LUT ENER GIA. Interaktiivinen asiakasrajapinta peruskonsepti. ST-poolin tutkimusseminaari Jarmo Partanen

Transkriptio

1 Interaktiivinen asiakasrajapinta peruskonsepti ST-poolin tutkimusseminaari Jarmo Partanen LUT ENER GIA Energiatekniikka Sähkötekniikka Ympäristötekniikka 1

2 Taustaa - Smart Grid Visio

3 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Asiakasnäkökulma Vision 2035 hallitsen helposti yhdessä sähkön toimittajieni kanssa omaa yksilöllistä nollapäästöistä sähkönkäyttöäni (räätälöitävyys) ja sähkökäyttöni jatkuu verkko- ja tuotantohäiriöidenkin aikana saan sähköä ilman yllätyksiä kohtuulliseen hintaan tuotan osan tarvitsemastani energiasta, ylijäämän tai alijäämän toimitan markkinoille ja/tai lähiyhteisölle. on yhteisöjä, jotka elävät energiaomavaraista elämäänsä ilman verkkoyhteyttä. käytän huolettomasti sähköautoa kotimaassa ja ulkomailla tunnen systeemin luotettavaksi ja turvalliseksi ilman päivittäisiä puuhailuja ja aktiivisuutta

4 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Yhteiskunta Vision 2035 sähköenergia tuotetaan pääosin päästövapaasti. sähköenergiajärjestelmä on yhdistelmä keskitetysti hallittavia voimalaitoksia ja pieniä paikallisesti ohjattavia tuotantolaitoksia. suurten markkinaosapuolten lisäksi pienkäyttäjillä ja tuottajilla on mahdollisuus osallistua markkinoille sähkönkäyttäjät ovat tietoisia omasta energian käytöstään ja sen taloudellisista ja ympäristöllisistä vaikutuksista sähkönkäyttäjien ja verkkoyhtiöiden automaatiojärjestelmät ml. energiavarastot osallistuvat aktiivisesti sähköenergiajärjestelmän hallintaan helpottaen teknisesti ja taloudellisesti ympäristötavoitteiden ja tehotasapainon hallintaa normaali- ja häiriötilanteissa. sähköenergiajärjestelmät ovat käyttövarmoja, sähköntoimituksen katkot ovat harvinaisia poikkeuksia. Näiden tilanteiden ratkaisumallit ratkaistaan sosio-ekonomisten kokonaiskustannusten pohjalta. sähköenergiaa tuotetaan ja ostetaan markkinaehtoisesti yhteisillä kehittyvillä eurooppalaisilla markkinoilla. Maat pitävät huolen kuitenkin myös riittävästä omavaraisuudestaan. Smart Grid toimintaympäristön kehittymistä ohjataan tarvittaessa yhteiskunnan määrittämillä ohjeistuksilla Suomi toimii Smart Grid toimintojen kehittämisessä ja hyödyntämisessä edelläkävijänä Smart Grid teknologia ja palvelut ovat keskeisiä vientituotteita suomalaisille yrityksille

5 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; DSO-näkökulma Vision 2035 sähkönjakeluverkko toimii markkinapaikkana, joka tarjoaa asiakkaille joustavan liitynnän sähkön ostamiselle ja myynnille sähkönjakeluverkko toimii ilman pitkiä katkoja DSO ja asiakkaat yhdessä hoitavat jännitteen laadun asiakasrajapinnoissa sähkönkäyttäjien älykäs verkkoliittymä mahdollistaa kuormien ja tuotannon ohjauksen, joka yhdessä verkkoon sijoitettujen energiavarastojen kanssa mahdollistaa verkon tehovirtauksien hallinnan hinnoittelujärjestelmä mahdollistaa Smart Grid toimintaympäristön kehittämisen ja ylläpidon ja kannustaa koko energiajärjestelmän energiatehokkuuteen jakelu- ja siirtoverkkoliiketoiminta ovat edelleen alueellisia monopoleja, joiden toimialueiden sisällä voi olla erillisiä energiaomavaraisia yhteisöjä liiketoimintaa valvotaan innovatiiviseen toimintaan kannustavilla valvontamalleilla

