Energiansäästölamppujen verkostovaikutukset ja elektronisten kuormien ja mittarinluentajärjestelmien välinen yhteensopivuus

Transkriptio

1 Energiansäästölamppujen verkostovaikutukset ja elektronisten kuormien ja mittarinluentajärjestelmien välinen yhteensopivuus Tampereen Teknillinen yliopisto Sähkötutkimuspoolin tutkimusseminaari Hilton Helsinki-Vantaa Airport

2 Esityksen sisältö Tutkimuksen 1. vaiheen (esiselvitysprojektin) tuloksia 1. Tavoitteet ja toteutus 2. Uusia lampputeknologioita koskevan kirjallisuusselvityksen tulokset valaistuskuormien muuttuminen (kotitaloudet, kaupallinen/palvelusektori, teollisuus jne.) ja osuus sähkönkäytöstä, tulevaisuuden skenariot (Suomi, EU) pätö- ja loisteho, yliaallot => uusien lampputeknologioiden merkitys sähköverkon kannalta luminanssin jänniteriippuvuus (välkyntäherkkyys) 3. Sähköverkkoyhtiöihin mittareiden etäluennasta tehdyn kyselytutkimuksen tuloksia 4. Sähköverkkotiedonsiirtoa (PLC) käsittelevän kirjallisuusselvityksen tulokset kuormien aiheuttamat suuritaajuiset häiriöt PLC:lle (erityisesti khz) PLC:n aiheuttamat häiriöt/haitat kuormille ja muille laitteille Tutkimuksen 2. vaiheen suunnitelma

3 Esiselvitysprojektin tavoitteet ja toteutus Tavoitteena kartoittaa aihepiiristä tehdyt tutkimukset Suomessa, Ruotsissa ja muissa maissa yhteenveto a) projektin eri osa-alueilla aiemmin tehtyjen tutkimusten tuloksista b) sähköverkkoyhtiöissä esiintyneistä etäluettavien energiamittareiden luentaongelmista jatkotutkimustarpeet Tutkimusmenetelmät kirjallisuustutkimus, pienimuotoiset mittaukset sähköverkkoyhtiöihin tehtävä kyselytutkimus ( Etäluettavat energiamittarit ja niiden luentajärjestelmät ) Rahoitus ST-pooli Sähköturvallisuuden edistämiskeskus ry STEK Tutkijat DI Marko Pikkarainen, DI Bashir Siddiqui, tekn. yo Sami Vehmasvaara, TkT

4 Valaistukseen käytettävä sähköenergia 4 Asuntojen valaistukseen käytetään sähköenergiaa Maailmalla 811 TWh, vastaa kokonaiskulutuksesta 5,8 % Suomessa 2,4 TWh, vastaa kokonaiskulutuksesta 2,7 % alle 25 W lamppuja, joille mm. yliaaltorajat ovat väljempiä, käytetään juuri asuntojen valaistuksessa Kaupallisen/palvelusektorin valaistukseen käytetään sähköenergiaa Maailmalla 1133 TWh, vastaa kokonaiskulutuksesta 8,1% Suomessa 4,1 TWh, vastaa kokonaiskulutuksesta 4,5 % Suomessa valaistukseen kuluu Noin 22 % kotitalouksien kokonaissähköenergian kulutuksesta Noin 25 % palvelusektorin kokonaissähköenergian kulutuksesta Uusien lampputeknologioiden kuluttaman energian osuus näistä on murto-osa (energiatehokkuudesta johtuen) => kuormana lamput eivät ole kovin merkittävä Maailma Suomi TWh TWh Asuntojen valaistus 811 2,4 Kaupallinen sektori ,1 Teollisuusvalaistus 490 1,5 Tievalaistus 114 0,8 Muu ulkovalaistus 104 Yhteensä ,8 Sähkön Kokonaiskulutus ,4

5 Muutokset kotitalousvalaistuksessa 5 Ympärisäteileville lampuille asetettavat vaatimukset ja siitä aiheutuvat seuraukset Hehkulamppuja korvaavia teknologioita: pienloistelamput (Compact fluorescent lamp, CFL), halogeenit, LED (toistaiseksi eniten kohdevaloissa)

