Coordination concepts for interactions between energy communities, markets and distribution grids

publishedVersionPeer reviewe

Kysynnän jousto - Suomeen soveltuvat käytännön ratkaisut ja vaikutukset verkkoyhtiöille (DR pooli): Loppuraportin tiivistelmä

Perinteisessä sähköenergiajärjestelmässä vaihtelevaan kulutukseen on sopeuduttu tuotantoa säätämällä esim. vesivoima- ja lauhdevoimalaitosten avulla. Jatkossa yhä suurempi osa tuotannosta on sellaista, jota ei teknisesti voida tai ei taloudellisesti kannata säätää, kuten sääriippuva tuuli- ja aurinkovoima, sekä tasaisesti ajettava ydinvoima. Kuormitus tarjoaa edullisen ratkaisun lisätä järjestelmään joustavuutta ainoastaan säätökapasiteetiksi rakennettavan sähköntuotannon sijaan. Tuntitason tehotasapainon hallinnan lisäksi joustavasti ohjattavissa oleva kuormitus muodostaa merkittävän potentiaalin myös voimajärjestelmän erilaisille nopeille reserveille. Näiden tarve korostuu järjestelmässä olevan pyörivän massan (inertian) määrän vähentyessä.Valtakunnallisten tehohuippujen aikaan sähköenergian hinta yleensä nousee selvästi. Samaan aikaan käytössä on yleensä paljon päästöjä aiheuttavia energiantuotantomuotoja. Kysynnän jouston avulla voidaan sähkönkulutusta siirtää kalliista tehohuipuista edullisempiin ajankohtiin. Mikäli kysyntäjouston seurauksena tuotanto muuttuu esimerkiksi hiililauhteella tuotetusta sähköstä vesivoimaksi, pienentyvät myös sähköntuotannon päästöt. Sähkönjakeluverkon tasolla saattaa kuitenkin esiintyä tilanteita, jolloin paikallisen verkon huippukuormitus osuu ajankohtaan, jolloin halpa energia ja kysynnän jousto lisäisivät entisestään verkon huippukuormitusta. Tämä lisää osaltaan kysynnän jouston problematiikkaa.Ilmastonmuutoksen hillitseminen on taustalla myös uusissa rakentamiseen liittyvissä energiatehokkuusmääräyksissä, joiden tavoitteena on ohjata rakentamista yhä energiatehokkaampaan ja uusiutuvia energialähteitä hyödyntävään suuntaan. Energiatehokkuutta arvioitaessa tuleekin kiinnittää aikaisempaa enemmän huomiota myös hetkellisiin tehohuippuihin ja käyttöprofiileihin. Kysynnän jouston tarve ja tavoitteet tulee nähdä myös tarpeellisena osana tulevassa lähes nollaenergia eli nZEB-rakentamisessa.Kysynnän jousto sisältää laajan joukon erilaisia toimintoja, joiden merkitys, tarve ja ansaintalogiikka vaihtelevat toimijan näkökulmasta. Kysynnän joustolla voidaan ymmärtää välillinen esimerkiksi hinnoittelurakenteilla toteutettava vaikuttaminen asiakkaan käyttäytymiseen, vaihtelevaan energian hintaan pohjautuvat suorat ohjaustoimenpiteet sekä siirto- ja jakeluverkon tarpeista tulevat ohjaukset, kuten. kuorman toimiminen kantaverkkoyhtiön reservinä tai yötariffiin kytketyn kuorman porrastaminen. Seuraavassa on kuvattu lyhyesti kysynnän jouston mahdollisuuksia ja tarpeita eri toimijoiden näkökulmasta:- Kantaverkkoyhtiölle kysynnän jousto tarjoaa mahdollisuuksia tehotasapainon hallintaan ja taajuuden säätöön käyttö- ja häiriöreservien osalta sekä mahdollisesti myös joustavuutta tehopula -tilanteiden hallintaan.- Sähkön vähittäismyyjä voi hyödyntää kysynnän joustoa sähkön hankinnan suunnittelussa, tasevastaavana oman taseensa hallinnassa muiden toimenpiteiden rinnalla, säätösähkömarkkinoiden tarjouksissa sekä uusien tuotteiden ja oman liiketoiminnan kehittämisessä.- Jakeluverkkoyhtiö voi hyödyntää kysynnän jouston mahdollisuuksia pitkän aikavälin verkon suunnittelussa verkon mitoitustehon näkökulmasta sekä reaaliaikaisessa käyttötoiminnassa esim. poikkeustilanteiden aikaisen huipputehon hallinnassa.- Sähkön loppukäyttäjän näkökulmasta kysynnän jousto mahdollistaa mm. sähkön käytön edullisen hinnan aikana, ostosähkön vähentämisen, oman pientuotannon täysimääräisen hyödyntämisen, huipputehojen pienentämisen sekä mahdollisesti liittymäkoon rajoittamisen.