Distribution network design and optimization

The objective of this thesis is to examine distribution network designs and modeling practices and create a framework to identify best possible distribution network structure for the case company. The main research question therefore is: How to optimize case company’s distribution network in terms of customer needs and costs? Theory chapters introduce the basic building blocks of the distribution network design and needed calculation methods and models. Framework for the distribution network projects was created based on the theory and the case study was carried out by following the defined framework. Distribution network calculations were based on the company’s sales plan for the years 2014 - 2020. Main conclusions and recommendations were that the new Asian business strategy requires high investments in logistics and the first step is to open new satellite DC in China as soon as possible to support sales and second possible step is to open regional DC in Asia within 2 - 4 years.

Conflict-based Method for Conceptual Process Synthesis

The changing business environment demands that chemical industrial processes be designed such that they enable the attainment of multi-objective requirements and the enhancement of innovativedesign activities. The requirements and key issues for conceptual process synthesis have changed and are no longer those of conventional process design; there is an increased emphasis on innovative research to develop new concepts, novel techniques and processes. A central issue, how to enhance the creativity of the design process, requires further research into methodologies. The thesis presentsa conflict-based methodology for conceptual process synthesis. The motivation of the work is to support decision-making in design and synthesis and to enhance the creativity of design activities. It deals with the multi-objective requirements and combinatorially complex nature of process synthesis. The work is carriedout based on a new concept and design paradigm adapted from Theory of InventiveProblem Solving methodology (TRIZ). TRIZ is claimed to be a `systematic creativity' framework thanks to its knowledge based and evolutionary-directed nature. The conflict concept, when applied to process synthesis, throws new lights on design problems and activities. The conflict model is proposed as a way of describing design problems and handling design information. The design tasks are represented as groups of conflicts and conflict table is built as the design tool. The general design paradigm is formulated to handle conflicts in both the early and detailed design stages. The methodology developed reflects the conflict nature of process design and synthesis. The method is implemented and verified through case studies of distillation system design, reactor/separator network design and waste minimization. Handling the various levels of conflicts evolve possible design alternatives in a systematic procedure which consists of establishing an efficient and compact solution space for the detailed design stage. The approach also provides the information to bridge the gap between the application of qualitative knowledge in the early stage and quantitative techniques in the detailed design stage. Enhancement of creativity is realized through the better understanding of the design problems gained from the conflict concept and in the improvement in engineering design practice via the systematic nature of the approach.

Verkkokäyttöliittymäohjelmiston toteuttaminen TradeXpress-tietojärjestelmään.

Työssä perehdytään verkkokäyttöliittymien suunnitteluun ja toteutukseen. Erityisen huomion kohteena ovat Java-ohjelmointikieli ja ohjelmistosuunnittelussa suurta huomiota herättäneet suunnittelumallit. Java on kehittynyt lyhyen elinikänsä aikana huomattavasti, ja viimeaikaiset vakioluokkakirjastot ovat mahdollistaneet monipuolisten ja siirrettävien ohjelmistojen toteuttamisen. Vaikka Java ei sovellukaan kaikkiin tarkoituksiin, on se luotettavuutensa, siirrettävyytensä ja luokkakirjastojensa ilmaisuvoiman ansiosta hyvin houkutteleva kieli käyttöliittymien tekemiseen. Suunnittelumallit ovat merkittävä osa ammattimaista oliosuunnittelua. Ne tarjoavat valmiita ratkaisuja yleisiin suunnitteluongelmiin ja säästävät siten aikaa suunnittelu- ja toteutusvaiheissa. Suunnittelumallit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: luontimallit, rakennemallit ja toiminnalliset mallit. Käytännön osuudessa tarkastellaan Java-käyttöliittymän toteutusta olemassa olevaan Soneran TradeXpress-tietojärjestelmään. Tässä tehtävässä Java ja suunnittelumallit ovat olleet keskeisellä sijalla. Java-käyttöliittymä, JavaGUI, koostuu kahdesta osasta: asiakasappletista ja Jrls-palvelimesta. Näiden kahden väliseen tiedonsiirtoon käytetään pääasiassa Javan RMI-yhteyskäytäntöä. Jrls-palvelin toimii asiakkaana RLS-palvelimelle erityisen RLS-yhteyskäytännön avulla.

