Toimitusvarmuusvaatimukset ja alueellinen kehittämissuunnitelma haja-asutusalueen sähkönjakeluverkossa
Tsili, Antti (2020)
2020
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-12-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202012168919
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202012168919
Tiivistelmä
Yhteiskunnan jatkuvasti kasvava riippuvuus laadukkaasta ja häiriöttömästä sähkönjakelusta on viime vuosien poikkeustilanteiden aiheuttamien laajojen sähkönjakelun häiriöiden vuoksi ko-rostunut entisestään. Sähkönjakelun toimitusvarmuuden parantamiseksi uusi sähkömarkkinalaki 588/2013 astui voimaan 9. elokuuta 2013. Uuden sähkömarkkinalain mukaan verkkoyhtiöiden on kehitettävä sähköverkkojaan siten, että pisin yhtäjaksoinen keskeytysaika myrskyn tai lumi-kuorman seurauksena on asemakaava-alueella 6 tuntia ja asemakaava-alueen ulkopuolella 36 tuntia.
Sähkömarkkinalain asettamat vaatimukset on täytettävä siirtymäsäännöksessä esitetyn aika-taulun mukaisesti niin, että kaikki sähkönkäyttöpaikat ovat vaatimusten piirissä vuoden 2028 loppuun mennessä. Vuonna 2017 sähkömarkkinalakiin kirjatun muutoksen jälkeen Energiaviras-to on voinut myöntää sähköverkkoyhtiön hakemuksen perusteella jatkoaikaa toimitusvarmuus-vaatimusten täyttämiselle painavista syistä vuoteen 2032 ja erittäin painavista syistä vuoteen 2036 asti. Siirtymäsäännöstä koskien valmisteilla on lakimuutos, jonka mukaan edellä mainitus-ta poikkeuslupamenettelystä luovuttaisiin ja merkittävää ennenaikaista uusimista vaativan säh-köverkon haltijalle myönnettäisiin siirtymäaikaa vuoteen 2036 asti.
Diplomityön tarkoituksena on tutkia uudistetun sähkömarkkinalain mukaisten toimitusvar-muusvaatimusten aiheuttamia haasteita tarkasteltavassa haja-asutusalueen sähkönjakeluver-kossa. Työn keskeisimpänä tutkimuskohteena on uuden kevytsähköaseman vaikutusten tarkas-telu toimitusvarmuuteen sekä normaaleissa että poikkeuksellisissa käyttöolosuhteissa keskey-tyksestä aiheutuvan haitan avulla. Vaikutusten tarkastelu normaaleissa käyttöolosuhteissa to-teutetaan aikavälin 29.4.2019–20.3.2020 tilastotietoihin perustuen. Vastaavasti suurhäiriötarkas-telu toteutetaan vuoden 2016 Rauli sekä 2019 Aapeli-myrskyn tilastotietoihin perustuen. Tämän lisäksi tarkastellaan verkon eri saneerausmenetelmien elinkaarikustannuksia vähäisellä kulutuk-sella olevalla esimerkkitapauksen johto-osuudella sekä arvioidaan eri muutostekijöiden vaiku-tusta tarkasteltavien verkkoratkaisuiden kannattavuuteen.
Sähköaseman tarkastelussa saatujen tulosten perusteella havaitaan, että kun pitkät ja vika-alttiit syöttöalueet jaetaan pienempiin ja helpommin hallittavissa oleviin osiin, keskeytyksestä aiheutuvan haitan kokonaisvaikutus tarkasteltavassa verkossa olisi noin kolmanneksen alhai-sempi niin normaaleissa kuin poikkeuksellisissakin käyttöolosuhteissa, mikäli sähköasema oli-si ollut tarkastelujaksolla käytössä. Molemmissa tilanteissa suurimpana tekijänä ovat verkossa esiintyvät laajat vikakeskeytykset. Vaikutusten havaitaan vaihtelevan hieman lähdöstä riippuen, sillä kahdella tarkasteltavalla lähdöllä keskeytyksestä aiheutuva haitta alenee jopa 40 %, kun taas kolmannella lähdöllä vaikutukset jäävät 20 % tuntumaan.
Saneerausmenetelmien vertailun tuloksena havaitaan, että saneerattavan kohteen ja käytetyn verkkoratkaisun yhteensovittamisella on merkittävä vaikutus investoinnin kannattavuuteen. Yli-leveällä johtokadulla havaitaan olevan elinkaarikustannuksia alentava vaikutus, mikäli kohde ja ajankohta on valittu oikein. Esimerkkitapauksessa tarkastelujakson lopulla käyttöiän jatkamisen seurauksena elinkaarikustannusten havaittiin valitun saneerausmenetelmän mukaan olevan
4,3–17,6 % vastaavia vertailutasoja alhaisemmat. Tulosten mukaan ilman ylileveää johtokatua toteutetuissa verkkoratkaisuissa maakaapelointi vaikuttaa edullisimmalta ja luotettavimmalta vaihtoehdolta, mikäli olosuhteet maakaapeloinnille ovat suotuisat. Ylileveän johtokadun vaiku-tuksesta elinkaarikustannukset tasoittuvat ja selkeää edullisinta vaihtoehtoa ei ole havaittavissa. The modern society’s ever-increasing dependency on high-quality and uninterrupted electrici-ty distribution has become even more pronounced due to pervasive outages caused by excep-tional circumstances of recent years. In order to improve the security of electricity distribution, the new Electricity Market act 588/2013 came into effect on 9th August 2013. According to the Electricity Market Act, grid companies are required to develop their distribution networks so that a single interruption may not last longer than 6 hours in areas covered by local detailed plans and 36 hours in other areas.
The requirements set by the Electricity Market act must be met within the transition time, so that all customers are covered by the requirements by the end of 2028. Following the amend-ment to the Electricity Market Act that came into effect in 2017, the Energy Authority has been able to grant an extension for meeting the security of supply requirements until 2032 for serious reasons and until 2036 for very serious reasons. With regard to the timetable set in the Electrici-ty Market Act, an amendment to the law is being prepared to abandon the above-mentioned exemption procedure and to grant an extension until 2036 to grid companies whose distribution network may require significant early renovation.
The purpose of this thesis is to study the challenges caused by the security of supply re-quirements of the revised Electricity Market Act in the electricity distribution network of an area of dispersed settlement. The main research topic of this thesis is to examine the effects of a new substation under normal and exceptional operating conditions using the outage costs in electrical distribution networks. The analysis of the effects under normal operating conditions is carried out during a timespan of almost one year between 29 April 2019 - 20 March 2020 and under exceptional circumstances during the storms Rauli and Aapeli in 2016 and 2019 using ac-tual statistics. In addition, the life cycle costs of different network renovation methods and the effects of certain changing factors in a part of the network with low power consumption is as-sessed.
Based on the results of the substation review, it is found that by dividing the long and fault-prone feeders into smaller and more manageable sections, the overall impact of the outage costs in electrical distribution networks would be reduced by about one-third under both normal and exceptional operating conditions if the substations had been in use at the time. In both sit-uations, the biggest factors are found to be the large-scale power outages. The effects are found to vary slightly depending on the feeder, with two feeders having their outage costs re-duced by as much as 40 %, while the third feeder would have a 20 % reduction.
As a result of the comparison of the renovation methods, it is found that the coordination of the object to be renovated and the network solution used has a significant effect on the suita-bility of the investment. When this is done correctly the results show that the life cycle costs are reduced. At the end of the review period, as a result of the extension of the service life, the total costs are found to be 4,3 to 17,6 % lower than the corresponding reference levels. The re-sults also show that underground cabling seems to be the cheapest and most reliable option for network solutions implemented without wide power line corridor if the conditions for under-ground cabling are favorable. As a result of the wide power line corridor, the life cycle costs are leveled out and no clear cheapest alternative can be detected.
Sähkömarkkinalain asettamat vaatimukset on täytettävä siirtymäsäännöksessä esitetyn aika-taulun mukaisesti niin, että kaikki sähkönkäyttöpaikat ovat vaatimusten piirissä vuoden 2028 loppuun mennessä. Vuonna 2017 sähkömarkkinalakiin kirjatun muutoksen jälkeen Energiaviras-to on voinut myöntää sähköverkkoyhtiön hakemuksen perusteella jatkoaikaa toimitusvarmuus-vaatimusten täyttämiselle painavista syistä vuoteen 2032 ja erittäin painavista syistä vuoteen 2036 asti. Siirtymäsäännöstä koskien valmisteilla on lakimuutos, jonka mukaan edellä mainitus-ta poikkeuslupamenettelystä luovuttaisiin ja merkittävää ennenaikaista uusimista vaativan säh-köverkon haltijalle myönnettäisiin siirtymäaikaa vuoteen 2036 asti.
Diplomityön tarkoituksena on tutkia uudistetun sähkömarkkinalain mukaisten toimitusvar-muusvaatimusten aiheuttamia haasteita tarkasteltavassa haja-asutusalueen sähkönjakeluver-kossa. Työn keskeisimpänä tutkimuskohteena on uuden kevytsähköaseman vaikutusten tarkas-telu toimitusvarmuuteen sekä normaaleissa että poikkeuksellisissa käyttöolosuhteissa keskey-tyksestä aiheutuvan haitan avulla. Vaikutusten tarkastelu normaaleissa käyttöolosuhteissa to-teutetaan aikavälin 29.4.2019–20.3.2020 tilastotietoihin perustuen. Vastaavasti suurhäiriötarkas-telu toteutetaan vuoden 2016 Rauli sekä 2019 Aapeli-myrskyn tilastotietoihin perustuen. Tämän lisäksi tarkastellaan verkon eri saneerausmenetelmien elinkaarikustannuksia vähäisellä kulutuk-sella olevalla esimerkkitapauksen johto-osuudella sekä arvioidaan eri muutostekijöiden vaiku-tusta tarkasteltavien verkkoratkaisuiden kannattavuuteen.
