ESTIMERING AV KILE-KOSTNADER VED SEKSJONERING OG FEILRETTING I HØYSPENNINGS DISTRIBUSJONS- NETT Av Jørgen Tjersland, TrønderEnergi Nett AS Sammendrag Det er i prosjektet utviklet og implementert en metode som forbedrer beregning av avbruddskostnader. Topologiske forhold blir inkludert i tillegg til at arbeidsprosessen ved feilretting tas hensyn til. Metodikken etterligner faktiske seksjoneringsforløp ved både handlinger og valg av seksjoneringspunkt. Aktuelle tider i forløpet brukes for å beregne en realistisk KILE-kostnad. Metodikken er i praksis en "feilsøkealgoritme" der resultatet er utetid for rammede nettstasjoner og deres sluttbrukere som følge av feilrettingsforløpet ved en enkeltfeil i et gitt bryterområde.. 1. BAKGRUNN OG FORMÅL Deler av rapporten er basert på undertegnedes masteroppgave [1] ved Institutt for elkraftteknikk, NTNU, våren 2016. Senere arbeid er en del av FoU-prosjektet «Mobil løsning for effektivt vedlikehold» i samarbeid med Powel AS. Nye reguleringer som ga økonomisk insentiv til å utsette investeringer og å forlenge levetid på komponenter i kraftnettet har ført til en aldrende infrastruktur. Nettselskap har i perioden økt fokuset på tilstandsog risikobaserte vedlikeholdsprosesser. Tilstand vurderes ut fra historikk og befaring, mens risikoanalyser forsøker å fastsette sannsynligheten for og konsekvensene av en gitt hendelse. De økonomiske konsekvensene ved avbrudd er et element som inngår i dette aspektet. Avbruddskostnader er fastsatt i KILE-ordningen [2] som en del av nettselskaps inntektsramme, og det er derfor ønskelig å klassifisere komponenter etter kostnad de representerer ved feil. TrønderEnergi Nett bruker i dag kostnaden forbundet med en times avbrudd for å kvantifisere denne. Kostnaden er satt på nettstasjoner og avbruddskostnad for omliggende kraftlinjer beregnes med utgangspunkt i nærhet til disse og andre topologiske forhold. Det er ikke benyttet en formell metodikk i beregningene. Grunnlaget er ekspertvurderinger basert på intuisjon og lang praktisk erfaring.
Formålet med KILE-ordningen er å oppnå best mulig leveringspålitelighet i nettet basert på økonomiske premisser. Kostnadene ved avbrudd blir dermed inkludert i nettselskaps regnskap på lik linje med kostnadene for drift, vedlikehold, investeringer og elektriske overføringstap. Ved å minimere summen av disse kostnadene gjennom en fornuftig allokering av ressurser vil nettselskap oppnå et samfunnsøkonomisk optimalt pålitelighetsnivå i deres nettområde. Optimalt pålitelighetsnivå er derfor ikke det samme som immunitet mot enhver feil, men oppnås ved å balansere ulike kostnader. Figur 1 viser hvordan dette er tiltenkt å fungere. Figur 1: Samfunnsøkonomisk optimalt pålitelighetsnivå (Kilde: SINTEF Planleggingsbok for kraftnett, 2003) 2. RISIKOBASERT NETTFORVALTNING Kostnadene i Figur 1 inngår i et komplekst sammenhengende system. Tilgjengelige økonomiske og tekniske midler må derfor brukes der de trengs mest. Nettselskap er dermed avhengige av å kunne prioritere ulike prosjekter og arbeidsmåter etter visse kriterier for at nettet skal forvaltes effektivt. Dette gjøres ved at avkastning veies opp mot risiko, og kalles risikobasert nettforvaltning. Risiko kan beskrives som kombinasjonen av sannsynlighet og konsekvens for en fremtidig hendelse. Konsekvenser ved avbrudd kan for eksempel vurderes ut fra kriteriene personsikkerhet, miljø, omdømme, leveringskvalitet og økonomi. En god fornyelses- og vedlikeholdsstrategi kombinerer risiko- og tilstandsbaserte vurderinger, samtidig som praktiske resultater og erfa-
