Projeto e construção de subestações

Relatório de Estágio para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Dispatch of distributed Energy Resources to Provide Energy and Reserve in Smart Grids using a Particle Swarm Optimization Approach

The smart grid concept is a key issue in the future power systems, namely at the distribution level, with deep concerns in the operation and planning of these systems. Several advantages and benefits for both technical and economic operation of the power system and of the electricity markets are recognized. The increasing integration of demand response and distributed generation resources, all of them mostly with small scale distributed characteristics, leads to the need of aggregating entities such as Virtual Power Players. The operation business models become more complex in the context of smart grid operation. Computational intelligence methods can be used to give a suitable solution for the resources scheduling problem considering the time constraints. This paper proposes a methodology for a joint dispatch of demand response and distributed generation to provide energy and reserve by a virtual power player that operates a distribution network. The optimal schedule minimizes the operation costs and it is obtained using a particle swarm optimization approach, which is compared with a deterministic approach used as reference methodology. The proposed method is applied to a 33-bus distribution network with 32 medium voltage consumers and 66 distributed generation units.

Estratégias de Comercialização de Potência como Medida de Eficiência Energética

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular “ Dissertação” do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o aumento crescente do número de consumidores de energia, é cada vez mais imperioso a adoção de medidas de racionalização e gestão dos consumos da energia elétrica. Existem diferentes tipos de dificuldades no planeamento e implementação de novas centrais produtoras de energia renovável, pelo que também por este motivo é cada vez mais importante adoção de medidas de gestão de consumos, quer ao nível dos clientes alimentados em média tensão como de baixa tensão. Desta forma será mais acessível a criação de padrões de eficiência energética elevados em toda a rede de distribuição de energia elétrica. Também a economia é afetada por uma fraca gestão dos consumos por parte dos clientes. Elevados desperdícios energéticos levam a que mais energia tenha que ser produzida, energia essa que contribui ainda mais para a elevada taxa de dependência energética em Portugal, e para o degradar da economia nacional. Coloca-se assim a necessidade de implementar planos e métodos que promovam a eficiência energética e a gestão racional de consumos de energia elétrica. Apresenta-se nesta dissertação várias propostas, algumas na forma de projetos já em execução, que visam sensibilizar o consumidor para a importância da utilização eficiente de energia e, ao mesmo tempo, disponibilizam as ferramentas tecnológicas adequadas para auxiliar a implementação dos métodos propostos. Embora os planos apresentados, sobejamente conhecidos, tenham imensa importância, a implementação nos vários consumidores de sistemas capazes de efetivamente reduzir consumos tem um papel fundamental. Equipamentos de gestão de consumos, que são apresentados nesta dissertação, permitem ao consumidor aceder diretamente ao seu consumo. Podem aceder não apenas ao consumo global da instalação mas também ao consumo específico por equipamento, permitindo perceber onde se verifica a situação mais desfavorável. Funcionalidades de programação de perfis tipo, com limitações de potência em vários períodos horários, bem como possibilidades de controlo remoto com recurso a aplicações para Smartphones permitem a redução de consumos ao nível da rede de distribuição e, desta forma, contribuir para a redução dos desperdícios e da dependência energética em Portugal. No âmbito do trabalho de dissertação é desenvolvida uma metodologia de comercialização de potência, que é apresentada nesta tese. Esta metodologia propõem que o consumidor, em função dos seus consumos, pague apenas a quantidade de potência que efetivamente necessita num certo período de tempo. Assim, o consumidor deixa de pagar uma tarifa mensal fixa associada á sua potência contratada, e passará a pagar um valor correspondente apenas à potência que efetivamente solicitou em todas as horas durante o mês. Nesta metodologia que é apresentada, o consumidor poderá também fazer uma análise do seu diagrama de cargas e simular uma alteração da sua tarifa, tarifa esta que varia entre tarifa simples, bi-horária semanal, bi-horária diária, tri-horária semanal ou tri-horária diária, de forma a perceber em qual destas pagará um menor valor pela mesma energia. De forma a que o consumidor possa perceber se haverá vantagem de uma alteração para uma potência contratada flexível, ou para uma outra tarifa associada á energia, tem ao seu dispor uma ferramenta, que em função dos seus consumos, permite retirar conclusões sobre o preço final a pagar na fatura, após cada tipo de alteração. Esta ferramenta foi validada com recurso a várias simulações, para diferentes perfis de consumidores. Desta forma, o utilizador fica a perceber que realmente pode poupar com uma potência contratada flexível, ao mesmo tempo que pode identificar-se com um perfil de simulação e, mais facilmente, perceber para que alteração tarifária pode usufruir de uma maior poupança.

