BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka. Suunnitteluperusteet Jarmo Partanen

BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka Suunnitteluperusteet Jarmo Partanen

Suunnittelun tavoite Tavoitteena kustannusten minimointi pitkällä aikavälillä. T 0 T K inv( t) Kk äy( t) Kkesk( t) Kkun ( t) t1 K inv ( t) K käy ( t) K kesk ( t) K kun ( t) dt K inv K käy K kesk K kun Investointikustannukset Käyttökustannukset; häviöt, henkilöstö, varastot, kalusto Keskeytyskustannukset Kunnossapitokustannukset Reunaehtojen puitteissa!! 5.11.2013 3

Reunaehtoja ja vaatimuksia Tekniset rajoitukset terminen kestoisuus oikosulkukestoisuus jännitteen laatu; jännitteenalenema käyttövarmuus Turvallisuus vikavirtasuojauksen toimivuus sähköturvallisuusmääräykset, rakennemääräykset työturvallisuus Suunnitelmallisuus/jaksotus henkilöstön ja kaluston tasainen käyttö 5.11.2013 4

Suunnittelun osa-alueet Verkostostrategian määrittäminen käytettävä tekniikka laskentaparametrit ja muut suunnittelun lähtötiedot Pitkän aikavälin kehittämissuunnittelu Verkostosuunnittelu, investointisuunnittelu Maastosuunnittelu Rakennesuunnittelu Työsuunnittelu 5.11.2013 5

Suunnitteluprosessi Omistajapolitiikka Toimintaympäristön kehitys Verkostostrategia Toimintaperiaatteet Kuormitusennusteet Yleissuunnittelu Käytettävä tekniikka Regulaatio Laskentaparametrit Kehittämisen pääsuuntaviivat Alueverkko, sähköasemat, runkojohdot, automaatio ja niiden alustava ajoitus Investointisuunnittelu Vuotuiset investointiohjelmat 5.11.2013 6

Verkostosuunnittelun tavoitteet ja luonne Vastaukset kysymyksiin MISSÄ MIKSI MITEN MILLOIN verkostoinvestointeja on tehtävä? Kun verkko on lähes valmis, korvausinvestointien merkitys korostuu. Pitkällä aikavälillä vaihtoehtoisia verkon kehittämismahdollisuuksia on erittäin paljon. Keskeisten kehitysvaihtoehtojen määritys ja vertailu. 5.11.2013 7

Keskijännite- ja pienjänniteverkkojen suunnittelufilosofiat Pienjänniteverkko: yksittäinen pj-verkko voidaan suunnitella yleensä omana kokonaisuutenaan ja verkko pyritään rakentamaan kerralla valmiiksi ajan suhteen staattinen suunnittelutehtävä, kuormitusten suhteen paljon epävarmuutta Alue- ja keskijänniteverkko: verkkoa kehitetään kokonaisuutena ja jatkuvana prosessina ajan suhteen dynaaminen suunnittelutehtävä, kuormitukset kohtuullisesti ennustettavissa 5.11.2013 8

Tavoiteverkkomalli Periaate tavoitevuoden horizon year kuormitukset suunnitellaan tavoitevuoden tilanteeseen paras verkko selvitetään paras investointiohjelma, jolla nykyverkosta päästään tavoiteverkkoon Ominaisuuksia keskeiset päätökset tehdään kaukana epävarmassa tulevaisuudessa esiintyvien lähtötietojen pohjalta - riski vääriin päätöksiin vaikea korjata vääriä päätöksiä historia ei ole rasitteena soveltuu lähinnä täysin uusien alueiden sähköistyssuunnitteluun sekä pienjänniteverkkojen suunnitteluun ( kerralla kuntoon ) 5.11.2013 9

Ajan suhteen dynaaminen suunnittelumalli Periaate lähtökohtana nykyverkko tavoitteena kehittää verkkoa vuosi vuodelta siten, että tarkasteluaikajakson kokonaiskustannukset minimoituvat pyrkimättä jonkin ajanhetken optimiverkkoon Ominaisuuksia optimointitehtävänä matemaattisesti erittäin vaikea ajan suhteen dynaaminen optimointi päätöksissä lähitulevaisuuden toimenpiteillä suurempi painoarvo kuin kaukana tulevaisuudessa olevilla toimenpiteillä jos korko p > 0 % jos reaalikorko on suuri (p > 10 %) malli voi johtaa liiaksi väliaikaisinvestointien käyttöön - lopulta umpikuja optimoi investoinnin ajankohdan ja tuoton Soveltuu olemassa olevan sähkönjakelujärjestelmän kehittämiseen 5.11.2013 10

Suunnitteluprosessi Omistajapolitiikka Toimintaympäristön kehitys Verkostostrategia Toimintaperiaatteet Kuormitusennusteet Yleissuunnittelu Käytettävä tekniikka Regulaatio Laskentaparametrit Kehittämisen pääsuuntaviivat Alueverkko, sähköasemat, runkojohdot, automaatio ja niiden alustava ajoitus Investointisuunnittelu Vuotuiset investointiohjelmat 5.11.2013 11