ringer kontinuerlig brukes til å forbedre rutiner og arbeidsprosesser. Problemer med at det ikke finnes tilstrekkelig mengde relevante data og statistikk til å ta beslutninger oppstår ofte. Som nevnt brukes vurderinger fra eksperter innad i nettselskap til å kompensere for dette. Innenfor vurdering av økonomiske konsekvenser ved avbrudd, er det mangel på både anvendbar statistikk og kvantitative kostnadsberegninger. Slike beregninger kan være svært omfattende og tidkrevende. Et verktøy som beregner forventede KILE-kostnader er derfor ønskelig. Med forventet KILE-kostnad menes avbruddskostnaden forårsaket av at en komponent i et gitt bryterområde feiler og ikke kan utføre sin funksjon over en viss tid. Denne kostnaden avhenger av antall rammede sluttbrukere, størrelsen på deres kostnadsfunksjoner og avbruddets varighet. Varigheten er igjen avhengig av flere faktorer, blant annet kraftnettets type, geografiske beliggenhet, topologi og fremgangsmåte ved seksjonering. 3. HØYSPENNINGS DISTRIBUSJONSNETT Kabelnett finnes hovedsakelig i byer og tettbebygde strøk, mens luftlinjenett forsyner større områder og er tilpasset omliggende geografi. I forhold til luftlinjenett er kabelnett mer kompakte i utstrekning, og har ofte flere koblingsmuligheter. Felles for begge typene av høyspennings distribusjonsnett er at disse i utgangspunktet er radielt drevet, der åpne maskeforbindelser representerer alternative forsyningsveier. I en normal driftssituasjon vil ikke disse benyttes, men ved driftsforstyrrelser som fører til avbrudd kan maskeforbindelsene brukes til reservemating. Nett omtales som blandet hvis det består av mer enn 10 % av både luftlinje og kabel. Radielt drevne avganger forsynes fra transformatorstasjoner som tar spenningen ned fra regional- til distribusjonsnivå. Mellom transformatoren og hver radial ligger en effektbryter. Denne kan bryte en spenningssatt krets, både ved normal belastning og ved kortslutninger. Bryteren utløses automatisk ved feil og kan dessuten fjernstyres fra driftssentral. Hele radialen som forsynes gjennom bryteren mister da forsyning. Effektbrytere kan også være plassert lengre ute i avgangen. Videre er det en vesensforskjell i oppbygging av kabel- og luftlinjenett, og denne gjør at fremgangsmåten ved seksjonering og feilretting blir ulik. Kabelnett er bygget opp av nettstasjoner og kabelstrekninger. Kabelstrekninger kobler sammen nettstasjoner og består som oftest av flere
skjøtede kabler. Nettstasjoner, også kjent som transformatorkiosker, er bygninger som inneholder én eller flere fordelingstransformatorer, sikringer, samleskinner, skille- og lastskillebrytere. Kabelstrekninger endeavsluttes inne i nettstasjon rett før bryterkobling mot samleskinne. Skillebryter kan kun opereres når den har lik spenning på hver side, mens lastskillebrytere kan kobles ved normale belastninger. Det er vanlig å bare ha lastskillebrytere som koblingspunkt mellom strekninger i kabelnett. I luftlinjenett finnes begge brytertyper, og andelen av skillebrytere er klart størst. Nettstasjoner er utbredt, men brytere og fordelingstransformatorer kan også være plassert i mastestolper. Denne typen konfigurasjon er like vanlig, og koblinger foretas fra mastefot. Typisk utforming på et luftlinjenett er en lang hovedlinje med flere avgreininger i varierende størrelse. Langs hovedlinjen finnes det brytere til å dele opp nettet, mens brytere utenfor oftest går til fordelingstransformatorer. Antall og type brytere i avgreininger er avhengig av område og last som forsynes. 3.1 Feilhåndtering Ved avbrudd varsles driftssentral umiddelbart og utløst effektbryter lokaliseres. Vaktmontør blir tilkalt fra sitt tilholdssted og rykker ut til feilrammet radial samtidig som operatør samler informasjon om størrelse på området, topologi og feilhistorikk. Operatør undersøker også om ytre forhold kan ha vært utløsende årsak til avbruddet. Hvilken komponent som feilet og hvilke brytere denne kan isoleres mellom vites imidlertid ikke. Feilen finnes ved at montør seksjonerer nettet manuelt, koordinert fra driftssentral. Før dette kan fjernstyrte brytere ha blitt brukt til å redusere feilsøkeområdet. Det er driftssentralens praksis som er utslagsgivende for hendelsesforløpet ved seksjonering, og derav størrelse på KILE-kostnad ved avbrudd. Det mest relevante driftssentral må skaffe seg oversikt over langs hovedlinje og avgreininger er: Type brytere og lokasjon Lastfordeling, -type og kritikalitet Alternative forsyningsveier Utstrekning Dette brukes i kombinasjon med erfaring fra feilutsatt område for å vurdere og velge fordelaktige seksjoneringspunkt. Seksjoneringspunkt er brytere, og er som nevnt plassert i nettstasjoner eller mastestolper.
