MIKKO SÖYRINKI KUORMAN OHJAUS SÄHKÖNJAKELUVERKOSSA

Transkriptio

1 MIKKO SÖYRINKI KUORMAN OHJAUS SÄHKÖNJAKELUVERKOSSA Projektityö Tarkastaja: Tutkija Sami Repo

2 Sisällys 1. Johdanto Miksi kuormanohjausta? Kuormanohjausstrategiat Huipun leikkaus Kuopan täyttö Kuormituksen siirto Kuorman ohjaus kulutuspisteissä Teollisuus Pienkuluttajat Automaattinen mittarinluenta Käytössä olevat kuormanohjausjärjestelmät Verkkokäskyohjaus Melko Ohjauslaitteet Tiedonsiirtomenetelmät GPRS Power-line carrier Radiolinkki Puhelinverkko Tietoliikenneverkko Kuormanohjauksen vaikutuksia sähköasemilla Kuormitettavuus Muuntaja Muuntajan ylikuormittaminen Jännitteensäätö Kuormanohjauksen vaikutuksia sähkönjakeluverkossa Vikojen selvitys Jakorajat Transientit ja yliaallot Jännitteenalenema ja häviöt Yhteenveto...20 Lähteet...21 Kirjallisuus...21 Verkkomateriaali

3 1. Johdanto Kuormanohjauksella tarkoitetaan sähköverkossa siirrettävän tehon kulutuspuolen ohjaamista. Perinteisesti sähköntuotanto on säädetty vastaamaan senhetkistä kulutusta. Usein on edullista pyrkiä ohjaamaan tai siirtämään halutulle ajalle myös kuluttajien käyttämää tehoa. Kuorman ohjaus voidaan toteuttaa siten, että sähköyhtiö voi ohjata kuormaa omien tarpeidensa mukaan tietyin reunaehdoin tai esimerkiksi vuorokauden- tai vuodenaikaan perustuvien asiakkaita ohjaavien hintatariffien perusteella. Tarkka tieto kuormituksen tilasta ja erilaiset ennusteet ovat myös oleellisia toimivan kuormanohjuksen vaatimien tietojen hankkimiseksi. Ohjattaviksi soveltuvat vain osa kuormista, tyypillisesti tietyt teollisuuden suuret kuormat sekä lämmitys ja valaistus myös pienemmiltä kuluttajilta. 3

4 2. Miksi kuormanohjausta? Sähköyhtiön kannalta paras olisi tilanne jossa kuorma pysyisi vakiona ajasta riippumatta. Kulutusta ei kuitenkaan pystytä tällaiseksi säätelemään, vaan se määräytyy tarpeen mukaan. Esimerkiksi yrityksillä kulutushuippu sijoittuu tyypillisesti arkipäiviin, kun taas kotitalouksilla kulutus on suurinta ihmisten ollessa kotona iltaisin ja viikonloppuisin. Kulutuksen epätasaisuudesta aiheutuu sähköverkolle haittoja. Verkko on aina mitoitettava kestämään huippukulutus, joten tasaisemmalla kuormituksella verkon kapasiteettia voidaan hyödyntää tehokkaammin. Kuorman ohjauksella on merkittäviä vaikutuksia esimerkiksi muuntajien mitoitukseen. Muuntajien ja monien muiden verkkokomponenttien käyttöikä riippuu voimakkaasti lämpötilasta ja sitä kautta myös kuormituksesta. Erityisesti hot-spot pisteiden muodostuminen kuormitustilanteen seurauksena nopeuttaa vanhenemisprosessia. Kuorman ohjauksella voidaan pitää kuormitus laitteiden sietämällä tasolla. Ohjattu kuorma ei kuitenkaan aina paranna tilannetta, vaan aiheuttaa omat ongelmansa. Kuorma joudutaan esimerkiksi kytkemään porrastetusti, jotta suuret muutokset eivät aiheuta tavoitteesta poiketen kuormitushuippujen lisäystä. Uusista energianlähteistä tuuli- ja aurinkoenergian määrä on lisääntymässä. Niiden tuotantomäärät vaihtelevat kuitenkin sääolosuhteiden mukaan. Kuorman ohjauksella voidaankin pyrkiä muokkaamaan kuormitusta tuotantoa vastaavammaksi, jolloin epätasaisen tuotannon haittoja voitaisiin pienentää. Kuorman ohjauksen avulla voidaan yleisesti käyttää verkon siirto- ja tuotantokapasiteettia tehokkaammin. Sen avulla voidaan myös hallita pullonkauloja sekä näiden tuloksena parantaa käyttövarmuutta. 4

5 3. Kuormanohjausstrategiat 3.1 Huipun leikkaus Mikäli käytössä on suoraan ohjattavaa kuormaa, voidaan se ohjata kulutushuipun aikana pois päältä. Tällainen strategia tulee kyseeseen, kun tuotantokapasiteettia ei ole muuten riittävästi kulutuksen kattamiseen. Toisaalta vain suurimpien kuormitusten aikana käytetyt voimalaitokset voivat olla käyttökustannuksiltaan kalliita, jolloin huippukuormaa voi olla kannattavaa kytkeä pois. Harvoin käytössä olevat tuotantolaitokset aiheuttavat usein myös enemmän päästöjä, joten huippukuorman leikkauksella säästetään myös ympäristöä. Huippujen leikkaamisella voidaan mahdollisesti myös siirtää verkon vahvistukseen tarvittavia investointeja, koska verkon täytyy aina kestää huipun aikainen kuormitus. [8] 3.2 Kuopan täyttö Asiakkaita pyritään kannustamaan kuormittamaan verkkoa kulutuksen ollessa muuten pieni. Tällaisina aikoina sähköä on usein saatavana halvemmalla, minkä ansiosta muokkaus on kannattavaa. Tuotantolaitoksia pystytään myös käyttämään tasaisemmin ja tehokkaammin, koska koko laitoksia ei tarvitse välillä pysäyttää. [8] 3.3 Kuormituksen siirto Kahden edellämainitun tavan parhaat puolet saadaan käyttöön kun huippukuorma siirretään pienemmän kulutuksen aikaan. Suomessa yleisesti käytössä oleva aikatariffiin perustuva hinnoittelu ohjaa kuluttajia tähän suuntaan. [8] Kuva 1: Kuormanohjausstrategioita. Pystyakselilla kulutus ja vaaka-akselilla aika. [8] Myös kokonaisvaltaista kuormituksen vähentämiseen pyrkimistä esimerkiksi liittämällä valaistusta kuormanohjuksen piiriin voidaan pitää kuormanohjausstrategiana. [8] 5

