Erkki Antila 28.1.2008 1 INFORMAATIOTEKNIIKKA SÄHKÖVOIMAJÄRJESTELMISSÄ Virkaanastujaisesitelmä 28.1.2008 Herra rehtori, arvoisat professorit, hyvät naiset ja herrat! Sähkö on nykyajan ihmisille itsestäänselvyys, eikä jokamies tule edes ajatelleeksi minkälainen teknillinen järjestelmä tarvitaan ennen kuin energia on tuotu pistorasiaan saakka. Tämän asian pohtiminen onkin jätetty sähköinsinöörien huoleksi, ja hyvä näin, sillä sähköverkko on kaikkein laajin ihmisen tekemä luomus, joka kehittyneissä maissa ulottuu käytännössä joka paikkaan. Seuraava kuva havainnollistaa sähkövoimajärjestelmän rakennetta. Sähkövoimajärjestelmässä on tyypillisesti neljä eritasoista verkkoa, jotka kattavat saman maantieteellisen alueen. Suurimmat voimalaitokset on liitetty suoraan korkeimpaan jännitetasoon, jota kutsutaan siirtoverkoksi ja jossa ne käyvät keskenään tahdistettuina. Alemmat jännitetasot vastaavat sähkön jakelusta kuluttajille. Sähkövoimajärjestelmä 25 kv pj-verkko 0,4 kv Siirtoverkko 400 kv Alueverkko 110 kv Sähköasema 400/110 kv Sähköasema 110/ pj-verkko 0,4 kv Sähkövoimajärjestelmän perusrakenne on kehittynyt nykyiseen muotoonsa jo 1900-luvun alkupuolella. Se mikä on muuttunut, on välitetyn energian määrä ja järjestelmän ohjaukseen käytetty tekniikka. Energiasta mainittakoon, että kun Suomen suurin vesivoimalaitos Imatralla otettiin käyttöön 20-luvun lopulla, uskottiin että se tuottaisi kaiken tarvittavan sähkön hamaan tulevaisuuteen asti. Tänä päivänä Imatra tuottaa enää vajaat puolitoista prosenttia valtakunnan koko sähköntarpeesta. Järjestelmän ohjaus ja hallinta on kuitenkin se ongelma, joka jo alusta lähtien on asettanut insinöörien kekseliäisyyden kovimmalle koetukselle. Ensinnäkin, koska sähkövoimaa ei riittävässä määrin voi varastoida, on tuotannon ja kulutuksen oltava koko ajan tasapainossa. Poikkeama tasapainosta johtaa jo muutamassa sekunnissa taajuuden muutokseen joka voi romahduttaa voimalaitosten yhteiskäytön saaden aikaan laajamittaisen sähköntoimituksen
Erkki Antila 28.1.2008 2 katkoksen. Alkuperäinen ratkaisu tasapainoongelmaan on jo James Wattin aikanaan höyrykonettaan varten kehittämä keskipakoissäätäjä. Säätäjässä voimakoneen akselin pyörimisnopeus vaikuttaa suoraan höyryventtiilin karaan ja pyrkii siten lisäämään tai vähentämään voiman tuotantoa jotta tasapainon poikkeamat saadaan korjattua. Suurissa voimajärjestelmissä tasapainon säätö hoidetaan siten, että valtaosaa voimalaitoksista ajetaan ennalta lasketun, kuormitusennusteisiin perustuvan suunnitelman mukaan, ja ennustevirheistä johtuvat poikkeamat korjataan muutamalla taajuudensäätöön osallistuvalla voimalaitoksella. Toinen keskeinen ongelma on sähköverkon viat. Rakennettiinpa kuinka hyvä verkko tahansa, esiintyy siinä aina vikoja mm. salamaniskujen, lumikuorman, tai eläinten ja ihmisten tuottamuksen takia. Viat vaurioittavat sähköverkkoa ja aiheuttavat vaaraa ympäristölle. Sähköverkon vikoja Valokaarivika :n avojohdolla Maasulkuvika :n johdolla POHJALAINEN VAASASSA PERJANTAINA 25. TAMMIKUUTA 2008 Jatkuessaan vika laajenee ja johtaa häiriön leviämiseen. Tämän takia sähköverkon viat on kytkettävä irti muusta verkosta valikoivasti ja nopeasti, tyypillisesti Sähkömekaaniset suojareleet muutamassa sekunnin kymmenesosassa. Päätöksen irtikytkennästä tekee suojarele. Aikojen alussa tämä oli sähkömekaaninen laite, jossa epänormaali jännite tai virta indusoi mekaanisen liikkeen metallilevyyn, saaden aikaan kosketintoiminnon, joka edelleen ohjasi sähköverkon katkaisijaa. Tällaisia sähkömekaanisia suojareleitä on sähköyhtiöissä käytössä jopa vielä tänäkin päivänä. Toisaalta se johtuu sähkövoima-alan konservatiivisuudesta, toisaalta siitä että sähköverkon komponentit suunnitellaan ja rakennetaan hyvin pitkäikäisiksi. Erään valmistajan testien perusteella vielä 30 vuoden käytön jälkeen yli 99 % releistä toimii moitteettomasti.
