The evolving requirements for smart secondary substations in three European regulatory market environments

Abstract

This thesis outlines secondary substation concepts for three European countries, them being Finland, Germany, and Italy. The conceptual solutions were formed to tackle the current technical challenges in the distribution grid. At the same time the concepts take into account the current regulatory frameworks and their expected development. The regulatory frameworks for grid operation are set by national legislation. The return on investment of distribution system operator depends on the regulatory framework, which is why the regulatory framework is a powerful tool for guiding the distribution grid development. In European level the direction of grid development is on a general level clear. An increasing amount of renewables is to be integrated to the electricity distribution network. Regulatory frameworks by definition should drive the distribution system opera-tors into efficient and reliability maintaining investments. In detailed level there is much to improve. For instance while regulatory focus lies on operational efficiency, the quality of service easily suffers. Companies focus on maximizing their profits, and therefore quality of supply has to be inbuilt to the regulatory framework and other legislation. The quality of service is currently ensured by utilizing incentive based regulation. All the focus countries also apply this in their frameworks. The results from interviews conducted for this thesis as well as the literature research indicate the same result: the sufficient reliability incentives together with direct smart grid related investment incentives were discovered to be the most effective drivers for smart solutions. Also long term consistency in regulatory framework development is of utmost importance for investment friendly business environment. The technical concepts outlined in this thesis affect the grid performance indicators e.g. SAIDI, SAIFI, and MAIFI. Improving these indicators has a direct impact on the rate of return of distribution system operators. The results, smart secondary substation concepts, of all the countries include features such as remote control, monitoring, and measurements. The country specific concepts include e.g. two concepts for active voltage control in distribution grid with On-Load Tap Changers, and one concept that utilizes inverters for reactive power control. The technology in the presented concepts exists and can be immediately taken into operation to the benefit of the distribution system operators and electricity consumers.

Tässä diplomityössä on esitelty jakelumuuntamoratkaisu kolmelle eri markkina-alueelle, jotka ovat Suomi, Saksa ja Italia. Nämä konseptitason ratkaisut vastaavat eri markkinoilla vallitseviin teknisiin haasteisiin jakeluverkoissa. Samalla ratkaisut ottavat huomioon nykyisen regulaation eli jakeluverkkoyhtiöiden taloudellisen valvontamallin, sekä regulaation odotetun kehityksen kussakin maassa. Jakeluverkkoyhtiöiden liiketoimintaa ohjaava valvontamalli on määritelty kansallisessa lainsäädännössä. Yhtiöiden sijoitetun pääoman tuotto on vahvasti sidoksissa valvontamalliin, josta syystä valvontamallin muutoksilla voidaan tehokkaasti ohjata jakeluverkkoliiketoiminnan kehitystä haluttuun suuntaan. Euroopassa yleisellä tasolla jakeluverkkojen kehitysnäkymät ovat selvät. Kasvava määrä uusiutuvaa energiaa on liitetty ja liitetään sähkönjakeluverkkoihin lähitulevaisuudessa. Regulaation perimmäisenä tarkoituksena on ohjata yhtiöitä investoimaan mahdollisimman tehokkaasti ja samalla ylläpitämään tai parantamaan verkon luotettavuutta. Tarkemmin tarkastellen verkon kehitysnäkymissä on paljon parannettavaa. Esimerkiksi tilanteissa, joissa regulaatio keskittyy toiminnan tehostamiseen, on vaarana sähkönjakelun laadun heikkeneminen. Jakeluverkkoyhtiöiden tehtävänä on maksimoida voittonsa, joten sähkönjakelun laadun varmistamisen on oltava sisäänrakennettu yhtiöiden kohtuullisen tuoton valvontamalliin ja muuhun lainsäädäntöön. Sähkönjakelun laatu on tässä diplomityössä esitetyissä tapauksissa varmistettu kannustinpohjaisella valvontamallilla. Esitellyt haastattelutulokset sekä kirjallisuuslähteistä saadut tiedot molemmat osoittavat, että riittävät sähkönjakelun luotettavuuskannustimet yhdessä älyverkkoinvestointeihin kohdistettujen kannustimien kanssa ovat tehokkaimmat älyverkkoratkaisuiden ajurit. Lisäksi pitkäjänteisyys valvontamallien kehittämisessä on erittäin tärkeää investointeihin kannustavan liiketoimintaympäristön ylläpitämiseksi. Tässä työssä muodostetut konseptit vaikuttavat verkkojen luotettavuuden arviointiin käytettyihin indikaattoreihin, joita ovat esimerkiksi SAIDI, SAIFI ja MAIFI. Näiden arvojen parantamisella on suora yhteys jakeluverkkoyhtiöiden sijoitetun pääoman tuottoon. Tämän työn tulokset, eli älykkäät jakelumuuntamokonseptit eri markkina-alueilla, sisältävät joitain yhteisiä ominaisuuksia. Näitä ovat kauko-ohjaus, tilatietojen seuranta sekä mittaukset. Maakohtaisissa ratkaisuissa esitellään esimerkiksi kaksi eri konseptia käämikytkimen hyödyntämiseen jännitteensäädössä. Jännitteensäätöön esitellään myös yksi loistehonsäätöä hyödyntävä konsepti. Tuloksissa esitelty teknologia on jo markkinoilla ja se voidaan välittömästi ottaa käyttöön jakeluverkkoyhtiöiden ja sähkön loppukäyttäjien hyödyksi.