Av Helge Seljeseth, Henning Taxt, Henrik Kirkeby, SINTEF Energi AS Sammendrag Er smarte energimålere (smart meters) bare energimålere med fjernavlesning eller er smarte målere veldig mye mer og kan gi norske nettselskap mye større nytte? Kan smarte målere gi full oversikt over avbrudd, fasebrudd, jordfeil, store spenningsavvik med mer og hvordan får "den fulle oversikten"? Kan utkobling av uprioritert last helt ned til husholdningskunder under last-toppene på kalde vinterdager være til hjelp enkelt? SPESNETT-prosjektet har arbeidet med disse problemstillingene og rapporten vil vise eksempler på hvordan få stor nytte av smarte energimålere. Nettselskapene i Norge står fram mot 2019 foran store investeringer gjennom AMS-utrullingen. Alle kunder skal ha energimålere med toveis kommunikasjon og mulighet for avlesing av energiforbruk med oppløsning på 1 time, samt 15 minutter. Det vil være betydelige investeringer forbundet med både kommunikasjon, målere, programvare, samt planlegging og utskifting av målere. Dersom de nye energimålerne ikke skal brukes til annet enn fortsatt bare å lese av energiforbruk (dog med høyere tidsoppløsning enn tidligere), kan man spørre om dette er verdt kostnadene og innsatsen med utrullingen. Smarte målere gir gode muligheter for oversikt og kontroll med situasjonen i lavspenningsnettet mht avbrudd, fasebrudd, brudd i nøytralleder, jordfeil i IT-nett, for høye/lave spenninger og ikke minst hvor store spenningsmarginer man har igjen i de ulike delene av nettet. Dette kan effektivisere både den daglige nettdrift og mer langsiktig nettplanlegging. Innenfor dette området har nettselskapene fram til i dag i praksis vært ganske blinde og hatt lite oversikt. I sentralnettet har man overvåkning av feilsituasjoner med bruk av blant annet feilskrivere og info fra effektbrytere. Lignende kontroll har i hovedsak vært fraværende i lavspenningsnettet. I lavspenningsnettet har nettselskapene vært avhengige av at kundene som opplever problemer, som eksempelvis fasebrudd og alt for lave spenninger, varsler nettselskapet. Men da kan kundene allerede ha erfart både havari på elektriske apparater og utstyr og i ytterste konsekvens brann eller branntilløp. 51
Som elektrisitetskunde tar man det gjerne som en selvfølge at man til enhver tid har tilgang på elektrisitet og med god kvalitet på elektrisiteten. Det er imidlertid stor variasjon på tilstanden i det norske lavspenningsnettet: Noen steder er nettet ganske sterkt, med få avbrudd og små til moderate spenningsvariasjoner, mens man andre steder i lavspenningsnettet opplever svært svake nett med både store spenningsvariasjoner og mye avbrudd i forsyningen. Energi Norge og flere norske nettselskap gjennomførte i 2011 en undersøkelse av kortslutningsytelsen (stivheten) til det norske lavspenningsnettet ved å gå gjennom nettdata til 6 norske nettselskap og foreta kortslutningsberegninger. Resultatene ble første gang presentert på Energi Norge sitt årlige brukermøte spenningskvalitet i 2011. Med et begrenset antall nettselskap i undersøkelsen er dette ikke helt sikre tall, men likevel en god indikasjon på tilstanden i det norske lavspenningsnettet. SINTEF Energi foretok senere en kontroll opp mot nettdataene til et 7. nettselskap og dette selskapets lavspenningsnett lå også innenfor variasjonsområdet til de 6 selskapene i den første undersøkelsen [1]. Undersøkelsen viser at det norske lavspenningsnettet er relativt svakt sammenlignet med den internasjonale referanseimpedansen [2]. Referanseimpedansen er en helt avgjørende parameter i arbeidet med emisjonstesting og emisjonskrav til alle elektriske apparater som skal godkjennes for vanlig salg og bruk. Som nettkunder kjøper vi elektriske apparater og plugger de inn i stikkontakten uten å ta særlige forholdsregler eller å varsle nettselskapet. I prinsippet kan dette innebære at