Mittausvirtoihin liittyvä standardointi- ja kooditusehdotus uusilla energiamarkkinoilla

Sähkömarkkinaosapuolet ovat havainneet lukuisia puutteita ja haasteita tietojärjestelmien tiedonvaihtoon liittyvissä kysymyksissä. Tässä työssä käsitellään tiedonvaihdon ongelmaa mittausvirtojen kannalta. Tiedonvaihdon lisääntyminen ja sanomien monipuolistuminen on johtanut siihen, että läheskään kaikki tarpeelliset sanomat eivät ole standardoitu, ja jo luoduissa tai ehdotetuissa standardeissa on huomattavia eroavaisuuksia mm. eri maiden välillä. Tässä työssä kuvataan nykyinen automaattisen mittarinlukujärjestelmän ja jakeluverkkoyhtiön mittaustietovaraston välinen tiedonvaihtoratkaisu ja siihen liittyvät mittaustietovirrat. Työssä esitellään myös älykkäiden mittarien tuomia hyötyjä ja pohditaan uusien mittausten tuomia mahdollisuuksia. Lisäksi pohditaan nykyisten tietovirtojen koodituskäytäntöjen toimivuutta ja niiden puutteita ja ongelmia. Työssä laaditaan esimerkki standardi mittausvirtakonfiguraation mallintamiseksi sähkömarkkinoilla. Työn painopiste on energiamittaustietojen tietovirroissa lähtien laskutuksen tarpeista. Tavoitteena on automaattisten mittarinhallintaprojektien tuomien älykkäiden mittarien uusien mittausten aiheuttaman ja mahdollistaman tietovirran standardointi. Työssä pohditaan, kuinka tietovirta saadaan eheästi siirtymään mittauspalveluntarjoajan ja jakeluverkkoyhtiön järjestelmien välillä sekä miten uudet tiedonkäyttötarpeet tulisi koodittaa. Uudet sanomastandardiehdotukset esitetään XML-mallein, ja lopuksi pohditaan mallien toimivuutta ja niihin tarvittavia jatkokehitystarpeita.

Pienvesivoiman elvytys, käyttöönotto ja kannattavuus

Uusiutuvan energian tuottamisen lisääminen on edellytys saavuttaaksemme EU:n asettamat tavoitteet. Tämän takia on syytä tutkia kaikki mahdollisuudet uusiutuvan energian tuottamisen lisäämiseksi jopa aivan pienimmistä laitoksista lähtien. Tämän työn tarkoituksena on tutkia pienvesivoiman taloudellisuutta ja kannattavuutta energiantuotannossa. Työssä suoritetaan myös kustannuslaskenta, jossa pohditaan käytöstä poistetun laitoksen palauttamista takaisin sähkön tuotantoon. Samalla käydään läpi teknisiä, taloudellisia ja lakisääteisiä kysymyksiä, joita pienvoiman verkkoonliittäminen aiheuttaa. Tämä työ on eräänlainen käsikirja pienvesivoimasta. Pienvesivoiman liittäminen jakeluverkkoon on sinällään suojausteknisesti yksinkertaista, mutta kaikkien eri taloudellisten ja lakiteknisten tekijöiden huomioonottaminen on puolestaan haastavaa. Laitosten käyttö ja kunnossapito eivät sinällään vaadi sähköteknistä osaamista, kunhan turvallisuusseikat otetaan visusti huomioon. Työssä havaittiin, että pienvesivoima ei pienissä laitoksissa riitä kattamaan suuria työvoimakustannuksia, joita syntyy, kun yritysten henkilökunta ottaa osaa laitoksen toimintaan. Toisaalta pienvesivoima on erinomainen tapa tuottaa sähköä yksityiselle ihmiselle, mikäli hän on itse valmis operoimaan laitosta eikä laske omalle työlleen suuria kustannuksia. Edellytyksenä on, että omalta maa‐alueelta löytyy pienikin puro suhteellisen läheltä jakeluverkkoa.