Sähköverkkoliiketoiminnan toimintaympäristön kehitys Yhteiskunnan ja asiakkaiden tarpeet Ilmastomuutos Sähkön käytön kehittyminen, energiatehokkuus, sähköautot, kysynnän jousto Hajautettu tuotanto ja energiavarastot Sähkömarkkinat ja aktiivinen sähköverkko Asiakasrajapinnan omistajuus; kuka hallitsee asiakasrajapintaa, verkkoyhtiö vai myyjä? Regulaatio Käyttövarmuusvaatimukset Verkon ikääntyminen Tekniikan kehittyminen Omistajaohjaus 5.11.2013 12

Sähkön käyttö ja energiatehokkuus 5.11.2013 13

Sähkön käyttö Suomessa vuonna 2050 Energiateollisuuden visio Sähkön käyttö TWh/a Suomessa vuonna 2007 ja 2050 2007 2050 Kotitaloudet 11 13-14 Rakennusten lämmitys 12 9-11 Rakennusten jäähdytys 0,2 2 Teollisuus 48 48-58 Palvelut & julkinen 15,5 30-40 Liikenne 0,5 8-10 Häviöt 3 4 Yhteensä 90 113-138 Sähkön käyttö lisääntyy pahaa vai hyvää?? 5.11.2013 14

Rakennusten lämmitys Skenaario lämmitysenergian käytöstä lämmitysmuodoittain Lämmitykseen käytettävän energian tarvetta pienentävät rakennusten eristyksen ja lämmitysjärjestelmien hyötysuhteiden parantuminen Lämmitysenergian käyttö [GWh] 90 000 80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 2009 2020 2050 Muut Lämpöpumput Puu Kaukolämpö Sähkö Öljy Lähde: LUT; Sähkön ja kaukolämmön rooli energiatehokkuudessa ja energian säästössä 5.11.2013 15

Kotitalouksien laitesähkö Kotitalouksien vuotuisessa laitesähkön kulutuksessa (n. 11 TWh) arvioidaan olevan n. 2,5 TWh:n tehostamispotentiaali Laitesähköstä saadaan 0 70 % hyödynnettyä rakennusten lämmityksessä Em. sähkön käytön tehostamisen on arvioitu lisäävän vuotuista lämmitystarvetta 1,6 TWh GWh/a Kotitalouksien laitesähkön kulutus vuonna 2020 (Lähde: Adato 2008) 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 Kylmäsäilytyslaitteet Ruoanvalmistus Astianpesukone Pyykinpesu ja kuivaus Viihde-elektroniikka Tietotekniikkalaitteet Sähkökiuas LVI-laitteet Lattialämmitys Auton lämmitys Sisävalaistus Ulkovalaistus Muut BAU = Business-as-usual BAT = Best Available Technology BAU BAT Lähde: LUT; Sähkön ja kaukolämmön rooli energiatehokkuudessa ja energian säästössä 5.11.2013 16

Energiatehokkuustoimenpiteiden vaikutus verkkoyhtiöihin 5.11.2013 17

Energiatehokkuustoimenpiteiden vaikutus verkkoyhtiöihin energiatehokkuustoimet vaikuttavat verkkojen kautta siirrettäviin tehoihin energioihin (liikevaihtoon) lyhyellä aikavälillä verkkoyhtiö voi reagoida tariffirakenteita muuttamalla pitkällä aikavälillä verkkoyhtiö voi reagoida verkkorakenteita kehittämällä 5.11.2013 18

ENETE-projekti; lämpöpumppujen vaikutus verkkoyhtiön energiaan ja liikevaihtoon Tuloksia: Vaikutus kokonaissähköenergiaan 5.11.2013 19

ENETE-projekti; lämpöpumppujen vaikutus verkkoyhtiön energiaan ja liikevaihtoon Tuloksia: Vaikutus liikevaihtoon 5.11.2013 20

Sähköautot 5.11.2013 21

Sähköautot Terminologiaa HEV, hybridiauto PHEV, ladattava hybridi E-REV, REEV, pitkän matkan hybridi (sarjahybridi, polttomoottori -> sähkökone) EV, sähköauto (ei polttomoottoria) Hidas lataus, 1x16 A, 3x 16 A pienjänniteliityntä Pikalataus, kymmenien/satojen kilowattien latausteho Polttokennoauto; sähköauto, jonka polttoaineena vety tai maakaasu 5.11.2013 22

Sähköautot Miksi sähköautot nyt? Akkuteknologian kehittyminen yksi kapasiteettituplaus tekee jo vallankumouksen Ylivoimainen energiatehokkuus Fossiilisten polttoaineiden niukkuus on ymmärretty 5.11.2013 23

Sähköautot Sähköautot 20 000 km/a, 10-20 kwh/100 km -> 2-4 MWh/auto/a esim. jos 100 % peitto Etelä-Karjalassa sähköautoilla (henkilöautot) 140 280 GWh/a 5.11.2013 24

Sähköautojen vaikutus päästöihin ja verkkoinvestointeihin Tehokas tapa vähentää liikenteen CO2-päästöjä Erinomainen hyötysuhde, 10 kwh/100 km, puhdas polttoaine Suomessa vahva sähköverkko Voi ottaa vastaan merkittävän määrän sähköautoja ilman mittavia verkkoinvestointeja Latausjärjestelmä suurelta osin valmiina Lämmityspistorasiat ja tolpat Kuormien vuorottelujärjestelmä jo olemassa (sähkölämmitys, saunat, sähköautot) Kaupunkien keskustat haasteellisia alueita Älykkäällä latausjärjestelmällä varustetut sähköautot voivat jopa pienentää siirron yksikkömaksuja Energiamäärä kasvaa ilman lisäinvestointeja 5.11.2013 25

