Informaatiotekniikka sähkönjakelussa TESLA-teknologiaohjelma 1998 2002 Teknologiaohjelmaraportti 11/2002 Loppuraportti
Informaatiotekniikka sähkönjakelussa TESLA-teknologiaohjelma 1998 2002 Loppuraportti Teknologiaohjelmaraportti 11/2002 Helsinki 2002
Kilpailukykyä teknologiasta Tekes tarjoaa rahoitusta ja asiantuntijapalveluja kansainvälisesti kilpailukykyisten tuotteiden ja tuotantomenetelmien kehittämiseen. Tekesillä on vuosittain käytettävissä avustuksina ja lainoina noin 390 miljoonaa euroa teknologian kehityshankkeisiin. Teknologiaohjelmien avulla maahamme luodaan uutta teknologiaosaamista yritysten, tutkimuslaitosten ja korkeakoulujen yhteistyönä. Ohjelmien tavoitteena on nostaa teknologista kilpailukykyämme tulevaisuuden keskeisillä teollisuuden toimialoilla. Tällä hetkellä Tekesillä on käynnissä noin 50 teknologiaohjelmaa. ISSN 1239-1336 ISBN 952-457-092-0 Kansi: Oddball Graphics Oy Sisäsivut: DTPage Oy Paino: Paino-Center Oy, 2002
Esipuhe Teknologiaohjelma TESLA informaatiotekniikka sähkönjakelussa toteutettiin vuosina 1998 2002. Ohjelman käynnistymistä edelsi kartoitustyö, jonka päämääränä oli selvittää sähkönjakeluun liittyviä tutkimustarpeita. Työ ajoitettiin siten, että sen tulokset olivat käytettävissä Sähkölaitosautomaation tutkimusohjelma EDISONin päättyessä vuonna 1997. Kartoitustyön pohjalta TESLAn tavoitteeksi asetettiin informaatiotekniikan soveltaminen sähkön jakelu- ja myyntitoimintoihin siten, että valmistava teollisuus voi tarjota aikaisempaa tehokkaampia ja taloudellisempia ratkaisuja eri sähkömarkkinaosapuolien tarpeisiin. Ohjelma pyrki myös parantamaan uusien tuotteiden ja palvelukonseptien avulla maamme jakeluverkkojen käyttöastetta ja sähköyhtiöiden toiminnan tehokkuutta sekä kehittämään eri osapuolten edellytyksiä toimia sähkömarkkinoilla tuottajina, jakelijoina, myyjinä ja kuluttajina. Koska Suomi vapautti sähkömarkkinansa ensimmäisten maiden joukossa, oli tavoitteena myös saada aikaan vientituotteita avautuville sähkömarkkinoille muualle Eurooppaan ja laajemmallekin. TESLAan kuului sekä yritysten että tutkimusyksikköjen projekteja. Ohjelman alussa painopiste oli tutkimusprojekteissa. Ohjelman loppua kohti painopistettä siirrettiin yritysvetoisiin projekteihin ja pyrittiin näin varmistamaan tutkimustulosten siirtyminen tuotteisiin ja osaksi käytännön toimintaa. TESLAn aikana syntyi laaja valmistavan sähköteollisuuden, ohjelmistotalojen, sähköyhtiöiden ja tutkijaosapuolten yhteistyöverkosto, joka mahdollisti uusien ideoiden nopean testaamisen aluksi laboratoriossa ja myöhemmin kenttäkokein ja pilottiasennuksin. TESLA tuotti merkittävää uutta osaamista ja tuotteita mm. jakeluverkkojen vianpaikannukseen ja tilaseurantaan, sähkökaupan hallintaan sekä teollisuuden sähköjärjestelmien käyttöön ja kunnossapitoon. Tehty työ loi hyvän pohjan sähkönjakelualan yritysten kilpailukyvyn kehittämiselle. TESLA myös suuntasi korkeakoulujen ja yliopistojen toimintaa ohjelman aikana perustettiin kolme professorinvirkaa, joissa opetus- ja tutkimusalana on informaatiotekniikka sähkövoimajärjestelmissä. Ohjelman jälkeen on tärkeää, että luotu osaaminen ja tieto hyödynnetään tehokkaasti ja että syntyneet yhteistyöverkostot jatkavat toimintaansa. Sähkön laadun merkityksen kasvu, sähkövoimajärjestelmän käyttövarmuuden ylläpito, jakeluverkkojen eliniän hallinta ja hajautetun tuotannon verkkoonkytkentä ovat esimerkkejä haasteista, jotka ovat edessä tulevaisuudessa. TESLA on luonut tietopohjaa myös näihin haasteisiin liittyvien kysymysten ratkomiselle.
Tässä julkaisussa kuvataan teknologiaohjelman toteutus ja tulokset sekä esitetään tiiivistetysti ohjelmassa toteutetut projektit. Tekes kiittää kaikkia TESLA -teknologiaohjelman toteutukseen osallistuneita yrityksiä, organisaatioita ja henkilöitä rakentavasta yhteistyöstä. Erityinen kiitos kuuluu ohjelmapäällikkö Matti Lehtoselle ja ohjelman toteutusta ohjanneelle johtoryhmälle. Marraskuu 2002 Teknologian kehittämiskeskus Tekes
Tiivistelmä Tämä raportti sisältää Teknologiaohjelma TESLAn päätulokset. TESLA Informaatiotekniikka sähkönjakelussa 1999 2002, on viisivuotinen teknologiaohjelma, jota on toteutettu yhteistyössä VTT Prosessien, korkeakoulujen sekä alan teollisuuden kanssa. Rahoitus on pääosin tullut Teknologian kehittämiskeskus Tekesiltä sekä sähköyhtiöiltä ja valmistavalta teollisuudelta. TESLAn keskeisenä ajatuksena on ollut informaatiotekniikan laajamittainen soveltaminen sähkönjakelutoimintaan. Tavoitteena on ollut vahvistaa sekä alan valmistavan teollisuuden että myös sähköyhtiöiden kilpailukykyä vientimarkkinoilla. Eräs suurimmista liikkeellepanevista voimista on ollut sähkömarkkinoiden vapautuminen, joka Euroopan mittakaavassa on avannut kokonaan uusia markkinoita sähkökauppaan liittyville tuotteille ja joka tulee perusteellisesti vaikuttamaan myös sähköverkkoliiketoimintaan liittyviin tekniikoihin, tuotteisiin ja menettelytapoihin.