Erkki Antila 28.1.2008 3 Kolmas keskeinen sähkövoimajärjestelmän ohjauksen ja hallinnan ongelma on se, että verkon on selvittävä käytön häiriintymättä paitsi vioista, myös Pohjoismainen yhteiskäyttöverkko erilaisista ääritilanteista kuten suurimpien voimalaitosten äkillisistä alasajoista tai poikkeuksellisen suurista kuormituksista. Jälkimmäisestä on saatu käytännön tuntumaa Pohjois- Suomessa talven ennätyspakkasten aikana. Koska sähköverkot ovat hyvin laajoja, on käyttövarmuuden ylläpito hyvin monitahoinen tehtävä. Vielä 60-luvulla sähköverkkojen teknillinen toimivuus varmistettiin analogisen verkkomallin avulla. Tämä oli pienoismittakaavaan rakennettu sähköteknisesti täydellinen kopio todellisesta voimajärjestelmästä, toteutettuna jännitelähteillä, keloilla, kondensaattoreilla ja resistansseilla. Nykyään tehtävä hoidetaan täysin tietojärjestelmien avulla, ja siirtoverkkojen hallintaan liittyvä laskenta ja analysointi ovat kehittyneet jo omaksi tieteenlajikseen. Olen edellä käynyt läpi sähkövoimajärjestelmän ohjauksen ja hallinnan perusongelmia. Kuinka nämä asiat sitten liittyvät nykyaikaiseen informaatiotekniikkaan? Voimalaitosten tehonsäätö perustuu edelleenkin taajuuden mittaamiseen, vaikka se toteutetaan nykyisin prosessiautomaatiojärjestelmän avulla. Myös suojareleiden perusratkaisut hyödyntävät edelleen samoja sähköisiä ilmiöitä, mutta niiden toiminta perustuu suurimmalta osin mikroprosessoreiden käyttöön. Tällaiset numeeriset releet laskennallisine algoritmeineen ovat tuoneet uusia mahdollisuuksia paitsi suojausratkaisujen kehittämiseen, myös mittaustiedon keräämiseen ja verkon kauko-ohjaukseen. Suurin muutos on ehkä tapahtunut sähköverkon mitoitukseen ja käyttövarmuuteen liittyvän hallinnan kohdalla. Sinänsä toimivat, mutta työläät, analogiset verkkomallit korvattiin tietokonelaskennalla heti, kun se oli mahdollista 60-luvun alussa. Tuolloin laskenta tehtiin eräajopohjaisesti, mutta tiedonsiirtotekniikan kehityttyä alettiin 70-luvulla kehittää reaaliaikaista kaukokäyttöä aluksi keskeisille sähköasemille ja myöhemmin myös pienemmille voimalaitoksille. Kaukokäyttö oli alkuvaiheessa mittauksien kaukoluentaa ja erilaisia painonappi-
Erkki Antila 28.1.2008 4 kauko-ohjauksia, mutta vähitellen alettiin soveltaa verkostolaskennan keinoja myös tosiaikaiseen verkon seurantaan. Liikkeelle lähdettäessä tietotekniikkaa sovellettiin sen kalleutensa vuoksi vain siirtoverkkoihin, mutta jo 80-luvulle tultaessa verkostolaskentaa ryhdyttiin laajasti käyttämään myös jakeluyhtiöissä. Niinpä 80-luvun lopussa oltiin tilanteessa, että jakeluyhtiöillä oli useita tietojärjestelmiä, jotka vastasivat verkoston kaukokäytöstä, verkkotietojen ylläpidosta ja verkostosuunnittelusta sekä asiakastietojen hallinnasta. Vuosikymmenen mittaan tietojärjestelmiä kehitettiin tosiaikaisemmiksi ja niihin liitettiin uusia verkon käyttöä avustavia toimintoja. Alettiin puhua sähkölaitosautomaatiosta. Oltiin tultu tilanteeseen, jossa sähköyhtiöt olivat tietotekniikan käyttäjäryhmistä toiseksi suurin, heti pankkien jälkeen. Minkälaisia nämä uudet sähkölaitosautomaation toiminnot sitten ovat. Otetaan muutama esimerkki. Jakeluverkon vikojen paikallistaminen on perinteisesti tehty jakamalla verkkojohto osiin ja kokeilemalla päälle jännitettä. Mikäli vika on käsiteltävässä verkon osassa, laukaisee suojarele syöttävän katkaisijan. Menetelmä on työläs ja aiheuttaa turhaa rasitusta sekä sähköverkolle, että siihen liitetyille