Väitös: Mikroverkkojen oikosulut kuriin tietoliikennepohjaisella adaptiivisella suojauksella
Aushiq Ali Memonin tuoreen väitöstutkimuksen mukaan tietoliikennepohjaiset mukautuvat eli adaptiiviset suojausjärjestelmät havaitsevat ja erottavat mikroverkkojen oikosulkuviat nopeammin kuin tavalliset vakioasetteluihin perustuvat suojauslaitteet.
Vaihtovirtaan perustuvat mikroverkot voivat tarjota vähähiilistä, hajautettua ja luotettavaa energiaa. Ne toimivat sekä muuhun verkkoon kytkeytyneinä että itsenäisinä saarekkeina. Molempiin käyttömuotoihin liittyy kuitenkin teknisiä haasteita.
– Vaikka perinteiset vakioasetteluihin perustuvat ylivirtasuojalaitteet toimivat hyvin verkkoon kytketyssä käyttötilassa, ne joko toimivat virheellisesti tai aiheuttavat pitkiä viiveitä saarekekäyttötilan oikosuluissa, koska käytettävissä oleva vikavirta on pienempi. Tietoliikennepohjaiset adaptiiviset suojausjärjestelmät, joissa käytetään joko vakioaikaan tai käänteisaikaan perustuvaa suojauskoordinaatiota, auttavat nopeasti havaitsemaan ja eristämään oikosulkuviat mikroverkoissa molemmissa käyttötiloissa, sanoo Aushiq Ali Memon, joka väittelee aiheesta Vaasan yliopistossa perjantaina 23. helmikuuta 2024.
Verkkoon kytkeytyneissä ja saareketilassa olevissa mikroverkoissa on erilaisia suojaushaasteita
Kun verkkoon kytketään huomattava määrä hajautettujen energiaresurssien (DER) laitteita, vaihtovirtaan perustuvien mikroverkkojen suojaukseen voi tulla ongelmia. Tehoelektroniikkaan perustuvien vaihtosuuntaajien koosta sekä DER-laitteiden ja vikojen sijainnista riippuen jotkut suojauslaitteet näkevät odotettua pienemmän vikavirran, kun taas toiset odotettua suuremman vikavirran. Lisäksi DER-laitteiden kytkeminen ja katkaiseminen toiminnallisista ja taloudellisista syistä aiheuttaa vikavirtatasojen vaihtelua muuhun verkkoon kytketyssä käyttötilassa. Nämä ilmiöt häiritsevät suojauslaitteiden välistä suojauksen koordinointia.
Saarekkeina toimivissa mikroverkoissa voi myös esiintyä samankaltaisia suojaushaasteita kuin muuhun verkkoon kytketyissä mikroverkoissa. Näiden kahden erona on se, että saareketilassa ei ole yhteyttä pääverkkoon. Tällöin ainoastaan paikalliset, vaihtosuuntaajiin perustuvat DER-laitteet ovat käytettävissä. Suojalaitteiden vikavirtatasot ovatkin saareketilassa hyvin alhaiset verrattuna verkkoon kytkettyyn tilaan, mikä ei välttämättä riitä oikosulkuvikojen nopeaan havaitsemiseen.
Myös suojauslaitteiden sokaistuminen on mahdollista. Suojausasetusten tietoliikennepohjainen mukauttaminen alempiin ja korkeampiin laukaisurajoihin, kun vikavirran taso on odotettua alhaisempi tai korkeampi, ratkaisee suojauksen koordinointiongelman ja estää suojauslaitteiden sokaistumisen. Suojareleet, joissa on vähintään kaksi asetteluryhmää, ja releiden väliset tiedonsiirtoyhteydet ovat kaksi tärkeää vaatimusta tietoliikennepohjaisille adaptiivisille suojausjärjestelmille.