Sisällys Esipuhe Tiivistelmä 1 Teknologiaohjelman tausta...1 2 Tarpeet eri osapuolien kannalta...3 2.1 Sähköyhtiöt...3 2.2 Sähköteollisuus...3 2.3 Sähkönkäyttäjät...4 2.4 Kansantalous ja energiapolitiikka...4 3 Kehitystrendit...5 4 Painopistealueet ja ohjelman tavoitteet...7 5 Tutkimusohjelman hallinto ja organisointi...11 6 Tulosten hyödyntäminen...13 7 Verkostoautomaatioon ja sähkön laatuun liittyvät projektit....15 7.1 Sähkönjakeluverkon hallintamenetelmien kehittäminen...15 7.2 Sähkön jakeluverkkotoiminnan laadun kehittäminen...16 7.3 Sähkön laadun hallinnan kehittäminen...18 7.4 Verkostoautomaation hyödyntäminen keskijänniteverkkojen komponenttien kunnonvalvonnassa...20 7.5 Custom power...21 7.6 Verkostoautomaation kehittäminen...22 7.7 Verkostoautomaation kehittäminen 2000...25 7.8 Verkostoautomaatio, tiedonsiirto ja sähkön laatu.... 28 7.9 KETE, Kennoterminaali sähkölaitosten johtolähtösuoja... 33 7.10 Sähkön laadun seurantatekniikka jakeluverkoille...33 7.11 Käytöntukijärjestelmä osana uuden sukupolven verkostoautomaatiota...34 7.12 Sähkönjakeluverkoston tilaseurannan kehittäminen...35 7.13 Reaaliaikainen sähköverkon tilaseuranta....36 7.14 Verkoston vikatilanteiden hallinnan kehittäminen...40 7.15 Kennokeskusjärjestelmä...42 7.16 Keskijänniteverkkojen vikailmaisin...42 7.17 Sähkönjakeluverkon häiriöiden keston ja lukumäärän minimointi. 43 7.18 TSC-muuntamokontrolleri...45 7.19 Langaton virta- ja jänniteanturi... 47 8 Teollisuussähköjärjestelmiin liittyvät projektit...49 8.1 Teollisuussähköjärjestelmien hallinta, vuodet 1998 99... 49 8.2 Teollisuussähköjärjestelmien hallinta 2000+...52 8.3 Teollisuussähköjärjestelmien hallinta....56
9 Sähkökaupan järjestelmien ja kysynnän hallinnan projektit...63 9.1 Hinnanennustamismallin implementointi...63 9.2 Sähkökaupan tietojärjestelmien kehittäminen...64 9.3 Sähkökaupan tietojärjestelmien kehittäminen 2000...66 9.4 Energianhankinnan suunnittelumenetelmien kehitystyö...68 9.5 Nopea tiedonsiirto sähkönjakeluverkossa...69 9.6 Kysynnän hallinta (DSM) vapailla sähkömarkkinoilla... 72 9.7 Kysynnän hallinta (DSM) vapailla sähkömarkkinoilla... 74 9.8 Sähkökauppa ja kysynnän hallinta (DSM) vapailla sähkömarkkinoilla...77 9.9 Tase Tuotannon suunnittelu avoimille sähkömarkkinoille... 81 9.10 Tiedonsiirto sähköverkossa -pilotti....82 9.11 Liikenteen hallinta ja tievalaistuksen ohjaus...85 9.12 Energiakaupan tietojärjestelmien integraatiokonsepti...86 9.13 Uudenaikaisen energiakaupan mittausten, sopimusten ja riskienhallintajärjestelmä...87 9.14 Energiajärjestelmien kulutusta ja häviötä ennustavan neuroverkko-ohjelman teknologian tutkiminen....89 9.15 Edistyksellinen massakaukoluenta-, ohjaus- ja mittausjärjestelmä...90 9.16 IVO-TESLA Tutkimusohjelma: Sähkönjakelun ja kaupan uudet tuotteet, teknologiat ja toimintamallit... 91 9.17 Fortum-TESLA Tutkimusohjelma: Sähkönjakelun ja kaupan uudet tuotteet, teknologiat ja toimintamallit... 92 9.18 Vapaan sähkökaupan mittausjärjestelmän kehittäminen (VMS)... 94 9.19 Sähkön siirron laatu- ja kuormitusmittarin kehittäminen... 95 10 Vuoden 2002 yrityshankkeita....99 11 Loppupäätelmät...101 Tekesin teknologiaohjelmaraportteja...103
1 Teknologiaohjelman tausta Teknologian kehittämiskeskus Tekes tilasi toukokuussa 1996 Suomen Sähköenergialiitto r.y.:ltä selvityksen siitä, minkälaisia tarpeita on tutkimustoiminnalle sähkönjakeluyhtiöiden automaatioon liittyen teknologiaohjelma EDISONin päätyttyä vuoden 1997 lopussa. Tehtyjen selvitysten nojalla on päädyttiin esittämään uuden viisivuotisen tutkimusohjelman käynnistämistä nimellä Informaatiotekniikka sähkönjakelussa. Hieman myöhemmin ohjelma päätettiin ristiä TESLAksi. Nicola TESLA oli keksijä, joka kehitti nykyään vakiintuneen kolmivaihejärjestelmän, tehden epätahtimoottorin ja laajat integroidut sähkövoimajärjestelmät mahdollisiksi. Samalla Edisonin kehittämä ja laajasti patentoima tasavirtajärjestelmä vanhentui teknisesti. Seuraavassa esitetään aluksi tutkimustoiminnan tarpeisiin vaikuttaneet seikat eri osapuolten kannalta ja tarkastellaan alalla voimakkaimmin vaikuttaneita kehitystrendejä. Näistä johdettiin tutkimukselle asetettavat painopisteet sekä TESLA-ohjelman konkreettiset tavoitteet. 1
2 Tarpeet eri osapuolien kannalta 2.1 Sähköyhtiöt Sähköyhtiöiden toimintaympäristö oli muuttunut voimakkaasti TESLAa edeltäneiden vuosien aikana. Sähkömarkkinoiden vapautuminen oli johtanut liiketoiminnan kansainvälistymiseen. Liiketaloudellinen tehokkuusajattelu oli vallannut alaa myös sähkönjakelutoiminnassa energian myynnin tultua markkinalähtöisen kilpailun piiriin ja verkkoyhtiöiden muututtua sijoituskohteiksi. Näkyvimpänä muutoksena edellisestä oli ollut toiminnan tehostamistarve. Tämä koskee sekä organisaatioiden toimintaa, että sähköyhtiöiden omaisuuden hoitoa. Verkkoyhtiöiden kannalta keskeiseksi asiaksi oli tullut verkosto-omaisuuden hallinta ja verkoston kapasiteetin tehokas käyttö. Tällä asialla on huomattava taloudellinen merkitys, sillä verkostojen jälleenhankinta-arvo on noin 8 mrd. euroa. Verkosto-omaisuuden hallinta sisältää mm. kunnossapitotoiminnan organisoinnin, komponenttien eliniän seurannan ja uusinvestointien entistä tarkemman suunnittelun. Kapasiteetin käyttöastetta taas voidaan nostaa lisäämällä tietoa verkon kuormituksista sekä komponenttien ikääntymisestä sekä niiden kuormitettavuuteen vaikuttavista tekijöistä. Jakeluverkkojen tehokkaaseen käyttöön liittyi myös kysymys sähkön laadusta. Johtuen lähinnä epälineaarisen kuorman jatkuvasta kasvusta tulee jakelujännitteen laatu olemaan myös järjestelmän suunnittelua ohjaava ja mitoitusta määräävä tekijä. Laadun ylläpito vaatii verkkojen vahvistamista ja sitä kautta suurehkoja investointeja. Investointien oikean kohdistamisen kannalta ensiarvoisen tärkeää oli siis kehittää sähkön laatutason riittävän tarkkaa seurantaa. Verkostojen käytön tehostamiseen liittyi myös kysymys jakeluverkkojen häviöistä. Näiden suuruus on noin 2 terawattituntia vuodessa vastaten noin 100 miljoonan euron kustannuksia. Häviöiden suuruuteen voidaan tehokkaasti vaikuttaa verkoston suunnittelua ja käyttöä tukevien tietojärjestelmien avulla. Energialiiketoiminnan kannalta toimintaympäristö oli sähkömarkkinauudistuksen johdosta muuttunut verkkoyhtiötä voimakkaammin. Uutena asiana oli tullut voimakkaasti kehittyvä sähkön tilapäiskauppa, jota käydään sekä pörssin kanssa että entistä enemmän myös kahdenvälisesti. Siirron vapautuminen oli avannut entistä paremmat mahdollisuudet myös hajautetulle pienvoiman tuotannolle. Molempien hallintaan tarvittiin uusia tietoteknisiä työkaluja. Energiamarkkinoihin vaikutti suuresti myös tuolloin odotettavissa ollut pienkuluttajien pääsy kilpailun piiriin ilman tuntimittausta. Muutoksen välittömänä vaikutuksena oli uusien taselaskentaominaisuuksien liittäminen verkko- ja energiayhtiöiden tietojärjestelmiin. Pitemmällä tähtäimellä uudistus tuli johtamaan kilpailun huomattavaan laajenemiseen sekä vaati sähkönmyyntiyhtiöiltä uusia menettelytapoja vähittäismyyntimarkkinoilla toimimiseen. Kilpailun piiriin tulleen energialiiketoiminnan laajuutta kuvaa se, että k.o. yhtiöiden sähkönhankintakustannukset olivat vuositasolla luokkaa miljardia euroa. 2.2 Sähköteollisuus Sähköteollisuuden kannalta keskeinen kysymys oli tuotteiden teknillisen kilpailukyvyn ylläpito ja uusien tuotteiden kehittäminen vientimarkkinoita ajatellen. Sähkönjakeluautomaation laitteiden ja järjestelmien vuotuinen viennin arvo oli jo vuonna 1996 yli 75 miljoonaa euroa. Sähkönjakeluautomaatio oli alkanut vaikuttaa enenevässä määrin myös muun sähkölaitostekniikan vientiin, jonka suuruus oli vastaavana aikana yli 150 miljoonaa euroa vuodessa. Oli myös odotettavissa, että sähkönjakeluautomaatioon liittyvien sähköteollisuuden tuotteiden 3
