INCA - Interaktiivinen asiakasliityntä ja sen hyödyntäminen sähköjärjestelmän hallinnassa ja energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa

Transkriptio

1 1 INCA - Interaktiivinen asiakasliityntä ja sen hyödyntäminen sähköjärjestelmän hallinnassa ja energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa Tutkimusprojektin loppuraportti

2 2 ESIPUHE Tässä raportissa esitetään yhteenveto 2,5 -vuotisesta tutkimusprojektikokonaisuudesta, jonka päärahoittajana on toiminut Teknologian kehittämiskeskus Tekes, ja jonka rahoitukseen sekä johtoryhmätyöskentelyyn projektiosapuolina on osallistunut yhteensä 15 yritystä ja järjestöä. Tutkimusprojekti alkoi ja päättyi Tutkimusprojektin toteutuksesta ovat vastanneet Tampereen teknillinen yliopisto (TTY), Lappeenrannan teknillinen yliopisto (LTY) ja VTT. Tutkimuksen toteutukseen ovat osallistuneet seuraavat henkilöt. TTY: prof. Pertti Järventausta, prof. Pekka Verho, TkT Sami Repo, TkL Antti Mäkinen, DI Petri Trygg, DI Jussi Antikainen, DI Antti Mutanen, DI Antti Rautiainen, DI Mika Marttila, DI Niklas Löf, DI Marko Pikkarainen, TkL Juhani Bastman, DI Janne Stranden, M.Sc. Shengye Lu, tekn. yo Turo Valavaara, tekn. yo. Olli Pokkinen LTY: prof. Jarmo Partanen, TkT Samuli Honkapuro, TkT Jukka Lassila, DI Pasi Nuutinen, DI Tero Kaipia, DI Henri Makkonen, DI Petri Valtonen, DI Antti Pinomaa VTT: prof. Seppo Kärkkäinen, TkT Pekka Koponen, TkL Hannu Pihala, DI Jussi Ikäheimo, DI Corentin Evens, DI Maija Ruska, DI Göran Koreneff, DI Veikko Kekkonen, DI Juha Forsström, DI Pasi Ahonen, DI Marja-Leena Pykälä Tutkimusprojektin toteutusta on ohjannut ja valvonut johtoryhmä, johon on kuulunut edustajia kaikista hankkeen projektiosapuolista, joita ovat olleet Sähkötutkimuspooli, ABB Oy, Aidon Oy, Empower Oy, Enease Oy, Energiakolmio Oy, Ensto Electic Oy, Fingrid Oyj, Fortum Sähkönsiirto Oy, MX Electrix Oy, Nokia-Siemens Networks Oy, Oy Katternö Ab, PowerQ Oy, Tampereen Sähkölaitos Oy, Telia-Sonera Finland Oyj Tampereella, Lappeenrannassa ja Espoossa Pertti Järventausta Jarmo Partanen Pekka Koponen

3 3 SISÄLLYSLUETTELO 1. Johdanto Tutkimusprojektin tavoitteet ja osatehtävät.2 2. Interaktiivinen asiakasrajapinta Kokonaiskonsepti Toiminnalliset ominaisuudet Looginen rakenne Demonstraatiot Interaktiivisen asiakasrajapinnan toiminnan demonstraatio Tiedonsiirto ja tietojärjestelmät Tietoturvakysymykset Etäluettavat energiamittarit ja verkon hallinta Katkaisulaitteella ja ohjausreleellä varustettujen AMR-mittareiden toiminnot Kuormitusmallinnuksen kehittäminen AMR ratkaisut verkon hallinnan tukena Pienjänniteverkon automaatioratkaisujen kehitysnäkymät Aktiivisen verkon hallinta ja saarekekäyttö Sähköverkosta ladattavan auton verkkoon liityntä ja vaikutukset sähköverkkoon ja sähkömarkkinoiden toimintoihin Verkkoliityntä Kuormamallinnus Älykäs lataus ja markkinamekanismit Verkostovaikutukset Kysynnän jousto teknologiset ratkaisut ja markkinapohjaisen ohjauksen liiketoimintamallit Taajuusriippuvan sähkölämmityskuorman ohjaus IEA DSM Task XIV Energiatehokkuutta tukevat palvelut Tutkimusprojektin julkaisut.51

4 1 1. Johdanto EU-tasolla toimialan yhteistyönä (Smart Grid Technology Platform) laaditussa strategiassa älykäs mittarointi (Intelligent metering, SmartMeter) on nähty keskeiseksi osaksi älykkäitä energiaverkkoja (Smart Grid), erityisesti paikallisen hajautetun tuotannon (DG, distributed generation) verkkoon liittämisen ja sen hallinnan, kuorman ohjauksen ja kysynnän jouston (DSM, demand side management) sekä aktiivisen verkon hallinnan kehittämisessä. Asiakasliittymässä olevasta energiamittarista on kehittymässä älykäs mitta- ja toimilaite (interactive customer gateway), joka sisältää perinteisen energiamittauksen lisäksi erilaisia paikalliseen älyyn ja tehoelektroniikkaan perustuvia toimintoja osana aktiivisia sähkönjakeluverkkoja. Mittarien etäluenta (AMR, Automatic Meter Reading) on nopeasti laajentumassa niin toiminnallisuuden kuin installaatioiden lukumäärän osalta. Perinteisesti mittarien etäluentaa on hyödynnetty lähinnä energiatietojen luentaan ja mahdollisesti kuorman ohjaukseen, mutta teknologioiden kehittyminen mahdollistaa AMR järjestelmien hyödyntämisen huomattavasti laajemmin sähköyhtiöiden eri toiminnoissa. AMR -alueella on käynnissä kansainvälisiä yhteistyöprojekteja, joilla pyritään ainakin osaltaan harmonisoimaan mahdollisuuksien mukaan AMR -järjestelmiä sekä niiden rajapintoja. Uusia sovelluksia ja hyötyjä haetaan verkon käyttötoiminnan ja verkostosuunnittelun kehittämisestä sekä sähkökaupan (mm. dynaaminen reaaliaikainen hinnoittelu, kuormanohjaus) toiminnoista. Samalla sähköyhtiöiden liiketoimintaympäristö ja toimintamallit ovat muuttumassa ja AMR-teknologia avaa uusia mahdollisuuksia myös uusien liiketoimintamallien kehittämiseen. AMR teknologia on muuttumassa kokonaisvaltaisemmaksi älykkään mittaroinnin konseptiksi (AMI, Advanced Metering Infrastructure). Kysyntäjousto yhdessä hajautetun tuotannon ja energiavarastojen kanssa muodostaa merkittävän hajautetun resurssin (DER, distributed energy resources) verkkoyhtiöiden ja sähkömarkkinoiden näkökulmasta. Sen hyödyntäminen edellyttää sekä tekniikan että liiketoimintamallien kehittämistä. Tällöin puhutaan aggregaattoriliiketoiminnasta tai virtuaalivoimalaitoksista (VPP). Markkinaehtoinen kysynnän hallinta pohjautuu joko erilaisiin hinnoittelumekanismeihin tai liiketoimintamalleihin, joilla hajautetut resurssit saadaan energiamarkkinoiden käyttöön. Uutena toimijana voidaan tarvita ns. aggregaattoria, joka toimii joustavien hajautettujen resurssien omistajien ja markkinoiden välissä. Tässä raportissa esitetään yhteenveto Tampereen teknillisen yliopiston (TTY), Lappeenrannan teknillisessä yliopiston (LTY) ja VTT:n yhteistyönä toteuttamasta useampivuotisesta tutkimusprojektikokonaisuudesta. Tämä raportti muodostaa yhteenvedon projektissa tehdystä tutkimustyöstä. Raportissa kuvataan lyhyesti eri osatehtävien toteutusta ja kes-

5 2 keisiä tuloksia, jotka on kuvattu laajemmin ja yksityiskohtaisemmin hankkeen aikana tehdyissä julkaisuissa. Tutkimustulosten pohjalta on syntynyt lukuisa määrä opinnäytetöitä, tutkimusraportteja ja kansainvälisiä konferenssi- ja lehtijulkaisuja, jotka on listattuna raportin lopussa. Projektin toteutuksessa on myös hyödynnetty myös rinnakkaisten hankkeiden tuloksia. Rinnakkaisia hankkeita ovat mm. Tekesin rahoittamat Tehoelektroniikka sähkönjakelussa, Energiatehokkuuden kehittäminen energiayhtiöiden toiminnassa - ENETE ja Smart Grids and Energy Market - SGEM sekä EU:n rahoittamat Active Distribution Network ADINE, ecertification, EU-DEEP ja ADDRESS. 1.1 Tutkimusprojektin tavoitteet ja osatehtävät Tutkimusprojektin tavoitteena on ollut määritellä ja demonstroida interaktiivisen asiakasliitynnän tekninen konsepti, asiakasrajapintaan liittyviä toimintoja ja niiden hyödyntämistä sekä verkon hallinnassa että sähkömarkkinoiden toiminnoissa. Asiakasrajapinnan toiminnot perustuvat paikallista älyä sisältäviin sovelluksiin sekä kaksisuuntaiseen kommunikointiin ylemmän tason toimintojen kanssa. Projektissa määritelty ja osin demonstroitu interaktiivinen asiakasrajapinta mahdollistaa: joustavan liitynnän asiakkaan sähkölaitteille (esim. sähköverkosta ladattava auto), energiavarastoille ja hajautetulle sähköntuotannolle markkinapohjaisen kuorman ja hajautetun tuotannon ohjauksen ja niihin liittyvät uudet liiketoiminnot verkon taajuuteen perustuvan asiakkaan sähkölaitteiden ohjauksen hyödyntämisen valtakunnallisen sähköjärjestelmän häiriötilanteiden hallinnassa energiansäästöä ja energiatehokkuutta tukevien toimintojen ja palvelujen kehittämisen tehoelektroniikkaan ja energiavarastoihin pohjautuvat ratkaisut asiakaskohtaisessa jännitteen säädössä sekä jännitekuoppien ja lyhyiden keskeytysten haittojen vähentämisessä asiakkaan sähkölaitteiden, energiavarastojen ja hajautetun sähköntuotannon hyödyntämisen aktiivisessa jakeluverkon hallinnassa interaktiivisen asiakasrajapinnan mittaustietojen ja toimintojen hyödyntämisen verkon suunnittelussa ja käytössä (mm. asiakaskohtaiset kuormitusmallit)

6 3 Tutkimusprojekti jakautui kahdeksaan osatehtävään, joihin liittyviä keskeisiä tuloksia on esitelty yksityiskohtaisemmin seuraavissa luvuissa: 1) Kokonaiskonsepti; toiminnot, hyödyntävät prosessit sekä niihin liittyvät liiketoiminnalliset arvoverkostot sekä kustannusanalyysit 2) Verkkorajapinnan toimintojen ja teknologian määrittely ja demonstrointi 3) Energiamittausten etäluentaan liittyvät toiminnot 4) Hajautetun tuotannon verkkoonliityntä osana interaktiivista asiakasrajapintaa 5) Sähköverkosta ladattavan auton verkkoon liityntä ja sen vaikutukset verkon ja sähkömarkkinoiden toimintoihin 6) Asiakkaan kuorman ohjauksen teknologiset ratkaisut ja markkinapohjaisen ohjauksen liiketoimintamallit 7) Interaktiivisen asiakasrajapinnan vaikutus kokonaisjärjestelmän energiatehokkuuteen sekä asiakasrajapintaan liittyvien energiansäästöä ja energiatehokkuutta tukevien toimintojen ja palvelujen kartoitus 8) Interaktiivisen asiakasrajapinnan mittaustietojen ja toimintojen hyödyntäminen aktiivisessa jakeluverkon hallinnassa, sen suunnittelussa sekä verkosto-omaisuuden hallinnassa.

