System for Lokalisering av Strømbrudd (SLAS)

1 System for Lokalisering av Strømbrudd (SLAS) Av Jardar Birkeland, Eirik Myrvold Hansen Tollef Hjermann, Eirik Strand Sondre Dolsvåg, Torstein Vabo 9.oktober 2014

1 Ingress Vind og vegetasjon forårsaker de fleste strømbrudd i landet. Idag eksisterer ikke et optimalt system for å lokalisere brudd. Norge trenger et slikt system!

3 Innhold 1 Ingress 2 2 Time Warp 4 3 Innledning 5 4 Hva er problemet? 6 4.1 Dagens løsning på problemet...................... 6 4.2 Kostnader knyttet til problemet.................... 7 4.3 Helsesektoren blir lammet....................... 7 5 Beskrivelse av løsningen 8 5.1 Hvordan er systemet satt opp..................... 10 5.2 Systemet forenkler vedlikehold..................... 11 5.3 Viktigheten av et fungerende strømnett................ 11 5.4 Om teknologien............................. 11 6 Markedspotensiale 13 7 Epilog 14 8 Kildeliste 15

4 2 Time Warp Time Warp består av 6 medlemmer med hver sine spesialiteter. Medlemmene er fordelt på 5 ulike studieprogram på NTNU, noe som gjør at laget stiller sterkt innenfor flere områder. Vi er fra Produktutvikling og Produksjon, Bygg- og Miljøteknikk, Geofysikk, Nanoteknologi og Teknisk Kybernitikk. Dette utgjør kompetanse innenfor emner som materialteknologi, fluidmekanikk, termodynamikk, økonomi, signalbehandling, geoteknikk, elektronikk, infrastruktur og geologi som alle er relevant for en oppgave om ekstremvær. Dette utgjør et bredt kompetansespekter, og gir oss innsikt innenfor flere områder.

5 3 Innledning Ekstremværet har inntruffet Trondheim, og året er 2050. Stormen Olav Tryggvason er på sitt sterkeste, og Trondheim er blitt mørklagt. Sykehuset går på nødaggregat, vi mister tilgang på vann i springen, og det er et akutt behov for å få strømmen tilbake. Hva må gjøres? Nettselskapet må ut og finne bruddet på kabelen og reparere dette, men hvor er bruddet? Det kan ta timer eller i verste fall dager å finne bruddet, og man kan ikke gjøre annet enn å håpe at feilen blir funnet fort[2].

6 4 Hva er problemet? Strømnettet er mer sårbart enn noen gang. Kraftige orkaner, stormer og uvær gjør at brudd og kortslutninger på høy- og lavspentledninger vil bli et større problem. Trær velter over strømlinjene, strømmaster velter og islaster medfører brudd. Uvær og andre ytre påkjenninger kan rive i stykker kabler. Strømlinjene kan også bli satt ut av drift ved at trær blir liggende på kablene over tid. Panikk oppstår og vi trenger å finne ut nøyaktig hvor strømbruddet er slik at dette kan repareres fort og effektivt. Dagens metoder for å finne og lokalisere brudd på ledninger er utdaterte, trege og fungerer ikke optimalt[2]. Både strømleverandørene og kundene lider av at det går for lang tid fra kortslutningen er et faktum til strømmen er tilbake. Årsak % Vind 29,4 Vegetasjon 25,2 Annet/ukjent 12,3 Tordenvær 11,6 Snø/is 11,4 Fugl/dyr 4,2 Salt/forurensning 2,2 Vann/fuktighet 2,1 Fremmedlegemer 0,8 Brann/ekplosjon 0,5 Tabell 1: Tabellen viser prosentvis årsakene til strømbrudd[1] 4.1 Dagens løsning på problemet Idag kan man finne ut hvilken krets det er brudd på, men man har lite informasjon utover dette. Dersom bruddet oppstår i en stor krets kan leteområdet strekke seg over mange mil, og det kan ta lang tid å finne bruddet. Det letes med helikopter og andre fremkomstmidler, men ved for sterk vind vil ikke helikopter være aktuelt[3]. Selskaper som Trønder Energi har selv ansvar for å kontrollere egne anlegg og strømnett etter krav i forskrifter om elektriske forsyningsanlegg. Gjennom internkontrollforskriften, energilovforskriften og beredskapsforskriften må rutiner opparbeides slik at feil og mangler oppdages og at nye feil og mangler forhindres. Dette gjøres blant annet gjennom befaringer for å dokumentere at strømlinjene er i en stand som tilfedsstiller kravene[4].