For hver seksjonering reduseres feilsøkeområdet, med ulik fremgangsmåte i luft- og kabelnett. Seksjonering fortsetter frem til feilbefengt del er isolert. Avhengig av mulighet for reservemating og i hvilket område feilen ligger, kan forsyning til samtlige sluttbrukere gjenopprettes før reparasjon påbegynnes. Hvis dette ikke er tilfellet, vil ikke siste sluttbruker få forsyning tilbake før reparasjon avsluttes eller ved at det kobles til et aggregat. Seksjonering av luftlinjenett er basert på prøvekobling av utløst effektbryter mot feil. Det vil si at montør åpner lastskillebrytere sekvensielt nedstrøms langs hovedlinje for hver sjekk. Eksempelvis vil operatør legge inn effektbryter mot første lastskillebryter etter at denne er åpnet for å sjekke om feilen befinner seg mellom disse. Hvis nettet står, åpner montør neste nedstrøms lastskillebryter og lukker deretter den forrige. Fremgangsmåten ved ut- og innkobling av lastskillebrytere langs hovedlinje og mot avgreininger er avhengig av hvor mange montører som deltar i feilrettingen. Etter at feil er lokalisert mellom to lastskillere, brukes samme fremgangsmåte for skillebrytere innenfor dette området. Først til å lokalisere feilen mellom to brytere langs hovedlinjen, for deretter å åpne alle brytere ut fra denne som har komponenter med utstrekning på hver side. Bryterne lukkes én etter én, og prøvekobling foretas i samme mønster. Feilen isoleres dermed innenfor minst mulig bryterområde eller ut mot en fordelingstransformator. Effektbryter kan dermed utløses flere ganger ved seksjonering i linjenett. Driftssentral har ofte mål om å foreta minst mulig prøvekoblinger direkte mot feil, blant annet for å skåne effektbryter mot gjentatt høye belastninger. I eksempelet over utløses effektbryter tre ganger som følge av prøvekobling. Det foretas ekstra prøvekoblinger hvis andre fjernstyrte brytere kan benyttes. Forsyning kan bare gjenopprettes til nett nedstrøms for feil eller i avgreininger etter at denne er lokalisert mellom lastskillebrytere. Dette fordi det vil prøvekobles fra oppstrøms område helt til feil er isolert. Forsyning gjenopprettes da via alternative forsyningsveier hvis disse er tilgjengelige. Ellers vil område være spenningsløst frem til feilsøking avsluttes. Oppstrøms område det prøvekobles gjennom opplever dermed flere avbrudd, og får ikke tilbake kontinuerlig forsyning før feil er isolert. I kabelnett lokaliseres feil ved isolasjonsmåling. Effektbryter utløses derfor bare det øyeblikket feilen inntreffer. Isolasjonsmåling går ut på å måle isolasjon mellom leder og jord. Dersom motstanden er liten indikerer dette jord- eller kortslutning, og man finner retning mot feil. Feilsøkeområdet deles dermed i to eller tre for hvert seksjonerings-
punkt avhengig av om samleskinne i nettstasjon det måles fra har avgreininger. Isolasjonsmåling foretas alltid i nedstrøms retning etter at oppstrøms bryter er åpnet. Tiden det tar å koble til og fra utstyr avhenger av anleggstype og denne varierer fra 10-30 min. Isolasjonsmåling har derfor stor påvirkning på total seksjoneringstid ettersom det er kort kjøretid mellom nettstasjoner tilhørende samme radial på grunn av små avstander. Hovedfokuset ved seksjonering i kabelnett har vært å finne feilen fremfor å gjenopprette forsyning raskest mulig og dermed minimere avbruddskostnader. Å gjenopprette forsyning raskest mulig betyr å koble inn størst andel av sluttbrukeres last ved færrest antall seksjoneringer på minst mulig tid. Ettersom seksjonering ikke er basert på prøvekobling, kan forsyning alltid gjenopprettes til friskmeldt område uavhengig av hvor dette ligger i topologien, så lenge reservemating er tilgjengelig. Last defineres her som kostnad ved en times avbrudd under høy belastning fremfor en effekt- eller energistørrelse, og hver nettstasjon representerer én last. Denne sier dermed noe om nettstasjoners økonomiske viktighet i forhold til hverandre. Seksjoneringspunkt velges slik at feilsøkeområdet halveres etter uteliggende last. I prinsippet vil man med denne metoden gjenopprette minst 50 % av uteliggende last for hver seksjonering. Det vil si at det ved første seksjonering kobles inn 50 % av last, andre seksjonering kobler inn 25 % og så videre. Dette skjer med mindre kritiske sluttbrukere med liten last prioriteres tidlig i feilrettingsforløpet, eller andre forhold gjør at gjenopprettelse av normal eller alternativ forsyningsvei blir utsatt. Flere montører eller isolasjonsmåling fra avgreiningspunkt kan potensielt gjenopprette forsyning til mer enn halvparten av uteliggende last for hver seksjonering. 