Av David Karlsen, NTNU, Erling Tønne og Jan A. Foosnæs, NTE Nett AS/NTNU

Transkript

1 Av David Karlsen, NTNU, Erling Tønne og Jan A. Foosnæs, NTE Nett AS/NTNU Sammendrag I dag er det lite kunnskap om hva som skjer i distribusjonsnettet, men AMS kan gi et bedre beregningsgrunnlag. I dag benyttes gjerne brukstid for å beregne den største effekten i nettet og Velanders metode kan også benyttes. Ved bruk av verdier fra NetBas viste det seg at de beregnede effektene var langt lavere enn det som ble målt med AMS i Demo Steinkjer. Beregning av optimalt tverrsnitt benytter seg av brukstid for tap. Denne kan finnes fra AMS-data og det ble beregnet optimalt tverrsnitt for fem husstander samt en felles leder og det kan se ut til at flere av lederne burde hatt et større tverrsnitt. Rapporten antyder at AMS-data vil kunne være et viktig bidrag for å gi et bedre datagrunnlag for nettplanlegging. Nettselskapene skal installere AMS til alle sluttbrukere innen Disse smarte målerne vil gi netteierne god informasjon om belastningsforhold i nettet, en informasjon som ikke har vært tilgjengelig tidligere. dan vil disse måledataene kunne påvirke beregninger på fordelings- og distribusjonsnettet sammenlignet med dagens beregningsgrunnlag? Energieffektiviseringen har ført til høyere effekter og større variasjon i forbruk og sammenlagring vil dermed være enda viktigere for å unngå unødvendig store investeringer. Målinger fra Demo Steinkjer (NTE) er benyttet for å se hvordan belastningen bør modelleres og hvordan de kan benyttes ved nettplanlegging. Brukstid og Velanders metode kan benyttes for å beregne de største effektene i nettet, men med innføring av AMS kan den høyeste effekten måles direkte fremfor å estimeres. Videre skal det derfor sees på tre ulike metoder for å finne den største belastningen i nettet, AMS, brukstid og Velanders metode. Disse metodene skal deretter benyttes for å finne den største effekten som opptrer hos 271 kunder, på ti nettstasjoner og avgangen (radialen) som disse ligger under. 13

2 Energiforbruket måles for hver time slik at det vil tilsvare den gjennomsnittlige effekten for hver enkelt time og får dermed kwh/h som enhet. Den største effekten som opptrer i løpet av ett år finnes direkte fra AMS-data og det totale energiforbruket oppnås ved å summere opp de enkelte timesverdiene som vist i ligning ( 1 ). = P () ( 1 ) Årlig energiforbruk [kwh] () Effekt i time i [kwh/h] Én time [h] Antall timer per år [-] Ved å dividere energiforbruket med brukstiden kan den største belastningen finnes som vist i formel ( 2 ). = ( 2 ) T b Brukstid for største last [h] W Årlig energiforbruk [kwh] P maks Største effekt i løpet av én time [kw] Brukstiden er beregnet for ulike kundegrupper ut i fra tidligere effekter og energiforbruk. Brukstiden ble hentet fra NetBas hvor den var satt til 3600 timer for husholdninger og 4000 timer for nettstasjoner. For avgangen ble 4185 timer benyttet. Dette tallet er brukstiden for samleskinnen som avgangen ligger på, men siden avgangen står for 2/3 av den totale lasten, ble det antatt at det ville være en grei tilnærming. 14

3 Velanders metode [1] brukes for å beregne den største effekten i nettet og formelen er vist i ligning ( 3 ). = + ( 3 ) Største effekt [kw] Velanderkonstant 1 Velanderkonstant 2 Årlig energiforbruk [kwh] Antall lastpunkter Velanders metode ble benyttet ved beregning av største effekt på kunde, nettstasjon og avgang. Kundesammensetningen besto i stor grad av husholdninger og metoden ble derfor benyttet til å beregne effektbidraget på avgangen. I denne rapporten er henholdvis 0,00021 og 0,024 benyttet for første og andre Velanderkonstant. Den største effekten som opptrer i nettet vil være viktig ved dimensjonering av komponenter. For å sammenligne metodene har effektene funnet ved brukstid og Velanders metode blitt dividert med effekten fra AMS. Figur 1 viser sammenhengen mellom effekten estimert ved hjelp av brukstid og effekten målt med AMS for 271 kunder. Det var kun fire kunder som hadde en høyere beregnet effekt fra brukstid enn det som ble målt med AMS. Gjennomsnittlig var den beregnede effekten 59,2 % av det som ble målt. 15