kuormille. Tekniikka on myös hidas, sillä jakelujohdon pituus on tyypillisesti useita kymmeniä kilometrejä. Yhdistämällä suojareleiden mittaama tieto verkostolaskentaan voidaan useimmat viat paikantaa laskennallisesti jopa muutaman sadan metrin tarkkuudella. Seuraavassa kuvassa on esimerkki tällaisesta vian paikannuksesta Savon Voima Oy:n Vian paikannus ja rajaus jakeluverkossa. Mahdolliset vikapaikat on korostettu. Koska laskennallisin keinoin voidaan arvioida vain vian etäisyys, antaa tietojärjestelmä myös useita, verkon eri haaroissa sijaitsevia, mahdollisia vikapaikkoja. Oikea vikapaikka voidaan haarukoida näiden joukosta johdon risteyskohtiin asennettujen kaukoluettavien vikailmaisimien avulla. Vikojen selvittelyä voidaan nopeuttaa myös saattamalla verkon varrella olevista kytkimistä tärkeimmät kauko-ohjauksen piiriin. Kytkimien kauko-ohjaus mahdollistaa myös täydellisemmän tekniikan, jossa vika erotetaan verkosta ja verkon terveet osat palautetaan syötön piiriin täysin automaattisesti ilman että käyttöhenkilöstön tarvitsee osallistua prosessiin.
Erkki Antila 28.1.2008 5 Ensimmäiset tällaiset automatiikat olivat kiinteästi ohjelmoituja sekvenssejä, jotka käynnistettiin johdon syöttökatkaisijan lauettua vian seurauksena. Uusimman sukupolven ratkaisut analysoivat verkon tosiaikaisen tilan, soveltavat useita toisiaan täydentäviä vianpaikannustekniikoita sekä pystyvät tarkistamaan verkon käytön teknilliset reunaehdot ennen kytkentöjä. Kuvailemani vianselvitysautomatiikka edustaa sähköverkon automaation tämän päivän parasta tasoa. Olemme kuitenkin vasta alussa: sähköyhtiöiden erillisiä toimintoja automatisoidaan, mutta itse voimajärjestelmä toimintoineen ei ole muuttunut miksikään, vaan on perusratkaisultaan samanlainen kuin liki 100 vuotta sitten. Tilanne on karkeasti yleistäen samanlainen kuin ensimmäisten polkupyörien tullessa käyttöön. Ensivaiheessaan ne muistuttivat enemmän hevosta kuin meidän aikamme polkupyörää. Tällä vertauksella haluan sanoa, että sähkövoimajärjestelmien perustavaa laatua oleva informaatiotekniikan vallankumous on vielä edessä. On nähtävissä useita tekijöitä, jotka ajavat informaatiotekniikan laajamittaisempaa soveltamista myös voimajärjestelmiin. Suurin näistä tekijöistä on sähkömarkkinoiden vapautuminen. Aikaisemmin sähköyhtiölle riitti jakelualueensa kokonaismittaus, jonka käsittely ei sekään ollut kovin aikakriittistä. Sähkömarkkinoiden vapauduttua kuluttajat saavat vapaasti ostaa sähköenergiansa mistä haluavat. Verkkoyhtiön vastuulle jää huolehtia tuntitasolla siitä, että energiamäärät kirjautuvat oikeille toimittajille. Tällainen menettely johtaa merkittävään mittaustiedon lisäykseen, sekä vastaavaan tiedonsiirron ja tietojenkäsittelyn määrän kasvuun. Kuluttajan ja sähköyhtiön välisen tiedonsiirron käyttöönotto avaa myös mahdollisuuden sähkönkäytön ohjaukseen. Emme enää olekaan tilanteessa, jossa voimalaitoksia on ajettava sitä mukaa kuin sähköä sattuu kulumaan, vaan voimajärjestelmän hallintaa ja käytön optimointia voidaan soveltaa myös kulutuspäähän. Myös ympäristöongelmien korostuminen lisää paineita tällaiseen energiajärjestelmän kokonaisoptimointiin. Producer A Trader x AIM Transmission Distribution area a Customer 1 Customer 2 Energiankulutus Suomessa Trader y Producer B Distribution area b Customer 3 Network AMR