6 4. Kuorman ohjaus kulutuspisteissä 4.1 Teollisuus Teollisuudella on usein kapasiteettia tarjota suuriakin kuormia säädettäväksi. Perinteisesti teollisuuslaitokset tarjoavat kuormansa säätösähkömarkkinoille. Tätä varten on ilmoitettava säädettäväksi tarjottava megawattimäärä ja hinta ( /MWh). Vähimmäiskuorma säätösähkömarkkinoille osallistumiseen on 10 MW. Tarjousten perusteella määräytyy tasesähkön hinta jokaiselle käyttötunnille. Näin saatavan tasesähkön avulla pystytään tasaamaan tuotantoa ja kulutusta. Teollisuus säätelee kuormitustansa usein tällä tavoin saadakseen säädöstä mahdollisimman hyvän hinnan. Toisaalta säätely tapahtuu pelkän hinnan perusteella, eikä sähköyhtiöillä ole mahdollisuutta vaikuttaa itseään hyödyttävään säätötapaan. [9] Suomen kantaverkkoyhtiö Fingridillä on sopimukset noin 1000 MW kuormasta, joka voidaan ohjata pois päältä häiriötilanteiden hallitsemiseksi. Tätä kuormaa voidaan tarvittaessa ohjata nopeasti tehotasapainon säilyttämiseksi. Häiriöreserviksi sidottuja kuormia ei voi käyttää muuhun ohjaukseen esimerkiksi säätösähkömarkkinoilla. [9] Paljon sähköä kuluttavilla teollisuuslaitoksilla on valmiina tuntimittauksiin perustuvat kehittyneet mittausjärjestelmät, jotka mahdollistavat tarkan kuormitustiedon nopean saamisen. Kuorman ohjauksen käyttöön saadaan näin tarkat tiedot ilman mittavia laiteinvestointeja. Hinnoittelutariffeista teollisuudelle sopivin on tehotariffi, jossa hinta määräytyy suureksi osaksi suurimman kulutetun keskitehon mukaan [9]. Hinnoitteluperusteena voidaan käyttää esimerkiksi yhden tunnin keskikulutusta. Tämä ohjaa välttämään kulutuspiikkejä. Kulutuspiikkien pienentäminen voidaan toteuttaa säätämällä suurilla teollisuuslaitoksilla olevaa omaa sähköntuotantoa. Toinen vaihtoehto on säätää suoraan verkkoa kuormittavia laitteita, mikäli omaa tuotantoa ei ole tai sitä ei haluta käyttää ohjaustarkoitukseen. Kuormitusta voidaan seurata liityntäpisteen tehomittauksen avulla, jonka perusteella ohjaus voi tapahtua myös automaattisesti. Useammat yhtiöt tarjoavat jo nykyään ratkaisuja tällaiseen kuorman ohjaukseen. Esimerkkinä mainittakoon Enermet, jolla on useita eri tyyppisiä ohjausvaihtoehtoja [14]. 4.2 Pienkuluttajat Viime aikoina myös pienkuluttajien kuormien ohjaus on lisääntynyt. Rajoittavana tekijänä on usein tekniikka, joka vaatisi lisäinvestointeja ennen kuormanohjauksen tehokasta käyttöä. Yksittäisen kuluttajan ohjattavaksi sopiva kuorma on myös pieni, eikä juuri vaikuta koko verkon tilanteeseen. Niinpä pienkuluttajien kulutusta ohjataankin ryhminä, joka voi tarkoittaa esimerkiksi yhden sähköyhtiön kaikkia kuormanohjaukseen kuuluvia asiakkaita. Nykyään pienkulutusta pyritään 6

7 ohjaamaan enimmäkseen vuorokaudenaikaan perustuvien hinnoittelumallien avulla. Yleisimmin kuorman ohjauksen piirissä pienkuluttajilta on sähkölämmityskuormaa. Toinen käytössä oleva ohjauskohde on käyttöveden lämmitys. Myös ilmastoinnin, ulkovalaistuksen ja sähkökiukaiden ohjaus on mahdollista, mutta niiden ohjaus on harvinaisempaa. Lämmityskuorma on tyypillisesti suurimmillaan heti sen kytkeytymisen jälkeen ja pienenee sitten melko nopeasti. Tämän takia laajamittainen lämmityksen ohjaus asettaa omat vaatimuksensa, esimerkiksi kuorman kytkennän on tapahduttava porrastetusti, jotta yhtäaikaista kuormitusta ei lisätä. Yöenergiaan siirrytään yleisesti kello 22, mikä aiheuttaa kuitenkin huomattavan kuormituspiikin. Tämänkin takia porrastettu siirtymä on tarpeen. [1]; [10] 4.3 Automaattinen mittarinluenta Suoran kuorman ohjauksen vaikutuksia voidaan ennakoida, mikäli saatavilla on ajantasaista tietoa kulutuksesta. Pienkuluttajien tapauksessa tämä tarkoittaa lähinnä kaukoluettavien sähkömittareiden käyttöä. Kuormanohjausta varten tarvitaan lisäksi ohjauslaite, joka käsittelee ohjaussignaaleja. Ohjauksen mahdollistava toiminnallisuus voi olla myös mittarin yhteydessä. Älykkäissä kulutusmittareissa onkin usein mahdollisuus kuorman ohjaukseen valmiina. Jos käytettävissä on kaksisuuntainen tiedonsiirtokanava, voidaan ohjauksen toimivuus varmistaa. Kuormaa voidaan ohjata myös pelkkiin sähköasematason tehotietoihin perustuen. [10] Kaukoluettavien mittareiden määrä on yleisesti lisääntymässä ja sitä kautta myös mahdollisuudet kuorman ohjauksen käyttöön lisääntyvät. Kuvassa 2 on esitetty sähköyhtiöiden toimintasuunnitelmiin perustuva arvio kaukoluettavuuden lisääntymisestä Suomessa. Kyselyyn on osallistunut 31 sähköyhtiötä, joiden asiakkaana on 74% Suomen sähkönkäyttäjistä. [10] Kuva 2: Arvio kaukoluettavien mittareiden lisääntymisestä suomalaisilla pienkuluttajilla. [10] 7

8 Kaukoluettavien mittareiden tiedonsiirto on toteutettu yleisimmin GSM-matkapuhelinverkon välityksellä. Näin voidaan hankkia tiedonsiirto kokonaisuutena siihen erikoistuneelta operaattorilta, eikä tarvitse käyttää resursseja tiedonsiirron ylläpitoon. Verkko on myös jo valmiiksi olemassa. GPRS:n käyttö myös tukee suoraan yleistä IP-pohjaista tiedonsiirtoa, joka mahdollistaa palveluiden kehittämisen edelleen. Joissakin paikoissa GSM-verkon kuuluvuus on kuitenkin huono. Näillä alueilla on käytettävä lisäantennia tai järjestettävä mittaustiedon luenta keskittimelle muilla tavoin. Eri valmistajilla on mittareiden lukuun omia protokollia, jolloin lukujärjestelmä ei aina ole yhteensopiva eri mittareiden kanssa. GPRS:n sijaan tiedonsiirtoon voidaan käyttää myös esimerkiksi sähköverkkoa, kiinteää puhelinverkkoa, radiotekniikkaa tai yleistä tietoliikenneverkkoa. [10] Kuormien ohjaus olisi mahdollista ottaa käyttöön melko helposti sähköyhtiöiden järjestelmillä tai tekemällä niihin lisäyksiä. AMR mahdollistaa tuntitehojen mittauksen, joka auttaa osaltaan kuorman ohjauksen tehokkaassa toteuttamisessa. [10] 8

9 5. Käytössä olevat kuormanohjausjärjestelmät Suomessa on käytössä erilaisia teknisiä ratkaisuja kuorman ohjauksen toteutuksena. Taulukossa 1 on kuvattu 31:n suomessa toimivan sähköyhtiön kuormanohjausjärjestelmien määrä ja käyttötapa. Tiedot ovat vuodelta Taulukko 1: Suomessa käytösssä olevien kuormanohjausjärjestelmien lukumäärä ja käyttö [10] Yleisimmin käytössä oleva järjestelmä on Melko ja toiseksi yleisin verkkokäskyohjaus eli VKO. Muiden järjestelmien käyttö on vähäisempää. Sekä Melko, että VKO ovat olleet käytössä jo pitkään ja uudempia järjestelmiä onkin tulossa näiden tilalle. Monet uudemmatkin järjestelmät käyttävät hyväkseen sähköverkon välityksellä tapahtuvaa ohjausta ja perustuvat vanhojen järjestelmien kehityksen jatkamiseen. Melko ja VKO ovat toistaiseksi yleisimmät, joten keskitytään niiden lähempään tarkasteluun. Taulukossa on mainittu myös kuormanohjauksen yleisimmät käyttökohteet. Käyttöveden ja sähkölämmityksen lisäksi samoja järjestelmiä käytetään yleisesti myös katu- ja ulkovalaistuksen sekä kiukaiden ohjaukseen. Teollisuusyritykset voivat käyttää järjestelmiä näiden lisäksi myös omissa prosesseissaan käytetyille ohjaukseen soveltuville laitteille. 5.1 Verkkokäskyohjaus Verkkokäskyohjausta voidaan käyttää erillisenä tekniikkana, mutta yleensä se on integroituna 9

10 sähköyhtiön muihin järjestelmiin, esimerkiksi SCADA:an. Yhdistettynä muihin toimintatietoihin kuormanohjaus voidaan toteuttaa tehokkaammin ja verkon tila voidaan helpommin huomioida. Kuorman ohjaukseen käytettävä signaali muodostetaan resonanssipiirin avulla ja lähetetään verkon normaaliin 50 Hz:n jännitesignaaliin summattuna. Verkkokäskyohjauksen avulla voidaan siirtää ohjauskäskyjä jakeluverkon kautta pienjänniteasiakkaiden vastaanottimille. Kuvassa 3 on verkkokäskyohjaukseen tarvittavat peruskomponentit. [13] Kuva 3: Taajuusmoduloidun verkkokäskyohjauslaitteiston komponentit ja viestiyhteydet [13] Verkkokäskyohjausta voidaan käyttää tariffin ja kuorman ohjaukseen, sekä mittareiden kaukoluentaan. Verkkokäskyohjauksella lähetetään perustaajuuteen summattuja pulsseja. Pulssit käyttävät sovelluskohteesta riippuen eri taajuuksia. Jakeluverkkotason sovellukset toimivat yleensä alueella sadoista hertseistä muutamaan kilohertsiin asti [15]. Tiedonsiirtonopeus jää kuitenkin melko vaatimattomaksi. Vastaanottimessa ohjaussignaali saadaan tulkittua suodattamalla verkko- ja häiriötaajuudet pois. Ohjaus välittyy koko verkon alueelle kerrallaan. Kaksisuuntaista tiedonsiirtoa varten kuluttajilla on oltava verkkokäskyohjauslaite, joka pystyy myös lähettämään tietoa takaisinpäin. Asemilla on vastaavasti pystyttävä vastaanottamaan signaaleja. Kuluttajien laitteiden tilatieto voidaan siirtää myös muilla tavoilla, esimerkiksi yhdistettynä AMR:ään, tai sitä ei varmisteta lainkaan. Jotkut sähköyhtiöt lähettävät ohjauskäskyn useampaan kertaan perillemenon varmistamiseksi, mutta varsinaista varmistusta ei käytetä [1]. Ohjausyksikkö muodostaa halutun ohjauskäskyn valvomosta annettujen käskyjen ja mittaustietojen perusteella. Taajuusmuuttaja muodostaa vaihtelevalla taajuudella ilmoitetun signaalin, joka välitetään verkkoon resonanssipiirin välityksellä. Signaaleja voidaan lähettää myös amplitudimoduloituina. Signaali vaimenee erityisesti muuntajien läpi kulkiessaan. Lisäksi erilaiset häiriöt voivat vaikeuttaa hyötysignaalin lukemista vastaanottimissa. Signaalin suuren taajuuden takia sen käyttäytyminen poikkeaa oleellisesti nimellistaajuisen sähkön käyttäytymisestä. Signaali näkee karakteristisen impedanssin, joka riippuu johdon induktanssin ja kapasitanssin suhteesta Z 0 = L C. Signaalille sopiva taajuusalue voidaan määritellä sen vaimentumisen ja siirtotien kohinan perusteella. Suuremmilla taajuuksilla kohina vähenee ja signaali vastaavasti vaimenee enemmän. Signaali on pystyttävä erottamaan kohinasta. Toisen reunaehdon asettaa etäisyys, 10

11 signaalin vaimentumisen on pysyttävä niin pienenä, että se kantaa suurimman impedanssin takana olevalle vastaanottimelle asti. Lyhyillä johdoilla voidaan siis käyttää myös suhteellisen pieniä siirtotaajuuksia. [15] Resonanssipiiri voidaan kytkeä differentiaalisesti kahden vaiheen tai vaiheen ja nollan väliin. Toinen vaihtoehto on kytkeä se yhteismuotoiseti vaihe- tai nollajohtimen ja maan välille. Differentiaalisesti kytketty signaali sietää paremmin ulkoisia häiriöitä. [13] Kuva 4: Resonanssipiirin kytkentätavat sähköverkkoon. [13] Oleellinen osa resonanssipiirin verkkoliitynnässä on kytkentäkondensaattori. Signaalin hyvyys riippuu kondensaattorin ja kelojen mitoituksesta ja ominaisuuksista. Kytkentäkondensaattorin perusideana on muodostaa pieni-impedanssinen kulkutie suurtaajuiselle signaalille, mutta erottaa resonanssipiiri perustaajuisesta sähköstä. [15] 5.2 Melko Melko-järjestelmä käyttää sähköverkkoa tiedonsiirtoon verkkokäskyohjauksen tapaan. Se on alunperin tarkoitettu pääasiassa keskijänniteverkkotasolle. Melkon jatkokehityksen tuloksena ovat syntyneet Avalon (1997) ja AIM (2002), joissa tietoliikennemenetelmiä, käyttöliittymää ja sopivuutta myös pienjänniteverkkoihin on kehitetty edelleen [16]. Melko lähettää 50Hz siniaaltoon moduloitua signaalia, kuten VKO. Melko onkin pohjimmiltaan verkkokäskyohjauksen päälle kehitetty erikoissovellus ja signaalin siirtoon vaikuttavat samat tekijät, kuin verkkokäskyohjauksessa. Järjestelmä liitetään keskijänniteverkkoon kytkentäkondensaattoreiden ja erillisen signaalimuuntajan välityksellä. Muuntajan avulla tapahtuva jatkuvan signaalin lähetys on oleellisin tekninen eroavuus VKO:hon nähden. Järjestelmän ohjaus tapahtuu valvomossa olevalta keskustietokoneelta, jonka kautta järjestelmää voidaan ohjata ja jonne tietoja voidaan hakea. Keskuskoneelta on tietoliikenneyhteys sähköasemille, josta signaali kulkee sähköverkkoa pitkin 11

12 kulutuspisteisiin. Sähköasemilla ja kulutuspisteissä on käytettävä Melko-järjestelmän omia laitteita. Melko mahdollistaa tiedonsiirron molempiin suuntiin, joten sitä voidaan käyttää kuormanohjauksen lisäksi esimerkiksi mittaustietojen lukemiseen. [13] 5.3 Ohjauslaitteet Sisääntulevan signaalin informaation perusteella on pystyttävä kytkemään kuorma päälle tai pois. Verkon kautta tulevan signaalin vastaanottimet ovat nykyään lähes aina mikroprosessoripohjaisesti toimivia. Tuleva signaali suodatetaan verkkotaajuudesta, jonka jälkeen sitä voidaan prosessoida. Ohjauksen perusteella voidaan asettaa haluttuun tilaan laitteistoon sisäisesti kuuluvia kytkimiä tai viedä ohjaus ulkopuolisille laitteille. Tyypillisesti ohjattavana kytkinlaitteena toimii rele. Vastaanottimessa saattaa olla jo valmiina tietyn virrankatkaisukyvyn omaavia releitä. Prosessori asettaa ohjauspiirin johtavaan tai johtamattomaan tilaan, jolloin releen asentoa voidaan muuttaa. Ohjaus voidaan tehdä myös logiikkapiirillä, jolloin muuta prosessointia ei tarvita. Yksi laite voi ohjata useita releitä tai erottimia. Näiden päällekkäisen ohjauksen estämiseksi voidaan myös käyttää tapauskohtaisesti ohjauslogiikoita. Kuvassa 5 on Melko-järjestelmään kuuluvan asiakkaalla olevan päätteen lohkokaavio. Ohjattavien releiden lähdöt on varustettu vaihtokoskettimilla. [18] Kuva 5: Melko-järjestelmän toimintaperiaatetta kuvaava lohkokaavio. [18] 5.4 Tiedonsiirtomenetelmät Kuormanohjauslaitteiston käskyjä voidaan välittää eri menetelmillä. Kuorman ohjauksen käskyt välitetään yleensä sähköverkon välityksellä, mutta muitakin mahdollisuuksia on. Tässä on esitetty myös muita tiedonsiirtoon käytettäviä menetelmiä. Tiedonsiirtotapa vaikuttaa osaltaan ohjauksen 12