markkinat kasvavat voimakkaasti. Teknillisen kehityksen seuraavassa vaiheessa automaatio ja laitetekniikka integroituisivat voimakkaammin toisiinsa. Tällöin automaatio-ominaisuudet vaikuttaisivat ratkaisevasti sähköverkon komponenttien, kojeistojen ja muiden perinteisten sähköteollisuuden tuotteiden menestykseen vientimarkkinoilla. Keskeisessä osassa sähkönjakeluautomaation laajenevilla markkinoilla oli myös tiedonsiirtotekniikka, jossa Suomessa oli jo tuolloin erittäin vahva teollisuus. Teleteollisuuden vahvimmat uudet tuotteet olivat datasiirron alueella, esimerkkeinä GSM-datasiirtotekniikat ja Tetra-järjestelmä. Sähkönjakeluautomaation jatkohankkeen suurimpiin haasteisiin kuuluikin näiden kehittyvien tekniikoiden hyödyntäminen ja niiden soveltamisen edistäminen yhteistyössä sähkö- ja teleteollisuuden kanssa. 2.3 Sähkönkäyttäjät Sähkönkäyttäjien kannalta keskeinen asia oli saada tarvitsemansa sähkö kohtuullisella hinnalla, luotettavasti ja riittävän hyvälaatuisena. Pienten ja keskisuurten käyttäjien tapauksessa voitiin hintaan vaikuttaa edistämällä sähkömarkkinoiden teknillistä toimintaa sekä tehostamalla verkkoyhtiöiden toimintaa. Kulutuksen kaukoluentatekniikoita kehittämällä voitiin avata tehokas kilpailuttamismahdollisuus keskisuurille asiakkaille. Häiriöiden aiheuttamat keskeytykset sähkönkäyttäjillä olivat noin 1..3 tuntia vuodessa. Keskeytyksistä aiheutuva haitta oli käyttäjätyypistä ja keskeytyksen pituudesta riippuen noin 1...15 euroa/kwh. Keskeytysten rahallinen arvo oli koko kansantaloudessa noin 10...50 miljoonaa euroa vuodessa. Sähkönjakeluautomaation avulla oli aikaisemmin pystytty lyhentämään keskeytysten kestoaikaa tuntuvasti. Ongelmaksi olivat nousseet kuitenkin lyhyet keskeytykset, joista on varsinkin elinkeinoelämälle ja pkt-teollisuudelle tuntuvaa haittaa. Ohjelman kuluessa alettiin tiedostaa myös jännitekuoppien merkitys. Nykyisen tiedon valossa niistä aiheutuva taloudellinen haitta on samaa luokkaa varsinaisten katkosten kanssa. Energiankäytön tehostaminen oli noussut yhä merkittävämmäksi tavoitteeksi sekä pienten, keskisuurten että suurten kuluttajien tapauksessa. Kahden ensimmäisen ryhmän osalta tehokkuuteen voitiin vaikuttaa sähköyhtiön toimenpitein kysynnän hallinnan avulla. Teollisuuslaitosten tapauksessa oli tarpeen seurata prosessien energiankulutusta osaprosesseittain ja tuotantotilanteittain entistä tarkemmin. Tähän voitiin kehittää tehokkaita apuvälineitä sähköverkon ja sähkökäyttöjen mittauksia hyödyntämällä. Uskottiin, että tarkempi tieto energiankulutuksesta avaisi mahdollisuudet paitsi energiankäytön tehostamiseen, myös energianhankinnan tarkempaan etukäteissuunnitteluun. 2.4 Kansantalous ja energiapolitiikka Suomen energiastrategian kannalta oli energiankäytön tehokkuus yksi avaintekijöistä pyrittäessä ympäristövaikutusten ja päästöjen vähentämiseen. Toinen tärkeä piirre oli fossiilisten polttoaineiden käytön vähentämistarve, mikä johtaa erilaisten hajautettujen energiantuotantotapojen lisääntymiseen. Nämä trendit vaikuttavat nykyään ehkä vielä voimakkaampina. Valmistavan teollisuuden kannalta tärkeää oli huolehtia sähkömarkkinoiden toimivuudesta ja sillä tavalla varmistaa teollisuuden kohtuuhintaisen energian saanti. Suomen ollessa sähkömarkkinoilla edelläkävijänä voitiin kehittää järjestelmiä ja tuotteita, jotka avaavat suomalaisille yrityksille uusia liiketoimintamahdollisuuksia myös Euroopan avautuvilla energiamarkkinoilla. Kansantalouden kannalta ehkä tärkeimpänä tekijänä, johon sähkönjakeluautomaatiolla voidaan vaikuttaa oli kuitenkin vientiteollisuuden toimintaedellytysten turvaaminen ja uuden vientiin tähtäävän teknologian kehittäminen sekä suurelle että pkt-teollisuudelle. 4
3 Kehitystrendit Seuraavassa on koottu yhteen niitä kehitystekijöitä, jotka voimakkaimmin vaikuttivat sähkönjakelun ja sen tietoteknisten sovellusten kehittämistarpeeseen ja -mahdollisuuksiin TESLA-ohjelman aikana: Tiedonsiirtotekniikat Digitaalisten radiotekniikoiden kehitys jatkui voimakkaana. Keskeisenä alueena tuli mukaan digitaalinen datasiirto. Uutena varteenotettavana tiedonsiirtoratkaisuna nimenomaan teknillisten järjestelmien suhteen tuli saataville Tetra-tekniikka. Muista tiedonsiirtotekniikoista vaikuttavimpia olivat mm. pienjänniteverkon kantoaalto (LV/DLCtekniikka), sekä pienitehoiset radiot. Näiden vaikutus tuntui etenkin kuluttajan ja sähköyhtiön välisessä tiedonsiirrossa. Lisäksi kehittyivät erilaiset langalliset laajakaistaiset tekniikat nopeasti. Sähkönjakeluautomaatiojärjestelmät Sähkönjakeluautomaation järjestelmien markkinapotentiaali oli valtava, mutta niiden laajamittainen soveltaminen oli toistaiseksi ollut vielä rajoitettua lähinnä tiedonsiirtotekniikan ja tietojenkäsittelytekniikan hankaluuden sekä kalleuden