Sähköautojen kuormituksen alueellinen ennustaminen 5.11.2013 26

Sähköautojen latausprofiileja; esimerkkiverkko (kaupunki) Huipputeho [MW] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 EE Lataus yöaikaan klo 22 alkaen 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Lataus töihin tullessa ja kotiin mennessä 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Hajautettu yölataus Lähdön teho sähköautojen kanssa Nykyinen teho 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Älykäs lataus 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Keskijännitelähtö: - Huipputeho: 6.6 MW - Minimiteho: 4.0 MW - Sähköautojen määrä: 2000 - Ajomatka: 57 km/auto,päivä - Kulutus: 0.2 kwh/km - Latausenergia: 11.5 kwh/auto,päivä 22.9 MWh/päivä/kaikki autot - Latausteho: 3.6 kw/auto - Verkon huipputeho muutos: 0 3.5 MW (riippuu latausmenetelmästä) - Ladattava energia on sama kaikissa latausmenetelmissä Lassila, Kaipia, Haakana, Partanen, European Conference: Smart Grids and Mobility. Würzburg, Germany. June 16th - 17th, 2009 5.11.2013 27

Sähköautojen latausprofiileja; esimerkkiverkko (maaseutu) 4.0 3.5 3.0 2.5 Lataus yöaikaan klo 22 alkaen 4.0 3.5 3.0 2.5 Hajautettu yölataus Keskijännitelähtö: - Huipputeho: 1,25 MW - Minimiteho: 0,75 MW Peak power [MW] 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 4.0 3.5 3.0 2.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Lataus töihin tullessa ja kotiin mennessä 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 4.0 3.5 3.0 2.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Älykäs lataus - Sähköautojen määrä: 750 - Ajomatka: 57 km/auto,päivä - Kulutus: 0.2 kwh/km - Latausenergia: 11.5 kwh/auto,päivä 8.6 MWh/päivä/kaikki autot - Latausteho: 3.6 kw/auto - Verkon huipputeho muutos: 0 1.7 MW (riippuu latausmenetelmästä) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 - Ladattava energia on sama kaikissa latausmenetelmissä Lassila, Kaipia, Haakana, Partanen, European Conference: Smart Grids and Mobility. Würzburg, Germany. June 16th - 17th, 2009 5.11.2013 28

Verkkoyhtiön koko verkko sähköautojen vaikutus investointeihin Jälleenhankintahinta: 50 M ( 2.9 M /a, kun p = 5 % and t = 40 a) Vuosienergia: 200 GWh/a Verkon arvo siirrettyä energiayksikköä kohti 1.46 snt/kwh (nykyisin) Sähköautojen vaatima latausenergia + 46 GWh/a (11 000 autoa, 20 900 km/auto,a and 0.2 kwh/km) Latausmenetelmästä riippuen verkossa tarvittavat lisäinvestoinnit (muuntajat, johdot) ovat 0 20 M (0 1 060 k /a). Uusi verkon arvo olisi 1.18 1.66 snt/kwh riippuen sähköautojen lataustavasta Lassila, Kaipia, Haakana, Partanen, European Conference: Smart Grids and Mobility. Würzburg, Germany. June 16th - 17th, 2009 5.11.2013 29

Energiankulutus Suomessa vuonna 2050 140 % Energian loppukäyttö 120 % 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % 2007 2050 BAU 2050 Visio Muut Kaukolämpö Sähkö o o o Energian kulutus vähentyy Sähkön osuus energian loppukäytöstä kasvaa nykyisestä 28 %:sta 42 %:iin o osa sähköstä tuotetaan käyttöpaikan läheisyydessä Kaukolämmön osuus pysyy samana (10 %), vaikka lämmöntarve rakennuksissa pienentyy 5.11.2013 30

Suunnitteluprosessi Omistajapolitiikka Toimintaympäristön kehitys Verkostostrategia Toimintaperiaatteet Kuormitusennusteet Yleissuunnittelu Käytettävä tekniikka Regulaatio Laskentaparametrit Kehittämisen pääsuuntaviivat Alueverkko, sähköasemat, runkojohdot, automaatio ja niiden alustava ajoitus Investointisuunnittelu Vuotuiset investointiohjelmat 5.11.2013 31

Verkostostrategia Millä tekniikalla ja suunnitteluperusteilla verkkoa kehitetään jakelujärjestelmässä käytettävät jännitetasot rakenteet ja komponentit suunnittelun reunaehdot: jännitteenalenema, vikavirtakestoisuudet talouslaskennan perusparametrit: häviöiden hinnat, korko, pitoajat keskeytyskustannuslaskennan parametrit mitoitustehojen perusteet: normaali tilanne, häiriötilanteet verkon käytettävyysvaatimukset: mitoitusviat suunnittelujakson pituus kuormitusennusteet 5.11.2013 32