- Laite- ja järjestelmätoimittajille sekä palvelun tarjoajille (esim. kuormia aggregoiva ”jousto- operaattori”) kysynnän jousto tarjoaa uusia tuote- ja liiketoimintamahdollisuuksia.Kysynnän jouston laajamittainen hyödyntäminen edellyttää eri toimijoiden välistä yhteistyötä. Etäluettavat energiamittarit (AMR, Automated Meter Reading), joiden osalta Suomi on edelläkävijä maailmanlaajuisesti, mahdollistavat todelliseen tuntikulutukseen pohjautuvan taseselvityksen sekä vähittäismarkkinoille uusia tuntihinnoitteluun perustuvia hinnoittelumalleja. Nämä puolestaan mahdollistavat asiakkaan osallistumisen kysynnän jouston tuntimarkkinoille. Lisäksi etäluentajärjestelmää käytetään jo tänä päivänä kuormien ohjaamiseen asiakkaan käytössä olevien tariffien mukaisesti (esim. yö-/päiväsähkö). Olemassa olevaa AMR-infrastruktuuria on kansantaloudellisessa mielessä järkevää käyttää myös suoraan kuorman ohjaukseen siinä määrin kuin asennettu infrastruktuuri sen mahdollistaa.Kysynnän jouston potentiaalia tarkasteltiin energian kulutuksen ja tyypillisimpien laitetehojen lähtökohdista. Vuodenajasta, vuorokaudesta ja vuorokauden tunnista riippuen potentiaalit vaihtelevat voimakkaasti. Suurimmat ohjauspotentiaalit ovat lämmityskaudella sähkölämmityksessä sekä käyttöveden lämmityksessä läpi vuoden. Mahdollisuuksia on myös isompien kiinteistöjen ilmanvaihdon, jäähdytyksen ja valaistuksen ohjauksessa sekä mm. ulkovalaistuksessa, autolämmityksissä, erilaisissa lisälämmitysvastuksissa sekä erikoiskohteissa, kuten kasvihuoneet.Tehtyjen analyysien ja verkkoyhtiöille tehdyn kyselyn perusteella AMR-mittareiden ohjausaikatauluun kytketyn ohjausreleen kautta on ohjattavassa yli 1 000 MW pääosin erilaista sähkölämmitys- ja lämminvesivaraajakuormaa. Tämä ohjattavissa oleva kuormitus olisi otettavissa käyttöön hyvinkin nopeasti, ja hyödynnettävissä esim. day-ahead (Elspot) -markkinoilla toimittaessa. Käytännön toteutus vaatii kuitenkin vielä tietojärjestelmärajapintojen standardointia siten, että ohjaussignaalit kulkevat saumattomasti sähkönmyyjien ja verkkoyhtiöiden välillä. AMR-mittareiden ns. kuormanohjausreleeseen on kytkettynä samaa suuruusluokkaa oleva määrä ohjattavaa kuormaa, jota voitaisiin hyödyntää päivän sisällä tapahtuvissa ohjauksissa (intra-day (Elbas), säätösähkömarkkina). Riittävän nopeaan ja luotettavaan tiedonsiirtoon sekä mittareiden ja keskusten asennuksiin liittyy ohjausaikatauluun perustuvaan ohjaukseen verrattuna enemmän teknisiä haasteita. Jakeluverkkoyhtiöiden valvontamallia, esim. innovaatiokannustimen muodossa, tuleekin kehittää siten, että se luo kannusteita verkkoyhtiöille edistää AMR-mittareiden kautta ohjattavissa olevan ohjauspotentiaalin täysimääräistä hyödyntämistä.Day-ahead ja intra-day markkinoita merkittävämmän taloudellisen potentiaalin tarjoavat kantaverkkoyhtiön olemassa olevat, maailmanlaajuisesti edistykselliset, käyttö- ja häiriöreservimarkkinat. Nykyistä AMR –teknologiaa ei voida sellaisenaan käyttää nopeisiin ohjauksiin, vaan reservimarkkinoille tarjottava kuorman ohjaus vaatii teknisesti kehittyneempiä ratkaisuja. Todennäköisesti reservimarkkinoille tarjottava kysynnän jousto laajenee ensin isompien kiinteistöjen kuormien ohjauksista; esim. reservimarkkinoille hyvin soveltuvat ilmanvaihto-, jäähdytys- ja valaistuskuormat muodostavat satojen megawattien suuruisen kuormituksen valtakunnan tasolla.Isompien kiinteistöjen (palvelu-, liike ja toimistorakennukset) ohjauksissa kiinteistöautomaatiojärjestelmät ovat ensisijainen ratkaisu kysynnän jouston toimintojen kehittämiseen. Myös pienasiakkaiden (kotitalous- ja vapaa-ajan kiinteistöt) kuormien ohjauksissa tarvitaan AMR-mittaria kehittyneempiä järjestelmiä, jos halutaan tarjota ohjauksia reservimarkkinoille tai toteutetaan älykkäämpiä ohjauksia, esim. kun asiakkaalla on omaa pientuotantoa. Taloudellinen kannattavuus on yleisesti ottaen sitä parempi, mitä reaaliaikaisemmilla markkinoilla