Erkki Antila 28.1.2008 6 Toinen suuri kehitystekijä on tietojenkäsittelyn ja varsinkin tiedonsiirtotekniikan suorituskyvyn ja kustannustason voimakas kehittyminen. Lähivuosina on taloudellisesti perusteltua soveltaa reaaliaikaista automaatiota ja kauko-ohjausta paitsi suurjännitteisille sähköasemille ja jakeluverkon keskeisimmille kytkimille, myös voimajärjestelmän alemmille tasoille läpi koko järjestelmän aina kuluttajalle saakka. Tällainen automaatio tulee avaamaan aivan uudenlaisia mahdollisuuksia sähköverkkojen kapasiteetin tehokkaalle käytölle, joka perustuu sekä verkon teknillisen tilan huomattavasti parempaan tuntemukseen, että mahdollisuuteen ohjaustekniikan avulla välttää ylikuormitustilanteita. Toisaalta kehitys voi hyvinkin lyhyellä varoitusajalla johtaa siihen, että tällainen joustava verkon käyttö tulee jopa välttämättömäksi. Tähän saattaa johtaa sähkömarkkinauudistus, joka on tehnyt pienimuotoisen sähköntuotannon liittämisen jakeluverkkoon mahdolliseksi. Euroopassa on jo kehitetty tekniikoita, joissa kiinteistön lämpökeskukseen on integroitu pieni sähkövoimalaitos. Toinen suuri kysymysmerkki on sähköauto, jonka akkujen lataaminen tulee muuttamaan jakeluverkkojen käyttö- ja mitoituskriteereitä enemmän kuin ehkä vielä uskommekaan. Sähkövoimajärjestelmä on siis informaatiotekniikan vallankumouksen kynnyksellä. Tunnusomaista tulevalle vallankumoukselle on paitsi tietotekniikan laajamittainen soveltaminen, myös se, että voimajärjestelmän rakenne muuttuu, sen käyttöperiaatteet muuttuvat, ja lopulta myös itse voimajärjestelmän komponentitkin muuttuvat. Esimerkkinä voimajärjestelmän rakenteen muuttumisesta otan voimalaitoksen suurjänniteverkon. Vasemman puoleisessa kuvassa on perinteinen ratkaisu, jossa verkon ohjaus on tehty keskitetysti. Uuden tekniikan ansiosta voidaan ohjaus hajauttaa suoraan käyttökohteeseen, jolloin yhteisestä sähkökeskuksesta voidaan luopua. Verkon johtopituus jää tällöin myös huomattavasti pienemmäksi ja säästö Voimalaitoksen suurjänniteverkko Keskitetty ratkaisu Hajautettu ratkaisu Lähde on: Decentralised electrical distribution network in power plants Mannila, Pekka; Lehtonen, Matti 2000. VTT, Espoo. 29 p. + app. 4 p VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes : 2016
Erkki Antila 28.1.2008 7 rakennuskustannuksissa on jopa 80%. Verkon ohjaukseen ja hallintaan käytetyistä komponenteista mikroprosessori- ja tietotekniikan ansiosta voimakkaimmin kehittynyt komponentti on suojarele. Miltä sitten näyttää suojarele nykyään. Uusimman sukupolven releet ovat täysin VAASALAISTA OSAAMISTA ohjelmoitavia ja kommunikointikykyisiä Uuden sukupolven suojareleitä tietokoneita, joissa erityyppiset suojaustoiminnot ja muut ominaisuudet toteutetaan lataamalla releeseen erilaisia ohjelmamoduuleja. Tällainen tekniikka avaa mahdollisuuksia aivan uusille sähköverkon automaatiotoiminnoille. Näissä tapahtuu yhä voimakasta kehittymistä erityisesti älyn ja kommunikaatiokyvyn kasvussa. Sähkö on jalostetuin energiamuoto ja sen hinta on voimakkaassa nousussa, kuten kaikki muutkin energialähteet. Hintakehitys ja yhteiskunnan energiariippuvuus vaatii parempaa huolenpitoa sähköenergian jakeluketjusta ja kulutustehokkuudesta. Sähkövoimajärjestelmissä tultaneen seuraavaksi näkemään informaatiotekniikan vaikutuksesta tiedon entistä parempaa ja nopeampaa hyödyntämistä. Eri tasoilla syntyvän tiedon jalostusarvo kasvaa ja itse tieto muuttuu järjestelmien yli läpinäkyväksi. Niinpä informaatiotekniikan ansiosta sähkövoimajärjestelmiä tullaan käyttämään entistä tehokkaammin ja laadukkaammin.