Jussi Matilainen Tietotekniikan ja Elektorniikan Seura RadioInsinöörien Seuran Seniorit Sähkön riittävyys ja sähkön toimituksen turvaaminen Suomessa poikkeuksellisissa oloissa
Esityksen rakenne Käsitteitä Sähkön turvaaminen kun tuonti ja tuotanto eivät riitä Sähkön turvaaminen sähkövoimajärjestelmän häiriöissä Poikkeukselliset uhat ja niihin varautuminen Yhteenveto 2
Käsitteitä
Käsitteitä Vika: tilanne, jossa laite ei täytä vaadittuja ominaisuuksia Käyttöhäiriö: odottamaton tilanne verkon käytössä. Aiheutuu aina viasta ja voi laajeta uusien vikojen vuoksi. Häiriöksi katsotaan seuraavat tilanteet: suojarele laukaisee katkaisijan katkaisija avautuu virhekytkennässä poisjäänyt tai myöhästynyt jälleenkytkentä pakollisesti tehty tehon muutos, tehorajoitus sarjakondensaattorin ohikytkentäkatkaisijan sulkeutuminen 4
Käsitteitä Sähkön toimitusvarmuus: Käsite jakaantuu kahteen asiakokonaisuuteen; siirto- ja jakeluverkkojen toimitusvarmuus sekä energian ja tehon riittävyys Sähkötehon riittävyys*: Sähkön tuotantokapasiteetin ja sähkön tuontikapasiteetin riittävyys sähkönkulutuksen kattamiseksi Tehopula: Tilanne, jossa pohjoismainen järjestelmä tai sen osa ei kykene ylläpitämään mitoittavaa vikaa vastaavaa nopeaa häiriöreserviä. Mitoittava vika: sähköjärjestelmän kannalta pahin vika N-1 kriteeri: mitoitusperiaate, jonka mukaan sähköjärjestelmän pitää joka hetki kesää mikä tahansa yksittäinen vika niin, ettei se johda vian vaikutusalueen laajenemiseen tai pahimmillaan suurhäiriöön. *) merkitys tässä esityksessä, ei virallinen määritelmä 5
Sähkön turvaaminen kun tuonti ja tuotanto eivät riitä
Vuorokausi- ja tuntitason säätö Vuorokauden sisäiset kulutuksen muutokset Vastuu: Markkinatoimijat Tunnin sisäiset kulutuksen muutokset Vastuu: Fingrid 12500 MW 12000 11500 11000 10500 10000 Arvioitu tuntitason kulutus Kulutus (toteutunut) Tuotanto (suunnitelma) Tuotanto (toteutunut) 9500 5.00 5.30 6.00 6.30 7.00 7.30 8.00 8.30 9.00 9.30 10.00 7
Sähkön riittävyys on alueellinen ongelma! 8 Norjalaisen säätövoiman kysyntä kasvaa Euroopassa Tanska: Lauhdevoima ei kannattavaa tehoreserviä ehdotettu Ruotsi: Ydinvoiman nopeutettu alasajo huonosta kannattavuudesta johtuen lisää tuulivoimaa! Suomi: Lauhdevoiman sulkeminen huonosta kannattavuudesta johtuen uutta ydinvoimaa! Baltian maat: Hinnat laskussa integraatiosta johtuen laihdevoima ei kilpailukykyistä Hintapiikit lisääntyvät ja voimistuvat! Tehopulan ja sähkön käytön rajoitusten todennäköisyys kasvaa!
