Sisältö CLEEN ja SGEM-tutkimusohjelma yleisesti CLEEN Cluster for Energy and Environment Älykäs sähköverkko yleisesti SGEM lyhyesti, konsortion jäsenet Älykkäät sähköverkkoratkaisut kaupunkeihin Yleistä automaation merkitys sähköverkoissa Strateginen suunnittelu ja optimaalisen automaatiotason määritys Kaupunkiverkkojen suojauksen uusia vaihtoehtoja Kaupunkinen itsekorjaavat verkot Yhteenvetoa
CLEEN Cluster for Energy and Environment Strategisen huippuosaamisen keskittymä (SHOK), perustettu 16.7.2008 Uudenlainen yhteistyö Uudella tavalla eri tieteen ja tekniikan alojen välillä Arvoketjuissa eri rooleissa olevien yritysten kesken Tavoitteet Osaamisen kehittyminen Suomessa, jotta houkuttelevuus toimintaympäristönä globaalisti säilyy ja paranee CLEEN Oy tukee toimintaansa osallistuvien yritysten kilpailukykyä ja kannattavaa kasvua globaalisti Tutkimusvolyymi (2013): 41,6 M seitsemässä eri tutkimusohjelmassa
CLEEN toimintamalli 1) Identifio tulevia globaaleja systeemisiä muutoksia sekä uusia mahdollisuuksia energia- ja ympäristöalalla R&D&I tavoitteet (Strategic Research Agenda, SRA) 2) Perusta kestäviä ja avoimia tutkimusalustoja teollisuuden, tutkimuslaitosten ja yhteiskunnan tarpeisiin PPP Open Innovation -toimintamallit 3) Identifioi tarvittavat kompetenssit Monialainen tutkimuskonsortio 4) Käynnistä, fasilitoi ja hallinnoi uuden tiedon luomista Uusi tieto, uudet ratkaisut, uudet ekosysteemit
CLEEN tutkimusohjelmat 41.6 M /2013 11.7 M /a Demand Response 9.4 M /a 11.3 M /a 3.2 M /a 1.9 M /a 0.3 M /a Dispatch Power Load and Gen. forecasts CO 2 Solution Energy Efficiency Local Production F u t u r e E n e r g y S y s t e m 3.8 M /a Renewable Production
Kohti älykästä sähköverkkoa Yleisesti kaksi päätehtävää: Energiatehokkaan ja ympäristöystävällisen sähkömarkkinan mahdollistaja Yhteiskunnan kriittinen infrastruktuuri
SGEM-tutkimusohjelma lyhyesti Päätavoitteet Innovaatiokeskittymän luominen Suomeen älykkäisiin sähköverkkoihin liittyen Ratkaisujen kehittäminen kansainvälisille markkinoille Tulosten varmistaminen reaalimaailman verkoissa Tietotaidon kasvattaminen sekä yrityksissä että tutkimuslaitoksissa Uusien interaktiivisten verkostojen luominen Faktat Pääpaino sähkönjakelussa ja sen rajapinnoissa Ohjelma koostuu 7 työpaketista ja niihin liittyvistä demonstraatioista. Teollisuuden osuus kokonaisvolyymistä 53% 19 yritystä ja 8 tutkimuslaitosta 5-vuotinen ohjelma 2009-2014 57 M kokonaisbudjetti. Koordinoijana CLEEN Oy, päärahoittajana Tekes.
