BL0A0700 Sähköverkkotekniikan peruskurssi Verkostosuunnittelu Sähkönjakelu
Verkostosuunnittelu, tämän päivän haasteita ja mahdollisuuksia Suurhäiriöt Ikääntyvät verkot Verkkoliiketoiminnan valvonta Galthagen Box KALLBÄCK Omistajat Resurssit Ilmastomuutos Energiapolitiikka Luotettavuus Pientuotanto Sähkön käyttö Tekniikan kehittyminen Verkostosuunnittelu, Keskeiset infraverkot ja saneeraustarpeet SÄHKÖ (415 000 km, > 10 000 km/a) TELE (+ 40 000 km v. 015 mennessä) VESI (100 000 km, tarve 1 000 km/a) VIEMÄRI (50 000 km, tarve 900 km/a) KAUKOLÄMPÖ (13 500 km +00-300 km/a) MAANTIET (78 000 km, tarve km/a) RAUTATIET (5 900 km, tarve km/a)
Verkoston mitoitus Tavoitteena teknisesti kelvollinen taloudellisesti edullisin kokonaisratkaisu { I+H+K+L } I = investointikustannukset H = häviökustannukset K = käyttökustannukset L = keskeytyshaitat REUNAEHTOJEN PUITTEISSA: normaalit käyttötilanteet vika- + muut varasyöttötilanteet Suunnittelun reunaehdot: kuormitettavuus jännitteenalenema oikosulkukestoisuus nollausehdot (pj-verkko) 5 Verkoston mitoitus, kokonaiskustannusten minimointi T Ctot min Cinv( t) Copex( t) Ckeskeytys( t) dt 0 Investointikustannukset Käyttö- ja kunnossapitokustannukset Keskeytyskustannukset - Rakentaminen - Materiaalit - Pääomakustannukset - Suunnittelu, tutkimus ja kehitys - Varastointi, kuljetukset - Verkon käyttötoiminta - Verkon kunnossapitotoiminta - Verkon sähköiset häviöt - Viankorjaus - Asiakkaiden kokema sähkönjakelun keskeytyksistä aiheutuva taloudellinen haitta 6
Taloudellisuuslaskelmat Sähköjärjestelmässä on monenlaisia kustannuksia: investointikustannukset häviökustannukset keskeytyskustannukset ylläpitokustannukset Tavoitteena järjestelmän suunnittelussa ja käytössä on kokonaiskustannusten minimointi teknisten reunaehtojen puitteissa. Kustannukset voivat olla kiinteitä tai muuttuvia ja kertaluonteisia tai jaksollisia. kiinteä muuttuva kerta jaksollinen investoinnit X (X) X (X) häviöt (X) X X keskeytykset (X) X X ylläpito X (X) X 7 Kiinteiden ja jaksollisten kustannusten vertailu Kiinteitä ja jaksollisia kustannuksia voidaan verrata: joko jakamalla kiinteät kulut tasaeriksi tarkasteluajanjaksolle, ns. annuiteettimenetelmä tai laskemalla jaksollisten kustannusten kokonaisarvo tarkasteluajanjaksolta, ns. nykyarvomenetelmä Nykyarvomenetelmä lasketaan tarkasteluajanjakson aikana syntyvien vuotuiskustannusten nykyarvo ts. lasketaan, kuinka paljon rahaa olisi nyt oltava, että sen avulla voidaan maksaa kaikki tulevat vuotuiserät. vuotuiserän siirto nykyhetkeen nykyarvo NA 1 t 1 p 1 100 t Esim. jos 10 vuoden kuluttua vuotuiserä on 100, on sen nykyarvo korkoprosentin p funktiona p (%) 0 5 10 15 nykyarvo 100 61 39 5 8