7 4 2. Interaktiivinen asiakasrajapinta Interaktiivinen asiakasrajapinta on sähkönkäyttäjän aktiivisten kulutuskojeiden, verkkoliitynnän aktiivisten laitteiden, kiinteistöautomaation, tietoliikenneverkon ja ulkoisten toimijoiden sekä paikallisten ohjausjärjestelmien muodostama looginen rajapinta. Interaktiivinen asiakasrajapinta on yksi aktiivisen sähkönjakeluverkon tärkeimmistä toimilaitekokonaisuuksista. Interaktiivisen asiakasrajapinnan toiminnallisuudet mahdollistavat järjestelmävastaavan, verkonhaltijan, asiakkaan ja sähkönmyyjän useiden toiminnallisten tarpeiden toteuttamisen. Interaktiivinen asiakasrajapinta on yhteinen kohtauspaikka kaikille sähkömarkkinoiden osapuolille. Rajapinnan toimilaitekokonaisuus osallistuu sekä paikallisten että järjestelmätason toiminnallisuuksien hallintaan. Se muuntaa sähkönkäyttäjien kulutuskojeet ja uusiutuvia energialähteitä käyttävän pientuotannon aktiivisiksi resursseiksi sähkömarkkinoilla ja järjestelmän hallinnassa. Järjestelmätasolla tämä tarkoittaa mm. uutta säätökapasiteettia. Jakeluverkkojen hallinnassa mm. mahdollisuutta hallita tehonjakoa (myös vikatilanteissa). Sähkökaupassa mm. uusia mahdollisuuksia kaupankäyntiin ja riskienhallintaan ja sähkönkäyttäjille mm. parempaa verkkopalvelun laatua ja mahdollisuutta tehostaa omaa sähkönkäyttöä sekä tilaisuutta sähköenergiakustannusten optimointiin. Interaktiivinen rajapinnan tavoite on yhdistää eri toimijoiden tarpeet siten, että kaikki osapuolet hyötyvät tarjotuista ohjausmahdollisuuksista. Älykkään sähköverkon perusajatuksiin kuuluu, että jokaisen sähkönkäyttäjän on voitava halutessaan ryhtyä sähköntuottajaksi. Myös mobiilin sähkönkäytön on sähköverkosta ladattavien autojen yleistyessä tapahduttava kivutta. Interaktiivisen asiakasrajapinnan antamien mahdollisuuksien tehokas hyödyntäminen sähkönkäyttäjän näkökulmasta kannustaa paikallisen pientuotannon lisäämiseen. Interaktiiviseen asiakasrajapintaan voidaan sisällyttää useita verkon hallintaa ja suojausta helpottavia toimintoja ja mittauksia joiden myötä pientuotanto muuttuu myös sähkönjakelujärjestelmän näkökulmasta toivotuksi. Vastaavia toimintoja voidaan käyttää sähköverkosta ladattavien autojen latauksen optimointiin verkon kuormituksen ja latauskustannusten puitteissa. Sähköverkosta ladattavia autoja voidaan myös tarvittaessa hyödyntää järjestelmän tukemiseen energiavarastoina. Sähkönkäyttäjien näkökulmasta ladattavien autojen akkujen käyttö energiavarastona tarjoaa mahdollisuuden tehokkaasti hyödyntää oma sähköntuotanto sekä mahdollisuuden jatkuvaan sähkönkäyttöön myös verkkokatkojen aikana. 2.1 Kokonaiskonsepti Asiakasrajapintojen ja verkon keskeisten solmupisteiden sisältämät älykkäät funktiot sekä näiden välinen kommunikaatio muodostavat yhdessä ohjaamiensa laitteiden kanssa älyk-

8 Kuormien hallinta Sähkönlaadun hallinta Tehotasapainon hallinta Kuormituksen hallinta Sähkönlaadun hallinta Häiriötilanteiden hallinta 5 kään sähkönjakelun rungon. Interaktiivisen asiakasrajapinnan keskeinen ajatus on että järjestelmän eri toimialueiden operaattorit hallitsevat yhdessä loppukäyttäjien kanssa järjestelmää sekä omaa toimintaansa, samanaikaisesti kun asiakas hallitsee yhdessä palveluntarjoajiensa kanssa omaa sähkönkäyttöään sekä tuotantoaan. Kuvassa 2.1 on esitetty periaatekuva asiakasrajapinnasta, erityisesti verkon, kuormien, pientuotannon ja energiavarastojen välisistä tehovirtauksista ja -mittauksista sekä keskeisimmistä eri osien hyödyntämiseen liittyvistä toiminnallisuuksista. Markkinatoimijat TSO, DSO, sähkökauppiaat, aggregaattorit Interaktiivisen asiakasrajapinnan toiminnalliset ominaisuudet ja sitä myötä myös tekniset toteutusmallit riippuvat eri osapuolten (verkot, kauppiaat, asiakkaat) toiminnallisista tar- Tietojärjestelmät Verkko Kuormitustiedot Säätökapasiteettitiedot Ohjaussignaalit Energiavarastot akut, kondensaattorit, sähkömekaaniset, ym. Hintasignaalit Varaston tilan hallinta Tehotasapainon hallinta Asiakasrajapinta (INCA) Tuotannon hallinta Tuotanto aurinko, tuuli, biokaasu, ym. Kuormat ohjattavat, ei ohjattavat, asiakaslähtöinen priorisointi PHEV EV mobiilit varastot Kuva 2.1. Periaatekuva interaktiivisesta asiakasrajapinnasta Edellä esitetyn kuvan mukaisesti interaktiivinen asiakasrajapinta muodostaa rajapinnan sekä sähkötehon siirrolle että tietoliikenteelle sähkönkäyttäjän järjestelmien ja julkisten toimijoiden järjestelmien välillä Toiminnalliset ominaisuudet

9 6 peista. Rajapinnan odotetaan osallistuvan mm. seuraavien toiminnallisuuksien toteuttamiseen: Markkinapohjainen kuorman ja hajautetun tuotannon ohjaus ja niihin liittyvät liiketoiminnot Energiansäästöä ja energiatehokkuutta tukevat toiminnot sekä em. liittyvä palvelu liiketoiminta Joustava liityntä asiakkaan sähkölaitteille, energiavarastoille ja hajautetulle sähköntuotannolle (esim. pientuulivoima, sähköverkosta ladattavat autot) Valtakunnallisen sähköjärjestelmän häiriötilanteiden hallinta taajuusmuutoksiin reagoivien sähkölaitteiden avulla Paikallisen sähkönjakeluverkon hallinta säädettävien kuormien, hajautetun sähköntuotannon ja energiavarastojen sekä niiden liityntätehoelektroniikan avulla Asiakaskohtainen jännitteensäätö ja sähkön laadun korjaus Jännitekuoppien ja lyhyiden keskeytysten haittojen minimointi Nykyistä tarkempien ja enemmän informaatiota sisältävien mittaustietojen hyödyntäminen o o verkon suunnittelussa ja käytössä sähkökaupassa ja tasehallinnassa Edellä esitetyn listan toiminnalliset vaatimukset voidaan jakaa rajapinnassa kohtaavien toimijoiden toiminnallisia tarpeita vastaaviin toimintoihin. Toiminnallisuudet toteutetaan rajapinnan kontrolloimilla toiminnoilla, jotka keskittyvät kiinteistösähköjärjestelmän, sähköverkon liittymäpisteen ja tiedonsiirron hallintaan. Rajapinnan päätoiminto on liittymäpisteessä verkosta otetun (tai verkkoon annetun) tehon optimointi sähkönkäyttäjän pientuotannon, ohjattavien kuormien, energiavarastokapasiteetin ja ulkoisten toimijoiden antamien ohjeiden sekä reunaehtojen puitteissa. Ulkoisia ohjeita ovat esimerkiksi sähköenergian hinta ja tariffirakenne, sähkön siirtohinta ja tariffirakenne sekä esimerkiksi verkonhaltijan ja järjestelmävastaavan tarvittaessa asettamat raja-arvot järjestelmän kuormitukselle. Rajapinnan toimintoja ohjaa kuvassa 2.2 esitetysti toimintamallit, jotka hyödyntävät lähtötietona paikallisia mittauksia sekä em. ulkoisia ohjaussignaaleita. Sisäiset toimintamallit ohjaavat rajapinnan toimintoja paikallisista lähtökohdista ja ulkoiset toimintamallit ulkoisten toimijoiden tarpeiden pohjalta. Osa ulkoisten toimintamallien päätöksistä tehdään rajapinnan ulkopuolella rajapinnan välittämien mittaustietojen perusteella.

10 7 Toimija Asiakasrajapinta Vastuut Liiketoiminta Regulaatio Ympäristö Kustannukset Mittaukset Toiminnalliset tarpeet Toiminnallisuudet Toimintamallit Ohjaukset Kuva 2.2. Asiakasrajapinnan toiminnallisuuksien toteutus. Samat rajapinnan toiminnallisuudet palvelevat useita toimijoita. Esimerkiksi sähkökauppiaan ja verkkoyhtiöiden toiminnallisten tarpeiden toteuttamisessa hyödynnetään osittain samoja mittauksia ja ohjauksia. Sähkönkäyttäjien odotukset liittyvät tyypillisesti energiakustannusten pienentämiseen sekä vapaaseen ja jatkuvaan sähkönkäyttöön. Tulevaisuudessa myös ekologiset arvot voivat nousta nykyistä tärkeämmiksi. Nämä nostavat asiakkaan toiminnallisiksi tarpeeksi mm. hajautetun tuotannon hyödyntämisen sekä sähköverkosta ladattavien autojen lataamisen. Taulukkoon 2.1 on koottu asiakasrajapinnassa kohtaavien toimijoiden toiminnallisia tarpeita ja niiden toteuttamiseksi tarvittavia toimintoja, mittauksia ja ohjauksia.

11 8 Taulukko 2.1 Toimija Asiakas Toiminnalliset tarpeet ja niitä vastaavat rajapinnan toiminnallisuudet, mittaukset ja ohjaukset. Toiminnallinen tarve Rajapinnan Turvallinen sähkönkäyttö Sisäinen Toimintamalli Toiminto Mittaukset Ohjaukset Kiinteistöverkon vikojen tunnistaminen ja hälytykset Saarekkeen tunnistaminen Erottaminen viallisesta verkosta Kosketusjännitteen seuranta Jatkuva sähkönkäyttö Sisäinen Erottaminen viallisesta verkosta Saarekeajo Oman kulutuksen hallinta Sisäinen Oman tuotannon liittäminen Sähköverkosta ladattavien autojen lataaminen Kuormien priorisointi Tehomittaustietojen/energiankulutuksen seuranta Korkeasta hinnasta varoittaminen Sisäinen/ulkoinen Jännitteen käyrämuodon seuranta Jännitetason korjaaminen Jännitesärön suodattaminen Sisäinen/ulkoinen Verkosta oton rajoittaminen Lataustilan valvonta Kuormien priorisointi Ryhmäkohtaiset î-mittaukset Ryhmäkatkaisijan avaus U- ja I-käyrämuodot Vuotovirta LoM Pääkatkaisijan avaus Yliaallot, välkyntä (hälytykset rajojen rikkoutumisesta) Ryhmäkohtaiset î-mittaukset Säätökapasiteetin mittaus hetkellinen ja 3 min / 1 h. resoluutiolla Varaston varaustila Säädettävä kuormakapasiteetti Ulkolämpötila Sisälämpötila Sisäilman laatu Valoisuusaste Varaston kunto Tilan käyttö (liiketunnistus) LoM Pääkatkaisijan avaus Säätökapasiteetin mittaus 3 min/1 h. resoluutiolla Varaston purku/lataus Kuormien ohjaus prioriteetin perusteella U- ja I-käyrämuodot Jännite- ja taajuusvastuullisen yksikön Yliaallot, välkyntä (hälytykset rajojen rikkoutumisesta) Suojausvastuun siirto suuntaajille määrääminen Ryhmäkohtaiset î-mittaukset Kuormien prioriteetit Kuormien prioriteetit Kuormien ohjaus prioriteetin perusteella Energiankulutus Varaston purku/lataus Verkosta otettava teho Säätökapasiteetin mittaus hetkellinen ja 3 min / 1 h. resoluutiolla Tilan käyttö (liiketunnistus) Verkkoon annetun tehon jatkuva-aikainen mittaus Varaston purku/lataus Kuormien ohjaus prioriteetin perusteella U- ja I-käyrämuodot Yliaallot, välkyntä (hälytykset rajojen rikkoutumisesta) Kuormien prioriteetit Verkosta otetun tehon jatkuva-aikainen mittaus Akun varaustila Kuormien prioriteetit Kuormien ohjaus prioriteetin perusteella Varaston purku/lataus

12 9 Taulukko 2.1 Toimija TSO DSO Toiminnalliset tarpeet ja niitä vastaavat rajapinnan toiminnallisuudet, mittaukset ja ohjaukset. Toiminnallinen tarve Rajapinnan Toimintamalli Toiminto Mittaukset Ohjaukset Tehotasapainon hallinta Ulkoinen/sisäinen Tehomittaustietojen välitys Käyttövarmuuden hallinta Verkosta oton rajoittaminen Säätökapasiteettitiedon välitys Säätöreservien hallinta Verkkoon annon rajoittaminen Kuormitusmallien hallinta Kulutustietojen hallinta Tasehallinta hal- Sisäinen/ulkoinen Säätökapasiteettitiedon välitys Ohjauspotentiaalin linta Kuormituksen hallinta Käyttövarmuuden hallinta Sähköturvallisuuden hallinta Ulkoinen Jännitteen laadun hallinta Sisäinen Kulutustietojen hallinta Tasehallinta hal- Ohjauspotentiaalin linta Tehomittaustietojen välitys Säätökapasiteettitiedon välitys Verkon kuormituksen mallintaminen Verkon kuormituksen ennustaminen Säätökapasiteetin mallintaminen Säätökapasiteetin ennustaminen Ulkoinen/sisäinen Tehomittaustietojen välitys Verkon otettavan tehon mittaus 3 min / 1 h. resoluutiolla Säätökapasiteetin mittaus 3 min/1 h. resoluutiolla Sähkökauppias Kuormituksen hallinta Kuormitusmallien hallinta Ulkoinen/sisäinen Siirtohintasignaalien vastaanotto Verkon kuormituksen mallintaminen Verkon kuormituksen ennustaminen Säätökapasiteetin mallintaminen Säätökapasiteetin ennustaminen Verkosta oton rajoittaminen Verkkoon annon rajoittaminen Ulkoinen/sisäinen Vikojen tunnistaminen ja hälytykset Erottaminen viallisesta verkosta Saarekkeen tunnistaminen Häiriötallenteiden ylläpito Kosketusjännitteen seuranta Jännitteen käyrämuodon seuranta Jännitetason korjaaminen Jännitesärön suodattaminen Verkon otettavan tehon mittaus 3 min / 1 h. resoluutiolla Säätökapasiteetti 3 min/1 h. resoluutiolla Taajuus Energiankulutus Verkon otettavan tehon mittaus 3 min / 1 h. resoluutiolla Säätökapasiteetin mittaus 3 min/1 h. resoluutiolla Kuormien ohjaus prioriteetin perusteella Varaston purku/lataus Verkosta otettava teho Kuormien ohjaus prioriteetin perusteella Kuormien prioriteetit Varaston purku/lataus Säätökapasiteetin mittaus 3 min/1 h. resoluutiolla U- ja I-käyrämuodot LoM Keskeytysten ja kuoppien rekisteröinti Kosketusjännite U- ja I-käyrämuodot Jännitetaso, särö, yliaallot, välkyntä (hälytykset rajojen rikkoutumisesta) Taajuus Ulkoinen Tehomittaustietojen välitys Verkon otettavan tehon mittaus 3 min / 1 h. resoluutiolla Ulkoinen Säätökapasiteettitiedon välitys Säätökapasiteetin mittaus 3 min/1 h. resoluutiolla Sisäinen/ulkoinen Hintasignaalien vastaanotto Verkosta oton rajoittaminen Verkkoon annon rajoittaminen Verkon kuormituksen mallintaminen Verkon kuormituksen ennustaminen Säätökapasiteetin mallintaminen Säätökapasiteetin ennustaminen Pääkatkaisijan avaus Verkosta otetun tehon jatkuva-aikainen mittaus Kuormien ohjaus prioriteetin perusteella Verkkoon annetun tehon jatkuva-aikainen mittaus Varaston purku/lataus Verkon otettavan tehon mittaus 3 min / 1 h. resoluutiolla Säätökapasiteetin mittaus 3 min/1 h. resoluutiolla

