hankkeen Tausta
Älykkäät sähköverkot ovat keskeinen väline uusiutuvien energialähteiden aikaisempaa laajemmassa hyödyntämisessä. Hankkeen tavoitteena on luoda älykkäiden sähköverkkojen simulointiympäristö koulutuksen, tutkimuksen ja yritysten tarpeisiin. Ympäristö mallintaa, simuloi ja todentaa älyverkkojen ominaisuuksien vaikutuksia sähköenergiajärjestelmässä. Tavoitteena on suunnitella ja toteuttaa tietotekninen ratkaisu, jossa eriytetään simulaatio, toiminnallisuudet, resurssit ja markkinaosapuolet toisistaan.
Toimenpiteet
Simulointialustaan mallinnetaan tyypilliset sähkönjakeluverkot haja-asutus- ja kaupunkiolosuhteista, niiden kulutusprofiilit ja skenaarioita hajautettujen resurssien yleistymisestä. Lisäksi mallinnetaan älyverkon liiketoiminnan käyttötapauksia toteutuksineen.
Simulaatioympäristöön on tavoitteena kehittää mahdollisimman monipuolinen simulaatiotulosten visualisointi.
Tulokset
Hankkeen päätulos on eri työkaluja ja laskentamoottoreita yhdistävä älykkään sähköverkon simulointialusta, jota voidaan käyttää opetus- ja tutkimusympäristönä korkeakouluissa ja yrityksissä. Tuloksena on myös simulointialustaa varten luotu oma ohjelmisto- ja järjestelmäarkkitehtuuri. Lisäksi tuloksena on hankkeessa kehitettyjä älyverkkojen simuloinnissa tarvittavia ohjelmistokomponentteja. Hankkeessa kehitettyä alustaa ja ohjelmistoja voi olla mahdollista kaupallistaa tai hyödyntää koulutusviennissä.
Lyhyellä aikavälillä hanke vaikuttaa positiivisesti tarjoamalla keskeisen uuden apuvälineen korkeakoulujen ja yritysten älyverkkoihin liittyvään koulutukseen ja tutkimukseen sekä edistämällä hankeosapuolten välistä yhteistyötä. Pitkällä aikavälillä hanke edistää vaikutustensa kautta uusiutuvien energioiden lisääntyvää käyttöönottoa ja tätä kautta vähähiilisyyttä.
ÄLYKKÄIDEN SÄHKÖVERKKOJEN SIMULOINTIALUSTA
Älykkäät sähköverkot tarjoavat välineen vaihtelevan energiantuotannon ja -kulutuksen yhdistämiseen kustannustehokkaalla tavalla. Älyverkkojen toiminnan ymmärtämisen kannalta keskeisessä roolissa ovat simulaatiot, joiden avulla voidaan simuloida ja mallintaa erilaisten älykkäiden sähköverkkojen ominaisuuksia. ÄSSÄ-hankkeessa kehitettiin älyverkkojen simulointialusta, sekä siihen pohjautuva tutkimus- ja opetuskäyttöön soveltuva simulointiympäristö. Simulointialustan avulla voidaan mallintaa ja havainnollistaa erilaisia ilmiöitä, joita älykkäissä sähköverkoissa esiintyy. Simulointialustan käyttöönoton helpottamiseksi on tehty käyttöohje, joka opastaa käyttäjää ja esittelee tarkemmin simulaatioalustan ominaisuuksia.
SIMULOINTIALUSTA
Simulaatioalustan laskentamoottorina toimii PowerWorld sähköverkkosimulaattoriohjelmisto. Ohjelmistoon on hankittu myös PowerWorldin SimAuto-lisäosa, joka toimii ohjelmointirajapintana. Rajapinta mahdollistaa PowerWorld simulaattorin käyttämisen laskentamoottorina ulkoisesta ohjelmistosta käsin. Hankkeessa toteutettu simulointialusta on rakennettu Excel-taulukkoon VBA-ohjelmointikielellä SimAuto-rajapintaa hyödyntäen. Simulaatioalusta, käyttöohjeet sekä malliverkot ovat Ässä-hankkeen verkkosivuilla vapaasti saatavilla, kehitettävissä ja käytettävissä MIT- lisenssikäytännön mukaisesti. Simulaatioalustan käyttö vaatii PowerWorld ohjelmiston ja SimAuto lisäosan.