Kiinteiden ja jaksollisten kustannusten vertailu Neliöllisesti muuttuvien vuotuiserien nykyarvo (esim. häviöt) Jos tehonkasvu on r [%/a], kasvavat häviökustannukset tehonkasvun neliössä. Tarkasteluajanjakson kaikkien vuotuiserien nykyarvo voidaan laskea ns. kapitalisointikertoimen avulla, jos ensimmäisen vuoden vuotuiskustannus tunnetaan. K h K h1 1 r /100 1 p /100 t 1 1 K h1 = ensimmäisen vuoden kustannus 9 Kiinteiden ja jaksollisten kustannusten vertailu Vakioprosentin muuttuvien vuotuiserien nykyarvo (esim. keskeytyskustannukset) Jos tehonkasvu on r [%/a], kasvavat keskeytyskustannukset vastaavan määrän. Tarkastelujakson kaikkien vuotuiserien nykyarvo voidaan laskea em. kaavalla kuitenkin siten, että 1 r /100 1 p /100 Vakiona pysyvien vuotuiserien nykyarvo Kapitalisointikerroin voidaan laskea em. kaavoilla laittamalla r = 0 %/a. Esim. muuntajan tyhjäkäyntihäviöt pysyvät vakiona, vaikka muuntajan kuorma kasvaisikin. 10
Esimerkki kapitalisointikertoimesta t = 10 vuotta p (%) r (%/a) (1) () (3) 8 1 (1) = neliöllinen kasvu () = vakioprosenttikasvu (3) = ei kasvua, vakioerä 8,19 7,40 6 1,51 9,04 6,71 10 19,70 11,01 6,8 6,0 6 10,18 7,48 5,65 10 15,68 9,07 11 Annuiteettimenetelmä Muutetaan kiinteät kustannukset, esim. investointikustannukset, vuotuisiksi kuoletus- ja korkomenoiksi ns. annuiteettikertoimen avulla p 100 1 1 p 1 100 t p (%) t (a) 5 0,5 8 10 0,15 0 0,10 5 0,8 1 10 0,18 0 0,13 1
Häviökustannusten laskenta Häviökustannukset syntyvät tehohäviöistä energiahäviöistä Lasketaan yleensä vuotuiskustannuksina häviöteho: häviöenergia: Wh Ph dt Ph t 0 t h = häviöiden huipunkäyttöaika 0,83t k th 0,17tk 8760 Häviökustannukset P h 3I R tehohäviöt KHP Ph ( /a) energiahäviöt KHE Wh ( /a) t h t h /h 8000 6000 4000 000 0 0 000 4000 6000 8000 t k /h Häviöiden käyttöaika (t h ) kuormituksen käyttöajan (t k ) funktiona. 13 Keskeytyskustannusten hallinta Koko järjestelmän vikataajuus: Vikataajuudet : katkaisija f k, erotin f E, johto f l f f k E f f Ei i1 i1 l l i Kulutuspisteessä Vuotuinen keskeytysaika: t i = komponentin i vikaantumisen aiheuttama keskeytyksen pituus Keskimääräinen keskeytysaika/vika: Toimittamatta jäänyt energia: P k = keskeytysteho (yleensä oletetaan keskitehoksi P k ) Keskeytyskustannukset: a ja b = toimittamatta jääneen sähkön hintaparametrit A t I i1 A f W AP k f i t i K f ( abt) P k 14