Elinkaarikustannusten ja toimitusvarmuuden analysointi sähkönjakelun saneerausmenetelmille

Tässä työssä tutkitaan haja-asutusalueiden sähkönjakeluverkkojen kehittämistä. Kehityskohteiksi on valittu viisi tekniikkaa, 1000 V-järjestelmä, keskijännitejohtojen siirtäminen teiden varsille, PAS -johtojen käyttö, maakaapelointi sekä pylväskatkaisijan käyttö. Teoreettisen tarkastelun tavoitteena on määrittää reunaehdot tarkasteltavien tekniikoiden kannattavuudelle. Aiemmin keskijänniteverkko on rakennettu lähes poikkeuksetta avojohtona. Viime vuosien myrskyt sekä lumikuormat ovat häirinneet sähkönjakelua ja nostaneet painetta jakeluvarmuuden kasvattamiseksi. Tutkimuksessa haja-asutusalueiden sähkönjakeluverkon kehittämiseen etsitään teknillisesti sekä taloudellisesti kannattavia ratkaisumalleja. Kehittämisen tavoitteena on parantaa kuluttajien sähkön laatua ja toimitusvarmuutta. Tutkimuksessa käsitellään tarkasteltavia tekniikoita esimerkkikohteiden avulla, jotka on valittu Itä-Suomelle tyypillisiltä jakelualueilta. Kohteissa taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä saneeraamista tarkastelussa oleviin korvaaviin menetelmiin. Korvaavilla ratkaisuilla toimitusvarmuus paranee, mutta kannattavuus riippuu siirrettävästä tehosta, asiakasryhmien jakaumasta sekä saavutettavasta vikataajuuden muutoksesta.

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.

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.

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.

Strategic Development of Electricity Distribution Networks – Concept and Methods

Strategic development of distribution networks plays a key role in the asset management in electricity distribution companies. Owing to the capital-intensive nature of the field and longspan operations of companies, the significance of a strategy is emphasised. A well-devised strategy combines awareness of challenges posed by the operating environment and the future targets of the distribution company. Economic regulation, ageing infrastructure, scarcity of resources and tightening supply requirements with challenges created by the climate change put a pressure on the strategy work. On the other hand, technology development related to network automation and underground cabling assists in answering these challenges. This dissertation aims at developing process knowledge and establishing a methodological framework by which key issues related to network development can be addressed. Moreover, the work develops tools by which the effects of changes in the operating environment on the distribution business can be analysed in the strategy work. To this end, the work discusses certain characteristics of the distribution business and describes the strategy process at a principle level. Further, the work defines the subtasks in the strategy process and presents the key elements in the strategy work and long-term network planning. The work delineates the factors having either a direct or indirect effect on strategic planning and development needs in the networks; in particular, outage costs constitute an important part of the economic regulation of the distribution business, reliability being thus a key driver in network planning. The dissertation describes the methodology and tools applied to cost and reliability analyses in the strategy work. The work focuses on determination of the techno-economic feasibility of different network development technologies; these feasibility surveys are linked to the economic regulation model of the distribution business, in particular from the viewpoint of reliability of electricity supply and allowed return. The work introduces the asset management system developed for research purposes and to support the strategy work, the calculation elements of the system and initial data used in the network analysis. The key elements of this asset management system are utilised in the dissertation. Finally, the study addresses the stages of strategic decision-making and compilation of investment strategies. Further, the work illustrates implementation of strategic planning in an actual distribution company environment.

Integration of microgrids into electricity distribution networks

Existing electricity distribution system is under pressure because implementation of distributed generation changes the grid configuration and also because some customers demand for better distribution reliability. In a short term, traditional network planning does not offer techno-economical solutions for the challenges and therefore the idea of microgrids is introduced. Islanding capability of microgrids is expected to enable better reliability by reducing effects of faults. The aim of the thesis is to discuss challenges in integration of microgrids into distribution networks. Study discusses development of microgrid related smart grid features and gives estimation of the guideline of microgrid implementation. Thesis also scans microgrid pilots around the world and introduces the most relevant projects. Analysis reveals that the main focus of researched studies is on low voltage microgrids. This thesis extends the idea to medium voltage distribution system and introduces challenges related to medium voltage microgrid implementation. Differences of centralized and distributed microgrid models are analyzed and the centralized model is discovered to be easiest to implement into existing distribution system. Preplan of medium voltage microgrid pilot is also carried out in this thesis.