7 4.2 Kostnader knyttet til problemet Strømbrudd som følge av ekstremvær medfører store utgifter for leverandørene. Et eksempel er ekstremværet Ivar som kostet TrønderEnergi 46 millioner kroner[5]. Regjeringen har innført incentiver[6] for å øke kvaliteten på strømleveransen, så 10 av de 46 millionene er tilbakebetalinger til strømkundene som var uten strøm i mer enn 12 timer. 25 millioner gikk til betaling for ikke-levert strøm[5]. Nettselskapene har derfor mye å tjene på så kort nedetid som mulig. Klimarapporter tyder på at ekstremvær vil komme hyppigere i fremtiden, noe som betyr at disse kostnadene vil øke ytterligere[7]. Et annet eksempel som illustrerer skadeomfanget er stormen Jorun hvor 25 høyspentmaster knakk og 8000 satt igjen uten strøm[8]. De samfunnsøkonomiske tapene knyttet til strømbrudd vil også være store, ved at blant annet næringslivet lammes. 4.3 Helsesektoren blir lammet Sykehuset må starte nødaggregatene for å produsere sin egen strøm. Disse vil ikke være tilstrekkelige til å drive sykehuset optimalt. Både kjølesystemer og ventilasjon vil svikte, noe som får betraktelige konsekvenser. Man har begrenset tilgang på drivstoff for å holde generatoren igang, og er derfor avhengig av ekstern drivstofftilførsel. Uten strøm får man ikke pumpet bensin fra vanlige bensinstasjoner, så nødaggregatene vil kun holde i 1-2 dager[9].

8 5 Beskrivelse av løsningen Vi har funnet en løsning som bygger på allerede eksisterende teknologi og som forkorter nedetiden og forenkler vedlikeholdet av strømnettet. Løsningen er realiserbar, enkel og gir stor samfunnsøkonomisk gevinst. Mye av forbedringspotensialet i vedlikehold og nedetid ligger i mangel på sanntidsinformasjon om kablene. I løsningen vår bruker vi en fiberkabel som festes langs med strømkablene(se figur 3). Teknologien kartlegger, i sanntid, fiberkabelens posisjon, orientering og bevegelse i rommet(se figur 5). Fiberkabelen er montert tett langs med strømkabelen og informasjonen vi får på fiberkabelens posisjon er representativ for strømkabelens posisjon. Denne informasjonen sendes tilbake til en overvåkningssentral der programvare registrerer og evaluerer data,(se figur 2) slik at vi får en helt nøyaktig beskrivelse av strømledningens posisjon og orientering. Dette gjør at vi kan lokalisere kabelbrudd og varsle avvik fra ledningens naturlige posisjon. Slike avvik kan f.eks. oppstå når et tre velter over ledningen og ledningen ligger i en unaturlig posisjon som vist på figur 1. Det som er viktig å merke seg angående fiberoptiske bevegelsessensorer er at vi ikke er avhengig av en sluttet krets. Denne informasjonen vil gjøre at el-montører og vedlikeholdspersonell umiddelbart kan rykke ut og reparere skadene, og strømselskapene vil spare millioner på at dette gjøres raskere[10]. Figur 1: Skade på høyspentledning forårsaket at et tre.

9 Figur 2: Figuren viser hvordan systemet kan detektere et tre som har falt på linjen. Dette kunne ellers ikke blitt oppdaget med dagens systemer Figur 3: Figuren viser hvordan fiberkabelen vil ligge parallelt med høyspentkabelen.