Esimerkki Rakennetaan 10 km pitkä Raven-johto (0 kv). Laske johdon investointi-, keskeytys- ja häviökustannukset. Johdon pitoaika t = 40 a. Johdon kuorma on nyt MW, cos() = 0,95, r = %/a. Korkoprosentti p = 5 %. Häviöiden hinta on 30 /kw ja 0,03 /kwh. Kuormituksen huipunkäyttöaika t k = 300 h ja häviöiden huipunkäyttöaika t h = 1900 h. Johdon vikatiheys f = 0,1 vikaa/km,a, johdon korjausaika = h. Keskeytyskustannusparametrit a = 0,5 /kw ja b = 1 /kwh. Investointikustannukset: 10 km 16 000 /km = 160 000 Häviökustannukset: 40 1 100 1 0,99 33, 3 1,05 1 K h K h1 15 Esimerkki P cos P h 1 3I R R W U 59,4 kw 59,4 1900 kwh 11,8 MWh h1 Ph 1 th Tehohäviökustannukset: 59,4 kw/a 30 /kw = 178 /a Energiahäviökustannukset: 11,8 10 3 kwh 0,03 /kwh = 3384 /a Yhteensä: 5166 /a Häviökustannukset: K h = 33,3 5166 17 000 16
Esimerkki Keskeytyskustannukset: Kk k Kk1 3,34 k K k 1 f l P W P 8760 a b t Pmax t 8760 k 730kW 1 1 r p /100 /100 Huom! Ei neliöllistä riippuvuutta kuormituksen kasvusta (r)! (vrt. häviökustannusten laskenta) K k 0,5 1 1095 a a 1 0,1 10730 Keskeytyskustannukset: K k 3,34 1095 5500 17 Lassila, J. Keravan Energia Oy:n ja Etelä-Suomen Energia Oy:n sähköverkkojen yleissuunnitelma http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe00805131366 1. TYÖN TAVOITE. KÄYTETTÄVÄT LÄHTÖTIEDOT, MENETELMÄT JA SUUNNITTELUPERUSTEET. ALUEIDEN KUORMITUSKASVUENNUSTEET.3 JOHTOJEN TALOUDELLINEN MITOITUS.4 OIKOSULKULASKENTA JA VIKAVIRTASUOJAUS.5 MAASULKULASKENTA 3. VERKON NYKYTILA JA KEHITYSNÄKYMÄT 3.1 TEKNISTALOUDELLINEN NYKYTILA JA AKUUTIT KEHITYSTOIMENPITEET 3.1.1 Tehonjakotulokset nykyverkolle 3.1. Oikosulkulaskennan tulokset ja tarvittavat toimenpiteet 3.1.3 Oikosulkusuojauksen kannalta poikkeukselliset kytkentätilanteet 3. VERKON KUORMITUKSEN KASVUN RAJAT 3.3 VARASYÖTTÖ JA KORVAUSTARKASTELUT 18
KÄYTETTÄVÄT LÄHTÖTIEDOT, MENETELMÄT JA SUUNNITTELUPERUSTEET Laskentajännite U = 0.5 kv Korkoprosentti p = 5 %/a Tarkasteluaika t = 0...5 a Kasvuprosentti r = 1...5 %/a kohteesta riippuen Suurin sallittu jännitteenalenema u hmax = 5 % (normaali käyttötilanne) 7 % (korvaustilanne) Tehokerroin cos = 0.96 Kuormitushäviöiden hinta H häv,teh H häv,ener = 37 /kw,a = 0.0 /kwh 19 ALUEIDEN KUORMITUSKASVUENNUSTEET Alue 1995 015 + 1 % 015 + % Pohjois-Sipoo 1680 1800 00 Talma 1110 1300 1600 Sipoon keskus 4580 5400 600 Keski-Sipoo 040 00 600 Lounais-Sipoo 160 600 3500 Immersby 770 900 1100 Söderkulla 1850 800 3500 Kaakkois-Sipoo 1600 1800 000 Saaristo 50 00 300 Yhteensä 15500 19000 3000 TALMA SIPOON KESKUSTA KESKI-SIPOO IMMERSBY LOUNAIS-SIPOO KAAKKOIS- SIPOO POHJOIS- SIPOO SÖDER- KULLA SAARISTO Väestö Työpaikat 150 0 = tilanne vuonna 1999 +800 +00 = lisäys v. 00 mennessä PIHKANIITTY Väestö Työpaikat 000 50 +100 +100 KYTÖMAA Väestö Työpaikat 150 0 +800 +00 VIRO-METSOLA Väestö Työpaikat 000 100 +100 +0 KURKELA Väestö Työpaikat 700 150 +350 +0 UNTOLA Väestö Työpaikat 400 400 +0 +0 KILTA YLIKERAVA Väestö Työpaikat 50 550 +300 +00 0
