Analys av mätdata från nätstationer

Mars 2014

Analys av mätdata från nätstationer

Martin Eklöf

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

Besöksadress:

Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0

Postadress:

Box 536 751 21 Uppsala

Telefon:

018 – 471 30 03

Telefax:

018 – 471 30 00

Hemsida:

http://www.teknat.uu.se/student

Analys av mätdata från nätstationer

Analysis of data from secondary substations

Martin Eklöf

Fortum has in a pilot project installed metering equipment with wireless communication in secondary substations in Stockholm. So far, the collected data are used only in specific projects.

This master thesis was carried out at Fortum Distribution AB in Stockholm during 2013. The purpose of this study is to simplify and enhance the use of data in for example network planning process, by giving suggestions on how data can be managed and giving examples of analyzes that collected data can be used for.

The electricity meter which Fortum has installed is a EDMI-Mk10A which is set to measure max/average/min values with a one hour time resolution of the following parameters: voltage (per phase), current (per phase) and active power and active and reactive energy.

In order to analyze the collected data an analysis tool is required.

During this thesis two customized tools in Microsoft Excel have been developed, one for sorting data and one for analyzing.

One aim of the thesis is to show examples of what collected measurement data can be used for. This work shows an example of analysis of active power, power factor, voltage, occurrence of interrupts and the relationship between outdoor temperature and power.

This master thesis has among others resulted in the following advice:

Expand the number of secondary substations with measuring equipment.

Higher time resolution. Measure apparent power and temperature.

ISSN: 1650-8300, UPTEC ES 14 005 Examinator: Petra Jönsson

Ämnesgranskare: Mikael Bergkvist Handledare: Joar Johansson

Analys av m¨atdata fr˚an n¨atstationer

Fortum har i ett pilotprojekt installerat m¨atutrustning f¨or kontinuerlig m¨atning i n¨atstationer i Stockholm. Sedan den f¨orsta m¨ataren placerades ut, v˚aren 2010, har m¨atdata samlats in och lagrats.

Examensarbetet ¨ar utf¨ort p˚a Fortum Distribution AB i Stockholm under h¨ostterminen 2013. Syftet med examensarbetet ¨ar att f¨orenkla och ¨oka anv¨andningen av m¨atdata i till exempel n¨atplaneringsprocessen, genom att ge f¨orslag p˚a hur m¨atdata kan hanteras och exempel p˚a analyser som insamlad m¨atdata kan anv¨andas till.

Elm¨ataren som Fortum har installerat ¨ar en EDMI-Mk10A som ¨ar inst¨alld p˚a att m¨ata max/medel/min med en timmes tidsuppl¨osning av f¨oljande parametrar: sp¨anning (per fas), str¨om (per fas) och aktiv effekt. Ytterligare parametrar som lagras ¨ar aktiv och reaktiv energi.

F¨or att analysera och bearbeta insamlad m¨atdata kr¨avs ett anpassat verktyg. Under det h¨ar examensarbetet har tv˚a egna verktyg i Microsoft Excel utvecklats, ett f¨or sortering av data och ett f¨or analys.

Ett av syftena med examensarbetet ¨ar att visa exempel p˚a vad insamlad m¨atdata kan anv¨andas till. I arbetet visas exempel p˚a analyser av aktiv effekt, effektfaktor, sp¨anning, f¨orekomsten av avbrott, transformatorf¨orluster och sambandet mellan utomhustempe- ratur och effekt.

Resultatet av sp¨anningsanalysen visar att det i analyserade n¨atstationer inte finns n˚agot problem med varken obalans mellan faserna eller sp¨anningsvariationer. I analysen av transformatorf¨orluster simulerades m¨ojligheten att minska f¨orlusterna genom att v¨axla mellan en och tv˚a inkopplade transformatorer. Resultatet visar att det i nya n¨atstationer

¨ar mer f¨ordelaktigt att installera en transformator med l˚ag tomg˚angsf¨orlust (P₀).

Examensarbetet har resulterat i ett antal rekommendationer. En rekommendation ¨ar att forts¨atta installera m¨atutrustning i nya n¨atstationer och ¨aven eftermontera i ¨aldre n¨atstationer. En annan rekommendation ¨ar att v¨alja en h¨ogre tidsuppl¨osning och m¨ata fler parametrar.

Under examensarbetets har ett projekt initierats p˚a IT-avdelningen. Projektet syftar till att skapa ett system f¨or att hantera m¨atdata fr˚an n¨atstationer och skapa ett verktyg f¨or att g¨ora data tillg¨angligt f¨or anv¨andare. Hantering och lagring av m¨atdata ska ske i en databas p˚a Fortums server och ˚atkomst till m¨atdata ska ske genom ett gr¨anssnitt i programmet IBM Cognos.

Examensarbetet ¨ar utf¨ort p˚a avdelningen Lokaln¨at Stockholm, Fortum Distribution AB.

Examensarbetet omfattar 30 h¨ogskolepo¨ang och ¨ar sista steget i min utbildning p˚a ci- vilingenj¨orsprogrammet Energisystem p˚a Uppsala Universitet och Sveriges Lantbruks Universitetet.

Ett stor tack riktas till alla p˚a Fortum f¨or den hj¨alp, det st¨od och det trevliga s¨allskap de bidragit med under arbetets g˚ang. Ett extra stor tack riktas till min handledare, Joar Johansson, f¨or all den hj¨alp och v¨agledning jag har f˚att.

Jag vill ¨aven rikta ett tack till min ¨amnesgranskare, Mikael Bergkvist, f¨or den sakkunskap han har bidragit med under arbetet och min examinator, Petra J¨onsson.