13 10 Edellä esitetyssä taulukossa rajapinnan mittaukset on esitetty yleisellä tasolla. Seuraavassa listassa on esitetty yhteenveto rajapinnan mittauksista ja paikallisesti tallennettavasta mittaustiedosta Jännitteen laatuparametrit o P lt välkyntäindeksi vuodelta ja P st välkyntäindeksi viikolta o RMS-vaihejännitteen 10 min keskiarvot vuoden ajalta - jännitetasot, epäsymmetria o Yliaaltojännitteiden tehollisarvojen 10 minuutin keskiarvot vuoden ajalta 40. yliaaltoon saakka o 8 % tason ylittävien, 40. yliaaltoon saakka laskettujen jännitteen THD-arvojen ylityksen alku ja loppuhetket sekä suurin ylitys o Kuormavirran yliaaltojen tehollisarvojen 10 min keskiarvot vuoden ajalta sekä hetkellisten liittymän referenssivirtaa vastaavien raja-arvojen THD-ylitysten alku ja loppuhetket sekä suurin ylitys Häiriötiedot ja hetkellismittaukset o U- ja I- käyrämuodot 15 s puskurimuistissa (häiriötallennin) - tarkkuus 40 yliaaltoon asti o Jännitekuoppien lukumäärät, ajanhetket ja syvyydet vuoden ajalta o Lyhyiden ja pitkien keskeytysten lukumäärät, ajanhetket ja pituudet vuoden ajalta o RMS-jännitteen ylijännitteet ja esiintymisajanhetki Kulutus- ja tuotantotiedot o Hetkelliset kuorman, tuotannon ja varaston pätö- ja loistehot käyrämuotojen perusteella, viimeisten 15 s arvot puskurimuistissa o Verkosta otettu teho, kuorma- ja tuotantoteho 1 h ja 3 min resoluutiolla - tuntitehot hajontoineen vuodelta, 3 min tehot viimeiseltä viikolta o Kumulatiiviset energiatiedot verkosta otolle, kuormalle, tuotannolle Aktiivisten resurssien käytettävyys o Säätökapasiteetti (kuorma + varasto) 1 h ja 3 min. resoluutiolla - tuntiarvot hajontoineen vuodelta, 3 min arvot viimeiseltä viikolta o Energiavarastojen hetkellinen tila (esim. SoC) Ympäristömuuttujat - tallennus vuodelta yhden tunnin resoluutiolla o Ulkolämpötila o Sisälämpötila o Sisäilman laatu o Valoisuusaste o Tilan/laitteen käyttö (liiketunnistus) Seuraavissa esimerkeissä on havainnollistettu rajapinnan toimintaa kolmen eri toimijan näkökulmasta. Asiakkaan näkökulmasta keskeinen asiakasrajapinnan mahdollistama toiminnallisuus on sähköenergian käytön kokonaiskustannusten minimointi mukavuudesta tinkimättä. Tähän päästään hyödyntämällä mahdollisimman tehokkaasti paikallista tuotantoa ja varastokapasiteettia. Verkosta otettavan sähkön määrää ja kuormituksen ajankohtaa säädetään asiakkaan oman tuotannon ja varastojen tilan sekä käytettävyyden mukaan (sähköverkosta ladattavan

14 11 auton akkua ei voida aina tyhjentää, jos asiakas on määrittänyt akun varaukselle tietyn minimin auton liikennekäytön vuoksi tietylle ajanhetkelle) hintasignaalien perusteella. Tarvittavia hintatietoja ovat sähköenergian hinta, sähkön siirtohinta sekä verkosta otolle että verkkoon annolle. Ohjauksina käytetään kuormien vuorottelua ja ajallista siirtoa sekä kiinteistön sisäisiä energiansäästö toimintoja, kuten valaistuksen ja viihde-elektroniikan liiketunnistinohjausta. Sähkönkauppias voi optimoida sähkökauppansa haluamalleen ajanjaksolle lähettämällä rajapinnoille joko signaalin hinnan käyttäytymisestä ajanjaksolla tai suoraan haluamansa kuormitusprofiilin verkosta otolle. Ensimmäisessä tapauksessa verkosta otto optimoidaan paikallisesti ja sitä vastaava kuormitusprofiili toimitetaan kauppiaalle riittävästi ennen kutakin käyttötuntia. Jälkimmäisessä tapauksessa optimointi tehdään kauppiaan järjestelmässä asiakaskohtaisen verkosta oton ennusteen ja säätökapasiteettiennusteen perusteella ja haluttu kuormitusprofiili toimitetaan kullekin asiakkaalle. Molemmissa tapauksissa hyödynnetään asiakaskohtaista kuormitusmallinnusta ja ennustetta, jotka toteutetaan asiakasrajapinnassa. TSO:lle tärkeä toiminnallinen tarve on tehotasapainon hallinta. Jälleenmyyntiin osallistuvilla sähkökauppiailla on käytössä sähkönkäyttäjien kuormista muodostuvaa säädettävää kuormaa. Kuorman vähennystä käsitellään säätösähkömarkkinoilla ylössäätönä ja kasvatusta alassäätönä. Kauppias voi sopia asiakkaidensa kanssa kuormien säädöstä ja siitä saatavasta korvauksesta. Normaalissa tilanteessa myyjä tekee TSO:lle säätötarjouksensa seuraavalle käyttötunnille sovittujen sääntöjen mukaisesti tai myy kuormat suoraan TSO:n säädettäväksi. Jos kuormien ohjauksesta on tehty tarjous säätösähkömarkkinoille, hoitaa tarjouksen tekijä tarvittavat säätötoimet TSO:n ohjeen mukaisesti. Jos taas kuormat on annettu suoraan TSO:n säädettäväksi toimittaa sähkönmyyjä TSO:lle reaaliaikaista mittaustietoa säädettävästä kuormakapasiteetista sekä välittää TSO:n antaman säätösignaalin eteenpäin säädön toteuttaville asiakkailleen. Järjestelmän häiriötilanteessa interaktiivisen asiakasrajapinnan takana olevat kuormat voidaan ohjata reagoimaan järjestelmän luonnollisen säätövoiman tavoin järjestelmän taajuusmuutoksiin. Taajuusperustainen säätö tehdään TSO:n määrittämän mukaisesti järjestelmän taajuuden vaeltaessa normaalin vaihtelualueen ulkopuolelle. Esim. paikallinen jakeluverkkoyhtiö ylläpitää tietoa alueensa taajuusmuutoksiin reagoivan kuorman määrästä TSO:n määrittämän resoluution puitteissa Looginen rakenne Edellä esitetyt toiminnallisuudet toteuttava interaktiivinen asiakasrajapinta sisältää kaksi ulkoista rajapintaa: tietoliikennerajapinta ja sähköverkkorajapinta. Toiminnallisuuksien toteutus tapahtuu asiakkaan kiinteistön sisäisen tietoliikenne ja sähköverkon avulla. Kuvassa 2.3 on esitetty eräs näkemys rajapinnan rakenteesta. Paksumpi viiva kuvaa sähköverkkoa ja ohuempi tietoliikennettä.

15 12 Kuva 2.3. Esimerkki interaktiivisen asiakasrajapinnan arkkitehtuurista. Sähkönkäyttäjät voivat seurata omaa sähkönkäyttöään ja hallita oman kiinteistöjärjestelmänsä toimintaa ohjausyksikön käyttöliittymän välityksellä. Käyttöliittymä voidaan toteuttaa esimerkiksi www-sivustona. Kiinteistöautomaatiolaitteiston toimintaa voidaan ohjata sekä ohjausyksikön että varsinaisen kiinteistöautomaatiolaitteiston ohjelmointityökalun avulla. Ohjausyksikkö vastaanottaa myös ulkoiset ohjaussignaalit sekä kiinteistön sisäiset mittaustiedot ja suorittaa siihen ohjelmoitujen toimintamallien mukaiset toiminnot. Ohjausyksikköön syötetään sekä asiakkaan että ulkoisten toimijoiden tarvitsemien toiminnallisuuksien vaatimat toimintamallit. Kukin toimija voi tehdä muutoksia ainoastaan omiin toimintamalleihinsa. Sähköverkkoliittymä sisältää kiinteistöverkon jännitteen laadun korjaamiseen käytettävän suuntaajalaitteiston, energia/tehomittauksen sekä kiinteistöverkon ja julkisen jakeluverkon tilan valvonnan edellyttämät mittaukset. Em. toiminnot voidaan integroida yhteen laitteeseen, josta on yksi standardoitu tiedonsiirtorajapinta ohjausyksikölle tai ne voidaan toteuttaa erillisillä laitteilla jotka liittyvät suoraan toisiinsa tai ohjausyksikköön standardoiduilla tietoliikenneratkaisuilla. Tuotannon ja varastojen verkkoliitynnöissä käytetään tehoelektronisia suuntaajia, joilta on myös tietoliikenneyhteys ohjausyksikköön. Kiinteistöverkon kuormia voidaan ohjata sekä ryhmäkohtaisesti ryhmäkeskuksen kytkinlaitteiden avulla tai laitekohtaisesti joko laitteeseen integroitua älyä hyödyntäen tai laitteen pistokeliityntään lisättävän toimilaitteen avulla. Järjestelmässä hyödynnetään älykkäiden kulutuskojeiden omat ohjaustoiminnot, kuten liiketunnistukseen perustuva valmiustilaan siirtyminen, kojekohtainen taajuusohjaus (esim. lämmitys, ilmastointi) ja kojekohtainen hintasignaaliperustainen kuorman siirto (esim. pesukoneet, sähköverkosta ladattavat autot). Laitteet voidaan alistaa myös ohjausyksikölle niiden tukiessa standardoitua tiedonsiirtorajapintaa. Kuormien ohjauksia toteutettaessa otetaan huomioon ohjauksen vaikutus mm. asumismukavuuteen. Ohjausyksikkö ylläpitää reaaliaikaista tietoa säädettävästä kuormakapasiteetista, joka

16 13 vaihtelee mm. paikallistuotannon, varastojen tilan sekä ympäristöolosuhteiden mukaan. Tämän vuoksi on seurattava mm. ulko- ja sisälämpötilaa, tuuliolosuhteita ja valoisuutta sekä sisäilman laatua. Jakeluverkon interaktiivisten asiakasrajapintojen mittaukset muodostavat tehokkaan työkalun mm. jakeluverkkojen käytönvalvontaan ja erityisesti verkon vikatilanteiden hallintaan. Kuvassa 2.4 on esitetty esimerkki rajapinnoista osana paikallista pienjänniteverkon hallintaa, jossa rajapinnat valvovat verkkoa omasta liittymispisteestään ja välittävät tarvittaessa tietoja jakelumuuntamon automaatioyksikölle. Muuntamoautomaatiolaitteet yhdistävät pienjänniteverkon mittauspisteiden informaation jakelumuuntamon keskijänniteverkon liittymispisteen mittaustietojen kanssa ja välittävät kulloinkin tarvittavat tiedot edelleen sähköasemille. Tietoliikenne yhdessä paikallisten toimintamallien, ohjausten ja mittausten kanssa mahdollistaa mm. nykyisestä poikkeavine suojausmenetelmien hyödyntämisen sähkönjakeluverkossa, vianpaikannuksen tehostamisen usean mittauspisteen mittaustiedoilla sekä saarekeverkkojen muodostamisen vikatilanteissa. Kuva 2.4. Interaktiivinen asiakasrajapinta osana jakeluverkon hallintaa. Interaktiivisen asiakasrajapinnan ja sen tarjoamien toiminnallisuuksien toteuttaminen on osittain mahdollista jo nykyisellä tekniikalla. Suoria tuotteita järjestelmän toteuttamiseen ei kuitenkaan ole tarjolla. Interaktiivisen asiakasrajapinnan tarjoamien toiminnallisien mahdollisuuksien hyödyntäminen edellyttää sekä rajapinnan laitteistojen että tietojärjestelmien kehittämistä. Järjestelmän kustannustehokas toteuttaminen edellyttää myös mahdollistettujen toimintojen aktiivista hyödyntämistä eri toimijoilta.