Jännitetasot 110/20/0.4 kv jakelujärjestelmä käytössä Suomessa Jonkin verran 10 kv verkkoja kaupungeissa ja 45 kv johtoja maaseudulla siirtojännitteenä Jännitetason valinta on harvoin esille tuleva kysymys Tyypillisiä kysymyksiä luovutaanko 10 kv keskijännitteestä luovutaanko 45 kv jännitteestä nostetaanko 20 kv keskijännitettä, esim. 30 kv käytetäänkö 1 kv pienjännitettä 5.11.2013 33

Jännitetasot Pigeon-johdon siirtokyky eri jännitetasoilla. Jännitetaso kv 10 20 30 a b c MW km % 6,2 12,4 18,6 2,5 10 22,5 100 25 11 a) Terminen kuormitettavuus b) Suurin mahdollinen siirtoetäisyys pistekuormalle 3 MW, cos = 0,9, kun sallittu jännitteenalenema on 4 % c) Pituusyksikköä kohti syntyvät häviöt samalla kuormituksella, kun merkitään 10 kv johdolla syntyviä häviöitä 100 %:lla 5.11.2013 34

Jännitetason nostamisen seurauksia, esim. 20 kv -> 30 kv Lisää siirtokapasiteettia, pienempi kuormitusvirta Pienemmät häviöt Pienemmät jännitteenalenemat Vähemmän sähköasemia Suuremmat maasulkuvirrat keskijänniteverkossa (johtopituus/päämuuntaja kasvaa) Käyttövarmuus heikkenee, enemmän johtokm/katkaisija Kalliimmat verkkokomponentit 5.11.2013 35

Tähtipisteen maadoittaminen, maasulkuvirran kompensointi Saavutetaanko maadoitusjännitevaatimukset maasta erotetussa verkossa Onko taloudellista vähentää avojohtojen jälleenkytkentöjä kompensointia käyttämällä Käytetäänkö keskitettyä vai hajautettua kompensointia Millä tavoin tilanne muuttuu verkon kehittymisen myötä, kun kaapeloinnin osuus todennäköisesti tulee kasvamaan 5.11.2013 36

Käytettävät rakenteet, yksikkökoot ja hinnat Sähköasematyypit päämuuntajien määrä kiskostotyyppi Päämuuntajakoot korvattavuus, maasulkuvirrat Avojohtojen, PAS-johtojen ja kaapeleiden käyttö käyttöalueet, ympäristökysymykset poikkipintasarja; montako vaihtoehtoa? johdinvaihtojen tyypit Hinnoittelu yksikköhinnat käyttöikä 5.11.2013 37

Suunnittelussa käytettävät tekniset reunaehdot Jännitteenalenema keskijänniteverkossa kyseessä jako pj- ja kj-verkon kesken, alaraja 207 V ei tiukkaa reunaehtoa, esim. 6 % sähköasema- ja lähtökohtainen tarkastelu tarvittaessa pienjänniteverkko mukaan tarkasteluihin Häiriötilanteissa sallittava suurin jännitteenalenema Oikosulkukestoisuus, periaatteessa tiukka raja, mutta muistettava laskennan epätarkkuudet Keskeytysten maksimimäärä ja kesto, tarvitaanko reunaehtoja? U U n / % sähköasema 105 100 20 kv jakelumuuntaja asiakas 0,4 kv 95 90 5.11.2013 38

Käyttövarmuusanalyysien perusteita 5.11.2013 39

Käyttövarmuusanalyysit 1. Tilastollinen käyttövarmuus, keskeytyskustannukset. lasketaan luotettavuuslaskennan menetelmin vaatii hyvät lähtötiedot 2. Yksittäisten vakavien vikatapausten analysointi, esimerkiksi sähköasemaviat 3. Harvoin esiintyvät suurhäiriöt, varautumissuunnitelmat 4. Toimitusvarmuuskriteeristö 5.11.2013 40

Keskeytyskustannusparametrit tilastollisessa analyysissä Vikataajuudet verkko (avojohdot, kaapelit, PAS-johdot), jakelumuuntajat vikakeskeytykset, työkeskeytykset, jälleenkytkennät alueittain; sähköasemittain, lähdöittäin Vikojen erotus- ja korjausajat etenkin todellinen ero käsin ohjauksen ja kauko-ohjauksen välillä tärkeä Keskeytysteho = keskiteho Keskeytyksestä aiheutuneen haitan arvo (KAH-hinnat) asiakasryhmittäin toimittamatta jääneen sähkön hinta yhtiölle aiheutuvat kustannukset 5.11.2013 41

KAH-hinnat keskeytyskustannusten laskennassa Vikakeskeytys Työkeskeytys PJK AJK Asiakasryhmä /kw /kwh /kw /kwh /kw /kw Kotitalous 0,36 4,29 0,19 2,21 0,11 0,48 Maatalous 0,45 9,38 0,23 4,8 0,2 0,62 Julkinen 1,89 15,08 1,33 7,35 1,49 2,34 Palvelu 2,65 29,89 0,22 22,82 1,31 2,44 Teollisuus 3,52 24,45 1,38 11,47 2,19 2,87 Painotettu keskiarvo 1,1 11 0,5 6,8 0,55 1,1 Esimerkki: 1 tunnin vika keskijännitejohdolla, jossa 500 asiakasta, teho 1500 kw Keskeytyskustannus 1,1*1500 + 11*1500 = 18 150 5.11.2013 42

