Väitös: Mikroverkkojen oikosulut kuriin tietoliikennepohjaisella adaptiivisella suojauksella

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.

Julkaisun pdf

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.