10 5.1 Hvordan er systemet satt opp Idag er det norske strømnettet koblet sammen i flere kretser, og størrelsen på disse kretsene varierer. I byene vil de være mindre enn i distriktene. Desto større kretsene er, desto større område må man lete i når man skal lokalisere strømbrudd. Når det oppstår et stømbrudd vil strømmen i den respektive kretsen kortsluttes, og vi får umiddelbart informasjon om hvor bruddet er ved at fiberkabelen også vil oppleve den samme bevegelse som strømkabelen. Det er ikke slik at strømkabelen nødvendigvis må ryke i to deler for at vi skal få en kortslutning. I slike tilfeller vil fiberkabelen fremdeles kunne være uskadet etter kortslutningen. Om fiberkabelen skulle ryke mister vi informasjon om kretsen da muligheten for å få tilbake impulsene som sendes ut forsvinner. Man mister da oversikt over kabelens bevegelse og posisjon, men kan likevel finne ut nøyaktig hvor bruddpunktet er. Grunnen til at bruddet kan lokaliseres er at du vil få refleksjoner fra bruddflaten som kan detekteres[12]. I tillegg har man informasjon om ledningens posisjon rett før bruddet. Har for eksempel et tre veltet over kabelen kan man se at kabelen opplevde ekstrem nedbøyning rett før bruddet inntraff. Fiberkabelen må da reperares på lik linje med strømkabelen. Systemet vårt består av flere delsystem slik at man ikke mister informasjon om så store områder av gangen. Det betyr at fiberkablene er lagt i flere kretser som går ut fra en sentral og sender informasjon tilbake til sentralen. Et stort fortrinn med systemet er at det ikke krever noe form for kommunikasjonsteknologi da sentralen både sender og mottar lyssignalet Figur 4: Standard ADSS kabel. Diameteren på hele kabelen er 21.6mm, og den inneholder 432 individuelle fibere

11 Fiberoptiske kabler er ekstremt tynne, og man kan pakke hundrevis inn i en enkel kabel(se figur 4). I byer og andre områder hvor kompleksiteten på strømnettet øker, vil fibrene fordeles slik at de dekker alle forgreninger av strømnettet. Siden man har plass til flere hundre fiber i en standard ADSS- kabel kan du i teorien splitte kabelen på alle steder strømnettet forgrener seg[13]. 5.2 Systemet forenkler vedlikehold Vår løsning vil også medføre at man kan følge regelverket angående dokumentasjonen av strømledningenes tilstand på en billigere og mer effektiv måte. Grunnen er at vi nå henter samme informasjon optisk som tidligere ble hentet manuelt[4]. 5.3 Viktigheten av et fungerende strømnett Som tidligere nevnt foråsaker ekstremværet mange problemer. Disse problemene er ofte mulig å løse, men mange løsninger krever ustyr som ikke fungerer uten strøm. Derfor er strømnettet vesentlig å få på plass tidlig i en slik krisesituasjon. 5.4 Om teknologien I fiberoptikk bruker man kabler med en kjerne av glass/plast for å skape en bølgeleder som leder lyset gjennom kabelen. Løsningen vår bruker en teknologi der man utnytter en sender/mottaker på en slik fiberoptisk kabel. Et signal sendes inn i kabelen og blir modifisert av krumningene i kabelen. 1 Dette modifiserte signalet detekteres og prosesseres, og kan fremstilles grafisk(se figur 5). Grafikken viser kabelens posisjon. Dette åpner for billig, centimeter-presis kartlegging over hundrevis av kilometer. Systemet vil altså tilby tredimensjonal oversikt over strømnettet i sanntid[12][14]. 1 Teknologien bruker optisk frekvens-domene reflektometri(ofdr), som er utviklet ved NASAs forskningssenter i Langley. OFDR er blitt kommersialisert for bruk i forskjellige anvendelser.

12 Figur 5: Formsensoren vet sin egen posisjon langs hele lengden av kabelen. Kabelen er et lukket upåvirket system, som ikke trenger å bli kalibrert[11] Lysets egenskaper gjør at signalet ikke blir påvirket av elektromagnetisk eller galvanisk støy fra linjene. Selve kabelen kan lages like tynn som et hårstrå, men for økt robusthet på lang sikt er det naturlig å beskytte fiberet med en ytre forsterkning. Maksimal krumning på fiberet er 7cm radius, noe som er tilstrekkelig for vår anvendelse[14]. Programvaren loggfører alltid strømlinjens bevegelse og dette kan brukes til å vurdere hvilken type brudd som har oppstått. Dette gjør det enklere for reparatørene å vite omfanget av skaden, samt hvilket utstyr de må ha med seg for å fikse problemet[12].

