Sähkökatkot lyhyemmiksi simulointi-

työkalun avulla

23.5.2013

Pertti Raatikainen ja Seppo Horsmanheimo

VTT

2 23/05/2013

Lähtökohta 1/2

2000-luvulla syys- ja

talvimyrskyjen määrä on kasvanut

Myrskytuhot aiheuttaneet

katkoksia sähkö- ja

tietoliikenneverkkoihin

Myrskyjen lisäksi myös lumikuormat

aiheuttavat sähkökatkoksia

Sähköverkot eivät ole kehittyneet

vastaamaan nykyajan

vaatimuksia (Hallituksen esitys 20/2013)

3 23/05/2013

Lähtökohta 2/2

Sähkö- ja tietoliikenneverkkojen keskinäinen riippuvuus on kasvanut

automaation ja etähallinnan myötä

Sähköverkkojen modernisointi kasvattaa tietoliikenteen tarvetta

Tietoliikenteen kasvu lisää sähköä tarvitsevien tukiasemien määrää

Maaseutu- ja taajama-alueet ovat kaupunkialueita haavoittuvampia

Ilmajohtojen määrä suurempi maaseutu- ja taajama-alueilla

Sähköverkon korjaukset kestävät yleensä pidempään

Matkapuhelinverkon peitossa on vähemmän varmentavaa

päällekkäisyyttä

Yhteiskunnan digitalisoituminen on lisännyt riippuvuutta sähkö- ja

tietoliikenneverkoista

korostunut tarve myrskytuhojen ennaltaehkäisylle ja -varautumiselle

4 23/05/2013

Simulointiohjelmiston tausta

Sähkö- ja tietoliikenneverkkojen välisiä riippuvuuksia on hyvin

vähän simuloitu - usein verkkoja tarkasteltu erikseen

Merkittäviä ponnistuksia tehty tietoliikenne- ja sähköverkkojen

toimivuuden varmentamiseksi eritoten katastrofitilanteissa

Tietoliikenneverkot (3GPP-standardisointi)

Sähköverkot (Hallituksen esitys 20/2013)

Eri varmennusvaihtoehtojen vertailuun tarvitaan työkaluja

5 23/05/2013

Simulointityökalu 1/2

Työkalu on alun perin kehitetty tietoliikennetarpeisiin.

Smart Grids and Energy Markets (SGEM) -projektissa työkalua

kehitettiin edelleen huomioimaan sähköverkossa esiintyviä erilaisia

vikatilanteita.

Vikatilanteita tarkastelemalla ja analysoimalla voidaan sähkö-

ja tietoliikenneverkkojen kriittiset kohdat tunnistaa ja niiden

pohjalta rakentaa verkot entistä luotettavammiksi ja

toimintavarmemmiksi.

Kehitystyötä tehty yhteistyössä ViolaSystemsin, ABB:n, NSN:n,

TeliaSoneran ja Fortumin kanssa.

6 23/05/2013

Simulointityökalu 2/2

Mallintaa myrskytuhojen ja erityyppisten sähkökatkojen laajuutta ja

etenemistä sähköverkossa sekä niiden vaikutuksia

matkapuhelinverkkoihin

Muodostaa sähköverkon vikaraporteista yksityiskohtaisen kuvan

vikaantumisen etenemisestä aiempien myrskyjen aikana ja normaaliin

toimintaan palautumisesta myrskyjen jälkeen

Havainnoi mobiiliverkon toimintatason alenemista (esim. puhe- ja

datayhteyksien katkot) ja vaikutuksia sähköverkon korjaustyöhön ja

normaaliin toimintaan palautumiseen

7 23/05/2013

Tietoliikenne- ja sähköverkon mallintaminen

Ympäristö

Korkeus- ja maastotyyppitiedot

Sähköverkko

Sähköasemat

Erottimet

Muuntamot

2G/3G-mobiiliverkot

GSM-900 -verkkon tukiasemat

UMTS-900 –verkkon tukiasemat

Erityyppiset päätelaitteet

8 23/05/2013

Mallinnettava sähköverkon osa

Figure from Viola Systems’ ‘Case Vattenfall: Automating the Distribution Network’ report