Yksittäiset vakavat vikatilanteet Mitoitusviat Lyhyt- ja pitkäaikaiset viat kj-runkojohdon vioittuminen,100 % korvaus päämuuntajan vioittuminen,100 % korvaus kiskoston vioittuminen, x % korvaus koko sähköaseman vioittuminen, x % 110 kv verkon vioittuminen, y % (useita sähköasemia) Riittääkö N-1 tapauksen (yksi vika) tarkastelu Mitkä ovat mahdollisuudet tilapäiskytkentöihin pitkäaikaisissa vioissa Riskianalyysi kaikille kriittisille kohteille (sähköasemat) 5.11.2013 43

Yksittäiset vakavat vikatilanteet Huipputehon toimitusmäärä häiriötilanteissa Häiriötilanteiden aikaiset varatehovaatimukset keskeinen verkon kehittämistä ohjaava tekijä Onko varauduttava aina ja kaikissa tilanteissa 100 % huipputehon toimitukseen Riskinottomahdollisuudet - suuri säästö, pieni todennäköisyys toimituskatkoksia asiakkaiden kyky joustaa poikkeustilanteissa 5.11.2013 44

Suurhäiriöt Gudrun storm in January 2005 in south Sweden 341 000 households without electricity (25 000 after two weeks) Amount of three-year logging in whole country in one night From forest owner to landowner in one night 5.11.2013 45

Kesän 2010 suurhäiriöt, Parikkalan Valon tiedote 23.8.2010 Tiedote 23.8.2010 klo 9:00 29.7- ASTA- JA VEERA-MYRSKYJEN AIHEUTTAMAT SÄHKÖKATKOT 20 kv-runkolinjat ovat kunnossa lukuunottamatta Punasvaaran aluetta, jossa korjaukset tehdään loppuviikosta. Tällä viikolla keskitymme täysipainoisesti pienjännitevikojen korjaamiseen johto/talous kerrallaan Korjaustyöt etenevät jatkossa seuraavasti : maatilat, liikeyritykset ja viranomaiset, vakinaiset asuinkiinteistöt ja lopuksi vapaa-ajan kiinteistöt. Ennen sähköjen kytkemistä voidaan joutua uusimaan rikkoutuneita pylväitä sekä tarkistamaan kiinteistöön menevät sähköjohdot, jotta sähkön toimitus olisi turvallista. Korjaustöiden aikana voi esiintyä sähkökatkoja. Pienjännitevikoja korjataan tänään seuraavilla alueilla : Simpele, Torsanpää, Marjamäki, Kontunen, Melkoniemi, Kaljusenkylä, Pitkäjärvi, Kaljula, Kalpiala, Torsansalo, Korhosenkylä ja Rannankylä. Saukonsaari, Puhakka, Pietolansaari, Vuoriniemi, Kurkiniemi-alueilla korjaustyöt käynnistyvät tiistaina. 5.11.2013 46 46

Astamyrskyn jälkiä 29-30.7.2010 Kohde 5 Kohde 4 Kohde 3 Kohde 2 Kohde 1 5.11.2013 47

Kohde 1: Pylväsmuuntamo tienläheisyydessä 5.11.2013 48

Kohde 2: Johto pikkutien reunassa 5.11.2013 49

Kohde 3: Valtatien reuna 5.11.2013 50

Kohde 4: Kylätien laidassa uudehko PAS-johto 5.11.2013 51

Kohde 5: Pikkutien reunassa uudehko PAS-linja 5.11.2013 52

Toimitusvarmuuskriteeristö - tavoitteet Määrittää tavoitetasot verkoston suunnittelukriteeristö seuraaville tunnusluvuille asiakkaan vuoden aikana kokemien vikakeskeytysten kokonaiskesto, h/a asiakkaan kokemien lyhyiden keskeytysten lukumäärät, kpl/a 5.11.2013 53

Toimitusvarmuuskriteeristö - periaatteita/lähtökohtia toimitusvarmuuskriteerit ovat ensisijaisesti verkkoyhtiön suunnittelukriteeri, jonka pohjalta verkkoyhtiöt voivat halutessaan laatia omat asiakaslupauksensa verkkoyhtiö päättää itse omat tavoitearvonsa johdonmukaisuus viranomaisten valvontajärjestelmien kanssa, ei päällekkäinen tai ristiriitainen koskee jakeluverkoissa (sähköasemat, kj-verkko, pj-verkko) tapahtuneiden vikojen aiheuttamia keskeytyksiä 3 vuoden aikajaksolla sallitaan ylitys yhtenä vuonna aluejaottelu; city, taajama, maaseutu verkkoyhtiö päättää kunkin liityntäpisteen alueluokittelun käyttäen pohjatietona CLC-aineiston määrittelyjä siirtymäaika 2012 2030, tavoitearvot koskevat vuotta 2030 5.11.2013 54