6 Muutoksia palvelusektorin valaistuksessa alkaen: Elohopealamput ja niitä suoraan korvaavat suurpainenatriumlamput poistuvat markkinoilta alkaen: Loistelamppujen virranrajoittimien energiatehokkuusluokat A1 BAT, A2 BAT ja A2 sallittuja; B1, B2, A3 ja A1 poistuvat markkinoilta loistelamppujen magneettiset kuristimet poistuvat Kaikkien loiste- ja HID-lamppuvalaisimien tulee olla yhteensopivia kolmannen vaiheen vaatimukset täyttävien virranrajoittimien kanssa. Käytännön vaikutus loistelamppuvalaisimiin: elektroninen virranrajoitin pitää pystyä vaihtamaan valaisimeen. Magneettisten kuristimien käyttö edelleen sallittua, mutta markkinoille saattaminen kiellettyä

7 Arvioidut lamppujen kulutusmäärät EU-alueella Eurostatin tilasto ELC:n (European Lamp Comapanies Federation) tilasto 2007 milj. Kpl Hehkulamput 1900 Halogeenilamput 480 Loisteputkilamput 470 Pienloistelamput 450 Pienloistelamppujen osuus on kasvanut melko tasaisesti Käyttöikä pitempi kuin hehkulampuilla => pienentää kulutusmääriä

8 Skenaario eri lampputyyppien osuuksien kehityksestä EU:n alueella (asennetut lamput) 8 Perustuu erään tutkimuksen skenaarioon, jossa lampuille asetetut rajoitukset on oletettu hyvin samankaltaisiksi kuin mitä EU:ssa on tällä hetkellä käytössä Pienloistelamppujen osuus näyttäisi asettuvan hieman yli 50 %:iin LED-lamppuja ei ole tutkimuksessa huomioitu (aiheuttaa muutoksia loppupäähän, alkuvaiheessa korvaavat lähinnä halogeenivalaistusta)

9 Lamppujen yliaallot, esimerkki Pienloistelamppu 11 W (E27) Pätöteho 11,1 W Näennäisteho 18,7 VA Perustaajuinen tehokerroin 0,907 cap Kokonaistehokerroin 0,597 Virran harmoninen kokonaissärö 113 % Esimerkiksi omakotitalossa on pienloistelamppujen lisäksi yleensä induktiivista kuormaa (jääkaappi, pakastimet, ilmanvaihtokone, mahd. lämpöpumppu, kiertovesipumput) resistiivistä kuormaa (mahd. sähkölämmitys, hella, sähkökiuas jne.) Miten kokonaisuus käyttäytyy?

10 Energiansäästölamppujen välkyntäherkkyys Kuvassa P st =1 kuvaajat eri lampputyypeillä Energiansäästölampuilla voidaan sallia suurempi suhteellinen jännitemuutos ilman, että välkyntä on häiritsevää => helpotusta muutoin lisääntymässä oleviin välkyntäongelmiin

11 Kyselytutkimus: AMR-mittareiden asennustilanne Huhti-toukokuussa 2011 tehtyyn kyselyyn vastasi 18 verkkoyhtiötä: Otoksen yhtiöillä energiamittareita yhteensä kpl (kattaa noin 2/3 Suomen mittareista) Näistä etäluettavia nyt kpl (noin 44 %) 18 yhtiöstä viidellä yli 80 % käyttöpaikoista asennettu kuudella asennukset alkuvaiheessa (alle 20 % asennettu) lopuilla kuudella jotain siltä väliltä (yksi yhtiö ei ilmoittanut tilannetta) 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Etäluettavien energiamittareiden asennusten tilanne 2011 Verkkoyhtiö 1 Verkkoyhtiö 2 Verkkoyhtiö 3 Verkkoyhtiö 4 Verkkoyhtiö 5 Verkkoyhtiö 6 Verkkoyhtiö 7 Verkkoyhtiö 8 Verkkoyhtiö 9 Verkkoyhtiö 10 Verkkoyhtiö 11 Verkkoyhtiö 12 Verkkoyhtiö 13 Verkkoyhtiö 14 Verkkoyhtiö 15 Verkkoyhtiö 16 Verkkoyhtiö 17 Verkkoyhtiö 18 Yhteensä Paikan päällä luettavat Etäluettavat