9 23/05/2013

Tietoliikenneverkon tietojen todentaminen

Nemo

Handy Viola Arctic

2G/3G

Samsung

Nexus

10 23/05/2013

Sähkö- ja puhelinverkko normaalitilanteessa

11 23/05/2013

Sähkö- ja puhelinverkko myrskyn jälkeen

Kuva: Olli Pihlajamaa

12 23/05/2013

Vaihtoehtoja luotettavuuden parantamiseen

Sähköverkon luotettavuus

Maakaapelointi

Vierimetsien (sähkölinjan vieressä olevat puut) hoitaminen

Sähköntuotannon hajauttaminen (esim. micro grid -toteutukset)

Sähköverkkojen modernisointi (automaatio- ja etähallinta)

Tietoliikenneverkon luotettavuus

Sähkönsaannin varmentaminen (esim. akut, sähkögeneraattorit,

varmentavat sähkölinjat ja maakaapelointi)

Mobiiliverkon peiton varmentaminen (esim. tukiasematiheyttä

kasvattamalla ja/tai eri langattomien verkkojen yhteiskäytöllä)

Uusien langattomien verkkoteknologioiden (esim. ad hoc ja LTE-

A) hyödyntäminen

13 23/05/2013

Mobiiliverkon peiton korjaaminen myrskyn jälkeen

Suorat päätelaitteiden

väliset yhteydet (ad hoc)

Liikuteltavat tukiasemat Mobiiliverkon antennien

uudelleensuuntaaminen

14 23/05/2013

Esimerkki: Erityyppisten vikaantumisten mallintamisesta

Yksi linja alhaalla

*) Harmaalla ilman sähköä olevat sähköverkkokomponentit

GSM-verkon peiton muutokset eri vikaantumistilanteissa

Yksi sähköasema alhaalla Useita sähköasemia alhaalla

*) Väreillä esitetty kuuluvien solujen määrät eri kohdissa

15 23/05/2013

Esimerkki - Tapani/Hannu-myrskyn mallintaminen

Ei akkuvarmennusta tukiasemissa 12 tunnin akkuvarmennus tukiasemissa

Punainen - toimivien muuntamoiden %-osuus

Vaaleansininen - toimivien mastojen %-osuus

Tummansininen - mobiiliverkon peiton puutteen %-osuus

16 23/05/2013

Sovelluskohteita

Sähkökatkosten vaikutusten arviointi

Muita häiriönaiheuttajia esim. kyber-hyökkäykset ohjausjärjestelmää

kohtaan, lumikuormat ja aurinkomyrskyt

Tulevaisuuden tietoliikenne- ja sähköverkkojen kehitystarpeiden

arviointi

Infrastruktuurien ja kriittisten palvelujen välisten vuorovaikutusten

tutkiminen

sähköverkko-vedenjakelu

sähköverkko-tietoliikenneverkko-pankkipalvelu tai pelastuspalvelu

17 23/05/2013

Hyödyt

Sähköyhtiöiden maksamien myrskykorvausten

lukumäärä ja korvaussummat pienenevät

sähkökatkojen lyhentyessä

Sähkökatkosten aiheuttamat vauriot vähenevät

(mm. sulaneet pakastimet, vioittuneet kodinkoneet,

vesiputkien jäätymiset), mikä pienentää

kotitalouksien ja vakuutusyhtiöiden kuluja

Kuluttajille luotettavampia

tietoliikenneyhteyksiä, kun katkot lyhenevät

Valtion/yhteiskunnan hyöty näkyy parantuneena

huoltovarmuutena (mm. sairaalat, pankkipalvelut

ja liikenne)

Yritysten tuotantokatkot lyhenevät

18 23/05/2013

VTT luo teknologiasta liiketoimintaa