Github – Case Wind Solar System
SIMULOINTIALUSTAN KÄYTTÖOHJE
Simulointialustaa varten on tehty käyttöohjeet ja ne ovat ladattavissa tästä.
ÄSSÄ simulointiympäristö käyttöohje
MALLIVERKOT JA PILOTOINTI
Hankkeen aikana rakennettiin erilaisia malliverkkoja PowerWorld simulaattorilla. Malliverkkoja on testattu erilaisilla konfiguraatioilla ja kerätyllä datalla läpi hankkeen. Simulointialustalle haluttiin myös ulkopuolisia testaajia ja arviointia. Tähän liittyen suoritimme hankkeessa pilotoinnin Tampereen ammattikorkeakoulun Älykkäät sähköverkot ja energian varastointi -opintojaksolla. Pilotoinnin aikana keräsimme opiskelijoilta palautteen simulointialustasta, malliverkoista ja käyttöohjeista. Palautteen avulla saimme kuvan siitä, missä on onnistuttu simulaatioalustan tekemisessä ja missä on vielä kehitettävää. Simulointialustan, malliverkkojen ja käyttöohjeen kehitystyötä on toteutettu saadun palautteen pohjalta.
MALLIVERKOT
Hankkeen aikana on rakennettu erilaisia malliverkkoja PowerWorldilla ja ne ovat vapaasti ladattavissa sekä muokattavissa MIT-lisenssin mukaisesti. Malliverkkojen käyttö vaatii Power World simulaattorin version 21 tai uudemman. Malliverkot sisältävät kaksi eri tiedostoa. Pwb-tiedosto sisältää malliverkon tiedot kuten solmupisteet, generaattorit ja muuntajat sekä näiden arvot. Pwd-tiedosto sisältää malliverkon graafisen ilmeen. Nämä on hyvä säilyttää samassa kansiossa, jotta ne toimivat yhdessä.
CASE AKKUTESTI
Case Akkutesti malliverkko sisältää 5 MW:n tuulivoimalan, Slack generaattorin/akuston ja kuorman. Kuormana toimii kerrostaloalue. Käyttäjä pystyy säätämään verkon tuotantoa ja kulutusta mielensä mukaan.
CASE SOLAR WIND SYSTEM
Tämä malliverkko on rakennettu Akkutesti malliverkon pohjalta. Tähän malliverkkoon on lisätty yksi 5 MW:n aurinkovoimala sekä Slack generaattori on siirretty suoraan kiinni kuormaan. Aurinkovoimalan ja kuorman välillä on yksi muuntaja. Kuormana on kerrostaloalue.
Github – Case Wind Solar System
CASE MIKROVERKKO
Mikroverkko sisältää Slack generaattorin lisäksi tuulivoimalan, aurinkovoimalan, varavoiman ja energiavaraston. Malliverkossa on neljä kuormaa, jotka ovat omakotitalot, kerrostalot, tehdas ja julkinen rakennus sekä muutamia solmupisteitä sekä muuntajia.
Github – Other Powerworld Models
CASE YHDEN GENERAATTORIN MALLI
Tästä malliverkosta on erilaisia versiota, kuten tuulivoimalalla, aurinkovoimalalla tai vesivoimalalla käyvät malliverkot. Esimerkkikuvassa on tuulivoimalalla käyvä sähköverkko. Malliverkko sisältää tuulivoimalan, Slack generaattorin, kolme solmupistettä, muuntajan ja yhden kuorman.
Github – Other Powerworld Models
TOTEUTETUT SIMULAATIOT
Hankkeessa toteutettiin simulointeja erityyppisillä mikroverkoilla. Kuvan esimerkki simulaatiossa käytetään pohjana Akkutesti malliverkkoa. Mikroverkon simulointituloksia: (a) energiavaraston energia, (b) tuulivoimalan tuotantoteho, (c) 70 kerrostalon kulutusteho. Simulaatiossa syötetään tuulivoimalan pätötehoa, sekä kerrostalokuorman pätö- ja loistehoa verkkoon 10 sekunnin aikapisteittäin yhteensä vuorokauden tai viikon ajalta. Kun simulaatio on valmis, niin Excel-taulukkoon tulostuu akkuvaraston varaustasoa seuraava käyrä, sekä solmupisteiden jännitteiden ja niiden kulmien vaihtelua kuvaavat käyrät.