Uppsala, mars 2014 Martin Ekl¨of

iii

Abstract i

Sammanfattning ii

F¨orord iii

1 Inledning 1

1.1 Bakgrund . . . . 1

1.2 Syfte och m˚al . . . . 2

1.3 Metod . . . . 3

1.4 Avgr¨ansningar . . . . 4

1.5 Disposition . . . . 4

2 Teori 5 2.1 N¨atstationen . . . . 5

2.1.1 Utrustning i n¨atstationen . . . . 6

2.1.2 N¨atstationstyper i analysen . . . . 6

2.1.3 Transformator . . . . 6

2.1.3.1 F¨orluster . . . . 7

2.1.3.2 Parallellkopplade transformatorer . . . . 8

2.1.3.3 Verkningsgrad . . . . 8

2.2 M¨atning . . . . 9

2.2.1 Klassificering och standarder . . . . 9

2.2.2 M¨atutrustning . . . 10

2.2.2.1 Sl¨apvisare . . . 10

2.2.2.2 Megacon EMA10H . . . 10

2.2.2.3 EDMI Mk10A . . . 10

2.2.3 Tidsuppl¨osning . . . 13

2.2.4 Lastfaktor . . . 13

2.3 Sp¨anningsanalys . . . 13

2.3.1 Osymmetri i sp¨anningen . . . 13

2.3.1.1 Skador orsakade av osymmetri . . . 15

2.3.1.2 Standard . . . 16

2.3.2 Sp¨anningsvariation . . . 16

2.3.2.1 Standard . . . 16

2.3.3 J¨amf¨orelser mellan standarder . . . 17

3 M¨atdata - Fr˚an lagring till analys 18

iv

3.1 Insamling av m¨atdata . . . 18

3.2 F¨orbehandling av m¨atdata . . . 18

3.3 Lagring . . . 19

3.3.1 Idag - Separata filer . . . 19

3.3.2 Framtida l¨osning - Databas . . . 19

3.4 Tillg¨anglig data . . . 19

3.5 Analysverktyg . . . 20

3.5.1 Microsoft Excel . . . 20

3.5.1.1 Egnutvecklat analysverktyg . . . 20

3.5.2 Cognos . . . 20

3.5.2.1 Cognosrapport . . . 21

3.5.3 Qlikview . . . 21

3.5.4 Lavastorm Analytic . . . 22

4 Analys, resultat och slutsats 24 4.1 Tidsuppl¨osning . . . 24

4.1.1 Slutsats . . . 26

4.2 Lastfaktor . . . 26

4.2.1 Slutsats . . . 28

4.3 Lastanalys . . . 28

4.3.1 Lastkurvor . . . 29

4.3.2 Belastning i n¨atstationen . . . 31

4.3.3 M¨atdata vs. sl¨apvisare . . . 34

4.3.4 Temperaur och last . . . 34

4.3.5 Effektfaktor . . . 35

4.3.6 Slutsats . . . 37

4.4 Transformator . . . 39

4.4.1 F¨orlustber¨akning . . . 40

4.4.2 Simulering - V¨axla mellan en och tv˚a transformatorer . . . 41

4.4.3 Framtida krav p˚a transformatorf¨orluster . . . 43

4.4.4 Slutsats . . . 44

4.5 Str¨omavbrott . . . 45

4.5.1 Slutsats . . . 46

4.6 Sp¨anningsanalys . . . 47

4.6.1 Osymmetri i sp¨anningen . . . 47

4.6.2 Sp¨anningsvariation . . . 48

4.6.3 Slutsats . . . 49

5 Diskussion och rekommendationer 51 5.1 Diskussion . . . 51

5.2 Rekommendationer . . . 52

Litteratur 54

Figurer

2.1 Enlinjeschema f¨or en n¨atstation av modell O05. . . . 7

2.2 Osymmetrisk trefassp¨anning uttryckt som summan av plus-, minus- och nollf¨oljd. . . 14

3.1 Egenutvecklat analysverktyg i Microsoft Excel. . . 21

3.2 Bild fr˚an effektanalysen i Qlikview. . . 22

3.3 Lavastorm Analytic Platform. . . 23

4.1 Olika tidsuppl¨osningar - maxv¨arden . . . 25

4.2 Olika tidsuppl¨osningar - medelv¨arden . . . 25

4.3 H¨og lastfaktor . . . 26

4.4 L˚ag lastfaktor . . . 27

4.5 Exempel p˚a en l˚ag lastfaktor, fr˚an m¨atdata . . . 28

4.6 Lastkurva ett ˚ar n¨atstation 5 . . . 29

4.7 Lastkurva en vecka n¨atstation 5 . . . 30

4.8 Lastkurva tv˚a ˚ar n¨atstation 17 . . . 30

4.9 Lastkurva fr˚an n¨atstation 17. M˚andag till s¨ondag under vinter och sommar. 31 4.10 Belastning i samtliga 21 n¨atstationer . . . 32

