Yleisessä keskustelussa sähköverkon suurhäiriöllä tarkoitetaan monesti tilannetta, jossa sähköt ovat esimerkiksi myrskyn seurauksena paikallisesti poikki jossain päin Suomea.
Varsinaisessa sähköjärjestelmän suurhäiriössä sähkökatko on kuitenkin huomattavasti laajempi ja sen vaikutukset valtakunnallisia: kantaverkko on esimerkiksi kaatunut ja sähköt katkenneet koko maasta tai Pohjoismaista. Niin mittava sähköverkon pimeneminen voisi olla seurausta esimerkiksi luonnonkatastrofeista, yhtäaikaisista poikkeuksellisista vioista kantaverkossa, sabotaasista tai kyberhyökkäyksestä.
”Suomessa suurhäiriö on tapahtunut viimeksi vuonna 1974, kun poikkeuksellisen laaja verkkovika pimensi suuren osan Etelä-Suomea. Sähköverkko oli tuolloin hyvin erilainen rakenteeltaan kuin nykyään, ja verkkoa on rakennettu sekä vahvistettu sen jälkeen paljon”, kertoo Fingridin erikoisasiantuntija Antti-Juhani Nikkilä.
On varauduttava myös siihen, että koko kantaverkko romahtaa.
Kaikkeen on kuitenkin varauduttava, myös siihen, että koko kantaverkko romahtaa. Tähän velvoittaa jo lakikin. Nikkilä ryhtyi vuonna 2016 muiden fingridiläisten kanssa tutkimaan uusia keinoja sähköjen palauttamiseen suurhäiriön jälkeen, ja tutkimuksen tuloksista syntyi väitöskirja.
Vaativa tehtävä, johon on keinoja
Sähköjen palauttamiseen suurhäiriön jälkeen on erilaisia toimintatapoja, mutta kokonaisuudessaan se on hyvin vaativa tehtävä.
Nikkilä huomasi tutkimuksissaan, että kyseessä on herkkä prosessi ja sähköverkko on palautuksen aikana erityisen kiikkerä, epävakaa ja altis sähköisille ilmiöille, jollaisia esiintyy päivittäisessä käytössä vain harvoin.
”Annettaessa alkusähköä täysin sähköttömästä tilanteesta verkossa voi tapahtua yllättäviäkin sähköisiä ilmiöitä, jotka aiheuttavat ylijännitteitä. Ne saattavat rikkoa kantaverkon keskeisiä laitteita ja siten hidastaa sähkön palauttamista tai jopa estää sen. Nämä ilmiöt on pystyttävä tunnistamaan ja hallitsemaan palautuksen aikana”, Nikkilä kuvailee.
Sähköjen palauttaminen alkaa siitä, että sähkönsiirron runkoverkko pitää saada takaisin pystyyn.
Suurhäiriössä sähköjen palauttaminen alkaa siitä, että sähkönsiirron runkoverkko pitää saada takaisin pystyyn – tilanne poikkeaa täysin sähkönjakeluverkon häiriöistä, joissa runkoverkko eli kantaverkko on normaalissa käytössä.
Aluksi valitaan tapa, jolla sähköjä aletaan palauttamaan verkkoon. Ensin selvitetään, voidaanko sähköä saada naapurimaista.
”Jos se ei onnistu, käytetään Suomessa sijaitsevia kansalliseen sähköjen palauttamiseen varattuja järjestelmiä, kuten pimeäkäynnistykseen eli black-startiin kykeneviä voimalaitoksia. Nämä laitokset pystyvät toimimaan myös valtakunnallisen sähkökatkon aikana”, Nikkilä selittää.
Suurhäiriöstä palautuminen on Nikkilän mukaan haasteellista juuri siksi, että sähköjärjestelmä käyttäytyy hyvin eri tavalla kuin päivittäisessä käytössä. Vaikka normaalia sähköjärjestelmää pystytään hallitsemaan rutiininomaisesti, suurhäiriötilanteista selviämiseen ei synny rutiinia ilman harjoittelua.
”Maantieteellisesti laajat häiriöt ovat harvinaisia, mikä on hyvä. Sen takia meillä kuitenkin on hyvin vähän tietoa siitä, miten sähköverkon palautus käytännössä toimii. Suurhäiriöstä palautumisen testaaminen käytännössä alusta loppuun onkin mahdotonta, koska emme voi katkaista sähköjä laajoilta alueilta testimielessä”, Nikkilä sanoo.