17 Demonsraatiot Interaktiivisen asiakasrajapinnan toiminnan demonstraatio Interaktiivisen asiakasrajapinnan ohjaaman asiakasverkon ohjaustoimintojen laboratoriodemonstraation tarkoituksena on ollut tutkia ja kehittää toteutusmalleja kokonaiskonseptin mukaisten asiakasrajapinnan toiminnallisuuksien toteuttamiseen. Pääpainopiste on kiinteistöverkon toimilaitteiden ohjausmalleissa, jotka tähtäävät sähköverkosta ladattavan auton lataamisen, energiavarastojen, pientuotannon ja kuormien ohjausten optimoimiseksi sähkönkäyttäjän tarpeiden ja ulkoisten reunaehtojen puitteissa. Demonstraatiolaitteiston toteutuksen lähtökohtana on ollut tarve säätää asiakkaan liittymispisteessä verkosta otettava teho kullakin ajanhetkellä vastaamaan ulkoisten toimijoiden (sähkökauppias, verkkoyhtiö) määrittelemää verkosta oton kuormitusprofiilia. Tämän seurauksena on ollut mahdollista tarkastella myös kiinteistökohtaista saarekeajoa. Demonstraatioympäristönä on toiminut hankkeen puitteissa kehitetty järjestelmä, joka on toteutettu LVDC-sähkönjakelujärjestelmän prototyyppilaitteiston tarjoamalle pohjalle. Demonstraatiolaitteiston fyysinen rakenne on esitetty kuvassa 2.5. P G, P B External control signals Process PC Relay card P 1, P 2 DSPACE r rectifier r I 1 U 1 = +750 VDC = I 2 400/565 /565 V 50 kva = r N -750 VDC Inverter U 2 SMA = inverter DC power supply DC power source Kuva 2.5. Demonstraatiolaitteiston järjestelmäkuvaus. Tavoitteeseen päästään ohjaamalla aktiivisesti asiakkaan kuormia sekä energiavaraston (esim. sähköverkosta ladattavan auton akku) latausta ja purkua paikallisen uusiutuvia energialähteitä hyödyntävän pientuotannon satunnainen tuotantoteho huomioiden. Toimintojen toteuttamiseksi tarvitaan lukuisa määrä mittauksia ja ohjauksia. Laitteiston julkisen sähkönjakeluverkon malli sisältää tasasuuntaajan, 200 m pitkän AXMKkaapelilla toteutetun pienjännitteisen tasasähkölinkin ja yhden 750 VDC jännitteeseen kytketyn asiakasvaihtosuuntaajan. Demonstraation interaktiivisen asiakasrajapinnan laitteisto koostuu seuraavista komponenteista: Artila Matrix 512 sulautettu PC DSpace laitteisto Kiinteistöverkon releohjainkortti SMA HydroBoy verkkovaihtosuuntaaja Ohjattava DC-teholähde

18 15 Sulautettu PC toimii laitteiston ohjausyksikkönä. Se sisältää rajapinnan toiminnan ohjausmallit ja hallinnoi sekä sisäistä että ulkoista tietoliikennettä. Demonstraatiolaitteistossa sulautettu PC on myös osa yksinkertaistettua kiinteistöautomaatiojärjestelmää yhdessä kuormien releohjauskortin kanssa. Releohjauskortti ohjaa kiinteistöverkon kuormia ohjausyksikön käskyjen perusteella mahdollistaen mm. kuormien vuorottelun sekä suorat päälle-pois-kytkennät. DSpace laitteistoa käytetään analogisten mittaussignaalien käsittelyyn ja välittämiseen sarjaliikennemuodossa edelleen ohjausyksikölle. Verkkovaihtosuuntaaja toimii ohjattavan DCteholähteen verkkorajapintana. DC-teholähde kuvaa asiakasverkkoon liitettyä tuulivoimalaa sekä energiavarastoja. Tuulivoiman vaihtelut mallinnetaan teholähteen ohjelmassa ennalta asetetun tuotantokäyrän avulla. DC-teholähteen lähtötehossa huomioidaan energiavaraston purku ja lataus. Energiavarastona on oletettu olevan akusto, jonka varaustila SOC (State of Charge) määritellään demonstraatiossa laskennallisesti purku- ja lataustehon perusteella. Ohjausyksikkö päättelee kuhunkin tilanteeseen sopivan purku- ja lataustehon. Akun lataus on mallinnettu asiakasverkkoon kytkettävällä lataustehoa vastaavalla kuormalla ja purkamisen aikana syötetään purkuteho verkkovaihtosuuntaajan kautta asiakasverkkoon. Demonstraatiolaitteiston ohjausyksikkö (sulautettu PC) liittyy muihin laitteiston osiin Ethernet- tai sarjaporttien kautta. Kuvassa 2.6 on esitetty ohjausyksikön ja muiden järjestelmän aktiivisten toimilaitteiden välinen tietoliikenne. LoM-signal Power demand limits External control system (PC) Operation mode Realised demand Ethernet Switch Internal control system (embedded PC) Power P 1, P 2 RS-232 DSpace User interface (i.e. PC) LoM-signal Power demand limits Operation mode Realised demand Realised loads U 1, I 1 U 2, I 2 Realised production Realised storage exchange Realised load Realised production Realised storage exchange State information Relay board Relay controls (load control) RS-232 Reference values voltage power RS-232 Controllable Power Source Loads Kuva 2.6. Demonstraatiolaitteiston tiedonsiirtorajapinnat. Ohjausyksikön ohjelmisto sisältää asiakasverkon toimintamallit rajapinnan em. toiminnallisuuksien toteuttamiseen. Ohjelman parametreja ja asiakasverkon toimintaa voidaan muuttaa ja seurata CGI (Common Gateway Interface) käyttöliittymän kautta paikallisesti sekä etäkäyttönä reaaliaikaisesti. Käyttöliittymä on selainhallittava ja sitä ajetaan ohjaus-pc:llä. Näytettäviä tietoja ovat mm. asiakasverkon kunkin hetken yksinkertaistetun tehonjaon, kuormitusennusteen ja toteutuneet tehot verkosta otolle, tuotannolle ja varastolle. Aseteltavia parametreja ovat

19 16 mm. tehorajat verkosta otolle ja akun minimi SOC. Käyttöliittymän kautta asiakas voi määrittää kuormilleen myös prioriteetit. Lisäksi voidaan myös muuttaa järjestelmän toimintamoodi hintasignaaliohjatuksi tai pakottaa kiinteistöverkko saarekeajoon. Demonstraatiolaitteiston toiminnot mahdollistavat akun latauksen optimoinnin verkon ja energiakustannusten näkökulmasta, asiakkaan oman tuotantotehon maksimaalisen hyödyntämisen energiavarastojen avulla, sähkönkäytön jatkumisen myös verkkokatkojen aikana ja verkosta otetun tehon säätämisen niin sähkökaupan kuin järjestelmävastaavan näkökulmasta tehorajasignaalien perusteella. Demonstraation perusteella em. toimintojen toteuttaminen onnistuu teknisesti. Laitteisto soveltuu rajapinnan toiminnallisuuksien implementoinnin kehitysalustaksi sekä erilaisten ohjausmallien testaamiseen huomioiden mahdolliset asiakkaiden käytösmallit. Keskeisimmät tutkimuskysymykset liittyvät asiakasrajapinnan optimointialgoritmien kehittämiseen. Lisäksi laitteisto tarjoaa ympäristön mm. erilaisten mittausten teknisten toteutusmallien kehittämiseen Tiedonsiirto ja tietojärjestelmät Interaktiivisen rajapinnan hallinnan tietojärjestelmäratkaisujen demonstraatiota on esitetty kuvassa 2.7, jossa on kuvattu käytännön demonstraatioympäristöä, jonka rakentaminen on aloitettu INCA-projektissa ja jolla voidaan testata ja demonstroida erilaisia palveluja ja toiminnallisuuksia. Demonstraatiolaitteiston pääkomponentit ovat ThereGate-kotiautomaatioratkaisu (toimittaja on There Corporation), ylätason Open EMS Suite -ICT-alusta (Nokia-Siemens Networks) sekä MicroSCADA-käytönvalvontajärjestelmä (ABB). Demonstraatiossa nämä komponentit integroidaan yhdeksi kokonaisuudeksi, ja ohjelmoidaan siihen erilaisia toiminnallisuuksia. Ajatus on, että Open EMS Suite (OES) voisi hallinnoida suurta määrää kotitalouksien hajautettuja energiaresursseja ja mittauksia ThereGate-kotiautomaatiojärjestelmien välityksellä, ja tarjota näiden resurssien toteuttamia palveluita eri tahoille, esimerkiksi sähköverkkoyhtiöille tai energiayhtiöille. Lisäksi erilaisia toiminnallisuuksia voidaan toteuttaa paikallisesti kotiautomaation välityksellä. Eräs toiminnallisuus on kotitalous- tai kiinteistöliittymän tehon ja huipputehon hallinta vuorotteluperiaatteella. Kuva 2.8 esittää tällaisen toiminnallisuuden periaatetta. Suuria kotitalouskuormia voidaan vuorotella eri menetelmin, ja vuorotteluun voidaan yhdistää muitakin edistyksellisempiä toimintoja kuten esimerkiksi sähköauton tai ladattavan hybridin lataustehon väliaikainen alentaminen. Tutkimusprojektissa määriteltiin demonstroitava vuorottelualgoritmi, ja aloitettiin sen toteutus kotiautomaatiolaitteeseen.

20 17 DNO control centre T out, forecast Aggregator Information aggregation Supervision of ICT Network overload management Distribution Management System Monitoring of reserves DB Open EMS Suite OPC-UA SCADA COM 600 RTDB XML Home / building automation ThereGate Frequency dependent load shedding Connection point peak load reduction User interface AMI T in f Thermostat Discon nection DG Electric vehicle Kuva 2.7. Tietojärjestelmäratkaisujen demonstraatio Kuva 2.8. Periaatekuva liittymätehon hallinnasta Laboratoriodemonstraatiossa OES toimii keskitettynä tiedon aggregoijana. Sen tehtäviin kuuluu tiedon keräämisen ja säilömisen lisäksi mittaustietojen analysointia (virheellisten ja puutteellisten tietojen tunnistaminen) ja tiedon jakamista edelleen siitä kiinnostuneille. Oleellinen osa tiedon keräämistä on erilaisista lähteistä ja erityyppisissä muodoissa saapuvan tiedon yhteensovittaminen. Lisäksi OES voi lähettää ohjauskäskyjä ja tehdä kyselyitä. Tiedot, joita OES käsittelee, ovat reaaliaikaiset mittaustiedot, tilatiedot, sopimustiedot ja häiriötallenteet tai näiden pohjalta tehdyt raportit.

21 18 Käytännössä demonstraatioympäristöä on aloitettu rakentamaan häiriöreservien reaaliaikaisen valvonnan osalta. Valvottavana reservinä ovat ThereGate:n taajuusohjattavat kuormat. Taajuusohjaus on toteutettu tässä demonstraatiossa samaan tapaan kuin vastaavassa RTDS simuloinnissakin. Sovellus on tosin sijoitettu kotiautomaatiolaitteeseen ja tarvittavat ohjaukset ja mittaukset on hoidettu langatonta tiedonsiirtoa (z-wave) käyttäen. Koska z-wave:ä käyttävää ja ThereGate:iin sopivaa termostaattia ei löytynyt, implementoitiin yksinkertainen termostaattitoiminto omana sovelluksenaan ThereGate:iin. Kuormia ohjataan ja niiden tehoa mitataan ohjausreleellä. ThereGate:n ja OES:n integrointi toteutetaan XML-viestinä, jonka lähettää kotiautomaatio- tai muuntamovalvontalaitteeseen sijoitettu SOAP -agentti, kun häiriöreservin tila muuttuu. Agentti voidaan sijoittaa mihin tahansa laitteeseen, missä on Java-alusta. Tieto häiriöreservistä saadaan ThereGate:ltä HTTP -rajapinnan kautta, jolloin agentti kyselee rajapinnalta määrävälein reservin tilaa. Muuntamolle sijoitettu agentti vähentää tietoliikennettä agentin ja OES:n välillä, millä on merkitystä, kun agentteja on tuhansia, kuten käytännössä tulisi olemaan. Toisaalta muuntamolle sijoitettu agentti vaatii paikallisen kommunikaation muuntamovalvontalaitteen ja kotiautomaatiolaitteen välille. Jos automaattisen mittarinluennan keskitin sijaitsee muuntamolla, voisivat mittarinluenta ja häiriöreservien valvonta hyödyntää samaa paikallista kommunikaatiojärjestelmää. Tällä hetkellä demonstraation XML-viestit kulkevat yliopiston lähiverkossa, joten kommunikaatiojärjestelmä SOAP -agentin ja OES:n välillä ei ole tarkastelun kohteena. OES:n ja SCADA:n integrointi on toteutettu OPC-UA:lla, mikä on alustariippumaton ja webpohjainen teknologia. Integrointitapa mahdollistaa myös ABB:n MicroSCADA Pro SYS600 käyttämisen demonstraatiossa, vaikka se nykyisin sisältääkin vanhemman OPC DA 2.0 palvelimen. OPC DA 2.0 palvelimen päällä käytetään OPC UA käärettä (wrapper), joka muuntaa tiedot OPC UA:n muotoon. OES:n päässä voidaan puolestaan hyödyntää OPC UA Java clientia. OPC UA Java client ja OPC UA -wrapper kommunikoivat demonstraatiossa lähiverkon kautta käyttäen tehokasta binääristä OPC.TCP protokollaa. OPC UA määrittelyyn kuuluu myös yleiskäyttöisempi HTTP-protokolla ja XML-muotoinen tiedonsiirto, joiden toteuttaminen Javalla on OPC Foundationin toimesta työn alla. Tiedonsiirrossa käytettävää protokollaa voidaan tulevaisuudessa tarvittaessa vaihtaa. 2.3 Tietoturvakysymykset Riittävä tietoturva on havaittu yhdeksi keskeiseksi älykkäiden sähköverkkojen ja hajautettujen energiaresurssien toteutuksen haasteeksi. Sama koskee myös energian kulutusmittausjärjestelmiä. Tietoturvaan liittyvät vaatimukset, ongelmakohdat ja haasteet on ymmärrettävä ja otettava huomioon jo hajautettujen automaatiojärjestelmien ja niiden sovellusten ja suunnitteluvaiheessa sillä tietoturvan lisääminen niihin jälkeenpäin on hyvin kallista tai jopa mahdotonta. Tämä koskee myös interaktiivista asiakasliityntää ja sen toimintoja, kuten kuormien ohjaus, energian kulutusmittausten keruu ja liitännät energiankuluttajiin.

22 19 Osana projektin toteutusta VTT yhdessä Ficoran kanssa suunnittelivat, valmistelivat ja toteuttivat älykkäiden sähköverkkojen (Smart Grids) tietoturvasta työpajan alkukeväästä Työpajassa pohdittiin myös tarvittavia jatkotoimenpiteitä, joita ovat mm.: automaation tietoturvakoulutusta oppilaitoksiin, maailmalla tapahtuvan smart grid tietoturvakehityksen seuranta, parhaiden käytäntöjen siirtäminen teollisuuteen esimerkiksi teemaseminaarien muodossa tietoturvanäkökulma mukaan älykkäiden sähköverkkojen tutkimukseen ja kehitykseen myös Suomessa, tietoturvanäkökulman riittävä valmistelu SGEM-ohjelmaan Lisäksi kulutusmittausjärjestelmien rajapintojen standardeja käsitelevään raporttiin [Koponen 2010] sisällytettiin tietoturvastandardeja raportin näkökulmasta tarkasteleva luku.

23 20 3. Etäluettavat energiamittarit ja verkon hallinta Etäluettavien mittareiden yleistyminen ja niiden ominaisuuksien nopea kehittyminen viime vuosina mahdollistaa uusien ja entistä monipuolisempia toimintojen käyttöönoton. Suomen valtioneuvoston helmikuussa 2009 antama asetus /66 sähkötoimitusten selvityksestä ja mittauksesta edellyttää, että vuoden 2013 loppuun mennessä vähintään 80 % sähkön kulutuksen ja pienimuotoisen tuotannon mittauksesta on perustuttava etäluentaan. Asetuksessa on määritelty myös vähittäisvaatimuksia etäluentajärjestelmien eri toiminnoille, kuten kuormanohjaukselle. Kuormanohjaustoimintojen lisäksi katkaisulaitteella varustetut uuden sukupolven AMR-mittarit mahdollistavat myös lukuisia täysin uusia toimintoja ohjaukseen, säätöön, suojaukseen ja verkon hallintaan liittyen. Tutkimusprojektissa kartoitettiin kulutusmittausjärjestelmien tiedonsiirtorajapintojen standardeja [Kop10Tr], pääpainon ollessa rajapinnoissa energian loppukäyttäjien järjestelmiin ja laitteisiin, joiden osalta: - kyseinen liitäntä tapahtuu yleensä ja enenevässä määrin rakennuksen tai kodin automaatioverkon kautta - liitännän merkitys kasvaa energiasäästön ja kysynnän jouston tarpeen sekä sähköverkkojen, talojen ja laitteiden älykkyyden lisääntyessä - erilaisia protokollia ja standardeja on monia - monet niistä eivät vastaa lähitulevaisuuden vaatimuksia esimerkiksi avoimuuden, kerrosmallin noudattamisen ja tietoturvan suhteen. Tarve liittää rakennusten ja kotien automaatiojärjestelmiä sekä toisiinsa että kulutuksen mittausinfrastruktuureihin lisääntyy. Nykytilanteessa tämä on kuitenkin vielä tarpeettoman hankalaa ja tietoturvan suhteen epäilyttävää. Syitä tähän ovat erilaisten tiedonsiirtoprotokollien runsaus, siitä seuraava gateway -laitteiden runsaus, puutteellinen kerrosmallin soveltaminen, valmistajakohtaiset protokollat ja tietoturvaratkaisut sekä puutteet ja virheet protokollien tietoturvaratkaisuissa. Yhteisen avoimen rajapintastandardin puute on hidastanut sekä kyseisistä rajapinnoista riippuvien sovellusten ja palvelujen kehittymistä. Tämä on voinut hidastaa myös mittareiden toiminnallisten ja rajapintavaatimusten kehitystä. Tämä ongelma on yleisesti havaittu ja käynnissä on sen ratkaisemiseen tähtääviä standardointihankkeita. Niistä keskeisimpien edistymistä ja aikaansaannoksia on syytä seurata. Tutkimusprojektissa tarkasteltiin myös vesimittausten integrointia osaksi etäuettavaa energiamittausinfrastruktuuria ns. multi-utility toimintona. Erityisesti arviointiin toimintoperusteisen kustannuslaskennan avulla paikaltaan luettavan mittaustavan ja tietoliikenteen avulla suoritettavan automaattisen etäluennan kustannuseroja Uudenkaarlepyyn voimalaitoksen kustannustietojen avulla. Etäluennan avulla on mahdollista saavuttaa myös lisäarvopalveluita kuten tuntitasoinen veden käytön raportointi, tarkempi ja tiheämpi laskutus sekä vuotovahti. Lisätoiminnot voidaan toteuttaa paikallisesti asiakaskohtaisesti ja/tai keskitetysti. Kattavalla veden etäluennalla on mahdollista paikantaa jakeluverkkojen vuotokohtia ja kohdistaa tarvittavat investoinnit oikein.

24 21 Seuraavassa on tarkasteltu uusia AMR-toimintoja, erityisesti mittariin integroidun katkaisulaitteen ja ohjausreleen hyödyntämistä erilaissa toiminnoissa, sekä AMR:n tarjoaman tiedon hyödyntämistä kuormitusmallien tarkentamisessa ja verkon hallinnan kehittämisessä. 3.1 Katkaisulaitteella ja ohjausreleellä varustettujen AMR-mittareiden toiminnot Tutkimusprojektissa tarkasteltiin uuden sukupolven AMR-mittareiden etäohjattavien releiden ja katkaisulaitteen mahdollistamia ohjaus-, säätö- ja suojaustoimintojen hyödyntämistä interaktiivisessa rajapinnassa. Projektissa määriteltiin ohjattavia releitä tai katkaisulaitetta hyödyntäviä toimintoja ja niiden vähittäisvaatimuksia sekä laitteistojen että kommunikaation näkökulmasta. Uuden sukupolven AMR-mittareiden ohjattavat releet mahdollistavat erilaisia kuormanohjaustoimintoja. Releitä voidaan ohjata etänä ohjelmoitavien viikkoaikataulujen mukaisesti tai AMR-järjestelmän dynaamisten komentojen avulla. Releet mahdollistavat suoran kuormanohjauksen lisäksi myös tariffi- ja tehonrajoituspohjaisen kuormanohjauksen. Ohjattavien releiden mahdollistamina toimintoina on raportissa [Löf 10Tr] tarkasteltu tarkemmin etäohjattua kuormanohjausta, tehorajaan pohjautuvaa kuorman rajoitusta sekä taajuusriippuvaa kuormanohjausta. Katkaisulaite on joko erillinen tai mittariin integroituna oleva kytkinlaite, jonka avulla voidaan erottaa sähköliittymä kokonaan etäohjauksena valvomosta käsin tai paikallisesti. Yleensä etäohjaus on kannattavaa vain katkaisutoiminnoissa, joissa vasteajat saavat olla pitkiä. Tällainen toiminto voisi olla esimerkiksi sähköntoimituksen keskeytys myyntisopimuksen päättyessä. Vastaavasti toiminnot, joille on asetettu korkeita latenssivaatimuksia, pitäisi katkaisun tapahtua paikallisesti mittarin omaan päättelyyn perustuen. Esimerkiksi sähköturvallisuuden vaarantuessa pitäisi katkaisun tapahtua hyvin nopeasti. Katkaisulaiteella varustettu AMRmittari ei ole kuitenkaan varsinainen suojalaite, vaikka sen avulla voidaan joissain tapauksissa välttää sähköturvallisuuden vaarantuminen. Katkaisulaitteiden katkaisukyky vaihtelee mittarinvalmistajasta riippuen A, joten sitä voidaan käyttää käytännössä vain kuormitusvirtojen katkaisuun. Katkaisulaitteen pitäisi myös lukittua automaattisesti auki asentoon ainakin sähköturvallisuuden vaarantuessa (verkossa vaarallinen vika tai pientuotantoyksikkö syöttää tehoa luvatta julkiseen sähkönjakeluverkkoon), jotta asiakas ei voisi sitä manuaalisesti avata. Raportissa [Löf 10Tr] on tarkasteltu seuraavia katkaisulaitteen mahdollistamia toimintoja tarkemmin: sähköntoimituksen keskeytys ja takaisinkytkentä, sähköntoimituksen katkaisu energiarajan ylittyessä, asiakkaan erottaminen sähköverkosta sähköturvallisuuden vaarantuessa ja pientuotannon verkkoon syötön esto.

25 Kuormitusmallinnuksen kehittäminen Asiakaskohtaiset tuntitehomittaukset tarjoavat valtavan määrän mittausaineistoa, joiden pohjalta on mahdollista jalostaa nykyisin verkostolaskennassa käytettyjä kuormituskäyriä sekä kehittää uusia mallintamismenetelmiä, jotka ovat joustavampia asiakasryhmäjaottelun suhteen sekä sisältävät dynaamisia ja adaptiivisia ominaisuuksia uuden jatkuvasti kertyvän mittausaineiston hyödyntämiselle. Tarkempia ja uudelleen määritettyjä kuormitusmalleja voidaan hyödyntää myös muissa toiminnoissa, esim. reaaliaikaisen tuntihinnoittelun kehittämisessä. Verkon hallinnan näkökulmasta AMR-mittaukset ovat hyödynnettävissä sekä reaaliaikaisen tilaestimoinnin että pidemmän aikavälin verkostosuunnittelua tukevien kuormitusmallien kehittämisessä. Projektiraportissa [Mut10Tr] kehitettiin kuormitusmallinnuksessa käytettävää lämpötilariippuvuuden laskentamenetelmää sekä tutkittiin erilaisia vaihtoehtoja AMR-mittausaineiston hyödyntämiseksi kuormitusmallinnuksessa. Tutkitut vaihtoehdot olivat asiakkaiden uudelleenryhmittely olemassa oleville kuormituskäyrille, asiakasryhmäkohtaisten kuormituskäyrien päivitys sekä asiakkaiden ryhmittely klusteroimalla. Pelkällä asiakkaiden uudelleenryhmittelyllä ei saatu aikaan kovinkaan suuria parannuksia kuormitusestimaattien tarkkuuksissa. Sen sijaan, asiakasryhmäkohtaisten kuormituskäyrien päivityksestä saatu hyöty oli huomattavasti suurempi. Paras tulos saatiin klusteroimalla asiakkaat uusiin ryhmiin ja laskemalla näille ryhmille uudet kuormituskäyrät. Kuvasta 3.1 nähdään kuinka kuormitusestimaattien tarkkuus parantuu edellä mainituilla menetelmillä. Kuvassa on tarkasteltu 127 kotitalousasiakasta, kullekin asiakkaalle on laskettu kuormituskäyrien avulla tuntitehoestimaatit vuodelle 2007 ja näitä estimaatteja on verrattu vuoden 2007 toteutuneeseen kuormitukseen. Asiakkaiden ryhmittelyssä ja kuormituskäyrien päivityksessä on käytetty vuoden 2006 mittauksia. Tutkimuksen perusteella helpoin tapa tarkentaa jakeluverkkojen kuormitusmallinnusta olisi päivittää asiakasryhmäkohtaiset kuormituskäyrät AMR-mittausten avulla. Siitä seuraava askel olisi sitten asiakkaiden ryhmittely klusteroimalla ja uusien kuormituskäyrien laskenta. Kuormituskäyrien päivityksestä saatu hyöty johtuu pääasiassa siitä, että nykyiset kuormituskäyrät ovat vanhentuneita ja tarkoitettu kuvaamaan kuormitusta koko Suomessa. AMR-mittausten avulla jokainen jakeluverkkoyhtiö voi muodostaa juuri oman jakelualueensa kuormitusta kuvaavia kuormituskäyriä. Kuvassa 3.2 on verkkotietojärjestelmällä laskettu esimerkki kuinka kuormituskäyrien päivitys vaikutti Heinäahon sähköaseman kuormitusennusteeseen Virroilla. Verkkotietojärjestelmän 38 kuormituskäyrästä vain kuusi päivitettiin, siitä huolimatta kuvasta näkee että päivitetyillä käyrillä laskettu kuormitus on käyrämuodoltaan lähempänä mitattua kuormitusta. Kuvassa on huomattava ero mitatun ja ennustettujen vuorokausienergioiden välillä, tämä saattoi johtua tutkimuksessa käytetyn verkkotietojärjestelmän vanhentuneista vuosienergiatiedoista tai vanhentuneesta kytkentätilasta.

