Optimal management of microgrids

Desenvolupament dels models matemàtics necessaris per a controlar de forma òptima la microxarxa existent als laboratoris del Institut de Recerca en Energia de Catalunya. Els algoritmes s'implementaran per tal de simular el comportament i posteriorment es programaran directament sobre els elements de la microxarxa per verificar el seu correcte funcionament.. Desenvolupament dels models matemàtics necessaris per a controlar de forma òptima la microxarxa existent als laboratoris del Institut de Recerca en Energia de Catalunya. Els algoritmes s'implementaran per tal de simular el comportament i posteriorment es programaran directament sobre els elements de la microxarxa per verificar el seu correcte funcionament.

Energiatiedon hallintajärjestelmän suorituskyvyn määrittäminen ja todentaminen

Sähkömarkkinoiden vapautumisen jälkeen energia-alalle on muodostunut entistä suurempi kysyntä kehittyneille energiatiedon hallintaaan erikoistuneille tietojärjestelmille. Uudet lakisäädökset sekä tulevaisuuden kokonaisvaltaiset tiedonkeruujärjestelmät, kuten älykkäät mittarit ja älykkäät sähköverkot, tuovat mukanaan entistä suuremman prosessoitavan tietovirran. Nykyaikaisen energiatietojärjestelmän on kyettävä vastaamaan haasteeseen ja palveltava asiakkaan vaatimuksia tehokkaasti prosessien suorituskyvyn kärsimättä. Tietojärjestelmän prosessien on oltava myös skaalautuvia, jotta tulevaisuuden lisääntyneet prosessointitarpeet ovat hallittavissa. Tässä työssä kuvataan nykyaikaisen energiatietojärjestelmän keskeiset energiatiedon hallintaan ja varastointiin liittyvät komponentit. Työssä esitellään myös älykkäiden mittareiden perusperiaate ja niiden tuomat edut energia-alalla. Lisäksi työssä kuvataan visioita tulevaisuuden älykkäiden sähköverkkojen toteutusmahdollisuuksista. Diplomityössä esitellään keskeisiä suorituskykyyn liittyviä kokonaisuuksia. Lisäksi työssä kuvataan keskeiset suorituskyvyn mittarit sekä suorituskykyvaatimukset. Järjestelmän suorituskyvyn arvioinnin toteuttamiseen on erilaisia menetelmiä, joista tässä työssä kuvataan yksi sen keskeisine periaatteineen. Suorituskyvyn analysointiin käytetään erilaisia tekniikoita, joista tässä diplomityössä esitellään tarkemmin järjestelmän mittaus. Työssä toteutetaan myös case-tutkimus, jossa analysoidaan mittaustiedon sisääntuontiin käytettävän prosessin kahta eri kehitysversiota ja näiden suorituskykyominaisuuksia. Kehitysversioiden vertailussa havaitaan, että uusi versio on selkeästi edellistä versiota nopeampi. Case-tutkimuksessa määritetään myös suorituskyvyn kannalta optimaalinen rinnakkaisprosessien määrä ja tutkitaan prosessin skaalautuvuutta. Tutkimuksessa todetaan, että uusi kehitysversio skaalautuu lineaarisesti.

Älykkäät sähköverkot

Tässä diplomityössä esitellään älykkäiden sähköverkkojen ominaisuuksia. Tavoitteena on selvittää, millaisia hyötyjä sähköverkkojen uudistamisella voidaan saavuttaa. Lisäksi työssä selvitetään syitä, jotka ovat ajaneet sähköverkkojen uudistamiseen. Älykäs sähkönmittaus on tärkeä osa älykkäitä sähköverkkoja, ja työssä on esitelty älykkäiden sähkömittareiden tilannetta eri maissa. Diplomityö selvittää myös hajautetun pientuotannon roolia sähköntuotannossa. Työn loppupuolella on esitelty muutama smart grid -projekti Euroopasta. Projektit valittiin Euroopasta, koska smart grids on oleellinen tekijä Euroopan komission 20/20/20 -tavoitteessa. Molemmat projektit kulminoituvat täysin älykkään sähkönmittauksen liittämiseen osaksi kuluttajien sähkönmittausta. Esimerkkien avulla nähdään, millaisella aikataululla älykkäitä sähköverkkoja saadaan aikaan ja kuinka suuria verkostokokonaisuuksia tulevaisuuden sähköverkot ovat.