Keskijänniteverkon maakaapeloinnin kannattavuus

Tämän työn tavoitteena oli löytää tekijöitä jotka vaikuttavat keskijänniteverkon maakaapeloinnin kannattavuuteen. 1950–1970 luvuilla verkkoa rakennettiin halvimmalla mahdollisella tavalla, eikä sähkönjakelun luotettavuuteen kiinnitetty huomiota. Tämä tuo verkkoyhtiöille haasteen vanhoja verkkoja saneerattaessa, sillä keskeytyskustannusten arvostus on noussut merkittävään asemaan. Työssä tarkoituksena oli vertailla avojohdon sekä maakaapeloinnin elinkaarikustannuksia kahden erilaisen johtolähdön avulla. Toisella johtolähdöllä oli suuri julkinen kuorma ja toinen johtolähtö oli pitkä maaseutulähtö jolla esiintyi paljon vikoja. Työssä tarkastellaan myös sähkönjakeluverkon käyttövarmuutta ja maakaapeloinnin ominaisuuksia. Elinkaarikustannuksiin vaikuttavia tekijöitä olivat investointikustannukset, keskeytyskustannukset sekä ylläpitokustannukset. Tuloksista voidaan huomata, että keskeytyskustannuksilla voi olla joissain tapauksissa hyvinkin suuri vaikutus johtolähdön elinkaareen. Pitkillä ja pienitehoisilla johtolähdöillä keskeytyskustannusten merkitys pienenee, eikä kaapeloinnilla saavuteta yhtä suurta hyötyä kuin suuritehoisemmilla lähdöillä.

Impact of reliability of supply on long-term development approaches to electricity distribution networks

The Finnish electricity distribution sector, rural areas in particular, is facing major challenges because of the economic regulation, tightening supply security requirements and the ageing network asset. Therefore, the target in the distribution network planning and asset management is to develop and renovate the networks to meet these challenges in compliance with the regulations in an economically feasible way. Concerning supply security, the new Finnish Electricity Market Act limits the maximum duration of electricity supply interruptions to six hours in urban areas and 36 hours in rural areas. This has a significant impact on distribution network planning, especially in rural areas where the distribution networks typically require extensive modifications and renovations to meet the supply security requirements. This doctoral thesis introduces a methodology to analyse electricity distribution system development. The methodology is based on and combines elements of reliability analysis, asset management and economic regulation. The analysis results can be applied, for instance, to evaluate the development of distribution reliability and to consider actions to meet the tightening regulatory requirements. Thus, the methodology produces information for strategic decision-making so that DSOs can respond to challenges arising in the electricity distribution sector. The key contributions of the thesis are a network renovation concept for rural areas, an analysis to assess supply security, and an evaluation of the effects of economic regulation on the strategic network planning. In addition, the thesis demonstrates how the reliability aspect affects the placement of automation devices and how the reserve power can be arranged in a rural area network.

The influence of high cable penetration in distribution networks on earth fault currents and the operation of relay protection.

Recent Storms in Nordic countries were a reason of long power outages in huge territories. After these disasters distribution networks' operators faced with a problem how to provide adequate quality of supply in such situation. The decision of utilization cable lines rather than overhead lines were made, which brings new features to distribution networks. The main idea of this work is a complex analysis of medium voltage distribution networks with long cable lines. High value of cable’s specific capacitance and length of lines determine such problems as: high values of earth fault currents, excessive amount of reactive power flow from distribution to transmission network, possibility of a high voltage level at the receiving end of cable feeders. However the core tasks was to estimate functional ability of the earth fault protection and the possibility to utilize simplified formulas for operating setting calculations in this network. In order to provide justify solution or evaluation of mentioned above problems corresponding calculations were made and in order to analyze behavior of relay protection principles PSCAD model of the examined network have been created. Evaluation of the voltage rise in the end of a cable line have educed absence of a dangerous increase in a voltage level, while excessive value of reactive power can be a reason of final penalty according to the Finish regulations. It was proved and calculated that for this networks compensation of earth fault currents should be implemented. In PSCAD models of the electrical grid with isolated neutral, central compensation and hybrid compensation were created. For the network with hybrid compensation methodology which allows to select number and rated power of distributed arc suppression coils have been offered. Based on the obtained results from experiments it was determined that in order to guarantee selective and reliable operation of the relay protection should be utilized hybrid compensation with connection of high-ohmic resistor. Directional and admittance based relay protection were tested under these conditions and advantageous of the novel protection were revealed. However, for electrical grids with extensive cabling necessity of a complex approach to the relay protection were explained and illustrated. Thus, in order to organize reliable earth fault protection is recommended to utilize both intermittent and conventional relay protection with operational settings calculated by the use of simplified formulas.

