IoT-teknologian hyödyntäminen sähköverkon mittaustiedon keräämisessä
Antikainen, Konsta (2019)
Antikainen, Konsta
2019
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019051710391
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019051710391
Tiivistelmä
Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli tutkia IoT-teknologian hyödyntämistä sähköverkon mittaustiedon keräämisessä ja käytännön työnä kehittää ratkaisu Järvi-Suomen Energian sähköverkossa sijaitsevien 1 kV:n katkaisijoiden valvontaan IoT-teknologiaa hyödyntäen.
Opinnäytetyössä perehdyttiin IoT-käsitteeseen sekä tällä hetkellä käytössä ja saatavilla oleviin erilaisiin IoT-teknologioihin ja laitteisiin, joiden soveltuvuutta käytettäväksi sähköverkon mittaustiedon keräämisessä tutkittiin. Tämän perusteella kehitettiin myös 1 kV:n katkaisijoiden valvontaratkaisu kartoittamalla aluksi katkaisijoille sijoitettaville IoT-laitteille asetetut lähtövaatimukset, minkä jälkeen valittiin käyttöön soveltuvin teknologia, jota käyttäen ratkaisu kehitettiin.
Erilaisista IoT-teknologioista ja niihin soveltuvista päätelaitteista tutkittiin esimerkiksi matkapuhelinverkkojen ja niiden IoT-teknologioiden hyödyntämistä sekä erilaisia LPWAN-verkkoja, joista päätettiin ottaa käyttöön LoRaWAN-teknologia Digitan verkkoa hyödyntäen, sekä Elsys ELT-2 -anturia pilottilaitteena katkaisijalla käyttäen. Lisäksi toteutettiin Application Server -palvelin, jota käytettiin datan vastaanottoon ja muuntamiseen IEC-104-protokollalle mittaustietojen viemiseksi olemassa olevaan SCADA-järjestelmään.
Opinnäytetyön lähtötavoitteet saavutettiin ja käytännön työn tuloksena saatiin toteutettua Suur-Savon Sähkön / Järvi-Suomen Energian käyttöön ratkaisu 1 kV katkaisijoiden valvontaan, joka testattiin onnistuneesti toimivaksi käytännön olosuhteita vastaavasti.
Johtopäätöksinä voidaan todeta sähköverkoissa olevan perinteisen sähköverkkoautomaation lisäksi hyödyntämismahdollisuuksia myös IoT-teknologiaan perustuville ratkaisuille kohteissa, jotka eivät ole kriittisiä, mutta joista kuitenkin halutaan esimerkiksi kerätä mittausdataa, mikä ei olisi kannattavaa perinteisiä automaatioratkaisuja käyttäen esimerkiksi suurten investointikustannusten johdosta.
IoT-teknologian ei kuitenkaan voida ainakaan tällä hetkellä tässä opinnäytetyössä käsitellyssä muodossaan katsoa korvaavan perinteistä sähköverkkoautomaatiota sähköverkon kriittisissä kohteissa, sillä esimerkiksi tämänkaltaisen IoT-tekniikan luotettavuuden ei välttämättä voida todeta olevan siihen riittävällä tasolla. The objective of this thesis was to study the utilization of IoT technologies for the acquisition of electricity distribution grid measurement data. The practical part of the thesis consisted of development of a monitoring solution for 1 kV breakers utilizing IoT technology.
The definition of the IoT technology and the current availability of the different IoT end-devices and networking technologies were studied and the suitability of them for utilization in electricity grid measurement data acquisition evaluated. The development of the breaker monitoring solution was accomplished by surveying the requirements for the end-devices and selecting the most suitable, currently available IoT technology for this case.
From all the different IoT technologies and end-devices based on them, the technologies based on the cellular networks and different LPWAN networks were studied. The breaker monitoring solution was built on the LoRaWAN technology and it utilized the network operated by Digita and an Elsys ELT-2 sensor as the end-device at the breaker. An Application Server for receiving and processing of the data was also deployed and the data transmitted to the existing SCADA system using the traditional IEC-104 protocol.
The goals of the thesis were successfully achieved and as a result of the practical part, a concept for monitoring the 1 kV breakers in the electricity grid of Järvi-Suomen Energia was developed and successfully tested in conditions reflecting the real environment.
As conclusions of the thesis, potential for the utilization of IoT based data acquisition seems to be present in the electricity distribution grids. Especially the cost-effectiveness of the IoT end-devices in comparison to the traditional automation enables them to be used for gathering “not-that-critical” data from locations where it would not be reasonable to use the traditional automation systems.