13 kustannuksiin ja kulutuspaikoilta vaadittaviin laitteisiin. Tiedonsiirron nopeus on otettava huomioon sovelluskohtaisesti. Yksinkertaisten käskyjen tai harvoin siirrettävän mittaustiedon välittämiseen ei vaadita suurta nopeutta. Toisaalta jatkuva tilan tarkkailu tai suuremman kokonaisuuden kaikkien tietojen aikaperusteinen haku voi vaatia huomattavaakin suorituskykyä. Ohjauksen luotettavuutta parantaa mahdollisuus varmistaa toiminta lähettämällä kuittaus myös takaisinpäin. Kaksisuuntainen tiedonsiirto mahdollistaa myös muiden toimintojen integroinnin samaan tiedonsiirtokanavaan GPRS Gprs on matkapuhelinverkon välityksellä toimiva tiedonsiirtomenetelmä. Verkko on melko kattava, mutta katvealueitakin löytyy. Näillä alueilla yhteys täytyy järjestää käyttäen jotain muuta yhteysmenetelmää, esimerkiksi perinteistä langallista puhelinverkkoa. GPRS-verkossa siirretään internetissä käytettävän IP-protokollan mukaista liikennettä. Tämän ansiosta sen päälle voidaan toteuttaa helposti ja kustannustehokkaasti uusia sovelluksia. Verkon tiedonsiirtonopeus on maksimissaan 53,6 kbps [11]. Uudemmilla mobiiliverkoilla voitaisiin päästä suurempiin nopeuksiin, mutta ylläpitokustannukset kuitenkin kasvaisivat merkittävästi eikä se ole pelkän kuormanohjuksen kannalta edes tarpeellista. GPRS on tiedonsiirtokanavana kohtuullisen luotettava, mutta siitä aiheutuu kustannuksia ulkopuolisen operaattorin käytön vuoksi. [10] Power-line carrier Sähköverkkoa tiedonsiirtokanavana käytettäessä perustaajuinen sähkö toimii kantoaaltona. Erillisillä laitteistoilla lähetään ohjausviestejä sähköverkkoon. Viestien taajuus on sähkön taajuutta suurempi ja amplitudi vastaavasti huomattavasti pienempi, jotta signaalit häiritsisivät mahdollisimman vähän varsinaista sähkönjakelua. Sähkönjakeluverkossa tapahtuvan tiedonsiirron käyttämiä taajuuksia on määritelty EN normissa [13]. Sähköyhtiöt voivat kuitenkin käyttää omiin tarkoituksiinsa itsenäisesti valittuja taajuuksia jos ne eivät aiheuta häiriöitä muille sähkölaitteille [13]. Sähköverkkoa ei ole suunniteltu yli 50 Hz signaaleille ja ne vaimenevatkin melko nopeasti, mikä osaltaan tekee signaalin perillemenon epävarmaksi. Verkossa esiintyvät häiriöt vaikuttavat myös toimintavarmuuteen. Sitä voidaan parantaa esimerkiksi vaatimalla kuittaus perillemenosta tai lähettämällä sama viesti myöhemmin uudelleen. Hyvänä puolena on riippumattomuus muista tiedonsiirtoverkoista ja menetelmistä. Siirrossa käytetyt laitteet ovat kalliita, mutta laiteinvestointien jälkeen siirto on ilmaista. [1] Radiolinkki Radiolinkkien välityksellä voidaan siirtää tietoa kahden pisteen välillä. Radiolinkin perustamisen jälkeen tiedonsiirto on ilmaista, mikä on sen paras ominaisuus. Radioliikenteessä voidaan käyttää lisenssivapaita taajuusalueita, jolloin muu liikenne saattaa kuitenkin häiritä tiedonsiirtoa. Toinen 13

14 vaihtoehto on hankkia lupa tietylle taajuudelle, joka on sitten vain omassa käytössä. Radioverkon signaalien kulkuun vaikuttavat voimakkaasti maaston muodot ja erilaiset esteet. Kulutuspään pieni antenni heikentää myös linkin kantomatkaa. Radiolinkki on halpa perustaa ja luotettava, mutta haittapuolena on lyhyt kantomatka, joka on usein vain joitakin satoja metrejä tai kilometrejä. [13] Puhelinverkko Käytettäessä tavallista puhelinverkkoa tiedonsiirtokanavana on kulutuspisteessä oltava laite, joka pystyy kommunikoimaan modeemin kautta tiedonkeruujärjestelmän kanssa. Tällöin kuormanohjaus voi olla yhdistettynä esimerkiksi kaukoluettavaan mittariin. Puhelinverkko on valmiiksi rakennettuna useimpiin talouksiin, minkä ansiosta erillisiä verkon perustamiskustannuksia ei välttämättä tule. Puhelinverkkojen purkaminen saattaa kuitenkin aiheuttaa tulevaisuudessa ongelmia. Lankapuhelinliittymien määrä on nykyäänkin vähenemässä. Puhelinverkko on varmatoiminen ja sitä käytetäänkin usein kriittisten sovellusten varayhteytenä. Sen käytöstä aiheutuu kuitenkin jatkuvia käyttökustannuksia. Puhelinverkon nopeus rajoittuu 64 kbit/s kanaviin, joita voidaan tosin yhdistää käyttämällä ISDN-tekniikkaa. [13] Tietoliikenneverkko Kuormanohjauslaitteisto voi kommunikoida myös internetkäyttöön rakennetun tietoliikenneverkon kautta. Tällaisen verkon kautta tietoa voidaan helposti siirtää molempiin suuntiin. Tietoliikenneverkolle tarkoitettu kaapelointi löytyy kuitenkin vain osasta kulutuspaikoista, jolloin se ei sovellu ainoaksi käytettäväksi tiedonsiirtomenetelmäksi. Tietoturva on myös syytä ottaa erityisesti huomioon, jotta asiattomat osapuolet eivät pääse käsiksi asiakastietoihin. Erityisesti tietoliikenteelle suunnitellut verkot pystyvät suureen siirtokapasiteettiin. Toteutus vaatii usein maanalaista johdotusta. Valokaapelilla toteutettu yhteys ei ole altis sähköisille häiriöille ja on erittäin luotettava. [13] 14

