Simulointiympäristö älykkäiden sähköverkkojen mallinnukseen

Älykkäiden sähköverkkojen eli älyverkkojen toiminnan ymmärtämisen kannalta keskeisessä roolissa ovat simulaatiot, joiden avulla voidaan mallintaa erilaisten älyverkkojen ominaisuuksien käyttäytymistä.

Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulu kehitti yhteistyössä Tampereen ammattikorkeakoulun kanssa älyverkkojen simulointialustan sekä siihen pohjautuvan tutkimus- ja opetuskäyttöön soveltuvan simulointiympäristön Älykkäiden sähköverkkojen simulointiympäristö – ÄSSÄ -hankkeessa.

Sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapaino

Sähkön tuotannon ja kulutuksen tulee olla tasapainossa. Haasteen tälle tasapainolle muodostaa sääriippuvaisen uusiutuvan energian kasvava tuotanto. Uusiutuvien energiamuotojen (tuuli- ja aurinkoenergia) aikaisempaa laajemmassa hyödyntämisessä keskeinen komponentti ovat älykkäät sähköverkot eli älyverkot. Älykkäät sähköverkot tarjoavat välineen vaihtelevan energiantuotannon ja -kulutuksen yhdistämiseen kustannustehokkaalla tavalla.

Älyverkkojen toiminnan ymmärtämisen kannalta keskeisessä roolissa ovat simulaatiot, joiden avulla voidaan mallintaa erilaisten älykkäiden sähköverkkojen ominaisuuksia. Älyverkkojen simulaatiot vaativat kuitenkin uusia välineitä ja menetelmiä perinteisiin sähköverkkoihin verrattuna.

Kaakkois-Suomen ja Tampereen ammattikorkeakoulujen yhteistyön tavoitteena oli vastata tähän haasteeseen ja kehittää valmiita komponentteja hyödyntäen älyverkkojen simulointialusta sekä siihen pohjautuva tutkimus- ja opetuskäyttöön soveltuva simulointiympäristö. Simulointiympäristö sisältää älyverkkojen simulointialustan, simulointialustan käyttöohjeen ja malliverkkoja simulointien toteuttamiseen.

Simulointialustalla voidaan mallintaa älykkäiden sähköverkkojen toimintoja

Älyverkkojen mallinnuksen työkaluksi toteutettiin PowerWorld-pohjainen älykkäiden sähköverkkojen simulointialusta. PowerWorldin Auto-Sim-lisäosan avulla simulointialustan laskentaa voidaan suorittaa myös Exelillä ja visualisoida saatuja tuloksia.

Kuvassa 1. näkyy simulointialustan laskentanäkymä, jossa lähtöarvojen pohjalta mallinnetaan sähköntuotannon ja -kulutuksen tasapainoa malliverkossa. Simulaatioalustan laskentamoottorina toimii PowerWorldin sähköverkkosimulaattoriohjelmisto. PowerWorldin Auto-Sim-lisäosa toimii VBA-ohjelmoinnin ja Excel-taulukon ohjelmointirajapintana.

Älyverkkosimulointeja toteutettiin malliverkkojen avulla

Älyverkkojen simulointeja varten rakennettiin erilaisia malliverkkoja PowerWorld-ohjelmistolla. Malliverkot sisältävät sähköverkon, energian tuotantolaitokset, energiavaraston ja kulutuskohteet. Kuvassa 2. on esimerkki toteutetusta Case solar wind system -malliverkosta. Malliverkkoja testattiin erilaisilla konfiguraatioilla ja kerätyllä datalla.

Simulointialustalle ja malliverkoille haluttiin myös ulkopuolisia testaajia ja arviointia. Tähän liittyen toteutimme pilotoinnin Tampereen ammattikorkeakoulun Älykkäät sähköverkot ja energian varastointi -opintojaksolla. Pilotoinnin aikana keräsimme opiskelijoilta palautteen simulointialustasta, malliverkoista ja simulointialustan käyttöohjeista. Simulointialustan, malliverkkojen ja käyttöohjeen kehitystyötä on toteutettu saadun palautteen pohjalta.

Malliverkkojen simuloinneilla tutkittiin älyverkkojen tuotannon ja kulutuksen tasapainoa

Älyverkkojen mallinnuksia varten toteutettiin sähkön tuotanto-, kulutus- ja varastointikomponenttien avulla variaatioita malliverkoista. Toteutetuissa mallinnuksissa sähkön tuotantomuotona käytettiin tuuli- tai aurinkovoimaa, joissain tapauksissa mukana olivat molemmat tuotantomuodot. Sähkön peruskulutusta malliverkoissa edusti 70 kerrostalon kulutusteho, lisäksi käytettiin erityyppisiä sähkönkulutuskohteita malliverkosta riippuen.

Kuvassa 3. esitetään tuulivoimalan sisältävän malliverkon simulointituloksia. Kuvaajassa (a) näkyy mikroverkkoon liitetyn energiavaraston sisältämä energia, kuvaajassa (b) tuulivoimalan tuotantoteho ja (c) kuvaajassa sähkön käyttäjien 70 kerrostalon kulutusteho.

Simulointiympäristöä testattiin pilotoinnilla

Simulointiympäristöä eli simulointialustaa, malliverkkoja ja käyttöohjetta testattiin Tampereen ammattikorkeakoulussa talvella ja keväällä 2023. Pilotoinnin palautteesta saatiin selville, mikä kokonaisuudessa oli toimivaa ja missä vielä edelleen kehitettävää.

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 älyverkkokokonaisuuteen. Haastatellut opiskelijat pitivät simulointialustaa, malliverkkoja ja käyttöohje- kokonaisuutta hyödyllisinä opetuksen, opetuksen kehittämisen ja oman oppimisen kannalta.