Pohjoismainen ongelma Energiaa on riittävästi MUTTA niukkuutta tehosta joustavuudesta inertiasta 9
Talven 2016-2017 kulutushuippu Talven kulutushuipusta (14 300 MW) selvittiin hyvin! Kulutushuippu pienempi kuin edellistalven ennätys (15 100 MW), jolloin koko maan sähkönkulutuksella painotettu keskilämpötila oli -25 C. Talvella 2016-17 vastaavasti - 20 C. Kotimainen tuotanto ja rajasiirtoyhteydet toimivat ilman merkittäviä vikoja Kotimaisella tuotannolla oli tehonnostovaraa eikä tehoreserviä käynnistetty Naapurimaista oli sähköä saatavissa, tuontikapasiteetti Venäjältä oli lähes täysimääräisesti hyödynnetty 10
Tehoreservi (peak load reserve) Turvaa sähkötehon riittävyyttä talvikaudella tilanteissa, joissa suunniteltu sähkön hankinta ei riitä kattamaan ennakoitua sähkön kulutusta (12 h käynnistysaika). Perustuu tehoreservilakiin (117/2011, Laki sähköntuotannon ja kulutuksen välistä tasapainoa varmistavasta tehoreservistä). Tehoreservipalvelua hallinnoi Fingrid Oyj:n tytäryhtiö Finextra Oy Tehoreservikaudella 2017-2020 mukana reserviä 729 MW (joista lämpöpumppuja 22 MW) Viimeksi käytetty 2010 Kustannustehokas ja markkinoita vähän häiritsevä keino sähkön toimitusvarmuuden ylläpitoon 11
Fingridin kolmiportainen menettely 1. Sähköpula mahdollinen = Kiristynyt tehotilanne Ennusteiden perusteella vaikuttaa, ettei Fingrid kykene ylläpitämään täysimääräisesti nopeaa häiriöreserviä koska sitä tarvitaan Suomen tehotasapainon tai siirtotilanteen hallintaan. 2. Sähköpulan riski suuri = Tehopula Fingrid ei kykene ylläpitämään mitoittavaa vikaa vastaavaa määrää nopeaa häiriöreserviä. 3. Sähköpula = Vakava tehopula Suomessa joudutaan irtikytkemään kulutusta ilman kaupallisia sopimuksia. 12
Vastuut sähköpulatilanteissa Fingrid vastaa sähköpulatilanteiden hallinnasta Suomessa ja toimenpiteiden koordinoinnista naapurimaiden kanssa Tasevastaavat vastaavat oman taseensa hallinnasta sekä tuotannon ja kulutuksen ohjaamisesta Fingridin sähköpulaohjeistuksen periaatteiden ja Fingridin kantaverkkokeskuksen antamien ohjeiden mukaisesti Säätösähkömarkkinaosapuolet vastaavat omista säätösähkötarjouksistaan ja antavat pyydettäessä mahdollisuuksien mukaan lisää tarjouksia Verkonhaltijat vastaavat kuormien irtikytkennän suorittamisesta sähköpulassa Fingridin tehopulaohjeistuksen periaatteiden ja Fingridin kantaverkkokeskuksen antamien ohjeiden mukaisesti Työ- ja elinkeinoministeriö vastaa mahdollisesta sähkönhankintakapasiteetin riittävyyttä ja sähkönsäästökehotusten antamista koskevasta tiedottamisesta Kukin osapuoli on vastuussa oman sähköpulatilanteita koskevan ohjeistuksensa 13 ylläpidosta
Historia Kulutusta on irtikytketty sähköpulan takia viimeksi 1970-luvulla sähköalan lakon vuoksi Fingrid on käyttänyt tehopulamenettelyn ensimmäistä vaihetta (kiristynyt tehotilanne) viisi kertaa neljä kertaa 19. 20.1.2006 koko maassa vallinneen kireän pakkasen seurauksena 5.1.2008 Olkiluoto 2:n verkosta laukeamisen seurauksena 2. ja 3. vaihetta ei ole käytetty Joitain läheltä piti tilanteita on vuosien varrella ollut 14