Toimitusvarmuuskriteeristö Toimitusvarmuuden tavoitetaso cityssä Kokonaiskeskeytysaika: Lyhyiden keskeytysten (< 3 min) määrä: Enintään 1 tunti vuodessa Ei lyhyitä katkoja Toimitusvarmuuden tavoitetaso taajamissa Kokonaiskeskeytysaika: Enintään 3 tuntia vuodessa Lyhyiden keskeytysten (< 3 min) määrä: Enintään 10 kpl vuodessa Toimitusvarmuuden tavoitetaso maaseudulla Kokonaiskeskeytysaika: Enintään 6 tuntia vuodessa Lyhyiden keskeytysten (< 3 min) määrä: Enintään 60 kpl vuodessa 5.11.2013 55

Toimitusvarmuus Sähkömarkkinalaki, 1.9.2013 Sähkömarkkinalain mukaan jakeluverkko on suunniteltava, rakennettava ja ylläpidettävä siten, että jakeluverkon vikaantuminen myrskyn tai lumikuorman seurauksena ei aiheuta asemakaavaalueella asiakkaalle yli 6 tuntia kestävää sähkönjakelun keskeytystä eikä muulla alueella asiakkaalle yli 36 tuntia kestävää sähkönjakelun keskeytystä. Jakeluverkonhaltijan on täytettävä vaatimukset vastuualueellaan 15 vuoden kuluttua lain voimaantulosta eli viimeistään 31.12.2028 mennessä. Vaatimusten täytäntöönpano olisi toteutettava siten, että vaatimukset täyttyisivät viimeistään 31.12.2019 mennessä vähintään [50] prosentilla jakeluverkonhaltijan asiakkaista ja viimeistään 31.12.2023 mennessä vähintään [75] prosentilla asiakkaista. Edellä oleva tavoite on suunnittelukriteeri. Jakeluverkonhaltijoiden on toimitettava suunnitelmat EMV:lle, joka hyväksyy suunnitelmat ja valvoo niiden toteuttamista. Keskeisiä kysymyksiä; millaiseen myrskyyn tulee varautua, millainen verkkorakenne on suurhäiriövarma (kaaopeli, ilmajohto avoimella paikalla)

Laskentaparametrien määritys 5.11.2013 57

Korko Reaalikorko (inflaatio huomioiden) Pitkän aikavälin riskittömän sijoituksen reaalituotto riskittömän rahan hinta Korolla merkittävä vaikutus taloudellisin perustein tapahtuvaan suunnitteluun 5.11.2013 58

Korko Korkea korko käyttökustannusten merkitys vähenee suuret käyttökustannukset kaukana tulevaisuudessa tapahtuvien investointien merkitys kokonaiskustannuksissa vähenee väliaikaisinvestointeja Matala korko edellä mainitut asiat toisinpäin enemmän suuria perusinvestointeja Onko erilaisilla investoinneilla eri korko? Onko riski-investointeja? 5.11.2013 59

Suunnittelun tavoitteet ja perusteet - esimerkki Tarkastellaan kahta keskijänniteverkon (20 kv) johtolähtöä, jotka syöttävät kulutuskeskittymiä A, B ja C. Kuvassa on esitetty vain kyseisten johtolähtöjen runkojohdot. Mainitut kulutuskeskittymät on kuvattu kukin yhdellä kulutuspisteellä, joiden kuormitukset alkutilanteessa ovat: A : 2,1 MVA, B : 5,3 MVA, C : 1,8 MVA Raven 18,5 km A 110/20 kv 16 MVA Pigeon 4,5 km uusi Sähköasema Raven 8,3 km B Kuormitusten oletetaan kasvavan 3 % vuodessa. Tämän seurauksena jännitteenalenemaraja (6 %) ylittyy molemmilla lähdöillä viimeistään tarkasteluajanjakson kolmantena vuotena. Verkon jännitetilannetta voidaan parantaa joko johdinvaihdoin tai rakentamalla uusi sähköasema. Uusi sähköasema syöttää kulutuspistettä C sekä valtaosaa kulutuspisteen A kuormituksesta. C 5.11.2013 60

Suunnittelun tavoitteet ja perusteet - esimerkki Verkon vahvistamiseksi on olemassa seuraavat vaihtoehdot: 1. Vahvistetaan verkkoa johdinvaihdoin aina tarvittaessa. Johdinvaihtoja tarvitaan tarkasteluaikana (20 vuotta) kaikkiaan noin 0,57 M arvosta. Kun kaikki runkojohdot vahvistetaan poikkipintaan Al 132, voidaan sähköaseman rakentaminen lykätä lähes tarkasteluajanjakson loppuun. Sähköaseman kustannukset ovat 1,16 M. 2. Vahvistetaan verkkoa johdinvaihdoin, kunnes kaikkien runkojohtojen johtimet on vaihdettu kerran (aina seuraavaksi suurempaan poikkipintaan). Johdinvaihtojen kokonaiskustannukset ovat tällöin 0,27 M. Sähköasema on tässä vaihtoehdossa rakennettava jo 14 vuoden kuluttua. 3. Rakennetaan sähköasema jo tarkasteluajanjakson toisena vuonna, jolloin ei tarvita lainkaan johdinvaihtoja. Tavoitteena on minimoida tarkasteluajanjaksolta diskontatut kokonaiskustannukset. 5.11.2013 61

