Teollisen internetin hyödyntäminen sähkönjakeluverkkojen käyttö- ja kunnossapitopalveluiden tuottamisessa
Räsänen, Niko (2017)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017101350095
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017101350095
Tiivistelmä
Diplomityössä selvitetään teollisen internetin hyödynnettävyyttä sähkönjakeluverkkojen käyttö- ja kunnossapitotoiminnoissa niihin liittyvän palvelutuotannon kannalta. Yleisen teollisen internetin hyödynnettävyyttä käsittelevän kirjallisuustutkimuksen ohella perehdyttiin syvemmin sähkönjakeluverkon kunnossapitoon ja siellä erityisesti jakelumuuntajien kunnonvalvontaan. Kirjallisuustutkimuksen lisäksi työssä kehitettiin teollisen internetin kunnonvalvontajärjestelmä jakelumuuntajalle, toteutettiin kunnonvalvonnan vaatimien mittausten asennukset ja aloitettiin mittaustietojen kerääminen. Työssä myös määritettiin kunnonvalvontajärjestelmän investoinnin kannattavuus takaisinmaksuajan ja investoinnin sisäisen koron avulla.
Kirjallisuustutkimuksen tuloksena voidaan todeta teollisen internetin kustannustehokkaiden ja kaksisuuntaiset tietoliikenneyhteydet omaavien laitteiden tarjoavan monipuoliset mahdollisuudet sähkönjakeluverkon käytön ja kunnossapidon toimintojen tehostamiseen ja kehittämiseen. Näistä toiminnoista käytön optimointi, jännitteen säätö, kunnonvalvonta sekä vikatilanteiden, maasulkuvirtojen ja hajautetun tuotannon hallinta ovat parhaiten teollisen internetin hyödyntämiseen soveltuvia käyttökohteita. Suurin hyöty teollisen internetin laitteilla saavutetaan laitteiden toimiessa osana älykkäitä ja automaattisia järjestelmiä paremman ja tehokkaamman päätöksenteon mahdollistavan lisätiedon tuottamisessa.
Kehitetty jakelumuuntajan kunnonvalvontamenetelmä perustuu jakelumuuntajan teknisen käyttöiän kannalta merkittävimmän osan eli paperieristeen ikääntymisen mallintamiseen IEC standardin mukaisesti. Paperieristeen kuntoon perustuvalla kunnonvalvontamenetelmällä arvioidaan havaittavan noin 65 % jakelumuuntajan sisäisistä vioista ennen niiden tapahtumista, nykyisten menetelmien kyetessä havaitsemaan arviolta vain noin 30 % vioista ennen niiden tapahtumista. Kunnonvalvonnan avulla saavutettavat hyödyt määritettiin vika- ja keskeytyskustannuksiin, keskeytysten vuoksi saamatta jääneeseen siirtomaksuun sekä muuntajan käyttöiän jatkamiseen perustuen. Investointi määriteltiin olevan taloudellisesti kannattava vähintään 315 kVA jakelumuuntajille takaisinmaksuajan ollessa alle 4 vuotta ja sisäisen koron yli 10 % investointi- ja käyttökustannukset huomioiden. Investoinnin taloudellisen kannattavuuden edellytyksenä on kunnonvalvonnalla saavutettavista hyödyistä selvästi merkittävimmän tekijän, muuntajan käyttöiän jatkaminen. Investoinnille määritetyt kannattavuuden tunnusluvut ovat voimakkaasti käytettävistä lähtötiedoista riippuvia, mutta investointi on suurella todennäköisyydellä kannattava suurimmilla jakelumuuntajilla, kun muuntajan käyttöiän jatkamisen tuottama hyöty huomioidaan kunnonvalvontalaitteiston pitoajan, 15 vuotta, jokaisena vuonna. In this Master’s Thesis the utilization of the industrial internet in the field of operation and maintenance of the electrical distribution networks has been researched from the service production point of view. General utilization of the industrial internet, maintenance of the electrical distribution networks and especially the condition monitoring of the distribution transformers have been studied by means of literature research. In addition to literature research a condition monitoring system of the distribution transformer has been developed and the required measurements have been installed and initiated. The economic profitability of the condition monitoring system has also been studied based on investment payback period and internal rate of return.
As a result of the literature research can be stated that the cost efficient and with bidirectional communication equipped industrial internet devices provide versatile possibilities in the actions of operation and management of the electricity distribution networks. The most applicable actions from the utilization of the industrial internet point of view are optimization of the operation of the network, voltage regulation, condition monitoring and the control of fault conditions, earth fault currents and distributed generation. The greatest benefit of the industrial internet devices is achieved when they operate as a part of more extensive intelligent and automatic systems producing additional information to make better and more efficient decision making possible.