Edellisenä päivänä Fingrid arvioi kaikkien sillä hetkellä käytettävissä tietojen perusteella onko seuraavana päivänä sähköpulan mahdollisuus olemassa Tarvittaessa Fingrid valmistautuu perumaan tai siirtämään kantaverkon huoltotöitä hankkimaan lisäsähköä naapurimaista talvikaudella tilaamaan tehoreservin käynnistyksen (12 h käynnistysvalmius) kohottamaan valmiutta yhtiön sisällä 15
Fingrid: Sähköpula mahdollinen tiedottaa sähköpulan mahdollisuudesta koordinoi toimenpiteet pohjoismaisten TSOiden kanssa mm. pohjoismaissa korvamerkitään 600 MW nopeaa häiriöreserviä aktivoi nopeaa häiriöreserviä tasehallinnan tarpeisiin Säätösähkömarkkinaosapuolet: antavat mahdollisuuksien mukaan lisää ylösäätötarjouksia Tasevastaavat: vastaavat oman taseensa hallinnasta toimivat kantaverkkokeskuksen ohjeiden mukaisesti Sähkön tuottajat ja kuluttajat: selvittävät ja ilmoittavat Fingridille lisätuotantomahdollisuudet ja kaupalliset kulutuksen irtikytkentämahdollisuudet hallitsemissaan kohteissa Jakeluverkonhaltijat: valmistautuvat sähkönkulutuksen irtikytkentään sähköpulan varalta 16
Sähköpulan riski suuri Fingrid: tiedottaa suuresta sähköpulan riskistä koordinoi toimenpiteet pohjoismaisten TSOiden kanssa mm. synkronialueella ylläpidetään 600 MW nopeaa häiriöreserviä aktivoi nopeaa häiriöreserviä tasehallinnan tarpeisiin varmistaa verkonhaltijoiden valmiuden kulutuksen irtikytkentään Säätösähkömarkkinaosapuolet: antavat mahdollisuuksien mukaan lisää ylösäätötarjouksia Tasevastaavat: vastaavat oman taseensa hallinnasta toimivat kantaverkkokeskuksen ohjeiden mukaisesti Jakeluverkonhaltijat: valmistautuvat sähkönkulutuksen irtikytkentään sähköpulan varalta 17
Sähköpula Fingrid: tiedottaa sähköpulasta varmistaa että kaikki käytettävissä oleva tuotantokapasiteetti on ajossa, tarvittaessa määrää järjestelmävastaavan oikeuksin koordinoi kulutuksen irtikytkennän pohjoismaisten TSOiden kanssa antaa jakeluverkonhaltijoille ohjeet kulutuksen irtikytkemiseen ja valvoo toteutuksen rajoittaa tarvittaessa vientiä Viroon Tasevastaavat: vastaavat oman taseensa hallinnasta toimivat kantaverkkokeskuksen ohjeiden mukaisesti Jakeluverkonhaltijat: suorittavat kulutuksen irtikytkentää kantaverkkokeskuksen ohjeiden ja oman toimintasuunnitelmansa mukaisesti 18
Sähköpulatilanteen katsotaan päättyneen kun Irtikytketty kulutus on palautettu Mitoittavaa vikaa vastaava määrä nopean häiriöreserviä on käytettävissä 19
Sähköpulatilanteiden hoitaminen vaatii saumatonta yhteistyötä eri osapuolien välillä Fingrid Naapurimaiden kantaverkkoyhtiöt Tasevastaavat Verkkoyhtiöt Säätösähkömarkkinaosapuolet 20
Pohjoismaat suunnittelevat yhteistyössä sähkötehon riittävyyden varmistamista Sähkötehon riittävyyden varmistamista helpottaa erityisesti neljä meneillään olevaa hanketta: lyhyemmän kaupankäyntijakson käyttöönotto markkinoilla täyden kustannuksen tasevastuun käyttöönotto (full cost balancing) yhteisen pohjoismaisen kapasiteetinlaskentamenetelmän kehittäminen kuluttajien valtuuttaminen hyötymään kulutuksensa joustopotentiaalista 21