12 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Eri kommunikaatiotekniikoiden osuudet Eri kommunikointitekniikoiden osuudet 2011 ( mittaria) 100 % Eri kommunikointitekniikoiden osuudet 2013 ( mittaria) Radio Meshnet MELKO PSTN RS GSM PLC 80 % 60 % 40 % 20 % Radio Meshnet MELKO PSTN RS GSM PLC 0 % Verkkoyhtiö 1 Verkkoyhtiö 2 Verkkoyhtiö 3 Verkkoyhtiö 4 Verkkoyhtiö 5 Verkkoyhtiö 6 Verkkoyhtiö 7 Verkkoyhtiö 8 Verkkoyhtiö 9 Verkkoyhtiö 10 Verkkoyhtiö 11 Verkkoyhtiö 12 Verkkoyhtiö 13 Verkkoyhtiö 14 Verkkoyhtiö 15 Yhteensä Verkkoyhtiö 1 Verkkoyhtiö 2 Verkkoyhtiö 3 Verkkoyhtiö 4 Verkkoyhtiö 5 Verkkoyhtiö 6 Verkkoyhtiö 7 Verkkoyhtiö 8 Verkkoyhtiö 9 Verkkoyhtiö 10 Verkkoyhtiö 11 Verkkoyhtiö 12 Verkkoyhtiö 13 Verkkoyhtiö 14 Verkkoyhtiö 15 Yhteensä

13 Eri valmistajien osuudet Kaikkien mittareiden valmistajat 2011 Kaikkien mittareiden valmistajat % 17 % 1 % 0 % L&G 22 % Enermet Iskra 34 % 29 % L&G Enermet Iskra Aidon Aidon Kamstrup 12 % Siemens Echelon 0 % 4 % 2 % Kamstrup Siemens Echelon 48 % 10 % 21 % PLC mittareiden valmistajat % PLC mittareiden valmistajat % L&G 26 % L&G 39 % 61 % Enermet Kamstrup Siemens 70 % 4 % 0 % 0 % Enermet Kamstrup Siemens Echelon

14 Luentaongelmien laajuus PLCjärjestelmissä Käyttöönottovaihe Käyttövaihe Verkkoyhtiö Kerrostalo Omakotitalo Rivi talo Maalais talo Teollisuus s = satoja, k = kymmeniä, m = muutamia Luentaongelmien laajuus vaihtelee yhtiöittäin yhtiöissä, joissa mittareita on enemmän ongelmat näyttäisivät olevan suhteellisesti harvinaisempia Otoksen yhtiöissä PLC-mittareiden määrä tulee noin 3,6-kertaistumaan vuoteen 2013 mennessä ( kpl -> kpl) samanaikaisesti elektronisten kuormien määrä verkossa lisääntyy Palvelu Kerrostalo Omakotitalo Rivi talo Palvelu Teollisuus PLC mittareita Mittareita, joissa luentaongelmia Verkkoyhtiö % Verkkoyhtiö % Verkkoyhtiö % Verkkoyhtiö % Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö 6 k m m m m m s s k m m % Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö 8 s 2250 Verkkoyhtiö % Verkkoyhtiö % Keskiarvo 7.88 %

15 Luentaongelmien aiheuttajia PLCjärjestelmissä Luentaongelmia voi esiintyä jo mittarin käyttöönottovaiheessa tai vasta myöhemmin Yleisiä luentaongelmien aiheuttajia taajuusmuuttajat (yleensä 3-vaiheisia) elektronisella liitäntälaitteella varustetut lamput (1- vaiheisia) kodinelektroniikan laitteet (1-vaiheisia) Ilmanvaihdon taajuusmuuttaja Muu taajuusmuuttaja UPS Lamput (esim.led ) Digiboksi Tietokone Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö m Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö 6 u m m m m m m m (gprs) m Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö 8 m m m m Verkkoyhtiö Verkkoyhtiö 10 1 Verkkoyhtiö Antennivahvistin Lämmityksen ohjaus Sisäverkko Lämpöpumppu Operaatorin verkkolaite Viallinen virtalähde Liesituuletin APK Riittämätön kentänvoimakkuus Tuntematon