Smart Grids and Energy Markets -konsortio Tutkimuslaitokset 1. Aalto-yliopisto 2. Itä-Suomen yliopisto 3. Lappeenrannan teknillinen yliopisto 4. MIKES, Mittatekniikan keskus 5. Oulun yliopisto 6. Tampereen teknillinen yliopisto 7. Vaasan yliopisto 8. VTT Verkko- ja energiayhtiöt 1. Elenia 2. Fingrid 3. Fortum 4. Helen Sähköverkko 5. Helsingin Energia 6. Oulun Energia 7. Suur-Savon Sähkö 8. Vantaan Energia Koordinoija 1. Cleen Oy Energiateknologia-ala 1. ABB 2. Aidon 3. Empower 4. MX Electrix 5. Tekla Aitoa T&K-yhteistyötä Yhteinen käyttöoikeus tuloksiin Korkea julkisuusaste ICT-toimiala 1. Cybersoft 2. Elektrobit 3. Empower IM 4. Emtele 5. Inno-W 6. There Corporation
Sähkönjakelun automaation hyödyt Pieni osa verkon kokonaisinvestoinneista, mutta suuri vaikutus luotettavuuteen Luotettavuuden arvo ja sähkökatkojen hinta jatkuvasti nousussa Interruption costs (40 year period) Size of substation (number of bays) Automaation kustannukset vain 3% vikojen aiheuttamista kustannuksista, automaation osuus 2% koko verkon investoinneista I. Jeromin et al. Life Cycle Cost Analysis of Transmission and Distribution Systems. In The 20th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (CIRED), 2009. J. Valtari, Centralized Architecture of the Electricity Distribution Substation Automation - Benefits and Possibilities, Väitöskirja, Tampereen teknillinen yliopisto, 2014
k = 2 k = n k = 1 Urbaanin alueen sähkönjakelun automaation strateginen suunnittelu Optimal DA coverage (%) Mikä on optimaalinen määrä automaatiota city-verkkoihin? Helsingin tyylisessä verkkorakenteessa keskim. 33% 100 % automation NO 33% 35 % 30 % 25 % 20 % Select the optimum number of k for Feeder j 15 % 10 % 5 % 0 % Layout (1+1/2), Fin EMA CIC Layout (1+1/2), CIC Study Fin Layout (1+1/2), CIC Study Fin + City Layout (2+1/2), Fin EMA CIC Layout (2+1/2), CIC Study Fin Layout (2+1/2), CIC Study Fin + City Mixed Layout, Fin EMA CIC Mixed Layout, CIC Study Fin Mixed Layout, CIC Study Fin + City O. Siirto, S. Hakala, M. Hyvärinen, P. Heine, M. Lehtonen, Optimization of Distribution Automation in Urban Networks, International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.), 8(4) (2013) 1324-1332.
Urbaanin alueen sähkönjakelun automaation strateginen suunnittelu Automaatiotason optimointi paikallisesti kohdistaminen tiheästi asuttuihin alueisiin O. Siirto, S. Hakala, M. Hyvärinen, P. Heine, M. Lehtonen, Optimization of Distribution Automation in Urban Networks, International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.), 8(4) (2013) 1324-1332.
Kaupunkiverkkojen suojaus - Johdanto G G Suuntaus: Verkkoon kytkeytyy hajautettua voimantuotantoa Siirrytään käyttämään verkkoa suljetussa renkaassa ja/tai silmukoituna käyttövarmuuden parantamiseksi ja häviöiden pienentämiseksi Seuraus: Keskijänniteverkon käyttötapa lähenee siirtoverkon käyttötapaa Kaksisuuntainen tehonsiirto Kaksisuuntaiset vikavirrat Selektiivistä ja nopeaa suojausta ei voida enää toteuttaa perinteisellä, säteittäiselle verkolle suunnitellulla toiminnallisuudella Tarvitaan siirtoverkosta tuttuja, mutta keskijänniteverkkoon soveltuvia ratkaisuja!! G
Esimerkki suljetusta rengasverkosta tutkittu ja simuloitu SGEM-ohjelmassa Kj-johdot Differentiaalisuoja Maasulun suuntavertosuoja Katkeilevan maasulun suoja Kiskosuojaus Osittaisdifferentiaalisuoja TAI HI-differentiaalisuoja ~ _ Kuormalähdöt Ylivirtasuoja Suunnattu maasulkusuoja Energiavarasto? Varayhteys Kauppakeskusmuuntamo Kauppakeskusmuuntamo
Itsekorjaavat kaupunkiverkot CITY FLIR: Täysin automaattinen vian paikantaminen, vian erotus ja syötön palautus verkon terveille osille urbaaneissa verkoissa (Fault Location, fault Isolation and supply Restoration) Sähkönjakelun automaatio, vikaindikaattorit ja älykäs toiminnan ohjaus yhtenä kokonaisuutena Sähkökatkosten pituudet tunneista minuuteiksi
Kehityspolku: koko siirto- ja jakeluverkon ketju standardisoidun automaation piiriin Urbaanin alueen sähkönjakelun automaatio SCADA Siirtoverkko DMS 12% muuntamoista automatisoitu, tavoite 1/3 (Helsinki) Sähköasema NIS Jak. muuntamo AMR Etäluettavat älymittarit 100% peitto (Helsinki) Asiakas
Yhteenveto Sähkön laadun ja toimitusvarmuuden arvostus ja hinta nousussa Sähköverkkoa on kehitettävä mutta mikä on kustannustehokkain ja älykkäin tapa? Älykäs sähköverkko tuo uusia ratkaisuja verkon suojaukseen ja vikojen hallintaan Uusien ratkaisujen kanssa tärkeää huomioida oikea mitoitus ja kunnollinen integrointi olemassa oleviin järjestelmiin ja prosesseihin SGEM-ohjelmassa paljon tuloksia kaupunkien sähköverkkojen kehittämiseen
Jani Valtari jani.valtari@cleen.fi +358 50 3352730 http://www.cleen.fi/en/sgem