vi som nettkunder forstyrrer våre andre elektriske apparater og/eller nabokunders elektriske apparater. EMC-standardiseringen søker å imøtekomme dette problemet med å standardisere emisjonsgrenser for elektrisk utstyr. Disse emisjonsgrensene er fastlagt slik at dersom utstyret er tilknyttet et standardnett, så skal emisjon av forstyrrelser tilsvarende emisjonsgrensen ikke gi uønskede forstyrrelser med tilhørende funksjonssvikt til elektrisk utstyr eller annet ubehag for nettkunder (for eksempel flimmer fra belysningsutstyr). Referanseimpedansen for elektriske apparater < 16A i det norske ITnettet tilsvarer en kortslutningsstrøm på: 52
Tabell 1 viser resultatene fra undersøkelsen til Energi Norge og antyder at bare mellom 50 og 60 % av de norske lavspenningskundene har en nettstyrke som tilsvarer referanseimpedansen eller sterkere nett, mens 40 til 50 % er forsynt fra svakere nett. Dette innebærer at spenningsforstyrrelsene fra godkjente elektriske apparater blir større enn det som er planlagt ut fra emisjonsgrensene. Kundene som har veldig svakt nett slik som under 350 A kortslutningsstrøm, kan eksempelvis få 4-dobbelt så store spenningsforstyrrelser pga elektriske apparater. At det norske lavspenningsnettet i dag er ganske svakt gjør det ekstra viktig å kunne følge med på (kontrollere) forholdene i nettet. Enkelte feil, avvik og forstyrrelser i nettet kan ikke bare medføre ulemper for kundene, men også medføre fare for brann/branntilløp og personskade. En enkel skisse i figur 1 viser hvordan man grafisk kan vise spenningstoleransene man har i de enkelte lavspenningskretsene. Under det forenklede enlinje-skjemaet vises tre ulike tilstander. I den øverste har man gode spenningsmarginer igjen i lavspenningskretsen, mens man i det midterste situasjonen har maksimalt utnyttet spen- 53
ningstoleransene. I den nederste situasjonen overskrides spenningsavvikene og lavspenningskretsen skulle vært forsterket. Den røde fargen angir kunden nærmest nettstasjonen (målepunkt 1) og de spenningene denne erfarer gjennom året. Spenningen er lavest i tung last om vinteren (til høyre i grafene) og høyest i lett last om sommeren (til venstre i grafene). Den blå fargen angir kunden ytterst på radialen ("kunden på tamp" i målepunkt 2) og spenningene denne erfarer gjennom året. Det har de siste få årene vært meget stor utvikling med hensyn til hva "smarte" energimålere kan måle utover energiforbruk og selv enkle og billige målere til bruk i husholdninger kan i ganske stor grad registrere forholdene i listen under: Brudd i nøytralleder til installasjoner med TN-Nett For høye spenninger (over 230 V + 10 %) Fasebrudd (brudd på en faseleder) til installasjoner med IT-Nett Jordfeil (eksempelvis kan sumstrømmålinger være til god hjelp for å finne hvor jordfeilen er) For lave spenninger (under 230 V - 10 %) Avbrudd Rekkefølgen i listen er for øvrig ikke tilfeldig, den er i stor grad rangert fra de mest alvorlige feilene øverst til de minst alvorlige nederst. Et unntak er jordfeil som avhengig av jordfeilens art (høy-ohmig, lavohmig, permanent, intermitterende, topolt med mer samt andre forhold i installasjon og nett) kan høre hjemme enda høyere oppe på listen. Brudd i nøytralleder i TN-Nett er en alvorlig feilsituasjon der man avhengig av størrelsen på usymmetrien i lasten kan få alt for høye spenninger. Brudd i nøytralleder er et godt eksempel på feilsituasjoner som burde medføre et varsel inn til nettselskapet. Dersom nettselskapet med nye smarte energimålere får varsel fra kundene med TN-Nett som er berørt av brudd i nøytralleder vil nettselskapet få hurtig og god oversikt over omfanget av feilsituasjonen. SINTEF Energi har vært innleid og/eller konsultert i flere saker med fasebrudd. I noen av disse sakene har fasebrudd medført branntilløp. 54