15 6. Kuormanohjauksen vaikutuksia sähköasemilla 6.1 Kuormitettavuus Verkkolaitteiden käyttöikä riippuu suuresti niiden kuormitusasteesta ja lämpenemästä. Kuorman ohjauksen avulla voidaan vähentää ylikuormituksen aiheuttamia riskejä. Kulutuksen kasvun seurauksena laitteiden kuormitus saattaa ylittää vanhan tilanteen perusteella mitoitetun komponentin nimellisarvon. Kuorman ohjauksen keinoilla kuormitushuippuja ja sitä kautta laitteiden ennenaikaista vanhenemista voidaan välttää. 6.2 Muuntaja Kuormitus lisää muuntajan häviöitä ja tämän seurauksena sen lämpötila nousee. Samalla sen eristyksessä tapahtuvat sähköiset ja kemialliset reaktiot nopeutuvat ja voimistuvat [6]. Muuntajan eristys vanhenee kokeellisesti arvioituna noin kaksinkertaisella nopeudella, mikäli sen sisäinen lämpötila nousee 6 K yli testeissä määritellyn nimelliskuormalla tapahtuvan lämpenemän [6]. Kuorman muutoksella on siis huomattava vaikutus muuntajan elinikään. Muuntaja on verkon toiminnalle kriittinen komponentti, joten kuorman ohjaaminen ylikuormituksen välttämiseksi on tältäkin kannalta perusteltua. Erityisen hyödyllistä olisi kohdistaa kuorman ohjaus tietyn jakelumuuntajan taakse. Tämä vaatii kuitenkin ohjauksen määrittelemistä vain pienelle käyttäjäryhmälle. Sähköverkon välityksellä se ei siis onnistu, koska lähettimet ovat yleensä sähköasemilla Muuntajan ylikuormittaminen Muuntajien lämpötila ei muutu välittömästi kuormituksen muutoksen seurauksena joten niiden ylikuormittaminenkin on hetkellisesti mahdollista. Ylikuormitettavuus riippuu ympäristön tai jäähdytysaineen lämpötilasta ja ylikuorman käyttöajasta. [1] Aikatariffiin pohjautuvat kuormanohjausmenetelmät voivat muodostua ongelmiksi kuormitettavuuden kannalta erityisesti alueilla, jossa on paljon sähkölämmityskuormaa. Kun illalla siirrytään yösähkön käyttöön, kytkeytyy usein samanaikaisesti huomattava määrä lämmityskuormaa. Pahimmassa tapauksessa muuntajien kuormitettavuus ei riitä nopean kuorman lisäyksen kattamiseen. Sähköyhtiöillä onkin tilanteen helpottamiseksi järjestelmiä, joissa lämmitys kytketään asteittain tilanteen mukaan. [1] Taulukossa on ilmoitettu kuormitettavuuksia, joilla muuntaja vanhenee vielä normaalisti eri jäähdytysaineen lämpötiloissa. Näillä arvoilla muuntajaa voidaan kuormittaa jatkuvasti. Jäähdytysaineena toimii usein muuntajaa ympäröivä ulkoilma. Kirjainyhdistelmät tarkoittavat muuntajan jäähdytyksen tyyppiä. Luonnollisessa kierrossa muuntajaöljy ja jäähdytysaine liikkuvat 15

16 vain lämpötilaeron vaikutuksesta, kun vastaavasti pakotettuna niitä liikutellaan esimerkiksi tuulettimilla. Taulukon lyhenteet: O=oil; A=air; W=water; N=natural; F=forced [1]; [5] Jäähdytysaineen lämpötila [ C] Kuormitettavuus [p.u.] ONAN/ONAF -30 1,37 1, ,30 1, ,23 1,21 0 1,16 1, ,08 1, ,00 1, ,91 0,92 Taulukko 2: Muuntajan kuormitettavuus eri lämpötiloissa [1] OFAF/OFWF Hetkellisesti kuormitus voi olla tätäkin suurempi. Lämmityskuorma pienenee tyypillisesti nopeasti alun huippukulutuksen jälkeen. Kuormitettavuusrajat asettavat kuitenkin rajoitteen kuormitukselle erityisesti talvisin, kun kulutus on muutenkin suuri. [1] 6.2 Jännitteensäätö Kuormituksen muutokset aiheuttavat muutoksia verkon jännitteeseen. Kaikissa kuormissa on myös induktiivinen tai kapasitiivinen komponentti, mikä aiheuttaa loistehohäviöitä ja sitä kautta jännitteen pienenemisen. Samalla verkon siirtokapasiteetti pienenee. Jännitteen säädön tavoitteena on loisvirtojen hallinta. Jännitteen muuttuessa muuntajien käämikytkimet pyrkivät pitämään verkkojännitteen vakiona. Näin loistehotasapaino eri jännitetasojen välillä säilyy. Tämä vaatii syöttävästä verkosta riittävän loistehoreservin. Tarvittava loisteho voidaan tuottaa generaattoreiden magnetointia ja napajännitettä säätämällä. Parempi vaihtoehto usein kuitenkin on tuottaa loisteho paikallisesti lähellä kuormitusta. Loistehon kompensointiin voidaan käyttää tilanteen mukaan kompensointikondensaattoreita tai reaktoreita. Myös moottoreiden magnetointi ja esimerkiksi tyristorisiltoja käyttävät sovellukset vaikuttavat loistehotasapainoon. Kompensointikapasiteettia on oltava riittävästi ja sitä on ohjattava tehokkaasti. [7] Kuormituksen säätäminen, erityisesti huippujen leikkaaminen, mahdollistaa tehoreservin pienentämisen generaattoripäässä, koska kulutuksen pienentäminen vapauttaa verkon kapasiteettia. Jos sähkönsyöttö joudutaan järjestämään vaihtoehtoista reittiä käyttäen, on mahdollista että uuden reitin siirtokapasiteetti ei riitä sellaisenaan. Uusi järjestely lisää usein lähdön pituutta, jolloin käytetyllä johtopaksuudella ei pystytä välttämättä takaamaan riittävää jännitetasoa lähdön 16

