Geographical Perspectives on the Development of Power Distribution Systems in Sparsely Populated Areas
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2014-01-17
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
209
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 215/2013
Abstract
It has been proposed that the present power distribution overhead lines should be replaced by underground cables, to address the concerns related to major disturbances caused by snow loads and storms. However, in an objective comparison of different network development strategies, the special characteristics of each of the line types and the terrain must be considered when determining optimal network topologies. In sparsely populated areas the need for cost-effective solutions tailored to best fit the specific terrain and operational environment is emphasized. In this thesis, a method capable of providing a network topology planning algorithm with line type specific characteristics of the operational environment, including an accurate dynamic topographic model involving variable costs, was developed. The work included case studies, the initial data of which was provided by Finnish network utilities from a variety of environments. Applying the developed methodology using a terrain model, also a contribution of this thesis, to the case studies provided general perspectives on the factors affecting the network topologies and the relative merits of different development strategies. The results were compared with the literature, which enabled further assessment of the validity of the methodology and parameterization used in this thesis. The results of the case studies showed that the optimal penetration of sectionalization is greatly affected by the load density. However, the quantity, quality and valuation of the interruptions affect the basic level of the penetration. Then again, optimally placing reserve connections was found to be a much more complex task, being partly affected by not only the geographical distribution of the loads but also by the characteristics of the terrain. While comparing fully backed-up against cost-optimally backed-up network topologies, the potential for utilizing lightweight structures was observed to have a considerable impact. Further, the characteristics of the terrain were found to affect not only cabled networks, but also the topologies of cost-optimal overhead line networks. The developed method for finding the cost-optimal network topology by using an accurate geographic model of the operational environment in terms of life cycle cost surfaces was found to be an efficient means for comparing different circumstances and network topologies and their mutual interactions. A close connection between the network data available in network information systems and the various geographic information sources was also recognized. Further, the means to effectively utilize this connection in the different processes of network planning and operation is presented.Nykyisiä pääosin avojohtorakenteisiin perustuvia sähköjakeluverkkoja on ehdotettu korvattavaksi maakaapeleilla, jolloin erityisesti myrskyjen ja lumikuormien aiheuttamista suurhäiriöistä voitaisiin pitkälti päästä eroon. Kuitenkin, erilaisten vaihtoehtoisten kehittämisstrategioiden objektiivisessa vertailussa tulee huomioida myös kuhunkin johtorakenteeseen liittyvät erityispiirteet suhteessa kullekin optimaaliseen verkkotopologiaan ja maastollisiin olosuhteisiin. Haja-asutusalueilla kustannustehokkaiden kulloisiinkin maastollisiin erityisolosuhteisiin kohdennettujen ratkaisujen merkitys on erityisen suuri, johtuen heikosta asiakaspohjasta. Työssä kehitettiin menetelmä, jossa eri johtolajien toimintaympäristön mukaan määräytyvät erityispiirteet voitiin mallintaa verkkotopologian suunnittelualgoritmille huomioiden alueen tarkka topografia dynaamisesti muuttuvat kustannukset mukaan lukien. Työhön sisältyi case-tutkimus, jonka lähtöaineisto muodostui todellisista suomalaisista jakeluverkoista ja vaihtelevista olosuhteista. Edellä mainittua menetelmää ja niin ikään työssä rakennettua maastomallia ja siihen liittyvää parametrisointia käyttäen pystyttiin havainnoimaan erilaisia verkkojen topologiaan ja keskinäiseen paremmuuteen vaikuttavia tekijöitä yleisellä tasolla. Tuloksia verrattiin aikaisemmin kirjallisuudessa esitettyyn tietoon ja tämän pohjalta pystyttiin osaltaan arvioimaan kehitetyn menetelmän ja käytetyn parametrisoinnin kelpoisuutta. Case-tutkimuksen tuloksista havaittiin muun muassa, että erotinten ja maastokatkaisijoiden optimaalinen penetraatio verkossa määräytyy pitkälti kuormitustiheyden mukaan, mutta toisaalta keskeytysten määrä, laatu ja arvostus suoraan vaikuttavat tämän lähtötasoon. Sen sijaan varayhteyksien rakentamisen havaittiin olevan huomattavasti kompleksisempi asia, johon liittyy kuormien alueellisen jakautumisen lisäksi maastollisia näkökohtia. Vertaamalla täysin varasyötettyjä verkkoja optimaalisesti varasyötettyihin verkkoihin havaittiin merkittäviä eroja eri verkkoalueissa suhteessa potentiaaliin käyttää kevyitä johtorakenteita. Edelleen, maastollisten olosuhteiden havaittiin vaikuttavan, ei pelkästään kaapeloituihin, vaan osaltaan myös avojohtorakentein toteutettuihin kustannusoptimaalisiin verkkoihin. Kehitetty menetelmä kustannustehokkaimman verkkotopologian määrittämiseksi tarkkaa maastomallia ja näistä muodostettuja elinkaari-kustannuspintoja käyttäen osoittautui tehokkaaksi tavaksi vertailla eri olosuhteita ja verkkorakenteita ja näiden keskinäisiä vuorovaikutuksia. Työssä tunnistettiin myös tiivis yhteys verkkotietojärjestelmien sisältämän verkkodatan ja eri paikkatietoaineistojen välillä. Edelleen työssä esitettiin tapoja erilaisten paikkatietojen hyödyntämiseksi verkkosuunnittelun ja käytön eri prosesseissa.Description
Supervising professor
Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering, FinlandThesis advisor
Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering, FinlandKeywords
cost surface, distribution network, geographic information, life cycle cost, medium voltage, network topology, sparsely populated area, topography, elinkaarikustannus, haja-asutusalue, jakeluverkko, keskijännite, kustannuspinta, paikkatieto, topografia, verkkotopologia