operoidaan.Sähkön myyjän näkökulmasta Day-ahead tai intra-day markkinoihin tai tasehallintaan liittyvällä kysynnän joustolla saavutettavien taloudellisten hyötyjen realisoitumista edesauttaa se, että kysynnän jouston toteutukseen vaadittava infrastruktuuri on lähes valmiina. Mikäli kysyntäjoustotuotteen tarjoaa joku muu kuin asiakkaan sähkönmyyjä, tulee luoda menettely, jolla ratkaistaan tasevastuuseen liittyvät kysymykset.Sähkönmyyjällä ja jakeluverkkoyhtiöllä on periaatteellinen eturistiriita suhteessa kysynnän joustoon. Kun kuormituksia ohjataan kaikille asiakkaille yhtenäisen ohjaussignaalin, kuten sähkön markkinahinnan perusteella, vähenee normaali kuormien risteily, mikä kasvattaa verkon tehoja. Tehopohjaisen maksukomponentin sisältävä siirtotariffi puolestaan luo asiakkaalle kannusteen kiinnittää huomiota myös omiin huipputehoihin. Todellisella jakeluverkolla ja kuormitustiedoilla tehdyissä simuloinneissa ilmeni, että tarkastellussa jakeluverkossa huipputehot (suurin tuntikeskiteho) kasvavat merkittävästi, mikäli kuormia ohjataan markkinaperusteisesti. Tätä kuormien kasvua on simulointien perusteella mahdollista tasoittaa tehopohjaisilla siirtotariffeilla. Tehopohjainen hinnoittelu voidaan toteuttaa esim. asiakkaan toteutuneeseen huipputehoon tai liittymispisteeseen määriteltyyn tehorajaan tai -kaistaan perustuvan maksukomponentin avulla. Sähkön myyjän hinnoittelu voi siitä huolimatta perustua edelleen tuntihinnoitteluun, esim. spot-hintaan, jolloin asiakkailla on kannuste optimoida kuormia myös markkinahintojen perusteella. Tehopohjainen hinnoittelu voidaan nähdä jopa edellytyksenä järjestelmän kokonaistehokkuuden toteutumisen näkökulmasta, jotta markkinahinta-pohjaisella ohjauksella saavutettava hyöty ei eliminoidu verkon kapasiteettitarpeen kasvamisena ja siten asiakkaiden korkeampina siirtomaksuina.Keskeistä kysynnän jouston laajamittaiselle hyödyntämiselle on muodostaa kokonaisvaltainen näkemys kysynnän jouston toiminnallisuudesta ja eri toimijoiden mahdollisesti ristikkäisistäkin rooleista, kaikkien toimijoiden liiketoimintaa tukevasta markkinamallista, tiedonsiirtorajapintojen yhteensovittamisesta sekä kysynnän joustoa edistävän lainsäädännön kehittämisestä. Erityisesti kysyntäjouston ansaintalogiikka vaatii kehittämistä, asiakkaiden ymmärrystä tulee lisätä ja asiakkaille tulee tarjota kannusteita kysynnän joustoon osallistumiseen. Kuorman ohjauksen käyttöönotto edellyttää myös uusien ja uusittavien kiinteistöjen sähköverkon ja laitevalintojen suunnittelun tavoitteellista ohjausta. Lainsäädäntöön liittyvien kysymysten lisäksi keskeisiä esteitä kysynnän jouston toteutumiselle yleisesti ovat hajanainen toimialakenttä (suuri määrä erilaisia toimijoita), standardoimattomat prosessit, tietojärjestelmien rajapinnat ja toimintavasteiden suuri hajonta, sekä asiakkaan kuormien ohjattavuustiedon puuttuminen.Tutkimusprojektin lopputuloksena esitetään lukuisa joukko toimenpiteitä, joilla voidaan edesauttaa laajamittaisen kysynnän jouston yleistymistä. Vastuu toimenpiteistä jakautuu laajasti toimialan yrityksille (mm. sähkön myyjät ja verkkoyhtiöt), toimialan järjestöjen edustajille sekä viranomaisille. Toimenpiteet liittyvät:- kysynnän jouston tuotteistamiseen sähkön myyjän ja jakeluverkkoyhtiön toimintojen osalta,- eri sidosryhmien informointiin ja koulutukseen,- toimintatapojen yhtenäistämiseen toimintaprosessien sekä teknisten järjestelmien osalta,- lainsäädännön, viranomaismääräysten ja ohjeiden kehittämiseen, joihin sisältyy erityisesti verkkoliiketoiminnan valvontamallin ja rakennusmääräysten kehittäminen.Vaikka kysynnän jouston laajamittainen käyttöönotto edellyttää vielä paljon erilaisia toimenpiteitä, niin olemassa oleva infrastruktuuri ja markkinapaikat sekä meneillään oleva kehitystyö luo uskoa kysynnän jouston laajamittaisen toteutuksen käynnistymiselle lähitulevaisuudessa