16 Asiakkaan laitteiden häiriintyminen PLCsignaalista Asiakkaan laitteiden häiriintyminen PLC:stä melko harvinaista, kyselytutkimuksen otoksessa raportoitiin 23 tapausta: 15 kpl pistorasialiitäntäinen hipaisuhimmenninvalaisin Muu valaistuksen ohjaus- tai säätölaite 1 kpl sähköverkon kautta (taajuuksilla 100 khz tai 120 khz) toimiva sisäpuhelinjärjestelmä, vika korjaantui asentamalla verkkosuodin 1 kpl sähköverkon kautta toimiva lähiverkko 1 kpl antennivahvistin 1 kpl omakotitalon lämmityksenohjausjärjestelmä Liikennevalojen ohjaus 2 kpl verkkoyhtiön Melko-järjestelmä Kaikki asiakaslaitteiden häiriintymistapaukset eivät välttämättä tule ilmi tai dokumentoiduksi Myös luentaongelmien tilastoinnissa ja dokumentoinnissa on epätarkkuuksia

17 PLC-taajuuksia koskeva standardointi EN : Signalling on low-voltage electrical installations in the frequency range 3 khz to khz, Part 1: General requirements, frequency bands and electromagnetic disturbances mm. sallitut taajuudet ja signalointijännitteet Kuluttajalaitteiden häiriönsiedolle ja häiriöpäästöille on asetettu vaatimuksia EMC-standardeissa taajuuksilla alle 2 khz ja yli 150 khz Taajuusalueella khz vaatimuksia ei yleensä ole kuluttajalaitteet voivat häiriintyä energiamittareiden etäluentaan käytettävistä PLC-signaaleista kuluttajalaitteiden häiriöpäästöt voivat estää PLC-luennan

18 Elektronisten kuormien ja PLC-järjestelmien välinen vuorovaikutus (häiriömekanismit) A B C D E Häiriön aiheuttaja Häiriön ilmeneminen Aikaisempien tutkimusten laajuus Sähkönkäyttäjän laitteen PLC-signaali hukkuu häiriöihin ja Tutkittu laajimmin aiheuttama jännite- tai virtasärö kommunikaatio ei onnistu (häiriöt) PLC-taajuuksilla Sähkönkäyttäjän laite muodostaa pieniimpedanssisen virtatien PLCsignaalille Jännitteen säröytyminen PLCsignaalin vaikutuksesta PLC-signaali aiheuttaa sähkönkäyttäjän laitteen läpi suuren virran PLC-signaalille alttiit sähkönkäyttäjän epälineaariset laitteet aiheuttavat virtoja muilla kuin PLC-taajuuksilla Vain pieni osa PLC-signaalista saapuu vastaanottimeen asti ja kommunikaatio ei onnistu Sähkönkäyttäjän laitteen virhetoinminnat Sähkönkäyttäjän laitteen eliniän lyheneminen ja virhetoiminnot Mikä tahansa haittavaikutus, joka aiheutuu uusien taajuuskomponenttien syntymisestä, mukaan lukien radioliikenteen häiriintyminen Tutkittu jonkin verran, lähinnä 1- vaihelaitteita (mm. Luleå University of Technology) Tutkittu melko vähän (Hipaisuhimmenninlamput - CENELEC) Tutkittu hyvin vähän Tutkittu hyvin vähän

19 Sähkölaitteiden pienten impedanssien aiheuttama vaimennus Elektronisten kuormien impedanssi on usein taajuusriippuva esim. laitteiden sisäänrakennetut EMC-suotimet, jotka ovat yleensä kytkettynä verkkoon aina kun laitteen verkkojohto on kiinni pistorasiassa vaihe- ja nollajohtimen välissä kondensaattori jonka impedanssi pienenee taajuuden kasvaessa aikariippuva esim. energiansäästölamppujen välipiirin kondensaattorit, jotka ovat kytkeytyneinä verkkoon vain niissä kohdin verkkojaksoa, kun tasasuuntausdiodit johtavat vuorokaudenaika-, viikonpäivä-, vuodenaikavaihtelut, pidemmät trendit Vaihe- ja nollajohtimen väliin kytkettyjen kondensaattoreiden pieni impedanssi PLCtaajuuksilla vaimentaa PLC-signaalia

20 Esimerkki: asuinhuoneen pistorasiasta tehty PLC-signaalin mittaus (1) PC:n pistorasia - PLC-jännitemittaus Asuinrakennuksen keskus Mittaustilanteet: A elektroniset kuormat irti verkosta B PC valmiustilassa, digiboksi ja stereot irti verkosta C PC, digiboksi ja stereot valmiustilassa D PC päällä, digiboksi ja stereot valmiustilassa Seuraavan sivun teholukemissa ei ole huomioitu mittapään vaimennusta (30 db) Digiboksin ja stereoiden pistorasia Asuinrakennus Autotalli Mittauskeskus (Iskraemecon AMR-mittari)

21 Esimerkki: asuinhuoneen pistorasiasta tehty PLC-signaalin mittaus (2) A elektroniset kuormat irti verkosta B PC valmiustilassa, digiboksi + stereot irti verkosta C - PC + digiboksi + stereot valmiustilassa D PC päällä + digiboksi + stereot valmiustilassa PC:n teholähteen EMCsuodin vaimentaa PLCsignaalia PC:n rasialta mitattuna db aina kun PC:n töpseli on seinässä eri rasialle huoneen toisella puolella liitetyillä digiboksilla ja stereoilla ei ole merkittävää vaikutusta

22 Yhteenveto esitutkimuksen tuloksista Pienitehoisille alle 25 W lampuille sallitaan mm. suhteellisesti suuremmat yliaaltopäästöt kuin muille elektronisille kuormille Sähköverkon kannalta ne eivät kuitenkaan ole merkittävä kuorma, esimerkiksi asuntojen valaistukseen käytetään Suomessa sähköenergian kokonaiskulutuksesta 2,7 % - uusien lampputeknologioiden osuus tästä on murto-osa Lisätutkimustarvetta kuitenkin tietyillä alueilla lamppujen impedanssi suurilla taajuuksilla ja suuritaajuiset häiriöt (PLC-luentaongelmat) kotitalouksien erityyppisten kuormien yhteisvaikutus verkon kannalta ja toisaalta kuormien keskinäisvaikutukset erityisesti suurilla taajuuksilla (kymmeniä satoja khz) Asiakaslaitteiden häiriintyminen PLC-signaalista melko harvinaista, mahdolliset muut haitat? Asiakaslaitteiden aiheuttamia luentaongelmia esiintyy melko yleisesti => lisätutkimustarvetta mm. seuraavilla alueilla asiakaslaitteiden karakterisointi taajuusalueella khz» impedanssi, suuritaajuiset häiriöt häiriötason ja impedanssien ajallinen vaihtelu verkossa -> PLC:n toimivuus keinot luentaongelmien selvittämiseen ja vähentämiseen

23 Tutkimuksen 2. vaihe Aikataulu Rahoitus: mm. ST-Pooli, PLC:tä käyttävät verkkoyhtiöit Tavoite: tutkia energiamittareiden PLC-etäluentaan liittyviä häiriöongelmia ja niiden syitä erityisesti luentaongelmat mutta myös asiakaslaitteille aiheutuvat häiriöt kehittää menetelmiä ja keinoja ongelmien paikantamiseen ja ratkaisuun täydentää tutkimuksia energiansäästölamppujen verkostovaikutuksista Tutkimusmenetelmät: laboratoriomittaukset ja simuloinnit käytännön mittaukset PLC:tä käyttävien verkkoyhtiöiden verkoissa (kohteet valitaan yhteistyössä verkkoyhtiöiden kanssa) yhteistyö laitetoimittajien, verkkoyhtiöiden ja tutkijoiden kesken Tutkijaosapuolet: TTY / Sähköenergiatekniikka, TTY / Tietoliikennetekniikka