Feasibility of Electronic Tap-Changing Stabilizers for Medium Voltage Lines-Precedents and New Configurations

Thyristor-based onload tap-changing ac voltage stabilizers are cheap and robust. They have replaced most mechanical tap-changers in low voltage applications from 300 VA to 300 M. Nevertheless, this replacement hardily applies to tap-changers associated to transformers feeding medium-voltage lines (typically 69 kV primary, 34.5 kV line, 10 MVA) which need periodical maintenance of contacts and oil. The Electric Power Research Institute (EPRI) has studied the feasibility of this replacement. It detected economical problems derived from the need for series association of thyristors to manage the high voltages involved, and from the current overload developed under line fault. The paper reviews the configurations used in that field and proposes new solutions, using a compensating transformer in the main circuit and multi-winding coils in the commutating circuit, with reduced overload effect and no series association of thyristors, drastically decreasing their number and rating. The stabilizer can be installed at any point of the line and the electronic circuit can be fixed to ground. Subsequent works study and synthesize several commutating circuits in detail.

Knowledge extraction from medium voltage load diagrams to support the definition of electrical tariffs

With the electricity market liberalization, distribution and retail companies are looking for better market strategies based on adequate information upon the consumption patterns of its electricity customers. In this environment all consumers are free to choose their electricity supplier. A fair insight on the customer´s behaviour will permit the definition of specific contract aspects based on the different consumption patterns. In this paper Data Mining (DM) techniques are applied to electricity consumption data from a utility client’s database. To form the different customer´s classes, and find a set of representative consumption patterns, we have used the Two-Step algorithm which is a hierarchical clustering algorithm. Each consumer class will be represented by its load profile resulting from the clustering operation. Next, to characterize each consumer class a classification model will be constructed with the C5.0 classification algorithm.

Reliability analysis of medium voltage feeder

Distribution companies are facing numerous challenges in the near future. Regulation defines correlation between power quality and revenue cap. Companies have to take measures for reliability increase to successfully compete in modern conditions. Most of the failures seen by customers originate in medium voltage networks. Implementation of network automation is the very effective measure to reduce duration and number of outages, and consequently, outage costs. Topic of this diploma work is study of automation investments effect on outage costs and other reliability indices. Calculation model have been made to perform needed reliability calculations. Theoretical study of different automation scenarios has been done. Case feeder from actual distribution company has been studied and various renovation plans have been suggested. Network automation proved to be effective measure for increasing medium voltage network reliability.

Thermal modelling of semiconductor switches in three-level Neutral Point Clamped Medium Voltage DTC-inverter

The aim of this thesis is to investigate the thermal loading of medium voltage three-level NPC inverter’s semiconductor IGCT switches in different operation points. The objective is to reach both a fairly accurate off-line simulation program and also so simple a simulation model that its implementation into an embedded system could be reasonable in practice and a real time use should become feasible. Active loading limitation of the inverter can be realized with a thermal model which is practical in a real time use. Determining of the component heating has been divided into two parts; defining of component losses and establishing the structure of a thermal network. Basics of both parts are clarified. The simulation environment is Matlab-Simulink. Two different models are constructed – a more accurate one and a simplified one. Potential simplifications are clarified with the help of the first one. Simplifications are included in the latter model and the functionalities of both models are compared. When increasing the calculation time step a decreased number of considered components and time constants of the thermal network can be used in the simplified model. Heating of a switching component is dependent on its topological position and inverter’s operation point. The output frequency of the converter defines mainly which one of the switching components is – because of its losses and heating – the performance limiting component of the converter. Comparison of results given by different thermal models demonstrates that with larger time steps, describing of fast occurring switching losses becomes difficult. Generally articles and papers dealing with this subject are written for two-level inverters. Also inverters which apply direct torque control (DTC) are investigated rarely from the heating point of view. Hence, this thesis completes the former material.