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.

Tuulivoiman verkkomääräykset Euroopassa ja Yhdysvalloissa sekä niiden kehittyminen tulevaisuudessa älykkäiden sähköverkkojen kannalta

Tuulivoimatekniikan nopea kehitys on lisännyt tuulivoimakapasiteetin määrää sähköverkoissa. Eri maiden siirtoverkko-operaattorit ovatkin julkaisseet tuulivoimaloille omat verkkomääräyksensä. Työssä tutkitaan tuulivoimaloiden tekniikkaa, eri maiden verkko-operaattoreiden asettamia verkkomääräyksiä tuulivoimalle sekä arvioidaan näiden kehitystä tulevaisuudessa. Tutkittaviksi alueiksi on valittu maita, joiden siirtoverkot ovat rakenteeltaan erilaisia ja joissa tuulivoimaloille asetetut vaatimukset sekä asennetun tuulivoimakapasiteetin määrät vaihtelevat. Verkkomääräyksiä käsitellessä on keskitytty vain tärkeimpiin teknisiin vaatimuksiin. Eri verkkomääräykset eroavat toisistaan rakenteeltaan sekä vaatimuksiltaan ja ne ovat tiukentuneet tuulivoiman osuuden kasvaessa kokonaisenergiantuotannosta. Tämä on vaikeuttanut sähköverkoissa toimivien osapuolien operointia. Verkkomääräyksien harmonisoinnille ja kehittämiselle onkin tarvetta verkon kaikkien osapuolien toimintaedellytyksien parantamiseksi. Tuulivoimaloiden sisältämän tehoelektroniikan ja älykkäiden sähköverkkojen kehityksen myötä voidaan tuulivoimalla saavuttaa myös monia etuja esimerkiksi muihin tuotantotapoihin verrattuna.

Hajautetun tuotannon verkkoonliittäminen - verkkokoodit ja käytännön toimet

Euroopan unionin asettamat uusiutuvan energian lisäämistavoitteet ovat kasvattaneet hajautetun tuotannon määrää Euroopassa. Eri hajautetun tuotannon verkkokoodit asettavat tuotantolaitoksille omat vaatimuksensa, mikä vaikeuttaa eri toimijoita, joten yhtenäiselle verkkokoodille on tarvetta. ENTSO-E onkin luomassa tällä hetkellä Euroopan unionille yhtenäisiä pilottiverkkokoodeja, joiden tarkoitus on myöhemmin kattaa kaikkia tuotantolaitoksia koko Euroopassa. Tämän vuoksi ENTSO-E:n verkkokoodien vaatimuksia on syytä tutkia. Tässä diplomityössä tarkastellaan hajautetun tuotannon nykyisiä ja ENTSO-E:n kehitteillä olevia verkkokoodeja. Työssä tutkitaan myös älykkäiden verkkojen ja verkkokoodien kehitystä. Verkkokoodien vertailuja suoritetaan pohjoismaisesta näkökulmasta, mutta vertailuun on otettu myös muita Euroopan maita. Tarkastelu painottuu siirto- ja jakeluverkkokoodien osalta tuulivoimalle asetettaviin vaatimuksiin. Mikrotuotannon verkkokoodien ja käytännön toimien tarkastelu keskittyy invertterin kautta verkkoonliitettäviin tuotantolaitoksiin, joissa aurinkotuotanto on merkittävin tuotantomuoto.