tähden. Nämä rajoitukset olivat lievenemässä ratkaisevalla tavalla ja odotetettiin, että sähkönjakeluautomaation markkinat laajenevat voimakkaasti TESLA-ohjelman aikana. Pitemmällä tähtäimellä informaatiotekniikan odotettiin vaikuttavan myös sähköteollisuuden perustuotteiden teknillisiin ratkaisuihin automaatiojärjestelmien integroituessa vähitellen sähkövoimajärjestelmän komponenttitasolle. Automaatioominaisuuksista tulisi keskeinen teknillinen kilpailukeino maailman sähkölaitemarkkinoilla. Sähkömarkkinauudistus Sähkömarkkinauudistuksen myötä sähköyhtiöiden toiminnan tehokkuudelle tultaisiin asettamaan uudet vaatimukset. Verkkoyhtiön kannalta keskeiseksi uudeksi asiaksi nousisi verkosto-omaisuuden hallinta sekä verkoston käyttöasteen nostaminen. Energialiiketoiminnassa tarvittaisiin kokonaan uusia ohjelmistotyökaluja. Lisäksi tarve liittää hajautettua tuotantoa osaksi sähköyhtiöiden automaatiojärjestelmiä tulisi kasvamaan. Tukkusähkömarkkinoilla liiketoiminta muuttuisi voimakkaasti kansainvälisemmäksi. Ympäristökysymykset Keskeinen tekijä oli päästöjen vähentäminen seuraavin keinoin: energiankäytön tehostaminen, hajautetun tuotannon liittäminen osaksi energiajärjestelmää ja energiajärjestelmän toiminnan tehostaminen. Näihin voitiin myötävaikuttaa edistämällä sähkömarkkinoita ja tehostamalla sähköyhtiöiden toimintaa teknillisen kehityksen avulla. 5
4 Painopistealueet ja ohjelman tavoitteet Edellä esitettyjen tarpeiden ja kehitystrendien perusteella selvityksen laatijat suosittelivat ohjelmamuotoista jatkokehitystä vuosiksi 1998 2002 seuraavin painopistealuein ja tavoittein: 1. Verkostoautomaatio Keskeisin tavoite oli jakeluverkkojen kapasiteetin käytön tehostaminen, keinoina tilaseuranta, jännitteen laadun seuranta sekä verkostokomponenttien ikääntymisen arvioinnin ja kunnossapidon apuvälineet. Toinen tavoite oli vikatilanteiden hallinnan kehittäminen siten, että katkosten lukumääriä saadaan vähennettyä. Tätä varten kehitetään uusia vianilmaisu- ja vianpaikantamistekniikoita, sekä integroidaan nämä kaukokäyttöjärjestelmien yhteydessä toimiviksi automaattisiksi toiminnoiksi. Kokonaistavoitteena oli uuden sukupolven verkostoautomaatiojärjestelmä, joka sisältää toiminnot verkon käytön tehostamiseksi ja vikatilanteiden hallitsemiseksi. 2. Teollisuussähköjärjestelmien hallinta Tavoitteena oli kehittää laaja tietojärjestelmä- ja automaatiokokonaisuus teollisuuden sähköjärjestelmien hallintaan. Sen sovelluksia käyttäen teollisuusyritys voi olennaisesti nykyistä paremmin seurata, simuloida ja optimoida energian käyttöään ja hankintaa, sähköverkkojensa sähköteknistä tilaa ja käyttövarmuutta, häiriötilanteita ja kunnossapitoa sekä sähkökäyttöjensä ja prosessilaitteidensa energian käyttöä ja kunnonvalvontaa. 3. Sähkökaupan tietojärjestelmät Keskeinen tavoite oli kehittää tietojärjestelmä suuren sähköyhtiön tai teollisuusyrityksen tukkusähkökaupalle vapailla ja kansainvälisillä sähkömarkkinoilla. Toinen keskeinen tavoite oli kehittää apuvälineitä sähkön vähittäismyynnille pienten kuluttajien tullessa kilpailun piiriin ilman tuntimittausta vuoden 1998 alusta. 4. Kysynnän hallinta (DSM) Kysynnän hallintaa varten tavoite oli kehittää uusia teknillisiä vaihtoehtoja. Näihin kuuluu uusien tiedonsiirtoratkaisujen sovellukset ja päätelaitekehitys. Energiayhtiöitä varten tavoitteena oli kehittää suunnittelu- ja ohjausjärjestelmiä, jotka hyödyntävät uusien teknillisten ratkaisujen mahdollisuuksia. 5. Uudet tiedonsiirtotekniikat Keskeinen tavoite oli edistää uusien tiedonsiirtotekniikoiden käyttöä sähkönjakeluautomaatiossa kehittämällä päätelaitteita, määrittelemällä rajapintoja ja järjestämällä käytännön kenttäkokeita ja demonstraatioita. Verkostoautomaatiota varten kehitettäisiin erikoisesti digitaalisen radiotekniikan sovelluksia. Kysynnän hallintaa ajatellen tavoitteeksi asetettiin tiedonsiirron kokonaisjärjestelmä sähköyhtiön ja kuluttajan välille. Kokonaistavoitteeksi teknologiaohjelmalle asetettiin tietotekniikan laajamittainen soveltaminen sähkönjakelutoimintaan siten, että edellä mainitut keskeiset tavoitteet saavutetaan. Painopisteittäin osatavoitteet olivat: 1. Uuden sukupolven verkostoautomaatiojärjestelmä 2. Teollisuussähköjärjestelmien käytöntukijärjestelmä 3. Tukkusähkökaupan ja vähittäismyynnin tietojärjestelmät 4. Energiayhtiön ja kuluttajan välinen tiedonsiirto DSM-toimintoineen 5. Digitaalisten radiotekniikoiden koejärjestelmä (Tetra, GSM datasiirto). 7
