even though they reveal faults that are hard to be detected by other means. Other forgotten areas are knowledge of bugs, knowing continuously repeated bugs, and lightweight means to increase reliability. Compatibility between studies is not always good, which also makes documents harder to understand. Some means, methods, and problems are considered method- or domain-specific when they are not. The field lacks cross-field research.

Real-Time Simulation of Mobile and Industrial Machines Using the Multibody Simulation Approach

This thesis introduces a real-time simulation environment based on the multibody simulation approach. The environment consists of components that are used in conventional product development, including computer aided drawing, visualization, dynamic simulation and finite element software architecture, data transfer and haptics. These components are combined to perform as a coupled system on one platform. The environment is used to simulate mobile and industrial machines at different stages of a product life time. Consequently, the demands of the simulated scenarios vary. In this thesis, a real-time simulation environment based on the multibody approach is used to study a reel mechanism of a paper machine and a gantry crane. These case systems are used to demonstrate the usability of the real-time simulation environment for fault detection purposes and in the context of a training simulator. In order to describe the dynamical performance of a mobile or industrial machine, the nonlinear equations of motion must be defined. In this thesis, the dynamical behaviour of machines is modelled using the multibody simulation approach. A multibody system may consist of rigid and flexible bodies which are joined using kinematic joint constraints while force components are used to describe the actuators. The strength of multibody dynamics relies upon its ability to describe nonlinearities arising from wearing of the components, friction, large rotations or contact forces in a systematic manner. For this reason, the interfaces between subsystems such as mechanics, hydraulics and control systems of the mechatronic machine can be defined and analyzed in a straightforward manner.

Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytilan määritys sekä kehittämissuunnitelma käyttövarmuuden näkökulmasta

Tämän työn tavoitteena on analysoida Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytila sekä selvittää verkon kehittämisen suuntaviivoja. Nykytilan määrityksessä selvitetään kuormitettavuusasteet, jännitteenalenemat, häviöt oiko- ja maasulkusuojauksen toimivuus sekä keskeytyskustannukset. Nykytilan määrityksen apuna käytettiin verkkotietojärjestelmä Xpowerin tehojako-, oikosulku- ja maasulkulaskentoja. Nykytila on määritetty sekä normaalissa kytkentätilanteessa, että tilanteessa jossa yksi sähköasema kerrallaan on poissa käytöstä. Nykytilan määrityksen perusteella voidaan todeta, että normaalissa kytkentätilanteessa keskijänniteverkko täyttää suurilta osin sille asetetut tekniset reunaehdot, jotka ovat jännitteenalenema, kuormitettavuus, oikosulkukestoisuus sekä oiko- ja maasulkusuojauksen havahtuvaisuus. Jotta reunaehdot toteutuisivat kokonaisuudessaan, tulee oikosulkukestottomien lähtöjen releasetteluja muuttaa tai vaihtaa oikosulkukestottomat johto-osuudet suurempi poikkipintaiseen johtimeen. Nykytilan määrityksen perusteella neljän päämuuntajan kuormitettavuusaste on yli 90 %, joten näiden asemien alueiden kehitystä tulee tarkkailla. Sähköasemien korvaustarkastelun perusteella viiden sähköaseman korvaus tuottaa ongelmia jo nykyisillä huippukuormilla. Työssä tehtyjen selvitystöiden perusteella Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkkoon lisättiin 10 maastokatkaisijaa sekä selvitettiin verkon mahdollisia tulevaisuuden kehittämisen suuntaviivoja.

Paperikoneen hyötysuhteen parantaminen kunnossapidon keinoin

Stora Enson Kotkan tehtaiden paperikone yksi on pieni erikoislaatuja tekevä paperikone, jonka hy6tysuhteen parantamiseen on etsitty keinoja kunnossapidon toimesta. Kansainvälisen kilpailun kiristyessä sekä raaka aineiden ja energian kallistuessa paperikoneen hy6tysuhteen tulee olla korkealla tasolla. Tämän diplomity6n kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti kunnossapidon käsitteisiin ja toimintatapoihin. Vikaantumisen osiossa on pyritty l6ytamaan mekanismi laakereiden vikaantumiseen ja kunnonvalvonnalla keinot laakereiden vikaantumisen ehkäisyyn. Työn käytännön osiossa tutkittiin paperikoneen häiriökirjauksia vuosilta 2006 ja 2007 tehtaan toiminnanohjausjärjestelmistä. Samanaikaisesti selvitettiin toimenpidekirjauksia ja tehtyjä korjauksia samoihin kohteisiin, joissa vikaantumista tapahtuu. Tavoitteena oli selvittää syyt suuriin hairi6seisokkiaikoihin sekä analysoida suunniteltujen ja suunnittelemattomien seisokkien suhdetta. Tutkimuksessa havaittiin häiriökirjauksien puutteellisuus ja kirjauksien merkitys häiriöiden ennaltaehkäisyssä.

Keskijänniteverkon käyttövarmuuden parantaminen verkostoautomaatiolla

Tässä työssä tutkitaan maastokatkaisijoiden ja kauko-ohjattavien erottimien kannattavia sijoituskohteita keskijänniteverkkoon. Kannattavuutta lasketaan kannattavuuslaskennalla, jonka lopputuloksena saadaan automaatiolaitteiden aiheuttama keskeytyskustannussäästö. Saaduille keskeytyskustannussäästöille lasketaan investoinnin takaisinmaksuaika, joka määrää kohteiden tärkeysjärjestyksen. Lisäksi tarkastellaan verkostomuutosten vaikutusta automaatiolaitteiden kannattavuuteen. Kannattavuuslaskentaa varten keskijänniteverkko jaetaan vyöhykkeisiin. Vyöhykkeiden avulla huomioidaan olemassa olevien kauko-ohjattavien erottimien ja varasyöttöjen vaikutukset. Laskentaparametrit määritetään yhtiön tilastoista. Tutkimuksessa on esitetty automaatiolaitteiden kannattavuuslaskentaa esimerkkikohteiden avulla, jotka on valittu keskijänniteverkon rakenteen perusteella. Maastokatkaisijoille ja kauko-ohjattaville erottimille löytyi paljon kannattavia sijoituskohteita. Maastokatkaisijalle havaittu lisäominaisuus parantaa sen kannattavuutta entisestään. Automaatiolaitteiden aiheuttamat keskeytyskustannussäästöt riippuvat siirrettävästä tehosta, vikataajuuksista ja keskeytyskustannusten arvoista, joiden vaikutusta on kuvattu herkkyystarkasteluilla.

Suunnitellun alas- ja ylösajon todennäköisyysperustainen riskianalyysi ydinvoimalaitokselle

Työssä tehtiin ydinvoimalaitoksen suunnitellun alas- ja ylösajon todennäköisyysperus-tainen riskianalyysi. Suunnitellun alasajon analyysi sisälsi Teollisuuden Voima Oyj:n käyttämän vanhan PRA-mallin päivityksen ja laajentamisen. Ylösajon analyysiä varten kehitettiin kokonaan uusi malli. Diplomityöselostuksen alussa on yleinen katsaus luotettavuustekniikan käsitteisiin, pe-rusperiaatteisiin ja työkaluihin. Sitten on esitelty laitostekniikkaa tärkeimpien alas- ja ylösajoihin osallistuvien järjestelmien osalta. Myös normaalit alas- ja ylösajotoimenpi-teet on kuvattu. Yleisen teoriaosuuden jälkeen on keskitytty uusien mallien muodosta-miseen. Työssä käytetyt oletukset ja arviot on esitelty perusteluineen. Uudet tapahtuma- ja vikapuut sekä niiden perusteella lasketut sydänvaurioriskit johtopäätöksineen on käy-ty läpi selostuksen lopussa. Alkutapahtumataajuuksien määrittäminen tehtiin vikapuiden avulla, joissa huomioitiin komponenttivikojen, inhimillisten virheiden ja ulkoisten tekijöiden vaikutus. Aiemmin alkutapahtumat oli määritetty pääasiassa käyttöhistorian perusteella. Uusi määrittelytapa antaa eri vikaantumistapojen välille paremman kuvan niiden keskinäisestä merkitykses-tä sekä paremman päivitettävyyden laitosmuutosten yhteydessä. Mallien avulla voidaan laskea alas- ja ylösajon merkitys kokonaissydänvauriotaajuuteen entistä yksityiskohtaisemmin. Tuloksia voidaan myös hyödyntää laitosten vikatilanteis-sa, kun vertaillaan jatketun käytön ja mahdollisten korjaustöiden vaatiman alas- ja ylösajon riskejä. Uusien mallien antamat tulokset laskivat vain hieman kokonaissydän-vauriotaajuutta, mutta merkittävästi alasajon vaikutusta siihen. Ylösajosta aiheutuva riskinlisä oli noin puolet alasajon riskistä.

Utilization of a Time Domain Simulator in the Technical and Economic Analysis of a Wind Turbine Electric Drive Train

The amount of installed wind power has been growing exponentially during the past ten years. As wind turbines have become a significant source of electrical energy, the interactions between the turbines and the electric power network need to be studied more thoroughly than before. Especially, the behavior of the turbines in fault situations is of prime importance; simply disconnecting all wind turbines from the network during a voltage drop is no longer acceptable, since this would contribute to a total network collapse. These requirements have been a contributor to the increased role of simulations in the study and design of the electric drive train of a wind turbine. When planning a wind power investment, the selection of the site and the turbine are crucial for the economic feasibility of the installation. Economic feasibility, on the other hand, is the factor that determines whether or not investment in wind power will continue, contributing to green electricity production and reduction of emissions. In the selection of the installation site and the turbine (siting and site matching), the properties of the electric drive train of the planned turbine have so far been generally not been taken into account. Additionally, although the loss minimization of some of the individual components of the drive train has been studied, the drive train as a whole has received less attention. Furthermore, as a wind turbine will typically operate at a power level lower than the nominal most of the time, efficiency analysis in the nominal operating point is not sufficient. This doctoral dissertation attempts to combine the two aforementioned areas of interest by studying the applicability of time domain simulations in the analysis of the economicfeasibility of a wind turbine. The utilization of a general-purpose time domain simulator, otherwise applied to the study of network interactions and control systems, in the economic analysis of the wind energy conversion system is studied. The main benefits of the simulation-based method over traditional methods based on analytic calculation of losses include the ability to reuse and recombine existing models, the ability to analyze interactions between the components and subsystems in the electric drive train (something which is impossible when considering different subsystems as independent blocks, as is commonly done in theanalytical calculation of efficiencies), the ability to analyze in a rather straightforward manner the effect of selections other than physical components, for example control algorithms, and the ability to verify assumptions of the effects of a particular design change on the efficiency of the whole system. Based on the work, it can be concluded that differences between two configurations can be seen in the economic performance with only minor modifications to the simulation models used in the network interaction and control method study. This eliminates the need ofdeveloping analytic expressions for losses and enables the study of the system as a whole instead of modeling it as series connection of independent blocks with no lossinterdependencies. Three example cases (site matching, component selection, control principle selection) are provided to illustrate the usage of the approach and analyze its performance.