Sähköntuotannon pienjänniteverkkoon liittäminen - määräykset ja sähköturvallisuus

Älykkäiden sähköverkkojen (Smart Grid) avulla pyritään vastaamaan sähkönkäytön tehostamisvaatimuksiin. Pientuotanto on yksi tärkeimmistä älykkäiden sähköverkkojen osatekijöistä. Suomessa yksityishenkilöiden innostus omaan sähköntuotantoon ei ole vielä virinnyt, monista eri tekijöistä johtuen. Tulevaisuuden sähköverkoissa pientuotannon rooli on kuitenkin merkittävä. Diplomityössä tarkastellaan pientuotannon yleistymisen edellytyksiä ja tuotannon pienjänniteverkkoon liittämistä. Pientuotannon potentiaalia tarkastellaan eri tuotantomuotojen ja niiden kannattavuuden näkökulmasta. Työn tärkein osuus keskittyy verkkoonliittämismääräyksiin ja sähköturvallisuuteen. Pienjänniteverkkoon liitetty tuotantolaitos on uusi syöttöpiste verkossa ja aiheuttaa esimerkiksi suojaushaasteita. Lisäksi aihepiiri on vielä uusi ja toimintamenetelmät ovat osin vaillinaisia. Työssä esitetään tärkeimmät haasteet, pohditaan niiden merkittävyyttä ja käydään läpi ratkaisuvaihtoehtoja. Selviä teknisiä esteitä pientuotannon yleistymiselle ei Suomessa ole.

Development of a measuring-control system for energy monitoring in low power

In this thesis a control system for an intelligent low voltage energy grid is presented, focusing on the control system created by using a multi-agent approach which makes it versatile and easy to expand according to the future needs. The control system is capable of forecasting the future energy consumption and decisions making on its own without human interaction when countering problems. The control system is a part of the St. Petersburg State Polytechnic University’s smart grid project that aims to create a smart grid for the university’s own use. The concept of the smart grid is interesting also for the consumers as it brings new possibilities to control own energy consumption and to save money. Smart grids makes it possible to monitor the energy consumption in real-time and to change own habits to save money. The intelligent grid also brings possibilities to integrate the renewable energy sources to the global or the local energy production much better than the current systems. Consumers can also sell their extra power to the global grid if they want.

Communication Solutions for LVDC Island Networks

Production and generation of electrical power is evolving to more environmental friendly technologies and schemes. Pushed by the increasing cost of fossil fuels, the operational costs of producing electrical power with fossil fuels and the effect in the environment, like pollution and global warming, renewable energy sources gain con-stant impulse into the global energy economy. In consequence, the introduction of distributed energy sources has brought a new complexity to the electrical networks. In the new concept of smart grids and decen-tralized power generation; control, protection and measurement are also distributed and requiring, among other things, a new scheme of communication to operate with each other in balance and improve performance. In this research, an analysis of different communication technologies (power line communication, Ethernet over unshielded twisted pair (UTP), optic fiber, Wi-Fi, Wi-MAX, and Long Term Evolution) and their respective characteristics will be carried out. With the objective of pointing out strengths and weaknesses from different points of view (technical, economical, deployment, etc.) to establish a richer context on which a decision for communication approach can be done depending on the specific application scenario of a new smart grid deployment. As a result, a description of possible optimal deployment solutions for communication will be shown considering different options for technologies, and a mention of different important considerations to be taken into account will be made for some of the possible network implementation scenarios.

Power-line-communication-based data transmission concept for an LVDC electricity distribution network – Analysis and implementation

Communications play a key role in modern smart grids. New functionalities that make the grids ‘smart’ require the communication network to function properly. Data transmission between intelligent electric devices (IEDs) in the rectifier and the customer-end inverters (CEIs) used for power conversion is also required in the smart grid concept of the low-voltage direct current (LVDC) distribution network. Smart grid applications, such as smart metering, demand side management (DSM), and grid protection applied with communications are all installed in the LVDC system. Thus, besides remote connection to the databases of the grid operators, a local communication network in the LVDC network is needed. One solution applied to implement the communication medium in power distribution grids is power line communication (PLC). There are power cables in the distribution grids, and hence, they may be applied as a communication channel for the distribution-level data. This doctoral thesis proposes an IP-based high-frequency (HF) band PLC data transmission concept for the LVDC network. A general method to implement the Ethernet-based PLC concept between the public distribution rectifier and the customerend inverters in the LVDC grid is introduced. Low-voltage cables are studied as the communication channel in the frequency band of 100 kHz–30 MHz. The communication channel characteristics and the noise in the channel are described. All individual components in the channel are presented in detail, and a channel model, comprising models for each channel component is developed and verified by measurements. The channel noise is also studied by measurements. Theoretical signalto- noise ratio (SNR) and channel capacity analyses and practical data transmission tests are carried out to evaluate the applicability of the PLC concept against the requirements set by the smart grid applications in the LVDC system. The main results concerning the applicability of the PLC concept and its limitations are presented, and suggestion for future research proposed.