13 6 Markedspotensiale Markedspotensialet til denne idéen er potensielt stort på global basis. Hyppigere ekstremvær byr på større utfordringer for å vedlikeholde strømnettet, og det satses mye på driftsikring. Over en tiårsperiode er det planlagt investeringer for 18 milliarder på regionsnettet og opp mot 70 milliarder på sentralnettet i Norge[k]. Dette er investeringer som skal gå til utbygging og utbedring, og vi mener vår idé bør utgjøre en del av disse investeringene. SLAS vil være veldig kostnadsbesparende både for nettselskapene og samfunnet[15].

14 7 Epilog Ideen vår tar direkte tak i et stort problem som eksisterer, vil vedvare og i verste fall eskalere i fremtiden. Vi løser problemet på en realiserbar og enkel måte, og systemet vil raskt kunne implementeres i det norske strømnettet. Det å sikre strømnettet er vesentlig for alt som drives av elektrisitet, og i fremtiden kan vi ikke en gang se for oss viktigheten av dette. Infrastruktur, kommunikasjon, liv og helse står på spill, og elektrisitet er kanskje den viktigste byggesteinen for at et samfunn skal fungere i vår klimamessige usikre fremtid.

15 8 Kildeliste 1. Statnett, Derfor går strømmen, <http://www.statnett.no/samfunnsoppdrag/vartsamfunnsoppdrag/derfor-gar-strommen/ 2. Asbjørn Abrahamsen, El-kraft montør i Otera 3. Njaal Birkeland, El-montør og El-ingeniør i YIT. 4. Norges vassdrags- og energidirektorat, Tiltak for å redusere sannsynligheten for at et område er strømløst over lang tid <http://www.nve.no/global/publikasjoner /Publikasjoner 5. Lena Stette Høyberg, Strømbrudd koster flesk - nettselskapene må ut med 93 millioner etter «Ivar», <http://www.nrk.no/mr/enorme-kostnader-etteruvaeret-ivar-1.11692217>, 30.04.2014, acessed 08.10.2014 6. Ole Bertelsen, Vi bygger Norge - om utbgging av strømnettet, <http://www.regjeringen.no /nn/dep/oed/dokument/proposisjonar-og-meldingar/stortingsmeldingar/2011-2012/meld-st-14-20112012/2/1.html?id=673815> (Accessed 08.10.2014) 7. Kevin Trenberth, Jerry Meehl, Jeff Masters og Richard Somerville, Current Extreme Weather and Climate Change, <http://www.climatecommunication.org/wpcontent/uploads/2011/09/extreme-weather-and-climate-change.pdf>, 07.09.2011, accessed 08.10.2014 8. Torkil Emberland og Espen Bless Stenberg, Over 8000 fikk strømbrudd av Jorun, <http://www.nrk.no/nyheter/1.11593025> 9. Mona Sprenger, Ekstremvær kan lamme helsenorge <http://www.tu.no/kraft/2012/10/19/ ekstremvar-kan-lamme-helse-norge>, 19. okt 2012, accessed 08. okt 10. Statnett og Roar Kristensen (NVE), Tiltak for å redusere sannsynligheten for at et område er strømløst over lang tid(nr.2), <http://www.nve.no/no/kraftmarked/ Regulering-av-nettselskapene/Om-beregning-av-inntektsrammer/Utbetalingved-svart-langvarige-avbrudd/> 11. Erik Folven, førsteamuensis institutt for elektronikk og telekommunikasjon, NTNU. 12. Roger Duncan, Sensing Shape, <http://spie.org/x15732.xml>, 31.09.2005, acessed 08.10.2014

16 13. AFL, ADSS fiberoptisk kabel <https://www.aflglobal.com/products/fiber- Optic-Cable/ADSS/Standard-Design-Cable/Standard_ADSS_Fiber_Optic_Cable.aspx> 14. lunainnovations, Luna Technologies Fiber Optic Shape Sensing, <https://www.youtube.com/ watch?v=iaexp-tpflu>, 15.03.2012, 08.10.2014 15. Sigrun Kavli Mindeberg, Stor vekst i planlagte nettinvesteringer, <http://www.nve.no/no/ Nyhetsarkiv-/Nyheter/Stor-vekst-i-planlagte-investeringer-i-nettet/>, 18.02.2013, (Accesed 08.10.2013)