26 23 Kuva 3.1. Tehoestimaattien virheiden neliösummat neljässä eri tilanteessa. Alkuperäinen ryhmittely perustuu tutkittujen asiakkaiden nykyiseen ryhmittelyyn verkkotietojärjestelmässä, myös alkuperäiset kuormituskäyrät vastaavat nykyisin käytössä olevia kuormituskäyriä. Kuva 3.2. Heinäahon sähköaseman yhdelle talvipäivälle lasketut tehoennusteet. Asiakkaiden klusterointiin soveltuvia klusterointimenetelmiä on useita. Tässä tutkimuksessa käytettiin K-means ja ISODATA-menetelmiä. Artikkelissa [Mutanen 2010] esitetään yksi tapa ryhmitellä AMR-mittauksia samankaltaisesti sähköä käyttävien ryhmiin. Ryhmille voidaan tämän jälkeen tehdä omat kuormituskäyränsä, ja näitä voidaan sitten käyttää verkostolaskennassa. Artikkelissa klusterointi perustuu ISODATA-menetelmään, jossa ryhmien lukumäärää ei tarvitse tarkkaan tietää etukäteen, eli algoritmi voi muuttaa muodostuvien ryhmien lukumäärää. Ennen ryhmittelyä AMR-mittaukset lämpötilakorjataan pitkän aikavälin lämpötilan odotusarvoon ja outlierit (poikkeavasti sähköä käyttävät kohteet tai mittausvirheet) suodatetaan datasta. Tässä tutkimuksessa Antti Mutanen sovelsi kyseistä Maija Ruskan kehittämää klusterointimenetelmää Sata-Pirkan Sähkön AMR-mittausaineistoon (kuva 3.3). Menetelmä on kehitetty VTT:n kuormitustutkimuksissa ja varsinainen klusterointi perustuu vuosien

27 tutkimukseen. Kyseinen algoritmi on jo käytössä useilla jakeluyhtiöillä VTT:n kehittämässä LoadModellerPro-ohjelmassa. Tutkitun ISODATA-menetelmän todettiin pystyvän hyvään klusterointiin. Menetelmä on kuitenkin monimutkainen ja vaatii paljon laskentatehoa. Erityisesti ISODATA-algoritmin sisäänmenoina vaatimat parametrit, jotka vaikuttavat ryhmien lopulliseen määrään, ovat hyvin vaikeasti ymmärrettäviä. Lisäksi parhaan klusterointituloksen aikaansaamiseksi asiakkaat piti ennen klusterointia jakaa pääryhmiin (teollisuus, asuminen, maatalous jne.) asiakastietojärjestelmän tietojen perusteella. Tämä on ongelma, koska asiakastietojärjestelmä voi sisältää virheellisiä asiakasryhmätietoja. Asiakkaiden ryhmittelyyn soveltuvan klusterointimenetelmän kehitys vaatii vielä jatkotutkimusta Klusteri 1 n =50 k Klusteri 2 n =22 k Klusteri 3 n =34 k Klusteri 4 n =9 k 4 3 Klusteri 5 n =12 k Kuva 3.3. Esimerkki klusteroinnin tuloksista. Kuvassa on jaettu 127 julkisen hallinnon asiakasta viiteen klusteriin. Kuvassa näkyy tarkasteltavien asiakkaiden tammikuun keskimääräiset viikkokulutukset. Asiakasryhmäkohtaisen mallinnuksen lisäksi projektissa tutkittiin myös yksittäisille asiakkaille muodostettavia kuormituskäyriä. Kuormituksien klusteroinnista huolimatta monet kuormitukset jäävät tai voisivat jäädä omaksi kuormitustyypiksi. Jotkin kuormitukset yksinkertaisesti käyttäytyvät niin poikkeavalla tavalla, ettei niitä voida yhdistää mihinkään kuormitusryhmään. Tällaisten kuormitusten mallintamiseen tulee käyttää yksilöllisiä kuormitusmalleja. Yksilöllisiä kuormitusmalleja voidaan käyttää myös parantamaan tarkkuutta suurten paljon sähköä kuluttavien asiakkaiden kuormitusmalleissa. Edellisen vuoden AMR-mittauksia ei voida käyttää suoraan yksilöllisinä kuormitusmalleina. Kuten ryhmäkäyrien laskennassa, myös yksilöllisten kuormituskäyrien laskennassa on huomioitava kalenterikorjaukset (viikonpäiväkorjaus ja erikoispäivien huomiointi) ja lämpötilakorjaukset. Lisäksi on huomioitava että yksittäisillä asiakkailla satunnaisuuden vaikutus tuntitehoihin voi olla hyvin suuri. Mikäli

28 25 mahdollista, kuormituskäyrien muodostuksessa tulisi käyttää mittauksia useammalta kuin yhdeltä vuodelta. Raportissa [Kor10Tr] tutkittiin, kuinka hyvin VTT:n EME Forecast -ennustemallista saadut ennusteet vastaavat yksittäisten asiakkaiden toteutunutta kulutusta. Koillis-Satakunnan Sähkön AMR -mittausaineiston avulla tutkittiin 52 yksittäisen pienasiakkaan sähkönkulutuksen ennustamista ja tuloksia verrattiin vastaaville yksittäisille mittauskohteille tehtyjen kuormitusmallien avulla saatuihin tuloksiin. Vertailussa käytetty EME Forecast -ennustemalli on geneerinen, dynaaminen, heuristinen ja sopii sellaisenaan liukuhihnaennustamiseen. Siinä ulkolämpötilan huomiointi tapahtuu automaattisen regressioanalyysin pohjalta. Tutkimuksessa ajettiin neljä eri ennustetta: a) käytetään vain vuoden 2006 tietoja ennustettaessa vuotta 2007 b) kuten a), mutta lisäksi koetetaan ottaa ulkolämpötila (myös vuodelta 2007) huomioon automaattiregressio-osiolla c) käytetään kaikkia historia-arvoja hyväksi ennustettaessa (eli mukaan lukien d-1 historia-arvot ennustettaessa d -päivää) d) kuten c), mutta lisäksi koetetaan ottaa ulkolämpötila (myös vuodelta 2007) huomioon automaattiregressio-osiolla. Raportissa [Mut10Tr] sovellettiin tilastollista lähestymistapaa yksilöllisten kuormituskäyrien laskentaan. Satunnaisuuden vaikutusta yksilöllisten kuormituskäyrien tuntitehoihin pyrittiin vähentämään keskiarvoistamalla mitattuja tuntitehoja. Tutkimuksessa todettiin, että yksilölliset kuormituskäyrät on parasta muodostaa kuukausittain lasketuista viikkokeskiarvoista. Teollisuusasiakkaille ja muille suurille sähkönkuluttajille jokaiselle viikonpäivälle tulee muodostaa oma mallinsa. Kotitalousasiakkailla erot arkipäivien sähkönkäytössä ovat pienempiä, lisäksi kotitalousasiakkailla hajonnat ovat suurempia. Kotitalousasiakkailla viikon kaikkia arkipäivät onkin mahdollista mallintaa samalla mallilla. Kuvassa 3.4 on laskettu yksilöllisten kuormituskäyrien tarkkuuksia 64 Koillis-Satakunnan Sähkön kotitalousasiakkaalle. Näitä asiakkaita mallinnetaan nykyään Koillis-Satakunnan Sähkön verkkotietojärjestelmässä yksilöllisillä suoraan AMR-mittauksiin perustuvilla kuormituskäyrillä. Tilastollinen kolmeen tyyppipäivään ja neljään vuodenaikaan perustuva kuormituskäyrä on selkeästi tarkempi kuin käyrät jotka yrittävät mallintaa yksityiskohtaisesti koko vuotta edellisen vuoden AMR-mittauksen perusteella. Oikein valittuna jopa Senerin ryhmäkäyrät kuvaavat kuormitusta paremmin kuin nykyisin käytössä olevat yksilölliset kuormituskäyrät. Kuormitusmallit saadaan sitä tarkemmiksi mitä useammalta vuodelta mittausdataa on käytettävissä. Joskus malleja joudutaan kuitenkin muodostamaan vain yhden vuoden mittausten perusteella. Edellä kuvatussa tilastollisessa menetelmässä on se etu, että tuntitehoille voidaan laskea keskihajonnat myös yhden vuoden mittauksista. Hajonta saadaan laskettua joukosta joka koostuu saman kuukauden, viikonpäivätyypin ja tunnin tuntitehoista. Kun hajonnat on laskettu, yksilöllisiä kuormituskäyriä voidaan käyttää aivan kuten ryhmäkäyriäkin. Esimerkiksi huipputehoestimaatit voidaan laskea normaaliin tapaan keskitehon ja hajonnan avulla. Luonnollisesti myös lämpötilariippuvuuskertoimet tulee määrittää yksilöllisille kuormituskäyrille. Yksittäisille asiakkaille muodostettuja tilastollisia kuormitusmalleja vertailtiin raportin [Kor10Tr] tuloksiin.

29 26 Kuva 3.4. Yksilöllisten käyrien perusteella laadittujen kuormitusennusteiden tarkkuudet. Kuormitusmallien perinteinen käyttöä yhdessä asiakastietojärjestelmän kanssa ei vastaa alati muuttuvaa tulevaisuutta. Raportissa [Kor10Tr] hahmotellaan etuja ja haittoja siitä, että kuormitusmallinnuksessa siirrytään käyttämään osakuormista koostuvia kuormituspalikoita. Kuormituspalikka-ajattelun idea perustuu siihen, että asiakaan sähkön kulutus ei ole vain yhtä kulutustyyppiä, vaan koostuu vaihtelevissa määrin monista erilaisista osakuormatyypeistä. Kuormituspalikoita voisi hyödyntää nykyisen kaltaisten kuormitusmallien rinnalla ynnäämällä tai vähentämällä. Asiakastietojärjestelmästä saadaan vain enemmän tai vähemmän puutteellista tietoa asiakaskunnasta ja esim. sähköverkosta ladattavan auton hankinnasta tai lämpöpumpun ostosta ei ole odotettavissa asiakkaalta muutosilmoituksia, vaikka sille tiedolle löytyisikin tallennuspaikka. Tutkittaessa verkon kuormaa tulevaisuudessa on huomattavasti helpompaa hahmotella muuttuvia konstellaatioita jos käytettävissä on osakuormapalikoita, joita ynnätään tai vähennetään, nykyisen kaltaisten kuormitusmallien rinnalla. 3.3 AMR ratkaisut verkon hallinnan tukena Kuvan 3.5 mukainen AMR -järjestelmien sekä verkon hallinnan ja suunnittelun tietojärjestelmien integrointi luo pohjan olemassa olevien sovellusten tarkentamiselle ja laajemmalle hyödyntämiselle sekä uusien toimintojen kehittämiselle. Hyvin monen toiminnon näkökulmasta keskeisenä osatehtävänä on verkostolaskennassa sovellettavan kuormitusmallinnuksen kehittäminen hyödyntämällä AMR -järjestelmien tarjoamia mittauksia. Reaaliaikaisten mittausten lisäksi kuormitusmallit muodostavat keskeisen elementin, kun tarkastellaan AMR -teknologian hyödyntämistä verkosto-omaisuuden hallinnan ja verkostosuunnittelun näkökulmasta. Käyttötoiminnan kannalta verkon reaaliaikainen tilaseuranta tarkentuu (jännitteet, kuormitukset, häviöt, komponenttien kuormittuminen) sekä mahdollisuudet käyttötilanteen optimointiin paranevat (kytkentätilan optimointi, jännitteen säätö, kuorman

30 27 ohjaus). Jännitteen laadun jatkuva seuranta (hetkellisarvot / pitkän aikavälin toteutumat) sekä keskeytysten rekisteröinti tarjoavat uusia mahdollisuuksia sähkön laadun seurannan ja hallinnan kehittämiseen. Tarkennetut kuormitusmallit (tarkennettu kuluttajaryhmäjako, alueelliset mallit, jne.), tarkempi tietoisuus sähkön laadun toteutumista (keskeytykset, kuopat, jännitetaso) sekä häviöistä ja komponenttien kuormittumisesta mahdollistavat tarkemman toimenpiteiden kohdistamisen. Verkosto-omaisuuden hallinta Kunnonhallinta verkkotiedot asiakastiedot Suunnittelu Asiakaspalvelu Asiakkuuden hallinta Laskutus Valvomo DMS QMS Mittaustietokanta Taseselvitys SCADA AMR luentajärjestelmä Kuorman ohjaus Sähköasemaautomaatio DMS = Käytöntukijärjestelmä QMS = Laadun seurantajärjestelmä Kuva 3.5. AMR ratkaisut verkon hallinnan tukena Nykyisin pienjänniteverkkojen seuranta perustuu pääosin verkostolaskentaan, tilastolliseen jännitteenalenemaan ja laskennalliseen I k arvoon sekä mahdollisiin asiakkaiden tekemiin laatuvalituksiin. AMR mittausten (jännitetason seuranta) hyödyntäminen kokonaisvaltaisen laatutason seurannassa ja kriittisten kohteiden kartoituksessa mahdollistaa mm. proaktiivisen laadunseurannan ja antaa valitustilanteessa tietoa myös historiasta. Esimerkiksi välkyntään liittyy merkittäviä jännitetason vaihteluja. Potentiaalisia laatuongelmia voidaan kartoittaa ennalta mm. yhdistämällä mittaustulokset laskennalliseen I k arvoon. Projektissa tarkasteltiin myös mm. AMR -mittausten hyödyntämistä jakelumuuntajan kuormituksen seurannan kehittämisessä. Kuormitusasteen laskennan lisäksi voidaan laskea myös muuntajan laskennallinen hot-spot lämpötila sekä arvioida muuntajan vaihtotarvetta muuntajan ylikuormituksen tai ylimitoituksen suhteen. Lisäksi tarkasteltiin myös lämpöpumppujen aiheuttaman kuormitusmuutoksen vaikutusta muuntajien kuormitusasteisiin sekä muuntopiirien jännitteenalenemiin. 3.4 Pienjänniteverkon automaatioratkaisujen kehitysnäkymät Tulevaisuuden sähkönjakeluverkko on älykäs verkko, joka mahdollistaa jakeluverkon nykyistä monipuolisemman ja tehokkaamman käytön sekä varmistaa luotettavan sähkönjakelun ja sähkön häiriöttömyyden. Perinteisesti sähkönjakeluverkon automaatio on keskittynyt keski-

31 28 jänniteverkkoon. Siirryttäessä kohti älykkäämpää jakeluverkkoa pienjänniteverkon rooli sähkönjakelussa kasvaa. Monet pienjänniteverkon automaatioratkaisuista ovat paikallisia, joita ei voida hyödyntää pienjänniteverkon hallinnassa, mutta niillä voidaan lisätä pienjänniteverkon itseparantuvuutta. Uuden sukupolven AMR-mittareita voidaan hyödyntää monipuolisesti pienjänniteverkon hallinnassa. Joidenkin ominaisuuksien käyttöönotto edellyttää kuitenkin vielä nykyisten verkonhallintajärjestelmien kehittämistä. Verkon käyttötoiminta paranee ennen kaikkea tehokkaamman pienjänniteverkon vikojen hallinnan myötä. AMR-mittareilla voidaan saada myös tärkeää lisätietoa pienjänniteverkosta jännitteen laadun seurannan avulla. Kuvaan 3.6 on tiivistetty, millä tavoin älykästä mittarointia voidaan hyödyntää pienjänniteverkon hallinnassa. Älykkäiden energiamittarien pienjänniteverkon hallintaa tukevat ominaisuudet on kuvassa sinisellä ja muuntamoautomaation vihreällä. Kuva 3.6. Älykäs mittarointi osana pienjänniteverkon hallintaa Pienjänniteverkon automaatioratkaisuja on tarkasteltu yksityiskohtaisemmin lähteessä [Löf09Op]. 3.5 Aktiivisen verkon hallinta ja saarekekäyttö Interaktiivinen asiakasrajapinta sisältää mahdollisuuden liittää verkkoon yhä enemmän erilaisia aktiivisia laitteita ja komponentteja, jotka osallistuvat verkon käyttäytymiseen. Tällaisia laitteita ovat mm. tehoelektroniikkaa sisältävät nopeat loistehon kompensaattorit, aktiivisuotimet ja verkkovaihtosuuntaajat, ohjattavat dynaamiset käyttäytyvät kuormat sekä toisaalta erilaista informaatiota tarjoavat mittalaitteet, kuten esim. AMR -mittarit. Aktiivisessa verkonhallinnassa verkon kaikilla säädettävillä ja ohjattavilla komponenteilla on mahdollisuus osallistua sähkönjakelun ja sen laatutason ylläpitämiseen. Tällä tavalla pyritään aikaisempaa passiivista toimintatapaa parempaan verkon käyttöasteeseen ja laatutasoon.

