BRUK AV SMARTGRID-TEKNOLOGI MOT ET AVBRUDDS- FRITT DISTRIBUSJONSNETT

Transkript

1 BRUK AV SMARTGRID-TEKNOLOGI MOT ET AVBRUDDS- FRITT DISTRIBUSJONSNETT Av Tonje Kroglund Rian, masterstudent NTNU, Jan A. Foosnæs, NTE Nett AS og Trond Toftevaag, NTNU Sammendrag Store deler av det norske kraftnettet har høy alder og dyre investeringer vil dermed bli nødvendig i årene som kommer. Ny smart teknologi vil være nyttig å implementere i nettet, blant annet for å sikre bedre nettdrift. Økt grad av fjernstyring vil gjøre det enklere og raskere å håndtere feilsituasjoner og sikre et nett med reduserte avbruddskostnader [1]. Det er mange steder i Norge der nettet er utsatt for uvær, noe som gjør at mange avbrudd skyldes trefall på grunn av sterk vind. I tillegg til tradisjonelle tiltak som for eksempel jordkabel som erstatning for luftlinje og skogrydding vil introduksjon av fjernstyrte brytere og sensorer i nettet være viktige tiltak i årene som kommer. 1. BAKGRUNN Store endringer vil skje i energibransjen i årene som kommer. Mye tyder på at det er på tide å tenke innovativt, ta i bruk nye teknologier og forretningsmodeller som til nå har vært fremmede. Kostnaden for lokal energiproduksjon fra for eksempel solceller er fallende, og lagringsteknologier i form av batteri har en bratt utviklingskurve. Kundene stiller høyere krav til kontinuerlig strømforsyning, og nettselskapene må tilfredsstille kundene i en stadig mer konkurranseutsatt fremtid. Kundene kan for eksempel ta i bruk solceller i kombinasjon med batteripakker, noe som gjør de mer uavhengig av nettselskapets strømforsyning. I det følgende presenteres mulige løsninger for å forbedre forsyningssikkerheten i nettet og redusere avbruddskostnadene. Det er fokusert på økt integrasjon av fjernstyring i distribusjonsnettet for å kunne raskere gjenopprette strømforsyningen etter feil. Det presenteres også feilstatistikk og feilårsaker for distribusjonsnettet for perioden FEILSTATISTIKK Årsstatistikken fra Statnett som viser driftsforstyrrelser, feil og planlagte utkoblinger i 1-22 kv nettet viser at det i snitt per år var

2 (43 %) driftsforstyrrelser og (57 %) planlagte utkoblinger i perioden [2]. I 2015 var det avbrudd, der 40 % var driftsforstyrrelser og 60 % var planlagte utkoblinger. De fleste driftsforstyrrelsene har omgivelsene som hovedårsak, og da er det vind, tordenvær og vegetasjon som er utløsende årsak. Norge er et værutsatt land med mye uvær, noe som forårsaker mange feil på kraftledninger. Mange områder har mye skog slik at trefall på linjer grunnet sterk vind er en hyppig feilårsak. På grunn av mye fjellandskap og tett skog er det flere steder vanskelig å komme til på for å utføre feilreparasjon, noe som vil føre til lang avbruddstid og høye avbruddskostnader i feilsituasjoner. Antall driftsforstyrrelser Figur 1: Driftsforstyrrelser fordelt på hovedårsak for Norge i 2015 [2]. I denne artikkelen presenteres resultatet fra en analyse av et bestemt distribusjonsnett eid av NTE [3]. Dette nettet har historisk høye avbruddskostnader sammenlignet med det øvrige nettet hos NTE. Det var derfor ønskelig å undersøke hovedårsaker til feil for dette nettet. Det kom tydelig frem fra feilhendelsene som er registrert at omgivelser er hovedårsak med vind som utløsende årsak. Driftforstyrrelser på luftlinjer sto for 53 % av totale driftforstyrrelser for perioden for dette området. Feilårsak med størst hyppighet på luftlinjer er trefall som fører til brudd i strømforsyningen.