Switching components for medium voltage drives

Nowadays power drives are the essential part almost of all technological processes. Improvement of efficiency and reduction of losses require development of semiconductor switches. It has a particular meaning for the constantly growing market of renewable sources, especially for wind turbines, which demand more powerful semiconductor devices for control with growth of power. Also at present semiconductor switches are the key component in energy transmission, optimization of generation and network connection. The aim of this thesis is to make a survey of contemporary semiconductor components, showing difference in structures, advantages, disadvantages and most suitable applications. There is topical information about voltage, frequency and current limits of different switches. Study tries to compare dimensions and price of different components. Main manufacturers of semiconductor components are presented with the review of devices produced by them, and a conclusion about their availability was made. IGBT is selected as a main component in this study, because nowadays it is the most attractive component for usage in power drives, especially at the low levels of medium voltage. History of development of IGBT structure, static and dynamic characteristics are considered. Thesis tells about assemblies and connection of components and problems which can appear. One of key questions about semiconductor materials and their future development was considered. For the purpose of comparison strong and weak sides of different switches, calculation of losses of IGBT and its basic competitor – IGCT is presented. This master’s thesis makes an effort to answer the question if there are at present possibilities of accurate selection of switches for electrical drives of different rates of power and looks at future possible ways of development of semiconductor market.

Using artificial intelligence for the control of medium voltage substations

This paper introduces a method for the supervision and control of devices in electric substations using fuzzy logic and artificial neural networks. An automatic knowledge acquisition process is included which allows the on-line processing of operator actions and the extraction of control rules to replace gradually the human operator. Some experimental results obtained by the application of the implemented software in a simulated environment with random signal generators are presented.

Optimal charging of electric vehicles considering constraints of the medium voltage distribution network

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

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.

Kaapeloinnin kannattavuus Fortum Sähkönjakelun keskijänniteverkoissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kaapeloinnin kannattavuutta keskijänniteverkossa. Työssä vertailtiin ilmajohto- ja kaapelirakenteen teknisen elinkaaren aikaisia kustannuksia. Myös rakennevaihtoehtojen ympäristöllisiä vaikutuksia tarkasteltiin ja vertailtiin. Kustannusten vertailu tapahtui esimerkkilaskelmin olemassa olevaan verkkoon. Tarkoituksena oli löytää Fortum Sähkönjakelulle mahdollisimman tyypilliset alueet tarkasteltaviksi kohteiksi. Esimerkkialueiksi valittiin Talvisillan haja-asutuslähtö Somerolta, Ruskon maaseututaajama sekä Kaarinan teollisuusalue. Vertailulaskelmat suoritettiin siten, että kullekin alueelle tehtiin sekä ilmajohto- että kaapelisaneeraus ja laskettiin kummankin rakenteen investointi-, ylläpito- ja keskeytyskustannukset. Laskelmissa selvisi, että haja-asutusalueella kaapeli ja ilmajohto olivat lähes yhtä edulliset. Maaseututaajamassa sekä teollisuusalueella ilmajohto oli selvemmin edullisempi nykyisellä kustannustasolla. Lisäksi laskettiin kustannusvertailu tulevaisuudessa mahdollisesti tapahtuvien erilaisten kustannusmuutosten lähtöarvoilla. Useassa skenaariossa kaapeli oli haja-asutusalueella edullisempi. Maaseututaajamassa ja teollisuusalueella ilmajohto pysyi pääasiassa edullisempana vaihtoehtona.

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.

Haja-asutusalueiden sähkönjakelujärjestelmien kehittäminen – erityisesti 1000 V jakelujännitteen käyttömahdollisuudet