32 29 Esimerkiksi jakeluverkon saarekekäyttö parantaa oleellisesti sähkönjakelun luotettavuutta, mutta se ei teknisesti ole mahdollista nykyisen kaltaisessa sähkönjakeluverkossa verkosta puuttuvan säädettävyyden ja ohjattavuuden takia. Tämän tyyppisille ratkaisuille tulee jatkossa olemaan yhä enemmän tarvetta poikkeuksellisten olosuhteiden lisääntyessä ja käyttövarmuusvaatimusten kasvaessa. Saarekekäytöllä tässä yhteydessä voidaan tarkoittaa Microgrid tasoisia verkkoja tai laajempia saarekkeena toimiva kokonaisuuksia. Saarekekäyttökysymysten osalta tutkimusprojektissa keskityttiin erityisesti verkostosuunnittelun kysymyksiin sekä saarekkeen sähköteknisen käyttäytymisen mallintamiseen. Saarekekäytön ja asiakkaan varavoiman vaikutuksia verkostosuunnitteluun on esitelty tarkemmin useammissa kansainvälisissä artikkeleissa. Aktiivisen verkon hallintaan liittyvä menetelmäkehitys on tapahtunut saarekekäyttökysymyksiä lukuun ottamatta TTY:llä käynnissä olevassa EU-rahoitteisessa ADINE-projektissa.

33 4. Sähköverkosta ladattavan auton verkkoon liityntä ja vaikutukset sähköverkkoon ja sähkömarkkinoiden toimintoihin Eräitä tulevaisuuden interaktiiviseen rajapintaan liittyviä resursseja on sähköverkosta ladattavat autot. Sähköverkosta ladattavilla autoilla tarkoitetaan ladattavia hybridiautoja sekä puhtaita sähköautoja. Näiden autojen uskotaan olevan osa tulevaisuuden henkilöliikenneratkaisua, joka on vähemmän riippuvainen fossiilisesta öljystä, joka tuottaa vähemmän hiilidioksidi- ja paikallisia päästöjä ja jonka primäärienergiankulutus on pienempi kuin nykyisellä henkilöautokannalla. Tutkimusprojektissa tarkasteltiin ladattavan auton verkkoliityntää, autojen aiheuttamia muutoksia sähköverkon kuormituksessa sekä niiden aiheuttamia verkostovaikutuksia, älyä ja koordinaatiota sisältäviä lataustapoja sekä autojen vaikutuksia sähkömarkkinoiden toimintoihin tietyillä markkinatoiminnallisuuksilla Verkkoliityntä Verkkoliityntää tarkasteltiin eri palveluiden rajapinnalle asettamien vaatimusten kautta. Tarkastellussa konseptissa merkittävä toimija on ns. palveluntarjoaja tai aggregaattori, joka omaa joukon ladattavia autoja ja myy näiden tuottamia palveluja eri osapuolille (kuva 4.1). Lähemmän tarkastelun alle otettiin neljä erilaista rajapintatyyppiä, joista kukin mahdollisti erilaisia toiminnallisuuksia. Kullekin rajapintatyypille määritettiin toiminnallisuuksien mahdollistamat eri osapuolille tarjottavat palvelut. Näin tarjottavien palveluiden kautta voitiin määrittää kullekin rajapinnalle asetettavat vaatimukset. Vaatimuksia asetettiin sekä sähkörajapinnalle (liityntä sähköverkkoon) sekä ICT-rajapinnalle. Näiden lisäksi tarkasteltiin kuhunkin rajapintatyyppiin liittyvää olemassa olevaa standardointia sekä valmisteilla olevia standardeja. Aiheesta kirjoitettiin julkaisu Rautiainen et al., Requirements for an interface between a plug-in vehicle and an energy management system. Projektissa määriteltiin seuraavat neljä rajapintatyyppiä: passiivinen kuorma (tyyppi 1), dynaaminen kuorma (tyyppi 2), V2G (vehicle-to-grid tyyppi 3) ja V2H (vehicle-to-home tyyppi 4). Perusidea jaottelussa on se, että tyyppi 1 on yksinkertaisin vaihtoehto. Passiivinen kuorma (tyyppi 1) tarkoittaa tavallista sähköverkon kuormaa ilman erityisiä ohjausmahdollisuuksia. Dynaaminen kuorma (tyyppi 2) tarkoittaa, että kuormaa voidaan ohjata eri kriteereillä niin haluttaessa, mutta energiaa ei voida syöttää auton ulkopuolelle. V2G (tyyppi 3) tarkoitta sitä, että tyypin 2 toiminnallisuuksien lisäksi on mahdollista purkaa akkua julkiseen jakeluverkkoon. V2H (tyyppi 4) taas sisältää mahdollisuuden toimia kodin varavoimana. Tyyppi 4 sisältää mahdollisuuden myös toimia ohjattavana kuormana ja julkista jakeluverkkoa syöttävänä laitteena. Taulukossa 4.1 on esitetty rajapintavaatimuksia erittäin tiiviissä muodossa. Edellä mainitussa julkaisussa toiminnallisuuksia ja vaatimuksia käsitellään yksityiskohtaisemmin.

34 31 Taulukko 4.1. Rajapintavaatimuksia tiivistettynä Kuva 4.1. Sähköverkosta ladattavan auton toiminnallisia rajapintoja osana aggregoitua palvelua. Rajapintatyyppi Tyyppi 1 Passiivinen kuorma Tyyppi 2 Dynaaminen kuorma Toiminnallisuudet Vaatimuksia sähköverkkorajapinnalle Vaatimuksia ICT-rajapinnalle Liityntä sähköverkkoon sähköenergian lataamista varten Tyypin 1 toiminnallisuuksien lisäksi: Ajoneuvokohtainen sähköenergian mittaus Mahdollisuus käyttää latauslaitetta ohjattavan kuormana kommunikaatioyhteyden välityksellä tai paikalliseen ohjaukseen perustuen Sähkönlaadun parantaminen Latauslaitteen tilan valvonta Tavanomaiset ulkokäyttöön suunniteltujen laitteiden sähköturvallisuusvaatimukset Tyypin 1 vaatimusten lisäksi: Energiamittari joko autoon tai lataustolppaan Taajuusmittaus ja muu oheistekniikka taajuusriippuvan latauksen toteuttamiseksi Sähkönlaadun parantamiseen soveltuva latauslaite Jos energiamittari on autossa, se täytyy voida etälukea Kommunikaatioyhteys kuorman ohjaukseen ja valvontaan Kommunikaatioyhteydelle tiettyjä sovellusriippuvaisia aikavaste- ja muitakin vaatimuksia Tyyppi 3 V2G Tyyppi 4 V2H Tyypin 2 toiminnallisuuksien lisäksi: Kyky syöttää akuista sähköenergiaa julkiseen jakeluverkkoon (V2G vehicle-to-grid) Tyypin 3 toiminnallisuuksien lisäksi: Kyky syöttää energiaa pieneen saarekkeeseen, esim. yksittäiseen kotitalouteen (V2H vehicle-to-home) Tyypin 2 vaatimusten lisäksi: Kaksisuuntainen konvertteri latauslaitteessa LOM- (loss of mains) ja muut suojausominaisuudet Sähköturvallisuuden varmistaminen verkon korjaus- ja huoltotoimenpiteiden aikana Energiamittareiden kyky käsitellä molemmansuuntaisia tehoja Tyypin 3 vaatimusten lisäksi: Erotuskytkin, jolla kotitalous erotetaan julkisesta jakeluverkosta Kuormanirrotuksia tehokapasiteetin riittävyyden varmistamiseksi Konvertterilla riittävät säätö- ja suojausominaisuudet saarekekäytössä toimimiseen Tyypin 2 vaatimukset sovellettuna myös akkujen purkamiseen Tyypin 3 vaatimusten lisäksi Automatisoitu erotuskytkimen toiminta

35 32 Liitäntään liittyvää standardointia kartoitettiin, ja pääpiirteissään tulokset ovat seuraavankaltaisia. Tyyppi 1: Liitäntää koskevat yleiset kaikkia muitakin sähköasennuksia koskevat vaatimukset. Standardeja IEC ja IEC sähköautojen latauksesta voidaan soveltaa tähän rajapintaan. Tyyppi 2: Liitäntää varten tarvitaan mittausta ja tietoliikennettä koskevia standardeja. Mittausten on täytettävä myös kansalliset vaatimukset. Tietoliikenteen pitää olla luotettavaa ja vastata kuorman jouston käyttötarpeen asettamia vaatimuksia. Tyyppi 3: Tämä voi tulevaisuudessa muuttua, mutta nyt hyvänä lähtökohta on se, että noudatetaan hajautetun tuotannon verkkoon liitäntää koskevia standardeja ja Energiateollisuus ry:n suosituksia Tyyppi 4: Tätä liitäntätyyppiä koskevia standardeja ei vielä ole. Hajautetun tuotannon saarekkeena käyttöä koskevat vaatimukset tulee ottaa lähtökohdaksi. 4.2 Kuormamallinnus Projektissa tutkittiin myös ladattavien hybridiautojen vaikutusta sähköverkon kuormitukseen, ja tutkimuksissa pääasiallisena pohja-aineistona toimi Henkilöliikennetutkimus aineisto (HLT). Henkilöliikennetutkimus on kuuden vuoden välein toteutettava laaja kyselytutkimus, jossa kartoitetaan suomalaisten liikkumistottumuksia eri näkökulmista. Tavoitteena oli tutkia tiettyjen oletusten vallitessa tilastollisten mallien rakentamista, joita käyttämällä voitaisiin arvioida ladattavien hybridien vaikutuksia sähköverkon kuormituksiin eri verkon jännitetasoilla. Tarkoituksena oli mallintaa kotitalouksien käyttäytymistä. Kuormitusmallinnustutkimuksessa tutkittiin HLT-aineiston soveltuvuutta kuormamallinnukseen, sekä tehtiin ensimmäiset versiot malleista. HLT sisältää aineistoa suomalaisten ihmisten liikkumisesta eri liikkumistavoilla. Tietoa kerättiin kaikista vastaajien 24 tunnin ajanjaksolla tekemistä matkoista. Kuormitusmallinnuksessa mielenkiinto kohdistui ihmisten ajotottumuksiin. HLT sisältää yksityiskohtaista tietoa tutkimukseen osallistuneiden henkilöiden tekemistä automatkoista. Kustakin ajomatkasta on mm. seuraavia tietoja: lähtöaika, matkan kesto, matkan pituus, lähtöpaikan tyyppi (18 eri tyyppiä) ja määränpään tyyppi (samat 18 eri vaihtoehtoa). Olettamalla latausmahdollisuudet tiettyihin paikkoihin voidaan muutaman lisäoletusten tukemana muodostaa yksittäisten autoilijoiden latausprofiileja ajomatkoja ja pysäköintejä seuraamalla. Tässä tapauksessa latausmahdollisuudet oletettiin koteihin ja työpaikoille. Eri autoilijoiden latausprofiileista voidaan siten laskea tilastollisia tunnuslukuja, joita voidaan hyödyntää verkostolaskennassa. Kustakin vastaajasta oli myös erilaisia taustatietoja, mm. asumismuoto, asuinalueen tyyppi jne. Mm. näiden perusteella ajajat voidaan luokitella eri asiakastyyppeihin, ja eri mallit voidaan kohdistaa oikeille kulutuspisteille verkkoyhtiön verkkotietojärjestelmässä. Myös vastaajan perheenjäsenistä sekä kotitaloudessa olevista autoista on tietoa HLT:ssa. HLT:n käyttöön liittyy joitakin ongelmia. Keskeisimpiä näistä ovat mm. se, että HLT käsittelee yksittäisten ihmisten liikkumista eikä yksittäisten autojen liikkumista ja se, että HLT ei