Videre har også en av forfatterne av dette dokumentet fått erfare fasebrudd i forsyningen til 2 egne installasjoner (hjem og fritidsbolig). Dette har skjedd 3 ganger på bare de 2 siste år. Det ble havari på elektrisk utstyr ved 2 av disse tre tilfelle og i et av dem smeltet huset på startreleet på et kjøleskap. Nettselskapene vet ofte ikke om slike fasebrudd før kunden(e) varsler om det. Siden fasebrudd ikke bare kan medføre utstyrshavari, men i verste fall også brann/branntilløp er det svært ønskelig at nettselskapene får beskjed om slike forhold raskere enn i dag gjennom henvendelser fra kundene. Dette er spesielt tilfelle om slike situasjoner oppstår om natten når de fleste ligger og sover. Ved fasebrudd kan det enkelte ganger oppstå en slags blinklyseffekt og dette bidrar gjerne til å øke risikoen for havari, varmgang og eventuelt også brann/branntilløp. Det som skjer da er at enkelte elektriske apparater (for eksempel med asynkronmotor) klarer å gjøre et startforsøk selv om spenningen er lav. Utstyret trekker da en stor strøm som endrer spenningsdelingen mellom de "ikke friske" linjespenningene. Dette medfører gjerne at apparatet/apparatene som forsøkte å starte/slå seg på deretter slår seg av igjen på grunn av at spenningen faller når de forsøker å slå seg på. Resultatet kan bli en spenningspendling mellom de to linjespenningene som involverer fasen med brudd. Slike pendlinger er observert med periodetider ("frekvenser") fra ca 0,4 sekunder opp til flere sekunder og kan medføre at en del elektriske apparater blir utsatt for tusenvis av startforsøk per time med fasebrudd. Om nettselskap med nye smarte energimålere får varsel fra kundene som er berørt av fasebrudd vil nettselskapet få god oversikt over omfanget av feilsituasjonen. Da kan man se om feilen bare rammer en kunde, flere kunder eller også flere nettstasjoner. Man kan altså få oversikt over om det eksempelvis er en høyspenningsfeil, en feil på avgangen fra en nettstasjon eller ute i en lavspenningskrets. Det vil nok enda gå mange år før alle eldre installasjoner har jordfeilbrytere. Det er imidlertid kommet pålegg om deteksjon av jordfeil i nettselskapenes lavspenningsnett. Når nettselskapene får varsel fra utstyr som detekterer jordfeil (typisk montert i nettstasjon) er det ikke alltid så enkelt å fastslå hvor jordfeilen er. Dette kan smarte energimålere hjelpe til med. Dersom man ved deteksjon av jordfeil eksempelvis kan lese av sumstrømmen ("jordfeilstrømmen") fra hver kunde på den aktuelle lavspenningskretsen kan dette ofte bidra til å avdekke hvilken kunde som har feilen eller om feilen er i nettselskapets nett. 55
Vanlige elektriske apparater for 230 V skal virke og ikke gå i stykker så lenge spenningens effektivverdi ikke går utenfor 230 V +/- 10 %. I Norge ser vi imidlertid både feilfunksjon og havarier forekommer og at spenningen enkelte steder kan være over 253 V i lett last og/eller under 207 V i tung last. Noen ganger er nettselskapene fullt klar over situasjonen i enkelte av deres svake nett, mens de andre ganger ikke vet at situasjonen er så dårlig som den er. Flere nettselskap har erfart at tradisjonelle lastprofiler med en time tidsoppløsning kombinert med nettdata fra NIS gir beregnede spenningsvariasjoner som er langt mindre enn de reelle spenningsvariasjonene som de konstaterer med målinger. Det kan være store lastvariasjoner innenfor en time slik at maks. og min. spenning kan være vesentlig større enn timesverdier tilsier. Merk at forskrift om leveringskvalitet (FoL) [3] setter grenseverdiene 230 V +/- 10 % til 1 minutt gjennomsnittsverdien av spenningen. Figur 2 viser eksempel på spenningsavvik hos henholdsvis kunden nærmest nettstasjonen (øverst) og kunden ytterst på radialen (nederst). Røde rette linjer angir øvre og nedre spenningsgrense. Dersom nettselskapet med nye smarte energimålere får varsel fra kundene når spenningen blir for høy eller for lav vil nettselskapene kunne utbedre forholdene før det blir så store avvik at kundene erfarer mange og alvorlige problemer, blir sinte på nettselskapet og nettselskapets omdømme får lide. Det har vært flere slike saker opp i media, både i aviser, på TV2 hjelper deg og på forbrukerinspektørene på NRK. 56
Avbrudd er noe av det enkleste å registrere for energimålere. Presisjonen av denne registreringen kan imidlertid variere litt avhengig av flere forhold slik som eksempelvis: Hvor lavt kan spenningen falle før måleren slår seg av. Store spenningsdipp kan i verste fall registreres som kortvarig avbrudd om ikke programvaren i måleren håndterer dette riktig. Hvor lang tid tar det fra spenningen er tilbake, til måleren klarer å sette klokkeslettet for når avbruddet er over. Hvis energimåleren forsynes med strøm fra bare en linjespenning kan fasebrudd eventuelt bli registrert som avbrudd. Dersom nettselskapet med nye smarte energimålere får varsel fra kundene når avbrudd inntreffer ("hjelp-jeg-dør-signal") og/eller signal fra målerne når de igjen er oppe med forsyningsspenning kan dette være til god hjelp under feilsøking/innkobling av nettet etter eksempelvis ekstremvær-hendelser som Dagmar. Det kan også være til hjelp i FA- SIT-registreringen. Målinger fra nye smarte energimålere kan benyttes både til den daglige nettdrift og til mer langsiktig planlegging av nettet. Varsel/alarmer ved betydelige hendelser som blant annet avbrudd, fasebrudd, for høye spenninger kan være til stor hjelp under eksempelvis ekstremværsituasjoner, ekstra kalde vinterdager, men også ved kundeklager. Måleverdier for spenning kan også benyttes i mer langsiktig planlegging av nettet. I motsetning til hendelsesbaserte, kan statistiske målinger foretas mens spenningen er normal og innenfor toleransegrensene. Slike statistiske målinger kan foretas på måter som medfører svært lite måledata utover energimålingene. Dersom energimålerne måler spenningens 1 minutt gjennomsnittsverdier iht den norske forskriften (FoL) vil det være mest fornuftig at alle disse verdiene normalt bare lagres i målerne. Med et relativt beskjedent minne i målerne kan man ta vare på disse verdiene i mange måneder før de eldste verdiene overskrives av nye (FIFO "First In First Out" memory). Dersom nettselskapene henter inn kun 2 av disse måleverdiene (den høyeste og den laveste) hver uke kan man likevel 57
fastslå om hver enkelt kunde har hatt en spenning (effektivverdi) som har tilfredsstilt FoL. Da øker man altså de 168 måleverdiene per uke for energi (timesverdier) opp til 170 måleverdier hver uke. Er man litt mer avansert kan man ta med gjennomsnittsverdien av spenningen for hele uken samt hva effekten var da laveste og høyeste spenning ble målt. Er man enda mer avansert henter man inn slike verdier med en viss tidsoppløsning med eksempelvis flere verdier hver dag, men da begynner datamengden å øke til dels betraktelig. Statistiske verdier kan også være nyttige ved kundeklager. Den viktigste informasjonen hos en kunde som klager på spenningen er om det er registret spenninger ut over 230 V +/- 10 %. Med de statistiske målingene kan man også dokumentere hvor store marginer som eventuelt er igjen til grenseverdiene i kundens inntak (se figur 1). Da bør man ha målinger fra minst en sommer og en vinter. Dette vil smarte energimålere være svært egnet til da de skal stå ute hos kundene hele tiden og fjern-avleses. I figur 3 er det vist en reell måleserie fra smarte energimålere som i motsetning til de mer "teoretiske" grafene i figur 1 viser hvordan spenningen kan variere ute hos kundene. Målingene er fra ca 7000 smarte målere under samme transformator stasjon (Smart Energi Hvaler) og grafen dekker derfor flere lavspenningskretser. Målingene i figur 3 viser at man denne august-dagen hadde spenninger helt opp til øvre grenseverdi på 253 V. I lett last om sommeren er nok dette vanligere i en del norske lavspenningsnett enn det mange faktisk tror. Det som er mer oppsiktsvekkende er at man samme dag også registrerer spenninger helt ned til 210 V. Dersom nettselskapene får god nok programvare til visning av måledata, kan man raskt få god 58
