Avoimen AMR-palvelualustan tiedonsiirtomenetelmien selvitys ja analyysi

Sähköenergiamittareiden etälukuun (AMR) siirtyminen on kasvanut Suomessa, kuten muissakin Euroopan maissa viime vuosina merkittävästi. Tavoitteena on, että vuonna 2014 80 % kaikista Suomen sähköenergiamittareista olisi etäluettavia ja rekisteröisivät tunnittaiset kulutustiedot. AMR-tekniikan avulla voidaan toteuttaa myös muita palveluja kulutustietojen rekisteröinnin lisäksi. AMR-mittareiden etäluenta ja niiden kautta siirrettävät signaalit vaativat mittareilta tiedonsiirtotapoja. Työssä tarkastellaan TeliaSoneran AMR-palvelualustan ominaisuuksia ja arkkitehtuuria. Selvitetään AMR-mittareiden toiminnallisia vaatimuksia ja mahdollisia tiedonsiirtotapoja mittareiden ja etäluentajärjestelmän välillä. Arvioidaan näiden selvitysten perusteella ja myös kustannusten kannalta eri tiedonsiirtomenetelmien soveltuvuutta eri ympäristöihin. Lisäksi suoritetaan arviointi ja käytännön laboratoriotestauksia valitulle sähköverkkoa tiedonsiirrossa hyödyntävälle AMR-mittarille. Tavoitteena on selvittää ja analysoida vertailtavan mittarin yhteensopivuutta TeliaSoneran päätelaitteiden ja AMR-palvelualustan kanssa. Analysoidaan näiden tarkasteltavien mittareiden ominaisuuksia ja elinkaarta. Laboratoriotesteillä selvitetään myös tarkasteltavien sähköverkkotiedonsiirto AMRmittareiden häiriösietoisuutta verkossa esiintyviä häiriöitä vastaan. Näiden pohjalta tehdään johtopäätökset ja suositukset.

Sähkömittareiden kaukoluennan kannattavuus ja käyttöönotto sähköverkkoyhtiössä

Sähkömittareiden kaukoluenta (AMR) on tällä hetkellä ajankohtainen aihe, koska useat verkkoyhtiöt ovat tehneet jo päätöksen mittaustoiminnan automatisoinnista ja monissa yhtiöissä ovat selvitykset parhaillaan menossa tai suunnitteilla. Erilaisten ennusteiden mukaan kaikki Suomen sähkömittarit tulevat ajan myötä kaukoluettaviksi, mutta aikataulun arviot vaihtelevat viidestä viiteentoista vuoteen. Diplomityössä on tutkittu Lahti Energia Oy:lle soveltuvaa sähkömittareiden kaukoluentajärjestelmää ja siihen investoimisen kannattavuutta. Tarkastelun kohteena on ollut yhtiölle kaukoluennasta kertyvät kustannukset ja sen avulla saavutettavat säästöt. Koska mittareiden kaukoluennasta on yhtiössä vain vähän kokemusta, lasketut säästöt perustuvat olettamukseen ja arvioituihin lukemiin. Lisäksi työssä on käsitelty yhtiön jakelualueen alueittaista jaottelua kaukoluennan kannattavuuden suhteen ja tutkittu kaukoluennan vaikutuksia yhtiön toimintoihin sekä sen tuomia mahdollisuuksia. Kaukoluennan myötä saadaan täsmällistä tietoa energiankulutuksesta ja asiakkaita voidaan laskuttaa todelliseen mittarinlukemaan perustuen. Sen avulla tulevat mahdollisiksi myös useat lisäpalvelut tai toiminnot, kuten tuntimittaus, sähkön laadun seuranta, sähkökatkojen rekisteröinti ja sähköjen etäkatkaisu. Kaikkia kyseisiä palveluita ei tarvitsevälttämättä hankkia kerralla vaan ne voidaan ottaa myös optiona.

Automatic meter reading – benefits and applications

In liberalized electricity markets, which have taken place in many countries over the world, the electricity distribution companies operate in the competitive conditions. Therefore, accurate information about the customers’ energy consumption plays an essential role for the budget keeping of the distribution company and for correct planning and operation of the distribution network. This master’s thesis is focused on the description of the possible benefits for the electric utilities and residential customers from the automatic meter reading system usage. Major benefits of the AMR, illustrated in the thesis, are distribution network management, power quality monitoring, load modelling, and detection of the illegal usage of the electricity. By the example of the power system state estimation, it was illustrated that even the partial installation of the AMR in the customer side leads to more accurate data about the voltage and power levels in the whole network. The thesis also contains the description of the present situation of the AMR integration in Russia.