Sähkön turvaaminen sähkövoimajärjestelmän häiriöissä
Sähköjärjestelmän hallinta Taajuuden hallinta (pätöteho, stabiilius) Jännitteen hallinta (loisteho, stabiilius) Sähkön siirron hallinta (markkinaehtoisuus, häviöt, terminen kapasiteetti, stabiilius) Äkilliset muutokset järjestelmässä (huomioitava myös järjestelmän dynaamiset ilmiöt) 23
Toimenpiteet, joilla pohjoismaissa hallitaan taajuutta 53 52 51 50 49 48 47 hätätehonsäätömodulien aktivoitumisia HVDC-linkeillä taajuuden alassäätö (manuaalinen aktivointi) voimalaitosten irtikytkeytyminen taajuusohjattu käyttöreservi & automaattinen taajuudenhallinta reservi taajuusohjattu häiriöreservi hätätehonsäätömodulien aktivoitumisia HVDC-linkeillä kuorman irtikytkentä siirtoverkon jakautuminen voimalaitosten irtikytkeytyminen 24
Pohjoismaissa käytössä olevat reservit Toimintotaso FCR Frequency Containment Reserve Taajuuden vakautusreservi FRR Frequency Restoration Reserve Taajuuden palautusreservi RR Replacement Reserve Korvaava reservi Tuotteet Automaattinen FCR-D Taajuusohjattu häiriöreservi FCR-N Taajuusohjattu käyttöreservi afrr Automaattinen taajuudenhallintareservi NA Tuotteet Manuaalinen mfrr Säätösähkömarkkinat Säätökapasiteettimarkkinat Varavoimalaitokset NA sekunteja minuutteja 15 min tunteja 25
Reservien aktivoituminen taajuuden muuttuessa Taajuus 50.0 Hz Teho Automaattinen taajuudenhallintareservi Taajuusohjattu käyttöreservi Manuaaliset reservit Aika (ei skaalattu) Taajuusohjattu käyttö- ja häiriöreservi FCR-N ja FCR-D Automaattinen taajuudenhallintareservi afrr Tarkoitus Taajuuden vakauttaminen Taajuuden palauttaminen 50 Hz:iin Manuaaliset reservit ja säätösähkömarkkina mfrr Vapauttaa FCR ja FRR, Epätasapainon korjaaminen Säätäjän sijainti Hajautettu voimalaitoksilla Keskitetty TSO:n valvomossa Manuaalisesti TSO:n pyynnöstä/toimesta Säätötarpeen input Taajuus Taajuus Tuotannon ja kulutuksen epätasapaino 26
FCR:n aktivoituminen taajuuden funktiona nykyiset vaatimukset 1800 1200 600 P (MW) 50.2 50,2 50.1 50,1 50 49,9 49,8 49,7 49,6 49,5 0 49,4 f (Hz) -600 27
Poikkeukselliset uhat ja niihin varautuminen
Sähköjärjestelmän uhkakuvat Poikkeukselliset sääilmiöt matalapainemyrsky jäätävä sade aurinkomyrskyt Tekniset viat usean vian yhdistelmät Ilkivalta ja sabotaasi sähköverkon pylväät ja asemat käytönvalvontajärjestelmät tuotantolaitokset kyberuhat Tietojärjestelmäuhat Ilkivalta Terrori 29
Tulevaisuuden haasteita Yhteiskunnan jatkuvasti kasvava sähköriippuvuus Säiden ääri-ilmiöt Sähkön tuotantorakenteen muutos uusiutuva energia (tuulivoima, aurinkovoima) lisääntyy säätävä kapasiteetti (hiili, turve, maakaasu) vähenee riittääkö sähköä talvipakkasilla? Polttoainehuollon pullonkaulat Sähköjärjestelmän ja tietoliikenteen keskinäisriippuvuus Kyberuhat SUOMI TOIMII SÄHKÖLLÄ! 30