Experimental thermal hydraulic studies on the enhancement of safety of LWRs

The safe use of nuclear power plants (NPPs) requires a deep understanding of the functioning of physical processes and systems involved. Studies on thermal hydraulics have been carried out in various separate effects and integral test facilities at Lappeenranta University of Technology (LUT) either to ensure the functioning of safety systems of light water reactors (LWR) or to produce validation data for the computer codes used in safety analyses of NPPs. Several examples of safety studies on thermal hydraulics of the nuclear power plants are discussed. Studies are related to the physical phenomena existing in different processes in NPPs, such as rewetting of the fuel rods, emergency core cooling (ECC), natural circulation, small break loss-of-coolant accidents (SBLOCA), non-condensable gas release and transport, and passive safety systems. Studies on both VVER and advanced light water reactor (ALWR) systems are included. The set of cases include separate effects tests for understanding and modeling a single physical phenomenon, separate effects tests to study the behavior of a NPP component or a single system, and integral tests to study the behavior of the whole system. In the studies following steps can be found, not necessarily in the same study. Experimental studies as such have provided solutions to existing design problems. Experimental data have been created to validate a single model in a computer code. Validated models are used in various transient analyses of scaled facilities or NPPs. Integral test data are used to validate the computer codes as whole, to see how the implemented models work together in a code. In the final stage test results from the facilities are transferred to the NPP scale using computer codes. Some of the experiments have confirmed the expected behavior of the system or procedure to be studied; in some experiments there have been certain unexpected phenomena that have caused changes to the original design to avoid the recognized problems. This is the main motivation for experimental studies on thermal hydraulics of the NPP safety systems. Naturally the behavior of the new system designs have to be checked with experiments, but also the existing designs, if they are applied in the conditions that differ from what they were originally designed for. New procedures for existing reactors and new safety related systems have been developed for new nuclear power plant concepts. New experiments have been continuously needed.

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.

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.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Object-Oriented Modelling of Multilayer Networks

Tämä diplomityökuuluu tietoliikenneverkkojen suunnittelun tutkimukseen ja pohjimmiltaan kohdistuu verkon mallintamiseen. Tietoliikenneverkkojen suunnittelu on monimutkainen ja vaativa ongelma, joka sisältää mutkikkaita ja aikaa vieviä tehtäviä. Tämä diplomityö esittelee ”monikerroksisen verkkomallin”, jonka tarkoitus on auttaa verkon suunnittelijoita selviytymään ongelmien monimutkaisuudesta ja vähentää verkkojen suunnitteluun kuluvaa aikaa. Monikerroksinen verkkomalli perustuu yleisille objekteille, jotka ovat yhteisiä kaikille tietoliikenneverkoille. Tämä tekee mallista soveltuvan mielivaltaisille verkoille, välittämättä verkkokohtaisista ominaisuuksista tai verkon toteutuksessa käytetyistä teknologioista. Malli määrittelee tarkan terminologian ja käyttää kolmea käsitettä: verkon jakaminen tasoihin (plane separation), kerrosten muodostaminen (layering) ja osittaminen (partitioning). Nämä käsitteet kuvataan yksityiskohtaisesti tässä työssä. Monikerroksisen verkkomallin sisäinen rakenne ja toiminnallisuus ovat määritelty käyttäen Unified Modelling Language (UML) -notaatiota. Tämä työ esittelee mallin use case- , paketti- ja luokkakaaviot. Diplomityö esittelee myös tulokset, jotka on saatu vertailemalla monikerroksista verkkomallia muihin verkkomalleihin. Tulokset osoittavat, että monikerroksisella verkkomallilla on etuja muihin malleihin verrattuna.

