1 Juho Polso KESKIJÄNNITEVERKON AUTOMAATION KEHITTÄMINEN Opinnäytetyö Keski-Pohjanmaan Ammattikorkeakoulu Sähkötekniikan koulutusohjelma Kesäkuu 2008
2 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1 JOHDANTO 1 1.1 Yhtiöstä 1 1.2 Opinnäytetyöni lähtökohdat 2 2 SÄHKÖVERKON HALTIJAAN KOHDISTUVIA VAATIMUKSIA 3 3 SÄHKÖNJAKELUVERKON RAKENTEESTA 5 3.1 Sähköasema 5 3.2 Keskijänniteverkko 6 3.3 Erotin 7 3.4 Kauko-ohjattava erotinasema 8 3.5 Katkaisija 9 3.6 Maastokatkaisijat 9 4 NYKYINEN KAUKOKÄYTTÖJÄRJESTELMÄ 11 4.1 Käytönhallintajärjestelmä 11 4.2 Ulkopuoliset yhteydet 13 4.3 Sähköasemat 13 4.4 Kauko-ohjattavat erotinasemat 14 5 EROTIN- JA KATKAISIJA-ASEMIEN VIESTIYHTEYSVAIHTOEHTOJA 15 5.1 Mahdollisia kommunikaatiotekniikoita 15 5.1.1 Radiomodeemit 15 5.1.2 GSM tiedonsiirto 16 5.1.3 GPRS tiedonsiirto 16 5.1.4 3G tiedonsiirto 17 5.1.5 TETRA järjestelmä 17 5.2 DTU ala-asemien automaatio 18 6 UUSIA VIESTIYHTEYSVAIHTOEHTOJA SÄHKÖASEMILLE 20 6.1 Mahdolliset tiedonsiirtotekniikat 20 6.1.1 Radio LAN luvanvaraiset ja luvasta vapaat yhteydet 20 6.1.2 WiMAX laajakaistaverkko 21 6.1.3 Digitan Langaton @450 laajakaistaverkko 21 6.1.4 WLAN laajakaistaverkko 21 6.1.5 Satelliittiteknologia 22 7 MAASTOKATKAISIJOIDEN SIJOITUSPAIKAT 25 7.1 Särkijärven lähtö 26 7.2 Jylhämän lähtö 30 8 YHTEENVETO 35 LÄHTEET 37
3 TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Ylivieskan yksikkö Aika 21.05.2008 Koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Työn nimi Keskijänniteverkon automaation kehittäminen Työn ohjaaja Tekniikan Lisensiaatti, Jari Halme Työelämäohjaaja Verkostoinsinööri, Risto Pirinen Käyttöinsinööri, Pekka Tasanto Tekijä/tekijät Juho Polso Sivumäärä 38 + 21 Tämä työ on tehty Oulun Seudun Sähkön Verkkopalvelun keskijänniteverkon automaation kehittämisestä. Kehittäminen sisältää sähköasemien sekä kaukoohjattujen erotinasemien eri tiedonsiirtotekniikoiden tarkastelun ja maastokatkaisijoiden sijoittamisen kannattavuus tarkastelun. Alue jossa keskijänniteverkko sijaitsee; Oulunsalo, Kempele, Liminka, Lumijoki, Tyrnävä, Muhos, Utajärvi ja Vaala. Nykyinen sähköasemien tiedonsiirtotekniikka on toteutettu ADSL - laajakaistayhteydellä. Kauko-ohjattavien erotinasemien tiedonsiirtotekniikka toimii pakettiradiolla. Aikaisemmin Oulun Seudun Sähkön keskijänniteverkkoon ei ole sijoitettu maastokatkaisijoita. Työssä tarkasteltiin eri tiedonsiirtotekniikoiden ominaisuuksia sekä niiden investointi- ja käyttökustannuksia. Maastokatkaisijoiden osalta tarkasteltiin niiden sijoittamisella saatavaa hyötyä, joka riippuu maastokatkaisijan taakse jäävän verkon pituudesta ja vikataajuudesta sekä maastokatkaisijaa ennen olevien asiakkaiden tehotarpeesta ja tyypistä. Sähköasemien tiedonsiirtotekniikalle ei löydetty investointi- ja käyttökustannuksien osalta kannattavaa korvaavaa ratkaisua. Kauko-ohjattaville erotinasemille korvaavaksi tiedonsiirtotekniikaksi osoittautuivat radiomodeemit. Maastokatkaisijoiden osalta, jokaisella suunnitellulla sijoituspaikalla investointi osoittautui kannattavaksi. Asiasanat Sähköasemat, kauko-ohjaus
4 ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Ylivieska unit Date 21.05.2008 Degree programme Degree Programme of Electrical Engineering Name of thesis Development of the automation of medium voltage network Instructor Licentiate of Technology, Jari Halme Supervisor Network Engineer, Risto Pirinen Production Engineer, Pekka Tasanto Author Juho Polso Pages 38 + 21 This project concerns the development of the automation of medium voltage network of the Oulu region (Oulun Seudun Sähkön Verkkopalvelu Oy). It includes an evaluation of the different data transfer techniques of substations and remote controlled disconnector stations and profitability of locating pole-mounted switchgear. The area where the medium voltage network is located includes: Oulunsalo, Kempele, Liminka, Lumijoki, Tyrnävä, Muhos, Utajärvi and Vaala. The current data transfer technique of the substations is based on ADSL broadband. The data transfer of remote controlled disconnector stations functions with packet radio. There have been no previous use of pole-mounted switchgear in the medium voltage network of the Oulu regional electricity company (Oulun Seudun Sähkö). This project includes the evaluation of the different attributes of data transfer techniques as well as their investment and running costs. The use of pole-mounted switchgear was examined in terms of the advantage achieved through their placement which depends on the distance and fault frequencies of the network. It is also dependent on the amount of and type of power required by the customers who are located between the substation and the pole-mounted switchgear. No alternative solutions which would have decreased the investment or running costs of the data transfer techniques for the substations were found. However, radio modems were found to be an alternative data transfer technique for the remote controlled disconnector stations. Most significantly it was concluded that every one of the locations tested for a pole-mounted switchgear was found to be profitable. Key words Substations, remote control
5 1 JOHDANTO 1.1 Yhtiöstä Keskusosuuskunta Oulun Seudun Sähkö on toisen asteen osuuskunta, joka on perustettu vuonna 1921. Osuuskunta koostuu 12 sähköosuuskunnasta ja 3 muusta yhteisöstä. Jäsenosuuskunnissa on noin 11500 jäsentä. Jäsenyys on vapaaehtoinen käyttöpaikan haltijalle (Raitala 2008, 6.). Oulun Seudun Sähkön konsernirakenne koostuu Keskusosuuskunta Oulun Seudun Sähköstä, jonka alaisena toimivat Oulun Seudun Sähkön Verkkopalvelut Oy ja Oulun Seudun Lämpö Oy. Keskusosuuskunta Oulun Seudun Sähkön palveluksessa toimii tällä hetkellä 16 henkilöä (Raitala 2008, 3.). Oulun Seudun Sähkö Verkkopalvelut Oy toimii sähkön siirto palvelun tarjoajana, sen palveluksessa toimii tällä hetkellä 14 henkilöä (Raitala 2008, 3.). Oulun Seudun Lämpö Oy vastaa kaukolämmönsiirrosta ja tuotannosta, yhtiön palveluksessa toimii 10 henkilöä (Raitala 2008, 3.). Oulun Seudun Sähkön toimialueena ovat Kempele, Oulunsalo, Lumijoki, Liminka, Tyrnävä, Muhos, Utajärvi ja Vaala. Vuonna 2007 Oulun Seudun Sähkö konsernin liikevaihto oli 21,8 miljoonaa euroa ja tulos 3,4 miljoonaa euroa (Raitala 2008, 16.). Oulun Seudun Sähkön vuoden 2007 siirretyn sähköenergian määrä oli 439 GWh. Yhtiön oma tuotanto vuonna 2007 oli 250 GWh (Raitala 2008, 8, 11.). TAULUKKO 1. Oulun Seudun Sähkön oma sähköntuotanto (Raitala 2008, 11.) Tuotanto vuonna 2007 (GWh) Tuotanto vuonna 2006 (GWh) Muutos % Tuotantomuoto Vesivoima 178,2 179,5-0,73 Kemijoki 29,8 29,8 0 Svartisen 77,5 68,2 +12 Rana 70,9 81,5-15 Tuulivoima 3,24 2,615 +19,3 PVO-Innopower 2,5 2,4 +4 Propel voima 0,7 0,175 +75 Tunturituuli 0,04 0,04 0 Lauhdevoima 68,5 60,97 +11 Allholma 68,5 60,97 +11 Yhteensä 249,9 243,085 +2,08
6 Oulun Seudun Sähkön Verkkopalveluilla oli vuoden 2007 lopussa asiakkaita 26366. Asiakasmäärässä on ollut kasvua jo useita vuosia Oulun seutukunnalle muuttavien ihmisten ansiosta. Vuodesta 2006 asiakasmäärä kasvoi + 3% (Raitala 2008, 9.). TAULUKKO 2. Siirto- ja jakeluverkon tunnuslukuja (Raitala 2008, 9.) Verkkotoiminta Vuonna 2007 Sähkönsiirto verkkoalueella 439 GWh +1 Asiakkaita 26366 +3 110kV:n johdot 16 km 0 20kV:n johdot 1358 km +1 0,4kV:n johdot 1893 km +2 Jakelumuuntamot 1314 +2 Sähköasemat 11 +10 Kauko-ohjattavat erotinasemat 36 +6 Muutos % vuodesta 2006 Opinnäytetyöni lähtökohdat Opinnäytetyöni Oulun Seudun Sähkön keskijänniteverkon automaation kehittämisellä pyritään keskijänniteverkon automaatiota päivittämään nykypäivän vaatimuksien ja toiminnallisuuden tasolle. Keskeisimpiä tämän opinnäytetyön kohtia ovat kauko-ohjattavien erotinasemien tiedonsiirtotekniikka, maastokatkaisijoiden sijoittamisen kannattavuustarkastelu ja sähköasemien tiedonsiirtotekniikan käyttökustannuksien tarkastelu. Tavoitteena on vähentää keskijänniteverkon odottamattomien käyttökeskeytystuntien määrää. Tähän pyritään parantamalla kauko-ohjattujen erotinasemien kommunikaatiotekniikkaa ja liittämällä keskijänniteverkkoon pylväskatkaisijoita.
7 2 SÄHKÖVERKON HALTIJAAN KOHDISTUVIA VAATIMUKSIA Vuoden 2003 syyskuun alussa tuli säännös jakeluverkonhaltijan velvollisuudesta maksaa sähkönkäyttäjälle vakiokorvaus verkkopalvelussa tapahtuneen pitkäaikaisen keskeytymisen takia (Uusitalo 2003, 18.). Vuoden 2003 säännöksen mukaan sähkönkäyttäjällä on oikeus verkkopalvelun yhtäjaksoisen keskeytymisen perusteella vakiokorvaukseen, jos jakeluverkonhaltija tai vähittäismyyjä ei osoita, että verkkopalvelun keskeytyminen johtuu hänen vaikutusmahdollisuuksiensa ulkopuolella olevasta esteestä. Tällöin edellytetään, että kyseistä estettä ei ole kohtuudella voitu ottaa huomioon jakeluverkonhaltijan toiminnassa ja ettei sen seurauksia olisi voitu välttää. Verkonhaltijalla on vastuu verkkopalvelun keskeytymisestä, joka on tuottamuksesta riippumatonta vastuuta. Verkonhaltijan korvausvelvollisuudesta vapautuminen tulee kyseeseen vain poikkeustapauksissa, joille lain uudessa 27 f :ssä asetetaan kolme edellytystä ja niiden kaikkien on täytyttävä, jotta verkonhaltija välttyisi vakiokorvaukselta (Uusitalo 2003, 18.). Jakeluverkonhaltijan on voitava todistaa, että vastuu vapauden edellytykset ovat täyttyneet. Lain yksityiskohtaisessa määritelmässä (HE 218/2002) selvitetään tarkasti, millaisia vastuusta vapauttavat tilanteet voivat olla. Sääolosuhteista todetaan, että niiden täytyy olla täysin poikkeuksellisia, jotta verkonhaltija vapautuisi hänen vastuustaan. 27 f :n 5. momentissa todetaan, että pykälän säännöksistä ei saa poiketa sähkönkäyttäjän vahingoksi. Tällöin ei yritysasiakkaitakaan voi sopimusjärjestelyin sulkea vakiokorvausoikeuden ulkopuolelle (Uusitalo 2003, 18.).
8 Vakiokorvauksen määrä riippuu sähkönkäyttäjän vuotuisesta verkkopalvelumaksusta seuraavasti: 1) 10%, kun keskeytysaika on vähintään 12 tuntia, mutta vähemmän kuin 24 tuntia 2) 25%, kun keskeytysaika on vähintään 24 tuntia, mutta vähemmän kuin 72 tuntia 3) 50%, kun keskeytysaika on vähintään 72 tuntia, mutta vähemmän kuin 120 tuntia 4) 100% kun keskeytysaika on vähintään 120 tuntia Vakiokorvauksen enimmäismäärä verkkopalvelun keskeytymisen johdosta on kuitenkin 700. Vakiokorvausta koskevia säännöksiä sovelletaan myös ennen lain voimaantuloa tehtyihin sähkösopimuksiin (Uusitalo 2003, 18.).
9 3 SÄHKÖNJAKELUVERKON RAKENTEESTA 3.1 Sähköasema Sähköaseman tehtävä määrää sen rakenteen. Sähköasemilla sijaitsevat kytkinlaitteet, mm. katkaisijat, erottimet ja kuormaerottimet. Jos yhdistelmään liittyy muuntaja, voidaan puhua myös muuntoasemasta. Sähköasemasta voidaan myös puhua kytkinasemana tai kytkinlaitoksena (Aura & Tonteri 1993, 330.). Sähköasemat voidaan luokitella kytkinlaitoksiksi ja muuntoasemiksi. Kytkinlaitokset yhdistävät saman jännitetason johtoja ja muuntoasemat kahden eri jännitetason johtoja (Heikkilä 2004, 25.). Muuntajat ja johdot liitetään sähköasemien kytkinkentällä sijaitseviin kokoojakiskostoihin kytkinlaitteiden välityksellä. Kokoojakiskoja nimitetään kahdella eri tavalla. Jos kokoojakiskoon liitytään katkaisijalla, kiskoa kutsutaan pääkiskoksi. Erottimella liityttäviin kokoojakiskoja, kutsutaan apukiskoiksi (Heikkilä 2004, 25.). Kytkinlaitteiden lisäksi sähköasemilla on jännite- ja virtamuuntajia, joiden avulla esiintyviä jännitteitä ja virtoja voidaan mitata. Näitä laitteita kutsutaan yleisesti mittamuuntajiksi. Sähkölaitoksella sijaitsevat myös jakeluverkon tärkeimmät suojareleet. Suojareleiden tarkoitus on erottaa verkon viallinen osa muusta verkosta selektiivisesti, nopeasti ja luotettavasti (Heikkilä 2004, 25.).
10 KUVIO 1. Oulunsalon sähköasema 3.2 Keskijänniteverkko Keskijänniteverkon jännitetaso meillä on normaalisti 20kV. Kj-verkko voi olla joko maasta erotettu tai sammutuskuristimen kautta sammutettu. Sähköasemalta lähtevän keskijännitejohdon eli lähdön suojana on katkaisija ja siihen liitetyt ylivirtarele, maasulkurele sekä jälleenkytkentäreleet. Avojohtoverkoissa ylivirtarele toimii oikosulkusuojana, eikä siinä tällöin ole ylivirtasuojausta kuormitusvirran suhteen. Kj-verkot rakennetaan yleensä silmukoiduiksi, mutta normaaleissa tilanteissa niitä käytetään säteittäisinä. Kj-verkko muodostaa yhdessä ns. kantaverkon eli 110kV:n johtojen ja sähköasemien kanssa jakelujärjestelmän (Lakervi & Partanen 2008, 125.).
11 Keskijänniteverkko vaikuttaa olennaisesti verkon käyttövarmuuteen. Yli 90% sähkönkäyttäjien kokemista keskeytyksistä on peräisin keskijänniteverkossa tapahtuvista vioista. Keskijänniteverkolla on normaalin sähkönjakelutoiminnon lisäksi olennainen varayhteysrooli kantaverkon ja sähköasemien vioissa (Lakervi & Partanen 2008, 125.). 3.3 Erotin Erottimen tehtävä on muodostaa turvallinen avausväli erotettavan virtapiirin ja muun laitoksen tai verkon osan välille sekä saattaa laitoksen osa jännitteettömäksi turvallista työskentelyä varten (Aura & Tonteri 1993, 285.). Sähköturvallisuusmääräyksessä SFS 6002 5.2.1.1 määritetään erottimen avausväli seuraavasti: Katkaisevan tai erottavan laitteen (mukaan lukien maadoituserottimet) koskettimien asento on voitava tarkistaa joko suoraan näkyvän erotusvälin tai mekaanisen asennonosoituksen avulla. Asennonosoituksen on näytettävä yksiselitteisesti laitteen pääkoskettimien todellinen asento. Kiinni- ja auki-asennon osoittava laite on oltava helposti käyttäjän nähtävissä. Erottimen avausvälin jännitelujuuden täytyy olla suurempi kuin ympäristön muun eristyksen jännitelujuus. Erottimen pitää pystyä suljettuna johtamaan vaurioitumatta, avautumatta ja liiaksi lämpenemättä kaikki virtapiirissä kulkevat kuormitus- ja oikosulkuvirrat. Erotin pitää voida avata ja sulkea vain jännitteettömänä. Erotin pitää voida lukita siten, että sen vaaraa aiheuttava käyttö on estetty (Aura & Tonteri 1993, 285.). Kuormaerotin on erottimen ja katkaisijan välimuoto. Kuormaerottimella pystytään katkaisemaan ja sulkea määrätty virta, sekä johtamaan kuormitus- ja oikosulkuvirta (Aura & Tonteri 1993, 285.). Sähköyhtiön maastossa olevat erottimet ovat yleensä kuormankytkentäkykyisiä.
12 3.4 Kauko-ohjattava erotinasema Kauko-ohjattavat erotinasemat ovat maastoon sijoitettavia ohjattavia erotinasemia. Niillä ohjataan tyypillisesti 1-5 erotinta. Niiden sijoituspaikka on tyypillisesti verkon strateginen solmupiste (Aura & Tonteri 1993, 415.). Kauko-ohjattavalla erotinasemalla on ala-aseman ohjausyksikkö. Asema tarvitsee viestiyhteyden ylemmälle tasolle eli kaukokäyttöjärjestelmälle. Kaukokäyttöiseltä asemalta välitetään tilatiedot, ohjaukset sekä mitta-arvoja valvomoon (Aura & Tonteri 1993, 416.). KUVIO 2. Kauko-ohjattava erotinasema OSS:n kj-verkosta
13 3.5 Katkaisija Katkaisijan tehtävä on kytkeä kaikissa kysymykseen tulevissa käyttöolosuhteissa syöttöjännite kuormitukseen, johtaa kuormitukseen jatkuva nimellisvirta sekä katkaista virtapiiri käyttöhäiriötapauksissa. Katkaisijan vaativin toimintavaihe on oikosulkupiirin katkaisu (Aura & Tonteri 1993, 269.). Katkaisijat toimivat sekä käsin ohjauksella että automaattisesti. Tyypillisesti automaattisen toiminnan aiheuttaa verkossa vikatilanne, josta seuraa suojareleiden antama laukaisukäsky katkaisijalle. Katkaisijat sulkeutuvat myös automaattisesti jälleenkytkentäreleiden käynnistämänä (Laitinen 2004, 22.). Katkaisijat voidaan ryhmitellä niiden valokaaren sammutusväliaineen perusteella. Tällöin ne voidaan jakaa ilmakatkaisijoiksi, öljykatkaisijoiksi, vähäöljykatkaisijoiksi, painekaasukatkaisijoiksi ja tyhjiökatkaisijoiksi (Aura & Tonteri 1993, 275.). 3.6 Maastokatkaisijat Keskijännitejohdolla voidaan käyttää vikapaikan erottamiseen maastokatkaisijoita. Maastokatkaisijat ovat varustetut suojareleillä ja ne ovat yleensä kauko-ohjattuja. Maastokatkaisijoilla saadaan asiakkaiden kokemia vikoja ja niiden kestoa vähennettyä.
14 KUVIO 3. Noja Power-pylväskatkaisija asennettuna kj-verkon puupylvääseen (Lehtonen 2008.).
15 4 NYKYINEN KAUKOKÄYTTÖJÄRJESTELMÄ Oulun Seudun Sähkön kaukokäyttöjärjestelmällä valvotaan ja käytetään sähköasemia ja erotinasemia. Kaukokäyttöjärjestelmä on ABB:n MicroSCADA (SCADA) ja käytöntukijärjestelmänä DMS 600. Tariffi- ja kuormanohjaukseen asiakkaalle, käytetään AIM-järjestelmää. AIM-järjestelmän viestiyhteydet Melko ala-asemille on toteutettu yleisen puhelinverkon kautta, melkon toiminta perustuu voimakantoaalto tekniikkaan. Lisäksi AIM järjestelmästä on suoria modeemi yhteyksiä mittareihin sekä keskittimiin puhelinverkon ja gsm-verkon kautta (AIM järjestelmää ei käsitellä tämän enempää tässä yhteydessä). 4.1 Käytönhallintajärjestelmä Kaukokäyttöjärjestelmän ydin on SCADA käytönhallintajärjestelmä. Käytönhallintajärjestelmän tukena toimii DMS 600 käytöntukijärjestelmä, joka koostuu OPERA -käytöntukijärjestelmästä ja INTEGRA verkkotietojärjestelmästä. SCADA käytönhallintajärjestelmä on mikrotietokonepohjainen, ohjelmoitava ja hajautettu käytönohjaus- ja valvontajärjestelmä. Järjestelmän perustoimintoihin kuuluu tiedon hankinta prosessista, tietojen ja arvojen näyttäminen, tiedon käsitteleminen valvomossa ja ohjausten välittäminen prosessiin. Näiden lisäksi hälytysten käsittely, tietojen ja arvojen säilyttäminen ja raportointi, tapahtumien ja toimintosekvenssientallennus, laskentatehtävät sekä ala-asemien lisätoiminnot (Jantunen 2003, 3.). DMS600 OPERA käytöntukijärjestelmä laajentaa SCADA - käytönhallintajärjestelmä ohjelmistoa maantieteellisin karttoihin pohjautuvilla verkkonäkymillä. OPERA ohjelmistolla saadaan näkyviin verkostokuva, jonka taustalla voi käyttää sekä rasteri- että vektoripohjaisia karttamateriaaleja (Open++ Opera v.3.3 2003, 5).
16 DMS 600 INTEGRA on graafinen sähkönjakeluverkon verkkotietojärjestelmä, joka hallinnoi keski- ja pienjänniteverkkotietoja, seuraa sähköistä tilaa ja toimii verkostosuunnittelun työkaluna. INTEGRA ohjelmistossa on tallennettu kaikki keski- ja pienjänniteverkkoon kuuluvat verkon tietokannat (OPEN++ Integra v.3.3 2003, 5). MicroSCADA koneeseen kuuluvat keskusyksikkö, neljä näyttöä, näppäimistö, hiiri, äänihälytysjärjestelmä sekä Siemens gsm-modeemi. SCADA käytönhallintajärjestelmä on yhdistetty OSS:n sisäiseen LAN verkkoon. Yhtiön sisäiseen verkkoon liittyminen mahdollistaa ohjelman käytön myös henkilökohtaisista työpisteistä. LAN verkon kautta kone yhdistyy OPERA- INTEGRA koneeseen. Koneen keskusyksikköön on sarjaportin kautta yhdistetty äänihälytysjärjestelmä sekä GSM modeemi. Hälytysjärjestelmä antaa yhtiön tiloihin äänihälytyksen verkossa sattuneen vian tapauksessa. GSM -modeemi välittää vian SCADA - ohjelmistossa määriteltyjen henkilöiden matkapuhelimiin. SCADA - käytönhallintajärjestelmä on yhdistetty sarjaportin kautta sähköasemille sekä kauko-ohjattaville erotinasemille. OPERA-INTEGRA käytöntuki- ja verkkotietojärjestelmäkone sisältää keskusyksikön, kaksi näyttöä, näppäimistön ja hiiren. Ala-ohjelmisto kommunikoi käytönhallintajärjestelmän kanssa sisäisen verkon kautta. Ohjelmisto sisältää sähkönjakeluverkon topologianhallinnan, verkkoanalyysin, vianpaikannuksen, kytkentäsuunnittelun, keskeytystietojen hallinnan, työryhmien hallinnan, optimointitoiminnot, kuormitusestimoinnin, tietokantaraportoinnin, dokumenttikirjaston ja kartanpiirron. Lisäksi ohjelmistossa on verkkoanalyysipaketti, joka sisältää keskijänniteverkon tehonjakolaskennan, vikavirtalaskennat, suojausanalyysin ja käyttötoimenpiteiden simuloinnin (Open++ Integra v3.3 2003, 15-16).
17 4.2 Ulkopuoliset yhteydet OSS:n kaukokäyttöjärjestelmään päästään myös sisäisen verkon ulkopuolelta. Järjestelmään on ohjelmiston toimittajan suojattu huoltoyhteys VNC. Suojattu huoltoyhteys OSS:n järjestelmään tulee puhelinverkkoa laitetilassa sijaitsevaan modeemiin, josta yhteys kulkee reitittimen kautta palomuurille. Ohjelmiston toimittajan huoltoyhteys pääsee näin yhtiön sisäiseen verkkoon, josta he pääsevät kaukokäyttöjärjestelmään. Kaukokäyttöjärjestelmään pääsee myös päivystäjän kannettavalla tietokoneella. Päivystäjän kannettavan ja kaukokäyttöjärjestelmän yhteysmuotona käytetään VPN yhteyttä. Yhteyttä käytetään laajakaistan kautta, jonka jälkeen yhteys muodostuu puhelinverkon kautta kuten suojatussa huoltoyhteydessä. Päivystyskonetta tarvitaan kaukokäyttöjärjestelmän hallintaan muuna kuin virkaaikana. Tällöin koneella voidaan suorittaa tarvittavat ohjauskäskyt sekä tilatietojen ja mittaustietojen saanti nopeiden verkossa tapahtuvien odottamattomien muutoksien sattuessa. 4.3 Sähköasemat Sähköasemien viestiyhteys yhdistyy ADSL modeemin sekä Oulun puhelimen puhelinverkon välityksellä OSS:n valvomotilassa sijaitsevaan SCADA käytönhallintajärjestelmään. Sähköasemien varaviestiyhteytenä toimii ISDN yhteys, joka kytkeytyy automaattisesti pääyhteydessä seuranneesta yhteyskatkoksesta. OSS:n sähköasemilla käyttöjärjestelmällä on kaksi eri tapaa yhdistyä kaukokäytön ala-asemiin. Käyttöjärjestelmä yhdistyy joko sähköaseman LAN verkon kautta suoraan tai IP/sarjaliikenne muuntimen välityksellä kaukokäytön ala-asemaan. Ala-asema välittää prosessin tilatiedot ja ohjaukset käytönhallintajärjestelmän ja prosessin välillä.
18 4.4 Kauko-ohjattavat erotinasemat Kauko-ohjattavat erotinasemat ovat yhdistettynä käytönhallintajärjestelmään. SCADA koneesta lähtevä sarjaliikenneyhteys on yhdistetty PACKNET tietokoneohjelmistoon, joka hallinnoi radiomodeemien välistä viestiyhteyttä. PCC toimii näin ollen yhtenä käytönhallintajärjestelmän ala-asemana. PCC tietokoneohjelmiston kautta lähtevä viestiyhteys kulkee muuntimen kautta antennimastoon tornissa sijaitsevalle muuntimelle, jonka jälkeen viestiyhteys muodostuu pakettiradiolle. Pakettikytkentäisessä tiedonsiirrossa siirrettävä tiedosto jaetaan pienempiin paketteihin, jotka lähetetään toisistaan erillisenä verkon kautta ja vastaanottava laite kokoaa ne taas yhdeksi tiedostoksi. Viestin välityksessä ei pääteasemien välille tarvita suoraa yhteyttä, vaan viesti voidaan välittää määränpäähän, joko useamman ala-aseman tai toistinaseman kautta. Pakettiradiot välittävät ja vastaanottavat sähkönjakeluverkon kaukokäyttöisten erottimien ohjaus, mittaus ja tilatietoja. Radiomodeemien viestiyhteys taajuus on 468.250MHz. Erotin- eli ala-asemilla on antenni sekä pakettiradio. OSS:n verkossa on kaksi toistinasemaa, jotka välittävät radioliikenneviestejä huonojen maasto-olosuhteiden ja pitkien etäisyyksien vuoksi.
19 5 EROTIN- JA KATKAISIJA-ASEMIEN VIESTIYHTEYSVAIHTOEHTOJA OSS:llä on kauko-ohjauksissa ja käytönvalvonnassa viestiyhteydet on hoidettu pakettiradion ja puhelinverkon välityksellä. Työssäni tarkasteltiin mahdollisia kauko-ohjattujen erotinasemien tietoliikennevaihtoehtoja, koska nykyinen järjestelmä ei ole enää ollut luotettava ja sen ylläpitokustannukset ovat suuria. Toisaalta keskijänniteverkkoon lisättävät maastokatkaisijat edellyttävät myös vanhan kommunikaatiotekniikan uudistamista niiden kommunikaatioprotokollan vuoksi. Sähköasemien kommunikaatiossa tarkasteltiin mahdollisia kustannuksissa kilpailevia yhteysmuotoja. 5.1 Mahdollisia kommunikaatiotekniikoita Ala-asemien kommunikaatiotekniikoina on käytetty mm. radiomodeemeja, GSM-, GPRS- ja 3G tiedonsiirtoa sekä näiden paranneltuja versioita. Ohessa tutustutaan lyhyesti eri tekniikoihin ja tutkitaan mitä tekniikoita OSS voi hyödyntää omassa keskijänniteverkossaan. 5.1.1 Radiomodeemit Radiomodeemit ovat tietyillä niille määritetyllä radiotaajuudella toimiva kommunikaatiotekniikka. Radiomodeemiverkossa tiedot siirretään digitaalisena. Tämä mahdollistaa vakaan sekä luotettavan tiedonsiirron, koska signaalia ei tarvitse muuttaa enää analogiseksi, kuten vanhoissa radiopuhelinverkoissa. Digitaalisen tiedonsiirron yksi etu on tiedonkeruu radioverkon toiminnasta, jota voidaan käyttää mahdollisten häiriöiden sekä yhteyskatkojen syiden selvittämiseen. Radiomodeemitiedonsiirto on vuorosuuntaista (half-duplex). Radiomodeemiverkot ovat reaaliaikaisia ja tiedot liikkuvat millisekuntien luokassa. Radiomodeemien suurin etu on sen omassa verkossa, jolloin tiedonsiirto on sähköyhtiön omissa käsissä. Tällöin verkon akustojen toimintakyky on suoraan verrannollinen akustojen huollon määrään sekä kuntoon (Lehtonen 2008).
20 Radiomodeemiverkossa yhden yhteysvälin maksimipituus on n.30-50 km, niin että antennien välillä tulisi olla näköyhteys. Yhteyksiä voidaan ketjuttaa asemalta toiselle, joten todellisuudessa päästään paljon pidempiin etäisyyksiin. Yhden radiomodeemiaseman rakennuskustannukset ovat n. 1500 2000. Radioliikenne on luvanvaraista ja luvat maksavat n.20 /vuosi/asema (Lehtonen 2008.). 5.1.2 GSM tiedonsiirto GSM (Global System for Mobile communication) on Euroopan-laajuinen matkapuhelinjärjestelmä. GSM-verkon kantoalue koostuu soluista, joissa solun kattaa joko yksi lähetin tai pieni ryhmä lähettimiä. Solun koko määräytyy sijoitettujen lähettimien tehosta (Artell 2004.). GSM tiedonsiirtojärjestelmässä yksi vaihtoehto on käyttää ala-asemilla GSM/GPRS modeemeja. Tällaisen verkon perustaminen on erittäin nopea ja halpa rakentaa, mutta sen käyttökustannukset ja varmuus ovat melko huonoja (Lehtonen 2008.). 5.1.3 GPRS tiedonsiirto GPRS (General Packet Radio Service) on pakettikytkentäinen datansiirtomuoto, joka toimii matkapuhelinverkossa. Tässä siirtomuodossa liikutetaan dataa verkossa erillisinä paketteina, jolloin se kuormittaa verkkoa ainoastaan lähettäessään tai vastaanottaessaan dataa (Wikipedia 2008.). Verkon etu on sen kattavapeittoalue ja sen lisäksi verkko on käytössä välittömästi, jolloin verkon perustamiskustannuksia ei aiheudu. Verkonhaitta on järjestelmän riippuvuus teleoperaattorin mastoasemien varasähkönsyötöstä sekä datansiirron varmuudesta ruuhka huippujen aikaan. Tällöin GPRS-liikenne väistää GSMliikennettä. GSM/GPRS tukiasemat ovat tyypillisesti varustettu 3 tunnin sähkönvarmennuksella (Laari 2008.).
21 Mahdollisessa käytettävässä sovelluksessa keskusasemalle eli valvomoon asennettaisiin GPRS Gateway -portti ja ala-asemille GPRS -modeemit. Tällaisella järjestelmällä perustamis- ja käyttökustannukset ovat melko kalliit, mutta datan siirto on suhteellisen halpaa ja vaivatonta (Lehtonen 2008.). 5.1.4 3G tiedonsiirto 3G eli matkaviestinnän kolmas sukupolvi on käytännössä liikkuva laajakaista. 3-G verkossa tiedonsiirrossa käytetään umts-verkkoa (Sonera 2008.). Suurin etu 3G-verkossa on sen nopeus. Huonoina puolina 3G-verkossa on sen kattamaton peittoalue ja sähkönvarmennus, joka useimmilla operaattoreilla on vain 10 minuuttia. 5.1.5 TETRA järjestelmä Tetra on digitaalinen radiopuhelinjärjestelmä. Tetra toimii valtakunnallisessa VIRVE verkossa. VIRVE on ammattilaiskäyttöön tarkoitettu radioverkko, jota myös merkittävät viranomaiset käyttävät. Verkko koostuu tukiasemista, joista osa on kiinteän varavoiman perässä. Kuitenkin jokainen tukiasema on varustettu vähintään 3 tunnin akustolla (Vanhatapio 2008.). Tällä hetkellä sähköyhtiöiden käytössä olevat Tetra kommunikaatio järjestelmät on toteutettu käyttäen radiopuhelimia modeemeina. Tetralle on tulossa käyttöönsä Tetra-modeemeja, joilla tulevaisuudessa nämä yhteysvälit saadaan toteutettua (Vanhatapio 2008.).
22 5.2 DTU ala-asemien automaatio Kauko-ohjattavien erotinasemien uusimisen tulee sisältää myös maastokatkaisijoiden liittämisen samaan tiedonsiirtotekniikkaan. Tämä edellytti kauko-ohjattavien erotinasemien ala-asema DTU yksiköiden vaihtoa, koska nykyisessä järjestelmässä ala-asemayksikön kommunikaatioprotokolla on ANSI X3.28 ja tulevien maastokatkaisijoiden protokolla on IEC-60870-5-101. Protokollatarkastelussa mahdollisuutena pidettiin myös protokollamuunninta, joka olisi vaihtanut vanhan ala-asema yksikön protokollan maastokatkaisijoiden protokollaan. Tällöin vanhaan ala-asema yksikköön olisi jouduttu hankkimaan korttisovitin, jossa olisi ollut RS-232 liityntärajapinta. Muuntimen hinta olisi kuitenkin ollut 2,5 kertainen uuteen ala-asema yksikköön nähden. Muuntimen hinta oli ratkaiseva tekijä, jolloin päädyimme vaihtamaan uuteen ala-asema yksikköön. Uusi ala-asema yksikkö tarjoaa varmuutta myös ala-asema yksiköiden varaosien saantiin ja varaosien hinnat ovat myös huokeammat. Radiomodeemi ja GPRS Gateway järjestelmien osalta tein investointi- ja käyttökustannus arvion. Arvio on esitetty taulukossa prosentteina, koska tarkat hintatiedot ovat tilaajan ja tarjouksen tekijän välisiä tietoja. Oheisesta kuviosta kuitenkin huomataan, että GPRS Gatewayn perustamiskustannukset ovat huomattavasti halvemmat kuin radiomodeemien. Radiomodeemien investointi- ja käyttökustannukset tasaantuvat kuitenkin n.8 vuoden kohdalla samalle tasolle GPRS Gateway tiedonsiirron kanssa.
23 Kustannukset 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Radiomodeemi GPRS 10 0 0v. 1v. 2v. 3v. 4v. 5v. 6v. Vuosi 7v. 8v. 9v. 10v. KUVIO 4. Kaukokäyttöjärjestelmän kokonaiskustannukset. Kuviosta on huomioitava, että se on tehty ainoastaan Oulun Seudun Sähkön erotinasemien kaukokäyttöjärjestelmälle. Taulukossa on otettu huomioon telemastojen vuokrat, jotka vaikuttavat suuresti saatuun tulokseen.
24 6 UUSIA VIESTIYHTEYSVAIHTOEHTOJA SÄHKÖASEMILLE Mahdollisina sähköasemien viestiyhteyksinä punnittiin eri vaihtoehtoja laajakaista nopeuksien luokassa. Nykyinen järjestelmä toimii, kuten kappaleessa 4.3 on kerrottu. Sähköasemien liikennöinnissä pitää huomioida tiedonsiirron kasvava tarve, joka rajaa käytettäviä tekniikoita niiden nopeutensa vuoksi. Tulevaisuuden näkymässä sähköasemilta voidaan joutua välittämään kuvaa tai ääntä käytönhallintajärjestelmään. 6.1 Mahdolliset tiedonsiirtotekniikat Mahdollisina tiedonsiirtotekniikoina tarkasteltiin radiolinkkejä luvanvaraisilla sekä luvasta vapailla taajuuksilla, WiMAX-, Digitan langatonta @450-, WLAN- ja satelliittilaajakaistaverkkoja. Näitä tarkasteltiin verrattuna nykyiseen ADSL modeemi yhteyteen. 6.1.1 Radio LAN luvanvaraiset ja luvasta vapaat yhteydet Näillä radiolinkeillä muodostetaan niille Viestintäviraston varaamilla taajuusalueilla yhteys kahden linkin välille. Muodostuvaa yhteysväliä kutsutaan linkkijänteeksi. Tapauksessamme antennit sijoitettaisiin sähköasemille sekä tukiasemalle. Linkkijänteen muodostamiseen tarvitaan kaksi antennia sekä niiden tarvitsemat ala-asema laitteet. Luvasta vapaalla taajuusalueella toimivat radiolinkeistä ei tarvitse maksaa taajuusmaksuja. Sen huono puoli on kuitenkin, että kuka tahansa voi periaatteessa päästä tunkeutumaan samalle yhteydelle. Luvanvaraisella taajuusalueella joudutaan maksamaan Viestintävirastolle vuosittainen taajuusmaksu yhtä linkkijännettä kohden, mutta tunkeutuminen on tällöin paljon hankalampaa.
25 6.1.2 WiMAX laajakaistaverkko WiMAX on langaton laajakaista, joka perustuu standardiin IEEE 802.16. Toiminta perustuu radiosignaaleilla lähetettävään dataan asemalta toiselle. Järjestelmässä yhteys muodostetaan ala-asemalle sijoitetun päätelaitteen ja operaattorin tukiaseman välille. Tukiasema on samankaltainen kuin GSM-masto. Suomessa on 15 operaattoria, jotka tarjoavat WiMAX-laajakaistaverkko palveluja. OSS:n alueella WiMAX operaattorina toimii DNA-Pohjois-Suomi (Wikipedia 2008.). 6.1.3 Digitan Langaton @450 laajakaistaverkko Digitan @450-laajakaistaverkko on digitaalinen matkaviestinverkko, joka tarjoaa ADSL tasoiset tietoliikenneyhteydet. Verkko on vielä keskeneräinen, mutta sen pitäisi kattaa koko Suomi vuoden 2009 loppuun mennessä (Jussila 2008.). Digitan @450-laajakaistaverkon tukiasemat on varmistettu 3 tunniksi. Digita kuitenkin pitää oikeuden itsellään laskea verkon lähetystehoa mahdollisen sähkövian aikana. Digita tarjoaa palveluoperaattoreille kolmea eri liittymätyyppiä, joista yhdessä on parempi prioriteetti kuin kahdella muulla. Palveluoperaattoreiden hintataso on kuitenkin vielä melko kallis (Mobiilitv 2008.). 6.1.4 WLAN laajakaistaverkko WLAN on langaton laajakaista, jossa internetyhteys muodostetaan radioaalloilla tukiaseman ja ala-aseman välillä. Verkkoyhteyttä voidaan tarjota alueellisesti ja paikallisesti (Laajakaistainfo 2008.). Joillakin sähköverkkoyhtiöillä on rakennettuina WLAN laajakaistaverkkoja ja he tarjoavat operaattoreina laajakaistapalveluja lähiverkkonsa alueelle. Sähköyhtiöt käyttävät tukiasemina monesti keskijänniteverkon puupylväitä. Tietojeni mukaan sähköverkkoyhtiöt eivät kuitenkaan ole käyttäneet järjestelmää osana kaukokäyttöään.
26 6.1.5 Satelliittiteknologia Satelliittiteknologiaa käytetään laajakaistayhteyden muodostamiseen erittäin harvaanasutuille alueille, joita kiinteillä verkoilla ei voida tavoittaa. Nykyisellä satelliittiteknologialla voidaan muodostaa kaksisuuntainen yhteys loppukäyttäjän ja satelliitin välillä (Laajakaistainfo 2008.). Satelliittiteknologian selvä etu on sen kuuluvuusalue. Teknologian huonoja puolia ovat erityisesti sen kalleus, pitkästä välimatkasta satelliitin ja loppukäyttäjän välillä johtunut viive ja heikko signaalin laatu, sekä rajallinen kaistanleveys ja sen myötä matalampi yhteysnopeus (Laajakaistainfo 2008.).
27 TAULUKKO 3. Langattomat tiedonsiirtotekniikat (Pelkkikangas 2006, 10.) Tekniikka Teoreettinen nopeus Saatavuus Constraints Tukee ainoastaan pientä SMS 140 B/msg Nyt data määrää. MMS Riippuu operaattorista Nyt Tukee ainoastaan pientä data määrää. Datansiirtonopeus on GPRS 171,2 kbps Nyt vielä kehittymässä. Datansiirtonopeus on HSCSD 115,2 kbps Nyt vielä kehittymässä. EDGE 473,6 kbps Nyt On saatavissa taajama alueilla. UMTS 1920 kbps Nyt Suurin tämän hetkinen datansiirtonopeus on 384 kbps. Saatavilla suurimmissa kaupungeissa. HSDPA 14,4 Mbps Nyt Ainoastaan Elisa tarjoaa HSDPA:ta ja sen tämän hetkinen siirtonopeus on 1 Mbps. HSUPA 5,8 Mbps 2007 Ei saatavilla vielä. 3.9G 100 Mbps 2007 Ei saatavilla vielä. 4G 1 Gbps 2010 Ei standardisoitu vielä. TETRA 36 kbps Nyt Perustus ja käyttökustannukset ovat korkeat. Satellite networks 155 Mbps Nyt Satelliittiverkon komponentit ja sen käyttö on erittäin kallista. WLAN (IEEE 802.11b) 11 Mbps Nyt Käyttää 2,4Ghz vapaata taajuuskaistaa. WiMAX (IEEE 802.16a) 70 Mbps Nyt Laitteet on varustettu älykkäällä elektroniikalla ja ne tarvitsevat paljon käyttötehoa. Ei vielä saatavilla Flash-OFDM 3 Mbps 2006 suomessa. ADSL + ISDN tiedonsiirtotekniikoiden ja radiolinkkien osalta tein investointi- ja käyttökustannus arvion. Radiolinkkien osalta siinä huomataan, että investointi kustannukset ovat hyvin kalliit. Radiolinkkien käyttökustannuksia nostavat myös telemastojen vuokrat ja näitä vuokrapaikkoja tarvittaisiin OSS:n tiedonsiirtoverkkoon ainakin kaksi.
28 Kustannukset 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 ADSL+ISDN Radiolinkki 0 0v. 5v. 10v. 15v. 20v. Vuosi KUVIO 5. Sähköasemien tiedonsiirtotekniikoiden kokonaiskustannukset.
29 7 MAASTOKATKAISIJOIDEN SIJOITUSPAIKAT Maastokatkaisijan sijoittamisen hyöty riippuu maastokatkaisijan taakse jäävän verkon pituudesta ja vikataajuudesta sekä maastokatkaisijaa ennen olevien asiakkaiden tehotarpeesta ja asiakkaiden tyypistä. Eri asiakasryhmien kokemaa keskeytyksestä aiheutunutta haittaa mallinnetaan ns. KAH-arvoilla (keskeytyksestä aiheutunut haitta). Energiamarkkinavirasto on määritellyt vuonna 2005 sähköntoimituksessa tapahtuneiden keskeytysten aiheuttaman haitan laskennassa käytettävät hinnat. Nämä perustuvat vuosina 2004-2005 tehtyihin Sähkönjakelun keskeytyksistä aiheutuva haitta tutkimuksen tuloksiin. Tämän tutkimuksen tuloksena saatuja keskeytyksen hintoja on muokattu siten, että ne on yhdistetty Energiamarkkinaviraston jakeluverkonhaltijoilta vuosittain keräämiin keskeytyksiä kuvaaviin tunnuslukuihin. Niiden avulla on laskettu sähköntoimituksessa tapahtuneiden keskeytysten aiheuttama haitta, joka kuvaa asiakkaiden kokemaa haittaa mahdollisimman hyvin. Kuvaus, miten alkuperäisen selvityksen tuloksia on muokattu, on esitetty Energiamarkkinaviraston Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla ja Tampereen teknillisellä yliopistolla teettämien selvitysten loppuraporteissa (Energiamarkkinavirasto 2007, 34.). Seuraavien esimerkkilaskelmien KAH arvojen määrittelyperusteet pohjautuvat edellä mainittuihin raportteihin. Maastokatkaisijan teknillistaloudellisen kannattavuuden määrittävä laskentametodiikka on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa (LTY). Kannattavuuslaskelmaa varten energiapainotetut KAH arvot on selvitetty OSS:n asiakastiedoista, jolloin saadaan mahdollisimman hyvä kuvaus keskeytysten aiheuttamasta haitasta tarkasteltavalle johtolähdölle. Tarkasteltavien maastokatkaisijoiden sijoituspaikat ovat määritelty aiemmin tässä työssä. Tarkastelussa on mukana kaksi eri lähtöä ja kolme eri maastokatkaisijan mahdollista sijoituspaikkaa.
30 7.1 Särkijärven lähtö Lähdöllä Särkijärvi on muuntopiirejä 114kpl, asiakkaita on 784 ja lähdön keskiteho on 579kW. Lähdön pituus on 173km. Oheisesta taulukosta nähdään lähdön kulutusjakauma tehon sekä johdon pituuden mukaan. TAULUKKO 4. Johtolähdön tiedot Väli Muuntopiirit kpl Asiakkaat kpl Keskiteho kw Johtopituus km Sähköasema 1. Potkun katkaisija 23 153 159 31,49 1.Potkunkatkaisija Potkun haara 11 78 45 26,26 1. Potkun katkaisija 2. Juorkunan katkaisija 38 258 166 56,08 2. Juorkunan katkaisija Olvasjärven haara 17 104 65 24,68 2. Juorkunan katkaisija 3. Viitajoen katkaisija 25 191 144 34,97 Yhteensä 114 784 579 173,48 KUVIO 6. SÄRKIJÄRVEN LÄHTÖ Oheisesta taulukosta nähdään vuosina 2005-2007 DMS 600:n tietokantaan tallennetut vikojen määrät tarkasteltavalla johtolähdöllä. Vuoden 2005 tulokset ovat hiukan vajaat, koska vasta tällöin järjestelmä alkoi tallentaa vikoja kyseiseen tietokantaan. Vuosilta 2006 ja 2007 saadut tiedot kattavat koko vuonna tapahtuneet aika- ja pikajälleenkytkennät. 2006 Särkijärven lähdöllä on ollut 24,8 % koko verkossa tapahtuneista vioista. Vuonna 2007 Särkijärven lähdöllä on ollut 28,7 % koko verkon vioista. Kustannuslaskennassa otetaan huomioon vain vuodet
31 2006 ja 2007 aika- ja pikajälleenkytkentöjen suhteen. Vikakeskeytyksissä on käytetty vuosien 2004-2007 keskiarvoa, joka on 4,75 kpl/173 km,a (2.75kpl/100km,a). TAULUKKO 5. Aika- ja pikajälleenkytkennät vuosina 2005 2007. Vuosi 2005 2006 2007 AJK PJK AJK PJK AJK PJK Määrä 1 6 17 42 13 53 Yhteensä 7 59 66 Koko verkko 142 238 230 TAULUKKO 5. Aika- ja pikajälleenkytkennät johtopituutta ja vuotta kohti. Vuosi 2005 2006 2007 AJK PJK AJK PJK AJK PJK Määrä 0,58 3,47 9,83 24,28 7,51 30,64 Yhteensä 4,04 34,1 38,15 Koko verkko 10,46 17,53 16,94 TAULUKKO 7. Painotetut KAH-arvot tarkasteltavalle Utajärven kunnan alueelle. KAH Vikakeskeytys PJK AJK Asiakas- Painotettu KAH /kw /kwh /kw /kw osuus % /kw /kwh PJK AJK Kotitalous 0,36 4,29 0,11 0,48 38,9 0,14 1,67 0,043 0,19 Maatalous 0,45 9,38 0,2 0,62 13 0,059 1,22 0,026 0,081 Teollisuus 3,52 24,45 2,19 2,87 12,2 0,43 2,98 0,27 0,35 Julkinen 1,89 15,08 1,49 2,34 7,5 0,14 1,13 0,11 0,18 Palvelu 2,65 29,89 1,31 2,44 28,4 0,75 8,49 0,37 0,69 Yhteensä 100 1,52 15,49 0,82 1,49
32 Vuoden 2006 katkaisija investoinneilla säästetyt kustannukset. (suluissa v.2007 arvoilla lasketut tulokset): Kustannuslaskenta katkaisijalle (K1 = Potkun katkaisija) Vikakeskeytykselle: 1,52 /kw ja 15,49 /kwh Pysyvän vian erotusaika 15min: 0,25 h * 15,49 / kwh = 3,87 / kw Vikakeskeytyksen kokonaishinta: 1,52 /kw + 3,87 /kw = 5,39 /kw Maastokatkaisijan taakse jäisi tässä tarkastelussa 142km johtopituutta ja se suojelisi alkupään n.159kw kulutusta (keskiteho). Pysyvät viat: 142 km * (4,75 kpl / 173 km, a) * 5,39 /kw * 159 kw = 3341,a (v.2007 tiedoilla 3341,a) Jälleenkytkennät: PJK: 142 km * (42 kpl / 173 km, a) * 0,82 /kw * 159 kw = 4495,a (v.2007 tiedoilla 5672,a) AJK: 142 km * (17 kpl / 173 km, a) * 1,49 /kw * 159 kw = 3306,a (v.2007 tiedoilla 2528,a) Tällöin kokonaissäästö vuonna 2006 olisi ollut: 3341,a + 4495,a + 3306,a = 11142,a (v.2007 tiedoilla 11541,a)
33 Investoinnin vuosiannuiteetti lasketaan korkokannan ja pitoajan avulla seuraavasti: p 100 ε = 1 1 ( 1+ p 100) T missä p = laskentakorko ja T = investointikohteen taloudellinen pitoaika, a Kertomallla annuiteetti kerroin investoinnin kokonaisarvolla (28 000 *) saadaan investoinnin vuosiannuiteetti 1603,a. Edellisistä laskelmista nähdään että investointi on kannattava, koska vuotuinen keskeytyskustannushyöty on suurempi kuin investoinnin vuotuiserä (* Lakervi & Partanen 2008, 153.). Kustannuslaskenta katkaisijalle (K2 = Juorkunan katkaisija) Toisen maastokatkaisijan keskeytyskustannushyötyä määritettäessä on huomioitu, että maastokatkaisija K1 on jo olemassa. Tällöin hyöty K2:sta kohdistuu vain asiakkaisiin, (211kW) jotka sijaitsevat K1:n ja K2:n välisellä verkko-osuudella. Näitä asiakkaita K2 suojaa katkaisijan taakse jääviltä vioilta (57km). Pysyvät viat: 57 km * (4,75 kpl/173 km,a) * 5,39 /kw * 211 kw = 1780,a (v.2007 tiedoillla 1780,a) Jälleenkytkennät: PJK: 57 km * (42 kpl / 173 km, a) * 0,82 /kw * 211 kw = 2394,a (v.2007 tiedoilla 3021,a) AJK: 57 km * (17 kpl / 173 km, a) * 1,49 /kw * 211 kw = 1761,a (v.2007 tiedoilla 1347,a) Täten myös maastokatkaisija K2 on taloudellisesti perusteltavissa vaikka lähdöllä olisikin jo K1 asennettuna. Kokonaiskeskeytyskustannnushyöty molemmista maastokatkaisijoista olisi siis 17077,a.
34 Vuoden 2007 keskeytystiedoilla laskettuna säästö olisi 17689,a. 7.2 Jylhämän lähtö Lähtö on Utasen sähköasemalta ja tämän lähdön pituus on 91,2 km. Lähdöllä on 434 asiakasta ja näiden asiakkaiden keskiteho on 585 kw. Oheisesta taulukosta nähdään lähdön kulutusjakauma tehon sekä runkojohdon pituuden mukaan. TAULUKKO 8. Johtolähdön tiedot Väli Muunto piirit kpl Asiakkaat kpl Keskiteho kw Johtopituus km Sähköasema K1 3 66 173 25,5 K1 K2 22 194 185 34,5 K2 - Loppuosa 25 174 227 31,2 Yhteensä 49 434 585 91,2
35 KUVIO 7. Jylhämän lähtö Oheisesta taulukosta nähdään vuosina 2005-2007 DMS 600:n tietokantaan tallennetut vikojen määrät tarkasteltavalla johtolähdöllä. Vuoden 2005 tulokset ovat hiukan vajaat, koska järjestelmä alkoi tällöin tallentaa vikoja kyseiseen tietokantaan. Vuosilta 2006 ja 2007 saadut tiedot kattavat koko vuonna tapahtuneet aika- ja pikajälleenkytkennät. 2006 Jylhämän lähdöllä on ollut 9,6 % koko verkossa tapahtuneista vioista. Vuonna 2007 Jylhämän lähdöllä on ollut 2,2 % koko verkon vioista. Kustannuslaskennassa otetaan huomioon vain vuodet 2006 ja 2007 aika- ja pikajälleenkytkentöjen suhteen. Vikakeskeytyksissä on käytetty vuosien 2003-2007 keskiarvoa, joka on 3,8kpl/91,2km,a (4,16kpl/100km,a).
36 TAULUKKO 9. Aika- ja pikajälleenkytkennät vuosina 2005 2007. Aika- ja pikajälleenkytkentöjen vertailu 2005-07, kpl Vuosi 2005 2006 2007 Lähtö PJK AJK PJK AJK PJK AJK Jylhämä 7_5 0 0 17 6 4 1 Koko verkko 142 238 230 TAULUKKO 10. Aika- ja pikajälleenkytkennät johtopituutta ja vuotta kohti. Aika- ja pikajälleenkytkennät 2005-07, kpl/100km,a Vuosi 2005 2006 2007 Lähtö PJK AJK PJK AJK PJK AJK Jylhämä 7_5 0 0 18,6 6,58 4,39 1,1 Koko verkko 10,46 17,53 16,94 KAH taulukkoa on painotettu katkaisijan taakse jäävien asiakkaiden tyypin perusteella. Tällöin saadaan todellista tietoa, koska suurin sähkönkuluttaja on palveluasiakas. TAULUKKO 11. KAH -arvot Rokuan katkaisijalle KAH Vikakeskeytys PJK AJK Asiakas- Painotettu KAH /kw /kwh /kw /kw osuus % /kw /kwh PJK AJK Kotitalous 0,36 4,29 0,11 0,48 29,8 0,11 1,28 0,0328 0,14 Maatalous 0,45 9,38 0,2 0,62 0 0 0 0 0 Teollisuus 3,52 24,45 2,19 2,87 0 0 0 0 0 Julkinen 1,89 15,08 1,49 2,34 1 0,0189 0,15 0,0149 0,0234 Palvelu 2,65 29,89 1,31 2,44 69,2 1,83 20,68 0,91 1,69 Yhteensä 100 1,96 22,11 0,96 1,85
37 Vuoden 2006 katkaisija investoinneilla säästetyt kustannukset (suluissa v.2007 arvoilla lasketut tulokset): Kustannuslaskenta katkaisijalle (K1 = Rokuan katkaisija) Vikakeskeytykselle: 1,96 /kw ja 22,11 /kwh Pysyvän vian erotusaika 15min: 0,25 h * 22,11 / kwh = 5,53 / kw Vikakeskeytyksen kokonaishinta: 1,92 /kw + 5,53 /kw = 7,45 /kw Pysyvät viat: 65,5 km * (3,8 kpl / 91,2 km, a) * 7,45 /kw * 173 kw = 3517,a (v.2007 tiedoilla 3517,a) Jälleenkytkennät: PJK: 65,5 km * (17 kpl / 91,2 km, a) * 0,96 /kw * 173 kw = 2028,a (v.2007 tiedoilla 477,a) AJK: 65,5 km * (6 kpl / 91,2 km, a) * 1,85 /kw * 173 kw = 1379,a (v.2007 tiedoilla 230,a) Tällöin kokonaissäästö vuonna 2006 olisi ollut: 3517,a + 2028,a + 1379,a = 6924,a (v.2007 tiedoilla 4224,a) Investoinnin vuosiannuiteetti 1603,a eli investointi on kannattava.