4.11 Belastning i nio n¨atstationer, med m¨atdata under minst en vinterperiod. . 33

4.12 Belastning i n¨atstation 17 . . . 33

4.13 Belastning i n¨atstation 5 . . . 34

4.14 M¨atdata vs. sl¨apvisare i n¨atstation 17. . . 35

4.15 Sambandet mellan last och utomhustemperatur i n¨atstation 17. . . 35

4.16 Sambandet mellan last och utomhustemperatur i n¨atstation 17. . . 36

4.17 Effektfaktor och utomhustemperatur under ett ˚ar i n¨atstation 5. . . . 36

4.18 Effektfaktor och utomhustemperatur under ett ˚ar i n¨atstation 17. . . 37

4.19 Effektfaktor och utomhustemperatur under ett ˚ar i n¨atstation 1. . . . 37

4.20 Transformatorf¨orluster vid drift av n¨atstation 17. . . 40

4.21 Verkningsgrad p˚a transformatorn i n¨atstation 17. . . 41

4.22 Transformatorf¨orluster vid drift av en och tv˚a transformatorer. . . 42

4.23 Transformatorf¨orluster vid drift av en och tv˚a transformatorer. . . 42

4.24 Transformatorf¨orluster vid drift av en och tv˚a transformatorer i n¨atstation 9. . . 43

4.25 Korta och l˚anga str¨omavbrott i n¨atstationerna. . . 46

4.26 Str¨omtopp efter avbrott i n¨atstation 17. . . 46

4.27 Osymmetri i sp¨anningen, n¨atstation 6 . . . 48 vi

4.28 Sp¨anningsvariation, n¨atstation 19 . . . 49

Tabeller

2.2 Noggrannhetsklass enligt MID och IEC standard. . . . 9

2.3 Specifikationer f¨or Megacon EMA10H och EDMI Mk10A. . . 11

2.4 Parametrar och funktioner. Megacon EMA10H och EDMI Mk10A. . . 12

4.1 Fortums krav och exempel p˚a transformatorf¨orluster. . . 40

4.2 Resultat av simulering av v¨axling mellan en och tv˚a transformatorer i n¨atstation 9. . . . 43

4.3 Resultat av simuleringar, v¨axla mellan en och tv˚a transformatorer. . . 44

4.4 Resultat av analysen av max-minv¨arden p˚a sp¨anningen. . . 49

Inledning

1.1 Bakgrund

M¨atning och ¨overvakning i eln¨atet ¨ar inget nytt. Sedan 1970-talet har stamn¨atet ¨overvakats och styrts av ett datorsystem. P˚a 1980-talet automatiserades ¨overvakningen av regi- onn¨atet och sedan 2009 finns fj¨arravl¨asta elm¨atare hos samtliga kunder.[2] I l˚agsp¨anningsn¨atet varierar m¨angden m¨at- och ¨overvakningsutrustning mellan olika n¨at¨agare och flera pro- jekt med m˚al att installera utrustning p˚ag˚ar.

Historiskt sett har effekten fl¨odat i en riktning i eln¨atet, fr˚an produktion i stora anl¨aggningar och till konsumtion hos kunden. Det kan komma att ¨andras n¨ar mer lokal produktion an- sluts.[2] Det kr¨aver ¨okad information om effektfl¨oden i l˚agsp¨anningsn¨atet, fr¨amst som un- derlag f¨or dimensionering och till ¨okad f¨orst˚aelse f¨or hur effekten varierar. M¨atutrustning i n¨atstationer kan dels anv¨andas f¨or att ge information om effekten och dels till andra m¨atningar, till exempel elkvalit´etsparametrar.

F¨ordelarna och nyttan med n¨atstationsm¨atning har visats i flera unders¨okningar och studier. Studierna visar att det finns flera omr˚aden d¨ar m¨atdata fr˚an n¨atstationer med f¨ordel kan anv¨andas. M¨atdata kan anv¨andas till att ge en b¨attre bild av belastningen av n¨atstationen, analysera f¨orbrukningsm¨onster hos anslutna kunder, uppt¨acka problem med elkvalit´en och ¨oka kontrollen p˚a f¨orluster i l˚agsp¨anningsn¨atet.

Ett stort anv¨andningsomr˚ade f¨or m¨atdata fr˚an n¨atstationer ¨ar i n¨atplaneringsprocessen.

En viktig faktor n¨ar lokaln¨atet dimensioneras ¨ar lasten. N¨ar ett nytt omr˚ade plane- ras kan bland annat typkurvor och uppskattning om den aggregerade lasten anv¨andas f¨or att ge en uppskattning om lasten, eftersom det ¨ar en uppskattning adderas en s¨akerhetsmarginal. En n¨atstation ber¨aknas ha en livsl¨angd p˚a ungef¨ar 40 ˚ar. Under de

1

˚aren kommer lasten att f¨or¨andras. F¨or¨andringen kan ske genom att fler kunder ansluts el- ler att befintliga kunders last ¨andras, till exempel genom ett byte av uppv¨armningssystem fr˚an vedeldning till v¨armepump. Om ett omr˚ade expanderar och man misst¨anker att las- ten kommer ¨oka kan n¨atstationen beh¨ova bytas ut. D˚a ¨ar det en f¨ordel om den verkliga lasten kan analyseras med stor noggrannhet.

Fortum har i Stockholm sedan mitten av 90-talet installerat m¨atutrustning i nya n¨atstationer, i ¨aldre n¨atstationer finns analoga m¨atinstrument. M¨atutrustningen anv¨ands idag till att m¨ata den maximala lasten. Avl¨asning av maxlasten g¨ors en g˚ang per ˚ar i Fortums n¨atstationer. Os¨akerheten kan vara stor d˚a det ¨ar ett enstaka v¨arde som kan vara ett resultat av till exempel en st¨orning p˚a eln¨atet. Kontinuerlig m¨atning i n¨atstationen ger m¨ojlighet att analysera lasten under hela ˚aret, vilket kan minska os¨akerheten.

M¨atdata som analyseras i det h¨ar examensarbetet kommer fr˚an elm¨atare installerade i n¨atstationer i Stockholm. M¨atarna installerades i ett pilotprojekt f¨or att p˚a f¨ors¨ok inf¨ora kontinuerlig m¨atning, tillsammans med tr˚adl¨os kommunikation, i n¨atstationer. Fortum har i Stockholmsomr˚adet ungef¨ar 2400 stycken n¨atstationer och pilotf¨ors¨ok med olika m¨atare p˚ag˚ar f¨or att avg¨ora hur m¨atningen ska ske p˚a b¨asta s¨att.

1.2 Syfte och m˚ al

Fortum har under ett par ˚ars tid samlat in m¨atdata fr˚an elm¨atare installerade i 21 n¨atstationer. Hittills har insamlad m¨atdata enbart anv¨ants i enskilda projekt. F¨or att kunna ta del av och anv¨anda insamlad data kr¨avs en hel del manuellt arbete, p˚a grund av att data lagras i form av textfiler och inte sammanst¨alld. Det h¨ar examensarbetet syftar till att visa vad insamlad m¨atdata kan anv¨andas till och genomf¨ora en f¨orsta analys av insamlad m¨atdata samt att ge f¨orslag p˚a hur m¨atdata kan hanteras fr˚an m¨atning till f¨ardig analys.

Nedan presenteras de fr˚agest¨allningar som har behandlats i det h¨ar examensarbetet.

• M¨atdata i n¨atplaneringsprocessen

– Vad kan insamlad m¨atdata anv¨andas till?

– Hur kan processen fr˚an insamling av data till f¨ardig analys utformas?

– Vilket analysverktyg kan anv¨andas?

– Hur kan insamlad m¨atdata presenteras f¨or slutanv¨andaren?

• Hur kan m¨atutrustningen konfigureras i framtiden f¨or att ¨oka anv¨andbarheten?

– Vilken tidsuppl¨osning ska anv¨andas?

– Hur ofta ska m¨atdata samlas in?

– Vilka parametrar ska lagras?

F¨or att visa vad insamlad m¨atdata kan anv¨andas till och genomf¨ora en f¨orsta analys av insamlad m¨atdata har analyser och ber¨akningarna genomf¨orts f¨or att besvara f¨oljande fr˚agest¨allningar:

• Effekt

– Hur varierar den aktiva effekten under dygnet, s¨asongen (vinter, v˚ar, sommar och h¨ost) och under ˚aret?

– Hur varierar effektfaktorn under ˚aret?

– Hur ¨ar transformatorerna belastade?

– Sl¨apvisare vs. elm¨atardata. Hur korrekt ¨ar momentanv¨ardet som sl¨apvisaren visar?

• Sp¨anning

– Sp¨anningsvariationer?

– Osymmetrisksp¨anning?

• Str¨omavbrott

– Hur l˚ang tid varade avbrottet?

– Hur m˚anga avbrott intr¨affade under m¨atperioden?

– Vad h¨ande efter avbrottet? Str¨omtopp?

Resultatet av examensarbetet presenteras i den h¨ar rapporten och vid tv˚a presentationer, en p˚a Fortum och en p˚a Uppsala Universitet.

1.3 Metod

I planeringsstadiet av examensarbetet genomf¨ordes en litteraturstudie f¨or att f˚a en

¨

oversikt av vad som har gjorts inom omr˚adet m¨atning i n¨atstationer. Informationen kombinerades med Fortums ¨onskem˚al om examensarbetet, som framkommit genom pla- neringsm¨oten och diskussioner med ber¨orda personer, och resulterade i en projektplan som sedan f¨oljts under arbetets g˚ang.

M¨atdata fr˚an n¨atstationer har analyserats i Microsoft Excel, d¨ar ett analysverktyg ut- vecklades f¨or att m¨ojligg¨ora upprepade analyser och ber¨akningar med minimalt manuellt

arbete. Det utvecklade verktyget anv¨andes ¨aven som exempel p˚a hur ett framtida ana- lysverktyg kan utformas. ¨Aven alternativa analysprogram har utretts under arbetets g˚ang.

F¨orslag p˚a ett system f¨or att lagra m¨atdata och g¨ora den tillg¨anglig f¨or olika anv¨andare utformades i samarbete med IT-avdelningen.

Under arbetets g˚ang har information inh¨amtats med hj¨alp av litteraturstudier, studie- bes¨ok i n¨atstationer, intervjuer och m¨oten. Information om Fortums eln¨at och n¨atstationer kommer fr˚an Fortums dokumentationssystem.

1.4 Avgr¨ ansningar

Det h¨ar examensarbetet ¨ar begr¨ansat till 30 h¨ogskolepo¨ang, motsvarande 20 veckor.

Examensarbetets avgr¨ansningar:

• De befintliga inst¨allningarna i m¨atutrustningen har anv¨ands.

• Ett begr¨ansat antal analyser och ber¨akningar har utf¨orts och best¨amts i samr˚ad med Fortum.

• Ett begr¨ansat antal olika analysverktyg har utv¨arderats.

• Enbart tekniska analyser har genomf¨orts, inga ekonomiska.

• I rapporten presenteras enbart exempel p˚a resultat och ber¨akningar.

1.5 Disposition

Rapporten ¨ar indelad i fem kapitel. Nedan f¨oljer en kort beskrivning av vad som ing˚ar i respektive kapitel.

Kapitel 2: Relevant teori bakom de analyser och ber¨akningar som har genomf¨orts samt information om den m¨atutrustning som anv¨ands p˚a Fortum.

Kapitel 3: Beskriver hur m¨atdata hanterats under examensarbetet och f¨orslag p˚a hur den kan hanteras i framtiden.

Kapitel 4: Resultatet fr˚an utf¨orda ber¨akningar och analyser presenteras. Detaljerade resultat av analyser och ber¨akningar presenteras i en separat bilaga f¨or Fortum.

Kapitel 5: Diskussion och rekommendationer.

Teori

2.1 N¨ atstationen

I n¨atstationen sker den sista nedtransformeringen innan slutkunden ansluter till eln¨atet.

N¨atstationen inneh˚aller f¨orutom en transformator ¨aven h¨og- och l˚agsp¨anningsst¨allverk samt tillh¨orande utrustning.[7]

Beroende p˚a placering och anv¨andningsomr˚ade delas n¨atstationer in i f¨oljande under- grupper.

Kundstation

En n¨atstation som ¨ags av en h¨ogsp¨anningskund, men driften sk¨ots av eln¨atsbolaget. [7]

Satellitstation

Radiellt matad n¨atstation som saknar h¨ogsp¨anningsst¨allverk. [7]

Stolpstation

N¨atstation placerad p˚a en stolpe. Vanlig p˚a landsbygden d¨ar avst˚andet mellan uttagspunkterna ¨ar l˚angt. L˚ag m¨arkeffekt.[7]

Markstation eller frist˚aende

N¨atstation inbyggd i en frist˚aende byggnad, vanligtvis i betong eller pl˚at.[7]

Inbyggd/Inhyse station

N¨atstation placerad i en annan byggnad, till exempel en k¨allare.[7]

Underjordisk n¨atstation

N¨atstation placerad under marken. Vanligast i st¨orre st¨ader p˚a grund av platsbrist.[7]

I Fortums eln¨at i Stockholmanv¨ands f¨oljande beteckningar p˚a n¨atstationer.