Distribution system congestion management through local flexibility market

publishedVersionPeer reviewe

Network Architecture for IEC61850-90-5 Communication : Case Study of Evaluating R-GOOSE over 5G for Communication-Based Protection

The smart grid includes wide-area applications in which inter-substation communication is required to realize innovative monitoring, protection, and control solutions. Internet-based data exchange, i.e., communication over Internet Protocol (IP), is regarded as the latest trend for inter-substation communication. Interoperability can be achieved via the use of standardized IEC 61850-90-5 messages communicating over IP. Wide-area applications can obtain benefits from IP-multicast technologies and use a one-to-many communication model among substations communicating across a communication network. Cellular Internet is being considered as a potential cost-efficient solution which can be used for the IP-multicast communication. However, it requires knowledge of communicating uncommon IP-multicast traffic over the Internet. Moreover, it presents challenges in terms of cybersecurity and real-time requirements. These challenges must be overcome to realize authentic and correct operation of the wide-area applications. There is thus a need to examine communication security and to evaluate if the communication network characteristics satisfy the application real-time requirement. This paper investigates the secure communication of IEC61850-90-5 multicast messages over the public communication network and proposes two network architectures using the Generic Routing Encapsulation (GRE) tunnel and multipoint GRE (mGRE) within Dynamic Multipoint VPN (DMVPN). Additionally, this paper evaluates the feasibility of cellular (5G and 4G) Internet for the communication of multicast Routable Generic Object Oriented Substation Events (R-GOOSE) messages in wide-area protection applications. For this purpose, we introduce a lab setup to experiment the transmission of R-GOOSE messages within the proposed network architectures. The lab setup contains both software and hardware components. A software application is developed to publish multicast R-GOOSE with a fresh timestamp acquired from time synchronization equipment. These messages are transmitted over the Internet by computer networking devices that support cellular communication. The communication latency of the transmitted messages is measured and analyzed statistically. The statistical analysis results are discussed to evaluate performance of R-GOOSE over cellular Internet for two communication-based protection applications: Logic Selectivity and Loss-of-Main protection schemes.publishedVersionPeer reviewe

Analyzing Reliability of the Communication for Secure and Highly Available GOOSE-Based Logic Selectivity

In an electrical distribution network, Logic Selectivity significantly reduces both the number and duration of outages. Generic Object-Oriented Substation Events (GOOSE) have a key role in the decision-making process of substation protection devices using GOOSE-based Logic Selectivity. GOOSE messages are exchanged between remote protection devices over the communication network. Secured communication with low latency and high reliability is therefore required in order to ensure reliable operation as well as meeting real-time requirement of the Logic Selectivity application. There is thus a need to evaluate feasibility of the selected communication network technology for Logic Selectivity use cases. This paper analyzes reliability of cellular 4G/LTE Internet for GOOSE communication in a Logic Selectivity application. For this purpose, experimental lab set-ups are introduced for different configurations: ordinary GOOSE communication, secured GOOSE communication by IPsec in Transport mode, and redundant GOOSE communication using the IEC 62439-3 Parallel Redundancy Protocol. In each configuration, the GOOSE retransmissions are recorded for a period of three days and the average GOOSE transmission time is measured. Furthermore, the measured data is classified into histograms and a probability value for communication reliability, based on the transmission time, is calculated. The statistical analysis shows that 4G Internet satisfies the real-time and reliability requirements for secure and highly available GOOSE-based Logic Selectivity

Quantification of peak shaving capacity in electric vehicle charging - findings from case studies in Helsinki Region

An increasing share of electric vehicles can mean excessive peak loads in low-voltage power distribution networks. Introducing peak shaving mechanisms to the charging systems, such overloads can be mitigated significantly. The first contribution of this study is to quantify the amount of flexibility that electric vehicles can contribute to peak load reduction so that the drivers can still fully charge the batteries of their vehicles. The second contribution is that the study presents and compares two optimisation strategies for peak load reduction. The work is based on real charging data covering about 25,000 charging sessions at various charging sites in the metropolitan area of the Finnish capital city. The main finding is that the peak loads at charging sites can be reduced by up to 55%. Another important result is that load reduction through low-power charging is achievable only if the average parking time at the charging site is >3 h, without affecting the user experience negatively. It is also found out that the average parking time is over 2 h longer than the average charging time, which indicates the enormous potential of electric vehicles in peak shaving.publishedVersionPeer reviewe

Anatomy of electric vehicle fast charging : Peak shaving through a battery energy storage—A case study from Oslo

The number of electric vehicle (EV) users is strongly increasing so that today roughly every second registered vehicle in Norway is an EV. To increase the EV utilization, politics, industry and the EV users strongly promote the integration of fast charging infrastructure. While the future demand of fast charging sites is a well-studied topic, not much is known about the utilization of the existing charging sites and daily load curves. To fill this knowledge gap, usage data of a charging site in Oslo is analysed. Further on, the impact of a battery energy storage (BES) as well as a photovoltaic generator on peak load reduction is studied. The analysis shows variations and trends in the daily and weekly charging behaviour depending on the degree of utilization of the charging station. On average, a single EV user charges around 10 kWh in 19 min. Furthermore, the evidence indicates that EV users may have adapted fast charging as a part of their daily travels and it is not used only during long distance journeys. The results suggest that a BES can reduce the peak load by up to 55%. By adding a photovoltaic generator, a minor additional reduction of peak load is seen.publishedVersionPeer reviewe

SÄTE-opas : Opas pientalojen suunnitteluun : Sähkötehojen hallinta osana rakennuksen energiatehokkuutta

Sähköteho-oppaassa kuvataan pientalokiinteistöjen sähkötehojen ja energiankäytön muodostumista sekä keinoja, miten voidaan hallita tehojen muodostumista suunnittelu-, toteutus- ja käyttövaiheissa. Sen tavoitteena on tuoda esiin näkemyksiä, joilla ediste-tään energiatehokkuustavoitteiden saavuttamista ja tehdään kokonaisjärjestelmän näkökulmasta resurssitehokkaita ratkaisuja, joihin voidaan jatkossa liittää erilaisia ohjauspalveluita. Oppaassa kuvataan pientalokiinteistön tehoprofiiliin vaikuttavia valintoja sekä mahdollisuuksia niin paikallisesti kuin erilaisten ohjausratkaisujen avulla vaikuttaa omaan sähkön käyttöönsä. Oppaassa keskitytään sähkötehon tarpeeseen liittyviin näkökulmiin, mutta erityisesti lämmitysratkaisuihin liittyy myös muun lämmitysenergian tarve eri käyttötilanteissa