38 Kustannuslaskenta katkaisijalle (K2 = Lähtevänoja) Maastokatkaisijan taakse jäisi tässä tarkastelussa 31,2km johtopituutta ja se suojelisi alkupään n.357kw kulutusta (keskiteho). KAH taulukkona on käytetty aikaisemmassa vaiheessa esiteltyä koko Utajärven kunnan taulukkoa. Vikakeskeytykselle: 1,52 /kw ja 15,49 /kwh Pysyvän vian erotusaika 15min: 0,25 h * 15,49 / kwh = 3,87 / kw Vikakeskeytyksen kokonaishinta: 1,52 /kw + 3,87 /kw = 5,39 /kw Pysyvät viat: 31,2 km * (3,8 kpl / 91,2 km, a) * 5,39 /kw * 358 kw = 2509,a (v.2007 tiedoilla 2509,a) Jälleenkytkennät: PJK: 31,2 km * (17 kpl / 91,2 km, a) * 0,82 /kw * 358 kw = 1707,a (v.2007 tiedoilla 402,a) AJK: 31,2 km * (6 kpl / 91,2 km, a) * 1,49 /kw * 358 kw = 1095,a (v.2007 tiedoilla 182,a) Tällöin kokonaissäästö vuonna 2006 olisi ollut: 2509,a + 1707,a + 1095,a = 5311,a (v.2007 tiedoilla 3092,a)
39 8 YHTEENVETO Kauko-ohjattavien erotinasemien tekniikoista mahdollisesti toteutettaviksi vaihtoehdoiksi jäivät radiomodeemi-, GSM-, GPRS- ja Tetra tiedonsiirtojärjestelmät. 3G tiedonsiirto jäi ulkopuolelle, koska operaattoreilla ei ollut tarjota kuuluvuutta koko keskijänniteverkon alueelle. Rajasimme tiedonsiirtotekniikat kuitenkin käsittämään vain radiomodeemi- ja GPRS järjestelmät. GSM tiedonsiirtotekniikka jäi tarkastelun ulkopuolella sen käyttökustannuksien sekä huonon käyttövarmuuden vuoksi. Tetra järjestelmä puolestaan jäi tarkastelun ulkopuolelle, koska järjestelmästä ei ollut tullut vielä modeemeja ja päätimme, että emme halua olla pilotteja modeemeilla toteutettavalla tiedonsiirrolla. Sähköasemien tekniikoista mahdollisesti toteutettaviksi vaihtoehdoiksi jäivät radiolinkit. WiMAX-, Digitan langaton @450- ja WLAN laajakaistaverkot jäivät ulkopuolelle, koska operaattoreilla ei ollut tarjota kuuluvuutta koko keskijänniteverkon alueelle. WLAN-laajakaistaverkko olisi ollut mahdollista rakentaa, mutta sen rakennuskustannukset olisivat olleet jo kohtuuttomat. Satelliittiteknologialla olisi voitu toteuttaa järjestelmän tietoliikenneyhteydet, mutta sen investointi- ja käyttökustannukset eivät ole kilpailukykyisiä muiden tekniikoiden kanssa. Radiolinkkien ja ADSL yhteyksien osalta tein kustannusarviota. Radiolinkeistä otimme mukaan ainoastaan luvanvaraisella taajuusalueella toimivan vaihtoehdon. Radioluvasta vapaan taajuusalueen linkit jäivät tarkastelusta pois, koska olin sähköpostilla yhteydessä muutamaan sähköverkkoyhtiöön, jotka olivat kokeilleet kyseisiä laitteita omissa tiedonsiirtojärjestelmissä huonoin kokemuksin. Näistä saamiemme tulosten perusteella nykyisellään toimivalle puhelinverkon kautta kulkevalle ADSL yhteydelle ei ollut kannattavia vaihtoehtoja. Maastokatkaisijoille tehdyllä kannattavuustarkastelulla, jokainen suunniteltu sijoituspaikka olisi investoinnin arvoinen. Maastokatkaisijat tullaan sijoittamaan
40 molemmille tarkastelussa oleville lähdöille. Utasen lähdön suunnitetulle katkaisija paikalle K2 ja Särkijärven lähdölle paikalle K2. Oulun Seudun Sähkö Verkkopalvelut Oy lähti toteuttamaan pilottihanketta radiomodeemeilla järjestettävään tiedonsiirtoon kauko-ohjattavien erotin- ja maastokatkaisija asemilla. Pilottihankkeessa toteutus tehdään hajautetulla järjestelmä ratkaisulla, jossa perustetaan kaksi eri tukiasemaa. Toinen tukiasema perustetaan Kempeleen toimipisteelle ja toinen Utajärven toimipisteelle. Kempeleen tukiasemalla ohjataan aluksi kolmea kauko-ohjattavaa erotinasemaa, joista kahdella erotinasemalla on jaettu radiomodeemi tiedonsiirtoyhteys. Tukiasema liittyy käytönhallintajärjestelmään valokuitukaapelin välityksellä. Antenni tulee sijaitsemaan joko OSS:n pihalle rakennettavassa mastossa tai Kempeleen paloaseman tornissa. Utajärven tukiasemalla ohjataan aluksi kahta kauko-ohjattavaa erotinasemaa sekä kahta kauko-ohjattavaa maastokatkaisijaa. Tukiasema liittyy käytönhallintajärjestelmään yhtiön LAN verkon välityksellä. Pilottihanke kestää kaksi vuotta, jonka aikana OSS siirtää kaikki kauko-ohjattavat erotinasemat käyttämään radiomodeemi järjestelmää. Järjestelmä on taloudellisesti ja toiminnaltaan kannattava ratkaisu. Toiminnaltaan radiomodeemi tiedonsiirtoverkossa ei tule yllätyksiä, koska se on itsenäinen verkko. Verkon hyvä puoli on myös, ettei se ole palveluoperaattoreiden varassa, jolloin vaarana voisi olla tiedonsiirtomaksujen nousu. Liitteenä on Viestintäviraston radiolupahakemuksen pohja sekä pilottihankkeesta toimittajille tehty tarjouspyyntö.
41 LÄHTEET Kirjat Aura, L. & Tonteri, A. J. 1993. Sähkölaitostekniikka. Ensimmäinen painos. Helsinki: Werner Söderström Osakeyhtiö. Lakervi, E. & Partanen, J. 2008. Sähkönjakelutekniikka. Helsinki: Gaudeamus University Press / Otatieto. Lehdet Heikkilä, J. 2004. Sähköasema ja sen tärkeimmät laitteet. Fingrid-lehti 1 / 2004, 25. Laitinen, T. 2004. Kytkinlaitteet. Fingrid-lehti 3 / 2004, 22. Raitala, H. 2008. Oulun Seudun Sähkön vuosikertomus 2007, 3, 6, 8-9, 11, 16. Uusitalo, A. 2003. Verkkoyhtiöiden maksettava korvausta pitkistä sähkökatkoksista. Verkonrakennusuutiset 2 / 2003, 18. Julkaisut Pelkkikangas, P. 2006. The Final Report of the ICT of Electric Distribution Network Project, 10. Teokset SFS 6002. Suurjännitesähköasennukset. 2001. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto SFS. Henkilökohtaiset tiedonannot Lehtonen, A. 2008. Tuotepäällikön sähköposti 16.01.2008. UTU Elec Oy. Ulvila. Jussila, J. 2008. Aluejohtajan sähköposti 29.1.2008. Fujitsu Services Oy. Oulu. Vanhatapio, J. Aluepäällikön sähköposti 28.1.2008. Erillisverkot Oy. Rovaniemi. Laari, J. 2008. Radioverkkojen ryhmäpäällikön sähköposti 7.2.2008. DNA Verkot Oy. Vantaa Mobiilitv, O. 2008. Mobiilitv infon sähköposti 28.1.2008. Digita Oy. Helsinki. Sähköiset julkaisut Artell, T. 2004. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu. Automaatio- ja säätötekniikan laitos. Tampere. Www-dokumentti. Saatavissa: http://ae.tut.fi/research/ain/publications/tom_artell.pdf. Luettu 14.04.2008.
42 Energiamarkkinaviasto. 2007. Sähkön jakeluverkkotoiminnan hinnoittelun kohtuullisuuden arvioinnin suuntaviivat vuosille 2008-2011. Www-dokumentti. Saatavissa: http://www.energiamarkkinavirasto.fi/files/sahko_jakeluverkko_suuntaviivat_154-422-2007.pdf Luettu 18.4.2008. Ficora. Radioverkkosuunnitelma. Www-dokumentti. Saatavissa: http://www.ficora.fi/attachments/suomi_lomakkeet/1156489266089/files/currentfil e/rvss.pdf. Luettu 18.4.2008. Jantunen, M. 2003. Seminaarityö. Teknillinen yliopisto. Sähkötekniikan laitos. Lappeenranta. www-dokumentti. Saatavissa: http://www.ee.lut.fi/fi/opi/kurssit/sa2710800/jantunen-scada.pdf. Luettu 9.4.2008. Laajakaistainfo. Eri teknologiat. Www-dokumentti. Saatavissa: http://www.laajakaistainfo.fi/teknologiat/index.php. Luettu 19.4.2008. Pääkäyttäjän ohje. Open++ Opera v.3.3 ja Open++ Integra v.3.3. 2003. ABB Oy. Www-dokumentti. Saatavissa: http://library.abb.com/global/scot/scot229.nsf/veritydisplay/206ca8d553bd 0DA7C125729C005D78BE/$File/Paakayttajanohje.pdf. Luettu 9.2.2008. Sonera. Mikä on 3G?. Www-dokumentti. Saatavissa: http://www.sonera.fi/puhelin+ja+liittym%e4/liikkuva+laajakaista/mik%e4+on+3g %3F. Luettu 20.4.2008. Wikipedia. Internet tietosanakirja. Www-dokumentti. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/gprs. Luettu 27.4.2008. Wikipedia. Internet tietosanakirja. Www-dokumentti. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/wimax. Muutospäiväys 11.5.2008. Luettu 28.4.2008.