17 loppupäähän. Kuormitusta keventämällä voidaan pitää jännitetaso hyväksyttävänä niin kauan, että poikkeuksellinen tilanne saadaan korjattua. Huippukulutuksen aikana myös häviöt ovat suurimmillaan, joten huipun leikkaus on hyödyllistä jännitteenaleneman hallitsemiseksi. Kuormanohjauslaitteiston kustannukset ovat suuret, mikäli niitä verrataan pelkästään jännitteensäädöstä saataviin hyötyihin. Mikäli kuormanohjaukseen tarvittavat laitteet on jo olemassa, niitä voidaan käyttää myös jännitetason hallitsemiseksi. Laitteiston käyttö tähän tarkoitukseen on nykyään harvinaista. Kuorman ohjauksen mahdollisuuksia jännitteensäädössä on kuitenkin pohdittu ainakin lounaissaaristossa toteutetun Högsåran tuulipuistoprojektin yhteydessä [17]. Siellä heikkoon verkkoon liitetyt tuuligeneraattorit aiheuttavat lähinnä jännitteen nousua, jota voidaan hallita lisäämällä kuormaa verkkoon [17]. 17

18 7. Kuormanohjauksen vaikutuksia sähkönjakeluverkossa 7.1 Vikojen selvitys Sähkönjakeluverkossa sattuvien vikojen vaikutuksiin voidaan vaikuttaa myös kuormanohjauksen keinoin. Vikatapauksissa pyritään rajaamaan vian vaikutukset mahdollisimman pienelle maantieteelliselle alueelle tai joissakin tapauksissa myös kulutuksen määrän tai tyypin perusteella. Vikojen aikana verkon kytkentätilanne saattaa poiketa merkittävästi normaalitilanteesta, mikä aiheuttaa erilaisia ongelmia. Suomessa taajamaverkot on usein rakennettu rengasmaisiksi, jolloin sähkönsyöttö voidaan toteuttaa useammasta eri suunnasta. Vian aikana osa yhteyksistä voi olla tilapäisesti poissa käytöstä, jolloin toimivat yhteydet rasittuvat huomattavan paljon. Kuorman ohjauksen avulla kuormitusta voidaan vähentää sähkönjakelun turvaamiseksi sallitun kuormituksen ylittyessä ilman ohjausta. Vian seurauksena saattaa aiheutua myös stabiilisuusongelmia. Vian seurauksena jännite lähtee usein alenemaan, jolloin muuntajien käämikytkimet pyrkivät nostamaan sen takaisin halutulle tasolle. Tämän takia kasvaa myös generaattoreiden loistehontuotanto, joka puolestaan aiheuttaa häviöiden kasvun ja jännite pienenee edelleen. Kuvassa 6 oleva PU-käyrä kuvaa pätötehon ja jännitteen käyttäytymistä eri lähdejännitteen ja johtoreaktanssin arvoilla. Stabiiliuden säilyttämiseksi toimintapisteen on pysyttävä käyrän kärjen yläpuolella. Vian tai kuormitustilanteen muutoksen seurauksena käyrä voi muuttua niin, että stabiiliuden säilyttäminen tulee mahdottomaksi. Kuvassa on häiriötilanne, josta nähdään kuormituksen vaikutus stabiilisuuteen häiriötilanteessa yleisesti. Kuorman irtikytkeminen esimerkiksi jännitetietoon perustuen auttaisi säilyttämään stabiiliisuuden myös vikatilanteessa. [3] Kuva 6: Kuorman vaikutus jännitestabiilisuuteen häiriötilanteessa [3] 18