6 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; TSO-näkökulma Vision 2035 Eurooppalainen sähkönsiirtoverkko on markkinapaikka, joka tarjoaa suurkäyttäjille ja -tuottajille joustavan liitynnän sähkön ostamiselle ja myynnille sähköjärjestelmän tehotasapainon ja käyttövarmuuden hallinnassa hyödynnetään kaikkien sähkönkäyttäjien kuormitusten, tuotannon ja energiavarastojen ohjausta perinteisen tuotannon ohjauksen ja kuormien poiskytkennän lisäksi siirtoverkoissa on 100 % käyttövarmuus siirtoverkkojen kehittämisessä kansallisilla päätöksillä on keskeinen rooli Smart Grid toimintaympäristö ratkoo osaltaan siirtojärjestelmän pullonkauloja ja käyttövarmuusongelmia Smart Grid toimintaympäristö helpottaa vaihtelevan ja säätämättömän tuotannon aiheuttamia ongelmia

7 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Sähkömarkkinat Vision 2035 EU:n yhteinen sähkömarkkina toimii hintasignaalit välittyvät kaikilla tasoilla reaaliaikaisesti markkinatoimijoille perustiedot sähkönkäyttäjien energian käytön olosuhteista ja määristä ovat kaikkien markkinatoimijoiden käytettävissä (esim. kansallisen tietokantaliitynnän kautta). Markkinatoimijoiden markkinoille pääsy on helppoa Kysynnän jousto yhdistettynä paikalliseen pienmuotoiseen tuotantoon ohjaa vahvasti markkinahinnan muodostusta ja helpottaa tehotasapainon ylläpitämistä

8 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Teknologia Vision 2035 langaton tiedonsiirto tarjoaa palveluja käytännössä rajattomalla kapasiteetilla lähes nollakustannuksin kaikilla sähköisillä toimilaitteilla on IP-osoite hajautettu äly ja muistikapasiteetti on kaikkialla tietojärjestelmien hallinta on keskeisessä roolissa akkuteknologia mahdollistaa edullisen energian varastoinnin (< 1 snt/kwh) pienimuotoisen energiatuotannon yksikkökustannukset ovat kilpailukykyiset tehoelektroniikka mahdollistaa sähkön muokkauksen (sähkön laatu, DC) kilpailukykyisesti

9 Interaktiivinen asiakasrajapinta Markkinatoimijat TSO, DSO, sähkökauppiaat, aggregaattorit Tietojärjestelmät Energiavarastot akut, kondensaattorit, sähkömekaaniset, ym. Verkko Kuormituksen hallinta Sähkönlaadun hallinta Häiriötilanteiden hallinta Kuormitustiedot Säätökapasiteettitiedot Hintasignaalit Ohjaussignaalit Asiakasrajapinta (INCA) Kuormat PHEV ohjattavat, ei ohjattavat, asiakaslähtöinen priorisointi Tuotannon hallinta Tuotanto aurinko, tuuli, biokaasu, ym. Kuormien hallinta Sähkönlaadun hallinta Tehotasapainon hallinta Varaston tilan hallinta Tehotasapainon hallinta EV mobiilit varastot

10 Määritelmä Interaktiivinen asiakasrajapinta on älykkään sähköverkon toiminnallisuuksien toteuttamisessa yksi tärkeimmistä toimilaitekokonaisuuksista koostuu asiakkaan sähköverkkoon liitettyjen aktiivisten laitteiden, tietoliikenneverkon ja ohjausjärjestelmien muodostamasta kokonaisuudesta osallistuu sekä paikallisten (sisäisiä) että järjestelmätason (ulkoisia) toiminnallisuuksien hallintaan muuntaa sähkönkäytön ja pientuotannon aktiivisiksi resursseiksi sähkömarkkinoilla ja järjestelmän hallinnassa Asiakkaan (sähkön käyttäjä/tuottaja), sähkökaupan, sähkönjakelijan (DSO) ja järjestelmänvastaavan (TSO) yhteinen rajapinta uudistaa verkonhallinnan ja tasehallinnan periaatteet sekä sähkökaupan mahdollisuudet Operaattorit hallitsevat yhdessä loppukäyttäjien kanssa järjestelmää Mullistaa sähkön loppukäytön periaatteet ja korostaa pienasiakkaan roolia Asiakas hallitsee yhdessä palveluntarjoajiensa kanssa sähkönkäyttöään

11 Rajapinnan toiminnallisuudet Toimija Asiakasrajapinta Vastuut Liiketoiminta Regulaatio Ympäristö Kustannukset Mittaukset Toiminnalliset tarpeet Toiminnallisuudet Toimintamallit Ohjaukset

12 Toiminnalliset tarpeet Markkinapohjainen kuorman ja hajautetun tuotannon ohjaus ja niihin liittyvät liiketoiminnot Energiansäästöä ja energiatehokkuutta tukevat toiminnot ja palvelut Joustava liityntä asiakkaan sähkölaitteille (esim. hydridi-/sähköauto), energiavarastoille ja hajautetulle sähköntuotannolle Verkon taajuuteen perustuva asiakkaan sähkölaitteiden ohjaus osana valtakunnallisen sähköjärjestelmän häiriötilanteiden hallintaa Tehoelektroniikkaan pohjautuva asiakaskohtainen jännitteensäätö ja laadun korjaus (esim. jännitteensäätö kuormien ohjauksen välineenä) Tehoelektroniikkaan ja energiavarastoihin pohjautuvat ratkaisut jännitekuoppien ja lyhyiden keskeytysten haittojen vähentämiseksi Asiakkaan sähkölaitteiden, energiavarastojen ja hajautetun sähköntuotannon hyödyntäminen aktiivisessa jakeluverkon hallinnassa Asiakasrajapinnan mittaustietojen ja toimintojen hyödyntäminen verkon suunnittelussa ja käytössä

13 Toiminnallisuudet ja toteutus *) Sisäinen = äly asiakasrajapinnassa Ulkoinen = äly ulkoisen toimijan järjestelmässä TSO DSO Toimija Toiminnalliset tarpeet Toiminto Mittaustarpeet Ohjaustarpeet Toteutustaso Varastojen lataus/purkuohje Sähkökauppias / Aggregaattori Tehotasapainon hallinta Tasehallinta Kuormituksen ennustaminen Käyttövarmuuden hallinta Toimitusvarmuuden hallinta Käyttövarmuuden hallinta Jännitteen laadun hallinta Sähköturvallisuuden hallinta Kuormitustietojen hallinta Suunnitteluparametrien hallinta Kulutustietojen hallinta Kuormitusten ennustaminen Kuormituksen optimointi (VPP) Tuotannon optimointi (VPP) Kuormitusmallien ylläpito Säätökapasiteetin määrittäminen (kuormat, varastot, tuotanto) Kuormituksen säätäminen (verkosta oton/annon) Käytönvalvonta Sähkön laadun valvonta Kuormituksen säätäminen Vikatilanteiden indikointi Saareketilanteen indikointi Kuormitusmallien ylläpito Kuormitusasteen valvonta Kuormitusmallien ylläpito Säätökapasiteetin määrittäminen (kuormat, varastot, tuotanto) Kuormituksen säätäminen Tehontarve (1-10 min) Taajuus (paikallisesti) Säätökapasiteetti (1-10 min) (kuormat, varastot, tuotanto) Energiamittaus Keskeytysten ja kuoppien rekisteröinti Tunti- ja huipputehojen mittaaminen U- ja I-mittaukset 10 min keskiarvot Huippuarvot Yliaallot, välkyntä (hälytykset rajojen rikkoutumisesta) Häiriötallenteet Käyrämuodot 15 s ajalta Säätökapasiteetti (1-10 min) (kuormat, varastot, tuotanto) Energiamittaus Tehontarve (1-10 min) Säätökapasiteetti (1 10 min) (kuormat, varastot, tuotanto) Kuormien ohjaus Teho-ohjeen perusteella Taajuusohjaus Varastojen lataus/purkuohje Syötön katkaisu Jännitteen korjaus Kuormien ja varastojen ohjaus teho-ohjeen perusteella Saareketilaan siirtyminen Kuormien ja varastojen ohjaus teho-ohjeen perusteella Varastojen lataus/purku Ulkoinen/sisäinen Sisäinen (* Ulkoinen (* Ulkoinen Sisäinen Ulkoinen/sisäinen Sisäinen Sisäinen Ulkoinen/sisäinen Tuotantotehon ennustaminen Tuotantoteho (1-60 min) Asiakas Jatkuva sähkönkäyttö Saarekeajo Energiankulutus Yksittäisten Sisäisiä Kuormien priorisointi Tunti- ja huipputehomittaus kuormaryhmien/kojeiden Turvallinen sähkönkäyttö Sähkönkäytön tehostaminen U- ja I-mittaukset säädön ja ohjaus prioriteetin Oman tuotannon hyödyntäminen suojauksen tarpeisiin perusteella Energiakustannusten minimointi Energiavarastojen hyödyntäminen Käyrämuodot Hyvä sähkönlaatu Aktiivinen toiminta Yliaallot, välkyntä (hälytykset Varaston purku/lataus Sähköauton lataus sähkömarkkinoilla rajojen rikkoutumisesta) Hintasignaalien seuraaminen Ryhmäkohtaiset î-mittaukset Säätökapasiteetti ja Saarekeajon ohjaus Ympäristöystävällisyys tuotantoteho (1 60 min) (kuormat, varastot, tuotanto) 13 Sisäinen