Matemaattinen mallinnus harjoittelun tueksi
Koska suurhäiriöt ovat todella harvinaisia ja sähköjen palauttamista pystytään harvoin tarkastelemaan aidossa tilanteessa, matemaattisilla malleilla tehtävät simuloinnit ovat olennainen osa suunnittelua ja harjoittelua. Ne ovat tärkeitä myös siksi, että sähköverkko ehtii muuttua vuosikymmenten varrella.
Nikkilä on tarkastellut työssään Fingridin käyttöorganisaatiossa matemaattisten mallien soveltumista käytönpalautukseen ja suunnitellut paranneltujen mallien avulla uusia käytönpalautuksen toimintamalleja, jotka esitellään hänen väitöskirjassaan.
Malleilla voidaan testata ja tutkia, miten verkko käyttäytyy, jos jotain sen toiminnassa muutetaan, ja tarkastella sähköverkon toimintaa jopa koko Suomen laajuisissa sähkökatkoissa.
Matemaattisten mallien lisäksi käytännön testit ovat välttämätön osa sähköjen palautuksen suunnittelua.
Nikkilä havaitsi, että pelkät matemaattiset mallit eivät riitä käytönpalautuksen suunnitteluun, sillä ilman käytännön kokemusta erittäin olennaisia asioita jäisi todennäköisesti huomaamatta. Käytännön testit ovatkin välttämätön osa suunnittelua, jotta saadaan kokemusta sähköverkon toiminnasta sähköjen palautuksessa.
”Käytännön testaaminen, mallintaminen, harjoittelu ja kouluttaminen tulee kiinteästi liittää toisiinsa. Testit jo hyvin pienellä sähköverkolla voivat osoittaa, että palautus ei onnistukaan suunnitellusti ja esimerkiksi laitteita voi rikkoutua. Tällöin sähköverkon matemaattista mallinnusta täytyy tarkentaa, tehdä muutoksia palautusjärjestelyihin ja testata lisää. Lisäksi käyttöhenkilöstö tulee säännöllisesti perehdyttää valmiisiin toimintamalleihin.”
Nikkilän tutkimuksessa tehtiin viisi testiä 400:n ja 110 kilovoltin kantaverkossa. Testeillä tarkasteltiin, kuinka matemaattiset mallit ja käytönpalautuksen suunnitelmat käytännössä toimivat. Lisäksi selvitettiin, mistä mahdolliset poikkeamat johtuvat ja miten palautusta tulee kehittää.
Testit tehtiin hallitussa ympäristössä rajatussa kantaverkon osassa, eikä keneltäkään katkaistu sähköjä niiden ajaksi. Testeihin osallistui laaja joukko fingridiläisiä ja lisäksi sidosryhmiä sekä yhteistyökumppaneita.
”Testit ja niiden aikana tehtävät mittaukset suunniteltiin huolellisesti. Tulosten avulla tarkastelimme, kuinka epävakaata verkkoa tulee käyttää, ettei laitteita hajottavia ylijännitteitä esiinny. Näin saimme oppia ja uusia käytännössä testattuja menetelmiä sähköverkon ja voimalaitosten käyttöön suurhäiriöstä palautumisessa.”
Kuinka kauan kestää, että sähkö liikkuu taas?
Entä, jos koko maan kattava suurhäiriö tapahtuisi – kauanko menisi, ennen kuin meillä olisi taas sähköä käytössämme?
”Siihen ei ole yksiselitteistä vastausta, koska suurhäiriön syy vaikuttaa palautusnopeuteen. Maailmalla sattuneista laajoista häiriöistä on selvitty jopa muutamassa tunnissa, mutta joissakin tapauksissa palautuminen kesti useita päiviä”, Nikkilä kertoo.
Suurhäiriön taustalla on yleensä inhimillinen erhe tai luonnonilmiö.
Yleensä suurhäiriön taustalla on monia syitä, kuten jonkinlainen inhimillinen erhe tai luonnonilmiö.
Keski-Euroopassa vuonna 2006 kymmeniä miljoonia ihmisiä jäi ilman sähköä: puutteellinen koordinaatio ja tiedonvaihto johti sähköverkon ylikuormittumiseen sekä hallitsemattomaan tapahtumaketjuun, joka lopulta pimensi sähköverkon.
Pohjois-Amerikassa vuonna 2003 katkesi sähköjä laajoilta alueilta. Häiriö alkoi sähköverkon kuormittumisesta vikatilanteessa. Puut voimajohtojen alla olivat kasvaneet liian korkeiksi, jolloin kuormituksesta lämmenneet voimajohdot venyivät ja osuivat lopulta puihin aiheuttaen useita samanaikaisia vikoja ja sähköverkon romahtamisen.