36 33 anna tietoa koko kotitalouden perheenjäsenten liikkumisesta. Nämä haasteet aiheuttavat sen, että kuormamallinnuksessa joudutaan tekemään enemmän oletuksia. Kuormamallinnuksesta kirjoitettiin julkaisuluonnos Rautiainen et al., Statistical charging load modelling of PHEVs in electricity distribution networks using National Travel Survey data, jossa mallintamisen problematiikkaa ja tuloksia on esitetty yksityiskohtaisesti. 4.3 Älykäs lataus ja markkinamekanismit Projektissa tutkittiin myös ladattavien hybridiautojen koordinaatiota ja älyä sisältäviä lataustapoja sekä erilaisia sähkömarkkinamekanismeja autojen lataukselle. Tämä osa-alue on vahvasti kytköksissä myös liityntärajapintatutkimukseen, jota on selostettu edellä. Älykkään latauksen tavoitteena on parantaa ladattavien hybridien toimintaa asiakkaan, sähkövoimajärjestelmän ja sähkömarkkinoiden näkökulmasta. Erilaiset sähkömarkkinamekanismit mahdollistavat erilaisia mahdollisuuksia asiakkaille hankkia kotinsa ulkopuolella lataamansa sähköenergia haluamaltaan toimittajalta ja haluamanansa sähkötuotteena. Älykkäästä latauksesta ja markkinamekanismeista kirjoitettiin julkaisu Rautiainen et al., Intelligent charging of plug-in vehicles. Julkaisussa käsiteltiin vain perinteistä latausta eli energian ottamista sähköverkosta. Akkujen purkaminen julkiseen jakeluverkkoon tai pienen saarekkeen ajamista ei siis tässä esityksessä käsitelty. Älykkään latauksen periaatteet ja menetelmät voidaan jakaa karkeasti kahteen luokkaan: menetelmät, jotka tarvitsevat kommunikaatioyhteyden ylätason järjestelmään ohjauksien toteuttamiseksi ja menetelmät, jotka eivät tarvitse tätä kommunikaatioyhteyttä ohjauksien toteuttamiseen. Paikalliseen logiikkaan perustuvat menetelmät voivat kuitenkin käyttää kommunikaatioyhteyttä erilaisten toimintaan tarvittavien parametrien ja asetteluarvojen vastaanottamiseen ylätason järjestelmältä paikalliselle tasolle. Ladattavien autojen vaikutusta sähköverkon kuormitukseen voidaan muokata erilaisilla paikalliseen ohjaukseen perustuvilla menetelmillä. Latausta voidaan siirtää ajallisesti ja tarvittaessa porrastetusti ajankohtaan, joka voidaan säätää halutuksi sovelluksesta tai verkosta riippuen asiakkaan kanssa tehtyyn sopimukseen perustuen. Aikaohjauksen ei tarvitse olla kiinteä, vaan se voidaan asettaa riippuvaksi esimerkiksi auton akkujen varaustilasta. Toinen vaihtoehto on hallita yksittäisen liittymän suuritehoisia kuormia (sähkölämmitys, lämminvesivaraaja, sähkökiuas, kolmivaiheinen ladattavan hybridin lataus) erilaisilla vuorottelumenetelmillä, jolloin kiinteistön sähköliittymän huipputeho voidaan pitää kurissa. Tämän menetelmän laajamittaisella soveltamisella on toki vaikutusta verkon kuormitukseen useimmilla verkon jännitetasoilla. Oma kokonaisuutensa tutkimuksessa oli taajuusriippuvan latauksen soveltaminen. Ladattavan hybridin latauksesta voitaisiin tehdä taajuusriippuva, jolloin lataustehoa säädettäisiin paikalliseen verkon taajuuden mittaukseen perustuen. Autokanta voisi tällöin toimia taajuusohjattuna käyttö- tai häiriöreservinä laajentaen siten taajuuden ylläpitoon käytettäviä resurssimahdolli-

37 34 suuksia. Taajuusriippuvan latauksen toiminnasta on simulointeja pienellä sähkövoimajärjestelmämallilla ja tulokset on julkaistu julkaisussa Rautiainen et al. Using frequency dependent charging of plug-in vehicles to enhance power systems frequency stability. Älykkään latauksen menetelmät, jotka tarvitsevat kommunikaatioyhteyden ohjauksien toteuttamiseen mahdollistavat erittäin monipuolisia, tehokkaita ja joustavia menetelmiä hallita autojen latausta. Tällöin on mahdollista rakentaa erilaisia dynaamisia optimointimenetelmiä joilla päästään tehokkaaseen toimintaan sähköverkon hallinnassa ja sähkömarkkinoilla. Tällaiset järjestelmät vaativat kuitenkin lisäinvestointeja, joiden saaminen kannattavaksi voi olla lähitulevaisuudessa haasteellista. Yksittäisen ladattavan hybridin tyypillinen kokonaisenergiankulutus on sen verran pieni, suuruusluokkaa kwh/a, että esimerkiksi kannattavien dynaamisten kysynnänjoustopalveluiden toteuttamiseksi tarvitaan myös muita ohjattavia resursseja. Tutkimuksessa tarkasteltiin myös erilaisia sähkömarkkinamekanismeja, joilla mahdollistetaan asiakkaille julkisella latauspaikalla (esimerkiksi ostoskeskusten ja muillakin julkisilla parkkipaikoilla) lataamansa sähköenergia hankinta haluamaltaan toimittajalta ja haluamanansa sähkötuotteena. Asiaa käsiteltiin julkaisussa Rautiainen et al., Intelligent charging of plug-in vehicles. Yksinkertaisin mahdollisuus on se, että asiakkaan lataamaa sähköenergiaa ei mitattaisi ollenkaan latauspisteellä eikä asiakas maksaisi lataamastaan sähköstä energiaperusteisesti, vaan latausmahdollisuus sisältyisi tavalliseen parkkimaksuun, joka yleensä on aikaperusteinen. Tällöin vältyttäisiin energiamittareilla varustettujen latauspisteiden rakentamiselta, mikä yksinkertaistaisi toimintaa ja pienentäisi tarvittavia investointeja. On tärkeätä muistaa, että nykyisillä sähkön hinnoilla 3 kw:n keskilatausteholla lataaminen maksaa vain suuruusluokkaa 0,3 /h. Toinen markkinamekanismimalli on, että lataaja maksaa lataamastaan energiasta energian määrän mukaan, mikä vaatii latauspistekohtaisen energiamittauksen ja sen yhdistämisen parkkimaksuun tai muuhun laskutusjärjestelmään. Tällöin latauspisteen haltija hankkii sähkön haluamaltaan toimittajalta ja maksaa sähkönsiirrosta paikalliselle verkkoyhtiölle. Kolmas mekanismivaihtoehto on, että asiakas voi valita lataamansa sähkön toimittajan useista eri vaihtoehdoista perustuen esimerkiksi asiakkaan kotitaloussähkön toimittajaan, halvimman hinnan tarjoavaan toimittajaan, tai vähäisiin hiilidioksidipäästöihin perustuvaan sähkötuotteeseen. Tällöin latauspisteen haltija joutuu toimittamaan tiedot toimitetuista sähkömääristä kunkin vähittäismyyjän osalta taseselvitystä varten paikalliselle verkkoyhtiölle. Asiakas maksaa lataamastaan energiasta sähköntoimittajalle ja sähkönsiirrosta paikalliselle verkkoyhtiölle latauspisteen haltijan kautta. Energiamaksu voidaan toteuttaa monilla eri tavoilla, ja jotkut tavat vaativat asiakkaan henkilöllisyyden identifioinnin. Neljäs markkinamekanismi on sellainen, että auto itsessään sisältää etäluettavan energiamittarin, ja auton haltija saa valita täysin vapaasti sähköntoimittajansa jokaisessa latauspisteessä. Autossa oleva mittari voidaan etälukea, ja lasku lähettää suoraan asiakkaalle. Tällöin kuiten-

38 35 kin siirtomaksut joudutaan maksamaan kussakin latauspisteessä paikalliselle verkkoyhtiölle latauspisteen haltijan välityksellä. Lisäksi taseselvitystä varten täytyy latauspisteessä sähköntoimittajakohtaisesti lajitellut ladatut energiat eri aikoina toimittaa taseselvitysprosessille. Tämä mekanismi sisältää kuitenkin ns. kahden mittarin ongelman. Kotitaloudessa ladattaessa ladattu energia mitattaisiin sekä auton mittarilla että kotitalousmittarilla. Tämän ongelman ratkaiseminen vaatisi keskenään kommunikoivia energiamittareita. Ladattavien hybridien ja sähköautojen yleistyessä voi ilmaantua myös muunkin tyyppisiä markkinamekanismeja. Eräs mahdollisuus on erilaisten avoimien yhteisöjen jäsenten muodostamat verkostot. Tällöin yhteisön jäsenet tarjoavat omia kotitalouksissa sijaitsevia latauspisteitään muiden yhteisön jäsenien käyttöön ja samalla saavat vastavuoroisesti mahdollisuuden käyttää muiden jäsenten latauspisteitä. Tähän malliin sisältyy kuitenkin erinäisiä käytännöllisiä ja sosiaalisia haasteita. 4.4 Verkostovaikutukset Menetelmä sähköautojen energiatarpeen määrittämiseksi Sähköautojen energiatarpeen ja latausten verkostovaikutusten analysointi on moniulotteinen tehtävä. Kuvassa 4.2 on havainnollistettu sähköautojen sähkönjakeluverkolle aiheuttaman kuormitusvaikutuksen määrittämisen metodologiaa. Jotta verkkovaikutuksia voidaan määritellä, tarvitaan tietoa monenlaisista lähteistä. Näitä ovat mm. kansallinen henkilöliikennetutkimus (HLT), jonka perusteella voidaan määritellä kuinka, milloin ja kuinka usein autoja käytetään, mitkä ovat ajomatkat ja miten ympäristöolosuhteet vaikuttavat auton käyttöön. Tutkimuksen mukaan maakunnan osassa, missä tässä raportissa käytetty esimerkkiverkko sijaitsee, keskimääräinen vuotuinen ajosuorite on km/auto, mikä tekee n. 57 km/d/auto. Tätä keskimääräiseen arvoon perustuvaa yksinkertaista lähestymistapaa käytettiin näissä tarkasteluissa. Yksittäisen sähköauton energiankulutus (kwh/km) riippuu monesta asiasta. Kulutukseen vaikuttavia tekijöitä ovat auton sähkökäytön ja lataus-purkaus-syklin hyötysuhde (sisältää akun ja latauslaitteen hyötysuhteen), regeneratiivisen jarrutusjärjestelmän hyötysuhde, lämmitys- ja jäähdytysenergian tarve, ilmanvastus, vierintävastus, kokonaismassa ja ajosykli. Eräs pohjoismaalainen yritys on hiljattain mitannut sähköautojen energiankulutusta talvisissa olosuhteissa Suomessa, ja saanut keskimääräisiä arvoja 0,20 0,25 kwh/km. Energiankulutusta voidaan kuitenkin pienentää kehittyvää teknologiaa hyödyntämällä. Esimerkiksi lämmitysenergian tarvetta voitaisiin vähentää parantamalla autojen lämmöneristystä ja kehittämällä autokäyttöön soveltuvia lämpöpumppujärjestelmiä. Pian markkinoille tulossa oleviin autoihin sisältyy aurinkopaneelit, jotka vähentävät sähköverkosta otettavan energian tarvetta. Autojen kokonaismassaa voidaan vähentää käyttämällä kehittyneitä materiaaleja ja rakenteita. Jos energiankulutus on 0,2 kwh/km ja keskimääräinen päivittäinen ajomatka 57 km, sähköauto käyttää energiaa keskimäärin 11,5 kwh/d.

39 Teho Power [MW] 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 Thursday (hours) 36 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) 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 Kuva 4.2. Taustatiedot ja niiden prosessointi sähköautojen verkkovaikutusanalyysissä. (Lassila et al. 2009). Ajotapojen ja sähköautojen energiankulutuksen lisäksi latausmahdollisuuksilla (sisältäen hitaan latauksen, pikalatauksen ja akunvaihtopalvelun) on vaikutusta sähköautojoukon sähköverkosta ottamaan energiaan. Pikalatausta ja akunvaihtopalvelua ei ole kuitenkaan käsitelty yksityiskohtaisemmin tässä osiossa ja maksimilatausteho on rajoitettu 3,6 kw:iin autoa kohti. Raja tulee tämän hetkisistä Suomessa käytetyistä esilämmitysjärjestelmistä, lämmitystolpista. Esilämmitysjärjestelmiä käytetään yksivaiheisista (230 V) 16 A sulakkeilla varustetuina, mikä mahdollistaa 3,6 kw maksimilataustehon autoa kohden. Auton akuston kapasiteetin on oletettu olevan 30 kwh/auto. Verkostoanalyysi Sähköautojen verkostovaikutusten selvittämiseksi sähkönjakeluverkosta tarvitaan kattavat verkko- ja kuormitustiedot. Mielenkiintoinen kysymys on, vaatiiko nykyinen jakelujärjestelmä vahvistustoimenpiteitä vai voidaanko sähköautojen latauskuorma ohjata sellaisiin ajankohtiin jolloin verkon muu kuorma on vähäistä. Tarkastelualueella asuu noin ihmistä, alueella on sähkönliittymä ja henkilöautoa. Verkkotopologia ja keskeisimmät tunnusluvut on esitetty kuvassa 4.3. Johtolähtö1 edustaa taajama-aluetta ja lähtö 2 haja-asutusaluetta. Tyypillinen vuodenajoista voimakkaasti riippuva verkkoyhtiön sähkönkäyttökäyrä on esitetty samassa kuvassa. Tarkastelualueen huipputeho vaihtelee talviaikoina 40 ja 50 MW välillä vuotuisen energiatarpeen ollessa noin 200 GWh/a.