Yhteiskunnan riippuvuus sähköstä on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosikymmenien aikana. Sähkönjakelussa esiintyneet lyhyet ja pitkät keskeytykset ovat osoittaneet yhteiskunnan haavoittuvuuden ja yhteiskunta kestää entistä vähemmän sähkönjakelussa tapahtuvia häiriöitä. Keskeytyksistä aiheutuneiden haittojen arvostus on kasvanut ja tämä on luonut taloudelliset perusteet sähkön laatua parantaville investoinneille. Haja-asutusalueiden keskijänniteverkon johdot on rakennettu avojohtoina ja siten ne ovat alttiita sääolosuhteista johtuville myrsky- ja lumikuormavaurioille. Ilmastomuutoksen ennustetaan lisäävän tuulisuutta ja siten ongelmat sähkönjakelussa mahdollisesti lisääntyvät. Taajamissa käytetään enemmän kaapeleita ja johtolähdöt ovat lyhyitä, joten myrskyistä aiheutuvia keskeytyksiä on vähemmän kuin haja-asutusalueella. Olemassa olevat jakeluverkot ovat käytössä vielä vuosikymmeniä, joten uuden tekniikan kehittämisen rinnalla on kehitettävä myös olemassa olevaa jakeluverkkoa ja sen ylläpitoa. Ylläpidon tavoitteena on käyttövarmuuden parantamisen lisäksi huolehtia siitä, että jakeluverkkoihin sitoutunut omaisuus säilyttää arvonsa mahdollisimman hyvin pitoajan loppuun saakka. Jakeluverkkoihin investoitiin paljon 1950–70-luvuilla. Tältä ajalta on yhä käytössä puupylväitä, joiden ikääntymisen takia korvausinvestointien tarve kasvaa. Hyvänä puolena tässä on että käyttövarmuuden parantamiseksi olemassa olevaa jakeluverkkoa ei tarvitse uusia ennenaikaisesti. Tutkimuksessa päähuomio on haja-asutusalueiden 20 kV keskijänniteverkon kehittämisessä, sillä yli 90 % asiakkaiden kokemista keskeytyksistä johtuu keskijänniteverkon vioista. Erityisesti johtorakenteisiin ja johtojen sijoittamiseen on kiinnitettävä huomiota. Käyttövarmuuden lisäksi jakeluverkkojen kehittämistä ohjaavia tekijöitä ovat taloudellisuus, ympäristön huomioiminen, viranomaisvalvonta sekä asiakkaiden ja omistajien odotukset. Haja-asutusalueilla taloudelliset haasteet ovat suuret vakituisen väestön vähenemisen ja mahdollisesti sähköntarpeen pienenemisen takia. Taloudellisuus korostuu ja riskit kasvavat, kun tuottojen määrä supistuu tarvittaviin jakeluverkon investointeihin ja ylläpitokustannuksiin verrattuna. Ristiriitaa aiheuttaa se, että asiakkaat odottavat sähkönjakelulta parempaa luotettavuutta, mutta paremmasta sähkönlaadusta ei olla valmiita maksamaan juurikaan nykyistä enempää. Jakeluverkkojen kehittämistä voi hidastaa myös viranomaisvalvonta, jos tuottoja ei voida lisätä investointien lisätarpeiden suhteessa. Tutkimuksessa on analysoitu yleisellä tasolla kaapeloinnin lisäämistä, korkeiden pylväiden käyttämistä, leveitä johtokatuja, edullisten ja yksinkertaisten sähköasemien rakentamista haja-asutusalueille ja automaatioasemien lisäämistä keskijänniteverkon solmupisteisiin. Erityisesti tutkimuksessa on analysoitu uutena tekniikkana 1000 V jännitteen käyttömahdollisuutta jakeluverkkojen kehittämisessä. Sähköjohtojen siirtäminen teiden varsiin parantaa käyttövarmuutta, vaikka johdot rakennetaan samalla tekniikalla kuin olemassa olevat johdot. Hajaasutusalueille rakennettavilla sähköasemilla pitkät syöttöjohdot voidaan jakaa pienemmiksi syöttöalueiksi, jolloin keskeytyksistä aiheutuvat haitat koskettavat kerrallaan pienempää asiakasmäärää. Samaan tulokseen päästään oikein sijoitetuilla ja toteutetuilla automaatioasemilla. Tutkimuksen mukaan lupaavaksi tekniikaksi jakeluverkkojen kehittämisessä on osoittautumassa 1000 V jänniteportaan ottaminen 400 V pienjännitteen lisäksi. 