14 Mittaukset ja ohjaukset Mittaukset Laatu (min. EN 50160) Jännite ja virta Nopeat / hitaat ilmiöt Katkot ja kuopat Teho/energia Hälytykset Asetettujen rajojen ylitykset Esim. viat, kapasiteettirajat, jännite Ulkoiset Ohjaukset Teho-ohjeet Verkkoyhtiöiden asettamat tekniset Hintasignaalin perusteella asetetut Järjestelmävastaavan asettamat Asiakaskohtainen tehotavoite Tehotavoitteen vaihteluväli Sähköauton/energia varaston lataus Saa/ei saa ladata Taajuussäätöön osallistuminen Automaattisesti kantaverkon taajuuden paikallisen mittauksen perusteella LoMjatkuvuussignaali Mittaukset Ulkoisten mittausten käytännön toteutus Jatkuvat yksikkökohtaiset mittaukset säädön ja suojauksen tarpeisiin Jännite Virta Nopeita Akun varaustilan valvonta Sisäiset Ohjaukset Ulkoisten ohjaussignaalien käsittely ja välittäminen sisäverkon toimijoille Varaston purkamisen/lataukse n säätely (akun liityntärajapinta) Kuormien ohjaukset Ohjaustarpeen päättely Kuormien priorisointi ja ajantasaisen ohjauskapasiteettiti edon ylläpito Verkkokatkoksen hallinta Saarekkeen perustaminen Saarekkeessa ajo Saarekkeesta poistuminen Jännite/taajuusvastuun siirto verkkoinvertteriltä varastolle Laitteisto Perustoiminnot Asiakasjännitteen ja taajuuden ylläpito Järjestelmän ohjaus Jännite/virtalähdetoiminta Suojaus ja turvallisuus Fyysinen kapasiteetti Rakenne Master - ohjausyksikkö Slave - suuntaajayksiköt Suuntaajayksiköt hoitavat perustoiminnallisuudet masterin antamien ohjeiden mukaan Tietoliikenne Yhteydet ulkoisiin järjestelmiin Yhteydet kiinteistön älykkäisiin toimijoihin Muisti Mittaustietojen paikallinen taltiointi

