Sähkön reaaliaikamonitorointi koelaiteympäristössä

Abstract

Energiamittaukset ja jatkuva tehonkulutuksen seuranta ovat olennainen osa energiatehokkuuden kehittämistä ja seurantaa. Reaaliaikaiset tehomittaukset mahdollistavat selvittämisen, milloin ja missä energiaa kuluu merkittävästi. Opinnäytetyö on kehittämistutkimus, jonka pääasiallisena kehityskohteena oli menetelmät reaaliaikaisen teho- ja energiankulutusmonitoroinnin suunnitteluun ja toteuttamiseen.

Tutkimuksen toimeksiantaja oli Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy, ja sen soveltavat ja empiiriset osiot kohdistuivat toimeksiantajan pilottiluokan kiertoleijukoelaitteistoon. Keskeisenä tavoitteena oli löytää ratkaisuja koelaiteympäristön hajautuneen sähkölaitteiston reaaliaikaisen monitoroinnin toteuttamisen haasteisiin. Ratkaisuja kehitettiin tutkimalla ja kokoamalla tietoa olemassa olevista lähteistä sekä laitteistoon kohdennettujen havainnointien ja mittausten pohjalta. Koska tavoitteena oli kehittää sekä yleistettäviä että kohdelaitteistoon sovellettavia toimintamalleja ja menetelmiä, muodostui tutkimusotteeksi yhdistelmä sekä teoreettisia kirjallisuusselvityksiä että paikallisia kohdetarkasteluja ja selvityksiä.

Kirjallisuusselvityksissä käsiteltiin mittaukselle ja monitoroinnille keskeisiä lakeja ja standardeja, energiatehokuutta, sähköisiä suureita ja sähkön laatua, näiden mittaustapoja ja mittareiden keskeisiä ominaisuuksia sekä niitä koskevia säädöksiä. Kokeellinen osuus sisälsi havainnointia koelaitteiston ympäristössä, aineistopohjaisia selvityksiä laitteiston kokoonpanosta ja toimilaitteiden ominaisuuksista, sekä alustavan mittausjakson tutkittavassa laitteistossa. Havainnoinneilla ja selvityksillä luotiin kattava kuva tutkittavasta laitteistosta ja selkeytettiin koelaitteiston erityisiä haasteita sähkön monitoroinnille.

Näiden haasteiden havainnollistamista varten laadittiin tutkittavaan laitteistoon perustuva esimerkkilaitteisto. Esimerkkilaitteistolle tehtiin sähkön monitoroinnin esisuunnittelua ja käsiteltiin tapoja ratkaista laitteiston haasteita suhteessa monitoroinnille asetettuihin tavoitteisiin. Sähkön monitoroinnin suunnittelulle keskeiseksi havaittiin mm. monitoroinnin tavoitteiden selkeys ja niiden suhteuttaminen laitteiston, standardien, lainsäädännön, budjetin tai aikataulujen rajoitteisiin suunnittelun edetessä. Kehitetyt toimintamallit sähkön monitoroinnin kehittämiseen ovat sovellettavissa myös muualla vastaavan skaalan koelaiteympäristöissä, teollisuudessa tai muissa monitoroinnista hyötyvissä ympäristöissä.

Electrical power measurements and monitoring are an integral part of energy efficiency. Real time power measurements can tell us when and where electrical energy is used most. The thesis is a developmental study focusing on methods of developing and implementing real-time power and energy monitoring.

The study was commissioned by VTT Technical Research Centre of Finland and its applied and empirical parts focused on VTT’s pilot size circulated fluidized bed reactor and its electrical installations. The main objective was to develop solutions for specific challenges that affect the development of power monitoring in test environments. Solutions were based on existing literary sources as well as observations and measurements in the test environment. The objective was to develop methods that are applicable both to test environments in general as well as the CFBC environment in specific. Thus, a combination of theoretical literary reviews and localized observations and examinations was chosen as a research approach.

The literary reviews focused on laws and regulations concerning measurements and monitoring, energy efficiency, the units and quantities of electrical power and power quality, how they can be measured and monitored, as well as properties and regulations that concern such measurement devices. The experimental parts of the work included both primary observations as well as secondary source investigations of the configuration and the devices of the test environment in question, in addition to preliminary measurements therein. Based on these, a comprehensive account of the test environment as well as an understanding of the challenges it presents to monitoring were developed.

These challenges and the proposed solutions to them were illustrated by a simplified model of the test environment. Monitoring pre-planning was conducted on the model, as well as examinations on how the challenges of test environments can be reconciled with the objectives of power monitoring. Clarity in the objectives of power monitoring in respect of the limitations of the environment, devices and regulations, as well as the available time and money was seen as primary to the development of power monitoring. The methods and solutions developed here can also be applied to other test environments, small industry or other electrical installations of similar scale that benefit from power monitoring.