The developed condition monitoring system for distribution transformer is based on the IEC standardized aging modelling of the insulation paper, which is the most significant component affecting the transformer technical lifetime. This condition monitoring method based on the condition of the insulation paper is assumed to detect 65 % of the internal failures of the transformer before they exist while the current practices are able to detect only 30 % of the failures in advance. The benefits achieved with the condition monitoring were determined based on fault and outage costs, losses of transmission tariffs and extended lifetime of the transformer. The investment was defined to be profitable for distribution transformers with at least 315 kVA nominal apparent power, with payback period of under 4 years and internal rate of return over 10 % taking into account the investment and operational costs. The investment is profitable only when the most significant benefit achieved with the condition monitoring, the extended lifetime of the transformer is realised. The profitability indicators defined for the investment are highly dependent on the parameters used for the calculation but the investment is profitable with high probability in case of the largest distribution transformers when the benefit achieved by extending the lifetime of the transformer is considered every year of the lifetime of 15 years of the condition monitoring equipment.
Kirjallisuustutkimuksen tuloksena voidaan todeta teollisen internetin kustannustehokkaiden ja kaksisuuntaiset tietoliikenneyhteydet omaavien laitteiden tarjoavan monipuoliset mahdollisuudet sähkönjakeluverkon käytön ja kunnossapidon toimintojen tehostamiseen ja kehittämiseen. Näistä toiminnoista käytön optimointi, jännitteen säätö, kunnonvalvonta sekä vikatilanteiden, maasulkuvirtojen ja hajautetun tuotannon hallinta ovat parhaiten teollisen internetin hyödyntämiseen soveltuvia käyttökohteita. Suurin hyöty teollisen internetin laitteilla saavutetaan laitteiden toimiessa osana älykkäitä ja automaattisia järjestelmiä paremman ja tehokkaamman päätöksenteon mahdollistavan lisätiedon tuottamisessa.
Kehitetty jakelumuuntajan kunnonvalvontamenetelmä perustuu jakelumuuntajan teknisen käyttöiän kannalta merkittävimmän osan eli paperieristeen ikääntymisen mallintamiseen IEC standardin mukaisesti. Paperieristeen kuntoon perustuvalla kunnonvalvontamenetelmällä arvioidaan havaittavan noin 65 % jakelumuuntajan sisäisistä vioista ennen niiden tapahtumista, nykyisten menetelmien kyetessä havaitsemaan arviolta vain noin 30 % vioista ennen niiden tapahtumista. Kunnonvalvonnan avulla saavutettavat hyödyt määritettiin vika- ja keskeytyskustannuksiin, keskeytysten vuoksi saamatta jääneeseen siirtomaksuun sekä muuntajan käyttöiän jatkamiseen perustuen. Investointi määriteltiin olevan taloudellisesti kannattava vähintään 315 kVA jakelumuuntajille takaisinmaksuajan ollessa alle 4 vuotta ja sisäisen koron yli 10 % investointi- ja käyttökustannukset huomioiden. Investoinnin taloudellisen kannattavuuden edellytyksenä on kunnonvalvonnalla saavutettavista hyödyistä selvästi merkittävimmän tekijän, muuntajan käyttöiän jatkaminen. Investoinnille määritetyt kannattavuuden tunnusluvut ovat voimakkaasti käytettävistä lähtötiedoista riippuvia, mutta investointi on suurella todennäköisyydellä kannattava suurimmilla jakelumuuntajilla, kun muuntajan käyttöiän jatkamisen tuottama hyöty huomioidaan kunnonvalvontalaitteiston pitoajan, 15 vuotta, jokaisena vuonna.
As a result of the literature research can be stated that the cost efficient and with bidirectional communication equipped industrial internet devices provide versatile possibilities in the actions of operation and management of the electricity distribution networks. The most applicable actions from the utilization of the industrial internet point of view are optimization of the operation of the network, voltage regulation, condition monitoring and the control of fault conditions, earth fault currents and distributed generation. The greatest benefit of the industrial internet devices is achieved when they operate as a part of more extensive intelligent and automatic systems producing additional information to make better and more efficient decision making possible.
The developed condition monitoring system for distribution transformer is based on the IEC standardized aging modelling of the insulation paper, which is the most significant component affecting the transformer technical lifetime. This condition monitoring method based on the condition of the insulation paper is assumed to detect 65 % of the internal failures of the transformer before they exist while the current practices are able to detect only 30 % of the failures in advance. The benefits achieved with the condition monitoring were determined based on fault and outage costs, losses of transmission tariffs and extended lifetime of the transformer. The investment was defined to be profitable for distribution transformers with at least 315 kVA nominal apparent power, with payback period of under 4 years and internal rate of return over 10 % taking into account the investment and operational costs. The investment is profitable only when the most significant benefit achieved with the condition monitoring, the extended lifetime of the transformer is realised. The profitability indicators defined for the investment are highly dependent on the parameters used for the calculation but the investment is profitable with high probability in case of the largest distribution transformers when the benefit achieved by extending the lifetime of the transformer is considered every year of the lifetime of 15 years of the condition monitoring equipment.