Real-time Quality of Service Controller for Differentiated Services

IP-verkkojen hyvin tunnettu haitta on, että nämä eivät pysty takaamaan tiettyä palvelunlaatua (Quality of Service) lähetetyille paketeille. Seuraavat kaksi tekniikkaa pidetään lupaavimpina palvelunlaadun tarjoamiselle: Differentiated Services (DiffServ) ja palvelunlaatureititys (QoS Routing). DiffServ on varsin uusi IETF:n määrittelemä Internetille tarkoitettu palvelunlaatumekanismi. DiffServ tarjoaa skaalattavaa palvelujen erilaistamista ilman viestintää joka hypyssä ja per-flow –tilan ohjausta. DiffServ on hyvä esimerkki hajautetusta verkkosuunnittelusta. Tämän palvelutasomekanismin tavoite on viestintäjärjestelmien suunnittelun yksinkertaistaminen. Verkkosolmu voidaan rakentaa pienestä hyvin määritellystä rakennuspalikoiden joukosta. Palvelunlaatureititys on reititysmekanismi, jolla liikennereittejä määritellään verkon käytettävissä olevien resurssien pohjalta. Tässä työssä selvitetään uusi palvelunlaatureititystapa, jota kutsutaan yksinkertaiseksi monitiereititykseksi (Simple Multipath Routing). Tämän työn tarkoitus on suunnitella palvelunlaatuohjain DiffServille. Tässä työssä ehdotettu palvelunlaatuohjain on pyrkimys yhdistää DiffServ ja palvelunlaatureititysmekanismeja. Työn kokeellinen osuus keskittyy erityisesti palvelunlaatureititysalgoritmeihin.

Kuopion Energian keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma

Tämän työn tavoitteena oli laatia Kuopion Energian keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma. Kehittämissuunnitelmaa varten selvitettiin ensin verkon nykytila ja toimivuus korvaustilanteissa. Tämän jälkeen laadittiin vuoteen 2020 asti ulottuvat kuormitusennusteet. Nykytilan ja kuormitusennusteiden pohjalta selvitettiin toimenpiteet, joilla Kuopion Energian keskijänniteverkko selviää tulevaisuuden vaatimuksista. Kehittämissuunnitelmassa selvitettiin alueet, joilla kuormitettavuus, korvattavuus tai oikosulkukestoisuus muodostuisi tulevaisuudessa toimivan sähkönjakelun esteeksi. Työn painopistealueiksi muodostuivat Savilahden ja Petosen alueet. Työssä selvitettiin, kuinka Petosen alueen nopean kuormituksen kasvun aiheuttama lisätehontarve saadaan hoidettua. Vaihtoehtoisina ratkaisutapoina selvitettiin lisäkapasiteetin rakentamista Petosen aluetta nykyisin syöttävälle Leväsen sähköasemalle tai uuden sähköaseman rakentamista. Savilahden alueen kasvavan tehontarpeen tyydyttämiseksi selvitettiin lisätehon saneeraamista Savilahden sähköasemalle tai vastaavasti uuden sähköaseman rakentamista Iloharjun kytkinasemalle.