Teknologiaohjelma jakautui tutkimuslaitoshankkeisiin ja yrityshankkeisiin. Kokonaispanostukset ohjelman aikana olivat noin 27,4 miljoonaa euroa, josta tutkimuslaitosten hankkeisiin sitoutui 8,98 milj. euroa ja yrityshankkeisiin 18,44 milj. euroa. Tekesin rahoitusosuus oli 12,83 milj. euroa, jakautuen 5,32 milj. euroa tutkimuslaitoksille ja 7,51 milj. euroa yrityksille. Rahoituksen jakautuminen projekteille painopistealueittain ja vuosittain on esitetty kuvissa 1 4. Kuvissa V viittaa verkostoautomaatioon ja sähkön 2,5 2 Tutkimusrahoitus Kokonaiskustannukset 1,5 1 0,5 0 1998 1999 2000 2001 2002 Kuva 1. Tutkimushankkeiden rahoitus vuosittain 1998 2001 (milj. euroa). 10 9 8 Tutkimusrahoitus Kokonaiskustannukset 7 6 5 4 3 2 1 0 V T K Yhteensä Kuva 2. Tutkimusrahoitus yhteensä ja kokonaiskustannukset yhteensä vuosina 1997 2001 jaoteltuna projektityypeittäin V, T ja K (milj. euroa). 8
laatuun liittyviin projekteihin, T viittaa teollisuussähköjärjestelmiin liittyviin projekteihin ja K viittaa kysynnän hallintaan ja sähkökaupan tietojärjestelmiin liittyviin projekteihin. 20 18 16 14 Avustus Laina Kokonaiskustannukset 12 10 8 6 4 2 0 V K Yhteensä Kuva 3. Yrityshankkeiden avustus yhteensä, lainat yhteensä ja kokonaiskustannukset yhteensä vuosina 1997 2002 projektityypeittäin (milj. euroa). 6 5 Avustus Laina Kokonaiskustannukset 4 3 2 1 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Kuva 4. Yrityshankkeiden rahoitus vuosittain projektityypeittäin (milj. euroa). 9
TEOLLISUUS SÄHKÖYHTIÖ ENERGIANHALLINTA Energianhallintajärjestelmä Energianhallintajärjestelmä tukkusähkökauppa tukkusähkökauppa sähkötase sähkötase ja ulkoinen laskutus kuormitustutkimus kulutustiedot ja -ennusteet laskutus ja sopimukset SÄHKÖVERKKO Käytönvalvontajärjestelmä kauko-ohjaus ja raportointi Käytönvalvontajärjestelmä Kunnossapitojärjestelmät kunnossapidon menetelmät saneeraussuunnittelu kunnonseuranta Käytöntukijärjestelmä Käytöntukijärjestelmä sähköverkon käytön optimointi Verkostoautomaatiojärjestelmä kunnossapito vikatilanteiden hallinta kuormitusmallit tilaestimointi energian käytön seuranta tiedonsiirtojärjestelmät SÄHKÖN KÄYTTÖ Kunnonvalvonta (sähkön käyttö) Vähittäismyynnin tukijärjestelmä sähkökäyttöjen kunnonvalvonta prosessilaitteiden kunnonvalvonta Asiakasautomaatio tiedonsiirtojärjestelmät Prosessiautomaatio kysynnän hallinnan järjestelmät Kuva 5. Sähkönjakeluun ja energialiiketoimintaan liittyviä tietojärjestelmiä ja informaatiotekniikan sovelluksia. TESLA-ohjelmaan liittyvät järjestelmät on esitetty lihavoidulla kirjasimella. 10
5 Teknologiaohjelman hallinto ja organisointi Teknologiaohjelma toteutettiin yhteistyössä sähköteollisuuden, tutkimuslaitosten ja korkeakoulujen sekä sähkö- ja energiayhtiöiden kanssa. Yhteistyö suunniteltiin siten, että Suomessa oleva osaaminen ja kokemus kullakin ongelma-alueella tulee mahdollisimman hyvin käytettyä hyödyksi. Sähköyhtiöitä hyödynnettiin asiantuntijaroolissa toimintoja ja peruskonsepteja määritettäessä sekä koetoiminta-alueena kenttäkoetutkimuksissa ja uuden tekniikan demonstraatioissa. Uudet tekniikat vietiin myös mahdollisuuksien mukaan sähköteollisuuden tuotekehityshankkeiksi. Näissä kiinnitettiin huomiota paitsi soveltuvuuteen Suomen olosuhteisiin myös mahdollisimman pitkälle kansainvälisten markkinoiden vaatimuksiin. Osa-alueitten hankkeet toteutettiin 1 3-vuotisina projekteina, jotka yhdessä muodostivat strategisia tavoitteita vastaavan teknologiaohjelmakokonaisuuden. Päätökset käynnissä olevien projektien jatkamisesta ja uusien käynnistämisestä tehtiin vuosittain. Näin varmistettiin resurssien mahdollisimman tehokas kohdistaminen oikeisiin hankkeisiin nopeasti muuttuvassa ympäristössä. EDISON-ohjelmaan verrattuna johtoryhmän roolia laajennettiin. Osaprojektien projektipäälliköt raportoivat tuloksista suoraan johtoryhmälle sekä johtoryhmän kokousten väliaikoina ohjelmapäällikölle. Projektipäälliköillä