O - Ovan jord (markstation) V - Viadukt (inhyse station) U - Underjordisk

5

2.1.1 Utrustning i n¨atstationen

En n¨atstation inneh˚aller utrustning f¨or h¨og- och l˚agsp¨anning. Beroende p˚a tillverkare kan den exakta utformningen av n¨atstationen skilja, men funktionerna ¨ar likartade. [7]

P˚a h¨ogsp¨anningssidan finns lastfr˚anskiljare, jordningsomkopplare och s¨akringar. F¨or att f¨orhindra ljusb˚agar anv¨ands i h¨ogsp¨anningsst¨allverket ett isolationsmedium. Det kan vara antingen en gas, luft eller ett fast isolermaterial. [7]

P˚a l˚agsp¨anningssidan finns s¨akringar, lastfr˚anskiljare, ber¨oringsskydd och str¨omtransformator.

Str¨omtransformatorn anv¨ands f¨or m¨atning av str¨om. [7]

Ovrig utrustning i n¨¨ atstationen kan vara m¨atutrustning, jordfel- och kortslutningsin- dikatorersamt samt larmtabl˚a. I Fortums n¨atstationer i Stockholm finns ett s˚a kallat kontrollkabeln¨at som vid larm ¨overf¨or ett summalarm till f¨ordelningsstationen. I figur 2.1 visas ett enlinjeschema ¨over en n¨atstation av typ O05.

2.1.2 N¨atstationstyper i analysen

I det h¨ar examensarbetet ¨ar den vanligaste typen ¨ar en prefabrikerad markstation av typ O05. Typer som ing˚ar finns listade i tabell 2.1.

Tabell 2.1: N¨atstationstyper i analysen.

Typ M¨arkeffekt [kVA]

O05 1600

O84 800

O77 2x800

V77 2x800

Siffra - Konstruktions˚ar f¨or typen

2.1.3 Transformator

I n¨atstationen sker nedtransformering fr˚an 11 eller 22 kV till 0,4 kV. Nedtransforme- ringen kan ske med en transformator, som i enlinjeschemat i figur 2.1, eller med flera parallellkopplade transformatorer. [7] I Fortums n¨atstationer i Stockholm anv¨ands en

∆-Y-koppling (Dyn11), se figur 2.1.

Figur 2.1: Enlinjeschema f¨or en n¨atstation av typ O05.

2.1.3.1 F¨orluster

De aktiva f¨orlusterna i en transformator best˚ar av tomg˚angs- och belastningsf¨orluster.

Tomg˚angsf¨orlusterna (P0), ¨aven kallade j¨arnf¨orluster, best˚ar huvudsakligen av hyste- resf¨orluster och virvelstr¨ommar (eddy-currents) i j¨arnk¨arnan och ¨ar oberoende av trans- formatorns belastning. Belastningsf¨orlusterna (Pk), ¨aven kallade kopparf¨orluster, ¨ar re- sistivaf¨orluster i kopparlindningarna och ¨ar kvadratiskt beroende av str¨ommen. I belast- ningsf¨orlusten ing˚ar ¨aven virvelstr¨ommar (eddy-currents) i kopparlindningarna. Belast- ningsf¨orlusten definieras av den aktiva effektf¨orbrukningen vid ett kortslutningsprov, d¨ar m¨arkstr¨om matas in i en lindning och en annan lindning kortsluts. Belastningsf¨orlusten anges vid en viss temperatur, f¨or oljekylda 75^◦C. Aktiva f¨orluster genererar v¨arme som beh¨over kylas bort. P₀ och P_k anges av tillverkaren och uppm¨ats enligt standard.

F¨orlusterna varierar beroende p˚a hur transformatorn ¨ar uppbyggd och hur den isoleras.

[23, 1]

F¨orlusten i en transformator ber¨aknas med ekvation 2.1.[23, 1]

Pt= P0+ n²× P_k (2.1)

Pt - Total f¨orlust [kW]

P0 - Tomg˚angsf¨orlust [kW]

P_k - Belastningsf¨orlust [kW]

n = S Sr

(2.2)

n - Delbelastning S - Last [kVA]

Sr - M¨arkeffekt [kVA]

2.1.3.2 Parallellkopplade transformatorer

N¨ar en n¨atstation inneh˚aller tv˚a parallellkopplade transformatorer, med samma speci- fikationer, kan den totala f¨orlusten minskas om en kopplas ur vid l˚ag last. Det finns tv˚a metoder f¨or att ber¨akna brytpunkten f¨or n¨ar den totala f¨orlusten blir l¨agre om en transformator kopplas ur. Den f¨orsta metoden ¨ar att ber¨akna lasten i den punkt d¨ar kur- vorna, f¨or en respektive tv˚a transformatorer, enligt ekvation 2.1 sk¨ar varandra. Metod tv˚a ¨ar att ber¨aknas brytpunkten enligt ekvation 2.3 och 2.4. [23]

n_b = s

p × (p − 1) × P0

P_k (2.3)

S_b= n_b× S_r (2.4)

n_b - Belastning f¨or brytpunkt Sb - Last i brytpunkt [kVA]

S_r - M¨arkeffekt f¨or en transformator [kVA]

p - Antal transformatorer

2.1.3.3 Verkningsgrad

Transformatorns verkningsgrad ¨ar h¨og, f¨or st¨orre transformatorer ¨over 99%. Verknings- graden beror p˚a belastning och ber¨aknas enligt ekvation 2.5. [23, 1]

η[%] ≈ 100 − P₀+ n²× P_k

n × S_r× cos ϕ + P₀ × 100 (2.5)

2.2 M¨ atning

P˚a l˚agsp¨anningssidan i Fortums n¨atstationer finns en eller flera str¨omtransformatorer.

Beroende p˚a n¨ar n¨atstationen konstruerades och byggdes installerades olika typer av m¨atinstrument, i figur 2.1 representerat av rutan med texten Kombiinstrument Sedan i b¨orjan av 90-talet installeras ett kombiinstrument och innan det en m¨attavla med sl¨apvisare f¨or str¨om och sp¨anning, mer om hur de olika instrumenten fungerar i f¨oljande avsnitt.

