Älykkäiden sähkömittareiden hyödyntäminen maasulkujen tunnistamisessa ja paikantamisessa
Niemi, Antti (2025)
2025
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
2025-08-28
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202508288526
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202508288526
Tiivistelmä
Mittarinvaihtoprojektin jäljiltä lähes kaikilla Elenian asiakkailla on käyttöpaikoillaan uuden sukupolven sähkömittarit. Sähkönkulutuksen mittaamisen lisäksi mittarit tarkkailevat pienjänniteverkon sähkönlaatua. Mittarit havainnoivat vaihejännitteitä sekä -virtoja reaaliaikaisesti 8 kHz näytteenottotaajuudella kaikilta käyttöpaikoilta, joka mahdollistaa mittarien käytön verkonvalvonnassa.
Yleisin syy asiakkaiden kokemille sähkökatkoille on keskijänniteverkossa tapahtuvat maasulut. Elenian tekemissä kenttätesteissä havaittiin ilmiö, jossa keskijänniteverkon maasulusta aiheutuu häiriö pienjänniteverkon vaihejännitteissä. Testien jälkeen Aidon Oy on Elenian aloitteesta tehnyt sähkömittariin maasuluntunnistusalgoritmin, jonka toiminta perustuu kenttätesteissä tehtyihin havaintoihin. Maasulun tapahtumahetkellä pienjänniteverkon kahdessa vaihejännitteessä tapahtuu lyhyt jänniteheilahdus. Ilmiö oli voimakkaampi lähellä vikapaikkaa.
Diplomityössä tutkittiin keskijänniteverkon maasulkujen ilmenemistä pienjänniteverkon puolella. Sähkömittarin maasuluntunnistusalgoritmi tarkkailee vaihejännitteiden tehollisarvoja, joten ne ovat työssä pääasiallisena tarkastelun kohteena. Lisäksi tarkasteltiin muita mahdollisia poikkeamia pienjänniteverkon jännitteissä, jotta maasuluntunnistusalgoritmi ei tulkitse niitä virheellisesti maasuluiksi. Työssä pohdittiin myös maasulkujen paikantamista algoritmin avulla.
Työn tutkimus tehtiin simuloimalla keskijänniteverkon maasulkuja Tampereen yliopiston RTDS-laboratoriossa. Simuloitava verkkomalli tehtiin RSCAD-ohjelmalla. Simuloinnin tuloksena voidaan todeta, että keskijänniteverkon maasulut ovat havaittavissa pienjänniteverkon puolella. Simuloinneissa maasulun aiheuttama jänniteheilahdus esiintyi aina voimakkaampana lähellä vikapaikkaa. Simulaatioympäristössä tehdyt maasulut aiheuttivat pääpiirteiltään vastaavia ilmiöitä kuin kenttätesteissä, mutta tuloksissa oli myös eroavaisuuksia.
Kaksi peräkkäistä maasulkua, jotka simuloitiin verkkoon täysin samoissa olosuhteissa, saattoivat ilmetä pienjänniteverkossa eri tavalla. Työssä todettiin, että eroavaisuudet johtuvat vikahetken jännitteen vaihekulmasta viallisessa vaiheessa. Keskijänniteverkon maasulusta aiheutuva häiriö pienjännitepuolella kestää vain noin jaksonajan neljänneksen eli noin 0,005 s. Vaihejännitteen vaihekulma vikahetkellä vaikuttaa RMS-jännitteisiin siten, että aaltomuodon huippuarvossa tapahtunut poikkeama vaikuttaa RMS-arvoon enemmän kuin nollakohdassa tapahtunut poikkeama. Tästä syystä simulaatioissa välillä maasulku havaittiin yhdessä vaihejännitteessä ja välillä kahdessa. Tämä ilmiö aiheutti myös haasteita sähkömittarin maasuluntunnistusalgoritmille.
Työn perusteella voidaan antaa vahva suositus maasuluntunnistusominaisuuden jatkotestaukselle ja -kehitykselle. Ominaisuutta voi olla hyödyllistä testata uudelleen laboratorio-olosuhteissa ja ehdottoman tarpeellista testata todellisessa verkossa. Testausta kannattaa toteuttaa uusilla kenttätesteillä sekä lähettämällä ominaisuuden asiakkaiden mittareille ja tarkastelemalla sen toimintaa. Tekemällä molemmat testit saadaan kattava kuva ominaisuuden toiminnasta vikatilanteissa sekä normaaliolosuhteissa.
Maasulkujen paikantaminen maasuluntunnistusalgoritmin avulla vaikuttaa työn perusteella lupaavalta. Havaitessaan maasulun mittarilta saadaan tieto maasulusta sekä havaitun ilmiön voimakkuus. Tietojen avulla maasulut voivat olla paikannettavissa esimerkiksi käytöntukijärjestelmässä. Maasulkujen paikantamista algoritmin avulla kannattaa ehdottomasti kehittää, mikäli vikatilanteet saadaan luotettavasti havaittua.
Yleisin syy asiakkaiden kokemille sähkökatkoille on keskijänniteverkossa tapahtuvat maasulut. Elenian tekemissä kenttätesteissä havaittiin ilmiö, jossa keskijänniteverkon maasulusta aiheutuu häiriö pienjänniteverkon vaihejännitteissä. Testien jälkeen Aidon Oy on Elenian aloitteesta tehnyt sähkömittariin maasuluntunnistusalgoritmin, jonka toiminta perustuu kenttätesteissä tehtyihin havaintoihin. Maasulun tapahtumahetkellä pienjänniteverkon kahdessa vaihejännitteessä tapahtuu lyhyt jänniteheilahdus. Ilmiö oli voimakkaampi lähellä vikapaikkaa.
Diplomityössä tutkittiin keskijänniteverkon maasulkujen ilmenemistä pienjänniteverkon puolella. Sähkömittarin maasuluntunnistusalgoritmi tarkkailee vaihejännitteiden tehollisarvoja, joten ne ovat työssä pääasiallisena tarkastelun kohteena. Lisäksi tarkasteltiin muita mahdollisia poikkeamia pienjänniteverkon jännitteissä, jotta maasuluntunnistusalgoritmi ei tulkitse niitä virheellisesti maasuluiksi. Työssä pohdittiin myös maasulkujen paikantamista algoritmin avulla.
Työn tutkimus tehtiin simuloimalla keskijänniteverkon maasulkuja Tampereen yliopiston RTDS-laboratoriossa. Simuloitava verkkomalli tehtiin RSCAD-ohjelmalla. Simuloinnin tuloksena voidaan todeta, että keskijänniteverkon maasulut ovat havaittavissa pienjänniteverkon puolella. Simuloinneissa maasulun aiheuttama jänniteheilahdus esiintyi aina voimakkaampana lähellä vikapaikkaa. Simulaatioympäristössä tehdyt maasulut aiheuttivat pääpiirteiltään vastaavia ilmiöitä kuin kenttätesteissä, mutta tuloksissa oli myös eroavaisuuksia.
Kaksi peräkkäistä maasulkua, jotka simuloitiin verkkoon täysin samoissa olosuhteissa, saattoivat ilmetä pienjänniteverkossa eri tavalla. Työssä todettiin, että eroavaisuudet johtuvat vikahetken jännitteen vaihekulmasta viallisessa vaiheessa. Keskijänniteverkon maasulusta aiheutuva häiriö pienjännitepuolella kestää vain noin jaksonajan neljänneksen eli noin 0,005 s. Vaihejännitteen vaihekulma vikahetkellä vaikuttaa RMS-jännitteisiin siten, että aaltomuodon huippuarvossa tapahtunut poikkeama vaikuttaa RMS-arvoon enemmän kuin nollakohdassa tapahtunut poikkeama. Tästä syystä simulaatioissa välillä maasulku havaittiin yhdessä vaihejännitteessä ja välillä kahdessa. Tämä ilmiö aiheutti myös haasteita sähkömittarin maasuluntunnistusalgoritmille.
Työn perusteella voidaan antaa vahva suositus maasuluntunnistusominaisuuden jatkotestaukselle ja -kehitykselle. Ominaisuutta voi olla hyödyllistä testata uudelleen laboratorio-olosuhteissa ja ehdottoman tarpeellista testata todellisessa verkossa. Testausta kannattaa toteuttaa uusilla kenttätesteillä sekä lähettämällä ominaisuuden asiakkaiden mittareille ja tarkastelemalla sen toimintaa. Tekemällä molemmat testit saadaan kattava kuva ominaisuuden toiminnasta vikatilanteissa sekä normaaliolosuhteissa.
Maasulkujen paikantaminen maasuluntunnistusalgoritmin avulla vaikuttaa työn perusteella lupaavalta. Havaitessaan maasulun mittarilta saadaan tieto maasulusta sekä havaitun ilmiön voimakkuus. Tietojen avulla maasulut voivat olla paikannettavissa esimerkiksi käytöntukijärjestelmässä. Maasulkujen paikantamista algoritmin avulla kannattaa ehdottomasti kehittää, mikäli vikatilanteet saadaan luotettavasti havaittua.