Suunnittelun tavoitteet ja perusteet - esimerkki K / k 1400 1300 1200 3 1100 1000 900 800 700 2 1 600 500 0 0 4 5 6 7 8 9 10 p / % Esimerkin eri vaihtoehtojen kokonaiskustannusten nykyarvot laskentakoron funktiona. 5.11.2013 62

Investointien käyttöaika - takaisinmaksuaika Investointien käyttöajalla merkittävä vaikutus mitoitukseen Lyhyt käyttöaika (< 5 a) investointien annuiteetti eli vuotuiserä suuri käyttökustannusten merkitys lähes merkityksetön Verkon perusinvestoinneilla pitkä todellinen käyttöaika (20 40 a) Verkon väliaikaisinvestoinnit lyhyt käyttöaika (2 10 a) Verkon riski-investoinnit lyhyt käyttöaika (2 10 a) Automaatti-investoinnit lyhyt käyttöaika (2 5 a) 5.11.2013 63

Investointien käyttöaika - takaisinmaksuaika Eri verkostokomponenttiryhmien teknistaloudellisia pitoaikoja. Komponenttiryhmä Pitoaika [a] Pylväsmuuntamot 25-40 Puistomuuntamot, kiinteistömuuntamot ja satelliittimuuntamot 30-40 Muuntajat 30-40 20 kv ilmajohdot 30-45 0,4 kv ilmajohdot 25-40 20 kv johtoerottimet, 20 kv kauko-ohjatut erotinasemat 25-30 20 kv maakaapelit (asennus) 30-45 0,4 kv maakaapelit (asennus) 30-45 Jakokaapit ja jonovarokekytkimet 30-40 45 kv puupylväsjohto 35-45 45 ja 110 kv puupylväsjohdot, yksi virtapiiri 35-50 45 ja 110 kv teräsristikkopylväsjohdot 35-60 45 ja 110 kv maakaapelit 30-40 Käytönvalvontajärjestelmä 5-10 Verkko- ja asiakastietojärjestelmä 5-10 Energiamittauslaitteet 15-25 Sähköasemat 110/20 kv muuntajat 30-45 45/20 kv sähköasemat 30-45 Sähköasemat 110 kv kentät 30-45 Sähköasemat 20 kv kojeistot 30-45 5.11.2013 64

Suunnittelun aikajänne Mikä on sopiva suunnittelujakson pituus? tarkka investointisuunnitelma 2 5 vuotta eteenpäin investointien käyttöikä kymmeniä vuosia suurta teknistä murrosta ei näköpiirissä kuormitusten ennustaminen kauas tulevaisuuteen vaikeaa investoinnit vaikuttavat vahvasti toisiinsa investointiketjut tyypillinen suunnittelujakso 15-20 vuotta Suunnittelun jaksotus (kuormitusennusteet) ensimmäinen jakso 3 5 vuotta 5.11.2013 65

Häviöiden arvostus Häviöt ovat todellinen kuluerä verkkotoiminnolle häviöt on itse ostettava. Häviöt hankitaan markkinoilta - sähkökaupan toimintaperiaatteiden mukaan hintakehitys epävarma haettava pitkän aikavälin arvostus, ei hetkellistä päivän spot-hintaa 5.11.2013 66

Häviöiden arvostus Periaatteessa useita hintakomponentteja teho, loisteho, energia häviöllä erilainen hinta eri aikoina Useita erilaisia käyttökohteita ja hintoja muuntajan tyhjäkäyntihäviöt sähköasema keskijänniteverkon runkojohdot jakelumuuntajat Pienjännitejohdot Häviöteho aiheuttaa lisähäviöitä siirtotiellään 5.11.2013 67

Kuormitusten laskenta - riskitaso Kuormitusten huipputeho on keskeisin mitoitukseen vaikuttava suure. Huipputehon määritys on siis tärkeä toiminto, mutta siihen liittyy aina paljon epävarmuutta. Suunnittelussa kiinnostaa tiettyä ylitystodennäköisyyttä a vastaava maksimiteho Pmax, joka voidaan laskea, kun tiedetään keskiteho ja hajonta P max P z a jos a = 1 %, on za = 2,3 (normaalijakaumasta) a = 5 %, on za = 1,6 a = 50 %, on za = 0 5.11.2013 68

Kuormitusten laskenta - riskitaso Kuormitusmalleihin liittyvä hajonta on suuri ja merkittävä, yleensä useita kymmeniä prosentteja keskitehosta. Keskijänniteverkon tehojen laskennassa hajonnan merkitys on melko vähäinen. Asiakkaita on aina paljon, jolloin hajonta suhteessa keskitehoon pienenee. Tällöin riskitason valinnalla ei ole merkittävää vaikutusta mitoitustehoon, sopiva valinta on esimerkiksi 95 % ylitystodennäköisyys - za = 1,6 Mitoituslämpötilan valinnalla on keskeinen vaikutus tehoihin (4 %/aste) Mikä valitaan mitoituslämpötilaksi? -30C, -40C? 5.11.2013 69

Suunnitteluperusteet, ympäristönäkökohtia Maisemansuojelu Kyllästetyt pylväät CCA- ja CC-kyllästeet ongelmajätettä kreosootti sallittu (vielä hetken?) Muuntajaöljyt pohjavesiongelma Kasvihuonekaasu SF 6 Melu kellarimuuntamot Magneettikentät 5.11.2013 70