PILOTOINTI OPINTOJAKSOLLA
Simulointialustalle ja simulointiin liittyvälle materiaalille haluttiin myös ulkopuolisia testaajia ja arviointia. Tähän liittyen suoritimme hankkeessa simulointialustan, malliverkkojen ja käyttöohjeen pilotoinnin Tampereen ammattikorkeakoulun Älykkäät sähköverkot ja energian varastointi -opintojaksolla. Pilotoinnin aikana opiskelijat tekivät simulointeja simulointialustalla, sekä käyttivät alustaan liittyviä malliverkkoja ja käyttöohjetta. Pilotoinnin aikana keräsimme opiskelijoilta palautteen simulointialustaan, malliverkoihin ja käyttöohjeisiin liittyen. Simulointialustan, malliverkkojen ja käyttöohjeen kehitystyötä on toteutettu saadun palautteen pohjalta. Simulointialusta, malliverkot ja käyttöohje ovat ladattavissa vapaasti sekä jatkokehitettävissä MIT-lisensointi periaatteen mukaisesti. Seuraavassa poimintoja kerätystä käyttäjäpalautteesta:
- Simulointialustan käyttöliittymää pidettiin toimivana.
- Excelissä olevat graafit olivat hyviä ja helpottivat alustan käyttämistä.
- Kahta eripituista simulaatiota – päivä ja viikko simulaatio pidettiin toimivana ratkaisuna.
- Simuloinnin edistymispalkkia pidettiin hyödyllisenä lisäyksenä.
- Simulointiympäristön malliverkkoja pidettiin opetukseen sopivina kokonaisuuksina.
Simulointialustan jatkokehittämiskohteiksi palautteessa todettiin:
- Mahdollisuus syötettävän datan muokkaukseen ja skaalaukseen, sekä uusien kuormien ajamiseen.
- Powerworldin käyttöliittymä voisi olla näkyvillä simuloinnin aikana.
- Käyttöohjeeseen toivottiin kuvausta malliverkosta ja siitä, mitä simulaatiossa malliverkkoon liittyen haetaan.
- Helpompi syötettävien arvojen ja simulaatioajan muokkaus.
Älyverkkojen simulointiympäristöä, malliverkkoja ja käyttöohjetta pidettiin käyttäjäpalautteessa niin opetuksen kuin oman oppimisen kannalta hyödyllisenä kokonaisuutena. Nähtiin, että simulointiympäristöllä käyttäjä pystyi havainnollistamaan opetuksessa esille tuotuja asioita ja kokeilemaan lähtöarvojen muutosten vaikutusta älyverkko kokonaisuuteen. Haastatellut opiskelijat, jotka olivat simulointialustaa käyttäneet, pitivät hankkeen tuloksia ja tuotoksia (simulointialustaa, malliverkkoja ja käyttöohje kokonaisuutta) hyödyllisinä opetuksen, opetuksen kehittämisen ja oman oppimisen kannalta.
Hankkeessa toteutettu opinnäytetyö
Hankkeessa toteutettiin Älykkäiden sähköverkkojen opetussimulaattorin testaus ja pedagoginen käsikirjoitus -niminen YAMK lopputyö. Lopputyössä Konstantin Gromyko käsittelee älyverkkojen simulointialustan hyödyntämistä sähkövoimatekniikan opetuksessa ja opintojaksolla suoritetun pilotoinnin tuloksia. Lisäksi opinnäytetyössä pohditaan Suomen energiantuotannon tulevaisuuden näkymää ja miten siihen pitäisi alan koulutuksessa varautua.
Lue opinnäytetyö tästä: Älykkäiden sähköverkkojen opetussimulaattorin testaus ja pedagoginen käsikirjoitus