3 3. TILTAK FOR Å BEDRE FORSYNINGSSIKKERHETEN I dagens løsning for det aktuelle nettet er det lite kommunikasjon med driftssentralen og nettet har liten grad av automatisering. Når det oppstår feil i nettet faller nærmeste effektbryter ut og driftssentralen får alarm som viser hvilke deler av nettet som har falt ut. Energimontørene sendes ut for å finne feilen i nettet. Når montørene i noen tilfeller må gå flere timer til beins vil det ta lang tid før feilen blir rettet. Det kan dermed være mye å spare på bedre feilrettingsprosedyrer og en mer automatisert nettstruktur. Som nevnt tidligere skyldes mange feil trefall på linjer, og derfor kan det være mye å hente på bredere ryddegate. Av tradisjonelle tiltak er derfor skogrydding sett på som et av tiltakene som kan være mest effektivt. Økt integrasjon av fjernstyrte brytere og jordkabel som erstatning for luftlinje er tiltak som presenteres i kapittel 4.1. Bedre feilrettingsrutiner, vedlikeholdsrutiner og datasystem kan føre med seg store besparelser. Det kan skje mye i den digitale utviklingen som gjør at dette blir mer og mer aktuelle og nyttige metoder for å bedre forsyningssikkerheten i distribusjonsnettet i årene som kommer. 4. SMARTE NETT 4.1 Fjernstyrte brytere og sensorer Viktige elementer for å gjøre et nett smartere er økt integrasjon av fjernstyrte brytere og å ta i bruk sensorer som kan oppdage retningen og plassering til feilen og gi signal til driftssentralen. Dette gjør det mulig å få rask gjenoppretting av strømforsyningen for området som er utsatt for avbrudd. For å se resultatet av økt integrasjon av fjernstyrte brytere og bruk av sensorer er det gjennomført analyser av et nett i Nord-Trøndelag. Dette nettet er som nevnt tidligere oftere utsatt for avbrudd sammenlignet med det øvrige nettet hos NTE. Resultatet av analysen viser at ved en omstrukturering av nettet med kabel som hovedforsyning, ekstra effektbrytere og flere omkoblingsmuligheter i nettet vil avbruddskostnadene reduseres fra kr per år til kr per år. Her er avbruddskostnadene korrigert for stormvær. Hvis nettet får en økning i antall fjernstyrte brytere (i denne casen var det 6 flere), vil dette føre til en ytterligere besparelse i avbruddskostnader på i overkant av kr per år. I løpet av mange år fører dette til

4 en betydelig besparelse, men hvis utgiftene for brytere tas med i betraktning vil dette trolig ikke være en lønnsom løsning. Her plasseres fjernstyrte brytere i forgreninger i nettet som erstatning for eksisterende manuelle brytere. Dette må ses på som investeringer mot framtidens energisystemer for å få nettet smartere. Ved integrasjon av sensorer i tilknytting til fjernstyrte brytere vil avbruddskostnadene reduseres, men denne reduksjonen er minimal. I beregningene er det gjort antagelse om at fjernstyrte brytere vil seksjonere ut feilen etter 10 minutter, og med sensorer vil seksjoneringen kunne skje i løpet av 2 minutter. Sensorene er plassert ut på alle fjernstyrte bryterne. Her er det antatt sensoren registrer og retningsbestemmer feilen, og deretter sender signal til driftssentralen. Driftssentralen registrer hvilke sensorer som gir feilsignal, og seksjonerer ut feilen ved å åpne aktuelle fjernstyrte brytere. Informasjonen fra sensorer og økt integrasjon av fjernstyrte brytere kan i fremtiden videreføres i et såkalt «selvreparerende nett» som automatisk kan detektere feil og gjenopprette forsyningen til deler av nettet som ikke er utsatt for avbrudd. Dette vil kunne redusere avbruddskostnadene betraktelig, da avbruddskostnadene bare blir knyttet til den delen av nettet hvor avbruddet har skjedd [4]. Figur 2 viser at det er en betydelig reduksjon i avbruddskostnader ved innføring av fjernstyrte brytere. Det er ikke mye å hente på innføring av sensorer i tilknytting til fjernstyrte brytere. Avbruddskostnader [kr] Case1.1 - Manuelle brytere Case Fjernstyrte brytere Figur 2: Avbruddskostnader tilknyttet ulike scenarioer. Case Fjernstyrte brytere + sensorer Series