Sähköaseman tarkastelussa saatujen tulosten perusteella havaitaan, että kun pitkät ja vika-alttiit syöttöalueet jaetaan pienempiin ja helpommin hallittavissa oleviin osiin, keskeytyksestä aiheutuvan haitan kokonaisvaikutus tarkasteltavassa verkossa olisi noin kolmanneksen alhai-sempi niin normaaleissa kuin poikkeuksellisissakin käyttöolosuhteissa, mikäli sähköasema oli-si ollut tarkastelujaksolla käytössä. Molemmissa tilanteissa suurimpana tekijänä ovat verkossa esiintyvät laajat vikakeskeytykset. Vaikutusten havaitaan vaihtelevan hieman lähdöstä riippuen, sillä kahdella tarkasteltavalla lähdöllä keskeytyksestä aiheutuva haitta alenee jopa 40 %, kun taas kolmannella lähdöllä vaikutukset jäävät 20 % tuntumaan.
Saneerausmenetelmien vertailun tuloksena havaitaan, että saneerattavan kohteen ja käytetyn verkkoratkaisun yhteensovittamisella on merkittävä vaikutus investoinnin kannattavuuteen. Yli-leveällä johtokadulla havaitaan olevan elinkaarikustannuksia alentava vaikutus, mikäli kohde ja ajankohta on valittu oikein. Esimerkkitapauksessa tarkastelujakson lopulla käyttöiän jatkamisen seurauksena elinkaarikustannusten havaittiin valitun saneerausmenetelmän mukaan olevan
4,3–17,6 % vastaavia vertailutasoja alhaisemmat. Tulosten mukaan ilman ylileveää johtokatua toteutetuissa verkkoratkaisuissa maakaapelointi vaikuttaa edullisimmalta ja luotettavimmalta vaihtoehdolta, mikäli olosuhteet maakaapeloinnille ovat suotuisat. Ylileveän johtokadun vaiku-tuksesta elinkaarikustannukset tasoittuvat ja selkeää edullisinta vaihtoehtoa ei ole havaittavissa.
The requirements set by the Electricity Market act must be met within the transition time, so that all customers are covered by the requirements by the end of 2028. Following the amend-ment to the Electricity Market Act that came into effect in 2017, the Energy Authority has been able to grant an extension for meeting the security of supply requirements until 2032 for serious reasons and until 2036 for very serious reasons. With regard to the timetable set in the Electrici-ty Market Act, an amendment to the law is being prepared to abandon the above-mentioned exemption procedure and to grant an extension until 2036 to grid companies whose distribution network may require significant early renovation.
The purpose of this thesis is to study the challenges caused by the security of supply re-quirements of the revised Electricity Market Act in the electricity distribution network of an area of dispersed settlement. The main research topic of this thesis is to examine the effects of a new substation under normal and exceptional operating conditions using the outage costs in electrical distribution networks. The analysis of the effects under normal operating conditions is carried out during a timespan of almost one year between 29 April 2019 - 20 March 2020 and under exceptional circumstances during the storms Rauli and Aapeli in 2016 and 2019 using ac-tual statistics. In addition, the life cycle costs of different network renovation methods and the effects of certain changing factors in a part of the network with low power consumption is as-sessed.
Based on the results of the substation review, it is found that by dividing the long and fault-prone feeders into smaller and more manageable sections, the overall impact of the outage costs in electrical distribution networks would be reduced by about one-third under both normal and exceptional operating conditions if the substations had been in use at the time. In both sit-uations, the biggest factors are found to be the large-scale power outages. The effects are found to vary slightly depending on the feeder, with two feeders having their outage costs re-duced by as much as 40 %, while the third feeder would have a 20 % reduction.
As a result of the comparison of the renovation methods, it is found that the coordination of the object to be renovated and the network solution used has a significant effect on the suita-bility of the investment. When this is done correctly the results show that the life cycle costs are reduced. At the end of the review period, as a result of the extension of the service life, the total costs are found to be 4,3 to 17,6 % lower than the corresponding reference levels. The re-sults also show that underground cabling seems to be the cheapest and most reliable option for network solutions implemented without wide power line corridor if the conditions for under-ground cabling are favorable. As a result of the wide power line corridor, the life cycle costs are leveled out and no clear cheapest alternative can be detected.