3.0 JOHTOJEN TALOUDELLINEN MITOITUS (uusi johto) Alkuhetken teho P 0 [MW].5.0 1.5 1.0 0.5 PIGEON RAVEN SPARROW PAS 10 PAS 70 K K h K 0 t 1 K 1 ( K h1 K h K 01 K 0 ) K v P0 U cos H ( R R ) p j1 j 0 v 0.0 0 1 3 4 5 Kuormituksen kasvu r [%] 1 OIKOSULKULASKENTA JA VIKAVIRTASUOJAUS 110 kv:n syöttävä verkko 110/0 kv:n päämuuntaja R k110 X k110 R km X km I k I k PJK AJK t t 1 e t 0 t t 1 t/s t 0 t 0,1 0, t + 0,1 10 t + 0,1 t = releeseen aseteltava laukaisun aikahidastus PJK = pikajälleenkytkentä AJK = aikajälleenkytkentä
VERKON NYKYTILA JA KEHITYSNÄKYMÄT - Tehonjakotulokset nykyverkolle Sähköasema ja päämuuntaja 16 Laskettu huipputeho [MW] Mitattu huipputeho [MW] Laskettu / mitattu teho Martinkylä 0 MVA 17.5 15.6 11 % Massby 5 MVA 10.8* 10.7 101 % Kallbäck 31.5 MVA 14.8 13.5 110 % Johtolähtö S max [MVA] u hmax [%] P häv [kw] E häv [MWh/a] J07 Ingman 1 4.5 0.1 4 7 J08 Nickby 1.8 1.0 10 19 J10 Immersby 4.8 4.6 143 87 J11 Söderkulla 1.7 0.5 5 10 14 1 Huipputeho [MW] 10 8 6 4 0 01.01.004 01.03.004 01.05.004 01.07.004 31.08.004 31.10.004 31.1.004 01.03.005 01.05.005 01.07.005 31.08.005 3 Oikosulkulaskennan tulokset ja tarvittavat toimenpiteet Sähköasema [MVA] I k110 [ka] I k0 [ka] Martinkylä 0 9.7 (11.) 5.0 (5.1) Massby 5 7.1 (7.7) 5.9 (5.9) Kallbäck 31.5 7.1 (7.7) 7.1 (7.) Ylikerava 5 8.5 (10.) 6.0 (6.1) Alikerava 5 9.3 (11.0) 6.1 (6.) Savio 16 8.8 (10.3) 4.0 (4.1) Fingrid: Suluissa olevat lukemat kertovat arvion tilanteesta vuonna 005. 110 kv:n syöttävä verkko 110/0 kv:n päämuuntaja R k110 X k110 R km X km I k 4
110/0 kv S n = 0 MVA P 0 = 13,5 kw P k = 100 kw z k = 10 % muuntajan muuntajakilvessä olevat tiedot 110 kv 0 kv r k Pk S n 100 % 100 kw 100 % 0,5 % 0000 kva x k R k X k 10 0,5 9,99% 110 kv 0,005 3, 05 0 MVA 59, 9 1,98 (ensiöön laskettuna) 0,1 (toisioon laskettuna) z k = u k x k r k 5 Oikosulkulaskennan tulokset ja tarvittavat toimenpiteet Sähköasema ja johtolähtö Kallbäck Oikosulun kestoaika ennen pjk:ta t A Oikosulun kestoaika ennen ajk:ta t B Oikosulun kestoaika ajk:n jälkeen t C Releen havahtumisvirta pikalaukaisulla I >> Vanha Uusi Vanha Uusi Vanha Uusi Vanha Uusi J07 Ingman 1 s 0.5 s 0.1 s 0.3 s 1 s 0.5 s - - J8 Kalkstrand - - 0.5 s 0.3 s 1 s 0.5 s 4.0 ka 3.0 ka J10 Gumbostrand - - 0.1 s 0.3 s - - 4.0 ka 3.0 ka J1 Galthagen - - 0.1 s 0.3 s - - 4.0 ka 