Nikkilän ja Savion sähkönjakeluverkkojen kunnossapito- ja saneeraussuunnitelma

Keravan Energian ja Etelä-Suomen Energian sähkönjakeluverkot sijaitsevat kasvavalla alueella Etelä-Suomessa ja varsinkin Etelä-Suomen Energian alueelle Sipooseen on ennustettu suurta väestönkasvua. Sipoossa sähköverkko on pääasiassa avojohtovoittoista maaseutuverkkoa kun taas Keravalla sähköverkko on kaapeloitua kaupunkiverkkoa. Väkiluvun ja sähkön kulutuksen kasvu tuovat omat vaatimuksensa sähkönjakeluverkolle varsinkin Sipoon Nikkilässä. Diplomityössä selvitetään Etelä-Suomen Energia Oy:n ja Keravan Energia Oy:n keskijänniteverkkojen nykytila Nikkilän ja Savion alueilla sekä alueiden kasvuennusteet ja uusien asuinalueiden tehontarpeet vuonna 2025. Näiden pohjalta laaditaan keskijänniteverkkojen rakentamiseen ja mahdollisimman tehokkaaseen käyttöön johtava suunnitelma seuraavien viiden vuoden aikana tehtäville saneerauksille.

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.

Aktiivinen jännitteensäätö hajautetussa sähköntuotannossa

Hajautetun tuotannon määrä kasvaa jakeluverkossa tulevaisuudessa ja siksi jakeluverkon toiminta tulee muuttumaan aktiivisempaan suuntaan. Nykyisin tuotannon aiheuttamaa jännitteennousua rajoitetaan yleensä passiivisilla menetelmillä kuten vahvistamalla verkkoa. Tuotantolaitos ei tällöin osallistu jakeluverkon jännitteensäätöön. Tämä saattaa nostaa kapasiteetiltaan suurehkon tuotannon liittymiskustannukset niin korkeiksi, ettei tuotantolaitosta kannata rakentaa. Aktiivisella jännitteensäädöllä tuotantokapasiteettia voitaisiin merkittävästi kasvattaa nykyisissä jakeluverkoissa. Aktiivinen jännitteensäätö voi perustua joko paikalliseen säätöön, jolloin esim. tuotantolaitosta säädetään paikallisen jännitteen perusteella tai koordinoituun säätöön, jolloin verkon komponentteja säädetään kokonaisuutena. Työssä tutustutaan hajautettuun tuotantoon ja sen vaikutuksiin jakeluverkon jännitetasoissa sekä jännitteensäädössä. Työssä edetään passiivisesta jännitteensäädöstä aktiiviseen jännitteensäätöön. Aktiivisessa jännitteensäädössä tutustutaan muutamaan kirjallisuudessa esitettyyn algoritmiin ja käytännön toteutukseen. Työssä keskitytään vain verkon jännitetasoon, eikä muita jännitteen laadun ominaisuuksia oteta huomioon.

Sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaarianalyysi

Tässä työssä on tarkasteltu sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaaria niiden energiankulutuksen näkökulmasta. Työssä kerrotaan elinkaarianalyysin käyttämisestä tutkimusmenetelmänä erityisesti sähkönjakeluverkkojen tarkastelussa. Tarkasteltaviksi komponenteiksi on valittu 110 kV/20 kV sähköasemalta päämuuntajat ja keskijännitepuolen kojeistot, keskijännitejohtolähdön maakaapeli ja ilmajohtorakenteet sekä jake-lumuuntajat, pienjännitemaakaapelit ja -avojohdot. Työssä esitetään yksinkertainen menetelmä komponenttien elinkaarien aikana kuluvan energiamäärän ja siitä aiheutuvien CO2-päästöjen arviointiin. Lisäksi esitetään tuloksia tehdyistä esimerkkitarkasteluista ja analyysin lähtötietojen määrittämisestä. Työn tarkoitus on auttaa verkkoyhtiöitä arvioimaan komponentti-investointien kannattavuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Energiahäviöt ovat usein verkkoyhtiön suurin asiakas ja päästökaupan myötä myös CO2-päästöillä on hintansa. Energiatehokkaiden ratkaisujen käyttäminen on tullut entistä tärkeämmäksi komponentteja uusittaessa.