oli kokonaisvastuu osaprojektiensa hoitamisesta siten, että edellä esitetyt painopistealueiden osatavoitteet täyttyvät. Työnsä tueksi projektipäällikkö sai koota tukiryhmän, joka koostui teollisuusyritysten ja pilottisähköyhtiöiden edustajista. Tukiryhmän tehtävänä oli avustaa projektipäällikköä hankkeen läpiviemisessä sekä erikoisesti tukea pilottijärjestelmien rakentamisessa, käyttöönotossa ja kokemuksien keräämisessä Teknologiaohjelman johtoryhmän tehtävät olivat: seurata osaprojektien etenemistä päättää teknologiaohjelman suuntaamisesta valvoa tutkimusrahan käyttöä päättää tiedottamisstrategiasta edistää teknologiaohjelman tulosten käyttöönottoa. Ohjelmapäällikön tehtävät olivat: johtoryhmän kokousten valmistelu ja päätösten toimeenpano koko teknologiaohjelman käytännön koordinointi vuosittaisen toimintasuunnitelman valmistelu ohjelman julkaisu- ja tiedotustoiminnasta vastaaminen osaprojektien etenemisen seuranta ja tukeminen. Projektipäällikön tehtäviin kuului: osaprojektinsa hoitaminen siten, että edellä asetetut kokonaistavoitteet täyttyvät raportointi johtoryhmälle ja ohjelmapäällikölle osaprojektinsa julkaisu- ja tiedostustoiminnasta vastaaminen osaprojektinsa tulosten käyttöönoton ja kaupallistamisen edistäminen. 11
Teknologiaohjelma TESLAn johtoryhmän puheenjohtajana toimi koko ohjelma-ajan tulosyksikön johtaja Esa Pekkola, ABB Oy, Tools. Muut johtoryhmän jäsenet olivat (vuoden 2001 2002 tilanne): Erkki Antila, ABB Oy Otso Kuusisto, Sener Simo Makkonen, Process Vision Oy Ville Jääskeläinen, Nokia Oyj Seppo Vehviläinen, MX Electrix Oy Ilkka Jääskeläinen, Enermet Oy Kari Hytönen, Vantaan Energia Oy Juha Lohjala, Suur-Savon Sähkö Oy Jukka Perttala, Tekla Oyj Sauli Ekola, Varenso Oy Jari Eklund, Tekes Jorma Julku, Tekes Kari Rintala, Tekes Tekesin ohjelmavastaavana toimi ohjelman alussa Kari Komulainen, sitten Juha Haikonen ja ohjelman loppuvaiheessa Jari Eklund. Lisäksi johtoryhmän työskentelyyn osallistui ohjelmapäällikkö TkT Matti Lehtonen VTT Prosessit -yksiköstä. 12
6 Tulosten hyödyntäminen Teknologiaohjelman tulokset ovat hyödynnettävissä ensi sijassa uusien tuotteiden ja suunnittelumenetelmien muodossa sähköyhtiöissä ja sähköteollisuudessa. Hyödynnettävyys on varmistettu ohjelman kuluessa kiinteällä yhteistyöllä tutkimusosapuolten, teollisuuden ja sähköyhtiöiden kanssa viemällä prototyypit ja demonstraatiot testattaviksi ja arvioitaviksi sähkölaitosympäristöön. Tutkijaosapuolten kiinteällä yhteistyöllä on varmistettu myös tulosten hyödynnettävyys jatkokoulutuksessa ja opetuksessa. Ohjelman puitteissa järjestettiin vuosittain seminaareja koko ohjelmakokonaisuudesta sekä workshop-työskentelyä eri osa-alueilla. Tutkimusten tulokset ovat pääsääntöisesti julkisia ja ne on raportoitu sekä kotimaassa että kansainvälisesti. Ohjelman tulosten kautta sähköyhtiöiden toimintaa voidaan tehostaa kysynnän hallinnan tehostuessa ja verkoston käyttöasteen parantuessa, mitä kautta sähkönjakelun kustannustaso voidaan pitää kurissa ja sähkön hinta tältä osin kilpailukyisenä. Lisäksi vikatilanteiden hallintaa voidaan tehostaa, mikä säästää kustannuksia sekä sähköyhtiöissä että kuluttajilla. Energiayhtiöiden toimintaedellytyksiä nopeasti muuttuvilla ja kansainvälistyvillä sähkömarkkinoilla on parannettu. Sähkökaupan tarvitsemien ohjelmistotyökalujen kehittäminen on avannut uusia liiketoimintamahdollisuuksia paitsi sähköyhtiöille myös ko. järjestelmien toimittajille. Ohjelman kuluessa useita suomalaisia yrityksiä on päässyt sähkökaupan tietojärjestelmien puitteissa vientimarkkinoille. Teollisuuden energiatehokkuutta voidaan parantaa prosessien energiankäytön entistä tarkemman seurannan tultua mahdolliseksi. Tämä avaa myös entistä paremmat mahdollisuudet energiankäytön ja hankinnan etukäteissuunnitteluun energiaintensiivisessä teollisuudessa. Sähköteollisuuden osalta ohjelman käytännön tulokset tukevat esimerkiksi käytöntuki- ja verkkotietojärjestelmien teknillistä kilpailukykyä ja luovat mahdollisuuksia uusien markkinoiden avaamiseen. Lisäksi sähköverkon automaation ja siihen liittyvien komponenttien teknillinen kilpailukyky tulee paranemaan. Tämä on erityisen tärkeää juuri