19 7.2 Jakorajat Jakorajoja muuttamalla voidaan liittää alueita syötettäväksi eri sähköasemilta. Jakorajoja voidaan muuttaa optimaalisemman käytön takia tai vikaantuneiden alueiden eristämiseksi. Jakorajat on toteutettu käsin- tai kauko-ohjattavilla erottimilla. Optimaaliseen käyttöön voidaan pyrkiä myös ohjailemalla kulutusta. Varsinkin tilapaisissä tilanteissa jakorajan muutosta vastaava hyöty voidaan saada myös ohjaamalla kulutusta tarvittaessa joko suuremmaksi tai pienemmäksi. Erityisesti hyötyä saadaan jos käytössä on järjestelmä, jolla pystytään ohjaamaan tietyn pienehkön alueen kuormitusta erikseen. Säästöä syntyy häviöiden pienenemisenä ja myöhemmin myös komponenttien pidempänä käyttöikänä. Kulutuksen ohjaaminen valvomosta on myös helpompaa ja nopeampaa kuin muuttaa käsin käytettävien erottimien asentoa. 7.3 Transientit ja yliaallot Verkkoon kytketyt resistanssit vaimentavat transientteja ja yliaaltoja. Kuorman ohjukseen kytketyt kuormat ovat suurimmalta osin lämmitys- ja valaistuskuormaa. Lämmitys ja perinteisillä hehkulampuilla toteutettu valaistus ovat lähes puhdasta resistiivistä kuormaa, jolloin niiden lisääminen vaimentaa haitallisia tekijöitä. Mitä suurempi resistanssin suhde on reaktanssiin nähden, sitä enemmän yliaallot vaimentuvat [4]. Resistanssin lisääminen loiventaa myös esimerkiksi kompensoinnissa käytettävien kondensaattoreiden kytkentävirtapiikkiä, joka voi olla huomattavan suuri kytkettäessä varaamaton kondensaattori huonolla hetkellä verkkoon. 7.4 Jännitteenalenema ja häviöt Kuormitusvirta aiheuttaa aina siirtojohdoilla tehohäviöitä. Häviöt ovat verrannollisia kuormitusvirran toiseen potenssiin (P h = 3 I 2 R) [2]. Tämän seurauksena kuormitushuippujen leikkaaminen pienentää johdoilla syntyviä tehohäviöitä, vaikka kokonaiskulutus pysyisikin samana. Jännitteenalenema aiheutuu kuormitusvirrasta ja verkon impedanssista. Alenema on kuitenkin suoraan verrannollinen näihin suureisiin. Jännitteenaleneman hallitsemiseksi kuormaa on siis pienennettävä. Jakelujännitteelle on asetettu sallitut rajat standardissa SFS-EN [4]. Kuormituksen vaihdellessa jännite saattaa ylittää nämä rajat, jolloin tilannetta voidaan korjata ohjaamalla kuormaa. Vastaaviin tuloksiin päästään yleensä jos syöttävällä muuntajalla on jännitteisenä säädettävissä oleva käämikytkin. Muussa tapauksessa säätöön voidaan käyttää myös kuorman ohjausta. 19

20 8. Yhteenveto Kuorman ohjausta voidaan osaltaan käyttää sähkönjakeluverkon toimivuuden varmistamiseen. Toisaalta kuorman ohjauksen laajamittainen käyttö vaatii myös järjestelmien tuomaa kaupallista hyötyä. Kuorman ohjaus vaatii pitkälle vietyä automatisointia ja se voidaan yhdistää myös muihin toimintoihin, kuten automaattiseen mittarinluentaan. Kuorman ohjauksella voidaan myös estää suurien tehotasapainon poikkeamien syntymistä sopeuttamalla kuormitustilanne saatavilla olevaan sähkön tarjontaan. Ohjaus voi perustua suoraan mitattuihin tai laskettuihin tietyn kulutuspisteen tehotietoihin tai esimerkiksi jännitteen tai taajuuden seurantaan. Ohjaus voidaan myös toteuttaa aikaperusteisesti, jolloin hyödyt jäävät pienemmiksi mutta järjestelmä voi toimia yksinkertaisempia ohjausperusteita noudattaen. Suuria teollisuuskuormia ohjaamalla voidaan nopeasti vaikuttaa laajaankin verkkoon. Toisaalta pienelle alueelle kohdistetut ohjaustoimenpiteet vaikuttavat tiettyjen laitteiden, kuten jakelumuuntajien tilaan. Kuorman ohjaukselta toivottujen vaikutusten mukaan sitä voidaan pitää tarvittaessa ohjattavissa hyvinkin nopeasti. Kuormanohjausjärjestelmiä on nykyisinkin käytössä useimmilla sähköyhtiöillä. Omaa sähköntuotantoa omaavilla teollisuuslaitoksilla on usein sisäisiä kuormanohjausmenetelmiä sähkönjakelun ylläpitoa varten. Kuorman ohjauksella on sijaa myös tulevaisuudessa, koska uusien energiantuotantomuotojen vaihteleva tuotanto täytyy sovittaa yhteen kulutuksen kanssa. Monet sähköyhtiöt aikovat myös kehittää järjestelmiään eteenpäin. 20

21 Lähteet Kirjallisuus [1] Uola, Timo Kuormien ohjausajankohdan vaikutukset Helsingin Energian sähköverkossa. Diplomityö, TTY. [2] Järventausta, Pertti. Sähköenergiatekniikka. Opintomateriaali, TTY. [3] Repo, Sami. Jännitestabiilisuus. Luentomoniste, TTY. [4] Mäkinen, Antti. Sähköverkon häiriöt ja sähkön laatu. Luentomoniste, TTY. Verkkomateriaali [5] ABB:n TTT-käsikrja [6] Huurinainen, Ville Jakelumuuntajan elinkaaritutkimus. Tutkintotyö, Tampereen ammattikorkeakoulu. [7] Partanen, J. Verkon jännitteen säätö. Luentomoniste, LTY. [8] G. Thomas Bellarmine Load management techniques. IEEE julkaisu. [9] Ruotsalainen, Jesse. Kysyntäjousto sähkömarkkinoilla. Projektityö, TTY [10] Kärkkäinen, Seppo; Koponen, Pekka; Martikainen, Antti; Pihala, Hannu. Sähkön pienkuluttajien etäluettavan mittaroinnin tila ja luomat mahdollisuudet. VTT tutkimusraportti. [11] Alhava, Otto. Mobiiliverkot. Luentomateriaali, TTY. TTY Moodle. [12] 21

22 [13] Karkkulainen, Toma. Verkkokäskyohjaus. Seminaarityö, LTY. [14] [15] IEEE Guide for power-line carrier applications. IEEE standardi. [16] Enermetin verkkolehti Enermail. [17] Kulmala, Anna. Aktiivisen jännitteensäädön soveltaminen Högsåran verkossa. Raportti. [18] Heiska, Mikko Sähköenergian mittaus ja kaukoluenta. Tutkintotyö, Tampereen ammattikorkeakoulu. 22