Sähköjärjestelmän ylläpitäminen ja palauttaminen kriisitilanteissa 31 Avainasemassa varautuminen ja erilaisten skenaarioiden harjoittelu Sähkön tuonti ulkomaanyhteyksien ja eurooppalaisen verkon kehittyminen pienentää maariippuvuutta Reservit omat reservivoimalaitokset sopimuskumppanit polttoainereservit Poikkeusolojen säännöstely vaiheittainen säännöstely: vapaaehtoiset toimenpiteet, sähkön käytön rajoitukset, kiintiösäännöstely (ylityksille maksu) Ohjausjärjestelmien käyttövarmuus moninkertaiset palvelinsalit ja tietoliikenneyhteydet, off-line järjestelmät jatkuvuudenhallina, palautusuunnitelmat, harjoitukset kattava sidosryhmäverkosto kyberturvallisuuden takaamiseksi
Kyberuhat alalla Ympäristöt monimutkaistuvat ja integroituvat, aiheuttaa haasteita ymmärtää kokonaisuutta Vanhan ja uuden teknologian yhdistäminen: Vanhoja laitteita ei ole suunniteltu verkotettavaksi, kytketään tietoverkkoon Ohjelmistohaavoittuvuudet Alalla paljon uusia toimijoita ja kustannuspaineet aiheuttaa "kevyitä" ratkaisuja Valtioihin vaikuttaminen kybertoiminnalla 32
Kyberuhkiin varautuminen Harjoittelutoiminta Sisäisiä kyber- ja valmiusharjoituksia Alalla toimivien yrityksien kanssa harjoittelu simuloidussa ympäristössä (JYVTECSEC) Kansainvälisiä harjoituksia Osaamisen varmistaminen Omaa henkilöstöä koulutettu toimimaan poikkeamatilanteissa (forensiikka) Toimintamallit poikkeustilanteiden varalle (viestintä, laki, johto) Kumppani- ja verkostotoiminta Tiedonvaihtoa muiden alalla toimivien yrityksien kanssa (paikallisesti ja kansainvälisesti) Kumppanisopimukset forensiikka-yrityksien kanssa Palveluiden tietoturva-auditoinnit ennen niiden julkista julkistamista 33
Aurinkomyrskyjen aiheuttamat virrat Suomessa GIC = geomagnetically induced currents GIC-virtojen aiheuttamia riskejä siirtoverkossa pidetään suhteellisen pieninä (perustuen yli 40 viime vuoden analyysiin) Tehomuuntajien rakenne ja maadoitustavat pääasiallisin syy GIC-virtojen vähäisiin haittavaikutuksiin suuri-impedanssinen virtatie pitää GIC-virran luontaisesti pienempänä lisäksi sarjakondensaattoreiden laajamittainen käyttö estää GICvirtoja 400 kv verkon pohjois-eteläsuunnassa GIC-vaikutukset muuntajiin sen kyllästyessä kasvaneet häviöt ja pyörrevirrat aiheuttavat muuntajan lämpenemistä kasvanut loistehon kulutus ja riski jännitteen romahdukseen jännitteen laatu heikkenee 34
GIC havaintoja Year 1979 Huutokoski 1991 Rauma 2013 Alajärvi 2014 Alajärvi 2015 Alajärvi 2016 Alajärvi 35 (status 2016-05-30) Number of events n.a. n.a. Max. GIC [A] 165 A 200 A 11 52 A 32 25 A ~100 215 A 21 25 A Mittauspisteet 2000-luvun alkupuolella Ventusneva Alajärvi Rauma Yllikkälä
GIC-virtoja havaittu myös tänä syksynä 36
Yhteenvetoa
Vaikutukset minimoidaan ja pahimpaan varaudutaan Sähköpulaan varaudutaan porrastetulla menettelyllä, jossa kuluttajien irtikytkentä on vasta viimeinen keino. Sähköjärjestelmä kestää yhden, vaikutuksiltaan pahimman, komponentin vikaantumisen ja äkillisiin tehomuutoksiin on varauduttu reservein Poikkeuksellisten uhkiin on varauduttu harjoittelemalla niistä selviytymistä Fingrid vastaa valtakunnallisen sähkövoimajärjestelmän toimivuudesta sekä tehotasapainosta meneillään olevan tunnin aikana 38
Kiitos ajastanne! Fingrid Oyj Läkkisepäntie 21 00620 Helsinki PL 530, 00101 Helsinki Puh. 030 395 5000 Fax. 030 395 5196