Interaktiivisen asiakasrajapinnan mahdollistamat energiatehokkuutta tukevat toiminnot ja niiden kannattavuus

Automaattisen mittarinluvun yleistyminen ja asiakkaan verkkoliitynnässä käytettävän tekniikan kehittyminen luovat pohjan uudentyyppisen interaktiivisen asiakasrajanpinnan synnylle. Se voi osaltaan mahdollistaa asiakkaan entistä joustavamman sähköverkkoon liitynnän sekä nykyistä reaaliaikaisemmat ja tarkemmat mittaukset. Näiden pohjalle on mahdollista kehittää erilaisia energiatehokkuutta tukevia toimintoja ja niihin perustuvia palveluita. Tämän työn tarkoituksena on tutkia interaktiivisen asiakasrajapinnan mahdollistamia energiatehokkuutta tukevia toimintoja. Lupaavimpia toimintoja, niiden kannattavuutta ja potentiaalia energiatehokkuuden parantamisessa analysoidaan tarkemmin. Lisäksi tarkastellaan niihin tarvittavaa tekniikkaa, mittaustietoja ja tiedonsiirtoa. Nykyinen tekniikka mahdollistaa useiden erilaisten energiatehokkuutta tukevien toimintojen toteuttamisen. Tässä työssä käsiteltiin tarkemmin energiayhtiön AMR-pohjaista tasehallintaa ja sähkön pienkuluttajien hintaohjausta. AMR-pohjaisen tasehallinnan havaittiin olevan oikein kohdennettuna kannattavaa. Sähkön hintaohjaus voi laajassa mittakaavassa toteutettuna olla kannattavaa, mutta yksittäiskohteissa sen toteutuksen kustannukset ovat liian suuret. Suurimpia ongelmia energiatehokkuutta tukevien toimintojen toteutuksen kannalta muodostavat usein kiinteät kustannukset sekä yleisten rajapin-tavaatimusten ja toimintamallien puute. Tuotteiden standardointi, sarjatuotanto sekä tekniikan kehittyminen voivat mahdollistaa kiinteiden kustannusten huomattavan pienenemisen ja tätä kautta toimintojen kustannustehokkuuden paranemisen. Kehittämällä uusia yhteisiä toimintamalleja ja tuotteita voidaan käytettävissä olevaa tekniikkaa hyödyntää tehokkaammin. Myös uudet näköpiirissä olevat nopeammat ja luotettavammat tiedonsiirtotekniikat voivat mahdollistaa reaaliaikaisemmat mittaustietojen ja signaalien välitykset, mikä usein parantaa toimintojen tehokkuutta ja kannattavuutta.

Technological and business challenges of smart grids

Growing recognition of the electricity grid modernization to enable new electricity generation and consumption schemes has found articulation in the vision of the Smart Grid platform. The essence of this vision is an autonomous network with two-way electricity power flows and extensive real-time information between the generation nodes, various electricity-dependent appliances and all points in-between. Three major components of the Smart Grids are distributed intelligence, communication technologies, and automated control systems. The aim of this thesis is to recognize the challenges that Smart Grids are facing, while extinguishing the main driving factors for their introduction. The scope of the thesis also covers possible place of electricity Aggregator Company in the current and future electricity markets. Basic functions of an aggregator and possible revenue sources along with demand response feasibility calculations are reviewed within this thesis.

Kaupunkialueella toimivan sähkönjakeluverkkoyhtiön siirtohinnoittelun kehittäminen

Sähkönjakeluverkkoyhtiöllä on sähkön siirtopalveluun alueellinen monopoli. Siirtohinnoittelun reunaehdot tulevat sähkömarkkinalaista ja hintojen kohtuullisuutta valvoo ja sääntelee Energiamarkkinavirasto. Tässä työssä selvitetään Turku Energia Sähköverkot Oy:lle kustannusvastaavat aiheuttamisperiaatteen mukaiset siirtohinnat. Samalla muodostetaan yleis-, yö- ja kausituotteiden perusmaksuihin asiakkaan liittymispisteen pääsulakkeen kokoon perustuva porrastus. Sulakeporrastuksen käyttöönotolla pystytään kehittämään siirtohinnoittelun kustannusvastaavuutta ja noudattamaan aiheuttamisperiaatteen mukaista hinnoittelupolitiikkaa entistä paremmin. Työssä tutkitaan siirtohinnoittelun kehitysnäkymiä myös pidemmällä tähtäimellä. Älykkäiden sähköverkkojen kehittyminen ja erityisesti etäluettavien mittareiden käyttöönotto tulevat luomaan kehitysmahdollisuuksia siirtohinnoitteluun tulevaisuudessa. Laitteista saatavia tarkkoja sähkönkulutus- ja tehotietoja voidaan käyttää kustannusvastaavuuslaskennan taustalla. Jotta verkon käyttö olisi sen mitoitukseen nähden mahdollisimman tehokasta, tulisi kuorman jakautua mahdollisimman tasaisesti ajan suhteen. Verkossa esiintyviä kulutushuippuja pystytään tulevaisuudessa mahdollisesti tasoittamaan esimerkiksi kuorman ohjauksen avulla, jonka tehokeinona voidaan käyttää siirtohinnoittelua. Siirtohinnoilla voidaan mahdollisesti vaikuttaa myös esimerkiksi kulutuksen ja tuotannon ajoittamiseen sekä kannusta asiakkaita loistehon kompensointiin. Siirtotuotteiden täytyy myös kehittyä asiakkaiden tarpeiden kehittymisen rinnalla ja esimerkiksi sähkön laadun tuotteistaminen voi olla eräs keino vastaamaan tiukentuneisiin vaatimuksiin.