1000 V verkoilla voidaan korvata häiriöherkkiä 20 kV keskijänniteverkon lyhyitä, alle viiden kilometrin pituisia haarajohtoja ja haarajohtojen jatkeita, missä siirrettävät tehot ovat pieniä. Uudessa jakelujärjestelmässä sähkö tuodaan 1000 V jännitteellä lähelle asiakasta, jossa jännite muunnetaan normaaliksi asiakkaille soveltuvaksi 400/230 V jännitteeksi. Edullisuus perustuu siihen, että rakentamisessa käytetään samoja pienjännitejohtoja kuin asiakkaille menevässä 400 V pienjänniteverkossa. 1000 V jakelutekniikassa sekä investointikustannukset että ylläpitokustannukset ovat pienemmät kuin perinteisessä 20 kV ilmajohtotekniikassa. 1000 V johdot säästävät maisemaa, sillä ne eivät tarvitse leveää johtokatua kuten 20 kV keskijännitejohdot. 1000 V verkkojen käyttö soveltuukin erityisesti vapaa-ajanasuntojen sähköistykseen herkissä ranta- ja järvimaisemissa. 1000 V verkot mahdollistavat kaapeliauraamisen lisäämisen ja näin voidaan vähentää ympäristöä haittaavien kyllästettyjen pylväiden käyttöä. 1000 V jakeluverkkojen osalta tutkimustyön tuloksia on sovellettu suomalaisessa Suur-Savon Sähkö Oy:ssä. Käytännön kokemuksia 1000 V jakelujärjestelmästä on useista kymmenistä kohteista. Tutkimustulokset osoittavat, ettei keskijänniteverkon maakaapelointi hajaasutusalueilla ole taloudellisesti kannattavaa nykyisillä keskeytyksistä aiheutuvilla haitta-arvoilla, mutta jos keskeytyskustannusten arvostus kasvaa, tulee kaapelointi kannattavaksi monissa paikoissa. Myös myrskyisyyden ja myrskyistä aiheutuvien jakelukeskeytysten lisääntyminen tekisi kaapeloinnista kannattavan. Tulevaisuudessa jakeluverkkojen rakentaminen on entistä monimuotoisempi tehtävä, jossa taloudellisuuden ja käyttövarmuuden lisäksi on huomioitava asiakkaat, omistajat, viranomaiset ja ympäristö. Tutkimusta jakelutekniikan kehittämiseksi tarvitaan edelleen. Tulevaisuuden osalta haja-asutusalueiden jakeluverkkojen kehittämiseen liittyy paljon epävarmuuksia. Hajautetun kiinteistökohtaisen sähköntuotannon lisääntyminen voi tehdä jakeluverkoista nykyistä tarpeettomampia, mutta esimerkiksi liikenteen sähköistyminen voi kasvattaa jakeluverkkojen merkitystä. Tästä syystä jakeluverkkojen rakentamisessa tarvitaan joustavuutta, jotta tarvittaessa voidaan helposti sopeutua erilaisiin kehityssuuntiin.

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.

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.

Strategic planning of major disturbance proof network

In the 2000’s Finland suffered from storms that caused long outages in electricity distribution, longest up to two weeks. These major disturbances increased the importance of supply security. In 2013 new Electricity Market Act was announced. It defined maximum duration for outages, 6 h for city plan areas and 36 h for other areas. The aim for this work is to determine required major disturbance proof level for a study area and find tools for prioritizing overhead lines for cabling renovation to improve supply security. Three prioritization methods were chosen to be studied: A: prioritization line sections by customer outage costs they cause, B: maximizing customers major disturbance proof network and C: minimizing excavation costs in medium voltage network. Profitability calculations showed that prioritization method A was the most profitable and C had the weakest profitability. The prioritization method C drove renovation into unreasonable locations in the study area in reliability point of view. Therefore universal rule prioritization methods couldn’t be made from the prioritization methods. This led to the conclusion that every renewing area need to be evaluated in a case by case basis.

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.