1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannattavuuden tarkastelu

Tässä työssä tutkitaan 1000 V pienjännitejakelun taloudellista kannattavuutta. Tutkimus perustuu teoreettiseen tarkasteluun, jossa noudatetaan yleisiä verkostosuunnittelun periaatteita. EU-lainsäädäntö mahdollistaa 1000 V pienjänniteportaan sijoittamisen nykyisen keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon väliin lisäten kolmannen jakelujänniteportaan nykyään käytettävien 20 kV ja 0,4 kV väliin. Jakeluverkkojen kehittämiseksi on etsittävä ratkaisu, joka on taloudellinen sekä asiakkaiden että verkonhaltijoiden kannalta. Tällaiset ratkaisut pienentävät verkon käytön kokonaiskustannuksia ja parantavat sähkön laatua. Lisättäessä jakeluverkkoon kolmas jänniteporras, keskijänniteverkon johtopituus lyhenee ja varsinkin lyhyiden haarajohtojen määrä vähenee. Tämä vähentää keskijänniteverkossa esiintyvien keskeytysten määrää ja pienentää keskeytyskustannuksia. Kilovoltin järjestelmä on kannattava korvattaessa sillä osa keskijänniteverkkoa, tai estettäessä perinteisellä järjestelmällä tarvittava muuntopiirin jakaminen. Osana varsinaista pienjänniteverkkoa ei kilovoltinjärjestelmä ole kannattava. Tässä työssä kolmijänniteportaista jakeluverkkoa tutkitaan teoreettisilla verkkosuunnitelmilla, joita tehdään muutamille perusverkkotopologioille. Taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä kaksijänniteportaista ja kolmijänniteportaista verkkoratkaisua kustannusten suhteen teknisten reunaehtojen puitteissa. 1000 V pienjännitejakelu vaatii uudenlaisia verkostokomponentteja. Näistä on erityisesti käsitelty 1/0,4 kV pienjännitemuuntajaa. Muuntajasuunnittelun lähtökohtana on 1000 V verkon käyttäminen keskijänniteverkon jatkeena maasta erotettuna verkkona.

Keravan Energia Oy:n ja Etelä-Suomen Energia Oy:n sähköverkkojen yleissuunnitelma

Työn tavoitteena on ollut laatia Keravan Energia Oy:n ja Etelä-Suomen Energia Oy:n keskijänniteverkkoja koskeva yleissuunnitelma. Tutkimustyön painopiste on ollut verkkojen nykytilan selvityksen ohella ajankohtaisissa verkkojärjestelykysymyksissä. Kuormitusennusteiden laadinnan pohjana on ollut kunnista saatavat väestö- ja työpaikkaennusteet. Verkkojen vahvistusta koskevat toimenpide-ehdotukset sijoittuvat vahvoille kasvualueille Etelä-Sipooseen ja Alikeravalle. Eräs keskeisimmistä tehtävistä on ollut Etelä-Suomen Energia Oy:n verkkoon sijoittuvan Östersundomin alueen sähkönjakelun kehittäminen. Työssä on tarkasteltu ja vertailtu uuden sähköaseman rakentamista keskijänniteverkon saneeraamisvaihtoehtoon. Alueen kuormituksen nopea kasvu edellyttää verkoston kehittämissuunnitelmien pikaista toimeenpanoa jo seuraavien 1-2 vuoden kuluessa. Toinen merkittävistä verkostohankkeista sijoittuu Keravan Energia Oy:n sähköverkkoon. Työssä on selvitetty 110 kV:n verkon uudelleenjärjestelyjen vaikutuksia nykyisen keskijänniteverkon rakenteeseen. Savion ja Alikeravan asemien korvaaminen uudella asemalla aiheuttaisi asemainvestoinnin lisäksi noin kahden miljoonan markan lisäinvestoinnin kaapeliyhteyksien rakentamista varten sekä lähes miljoonan markan lisähäviökustannukset tarkasteluajalta.

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.

Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.

Using ICT Energy consumption for monitoring ICT architecture

Energy efficient policies are being applied to network protocols, devices and classical network management systems. Researchers have already studied in depth each of those fields, including for instance a long monitoring processes of various number of individual ICT equipment from where power models are constructed. With the development of smart meters and emerging protocols such as SNMP and NETCONF, currently there is an open field to couple the power models, translated to the expected behavior, with the realtime energy measurements. The goal is to derive a comparison on the power data between both of the processes in the direction of detection for possible deviations on the expected results. The logical assumption is that a fault in the usage of a particular device will not only increase its own energy usage, but also may cause additional consumption on the other devices part of the network. A platform is developed to monitor and analyze the retrieved power data of a simulated enterprise ICT infrastructure. Moreover, smart algorithms are developed which are aware of the different states that are occurring on each device during their typical use phase, as well as to detect and isolate possible anomalies. The produced results are obtained and validated with the use of Cisco switches and routers, Dell Precision stations and Raritan PDU as part of the monitored infrastructure.