Japanissa vuonna 2018 Hokkaidon saaren maanjäristys aiheutti vikoja voimalaitoksilla. Lisäksi voimajohdot alkoivat heilua ja osuivat toisiinsa, mistä seurasi sähköverkon romahdus.
”Keski-Euroopassa sähköt saatiin monille alueille palautettua varsin nopeasti, kun taas Pohjois-Amerikan ja Hokkaidon sähköjen palauttamiseen meni useampi päivä.”
Väitöskirja syntyi työtä tehdessä
Antti-Juhani Nikkilän väitöskirja sähköjen palautumiskeinoista suurhäiriössä tarkastetaan Tampereen yliopistossa 16. syyskuuta. Hän on tehnyt tutkimustaan Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:ssä, jossa toimii erikoisasiantuntijana käytönsuunnitteluyksikössä.
”Minulla on iloinen ja tyytyväinen olo on, että olen saanut puristettua kasaan tällaisen kirjan. Väitöstilaisuus on kerran elämässä -tapahtuma ja mukava mahdollisuus päästä keskustelemaan asiantuntijoiden kanssa itselle mieluisasta tutkimusaiheesta”, Nikkilä sanoo.
Alun perin hän ei ryhtynyt tekemään väitöskirjaa, vaan ratkomaan sähkön palauttamisen käytännön ongelmia.
Työ alkoi kuusi vuotta sitten, ja sinä aikana Nikkilä työskenteli laajasti muiden fingridiläisten kanssa tutkimuksia tehdessään.
”Teimme uusia havaintoja, jotka ovat kirjallisuudessa jääneet pienemmälle huomiolle ja herättivät myös kansainvälistä kiinnostusta. Tuumimme, että nämähän tulisi dokumentoida muidenkin käyttöön, ja lopulta tutkimus laajeni väitöskirjatyöksi.”
Nikkilän tutkimus on artikkeliväitöskirja, joka koostuu kahdesta konferenssiartikkelista ja kolmesta lehtiartikkelista, jotka on julkaistu kansainvälisesti arvostetuissa lehdissä.
Nikkilän työ sähköjen palautuskeinojen ja sähköjärjestelmän käytön parissa jatkuu toki myös tästä eteenpäin. Lisäksi hänen työtehtäviinsä kuuluvat sähköverkon siirtokapasiteettien määrittämiseen, julkaisuun ja raportointiin liittyvät asiat sekä yhteistyö sääntelyviranomaisten kanssa.
Fingridissä Nikkilä on työskennellyt 14 vuotta, ja nyt valmistuneessa väitöskirjassa tiivistyvät monet tuona aikana tehdyt asiat.
Nikkilä aloitti Fingridin palveluksessa vuonna 2008 kesätyössä voimajärjestelmätekniikkayksikössä. Kandidaatin työ Tampereen tekniselle yliopistolle valmistui 2009, minkä jälkeen työskentely jatkui diplomityön merkeissä. Vuonna 2014 Nikkilä siirtyi Fingridissä käyttöorganisaatioon suunnittelemaan kantaverkon käyttöä.
”Niin kuin väitöskirjassani, myös diplomityössäni olin mallinnuskysymysten äärellä tutkiessani tuulivoimalaitosten mallinnusta. Siitä ja voimajärjestelmätekniikan ajoilta sain arvokasta teoreettista osaamista, jota hyödynsin väitöskirjassa käytännön työstä karttuneen kokemukseni rinnalla.”
Fingrid on Nikkilän mielestä kannustava ja erittäin lämminhenkinen työpaikka.
”Olen viihtynyt tällä pitkään ja viihdyn jatkossakin. Minulla on Fingridissä hyviä kollegoita ja ystäviä”, hän kiittää.
Nikkilä asuu ja työskentelee etänä Tampereella, mutta käy myös säännöllisesti Helsingin-konttorilla. Vapaa-ajallaan hän on innokas ulkoilija ja lenkkeilijä sekä pelaa mielellään tennistä ja harrastaa kalastusta. Juuri tällä hetkellä suurimman osa ajasta vie kuitenkin isän silmäterä, kohta kolmevuotias poika.
Antti-Juhani Nikkilän väitöskirja Power System Restoration After a System Level Blackout : Measures for system operation to manage technical uncertainties during the bottom-up restoration of a transmission network on luettavissa täältä: https://trepo.tuni.fi/handle/10024/141077