2.2.1 Klassificering och standarder

Beroende p˚a om m¨ataren ska anv¨andas f¨or debiteringsgrundande m¨atning eller inte finns olika krav p˚a noggrannhet och klassning. Debiteringsgrundande m¨atare ska vara godk¨anda enligt EU:s MID, Measuring Instrument Directive [3]. Det finns olika grader av godk¨annande och f¨or att vara godk¨and f¨or debitering ska annex B och D eller F upp- fyllas. Det inneb¨ar att m¨ataren uppfyller EU:s kvalitetskrav. Direktivet inneh˚aller ¨aven en noggrannhetsklassning, klass A-D. Beroende p˚a om m¨ataren ansluts via en str¨om- eller sp¨anningstransformator eller ¨ar direktansluten g¨aller olika krav p˚a till exempel nog- grannhet [21]. M¨atare kan ¨aven delas in i noggrannhetsklasser, enligt IEC-standard (IEC 62053-11/21-23)[14, 9]. Tabell 2.2 inneh˚aller noggrannhetsklasser enligt MID (Measuring Instrument Directive) och IEC (International Electrotechnical Commission) standard med respektive st¨orsta till˚atna fel.

Tabell 2.2: Noggrannhetsklass enligt MID och IEC standard [14, 3, 4].

Noggrannhetsklass St¨orsta till˚atna fel

IEC MID [%]

2 A ± 2

1 B ± 1

0,5 C ± 0,5

0,2 D ± 0,2

2.2.2 M¨atutrustning

Olika elm¨atare kan kr¨avas beroende p˚a om m¨ataren ska anv¨andas f¨or elkvalit´etsm¨atning, debiteringsgrundande m¨atning eller f¨or ¨overvakning. Beroende p˚a anv¨andningsomr˚ade g¨aller olika standarder och f¨orordningar f¨or att s¨akerst¨alla en korrekt m¨atning.

I det h¨ar examensarbetet har m¨atdata fr˚an EDMI Mk10A analyserats och m¨ojligheterna att utnyttja Megacon EMA10H till motsvarande m¨atning har unders¨okts. I f¨oljande avsnitt behandlas de olika m¨atarna.

2.2.2.1 Sl¨apvisare

I Fortums n¨atstationer, som byggdes innan ett kombiinstrument b¨orjade installeras i b¨orjan av 90-talet, finns ett analogt instrument med sl¨apvisare f¨or str¨om och sp¨anning f¨or de tre faserna. P˚a instrumentet visas momentan- och maxv¨ardet f¨or sp¨anningen och str¨ommen. M¨ataren blir avl¨ast och nollst¨alld en g˚ang per ˚ar. Avl¨asningen sker i samband med den ˚arliga besiktningen av n¨atstationen.

2.2.2.2 Megacon EMA10H

Megacon ¨ar ett kombiinstrument som har installerats i nybyggda n¨atstationer i Fortums n¨at sedan mitten av 1990-talet. Det inneb¨ar att omkring 400 stycken m¨atare finns instal- lerade. M¨ataren ersatte de tidigare sl¨apvisarna, som visade momentan- och maxv¨arde f¨or sp¨anning och str¨om.

Idag anv¨ands m¨ataren till att visa momentan str¨om och sp¨anning samt registrera den maximala lasten sedan senaste nollst¨allning, v¨ardet l¨ases av manuellt en g˚ang per ˚ar.

Avl¨asningen sker i samband med den ˚arliga besiktningen av n¨atstationen. Funktionerna som anv¨ands idag ¨ar enbart en liten del av vad som ¨ar m¨ojligt, ingen lagring f¨orutom maxv¨ardet ¨ar normalt aktiverat. I tabell 2.4 listas en del av de parametrar och funktioner som finns tillg¨angliga i m¨ataren och i tabell 2.3 listas tekniska specifikationer.

2.2.2.3 EDMI Mk10A

I ett pilotf¨ors¨ok installerades 21 stycken EDMI Mk10, med b¨orjan v˚aren 2010. M¨ataren valdes p˚agrund av att det ¨ar samma m¨atare som Fortum anv¨ander till debiteringsm¨atning av h¨ogsp¨anningskunder och att den p˚a grund av masstillverkning har ett relativt l˚agt pris. Det inneb¨ar att det ¨ar en bepr¨ovad m¨atare och mont¨orerna vet hur den installeras.

Installationen skedde fr¨amst i nybyggda stationer, fr¨amst av typ O05, innan drifttag- ning. Installation i befintliga n¨atstationer av typ O84 och O77 genomf¨ordes under drift.

[10]

Kommunikationen med m¨atare sker via GPRS [5] och m¨atdata samlas in av ett externt f¨oretag, mer om insamlingen av m¨atdata i avsnitt 3.1. I tabell 2.4 listas en del av de parametrar och funktioner som finns tillg¨angliga i m¨ataren och i tabell 2.3 listas tekniska specifikationer. Det finns fler funktioner i m¨ataren ¨an vad som ¨ar aktiverat idag, fr¨amst

¨ar det elkvalit´etsm¨atningar som inte anv¨ands idag.

Tabell 2.3: Specifikationer f¨or Megacon EMA10H och EDMI Mk10A. [5, 19]

Megacon EMA10H EDMI Mk10A

Noggrannhetsklass

IEC Klass 1 Klass 1, 2

MID - A, B

Tekniska specifikationer

Samplingstid 0,1 s 0,1 s

Sp¨anning 85-265 V 176-288 V

Tidsuppl¨osning

M¨ojligt intervall 1-9999 min 1-60 min

Inst¨allning idag 15 min 1 h

Tabell 2.4: Parametrar och funktioner. Megacon EMA10H och EDMI Mk10A. [5, 19]

Megacon EMA10H EDMI Mk10A

Sp¨anning

Fas X X

Huvud X O

Min X X

Medel 5 X

Max X X

Obalans O O

Variationer O O

Str¨om

Fas X X

Total X 5

Min X X

Medel 5 X

Max X X

Aktiv effekt

Fas O 5

Total X X

Min X X

Max X X

Reaktiv effekt

Fas O 5

Total O O

Min O O

Max O O

Skenbar effekt

Fas O 5

Total X O

Min X O

Medel 5 O

Max X O

Effektfaktor

Fas O O

Total X O

Min X 5

Medel 5 O

Max X 5

Energi

Aktiv energi X X

Reaktiv energi X X

Overtoner¨ O O

X- Inst¨allning idag (F¨or Megacon vid aktivering av lagring) 5 - Funktionen finns ej

O - M¨ojligheten finns

2.2.3 Tidsuppl¨osning

Tidsuppl¨osningen eller tidsintervallet ¨ar hur ofta m¨ataren lagrar ett m¨atv¨arde. I de tv˚a m¨atarna som studerats i det h¨ar examensarbetet v¨aljs tidsuppl¨osningen i m¨atarens mjukvara. Den valda tidsuppl¨osningen i EDMI-m¨atarna ¨ar en (1) timme och i Megacon- m¨atarna 15 minuter.

I b˚ada m¨atarna anv¨ands en samplingstid p˚a 0,1 sekunder, se tabell 2.3. Det inneb¨ar att m¨atarna m¨ater 10 g˚anger per sekund och sedan ber¨aknar min, medel och max beroende p˚a vald tidsuppl¨osning.

Valet av tidsuppl¨osning vid m¨atning i n¨atstationer beror p˚a vad insamlad m¨atdata ska anv¨andas till. En h¨ogre tidsuppl¨osning ger fler detaljer om hur lasten varierar och kan d¨armed anv¨andas till mer noggranna lastanalyser[18]. En h¨ogre tidsuppl¨osning genererar mer m¨atdata, vilket beh¨over hanteras [17].

2.2.4 Lastfaktor

Lastfaktorn (LF) ¨ar kvoten mellan medel- och maxeffekten under en vald tidsperiod [26].

Lastfaktorn anv¨ands i det h¨ar examensarbetet f¨or att visa om den angivna maxlasten under timmen ¨ar rimlig eller om det ¨ar en tillf¨allig h¨og topp. Lastfaktorn kan ¨aven anv¨andas till att beskriva hur lasten varierar i ett omr˚ade under en l¨angre tid.

LF ⇒ 0 L˚ag lastfaktor - Stora variationer i lasten och enstaka h¨oga effekttoppar LF ⇒ 1 H¨og lastfaktor - J¨amn last

2.3 Sp¨ anningsanalys

Nedan beskrivs teorin till sp¨anningsosymmetri och sp¨anningsvariation.

2.3.1 Osymmetri i sp¨anningen

Ett symmetriskt trefassystem ska uppfylla tv˚a kriterier. De tre fassp¨anningarna ska ha samma amplitud och fasf¨orskjutningen mellan faserna ska vara 120^◦. Uppfylls inte de kriterierna ¨ar systemet osymmetrisk.[16]

Orsaken till osymmetrin vid normal drift ¨ar flera och beror p˚a sp¨anningsniv˚a. I h¨ogsp¨anningsn¨at

¨ar det fr¨amst osymmetriska impedanser, orsakade av luftledningar som ger upphov till osymmetri. I l˚agsp¨anningsn¨at ¨ar det enfasiga laster som ¨ar den vanligaste orsaken, men

¨aven defekta trefaslaster och d˚aliga skarvar kan orsaka sp¨anningsosymmetri. [16]

Ber¨akningar med osymmetriska fassp¨anningar ¨ar komplicerat och d¨arf¨or transformeras fassp¨anningarna till sekvenssp¨anningar med hj¨alp av symmetriska komponenter, se Figur 2.2a.

• Plusf¨oljd: Tre komponenter med samma amplitud och en f¨orskjutning p˚a 120^◦ respektive 240^◦ och fasf¨oljden abc, se Figur 2.2b.

• Minusf¨oljd: Tre komponenter med samma amplitud och en f¨orskjutning p˚a 120^◦ respektive 240^◦ och fasf¨oljden acb, se Figur 2.2c.

• Nollf¨oljd: Tre komponenter med samma amplitud och en f¨orskjutning p˚a 0^◦, se Figur 2.2d.

[11]

Figur 2.2: Osymmetrisk trefassp¨anning (a) uttryckt som summan av plus- (b), minus- (c) och nollf¨oljd (d).

F¨or att transformera fassp¨anning till sekvenssp¨anning anv¨ands ekvation 2.6 [11].







 V₀ V1

V₂









= 1 3









1 1 1

1 a a² 1 a² a















 V_a V_b V_c









(2.6)

D¨ar operatorn a = 1∠120^◦= −1 2 + j

√3

2 (2.7)

Vid analys av osymmetri anv¨ands relativa v¨arden f¨or plus- och minusf¨oljden, se ekvation 2.8. Anledningen till att inte nollf¨oljdskomponenten analyseras i elkvalitetssammanhang

¨ar att nollf¨oljden ger upphov till str¨ommar i nolledaren. Ofta ¨ar elektriska apparater

∆-kopplade eller Y-kopplade med ojordad nollpunkt. Det f˚ar till f¨oljd att det inte kan existera en nollf¨oljdstr¨om, varf¨or det i elkvalit´etssammanhang enbart ¨ar minusf¨oljdens storlek i f¨orh˚allande till plusf¨oljden som ¨ar intressant. [13]

V oltageU nbalanceF actor[%](%V U F ) = | Minusf¨oljd |

| Plusf¨oljd | × 100 = | V₂|

| V₁|× 100 (2.8)

I utg˚ava 3, 2008, av standarden Sp¨anningens egenskaper i eln¨at f¨or allm¨an distribution, SS-EN 50 160, kan en f¨orenklad utr¨akning av minusf¨oljdfaktorn anv¨andas f¨or att undvika ber¨akning med komplexa tal, se ekvation 2.9.