Nonetheless, IoT technology cannot be directly regarded as a replacement for the traditional automation. Especially in critical parts of the electricity distribution automation which affects a high number of customers, its usage is questionable, mainly because the reliability of the IoT technology at least in this form might not necessarily be at the level required for these cases.
Opinnäytetyössä perehdyttiin IoT-käsitteeseen sekä tällä hetkellä käytössä ja saatavilla oleviin erilaisiin IoT-teknologioihin ja laitteisiin, joiden soveltuvuutta käytettäväksi sähköverkon mittaustiedon keräämisessä tutkittiin. Tämän perusteella kehitettiin myös 1 kV:n katkaisijoiden valvontaratkaisu kartoittamalla aluksi katkaisijoille sijoitettaville IoT-laitteille asetetut lähtövaatimukset, minkä jälkeen valittiin käyttöön soveltuvin teknologia, jota käyttäen ratkaisu kehitettiin.
Erilaisista IoT-teknologioista ja niihin soveltuvista päätelaitteista tutkittiin esimerkiksi matkapuhelinverkkojen ja niiden IoT-teknologioiden hyödyntämistä sekä erilaisia LPWAN-verkkoja, joista päätettiin ottaa käyttöön LoRaWAN-teknologia Digitan verkkoa hyödyntäen, sekä Elsys ELT-2 -anturia pilottilaitteena katkaisijalla käyttäen. Lisäksi toteutettiin Application Server -palvelin, jota käytettiin datan vastaanottoon ja muuntamiseen IEC-104-protokollalle mittaustietojen viemiseksi olemassa olevaan SCADA-järjestelmään.
Opinnäytetyön lähtötavoitteet saavutettiin ja käytännön työn tuloksena saatiin toteutettua Suur-Savon Sähkön / Järvi-Suomen Energian käyttöön ratkaisu 1 kV katkaisijoiden valvontaan, joka testattiin onnistuneesti toimivaksi käytännön olosuhteita vastaavasti.
Johtopäätöksinä voidaan todeta sähköverkoissa olevan perinteisen sähköverkkoautomaation lisäksi hyödyntämismahdollisuuksia myös IoT-teknologiaan perustuville ratkaisuille kohteissa, jotka eivät ole kriittisiä, mutta joista kuitenkin halutaan esimerkiksi kerätä mittausdataa, mikä ei olisi kannattavaa perinteisiä automaatioratkaisuja käyttäen esimerkiksi suurten investointikustannusten johdosta.
IoT-teknologian ei kuitenkaan voida ainakaan tällä hetkellä tässä opinnäytetyössä käsitellyssä muodossaan katsoa korvaavan perinteistä sähköverkkoautomaatiota sähköverkon kriittisissä kohteissa, sillä esimerkiksi tämänkaltaisen IoT-tekniikan luotettavuuden ei välttämättä voida todeta olevan siihen riittävällä tasolla.
The definition of the IoT technology and the current availability of the different IoT end-devices and networking technologies were studied and the suitability of them for utilization in electricity grid measurement data acquisition evaluated. The development of the breaker monitoring solution was accomplished by surveying the requirements for the end-devices and selecting the most suitable, currently available IoT technology for this case.
From all the different IoT technologies and end-devices based on them, the technologies based on the cellular networks and different LPWAN networks were studied. The breaker monitoring solution was built on the LoRaWAN technology and it utilized the network operated by Digita and an Elsys ELT-2 sensor as the end-device at the breaker. An Application Server for receiving and processing of the data was also deployed and the data transmitted to the existing SCADA system using the traditional IEC-104 protocol.
The goals of the thesis were successfully achieved and as a result of the practical part, a concept for monitoring the 1 kV breakers in the electricity grid of Järvi-Suomen Energia was developed and successfully tested in conditions reflecting the real environment.
As conclusions of the thesis, potential for the utilization of IoT based data acquisition seems to be present in the electricity distribution grids. Especially the cost-effectiveness of the IoT end-devices in comparison to the traditional automation enables them to be used for gathering “not-that-critical” data from locations where it would not be reasonable to use the traditional automation systems.
Nonetheless, IoT technology cannot be directly regarded as a replacement for the traditional automation. Especially in critical parts of the electricity distribution automation which affects a high number of customers, its usage is questionable, mainly because the reliability of the IoT technology at least in this form might not necessarily be at the level required for these cases.