4. BEREGNING AV KILE-KOSTNADER I påfølgende delkapitler er forutsetninger og datagrunnlag for den implementerte metoden listet opp. Videre følger en kort beskrivelse av hvilke tider som inngår i arbeidsprosessen ved feilretting. Til slutt presenteres resultater fra seksjonering i et luftlinjenett. 4.1 Forutsetninger Nett driftes radielt
Ser på enkeltstående feil: Én feil per bryterområde per feilrettingsforløp uten at feilen har kaskaderende effekt Ingen informasjon tilgjengelig om ytre påvirkninger som kan redusere feilsøkeområdet Ideelle verninnstillinger: Første effektbryter oppstrøms for feilsted utløses alltid Ideelle reservematingsmuligheter: Disse har alltid tilstrekkelig kapasitet Lik håndteringsevne for alle feil: Samme tilgjengelighet av mannskap, andre ressurser og koordinering av disse 4.2 Datagrunnlag Bryterbilde med type brytere, tilstand INN eller UT og om fjernstyring er tilgjengelig Utstrekning på kraftlinjer mellom disse Fordelingstransformatorers sluttbrukere og lastdata Geografisk plassering (koordinater) av samtlige objekter Montørs tilholdssted 4.3 Arbeidsprosess Bidrag til utetid deles i to, der driftssentral og montør ute i felt står for hver sin del. Tidsbidrag fra driftssentral er i forbindelse med oppstart, og senere ved bruk av fjernstyrte brytere. Resten av forløpet består av kjøretider og handlinger utført av montør. Kjøretider er mellom valgte seksjoneringspunkt og reservematingsmuligheter, mens handlinger er adgang til koblingspunkt, bruk av brytere her og/eller anvendelse av isolasjonsmålingsutstyr. Reparasjonstid inngår til slutt. 4.4 Resultater Avgangen i luftlinjenettet i Figur 2 inneholder to effektbrytere (blå firkanter). Avbruddskostnad for hvert bryterområde innenfor disse er beregnet med den implementerte metoden og presentert med en fargekode. Denne deler områdene inn etter lav, middels og høy feilkonsekvens. I figuren er lav feilkonsekvens en avbruddskostnad på opp til 30 knok, middels er mellom 30 og 100 knok, og høy feilkonsekvens er avbruddskostnader på over 100 knok. Kategoriseringen av feilkonsekvens i intervallene er kvalitative, og det er opp til hvert enkelt nettselskap å definere disse på en hensiktsmessig måte. Dette gjør det lettere å få oversikt over og mulig sammenligne forskjellige bry-
terområder og avganger. Andre risiko- og tilstandsbaserte vurderinger bør inkluderes i sammenligningsgrunnlaget. Nøyaktig kostnad for hvert bryterområde kan også presenteres i tabellform, og inngå i ulike investeringsanalyser eller brukes til andre forvaltningsformål. Høy Middels Lav Figur 2: KILE-kostnad illustrert med fargekode i ulike intervaller 5. OPPSUMMERING KILE-kostnad for et bryterområde beregnes fra nettstasjoners utetid ved avbrudd med hjelp av en algoritme som etterligner seksjoneringsmetodikk anvendt av driftssentral. Denne fokuserer på arbeidsprosessen til operatør og montør ved en faktisk feilretting av ulike typer nett. Tider i forbindelse med handlinger nødvendig for å seksjonere nett blir lagret, og er grunnlaget for resultatet. Styrken til metoden er at den finner hensiktsmessige seksjoneringspunkt og klarer å etterligne feilrettingsforløp på en tilfredsstillende måte. Slike omfattende beregninger har tidligere vært svært tidkrevende. Avbruddskostnad for samtlige bryterområder i alle avganger fra en transformatorstasjon kan nå beregnes på få sekunder. 6. REFERANSER [1] Tjersland, J. (2016). Estimering av KILE-kostnader ved seksjonering og feilretting i høyspennings distribusjonsnett, Masteroppgave ved NTNU, Institutt for elkraftteknikk.
[2] Lovdata (2004), Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet, Kapittel 9. https://lovdata.no/dokument/sf/forskrift/2004-11-30-1557 2017-03-28