On advancing business intelligence in the electricity retail market

In recent decades, business intelligence (BI) has gained momentum in real-world practice. At the same time, business intelligence has evolved as an important research subject of Information Systems (IS) within the decision support domain. Today’s growing competitive pressure in business has led to increased needs for real-time analytics, i.e., so called real-time BI or operational BI. This is especially true with respect to the electricity production, transmission, distribution, and retail business since the law of physics determines that electricity as a commodity is nearly impossible to be stored economically, and therefore demand-supply needs to be constantly in balance. The current power sector is subject to complex changes, innovation opportunities, and technical and regulatory constraints. These range from low carbon transition, renewable energy sources (RES) development, market design to new technologies (e.g., smart metering, smart grids, electric vehicles, etc.), and new independent power producers (e.g., commercial buildings or households with rooftop solar panel installments, a.k.a. Distributed Generation). Among them, the ongoing deployment of Advanced Metering Infrastructure (AMI) has profound impacts on the electricity retail market. From the view point of BI research, the AMI is enabling real-time or near real-time analytics in the electricity retail business. Following Design Science Research (DSR) paradigm in the IS field, this research presents four aspects of BI for efficient pricing in a competitive electricity retail market: (i) visual data-mining based descriptive analytics, namely electricity consumption profiling, for pricing decision-making support; (ii) real-time BI enterprise architecture for enhancing management’s capacity on real-time decision-making; (iii) prescriptive analytics through agent-based modeling for price-responsive demand simulation; (iv) visual data-mining application for electricity distribution benchmarking. Even though this study is from the perspective of the European electricity industry, particularly focused on Finland and Estonia, the BI approaches investigated can: (i) provide managerial implications to support the utility’s pricing decision-making; (ii) add empirical knowledge to the landscape of BI research; (iii) be transferred to a wide body of practice in the power sector and BI research community.

Kiinteistöautomaatio osana älykkäitä sähköjärjestelmiä

Työssä tarkasteltiin älykkäiden sähköverkkojen näkökulmasta, millaisia toiminnallisuuksia kiinteistöautomaatiojärjestelmiltä odotetaan ja miten markkinoilla olevat järjestelmät vastaavat näihin odotuksiin. Lisäksi arvioitiin, kuinka taloudellisesti kannattavia valittuihin automaatiojärjestelmiin kuuluvat energian käytön hallintaan liittyvät toiminnallisuudet ovat sähkönkäyttäjien näkökulmasta. Lopuksi tehtiin lyhyt katsaus kiinteistöautomaatiojärjestelmien tulevaisuuden näkymiin. Kiinteistöautomaatiolla voidaan vaikuttaa energian käytön tehokkuuteen ohjaamalla esimerkiksi valaistusta, ilmanvaihtoa, ilmastointia, lämmitystä ja sähkölaitteita. Eräs vaihtoehto on toteuttaa ohjauksen avulla markkinapohjaista kysyntäjoustoa, jossa kiinteistön sähköjärjestelmän toimintaa säädetään sähkön hinnan perusteella. Kiinteistössä tulee myös voida tehdä laitekohtaisia energiankulutuksen mittauksia, jotka antavat tietoa sähkönkäyttäjille eri laitteiden sähkönkulutuksesta. Kiinteistöautomaation ja sähkön pientuotannon yleistymisen myötä on myös etähallittavien virtuaalivoimaloiden toteuttaminen tulossa mahdolliseksi. Lisäksi laskettiin sähkönkäyttäjän kannalta lämmityksen, valaistuksen ja ilmanvaihdon ohjauksen kannattavuutta ja selvitettiin, että tutkituissa esimerkkijärjestelmissä suurin säästöpotentiaali on lämmityksen ohjauksessa.

Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation

Over the recent years, smart grids have received great public attention. Many proposed functionalities rely on power electronics, which play a key role in the smart grid, together with the communication network. However, “smartness” is not the driver that alone motivates the research towards distribution networks based on power electronics; the network vulnerability to natural hazards has resulted in tightening requirements for the supply security, set both by electricity end-users and authorities. Because of the favorable price development and advancements in the field, direct current (DC) distribution has become an attractive alternative for distribution networks. In this doctoral dissertation, power electronic converters for a low-voltage DC (LVDC) distribution system are investigated. These include the rectifier located at the beginning of the LVDC network and the customer-end inverter (CEI) on the customer premises. Rectifier topologies are introduced, and according to the LVDC system requirements, topologies are chosen for the analysis. Similarly, suitable CEI topologies are addressed and selected for study. Application of power electronics into electricity distribution poses some new challenges. Because the electricity end-user is supplied with the CEI, it is responsible for the end-user voltage quality, but it also has to be able to supply adequate current in all operating conditions, including a short-circuit, to ensure the electrical safety. Supplying short-circuit current with power electronics requires additional measures, and therefore, the short-circuit behavior is described and methods to overcome the high-current supply to the fault are proposed. Power electronic converters also produce common-mode (CM) and radio-frequency (RF) electromagnetic interferences (EMI), which are not present in AC distribution. Hence, their magnitudes are investigated. To enable comprehensive research on the LVDC distribution field, a research site was built into a public low-voltage distribution network. The implementation was a joint task by the LVDC research team of Lappeenranta University of Technology and a power company Suur-Savon S¨ahk¨o Oy. Now, the measurements could be conducted in an actual environment. This is important especially for the EMI studies. The main results of the work concern the short-circuit operation of the CEI and the EMI issues. The applicability of the power electronic converters to electricity distribution is demonstrated, and suggestions for future research are proposed.

The Open Web of Things as a means to unlock the potential of the IoT

Abstract: There is a lot of hype around the Internet of Things along with talk about 100 billion devices within 10 years time. The promise of innovative new services and efficiency savings is fueling interest in a wide range of potential applications across many sectors including smart homes, healthcare, smart grids, smart cities, retail, and smart industry. However, the current reality is one of fragmentation and data silos. W3C is seeking to fix that by exposing IoT platforms through the Web with shared semantics and data formats as the basis for interoperability. This talk will address the abstractions needed to move from a Web of pages to a Web of things, and introduce the work that is being done on standards and on open source projects for a new breed of Web servers on microcontrollers to cloud based server farms. Speaker Biography -Dave Raggett : Dave has been involved at the heart of web standards since 1992, and part of the W3C Team since 1995. As well as working on standards, he likes to dabble with software, and more recently with IoT hardware. He has participated in a wide range of European research projects on behalf of W3C/ERCIM. He currently focuses on Web payments, and realising the potential for the Web of Things as an evolution from the Web of pages. Dave has a doctorate from the University of Oxford. He is a visiting professor at the University of the West of England, and lives in the UK in a small town near to Bath.

A model of UK domestic appliance-use using Artificial Neural Networks

The development of an Artificial Neural Network model of UK domestic appliance energy consumption is presented. The model uses diary-style appliance use data and a survey questionnaire collected from 51 households during the summer of 2010. It also incorporates measured energy data and is sensitive to socioeconomic, physical dwelling and temperature variables. A prototype model is constructed in MATLAB using a two layer feed forward network with backpropagation training and has a12:10:24architecture.Model outputs include appliance load profiles which can be applied to the fields of energy planning (micro renewables and smart grids), building simulation tools and energy policy.