15 Luettavissa olevat/tallennettavat mittaustiedot Laatuparametrit P lt välkyntäindeksi vuodelta ja P st välkyntäindeksi viikolta RMS-vaihejännitteen 10 min keskiarvot vuoden ajalta jännitetasot, epäsymmetria Yliaaltojännitteiden tehollisarvojen 10 min keskiarvot vuoden ajalta 8 % tason ylittävien, yhdeltä verkkojaksolta 40. yliaaltoon saakka laskettujen jännitteen THD-arvojen ylityksen alku ja loppuhetket sekä suurin ylitys Kuormavirran yliaaltojen tehollisarvojen 10 min keskiarvot vuoden ajalta sekä hetkellisten liittymän referenssivirtaa vastaavien raja-arvojen THD-ylitysten alku ja loppuhetket sekä suurin ylitys Häiriötiedot 15 s puskuri U- ja I- käyrämuodoista (häiriö tallennin) Tarkkuus väh. 40 yliaaltoon asti Lista jännitekuoppien lukumäärästä, ajanhetkestä ja syvyydestä Lista lyhyiden ja pitkien keskeytysten lukumäärästä, ajanhetkestä ja kestosta Kumulatiivinen lyhyiden keskeytysten lukumäärä ja pitkien keskeytysten kesto RMS-jännitteen ylijännitteet ja esiintymisajanhetki Kulutus- ja tuotantotiedot Tuntitehot vuodelta 1-10 min. tehot viikolta (esim. 3 min resoluutio) Huipputeho viimeiseltä vuorokaudelta, viikolta, kuukaudelta ja vuodelta Kumulatiiviset energiatiedot Aktiivisten resurssien käytettävyys Energiavarastojen tila (esim. 3 min resoluutio) Säätökuormakapasiteetti (esim. 3 min resoluutio)

16 Rajapinnan rakenne

17 Rajapinnan hallinta. esimerkki Market player basic information of customers historical statistics of load curves (AMR) Classification of customers Price signal Estimation of customer grid loads, hours Local weather forecast Detailed information of customer loads, storages and generation with limits Estimation of future loads and generation for each customer Optimization of market player s loads, h Target for hourly powers of individual customers Optimal actions for individual customer s grid loads for h Economic contracts Production plans Network data. List of control actions for loads, storage and generation

18 MARTINKYLÄ LANDBO MASSBY KALLBÄCK 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Sähköautojen kuormituksen alueellinen ennustaminen Henkilöliikennetutkimus - Päivittäiset ajomatkat - Vuosittainen ajomäärä (aluekohtainen) - Asumistapakohtainen päivittäinen ajomäärä - Asumisaluekohtainen päivittäinen ajomäärä - Kuukausittainen ajomäärätieto - Kellonaikariippuvainen ajomäärä - Autojen määrä kotitalouksissa Aluekohtainen lisäenergian tarve kwh/vrk (työ/vapaa aika) Teho Latausprofiili Kellonaika Sähköautojen ominaisuudet - Energiankulutus, kwh/km - Akkukapasiteetti, kwh - Latausteho, kw - Vaadittu latausaika, h/day (akun ominaisuudet) Verkostolaskenta ja tulosten analysointi - Tehonjako- ja ja häviölaskenta - Arvio laajennusinvestointitarpeista Kunnan kaavoitus - Alue- ja ja vuorokaudenaikakohtaiset työpaikkatilastot - Asuinaluetiedot (omakotitalo-, rivitalo- ja ja kerrostaloasunnot) Sähköautojen leviäminen - Sähköautomarkkinoiden kehittyminen Tariffit ja sähkön toimitus - Sähkön siirtohinta Verkostotiedot - Verkkotopologia ja ja asiakastiedot - Johtolähtöjen tuntikohtaiset mittaukset - Verkon jälleenhankinta-arvo jännitetasoittain - Laskentaparametrit: häviöiden hinta, kuormituksen kasvu, pitoaika, verkostokomponenttien yksikköhinnat Power [MW] Thursday (hours)

19 Verkkovaikutukset; Esimerkkiverkko (kaupunki) Huipputeho [MW] EE Lataus yöaikaan klo 22 alkaen Lataus töihin tullessa ja kotiin mennessä Hajautettu yölataus Lähdön teho sähköautojen kanssa Nykyinen teho Älykäs lataus Keskijännitelähtö: - Huipputeho: 6.6 MW - Minimiteho: 4.0 MW - Sähköautojen määrä: Ajomatka: 57 km/auto,päivä - Kulutus: 0.2 kwh/km - Latausenergia: 11.5 kwh/auto,päivä 22.9 MWh/päivä/kaikki autot - Latausteho: 3.6 kw/auto - Verkon huipputeho muutos: MW (riippuu latausmenetelmästä) - Ladattava energia on sama kaikissa latausmenetelmissä Lassila, Kaipia, Haakana, Partanen, European Conference: Smart Grids and Mobility. Würzburg, Germany. June 16th - 17th, 2009