Suunnitteluperusteet, ympäristönäkökohtia Maisemansuojelua rotkoa ei ylitetä syvimmältä kohdalta maanteiden ylitystä vältetään korkeissa paikoissa pitkiä johtonäkymiä vältetään pinnanmuodostuksen tarjoama tausta käytetään hyväksi. avojohdot sijoitetaan harjanteiden ja puiden taakse 5.11.2013 71

Suunnitteluperusteet, ympäristönäkökohtia Kasvihuonekaasu SF 6 kasvihuonevaikutus yhteensä noin + 33 o C vesihöyry, hiilidioksidi, otsoni, metaani, typpioksiduuli, freonit, tärkeimmät vaikuttajat rikkiheksafluoridi SF 6 Suomessa 70 tn sähkölaitteistoissa; vuotoa noin 200 kg/a 25000-kertainen kasvihuonevaikutus CO 2 :en verrattuna käyttöön voi tulla uusia rajoituksia 5.11.2013 72

Suunnitteluperusteet, ympäristönäkökohtia Magneettikentät magneettivuontiheys riippuu virrasta ja etäisyydestä yksittäinen johdin: 3-v-johto: r 2 pistemäinen: r 3 50 Hz magneettikentälle väestön suositusarvo on 100 µt, suosituksena tätä pienemmät arvot jakeluverkoissa vuontiheys 0,01 10 µt muuntamot, pj-keskukset esim. kiinteistömuuntamoissa kentänvoimakkuudet otettava huomioon 5.11.2013 73

Suunnitteluperusteet, standardisointi Mikä on standardi? standardi on toistuvaan tapaukseen tarkoitettu yhdenmukainen ratkaisu esimerkkejä: paperikoot (A4, A5), sulakkeet (25 A gg-tyyppi) standardilla pyritään varmistamaan turvallisuus ja yhteensopivuus 5.11.2013 74

Suunnitteluperusteet, standardisointi Mihin standardeja tarvitaan? yhteensopivuuden turvaamiseen turvallisuuden hallintaan laadun hallintaan viestinnän helpottamiseen lainsäädännön yksinkertaistamiseen suunnittelun helpottamiseen kansainvälisen kaupan helpottamiseen säästöjen aikaansaamiseen puolueettoman sertifioinnin ja testaamisen mahdollistamiseen 5.11.2013 75

Suunnitteluperusteet, standardisointi Standardisoimisorganisaatio Yleinen Televiestintä Maailma ISO ITU Eurooppa CEN ETSI Suomi Sähkötekniikka Viestintävirasto 5.11.2013 76

Suunnitteluperusteet, standardisointi International Electrotechnical Commission IEC perustyö tehdään täällä standardien lisäksi IEC julkaisee teknisiä raportteja (TR) ja julkisia eritelmiä (PAS) IEC:n jäsenenä on 62 kehittynyttä maata eri maanosista www.iec.ch 5.11.2013 77

Suunnitteluperusteet, standardisointi Direktiivit direktiiveillä esitetään EU:ssa vaatimukset, jotka kukin maa ottaa käyttöön lainsäädännössään uuden menettelyn (new approach) direktiiveissä annetaan vain olennaiset turvallisuusvaatimukset ei yksityiskohtia 5.11.2013 78

Suunnitteluperusteet, standardisointi Sähköalan suomalaisten standardien valmistelu lähes kaikki uudet suomalaiset standardit perustuvat CENELECin tai IEC:n standardeihin standardeista vain pieni osa julkaistaan suomenkielisenä kansallisten standardien käytöstä luovutaan ja otetaan tilalle kansainväliset ja eurooppalaiset 5.11.2013 79

Suunnitteluprosessi Omistajapolitiikka Toimintaympäristön kehitys Verkostostrategia Toimintaperiaatteet Kuormitusennusteet Yleissuunnittelu Käytettävä tekniikka Regulaatio Laskentaparametrit Kehittämisen pääsuuntaviivat Alueverkko, sähköasemat, runkojohdot, automaatio ja niiden alustava ajoitus Investointisuunnittelu Vuotuiset investointiohjelmat 5.11.2013 80

Suunnitteluperusteet, kuormitusennusteet Asiakasryhmien ominaiskulutukset kotitalouskäyttö, MWh/asiakas,a maatilat, MWh/asiakas,a sähkölämmitys, MWh/asiakas,a uudet asunnot olemassa olevat asunnot kesäasunnot, MWh/asiakas,a palvelu, MWh/työpaikka,a,MWh/m²,a julkinen hallinto, _MWh/työpaikka,a,MWh/m²,a pk-teollisuus, _MWh/työpaikka,a,MWh/m²,a suuret pistekuormat, MVA Ominaiskulutusennusteet nykytaso ja historiakehitys _asiakastietojärjestelmän tietojen _avulla alueittain (kunnittain) kasvuennusteet valtakunnalisten _ennusteiden mukaisesti KTM, ym. Asiakasryhmien kehitysennusteet maakunnan ja kuntien _kehitysennusteista oma kokemus ja harkinta 5.11.2013 81