Utilization of Automatic Meter Reading in the Improvement of a District Heating System

A district heating system comprises production facilities, a distribution network, and heat consumers. The utilization of new energy metering and reading system (AMR) is increasing constantly in district heating systems. This heuristic study shows how the AMR system can be exploited in finding optimization opportunities in district heating system. In this study, the district heating system is mainly considered from the viewpoint of operational optimization. The focus is on the core processes, heat production and distribution. Three objectives were set to this study. The first one was to examine general optimization opportunities in district heating systems. Second, to figure out the benefits of AMR for general optimization opportunities. Finally, to define a methodology for process improvement endeavors. This study shows, through a case study, the usefulness of AMR in specifying current deficiencies in a district heating system. Based on a literature review, the methodology for the improvement of business processes is presented. Additionally, some issues related to future competitiveness of district heating are concerned. As a conclusion, some optimization objectives are considered more desirable than others. Study shows that AMR is useful in the specification of optimization targets in the district heating system. Further steps in optimization process were not examined in detail. That would seem to be interesting topic for further studies.

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.

Utilization of AMI-Technology in a Multilayered Demand Response Service Environment

This thesis studied the performance of Advanced metering infrastructure systems in a challenging Demand Response environment. The aim was to find out what kind of challenges and bottlenecks could be met when utilizing AMI-systems in challenging Demand Response tasks. To find out the challenges and bottlenecks, a multilayered demand response service concept was formed. The service consists of seven different market layers which consist of Nordic electricity market and the reserve markets of Fingrid. In the simulations the AMI-systems were benchmarked against these seven market layers. It was found out, that the current generation AMI-systems were capable of delivering Demand Response on the most challenging market layers, when observed from time critical viewpoint. Additionally, it was found out, that to enable wide scale Demand Response there are three major challenges to be acknowledged. The challenges hindering the utilization of wide scale Demand Response were related to poor standardization of the systems in use, possible problems in data connectivity solutions and the current electricity market regulation model.

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.

Sähkömagneettiset pyörimisnopeusanturit auton pyörässä

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan millaisia sähkömagneettisia antureita käytetään mittaamaan autojen pyörien pyörimisnopeutta. Työn tavoitteena on selvittää miten magneettiset sensorielementit toimivat antureiden osana auton pyörien pyörimisnopeusantureissa. Työ rajataan kolmen sensorielementin tarkasteluun, mitkä ovat Hall-. GMR- ja AMR - sensorielementit. Sensoreiden tarkastelu tehdään kirjallisuustutkimuksella ja lopuksi esitellään yksi sovellus anturin suojauksen näkökulmasta patenttiesimerkin avulla. Tuloksiksi saatiin, että sähkömagneettisessa anturisysteemissä on aina roottori ja sitä lukeva tunnistinelementti. Roottorin pyörimisliikkeen aiheuttamaa magneettikentän muutosta sensorissa käytetään pyörimisnopeuden mittaamiseen. Sensorielementit poikkeavat toisistaan rakenteeltaan sekä toimintatavaltaan. Hall - sensorielementti on mittausherkkyydeltään pienin ja GMR - sensorielementti suurin. AMR - sensorielementti on yleisimmin käytetty. Yhteistä niille on se, että ne tarvitsevat esimagnetoinnin toimiakseen. Anturin suojaamiseen käytetään kotelointia. Koteloinnilla saadaan suojattua anturisysteemi mekaanisilta rasituksilta sekä kemiallisilta rasitteilta ja ulkoisilta sähkömagneettisilta häiriöiltä. Lisäksi hyvällä koteloinnin suunnittelulla voidaan säästää tilaa.