20 Esimerkkiverkko (maaseutu) Lataus yöaikaan klo 22 alkaen Hajautettu yölataus Keskijännitelähtö: - Huipputeho: 1,25 MW - Minimiteho: 0,75 MW Peak power [MW] Lataus töihin tullessa ja kotiin mennessä Älykäs lataus - Sähköautojen määrä: Ajomatka: 57 km/auto,päivä - Kulutus: 0.2 kwh/km - Latausenergia: 11.5 kwh/auto,päivä 8.6 MWh/päivä/kaikki autot - Latausteho: 3.6 kw/auto - Verkon huipputeho muutos: MW (riippuu latausmenetelmästä) Ladattava energia on sama kaikissa latausmenetelmissä Lassila, Kaipia, Haakana, Partanen, European Conference: Smart Grids and Mobility. Würzburg, Germany. June 16th - 17th, 2009

21 Sähköauton käyttö energiavarastona Nykyinen huipputeho 2.6 P huippu Johtolähdön teho [MW] E lisä P EV E lisä P Nykyinen minimiteho E huippu P optimi Vuorokauden aika

22 Sähköauton käyttö energiavarastona Akun hinta varastoitua energiayksikköä kohti [snt/kwh] k 15 k 20 k Lataus/purkukertojen määrä Akuston hinta [ ]

23 Sähköauto Lataus/Purkaminen DOD (Depth of discharge) Mitä pienempi DOD, sitä suurempi akun elinikä Esimerkki: 20 kwh akku, hinta Yksi 100% DOD kuluttaa akun eliniästä 0,05% (2000 sykliä), (25 snt/kwh) Yksi 50 % DOD kuluttaa akun eliniästä 0,02 % (5 000 sykliä), (20 snt/kwh) Yksi 30% DOD kuluttaa akun eliniästä 0,01% ( sykliä), (17 snt/kwh) Yksi 20% DOD kuluttaa akun eliniästä 0,006% ( sykliä), (15 snt/kwh) Latauksen ja purkamisen optimointi?

24 Yhteenveto perustoiminnoista Energia-, teho-, laatumittaukset ja hälytykset Mittaustietojen taltiointi ja paikallinen käyttö Kaksisuuntainen tiedonsiirto useiden eri toimijoiden käytettävänä Kuorman ohjaus Taajuuden mukaan säätyvä Ulkoisen ohjeen mukaan säätyvä Hintasignaalin mukaan säätyvä (optimointi paikallisesti tai ulkoisesti) Jännitteensäätö asiakkaalla/verkossa -> verkon tehonjaon säätö Jännitteen käyrämuodon valvonta ja korjaus Sähköauton älykäs lataus, mobiili sähköliittymä Sähköauto energiavarastona Pienjänniteverkon automaatiota ja hajautettua tuotantoa tukevat toiminnot

25 Interaktiivinen asiakasrajapinta Markkinatoimijat TSO, DSO, sähkökauppiaat, aggregaattorit Tietojärjestelmät Energiavarastot akut, kondensaattorit, sähkömekaaniset, ym. Verkko Kuormituksen hallinta Sähkönlaadun hallinta Häiriötilanteiden hallinta Kuormitustiedot Säätökapasiteettitiedot Hintasignaalit Ohjaussignaalit Asiakasrajapinta (INCA) Kuormat PHEV ohjattavat, ei ohjattavat, asiakaslähtöinen priorisointi Tuotannon hallinta Tuotanto aurinko, tuuli, biokaasu, ym. Kuormien hallinta Sähkönlaadun hallinta Tehotasapainon hallinta Varaston tilan hallinta Tehotasapainon hallinta EV mobiilit varastot

26 LUT ENERGIA 26 Energiatekniikka Sähkötekniikka Ympäristötekniikka