4 200,0 % 180,0 % 160,0 % 140,0 % 120,0 % 100,0 % 80,0 % 60,0 % 40,0 % 20,0 % 0,0 % ,0 % 180,0 % 160,0 % 140,0 % 120,0 % 100,0 % 80,0 % 60,0 % 40,0 % 20,0 % 0,0 % Figur 2 viser den største effekten beregnet med Velanders metode sammenlignet med den største effekten fra AMS. I snitt var den beregnede effekten 92,3 % av det som ble målt. 16

5 120,0 % 100,0 % 80,0 % 60,0 % 40,0 % 20,0 % P_Brukstid/P_AMS P_Velanders/P_AMS 0,0 % Figur 3 viser de største effektene ved brukstid og Velanders metode referert til AMS. Gjennomsnittlig var de henholdsvis 90,2 % og 92,8 %. Ingen av nettstasjonene hadde målinger for samtlige kunder og brukstiden fra NetBas ville sannsynligvis gitt et bedre resultat om alle lastpunktene hadde hatt målinger. Allikevel vil en generell brukstid på 4000 timer gi usikkerhet rundt faktisk belastning på fordelingstransformatoren og en summering av underliggende last vil gi en sikrere kunnskap om faktiske forhold. Tabell 1 viser at effekten beregnet fra brukstid stemte bedre med AMS enn det Velanders metode gjorde. Avgangen ligger nærmere regionalnettet hvor nettselskapene har bedre kontroll og det er derfor ventet at brukstiden ville gi en god tilnærming. Metode Største effekt [-] Største effekt referert AMS [-] AMS 5293 kwh/h 100,0 % Brukstid 5433 kw 102,6 % Velanders 4889 kw 92,4 % 17

6 Tapskostnader er en viktig del av nettplanlegging da det er avgjørende ved bestemmelse av optimalt tverrsnitt for elektriske ledere. Formlene i dette avsnittet er i hovedsak hentet fra [1], men det er gjort enkelte justeringer da de skal brukes på timesdata. Ved å benytte AMS-data kan strømmen per time beregnes fra spenning, aktiv effekt og effektfaktor som vist i formel ( 4 ). = 3 = /cos 3 ( 4 ) I Strømmen i time N [A] Tilsynelatende effekt i time N [kva/h] Linjespenning i time N [kv] Aktiv effekt i time N [kwh/h] cos Effektfaktor i time N [-] Ved å kvadrere strømmen er det deretter mulig å bestemme brukstid for tap som vist i formel ( 5 ). = W = = 3 3 = ( 5 ) Brukstid for tap [h] Energitap [kwh] Effekttap [kwh/h] Antall timer i løpet av ett år [h] Én time [h] Motstand [] For å beregne tapskostnadene for ett år benyttes formel ( 6 ). = = + ( 6 ) 18

7 Tapskostnader [kr] Ekvivalent tapskostnad referert tapenes årsmaksimum kr kwår Maksimale effekttap [kw] Kostnad av maksimale effekttap kr kwår Ekvivalent årskostnad av energitap [kr/kwh] Brukstid for tap [timer/år] For å beregne de totale tapskostnadene over en lengre periode, benyttes de kapitaliserte tapskostnadene gitt av formel ( 7 ) = ()(1+) Kapitalisert tapskostnad [kr] Analyseperiodens varighet i antall år [-] Kalkulasjonsrente [-] ( 7 ) Investeringskostnader og tapskostnader er i hovedsak faktorene som avgjør hvilken leder som bør velges, da det er disse kostnadene som varierer med tverrsnittet. Investeringskostnadene vil øke med økende tverrsnitt, mens tapskostnadene vil reduseres. 19