3.0 ka J14 Spjutsund 1 s 0.8 s 0.1 s 0.3 s - - - - Massby J08 Nickby 1 s 0.5 s 0.1 s 0.3 s 1 s 0.5 s 4.5 ka 3.0 ka J10 Immersby 1 s 0.6 s 0.1 s 0.3 s 1 s 0.6 s 4.0 ka 3.0 ka J11 Söderkulla 1 s 0.8 s 0.1 s 0.3 s 1 s 0.8 s 4.5 ka 3.5 ka Sähköasema ja johtolähtö Massby Sijainti Johtolaji Pituus Oikosulkukestoisuus * J08 Nickby ES31 Gesterby, Gästerby AC16 644 m 111 % Martinkylä J07 Nickby ES09 Nickby gård, Nickby AC16 30 m 11 % J09 Porvoo ES3503 Kirkoby, Sipoo AC10 57 m 34 % 6
VARASYÖTTÖ JA KORVAUSTARKASTELUT Sähköaseman korvaussuunnitelma: Hindsby Martinkylä: Kaasumoottori 1.7 MW.6 % Mäntsälän Sähkö Oy Jokelanseutu MW Naapuriyhtiöistä saatava varateho: PSS Brusas - Ruskeapää 0.5 MW Immersby Nickby MASSBY Kallbäck: Ingman 4.5 MW 6.4 % Kallbäck: Söderkulla 3. MW.3 % Kallbäck: Galthagen 1.4 MW 1.4 % KALLBÄCK KEO Sorsakorpi 3 MW MARTINKYLÄ Kaasumoottori Nikkilä 5.5 MW PSS Bys-Bertas - Veckoski -3 MW PSS Savijärvi - Nikkilä -3 MW PSS Besslakärr - Box 1 MW MASSBY KALLBÄCK PSS Kärrby - Spjutsund 0.5 MW 7 ÖSTERSUNDOMIN ALUEEN SÄHKÖNJAKELUN KEHITTÄMINEN - UUSI SÄHKÖASEMA Ylikerava Martinkylä Alikerava Savio Massby Kallbäck Vaarala (Vantaan Energia Oy) Mellunkylä (Helsingin Energia) Uusi sähköasema Investointikohde Hinta [M ] 110 kv:n metallipylväsrakenteinen siirtojohto, 6.5 km 1.1 Kenttärakenteet 0.34 Päämuuntaja I, 5 MVA 0.9 Päämuuntaja II, 10 MVA 0.18 Asemarakennus 0.34 0 kv:n kojeisto 0.34 8
ÖSTERSUNDOMIN ALUEEN SÄHKÖNJAKELUN KEHITTÄMINEN - KESKIJÄNNITERATKAISU MASSBY Landbo Östersundom Kj-verkon rakentamiskustannukset Määrä Rakenne Hinta [k ] 7.0 km PAS 150+150 60 0.1 km MAX 185 3.7 0.7 km MAX 10 1 1 kpl Automaattierotinasema 5 6 kpl Kaapelipääte 7.3 Häviökustannukset (P 0 = 6.0 MW) Kuormituksen kasvuprosentti ja teho tarkasteluajan lopussa PAS 10 [k ] PAS 150 [k ] PAS 185 [k ] PAS 40 [k ] 1 % 7...8 MW 18...69 185...18 151...185 118...134 % 9...10 MW 69...336 35...86 185...18 151...168 3 % 11...1 MW 336...40 86...353 18...86 185...18 9 ETELÄ-KERAVAN ALUEEN SÄHKÖNJAKELUN KEHITTÄMINEN Sähkön laatuongelmia Sula (TJE Oy) Ylikerava 140 10 0,50 0,45 0,40 Alikerava Kuormitusvirta [A] 100 80 60 40 0,35 0,30 0,5 0,0 0,15 Kiskojännite [kv] 0 0,10 0,05 0 0 50 500 750 1000 150 1500 1750 000 50 500 750 0,00 Savio Uusi voimalaitos 110 kv kytkinasema Kiskojärjestelyjä Aika [ms] K1 K 30
Käytännön esimerkkejä, pylväskatkaisija Viat muutamalta viimeiseltä vuodelta. Keskijännitejohdot vanhoja, 1960 ja -70 luvulla rakennettuja. 31 Käytännön esimerkkejä, pylväskatkaisija P max =.8 MW (100 %) l = 6 km (100 %) KALLBÄCK 10 mp 59 asiakasta 317 MWh Kalkstrand P max = 0.8 MW (9 %) l = 1 km (19 %) 10 mp 47 asiakasta 446 MWh P max = 1.1 MW (39 %) l = 34 km (55 %) 11 mp 63 asiakasta 1894 MWh Spjutsund 5 mp 171 asiakasta 407 MWh 5 mp 195 asiakasta 97 MWh 3