20 kV ilmajohtoverkon maakaapeloinnin vaikutus maasulkusuojaukseen ja loistehotaseeseen

Sähkömarkkinalakimuutokset ovat ohjanneet useita verkkoyhtiötä muuttamaan investoin-tistrategioitaan. Kiristyneet toimitusvarmuusvaatimukset edellyttävät useilta verkkoyh-tiöiltä aiempaa suurempaa panostusta jakeluverkon kehittämiseksi. Toimitusvarmuusvaa-timusten täyttäminen edellyttää myös merkittäviä muutoksia verkkoyhtiöiden käyttämiin verkostotekniikoihin. Suurhäiriöille alttiita ilmajohtoja muutetaan verkkoyhtiöissä totuttua nopeammalla aikataululla maakaapeleiksi tiukentuneiden toimitusvarmuusvaatimusten täyttämiseksi. PKS Sähkönsiirto Oy:n 20 kV sähköverkko on ollut suurimmalta osalta avojohtoverkkoa jossa toimitusvarmuus ei ole nykyisellään muuttuneen sähkömarkkinalain asettamalla ta-solla. Tämä on johtanut verkostostrategian luomiseen, jossa yhtenä toimena toimitusvar-muuden lisäämiseksi vaaditulle tasolle on avojohtolinjojen korvaaminen maakaapeleilla. Maakaapelointien nopea rakennusaikataulu tuo monia haasteita verkkoyhtiöille. Maakaa-pelointien korkea maasulkuvirran ja loistehon tuotto verrattuna avojohtoverkkoon tulee huomioida yhtiössä verkkoa rakennettaessa. Tässä diplomityössä selvitetään PKS Sähkönsiirto Oy:n verkostostrategian mukaisten maakaapelointien vaikutuksia sähköverkolle. Työssä on arvioitu tavoiteverkon mukaisten maakaapeleiden aiheuttamaa maasulkuvirran ja loistehon tuoton tasoa. Tulosten perusteel-la on tehty johtopäätökset mihin verkkoyhtiön on kiinnitettävä huomioita kaapelointeja suunnitellessa ja toteuttaessa.

Loistehon kompensoinnin ja yliaaltosuodattimien nykytila sekä kehityskohteet Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalla

Tutkimuksessa käsitelty kemikaalitehdas on 110 kV:n kantaverkkoon liittyvä tehointensiivinen teollisuuslaitos. Prosessien käyttöön mukautetut sähkönjakeluverkon yliaaltosuodattimet ja niiden käyttökytkennät ovat tärkeässä asemassa loistehon tuoton hallitsemiseksi liittymän loistehoikkunaan ja riittävän yliaaltosuodatuksen järjestämiseksi häviöt minimoiden. Kohteena olleen kemikaalitehtaan sähkönjakeluverkon kompensointia ja yliaaltosuodatusta on viimeksi tutkittu vuonna 2003. Tämän jälkeen verkostokomponentit ovat ikääntyneet, prosessien käyttö sekä pienjänniteverkko ovat muuttuneet ja tehdasta käyttävät osittain eri henkilöt. Nykytilaselvitykselle ja verkon kehityskohteiden analysoinnille on tullut tarve edellisen selvityksen jatkoksi. Tutkimus painottuu vahvasti kenttämittauksiin, joiden perusteella sekä kirjallisuutta ja tehtaan järjestelmiä hyödyntäen määritetään loistehotasot verkon keskeisimmissä kohteissa pien-, keski- ja suurjännitetasoilla. Tutkimuksessa esitetään lipeätehtaan suotimien uudelleenjärjestely 4. yliaallon vähentämiseksi ja yksikkökoon pienentämiseksi. Kantaverkon liittymäpisteen tilanne oli hyväksyttävä. Tutkimus esittää pienjännitekompensointia KF-4-100 keskukseen varayhteyden kapasiteettia lisäten. Tutkimus tuotti yleistietoutta verkon käytöstä ja selvitti parhaat käyttökytkennät loistehoikkunan hallitsemiseksi ilman loistehokustannuksia.

Long term individual load forecast under different electrical vehicles uptake scenarios

More and more households are purchasing electric vehicles (EVs), and this will continue as we move towards a low carbon future. There are various projections as to the rate of EV uptake, but all predict an increase over the next ten years. Charging these EVs will produce one of the biggest loads on the low voltage network. To manage the network, we must not only take into account the number of EVs taken up, but where on the network they are charging, and at what time. To simulate the impact on the network from high, medium and low EV uptake (as outlined by the UK government), we present an agent-based model. We initialise the model to assign an EV to a household based on either random distribution or social influences - that is, a neighbour of an EV owner is more likely to also purchase an EV. Additionally, we examine the effect of peak behaviour on the network when charging is at day-time, night-time, or a mix of both. The model is implemented on a neighbourhood in south-east England using smart meter data (half hourly electricity readings) and real life charging patterns from an EV trial. Our results indicate that social influence can increase the peak demand on a local level (street or feeder), meaning that medium EV uptake can create higher peak demand than currently expected.