oversikt over spenningsmarginene man har igjen i nettet. Figur 3 viser spenningene hos kundene i hele nettet under en transformatorstasjon og man ser at i minst en lavspenningskrets er marginene små. Der kan toleransegrensene være overskredet gjennom året. Men man ser ikke direkte hvilke lavspenningskretser dette gjelder. Dette kan man se dersom måleverdiene presenteres med ulike farger for hver lavspenningskrets. Enda bedre oversikt kan man få dersom man i programvaren kan klikke og dra datamusen over måleverdiene i det høyeste og laveste spenningsområdene. De lavspenningskretsene som har måleverdier innenfor de områdene man velger i grafen kan så presenteres i nye figurer som kommer opp enten som enkle lister/tabeller (se tabell 2) eller også grafisk (se figur 4) på en lignende måte som i figur 3, men da gjerne med ulike farger på måleverdiene for de ulike lavspenningskretsene. Motstandslia 253 210 08.08.2013-08.08.2013 Induktansdalen 251 232 08.08.2013-08.08.2013 Strømmen 236 215 08.08.2013-08.08.2013 Man kan få et inntrykk av at elektrisitetsforsyningen henger etter i den teknologiske utviklingen om man tar kontakt med nettselskap som er leverandører av både elektrisitet og av internett. Om man mener å ha 59
litt problemer med internettlinjen sin og ringer til selskapet kan som regel selskapet lese av internetthastigheten og dobbeltsjekke kvaliteten på "varen" kunden betaler for. De kan også koble om til lavere eller høyere hastighet uten å sende ut montører. Er det en dag det kanskje er veldig kaldt og synes lysene lyser svakere og effekten fra ovner, komfyr etc er dårlig, ser man kanskje at spenningen er helt nede i 203 til 209 V om man har et voltmeter. Ringer man da til det samme selskapet har de ingen mulighet til raskt å sjekke hvilken spenning du nå har og om dine målinger er riktige. En av forfatterne av dette dokumentet har opplevd å måle spenning fra bare 191 til 202 V (innenfor 20 minutter) i en stikkontakt ca 2 meter fra sikringsskapet på en ubelastet kurs. Ved kontakt med nettselskapet hadde de ingen formening om hvor lav spenningen kunne være og forventet at denne var "godt over 207 V" inntil de ble opplyst om de aktuelle måleverdiene. Med riktig smarte energimålere trenger ikke lenger norske nettselskap å være helt blinde slik som dette. Det er minst 2 fabrikanter av smarte energimålere som kan tilby norske nettselskap funksjonalitet for å måle langt mer enn bare energiforbruk i AMS-utrullingen. Dette kan man i ganske stor grad også få i de rimelige målerne beregnet for husholdninger. Det er viktig, ikke minst med tanke på fremtiden, at nettselskapene i sin AMS-utrulling ikke velger for enkle energimålere. Med tanke på at målerne med slik ekstra målefunksjon ikke koster vesentlig mer enn målere uten denne funksjonen og at selve måleren er en begrenset del av totalkostnadene med AMS-utrullingen kan det synes som et sjansespill å satse for mange år fremover på en veldig enkel løsning. I Sverige ser man at en ganske stor prosentandel av målerne i deres utrulling allerede etter relativt få år må skiftes da målerne ikke takler kommende svenske krav. [1] Seljeseth, H., Solvang, T. (2012) Håndtering av utfordrende elektriske apparater som tilknyttes elektrisitetsnettet. SINTEF TR A7203. [2] IEC TR 60725: Considerations on reference impedances and public supply network impedances for use in determining the disturbance characteristics of electrical equipment having a rated current < 75A per phase. [3] FOR-2004-11-30-1557 Olje- og energidepartementet. Leveringskvalitetsforskriften (FoL) 60