%V U F = s

6(V_ab² + V_bc²+ V_ca²)

(V_ab+ V_bc+ V_ca)² − 2 × 100 (2.9)

2.3.1.1 Skador orsakade av osymmetri

Osymmetrisk sp¨anning kan orsaka skador och ge f¨ors¨amrad prestanda p˚a fr¨amst flerfasiga apparater. Osymmetri kan till exempel leda till extra uppv¨armning i elektriska kompo- nenter, som i sin tur leder till s¨amre prestanda och h¨ogre slitage. ¨Aven n¨atkomponenter, till exempel transformatorer och transmissionsledningar, kan p˚averkas negativt av oba- lanserad sp¨anning. [13]

En liten obalans i sp¨anningen kan leda till en stor obalans i str¨ommen. Obalansen i str¨ommen ger upphov till ¨okade f¨orluster i anslutna flerfasmaskiner och komponenter. P˚a grund av obalanserad sp¨anning kan en str¨om i neutralledaren uppst˚a. Problem uppst˚ar om neutralledaren inte ¨ar dimensionerad f¨or den str¨om som uppkommer.[13]

Frekvensomriktare ¨ar k¨ansliga f¨or osymmetrisk sp¨anning, antingen slutar de fungera eller s˚a genereras ¨overtoner vid fler frekvenser ¨an de karakt¨aristiska. Problemen kan uppst˚a redan vid en obalans p˚a 1%.[6]

En asynkronmotor som matas med en obalanserad sp¨anning p˚averkas p˚a flera olika s¨att. Den osymmetriska sp¨anningen inneh˚aller tv˚a komponenter en plus- och en mi- nusf¨oljdskomponent. Plusf¨oljdskomponenten ger upphov till det anv¨andbara och ¨onskade vridmomentet medans minusf¨oljdskomponenten genererar ett motverkande vridmoment.

Det ger upphov till f¨ors¨amrad effektivitet och ¨okad ljudniv˚a. Vid val av storlek p˚a en asynkronmotor ¨ar det viktigt att ta h¨ansyn till effekten av osymmetrisk sp¨anning. F¨ors¨ok visar att vid en obalans p˚a 2% beh¨ovs en 5% st¨orre motor och vid en obalans p˚a 3%

beh¨ovs en 12% st¨orre motor, f¨or att utf¨ora samma arbete.[13]

Till f¨oljd av den osymmetriska sp¨anningen minskar den totala ¨overf¨oringskapaciteten och f¨orlusterna ¨okar. En annan indirekt p˚averkan p˚a transmissionsn¨atet ¨ar att ber¨akningsmodeller baserade p˚a enfas modeller ger ett felaktigt resultat. P˚a grund av obalans i sp¨anningen kommer induktansen och kapacitansen f¨or de enskilda faserna att bli olika, vilket f˚ar till f¨oljd att den ¨overf¨orda effekten kommer att variera mellan faserna. Andra f¨oljder i transmissionsn¨atet ¨ar att den totala ¨overf¨oringskapaciteten minskar p˚a grund av en str¨om i negativ riktning, orsakad av minusf¨oljdskomponenten.[13]

2.3.1.2 Standard

Enligt SS-EN 50 160 ska m¨atning p˚a de tre faserna ske under en period p˚a en vecka med medelv¨arde var 10:e minut. Minusf¨oljdskomponenten ska vara inom 0 - 2% av plusf¨oljdskomponenten i 95% av de uppm¨atta 10-minuters medelv¨ardena. Gr¨anserna g¨aller vid kundens anslutningspunkt i eln¨atet.

2.3.2 Sp¨anningsvariation

Sp¨anningen i eln¨atet varierar beroende p˚a ˚arstid och belastningsf¨or¨andringar. Det finns snabba och l˚angsamma sp¨anningsvariationer. L˚angsamma sp¨anningsvariationer uppst˚ar fr¨amst p˚a grund av belastningsf¨or¨andringar och vid st¨orre fel p˚a eln¨atet. Om sp¨anningen blir f¨or h¨og kan elektriska apparater blir ¨overhettade och i v¨arsta fall g˚a s¨onder. Om sp¨anningen blir f¨or l˚ag kan elektriska apparater sluta fungera och st¨anga av sig. [16]

I det h¨ar examensarbetet behandlas enbart l˚angsamma sp¨anningsvariationer.

2.3.2.1 Standard

Enligt SS-EN 50160 ska sp¨anningsm¨atning ske under en period p˚a en vecka med me- delv¨arde var 10:e minut. Medelv¨ardet ska under 95% av tiden vara inom ±10% och

alltid inom ±15%, under normala driftf¨orh˚allanden. Gr¨anserna g¨aller vid kundens an- slutningspunkt i eln¨atet.

2.3.3 J¨amf¨orelser mellan standarder

Det finns tv˚a svenska standarder som behandlar sp¨anningsvariationer och osymmetrisk- sp¨anning. Det ¨ar Kompatibilitetsniv˚aer f¨or l˚agfrekventa ledningsbundna st¨orningar och signalniv˚aer p˚a eln¨at (SS-EN 61000-2-2) och Sp¨anningens egenskaper i eln¨at f¨or allm¨an distribution(SS-EN 50160). Skillnaden ¨ar att SS-EN 50160 behandlar l˚agsp¨anning, mel- lansp¨anning och h¨ogsp¨anning medan SS-EN 61000-2-2 enbart hanterar l˚agsp¨anning. SS- EN 61000-2-2 behandlar ¨aven EMC-niv˚aer (Elektromagnetisk kompatibilitet), som SS- EN 50160 inte behandlar.

Avsnitten som behandlar osymmetri i sp¨anningen skiljer sig ˚at p˚a en punkt. I SS-EN 61000-2-2 anges enbart gr¨anserna och i SS-EN 50160 anges att sp¨anningen ska ligga inom gr¨ansv¨ardena 95% av en period p˚a en vecka. Motsvarande skillnad g¨aller f¨or avsnitten om sp¨anningsvariationer.

Standarden SS-EN 50160 ¨ar framtagen inom CENELEC (Comit´e Europ´een de Norma- lisation ´Electrotechnique eller Den europeiska kommitt´en f¨or elektroteknisk standardi- sering) i syfte att skapa en f¨or CENELEC-l¨anderna gemensam standard f¨or el.