8 Figur 4 viser hvordan fem kunder er koblet opp mot en felles kabel og det skal beregnes optimalt tverrsnitt for disse. Antagelser for beregning av optimalt tverrsnitt er gitt i Tabell 2. Analyseperiodens start 2012 Analyseperiodens varighet 30 år Økonomisk levetid (leder) 30 år Nettnivå 9 Kalkulasjonsrente 4,5 % Lastøkning i analyseperioden 0 % Spenning 230 V Cos phi 0,95 Terreng Løsmasse Beregningene resulterte i at tverrsnittet burde velges til 150 mm 2 for den felles kabelen. dan kostnadene varierer med tverrsnittet er vist i Figur 5 som viser at kostnadene er omtrent like for 95 og 150 mm 2 og en velger derfor det største tverrsnittet. 450,0 400,0 Kostnad [kkr/km] 350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 Totale kostnader [kkr/km] Kapitaliserte tapskostnader [kkr/km] Investeringskostnader [kkr/km] 50,0 0,0 PFSP 3x25 Al/10 PFSP 3x50 Al/16 TFXP 3x95 Al/35 Tverrsnitt [mm^2] TFXP 3x150 Al/50 TFXP 3x240 Al/70 20

9 Beregningene førte til kostnadene vist i Tabell Felles kabel PFSP 3x25 Al/10 PFSP 3x50 Al/16 TFXP 3x95 Al/35 TFXP 3x150 Al/50 TFXP 3x240 Al/70 Opprinnelig tverrsnitt [mm 2 ] Optimalt tverrsnitt [mm 2 ] 125,0 130,7 169,4 131,8 134,9 400,4 132,2 135,2 155,9 135,8 137,5 279,3 154,6 156,1 166,4 156,4 157,2 228,0 179,0 180,0 186,7 180,2 180,7 226,3 218,6 219,2 223,3 219,3 219,7 247, Tabell 3 viser de totale kostnadene for de seks kablene. Da det ikke har blitt tatt hensyn til lastøkning i denne rapporten, burde sannsynligvis flere tverrsnitt vært valgt større. Ved bruk av AMS kan tapene beregnes mer nøyaktig enn i dag. Datagrunnlaget kan benyttes for å finne det største tapet samt beregne totale tap og dermed brukstid for tap. Dette kan deretter benyttes i tradisjonelle metoder for beregning av tapskostnader. Den største effekten som oppstår i nettet vil svært ofte være lavere enn summen av de største effektene til alle underliggende lastpunkter. Dette kalles sammenlagring og er viktig å ta hensyn til for å unngå overdimensjonering. Når den største effekten beregnes fra brukstid eller Velanders metode er det usikkert hvor god sammenlagringen faktisk er i nettet. Ved å summere opp timesdata fra AMS vil det være mulig å se hva som er den faktiske sammenlagringen og dermed den største effekten i 21

10 et knutepunkt. Knutepunkt med flere laster under seg vil ha bedre sammenlagring og dermed høyere brukstid. En kan dermed tenke seg at langt ute i distribusjonsnettet vil brukstiden fra få fordelingstrafoer gi et godt bilde av den faktiske effekten. Et knutepunkt med mange lastpunkter under seg vil derimot ikke ha mulighet til å fange opp denne sammenlagringen og effekten vil sannsynligvis bli relativt høyere enn det som faktisk opptrer. Dette kan derimot unngås med AMS ved å summere opp effektene per time, for deretter å finne den største verdien i datasettet. Sammenligning mellom største effekter fra brukstid, Velanders metode og AMS-data viste at det var store avvik på kundenivå. På nettstasjonene og avgangen var det bedre samsvar mellom de tre metodene og dette virker rimelig da disse knutepunktene ligger nærmere regionalnettet hvor nettselskapene skal ha målinger. Det ser ut til at AMSdata vil kunne gi et bedre beregningsgrunnlag, særlig for lavspentnettet, men også for dimensjonering av komponenter i distribusjonsnettet. AMS-data kan brukes til å beregne brukstid for tap. Med målinger av spenning, aktiv effekt og reaktiv effekt kan strømmen beregnes og kvadratet av strømmen vil gi tapene og brukstid for tap. Dette gjør det mulig å benytte metoden beskrevet i [1] samtidig som nye data kan gi mer nøyaktige resultater. [1] SINTEF Energi AS (2010). Planleggingsbok for kraftnett 22