sähkönjakeluautomaation alueella, sillä on odotettavissa että alan markkinat laajenevat voimakkaasti lähivuosina. Lisäksi on odotettavissa, että sähköverkon komponentteihin aletaan integroida enenevässä määrin automaatio-ominaisuuksia. Tällöin perinteistenkin sähköteollisuuden tuotteiden kilpailukyky tulee riippumaan siitä, kuinka hyvin ne voidaan liittää osaksi automaatiojärjestelmiä. Teleteollisuuden kannalta teknologiaohjelma on avannut uusille, voimakkaasti kehittyville tekniikoille markkinanäkymiä. Hyvänä esimerkkinä on Helsinki Energian verkossa pilotoitu ja testattu Tetra-järjestelmä, joka on ihanteellinen ratkaisu laajojen teknillisten järjestelmien datasiirto- ja automaatiosovelluksia ajatellen. Suomessa toimivan teollisuuden näkökulmasta keskeinen tulevaisuuden strateginen kysymys on tässä yhteydessä sähkö- ja teleteollisuuden voimavarojen yhdistäminen uuden tekniikan kehittämiseksi sekä toimivan työnjaon kehittäminen ko. teollisuudenhaarojen kesken vientimarkkinoita ajatellen. 13
7 Verkostoautomaatioon ja sähkön laatuun liittyvät projektit 7.1 Sähkönjakeluverkon hallintamenetelmien kehittäminen Teknillinen korkeakoulu, Sähköverkkolaboratorio Yhteyshenkilö Erkki Lakervi erkki.lakervi@hut.fi Projektin tyyppi: Tutkimushanke Kestoaika: 1998 1999 Tekesin rahoitus: 500 000 mk Tiivistelmä projektista Projektissa kehitettiin menetelmiä alueellisten sähkönjakeluverkkojen laitediagnostiikkaan sekä kuormitettavuuden nykyistä tarkempaan arviointiin. Tavoitteena oli sähköverkkojen komponenttien eliniän hallittu pidentäminen, vikojen aiheuttamien keskeytysten vähentäminen sekä verkostojen kapasiteetin tehokkaampi käyttö. Projektissa oli TKK:n lisäksi mukana Tampereen teknillinen korkeakoulu. Tausta Sähkökaupan ja sähkön siirron eriydyttyä toisistaan taloudellisesti riippumattomiksi toiminnoiksi, asetetaan jakeluverkon liiketoiminnalliselle tuottavuudelle yhä tiukempia vaatimuksia. Jakeluverkon saneeraus-, laajentamis- ja käyttösuunnitelmia tehtäessä on yhä perusteellisemmin etsittävä ne ratkaisut jotka täyttävät verkolle asetetut tekniset ja taloudelliset vaatimukset. Tähän prosessiin keskeisesti vaikuttaa jo olemassa olevan jakeluverkon teknisen ja taloudellisen kapasiteetin tunteminen. Perinteisesti jakeluverkon rakentamisessa käytetyt tekniset ratkaisut on ollut mahdollista mitoittaa väljästi. Niinpä onkin syytä olettaa jo olemassa olevan verkon sisältävän hyödyntämätöntä kapasiteettia, joka on ensi tilassa selvitettävä. Toisaalta verkon kapasiteetin tarkempi tunteminen vähentää tulevaisuudessa ylimitoitettujen investointien määrää ja parantaa verkon käytettävyyttä. Jakeluverkon komponenttien (kaapelit, muuntajat) kuormitettavuus on yksi keskeisimpiä verkon kokonaiskapasiteettia määrääviä tekijöitä. Nykykäytännön mukaan verkon komponenttien kuormitettavuuksia on totuttu pitämään staattisina parametreinä, verkon käyttötilasta riippumattomina vakioarvoina. Tämä on nyt ja tulevaisuudessa entistä karkeammin ristiriidassa sen kanssa, että verkon tila (tehonjako) tunnetaan dynaamisesti ja tuleva tilakin voidaan estimoida hyväksyttävällä tarkkuudella. Näin on syntynyt tarve selvittää verkon komponenttien dynaaminen kuormitettavuus. Tutkimuksen tavoitteet ja toteutus Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää matemaattiset mallit jakeluverkon keskeisimpien komponenttien (kaapelien, muuntajien) dynaamiselle kuormitettavuudelle. Mallit pyrittiin liittämään Suomessa käytössä oleviin jakeluverkon suunnitteluja käytöntukijärjestelmiin. Yksittäistä komponenttia mallinnettaessa kasvaa sitä kuvaavien parametrien määrä hyvin suureksi. (Esimerkiksi kaapeliasennuksessa kaapelin tyyppi, kytkentätapa, asennusgeometria, asennusmaan ominaisuudet.) Lisäksi moni mallin parametreista on funktio jonkin toisen suureen suhteen (esim. ulkolämpötila tai maan lämpöresistiivisyys, joka riippuu maan kosteudesta). Tutkimuksessa rajattiin mallien tarvitsemaa parametrien määrää tarkkuuden kannalta riittäväksi ja selvitettiin seikkaperäisesti parametrien saatavuus. Komponenttien kuormitettavuus on pääasiassa riippuvainen niiden termisestä kestoisuudesta. Tutkimuksessa selvitettiin kehitettävien mallien 15