Ampner esitteli CIGRE 2026 -konferenssissa Pariisissa yhdessä Fingridin ja ERLPhase Technologiesin kanssa tehdyn tutkimuksen aliharmonisen suojareleen mallinnuksesta ja validoinnista.
Miksi aliharmoninen oskillointi on nyt ajankohtainen
Tuuli- ja aurinkovoiman, akkuvarastojen sekä hybridivoimalaitosten osuus Suomen sähköverkossa kasvaa nopeasti. Murros tuo mukanaan uusia dynaamisia ilmiöitä, joita perinteinen sähköjärjestelmäanalyysi ei ole suunniteltu tunnistamaan. Yksi vaativimmista näistä on aliharmoninen oskillointi (SSO, sub-synchronous oscillation) – suuriamplitudinen ja heikosti vaimeneva oskillointi taajuusalueella 5-45 Hz eli järjestelmän 50 Hz:n perustaajuuden alapuolella.
Kaksoissyötettyihin epätahtigeneraattoreihin (DFIG) perustuvien tuulivoimaloiden määrän kasvaessa on noussut esiin ilmiön erityismuoto: aliharmoninen säätövuorovaikutus (SSCI, sub-synchronous control interaction), joka syntyy tuulivoimalan suuntaajan säädön ja siirtoverkon sarjakondensaattoreiden välisestä vuorovaikutuksesta. Seuraukset eivät ole teoreettisia. Korkeat aliharmoniset jännitteet ja virrat voivat viedä muuntajat ja reaktorit kyllästystilaan ja ferroresonanssiin sekä aiheuttaa ylivirta-, distanssi-, differentiaali- ja napaluistosuojauksen virhetoimintoja. Riski ei myöskään rajoitu siihen laitokseen, jossa häiriö syntyy – SSO-ilmiö voi rasittaa myös viereisten voimalaitosten laitteita. Suojareleen tehtävä on nimenomaan varmistaa oman laitoksen turvallinen käyttö näissä tilanteissa.
Laitteiden suojaamiseksi näiltä ilmiöiltä aliharmonisia suojareleitä (SHPR, sub-harmonic protection relay) on asennettu jo lukuisiin voimalaitoksiin eri puolilla Suomea. Suojaus voidaan toteuttaa joko turbiinitasolla tai laitoksen asematasolla; kaikissa turbiinimalleissa tätä mahdollisuutta ei kuitenkaan ole, jolloin suojarele täytyy asentaa ja parametroida asematasolle. Suomen kantaverkkoyhtiön verkkosääntöjen erityisvaatimusten vuoksi SSO-tarkastelut – EMT-simulointi, SSO-suojauksen analyysi ja dynaamiset impedanssipyyhkäisyt – ovat samalla muodostuneet olennaiseksi osaksi verkkoliityntätyötä. Keskeistä on, että näitä tarkasteluja varten rakennetun EMT-voimalaitosmallin tulee sisältää myös itse suojareleen malli.
Ongelma: relemalli on täsmälleen niin hyvä kuin sen tarkkuus
Juuri tästä kumpusi tutkimuksemme lähtökohta. Simulointimallien on vastattava todellista maailmaa mahdollisimman tarkasti – vain siten niillä voidaan luotettavasti kuvata todellisen suojareleen toimintaa, ja vain siten yllättävät ongelmat voidaan havaita ennen kuin ne pääsevät tapahtumaan. Kun Fingrid ajaa laajan alueen simulointeja ymmärtääkseen järjestelmätason oskillointeja ja vuorovaikutuksia, tulokset ovat merkityksellisiä vain, jos simuloinnin relemalli käyttäytyy kuten fyysinen rele kentällä.
Kantaverkkoyhtiö tarvitsee vastauksia käytännön kysymyksiin:
- Kuinka moni kohde olisi tietyssä häiriötilanteessa todellisuudessa lauennut SSO-suojauksen takia?
- Mitkä muut tilanteet kuin klassinen sarjaresonanssi – esimerkiksi suuntaajien säätövuorovaikutukset – voisivat laukaista releen?
- Kuinka paljon tuotantoa, megawatteina, voitaisiin menettää kussakin skenaariossa?
Virhe kumpaankaan suuntaan on kallis. Liian herkkä malli liioittelee riskiä, liian salliva piilottaa sen.
Mitä teimme
Se, mikä erottaa tämän julkaisun monista muista SSO-suojausta tai oskillointi-ilmiöitä käsittelevistä artikkeleista, on avoimuus: käymme sekä tutkimusmenetelmät että tulokset läpi yksityiskohtaisesti, jolloin saadaan heti käsitys siitä, mitä todella on tehty. Erityisen arvokasta on, että simulointitulokset on viety konkreettisesti oikean laitteen testaukseen COMTRADE-tiedostojen avulla – näin simulointimallin tarkkuus on voitu aidosti todentaa, ja tulos on erinomaisella tasolla.
Julkaisumme Modelling, Simulation, and Validation Tests for Sub-harmonics Protection Relay esittelee täydellisen EMT-mallin tietylle SHPR-releelle, joka on käytössä useissa suomalaisissa voimalaitoksissa, ja validoi mallin fyysistä laitetta vastaan.
Mallinnusmenetelmä rakentuu kahdelle elementille:
Diskreetti FFT 5 Hz:n perustaajuudella (0,2 sekunnin ikkuna) erottelee mitattujen virtojen ja jännitteiden aliharmonisen sisällön. FFT-lohkon jälkeen sovelletaan alipäästösuodinta, joka tasoittaa harmonisten amplitudeja ja ehkäisee turhia laukaisuja.
BIN-teoria estimoi aliharmonisen häiriön amplitudin ja hallitsevan taajuuden. Jokainen 5 Hz:n askel – 5, 10, 15 … 45 Hz – käsitellään omana energiakorinaan (BIN). Jos yksi kori selvästi hallitsee, häiriötaajuus luetaan suoraan siitä; jos useampi kori ylittää havaitsemiskynnyksen, kahdesta suurimmasta interpoloidaan hallitseva taajuus, kun taas amplitudi lasketaan kaikkien korien perusteella. Validoinnissamme 41 Hz:n häiriö rekonstruoitui BIN-teorialla arvoihin 41,00 Hz ja 0,1477 kA, kun huomattavasti hitaampi 1 Hz:n FFT mittasi 0,1499 kA -mitättömän pieni virhe murto-osalla laskentakuormasta.
Mallinnettiin kaikki kolme pääsuojaustoimintoa – nimellissuhde (NR, nominal ratio), perusaaltosuhde (FR, fundamental ratio) ja aliharmonisten kokonaisilmaisin (TSHD, total sub-harmonics detector) – sekä releen käytännön ominaisuudet: toisen ja viidennen harmonisen esto sekä vaiheiden välinen ristiinesto.
Kaksi yksityiskohtaa, jotka on helppo ohittaa
Kaksi työn osa-aluetta ansaitsee erityistä huomiota, sillä juuri niissä yksinkertaistetut relemallit tyypillisesti epäonnistuvat.
Kaistan ulkopuolisten taajuuksien tunnistus. Todellisen releen on tunnistettava aliharmoniset alueilla 0–5 Hz ja 45–50 Hz nimenomaan siksi, ettei se laukeaisi niistä. Toteutimme tämän rinnakkaisella 1 Hz:n FFT:llä, joka syöttää tätä varten määriteltyjä koreja: kaikki alle 5 Hz:n sisältö kuvautuu taajuudelle 2,5 Hz ja kaikki 45–50 Hz:n välinen sisältö taajuudelle 47,5 Hz. Pääsuojauslogiikka sivuuttaa ne tällöin automaattisesti, koska ne jäävät 5–45 Hz:n toiminta-alueen ulkopuolelle.
Lisäviive. Validointitestit paljastivat, että fyysisessä releessä on jokaisessa suojaustilassa ylimääräinen viivetermi FFT-viiveen ja ilmaisimen havahtumisviiveen päälle. Tämä lisäviive vaihtelee taajuuden mukaan – se on suurempi kaistan reunoilla 5 Hz:n ja 45 Hz:n tuntumassa ja suunnilleen vakio keskialueella – eikä sen alkuperää ole dokumentoitu. Sen sijaan että olisimme sivuuttaneet ilmiön, karakterisoimme sen kokeellisesti ja toistimme mallissa X-Y-siirtofunktiona. TSHD-tilassa päälle tulee lisäksi kiinteä 4,025 sekunnin viive.
Validointi fyysistä relettä vastaan
Validointiprosessissa käytettiin voimalaitoksen EMT-simuloinneista tuotettuja COMTRADE-tiedostoja, jotka syötettiin sekä EMT-relemalliin että relekoestuslaitteen kautta fyysiseen laitteeseen – sama heräte, kaksi polkua, suoraan vertailukelpoiset tulokset.
NR-testeissä taajuusalueella 4-43 Hz sekä porras- että ramppimuotoisilla herätteillä malli ja rele päätyivät samaan laukaisupäätökseen kaikissa tapauksissa, mukaan lukien oikea pidättyminen toiminnasta taajuuksilla 4 Hz ja 43 Hz, jotka ovat asetellun kaistan ulkopuolella. Ajoitus vastasi läpi testisarjan: 5 Hz:llä suurin havaittu poikkeama lisäviiveessä oli 0,0568 sekuntia, ja keskitaajuusalueella ero jäi muutamiin kymmeniin millisekunteihin. Perusaaltosuhteen testit osoittivat samaa. Toisen ja viidennen harmonisen esto, ristiineston kanssa ja ilman, vastasi jokaisessa tapauksessa.
Mallia koeteltiin tämän jälkeen vaativassa todellisessa ympäristössä: yli 450 MW:n tuulivoimalaitoksen aggregoidussa EMT-mallissa, jossa yksi rele suojaa yhtä aggregoitua päämuuntajaa. Vikojen läpäisykyvyn (FRT) ja rajoitetun taajuusherkkyystilan (LFSM) käyttöönottotarkasteluissa voimalaitoksen EMT-mallissa ilmeni ei-toivottuja aliharmonisia – juuri niitä olosuhteita, joissa virhelaukaisun riski on todellinen.
Mitä havaitsimme – myös rajoitteet
Tässä tulokset ovat vivahteikkaampia, ja mielestämme se kannattaa sanoa avoimesti.
LFSM-testeissä malli ja rele erosivat havahtumisajassa tai havahtumistilassa, mutta kumpikaan ei laukaissut. FRT-testeissä fyysinen rele laukaisi yhdessä tapauksessa, jossa EMT-malli ainoastaan havahtui eikä edennyt laukaisuun. Arvioimme erojen johtuvan kaistan ulkopuolisten aliharmonisten tunnistusmekanismista, ja ne viittaavat laajempaan havaintoon: virhelaukaisun riski on korkeampi kaistan reuna-alueilla ja edelleen korkeampi, kun useita aliharmonisia syötetään samanaikaisesti. Kyseessä on tämän releityypin ominaisuus, ei mallin puute.
Johtopäätös on käytännöllinen. Malli on riittävän tarkka Suomen kantaverkkoyhtiön järjestelmätarkasteluihin, ja kantaverkkoyhtiö soveltaa mallin epätarkkuudesta johtuvia analyysimarginaaleja arvioidessaan esimerkiksi tuotannon menetystä. Tarkkuus ja jäljelle jäävän epävarmuuden rehellinen kuvaaminen eivät ole ristiriidassa keskenään – suojaustyössä ne kuuluvat yhteen.
Miksi tämä kuuluu CIGREen
Ampnerin posteri herätti runsaasti kiinnostusta posterigaalassa, ja sitä seuranneet keskustelut vahvistivat käsityksemme: kyseessä on elävä ongelma verkkoyhtiöille ja kehittäjille myös Suomen ulkopuolella. Sarjakompensointi, suuntaajavaltainen tuotanto ja aliharmoninen vuorovaikutus eivät ole suomalainen erityispiirre. Tässä kuvattu mallinnustapa on uudelleenkäytettävä, ja jokainen kantaverkkoyhtiö, jonka on tehtävä laajan alueen SSO- ja suojaustarkasteluja, kohtaa saman perusvaatimuksen: relemallin, johon voi luottaa.
Juuri tämä teki tapahtumasta arvokkaan myös laajemmin. CIGRE tarjosi mahdollisuuden irrottautua yksittäisten projektien aikatauluista ja tarkastella niitä kysymyksiä, joiden parissa koko ala työskentelee. Oli aidosti innostavaa nähdä, millaisia ratkaisuja eri puolilla maailmaa on jo käytössä ja millaisia teknologioita ja toimintatapoja on parhaillaan syntymässä.
Yhtä arvokkaita olivat keskustelut itsessään – sekä uusien että tuttujen toimijoiden, vanhojen kollegoiden, yhteistyökumppaneiden ja sidosryhmien kanssa. Esiin nousi useita mahdollisia yhteistyö- ja kehityspolkuja, ja posterista saatu palaute ohjaa jo työn jatkoa. Tällainen avoin tiedonvaihto on yksi kansainvälisten asiantuntijatapahtumien tärkeimmistä vahvuuksista.
Katse eteenpäin
Julkaisu on yhteistyön tulos: Ampnerin mallinnus- ja simulointityö, Fingridin fyysiselle releelle tekemät kokeelliset testit ja järjestelmätason näkökulma sekä ERLPhase Technologiesin asiantuntemus releen valmistajana. Yksikään kolmesta ei olisi päätynyt tähän tulokseen yksin.
Tämä on myös laajempi pointti. Tämänkaltainen työ tukee Ampnerin tavoitetta olla luotettava ja teknisesti vaativa verkkovaatimuskumppani asiakkaidemme hankkeissa – ratkaisemme tämän päivän haasteita ja kehitämme samalla jatkuvasti omia menetelmiämme ja osaamistamme. Yksikään yritys ei silti pysty ratkaisemaan sähköverkkojen murrokseen liittyviä haasteita yksin. Kehitys edellyttää avointa yhteistyötä, kokemusten jakamista ja yhteistä tahtoa suunnitella ja rakentaa entistä luotettavampia ja kestävämpiä sähköjärjestelmiä.