Jakelulogistiikan kustannustehokkuuden kehittäminen

Tämän diplomityön päätavoite on selvittää keinoja Woikoski Oy:n jakelulogistiikan kustannustehokkuuden kehittämiseksi. Päätavoite voidaan jakaa osatavoitteisiin, joita ovat varastonohjauksen kehittäminen ja jakelun kuljetustoimintojen tehostaminen. Varastoinnin nykytilaa arvioitiin ABC-analyysin avulla. Saatujen tulosten pohjalta määritettiin luokkakohtaiset varastonohjaussäännöt ja kiertonopeustavoitteet, jotka yhdessä muodostavat yritykselle varastopolitiikan. Havaitut ongelmat kulminoituivat jatkuvan varastoseurannan puuttumiseen, suuriin varastotasoihin sekä kysynnänhallinnan puutteisiin. Toimenpidesuosituksina yrityksen tulee investoida tehokkaaseen varastonhallintajärjestelmään sekä aloittaa systemaattinen kysynnän ennustaminen. Kuljetuksiin liittyviksi toimenpiteiksi ehdotetaan runko- ja jakelukuljetusten reittien sekä jakelualueiden optimointia ja tuloksena saadun jakelumallin käyttöönottoa. Nykyistä jakelurahtien hinnoittelua suositellaan tarkennettavaksi siten, että jakelukustannuksia ja toimitusmääriä eritellään nykyistä tarkemmin ja asiakkaille kohdistetaan rahtikustannuksia todenmukaisin perustein. Lisäksi logistiikkatoimintaa tulee yhtenäistää eri toimipaikkojen kesken ja toimintojen mittaamista on tehostettava organisaatiossa.

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.

1000 V jakelujännitteen käyttömahdollisuudet Kymenlaakson Sähköverkko Oy:ssä

Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n 20/0,4 kV tekniikalla toteutettu sähkönjakeluverkko on monin paikoin saavuttamassa pitoaikansa loppua. Sähkönjakeluverkko sijaitsee pääasiassa haja-asutusalueilla ja on pääosin avojohtotekniikalla rakennettua. Haja-asutusalueilla 20 kV sähköverkko sisältää paljon lyhyitä 1–5 km pituisia johtohaaroja. Tässä diplomityössä selvitettiin 20/1/0,4 kV sähkönjakelujärjestelmän käyttömahdollisuuksia Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa. Työssä vertailtiin erilaisilla verkostoratkaisuilla saatavia elinkaarikustannuksia perusparannus- ja uudisrakennuskohteissa. Tutkimuksen perusteella Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa on potentiaalia 1000 V jakelujännitteen käytölle. Työssä perehdyttiin myös 1000 V verkostokomponenttien merkitsemiseen ja verkkoyhtiön tekemiin 1000 V verkon tarkastuksiin.

Radioverkon mallintaminen nurba-pintaa hyödyntäen

Tässä työssä perehdytaan erilaisiin tapoihin mallintaa radioverkon kuuluvuutta verkon suunnittelua ja erilaisia palveluja varten. Tämän tarkastelun perusteella muodostetaan ongelmaan NURBS-pintaan perustuva ratkaisu, jolla radioverkon kuuluvuutta voidaan tarkastella kolmiulotteisesti. Radioverkon kuuluvuutta mallinnettaessa työssä kehitetty malli ottaa syötteenään tietoja rakennuksesta ja mitattuja signaalivoimakkuuksia ja luo näiden perusteella kolmiulotteisen pinnan, jonka avulla pystytään tarkastelemaan kuuluvuusaluetta. Kehitetyn mallin perusteella työssä toteutettiin radioverkon kuuluvuutta mallintava sovellus, joka pystyy tarjoamaan tietoa signaalin voimakkuudesta myös muiden sovellusten tarpeisiin.

Mäntsälän Sähkö Oy:n jakeluverkon kehittämissuunnitelma

Työn tavoitteena oli laatia Mäntsälän Sähkö Oy:n jakeluverkon kehittämissuunnitelma vuodelle 2020. Työn laadinta aloitettiin selvittämällä verkon nykytila ja käyttövarmuus korvaustilanteissa. Tämän jälkeen työssä paikannettiin alueet, joissa korvattavuuden parantaminen tai kuormituksien kasvaminen tulevaisuudessa edellyttää mittavia investointeja jakeluverkon käyttövarmuuden takaamiseksi. Työssä tarkastellaan yksityiskohtaisemmin Järvelän alueen käyttövarmuuden kehittämistä ja Hennan alueen kuormituksen kasvuun varautumista. Järvelän alueen käyttövarmuuden parantaminen edellyttää joko uutta sähköasemainvestointia tai 110 kV johdon rakentamista. Hennan alueen kuormituksen kasvu edellyttää, alueen kuormituksista riippuen, joko yhtä tai kahta uutta sähköasemainvestointia.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella

Suomessa sähkönjakeluverkko koostuu pääasiassa 20 kV ja 400 V jännitetasoista. Tällöin sähkö viedään lähelle kuluttajia suuremmalla jännitetasolla ja muunnetaan alhaisemmaksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että haja-asutusalueilla jakelumuuntajien määrä kasvaa suureksi, koska ne täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen jännite olisi suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä taasen edellyttää asiakaskohtaisien vaihtosuuntaajien käyttöä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvän hyötysuhteen puitteissa. Vaihtosuuntaaja on toteutettu käyttämällä resonanssikonvertteria, joka vaihtosuuntaa jakelujännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi. Tämän jälkeen toteutetaan galvaaninen erotus käyttäen suurtaajuusmuuntajaa. Tätä seuraa syklokonvertteri, joka pulssintiheysmodulaatiota soveltaen muodostaa lähtöjännitteen. Tämä suodatetaan lopuksi LC- alipäästösuotimella säröltään standardin mukaiseksi. Laite on jaettu työssä kolmeen osaan, joista jokaisen toiminta on selitetty ja simuloitu itsenäisesti. Lopussa koko järjestelmä on simuloitu yhtenä kokonaisuutena. Hyötysuhteeksi arvioitiin karkeasti 94 % ja lopullisista tuloksista voidaan päätellä, että laitteen toteuttaminen prototyypiksi voisi olla kannattavaa.

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.

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.

Jännitteenkorotin heikkoihin jakeluverkkoihin

Sähkönkulutuksen kasvaessa jakeluverkossa syntyy yhä enemmän jännitteenalenemia, jotka ylittävät sähkön laatustandardin asettamat raja-arvot. Jännitteenalenemista kärsivät etenkin syrjäseuduilla asuvat ihmiset, joiden käyttökohteet sijaitsevat kaukana jakelumuuntajasta. Perinteinen tapa on ollut kasvattaa syöttävän jakelukaapelin poikkipinta-alaa ja vaihtaa jakelumuuntaja suurempaan ongelman ratkaisemiseksi, mutta investointi on kuitenkin kallis eikä välttämättä maksa itseään koskaan takaisin. On myös mahdollista, että aiempaa suuremman muuntajan tyhjäkäyntihäviöillä on huonontava vaikutus järjestelmän energiatehokkuuteen. Tällöin voi olla kokonaistaloudellisesti kannattavampaa liittää sähköverkkoon laite, jolla voidaan korjata jännitteenalenemia. Diplomityössä tutkitaan säästömuuntajaan perustuvaa jännitteenkorotinta, jolla voidaan vähentää jakeluverkon jännitteenalenemien aiheuttamia haittoja. Työssä tutkitaan laitteen eri kytkintopologioita sekä niiden ohjausmenetelmiä, joilla voidaan muuttaa säästömuuntajan käämikierrosmääriä sen ollessa kuormitettuna.