Johdon siirto tienvarteen Nykyinen johtoreitti kulkee pääosin metsässä. Saneerauksen yhteydessä voitaisiin hyödyntää maantien reunaa ja esim. PAS-tekniikkaa johtolähdön käyttövarmuuden parantamiseksi. Ilmavalokuvien käyttö verkkotietokannan pohjalla helpottaa mahdollisten johtoreittien esivalintaa jo suunnittelupöydällä. 33 Vian vaikutusalue - perinteinen ratkaisumalli 34
Vian vaikutusalue - 0/1/0.4 kv ratkaisumalli 35 Joitakin lähteitä verkostosuunnitteluun liittyen http://www.doria.fi/handle/1004/4000 Lappeenrannan teknillinen yliopisto Diplomitöitä Saira, V. 009, 1000 V jakelujännitteen käyttömahdollisuudet Kymenlaakson Sähköverkko Oy:ssä Raussi, T. 5/009, Käytöntukijärjestelmän toiminnoista saatavat hyödyt ja niiden analysointi Haakana, J. 9/008, Haja-asutusalueen keskijänniteverkon kaapeloinnin ja automaation suunnittelumetodiikka Voutilainen, V. 11/007, Tasasähkönjakelun käyttöpotentiaalin määrittäminen Tella, M. 11/007, Sähköverkkoyhtiön keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma Ihonen, T. 9/007, Sähkönjakeluverkon ja sähköasemien kehittämissuunnitelma Salonen, P. 11/006, Tasasähkön hyödyntämismahdollisuudet sähkönjakelussa Simonen, M. 8/006, Sähkönjakeluverkon suunnitteluperusteet Matikainen, M. 3/006, Sähkönjakeluverkon kehittämissuunnitelma luotettavuuden näkökulmasta Karkkulainen, T. 11/005, Sähkömittareiden kaukoluennan kannattavuus ja käyttöönotto sähköverkkoyhtiössä Martikainen, A. 8/005, Ilmastonmuutoksen vaikutus sähköverkkoliiketoimintaan Laatikainen, A. 8/005, Elinkaarikustannusten ja toimitusvarmuuden analysointi sähkönjakelun saneerausmenetelmille Rouvinen, J. 5/005, Sähköverkkoyhtiön kehityssuunnitelman laatiminen Sorsa, H. 1/004, Sähköverkkoyhtiön keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma Kaipia, T. 4/004, 1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannattavuuden tarkastelu Kaarlela, M. 1/00, Kaapeloinnin kannattavuus Fortum Sähkönjakelun keskijänniteverkossa Lassila, J. 1/000, Keravan Energia Oy:n ja Etelä-Suomen Energia Oy:n sähköverkkojen yleissuunnitelma Väitöskirjoja Kimmo Kivikko: "Assessment of Electricity Distribution Reliability Interruption Statistics, Reliability Worth, and Applications in Network Planning and Distribution Business Regulations, 11/010 : Strategic Development of Electricity Distribution Networks Concept and Methods, 1/009 36