Haasteita tiedonsiirrossa
Väitöstutkimuksessa on arvioitu IEC 61850 GOOSE -protokollan edestakaisen tiedonsiirron viivettä suojareleiden välillä käyttämällä reaaliaikaista laitteisto-silmukka-simulaatiota. Memon ehdottaa tutkimuksessa myös uusia suunnattuja suojausmenetelmiä poikittaisvikoja varten sekä metodeja yksivaiheisten vikojen tai johdinkatkojen havaitsemiseksi. Niitä on testattu PSCAD- ja MATLAB-simuloinneilla. DER-järjestelmiä varten tutkimuksessa ehdotetaan uusia verkkoon liitynnän ohjeita, joihin sisältyy sekä jännitekuoppasietoisuuden että ylijännitesietoisuuden rajat saarekekäyttötilanteessa.
Ethernet-pohjainen tiedonsiirtoprotokolla, eli esimerkiksi tässä työssä testattu IEC 61850 GOOSE, on luotettava, mutta tiedonsiirtoon voi liittyä epämääräistä viivettä ja ajoittaisia katkoksia, jotka johtuvat ruuhkautuneesta tietoliikenteestä tai muista odottamattomista tekijöistä. Tämän vuoksi Memon ehdottaa tutkimuksessaan signaalin jatkuvuuden tarkistamista suojareleen sisällä tietoturvan parantamiseksi ja virheellisten laukaisujen estämiseksi.
Suuntaajien koon kasvattaminen pienentää tietoliikennehäiriöistä aiheutuvia riskejä
Erillisessä tapaustutkimuksessa havaitaan myös, että suuntaajien koon maltillisella kasvattamisella DER- ja akkuenergiavarastoissa voitaisiin korvata tietoliikennepohjaisen adaptiivisen suojauksen tarve saareketilassa. Tämä tarkoittaa sitä, että perinteiset suojauslaitteet, kuten sulakkeet, voisivat toimia myös saareketilassa tapahtuvien oikosulkujen aikana, vaikka samanaikaisesti olisi tietoliikennehäiriö tai verkkohyökkäys.
– Kannustan mikroverkkojen kehittämisen ja käyttöönoton parissa työskenteleviä yrityksiä ja sähköyhtiöitä hyödyntämään väitöskirjani tuloksia. Lisäksi tarvitaan vielä kustannus-hyötyanalyysi, jonka pohjalta voidaan käyttää joko adaptiivista suojausta tai DER-suuntaajien koon kasvattamista tai näiden kahden yhdistelmää ja näin edistää uusiutuvia energianlähteitä hyödyntävien mikroverkkojen käyttöönottoa, sanoo Memon.
Memon arvioi myös, että saarekkeina toimivat mikroverkot, joissa käytetään hajautettuja energianlähteitä ja energiavarastoja yhdessä vaihtosuuntaajien kanssa, lisäisivät nykyisten sähkönjakeluverkkojen luotettavuutta ja joustavuutta sekä voisivat olla osa kestävää ja päästötöntä maaseudun sähköistämistä.
Memonin väitöskirjan tulokset perustuvat kahdeksaan osatutkimukseen, joissa tarkasteltiin perinteistä suojausta, adaptiivista suojausta ja sen toimivuuden testausta, akkuvarastojen vaikutusta adaptiiviseen suojaukseen, verkkoonliitynnän määräyksiä, uusia menetelmiä suunnattuun suojaukseen, ja johdinkatkojen havaitsemista sekä tehtiin ehdotuksia mikroverkkojen uusiksi verkkoonliitynnän ohjeiksi.
Väitöskirja
Memon, Aushiq Ali (2024) Communication-Based Adaptive Protection of AC Microgrids with Converter-Based Distributed Energy Resources. Acta Wasaensia 592. Väitöskirja. Vaasan yliopisto.
Väitöstilaisuus
M.Sc. Aushiq Memonin sähkötekniikan alaan kuuluva väitöstutkimus ”Communication-Based Adaptive Protection of AC Microgrids with Converter-Based Distributed Energy Resources” tarkastetaan perjantaina 23.2.2024 klo 12 Vaasan yliopiston Nissi-auditoriossa.
Väitöstilaisuutta on mahdollista seurata myös etäyhteyden kautta (Zoom, salasana: 684519)
Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii professori Francisco Gonzalez-Longatt (University of South-Eastern Norway, Loughborough University) ja kustoksena professori Kimmo Kauhaniemi.
Lisätiedot
Aushiq Ali Memon, sähköposti: aushiq.memon@uwasa.fi.
Aushiq Ali Memon syntyi Khairpur Mirissä, Sindhissä, Pakistanissa, ja valmistui Government Higher Secondary Schoolista Sobhoderossa, Khairpur Mirissä. Hän on suorittanut tekniikan kandidaatin tutkinnon sähkötekniikassa Quaid-e-Awam University of Engineering, Science and Technologyssä Nawabshahissa, Pakistanissa ja diplomi-insinöörin tutkinnon sähkövoimatekniikassa Brandenburgin teknillisessä yliopistossa Cottbusissa, Saksassa. Tällä hetkellä Memon työskentelee projektitutkijana Vaasan yliopistossa.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Riikka KalmiTiedeviestinnän asiantuntijaVaasan yliopisto / Viestintä, brändi ja markkinointi
Puh:0294498231riikka.kalmi@uwasa.fiKuvat
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Vaasan yliopisto
Mediakutsu: Vaasan yliopiston kuudes tohtoripromootio järjestetään 19.–21.9.12.9.2024 11:09:51 EEST | Kutsu
Vaasan yliopiston kuudes tohtoripromootio järjestetään torstaista lauantaihin 19.–21. syyskuuta. Promootio on akateemisen työn korkein juhla, jossa vihitään eri tieteenalojen tohtoreita ja kunniatohtoreita.
Rehtori Minna Martikainen Vaasan yliopiston lukuvuoden avajaisissa: ”Jos Suomi haluaa pysyä kehityksen mukana, tarvitaan yritysten ja yliopistojen voimakasta yhteistoimintaa”5.9.2024 15:37:25 EEST | Tiedote
Rehtori Minna Martikainen nosti esille kilpailun kansainvälisen tason osaajista, osaamispääoman merkityksen sekä laadukkaan tohtorikoulutuksen turvaamisen Vaasan yliopiston lukuvuoden avajaisissa torstaina 5. syyskuuta.
Vaasan yliopisto ja Microsoft sopivat strategisesta kumppanuudesta5.9.2024 13:34:15 EEST | Tiedote
Vaasan yliopisto ja Microsoft Oy ovat allekirjoittaneet torstaina 5. syyskuuta pitkäaikaisen strategisen kumppanuussopimuksen. Tavoitteena on tukea yliopiston digitaalista muutosta hyödyntämällä Microsoftin pilvi-, data- ja tekoälyteknologioita sekä sen asiantuntemusta ja ekosysteemiä.
Vaasan yliopiston laaja kampusremontti valmis – Tervahovi-rakennus uudistui opiskelun taloksi5.9.2024 11:41:35 EEST | Tiedote
Vaasan yliopiston Tervahovi-rakennuksen uudistuksen valmistumisen myötä koko kampusremontti on tullut päätökseensä. Laajamittaisen remontin aikana on rakennettu kestävän kehityksen periaatteita noudattaen opiskelijoille ja henkilöstölle vetovoimaista kampusta, joka toimii avoimena kohtaamispaikkana myös kaupunkilaisille ja yhteistyökumppaneille. Vanhaa on hyödynnetty aina, kun se on ollut mahdollista, ja sovitettu yhteen uuden kanssa. Tavoitteena on ollut luoda kestävä kampus, jossa tilaa käytetään monipuolisesti ja tehokkaasti.
Kutsu medialle: tervetuloa tutustumaan Vaasan yliopiston uudistettuihin tiloihin sekä lukuvuoden avajaisiin 5.9.2.9.2024 08:23:48 EEST | Kutsu
Vaasan yliopiston Tervahovi-rakennuksen uudistuksen valmistumisen myötä koko kampusremontti on tullut päätökseensä.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme