Sähkökatkot lyhyemmiksi simulointityökalun Pertti Raatikainen ja Seppo Horsmanheimo VTT

Transkriptio

1 Sähkökatkot lyhyemmiksi simulointityökalun avulla Pertti Raatikainen ja Seppo Horsmanheimo VTT

2 2 Lähtökohta 1/ luvulla syys- ja talvimyrskyjen määrä on kasvanut Myrskytuhot aiheuttaneet katkoksia sähkö- ja tietoliikenneverkkoihin Myrskyjen lisäksi myös lumikuormat aiheuttavat sähkökatkoksia Sähköverkot eivät ole kehittyneet vastaamaan nykyajan vaatimuksia (Hallituksen esitys 20/2013)

3 3 Lähtökohta 2/2 Sähkö- ja tietoliikenneverkkojen keskinäinen riippuvuus on kasvanut automaation ja etähallinnan myötä Sähköverkkojen modernisointi kasvattaa tietoliikenteen tarvetta Tietoliikenteen kasvu lisää sähköä tarvitsevien tukiasemien määrää Maaseutu- ja taajama-alueet ovat kaupunkialueita haavoittuvampia Ilmajohtojen määrä suurempi maaseutu- ja taajama-alueilla Sähköverkon korjaukset kestävät yleensä pidempään Matkapuhelinverkon peitossa on vähemmän varmentavaa päällekkäisyyttä Yhteiskunnan digitalisoituminen on lisännyt riippuvuutta sähkö- ja tietoliikenneverkoista korostunut tarve myrskytuhojen ennaltaehkäisylle ja -varautumiselle

4 4 Simulointiohjelmiston tausta Sähkö- ja tietoliikenneverkkojen välisiä riippuvuuksia on hyvin vähän simuloitu - usein verkkoja tarkasteltu erikseen Merkittäviä ponnistuksia tehty tietoliikenne- ja sähköverkkojen toimivuuden varmentamiseksi eritoten katastrofitilanteissa Tietoliikenneverkot (3GPP-standardisointi) Sähköverkot (Hallituksen esitys 20/2013) Eri varmennusvaihtoehtojen vertailuun tarvitaan työkaluja

5 5 Simulointityökalu 1/2 Työkalu on alun perin kehitetty tietoliikennetarpeisiin. Smart Grids and Energy Markets (SGEM) -projektissa työkalua kehitettiin edelleen huomioimaan sähköverkossa esiintyviä erilaisia vikatilanteita. Vikatilanteita tarkastelemalla ja analysoimalla voidaan sähköja tietoliikenneverkkojen kriittiset kohdat tunnistaa ja niiden pohjalta rakentaa verkot entistä luotettavammiksi ja toimintavarmemmiksi. Kehitystyötä tehty yhteistyössä ViolaSystemsin, ABB:n, NSN:n, TeliaSoneran ja Fortumin kanssa.

6 6 Simulointityökalu 2/2 Mallintaa myrskytuhojen ja erityyppisten sähkökatkojen laajuutta ja etenemistä sähköverkossa sekä niiden vaikutuksia matkapuhelinverkkoihin Muodostaa sähköverkon vikaraporteista yksityiskohtaisen kuvan vikaantumisen etenemisestä aiempien myrskyjen aikana ja normaaliin toimintaan palautumisesta myrskyjen jälkeen Havainnoi mobiiliverkon toimintatason alenemista (esim. puhe- ja datayhteyksien katkot) ja vaikutuksia sähköverkon korjaustyöhön ja normaaliin toimintaan palautumiseen

7 7 Tietoliikenne- ja sähköverkon mallintaminen Ympäristö Korkeus- ja maastotyyppitiedot Sähköverkko Sähköasemat Erottimet Muuntamot 2G/3G-mobiiliverkot GSM-900 -verkkon tukiasemat UMTS-900 verkkon tukiasemat Erityyppiset päätelaitteet

8 8 Mallinnettava sähköverkon osa Figure from Viola Systems Case Vattenfall: Automating the Distribution Network report

9 9 Tietoliikenneverkon tietojen todentaminen Viola Arctic 2G/3G Nemo Handy Samsung Nexus

10 10 Sähkö- ja puhelinverkko normaalitilanteessa

11 11 Sähkö- ja puhelinverkko myrskyn jälkeen Kuva: Olli Pihlajamaa

12 12 Vaihtoehtoja luotettavuuden parantamiseen Sähköverkon luotettavuus Maakaapelointi Vierimetsien (sähkölinjan vieressä olevat puut) hoitaminen Sähköntuotannon hajauttaminen (esim. micro grid -toteutukset) Sähköverkkojen modernisointi (automaatio- ja etähallinta) Tietoliikenneverkon luotettavuus Sähkönsaannin varmentaminen (esim. akut, sähkögeneraattorit, varmentavat sähkölinjat ja maakaapelointi) Mobiiliverkon peiton varmentaminen (esim. tukiasematiheyttä kasvattamalla ja/tai eri langattomien verkkojen yhteiskäytöllä) Uusien langattomien verkkoteknologioiden (esim. ad hoc ja LTE- A) hyödyntäminen

13 13 Mobiiliverkon peiton korjaaminen myrskyn jälkeen Mobiiliverkon antennien uudelleensuuntaaminen Liikuteltavat tukiasemat Suorat päätelaitteiden väliset yhteydet (ad hoc)

14 14 Esimerkki: Erityyppisten vikaantumisten mallintamisesta Yksi linja alhaalla Yksi sähköasema alhaalla Useita sähköasemia alhaalla *) Harmaalla ilman sähköä olevat sähköverkkokomponentit GSM-verkon peiton muutokset eri vikaantumistilanteissa *) Väreillä esitetty kuuluvien solujen määrät eri kohdissa

15 15 Esimerkki - Tapani/Hannu-myrskyn mallintaminen Ei akkuvarmennusta tukiasemissa 12 tunnin akkuvarmennus tukiasemissa Punainen - toimivien muuntamoiden %-osuus Vaaleansininen - toimivien mastojen %-osuus Tummansininen - mobiiliverkon peiton puutteen %-osuus

16 16 Sovelluskohteita Sähkökatkosten vaikutusten arviointi Muita häiriönaiheuttajia esim. kyber-hyökkäykset ohjausjärjestelmää kohtaan, lumikuormat ja aurinkomyrskyt Tulevaisuuden tietoliikenne- ja sähköverkkojen kehitystarpeiden arviointi Infrastruktuurien ja kriittisten palvelujen välisten vuorovaikutusten tutkiminen sähköverkko-vedenjakelu sähköverkko-tietoliikenneverkko-pankkipalvelu tai pelastuspalvelu

17 17 Hyödyt Sähköyhtiöiden maksamien myrskykorvausten lukumäärä ja korvaussummat pienenevät sähkökatkojen lyhentyessä Sähkökatkosten aiheuttamat vauriot vähenevät (mm. sulaneet pakastimet, vioittuneet kodinkoneet, vesiputkien jäätymiset), mikä pienentää kotitalouksien ja vakuutusyhtiöiden kuluja Kuluttajille luotettavampia tietoliikenneyhteyksiä, kun katkot lyhenevät Valtion/yhteiskunnan hyöty näkyy parantuneena huoltovarmuutena (mm. sairaalat, pankkipalvelut ja liikenne) Yritysten tuotantokatkot lyhenevät

18 18 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa