Kaupunkimaisten alueiden muuntopiirien pienjänniteverkon suunnittelu- ja mitoitusperiaatteet tulevaisuudessa

Abstract

Tässä työssä tutkitaan pienjänniteverkon suunnittelu- ja mitoitusperiaatteita. Työn motivaationa ovat käynnissä oleva energiamurros sekä nykyisten periaatteiden tarkastelu energiamurroksen näkökulmasta. Työn tavoitteena on löytää tulevaisuuden kestävät menetelmät suunnitteluun ja mitoitukseen. Tarkastelu rajataan erityisesti niihin periaatteisiin, joita käytetään kaupunkimaisilla alueilla. Työssä keskitytään niihin energiamurroksen ilmiöihin, jotka vaikuttavat pienjänniteverkon kuormitukseen. Työ koostuu johdannosta, teoriaosuudesta sekä tutkimuksesta, joka koostuu puolistrukturoiduista teemahaastatteluista ja verkkotietojärjestelmän datan analysoinnista.

Teoriaosuus työssä on jaettu kahteen eri osioon. Ensimmäisessä teorian osassa kuvataan yleiset pienjänniteverkon suunnittelu- ja mitoitusperiaatteet. Luvussa kerrotaan myös toimeksiantajan omia periaatteita ja laskentamenetelmiä. Luvussa syvennytään verkon mitoituksessa käytettyihin laskentamenetelmiin ja standardien asettamiin reunaehtoihin. Kuvattujen laskentamenetelmien lisäksi esitellään lyhyesti, kuinka kuormitusprofiilit toimivat ja kuinka verkkotietojärjestelmän hyödyntää näitä tämän laskennassa. Toisessa teorian osassa käsitellään energiamurrosta ja siihen liittyviä ilmiöitä, jotka vaikuttavat pienjänniteverkon suunnitteluun ja mitoitukseen. Työn laajuuden puitteissa lukuun on valittu oleellisimmaksi nähdyt teknologiatrendit. Luvussa käsitellään sähköajoneuvojen lisääntymistä, asuntojen lämmitysmuotojen muuttumista, lisääntyvää pientuotantoa, energiavarastoja ja kysyntäjoustoa.

Teoriassa esitettyjen julkaisujen ja tutkimusten perusteella näistä ilmiöistä merkittävimmäksi verkon suunnittelun näkökulmasta nousivat maalämmön lisääntyminen sekä muut lämpöpumppuratkaisut ja sähköajoneuvot. Nämä tulevat kasvattamaan sähkön kulutusta sekä myös lisäämään yleisesti sähkönsiirtotarvetta. Sähköenergian tarve tulee kasvamaan tulevaisuudessa, mutta verkostosuunnittelun kannalta oleellisin asia on huipputehon kasvu tulevaisuudessa. Merkittävimpänä uhkana havaittiin tehotarpeiden kasvu liittymille, johtuen liikenteen sähköistymisestä sekä sähköisten lämpöpumppuratkaisujen yleistymisestä. Luvussa esitettiin myös, kuinka erilaiset kuormahallinnan menetelmät sekä kysyntäjousto ovat lisääntyneet, mitkä puolestaan pienentävät huipputehon tarvetta. Näitä ei kuitenkaan vielä vaadita suurimmassa osassa kohteissa, joten mitoituksessa näiden huomioimista on vaikea yleistää.

Haastattelut toteutettiin kahdella eri haastattelurungolla, joista toinen oli kohdistettu jakeluverkon suunnittelijoille ja toinen liittymäsuunnittelijoille. Haastattelussa käytettä runko perustui haastateltavan ydinosaamiseen. Haastatteluiden tulokset vahvistivat osaa teoriassa ilmenneitä tuloksia, kuten latauspisteiden ja asuntojen lämmitysmuotojen merkittävää vaikutusta verkon kuormitukseen. Pientuotannon osalta huolia ei ilmennyt haastatteluissa. Teoriassa tämän osalta nähtiin merkittävänä taajaman ulkopuolella, mutta myös mahdolliseksi uhkaksi korkealla integroitumisasteella kaupunkimaisilla alueilla.

Haastatteluiden jälkeen toimeksiantajan verkkotietojärjestelmästä saatua kuormitusdataa analysoitiin ja verrattiin tätä teoriaan, sekä haastatteluiden tuloksiin. Empirian ja teorian perusteella ilmenee, että nykyiset periaatteet suunnittelussa sekä mitoituksessa johtavat siihen, että pienjännitteinen jakeluverkko on erittäin alhaisella kuormituksella. Alhaisen kuormitukseen johtaviin tekijöihin on tunnistettu epävarmuus tulevaisuuden kuormituksesta sekä yhteisten mitoitusperiaatteiden puute. Monen eri suunnittelijan ketjussa suunnitelmiin lisätään kuorman kasvulle varaa, jolloin kuorman kasvu yliarvioidaan. Lisäksi yksittäisten liittymien mitoitus- ja suunnitteluperiaatteet vaativat kehitystä, jotta niiden arviot olisivat todenmukaisia.

This paper examines the design and sizing principles of a low-voltage network. The study is motivated by the ongoing energy transition and the review of current principles from the perspective of the energy transition. The aim is to find sustainable methods for future planning and sizing. In particular, the analysis will be limited to those principles that are used in urban areas. The work focuses on the energy degradation phenomena that affect the load on the low-voltage network. The work consists of an introduction, a theoretical part and a study consisting of semi-structured thematic interviews and analysis of data from a network information system.

The theoretical part of the thesis is divided into two different sections. The first theoretical part describes the general design and sizing principles of a low-voltage network. The chapter also describes the contractor's own principles and calculation methods. It goes into the calculation methods used for network sizing and the constraints imposed by standards. In addition to the calculation methods described, a brief description is given of how load profiles work and how the network information system uses these in its calculations. The second theoretical part discusses energy transition and related phenomena that affect the design and sizing of low-voltage networks. Within the scope of the work, the chapter has selected the technology trends considered most relevant. The chapter covers the growth of electric vehicles, the changing patterns of home heating, increasing small-scale generation, energy storages and demand flexibility.

Based on the publications and studies presented in the theory section, the most significant of these trends from a network design perspective were the increase in geothermal heat, other heat pump solutions and electric vehicles. These will increase the demand for electrical energy and will also increase the need for electricity transmission in general. The demand for electricity will increase in the future, but the most critical issue for network sizing is the increase in peak power in the future. The main threat found is the increase in power needs for connections, due to the electrification of transport and the spread of electric heat pump solutions. The chapter also showed how various load management techniques and demand response have increased, which in turn will reduce the need for peak power. However, these are not yet required in most sites, so it is difficult to generalize about how to take them into account in sizing.

The interviews were carried out in two different interview formats, one for distribution network planners and one for connection planners. The interview frame was based on the interviewee's core competences. The results of the interviews confirmed some of the theoretical findings, such as the significant impact of charging points and home heating on network load. No concerns about small-scale generation appeared from the interviews. In theory, this was seen as significant outside urban areas, but also as a potential threat with high levels of integration in urban areas.

After the interviews, the load data from the client's network information system was analyzed and compared with the theory and the results of the interviews. The empirical and theoretical evidence shows that the current principles of design and sizing lead to a low-voltage distribution network with extremely low loads. Uncertainty about future loads and lack of common sizing principles have been identified as factors leading to low load. In a chain of many different planners, a margin for load growth is added to the plans, resulting in an overestimation of load growth. In addition, sizing and design principles for individual interchanges need to evolve to ensure that their estimates are accurate.