5 4.2 Energilagring for backup ved strømbrudd og topplasthåndtering Med et stadig økende effektbehov vil dagens nettkapasitet bli satt på prøve i årene som kommer. Nettselskapene må hele tiden kunne levere nok effekt i den timen i året forbruket er størst. Energilagring kan bli en viktig brikke i denne sammenhengen. Prisen på batteri som lagringsenhet har gått vesentlig ned de siste årene, og dette ser også ut til å være trenden i årene som kommer [5]. Energilagring vil også kunne bli viktig for å sikre en god strømforsyning ved økt integrering av energikilder med uregelmessig produksjon. Interessen for og utbredelsen av bruk av solceller for produksjon av elektrisitet har vært økende de siste årene [6]. Energilagring på batteri i kombinasjon med solceller kan dermed bli attraktivt for husholdninger, og batterier kan bli en viktig komponent for å redusere effekttopper ved bruk av effektkrevende utstyr som for eksempel induksjonstopper og elbillading. Energilagring som backup kan også bli en løsning for reserveforsyning under avbrudd. Statkraft har blant annet tatt i bruk storskala energilagring som kan benyttes som backup løsning og får å sikre god strømkvalitet i et tysk distribusjonsnett. Denne løsningen er på størrelse med tre containere og har lagringskapasitet på 3 MWh [7, 8]. Dette vil være en kostbar løsning å innføre i det norske distribusjonsnettet, men kan bli aktuell ved økt integrasjon av uregelmessige energikilder som for eksempel sol og vind. 5. OPPSUMMERING Økt integrasjon av fjernstyring i nettet vil føre til reduserte avbruddskostnader. Mangel på informasjon om feilrettingsprosedyrer gjør at det er vanskelig å beregne blant annet riktige seksjoneringstider ved fjernstyrt seksjonering, og seksjoneringstiden vil også mest sannsynlig variere en del fra hendelse til hendelse. Nettselskapet kan ha større nytte av innføring av sensorer uten at det trenger å være i kombinasjon med fjernstyrte brytere. Færre fjernstyrte brytere og flere sensorer kan gi en rimelig løsning og vesentlig redusering i avbruddskostnader. Dette bør studeres nærmere.

6 Batteriteknologien er i stadig utvikling og prisen er fallende. Ved reduserte priser og økende lagringskapasitet kan batteri i fremtiden bli en viktig energilagringskilde i distribusjonsnettet. Batterier kan realiseres ved modulbaserte energilagringsenheter for å sikre større deler av forsyning, og mindre energilagringsenheter som batterier i husholdninger for å redusere effekttopper og lagring ved distribuert produksjon. NTE har pilotkunder i nettet med solceller i dag, og det er også aktuelt å innføre batteri på noen av disse kundene for å blant annet studere samspillet mellom solceller og batteri. 6. REFERANSER [1] The Norwegian Smart Grid Center (2016). Om smartgrid (sitert ). [2] Statnett (2016). Årsststistikk 2015, Drifsforstyrrelser, feil og planlagte utkoblinger i 1-22 kv nettet Statnett Feilanalyse. [3] Rian, T. (2016). Bruk av smartgrid teknologi mot et avbruddsfritt distribusjonsnett. Prosjektoppgave ved Institutt for elkraftteknikk høsten 2016, NTNU Trondheim. [4] Kjølle G., Tutvedt K., Simonsen S. (2016) Smartere håndtering av feil i smarte nett Energiteknikk. [5] Christiansen, C., Murray, B. (2015). Energy Storage Study AECOM. [6] Stanislas, M. (2015). Energi og klima. Solenergi i Norge: Status og framtidsutsikter. (sitert ) [7] Hjerde, A. (2016). Statkraft. Sol på boks. (sitert ). [8] Lie, Ø. (2015). Teknisk ukeblad. Statkraft bygger gigantbatteri i Tyskland. (Sitert ).