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.

Reliability evaluation of distribution systems considering automatic reclosers

This paper presents a new methodology to evaluate in a predictive way the reliability of distribution systems, considering the impact of automatic recloser switches. The developed algorithm is based on state enumeration techniques with Markovian models and on the minimal cut set theory. Some computational aspects related with the implementation of the proposed algorithm in typical distribution networks are also discussed. The description of the proposed approach is carried out using a sample test system. The results obtained with a typical configuration of a Brazilian system (EDP Bandeirante Energia S.A.) are presented and discussed.

Chronological Monte Carlo-based assessment of distribution system reliability

Regulatory authorities in many countries, in order to maintain an acceptable balance between appropriate customer service qualities and costs, are introducing a performance-based regulation. These regulations impose penalties, and in some cases rewards, which introduce a component of financial risk to an electric power utility due to the uncertainty associated with preserving a specific level of system reliability. In Brazil, for instance, one of the reliability indices receiving special attention by the utilities is the Maximum Continuous Interruption Duration per customer (MCID). This paper describes a chronological Monte Carlo simulation approach to evaluate probability distributions of reliability indices, including the MCID, and the corresponding penalties. In order to get the desired efficiency, modern computational techniques are used for modeling (UML -Unified Modeling Language) as well as for programming (Object- Oriented Programming). Case studies on a simple distribution network and on real Brazilian distribution systems are presented and discussed. © Copyright KTH 2006.

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.

A Note on the Prior Distributions of Weibull Parameters for the Reliability Function

In Bayesian Inference it is often desirable to have a posterior density reflecting mainly the information from sample data. To achieve this purpose it is important to employ prior densities which add little information to the sample. We have in the literature many such prior densities, for example, Jeffreys (1967), Lindley (1956); (1961), Hartigan (1964), Bernardo (1979), Zellner (1984), Tibshirani (1989), etc. In the present article, we compare the posterior densities of the reliability function by using Jeffreys, the maximal data information (Zellner, 1984), Tibshirani's, and reference priors for the reliability function R(t) in a Weibull distribution.

Efficient Placement of Fault Indicators in an Actual Distribution System Using Evolutionary Computing

This paper proposes an evolutionary computing strategy to solve the problem of fault indicator (FI) placement in primary distribution feeders. More specifically, a genetic algorithm (GA) is employed to search for an efficient configuration of FIs, located at the best positions on the main feeder of a real-life distribution system. Thus, the problem is modeled as one of optimization, aimed at improving the distribution reliability indices, while, at the same time, finding the least expensive solution. Based on actual data, the results confirm the efficiency of the GA approach to the FI placement problem.

Tasasähkön hyödyntämismahdollisuudet sähkönjakelussa

Tässä työssä on tutkittu tasasähkönsiirron tuomia mahdollisuuksia sähkönjakelussa, kun pienjännitedirektiivin pienjännitemäärittelyn soveltamista laajennetaan koskemaan vaihtojännitteen lisäksi myös tasajännitettä. Aiemmin tasasähköjärjestelmiä on käytetty ainoastaan sähköistymisen alkuaikoina 1900-luvun alussa. Viime vuosikymmeninä on sähkönjakelussa käytetty pelkästään vaihtosähköverkkoja, koska tehoelektronisten laitteiden korkea hintataso ja tekniset ominaisuudet ovat mahdollistaneet tasasähkön käytön vain suurjännitteellä. Suomalaisten sähkönkäyttö on lisääntynyt muutamalla prosenttiyksiköllä vuosittain ja kasvun taantumista ei ole odotettavissa lähiaikoina. Samaan aikaan yhteiskunta muuttuu jatkuvasti yhä riippuvaisemmaksi sähköstä ja odotukset toteutuvasta sähkönlaadusta ovat jatkuvasti korkeammat. Sähkönlaadun näkökulmasta ilmasto on tuonut aiempia suurempia haasteita sähkön toimitusvarmuudelle, kun myrskyjen aiheuttamat tuhot ovat olleet yhä entisiä suurempia. Toimitusvarmuuden parantamiseksi ovat muutamat vuosikymmenen alun rajut myrskyt johtaneet pohdintaan tulevien haasteiden hoitamiseksi ja edelleen uuden 3-portaiseen 20/1/0,4 kV vaihtosähköjärjestelmän kehittämiseen. Tasasähkönsiirron avulla halutaan tuoda käyttöön niitä hyötyjä, joita järjestelmän vaihdolla on saavutettavissa. Täysimääräisellä tasajännitteen hyödyntämisellä voidaan saavuttaa mm. aiempaa edullisempia investointivaihtoehtoja,parempi sähkönlaatu, parempi hajautetun tuotannon liitettävyys verkkoon ja erilaisten asiakaskohtaisten laitteiden helppo integroitavuus osaksi jakelujärjestelmää. Tämän työn puitteissa on pohdittu sekä teknisiä ratkaisuja että järjestelmän teknistaloudellista käyttöaluetta. Lisäksi on pyritty hahmottamaan eri tekijöiden vaikutuksia sähkönjakeluun.

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.

Sähkönjakelun luotettavuusindeksit ja laskenta

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty sähkönjakelun luotettavuusanalysointia, laskentaa sekä luotettavuusindeksejä. Työssä on esitelty luotettavuusanalysoinnin perusperiaatteet ja keskitytty sähkönjakelun luotettavuuden tarkasteluun analyyttisin menetelmin ja yksinkertaisin esimerkein. Lisäksi on esitelty yleisimmät käytössä olevat luotettavuusindeksit. Luotettavuusanalysoinnilla on kasvava merkitys verkkoliiketoiminnan, sen sääntelyn sekä verkoston suunnittelun ja kehittämisen kannalta nyky-yhteiskunnassa, jossa vaaditaan yhä luotettavampaa ja keskeytyksettömämpää sähkönjakelua. Suomessa sähkönjakeluverkon säteittäisen käyttöperiaatteen myötä luotettavuuslaskentaan tarvittavat yhtälöt yksinkertaistuvat muutamaan perusyhtälöön. Tällöin jo yksinkertaisilla laskutoimituksilla voidaan huomioida keskeytyskustannusten vaikutus verkoston optimoinnissa sekä hyödyntää luotettavuusindeksejä verkkoyhtiöiden sääntelymallissa laatukannustimena. Luotettavuusanalysoinnin ja sen osana suoritettavan laskennan tuloksena saatavien luotettavuutta eri tavoin kuvaavien indeksien laaja kirjo ja niiden kirjava soveltaminen eri maissa vaikeuttavat indeksien perusteella tehtävää keskinäistä vertailua. Suomessa viranomainen julkaisee tilastoitavat ja tarkasteltavat indeksit, jotka palvelevat näin ollen viranomaisen sääntelyn tarpeita kotimaisella tasolla sekä toimivat verkoston kehittämisen tukena.

Sähkönjakeluverkon käyttövarmuuden kehittäminen

Diplomityössä tutkitaan sähkönjakelun käyttövarmuutta parantavia investointeja ja menetelmiä. Lopputuloksena saadaan selville mitkä ratkaisut soveltuvat teknistaloudellisesti parhaiten Imatran Seudun Sähkön jakeluverkkoon. Menetelmien kannattavuutta on tutkittu ensisijaisesti keskeytyskustannussäästöjen näkökulmasta. Sähkönjakeluverkon käyttövarmuus on tullut nykyisessä yhteiskunnassa yhä tärkeämmäksi tekijäksi. Kaikki keskijänniteverkosta aiheutuneet keskeytykset on alettu ottaa tammikuusta 2008 lähtien huomioon verkkoliiketoiminnan kohtuullisen tuoton laskennassa. Toisaalta Suomen jakeluverkot ovat vanhoja, eikä niitä ole suunniteltu käyttövarmuuden kannalta. Tilannetta voidaan parantaa mm. lisäämällä verkkoon automaatiota sekä ottamalla käyttövarmuus huomioon saneerauksia suunniteltaessa. Sähkönjakeluverkon käyttövarmuuden parantaminen on pitkän aikavälin prosessi. Tutkittujen investointien kannattavuuksista on tehty herkkyysanalyysi, joka ottaa huomioon korkotason ja KAH-arvojen vaihtelut. Investointien todellista vaikutusta käyttövarmuuteen voidaan seurata vertaamalla tulevia vikatilastoja tässä työssä tehtyyn nykytilatutkimukseen.

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.

Analytical and Monte Carlo approaches to evaluate probability distributions of interruption duration

Regulatory authorities in many countries, in order to maintain an acceptable balance between appropriate customer service qualities and costs, are introducing a performance-based regulation. These regulations impose penalties-and, in some cases, rewards-that introduce a component of financial risk to an electric power utility due to the uncertainty associated with preserving a specific level of system reliability. In Brazil, for instance, one of the reliability indices receiving special attention by the utilities is the maximum continuous interruption duration (MCID) per customer.This parameter is responsible for the majority of penalties in many electric distribution utilities. This paper describes analytical and Monte Carlo simulation approaches to evaluate probability distributions of interruption duration indices. More emphasis will be given to the development of an analytical method to assess the probability distribution associated with the parameter MCID and the correspond ng penalties. Case studies on a simple distribution network and on a real Brazilian distribution system are presented and discussed.

The Effect of Operational Disturbances on Reliability and Operation Time Distribution of NCmachine Tools in FMS

This thesis concentrates on studying the operational disturbance behavior of machine tools integrated into FMS. Operational disturbances are short term failures of machine tools which are especially disruptive to unattended or unmanned operation of FMS. The main objective was to examine the effect of operational disturbances on reliability and operation time distribution for machine tools. The theoretical part of the thesis covers the fimdamentals of FMS relating to the subject of this study. The concept of FMS, its benefits and operator's role in FMS operation are reviewed. The importance of reliability is presented. The terms describing the operation time of machine tools are formed by adopting standards and references. The concept of failure and indicators describing reliability and operational performance for machine tools in FMSs are presented. The empirical part of the thesis describes the research methodology which is a combination of automated (ADC) and manual data collection. By using this methodology it is possible to have a complete view of the operation time distribution for studied machine tools. Data collection was carried out in four FMSs consisting of a total of 17 machine tools. Each FMS's basic features and the signals of ADC are described. The indicators describing the reliability and operation time distribution of machine tools were calculated according to collected data. The results showed that operational disturbances have a significant influence on machine tool reliability and operational performance. On average, an operational disturbance occurs every 8,6 hours of operation time and has a down time of 0,53 hours. Operational disturbances cause a 9,4% loss in operation time which is twice the amount of losses caused by technical failures (4,3%). Operational disturbances have a decreasing influence on the utilization rate. A poor operational disturbance behavior decreases the utilization rate. It was found that the features of a part family to be machined and the method technology related to it are defining the operational disturbance behavior of the machine tool. Main causes for operational disturbances were related to material quality variations, tool maintenance, NC program errors, ATC and machine tool control. Operator's role was emphasized. It was found that failure recording activity of the operators correlates with the utilization rate. The more precisely the operators record the failure, the higher is the utilization rate. Also the FMS organizations which record failures more precisely have fewer operational disturbances.

Primary power distribution systems planning taking into account reliability, operation and expansion costs

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)