Detta examensarbete är utfört på uppdrag av Vattenfall Eldistribution AB i Trollhättan. Syftet med arbetet är att effektivisera modellering av kraftnät inför simuleringar, i simuleringsverktyget PSS/E, av lasters beteenden vid en nätstörning. Effektivisering erhålles med hjälp av programmering i språket Python och genom att vissa antaganden om nätet tillåts göra. Idén till detta arbete uppstod ur ett specifikt fall, där Vattenfall fick i uppdrag att utreda varför spänningen nära en industri var fortsatt låg efter att en kortslutning som inträffat i transmissionsnätet innan industrin hade kopplats bort. Utredningen krävde att störningsförloppet simulerades i PSS/E, för att kunna ge en bild av vad som inträffat. För att simulering ska vara möjligt och för att den ska vara representativ krävs att nätet och dess komponenter modelleras på ett lämpligt sätt. Svenska kraftnät har data för sådana modeller, men denna är svåråtkomlig på grund av sekretess. Denna sekretess medförde att modelleringsarbetet blev omfattande. Tidigare simuleringar har därför utgått från att vissa delar av nätet kan modelleras med förenklade modeller och typiska värden, schablonvärden, på flera storheter. Utifrån denna hypotes har även detta examensarbete utgått i framtagandet av programkod. Orsaken till de låga spänningsnivåerna efter störningar har visat sig vara motorer, närmare bestämt en stor mängd asynkronmaskiner, som drar hög ström vid återacceleration då spänningen i nätet börjat återvända efter en störning. Den höga, framförallt reaktiva, strömmen orsakar stora spänningsfall i ledningar och framför allt transformatorer vilket leder till att fler motorer drar en hög ström vilket ytterligare sänker spänningsnivån. Programkoden, eller scriptet, som är framtaget i detta arbete låter användaren snabbt bygga upp ett modellnät för att genomföra simuleringar av det dynamiska beteendet hos laster, främst asynkronmaskiner. Snabbheten i modelleringsarbetet kommer utav att generatorer antas befinna sig så långt bort i nätet att de inte kommer känna några större påkänningar. De kan således modelleras med typiska schablonvärden. Genom ett grafiskt gränssnitt får användaren sedan välja laster att modellera. För varje last anges sedan procentuell fördelning av olika typer av belastning för just den belastningspunkten. Slutligen modelleras reläskydd för redovisning av strömmar. Scriptet har testats genom jämförelser mot ett referensnät från Vattenfall. Jämförelserna visar en liten avvikelse mellan scriptet och referensen. Detta kan bero på att scriptet använder schablonvärden och modellerar färre komponenter än vad som finns i referensnätet. / This bachelor’s thesis is carried out on behalf of Vattenfall Eldistribution AB in Trollhättan. This work aims to make modelling of power grids for simulations, of load behaviour during perturbations, in PSS/E more effective. Modelling will be made more effective by means of programming, using the programming language Python, and also by allowing certain assumptions to be made about the grid. The idea for this work arose from a certain case, during which Vattenfall was tasked with investigating why voltage levels near an industry would not recover after a short circuit, on the transmission line feeding the industry, was cleared. Investigations demanded simulations of the disturbance to be carried out in PSS/E, to describe what had happened. To enable simulation and to make it representative, the grid and its components must be adequately modelled. Svenska kraftnät has the data nessecary for such modelling, but it is inaccessible due to confidentiality. Due to the data being confidential extensive work with modelling was nessecary. Early simulations were based on the idea that some parts of the grid can be modelled using only simplified models, and with typical, or default, values. This thesis uses that hypothesis in the programming code. The low voltage after these perturbations were caused by motors, more specifically induction motors, drawing high currents from the grid during reacceleration when the voltage starts to recover after the perturbation. This high, and mostly reactive, current causes significant voltage drops across the lines and transformers, in turn causing other motors to draw more current and further lowering voltage. The programming code, called a script, developed during this work allows the user to quickly create dynamic model data to use when conducting simulations of the dynamic behaviour of this type of loads. Modelling of the generators is done quickly thanks to the assumption that generators are located far enough away that they are barely affected by the studied disturbance. They are, for this reason, modelled using typical values. Through a graphical interface, the user then select which loads to model. For each load model, the distribution across different types of loads is specified by the user. Finally, protection relays are modelled to enable current monitoring. The script has been tested by comparisons to a reference network model created by Vattenfall. The comparisons show minor deviation between the script and the reference. This could be because the script uses default values and models less components than the reference.

För att hantera den ökande befolkningen i världen behöver jordens resurser användas mer effekt vilket till exempel kan göras genom att återvinna material som inte längre fyller någon funktion. Området Urban mining handlar om att frigöra material som inte längre används i den urbana miljön och göra dem tillgängliga för nya produkter. I Sverige förläggs olika typer av infrastruktursystem i marken och när de inte längre används får de vanligtvis ligga kvar. Resursbasen som bland annat urkopplade elkablar utgör har identifierats i tidigare studier som intressant att ta upp i samband med markingrepp, då de innehåller värdefulla metaller. Att förädla malm till ren metall är dessutom mer kostsamt, ur både ekonomiskt och miljömässigt perspektiv, än att återvinna produkter som inte längre används.Studien har omfattat intervjuer med elnätsägaren i Linköping om hur beslut fattas kring elnätets förvaltning samt en praktisk pilotstudie i utvecklingsorten Vikingstad. Personer på olika strategisk nivå intervjuades och styrande dokument som ägardirektiv för verksamheten granskades. Därefter identifierades möjligheter och hinder för att kabelupptagning ska ske i större utsträckning än idag samt vart i den strategiska processen frågan behöver integreras. I Vikingstad var planen att både förnya och förstärka elnätet på sträckor där kablar som skulle kopplas ur låg. Under pilotstudien undersöktes vilka extra moment som upptagningen krävde, vad momenten innebar för kostnader, vilken tid de tog samt vilka intäkter som kabelskrotet genererade.Elnätsägarna regleras av energimarknasinspektionens intäktsram och branchorganisationen Svensk energi har en central roll för ökad och spridd kunskap hos Sveriges elnätsägare. Dessa två intressenter har därför viktiga roller i ställningstagandet om huruvida urkopplade elnätskablar ska tas upp eller ej. Hos elnätsägaren i Linköping är det när beslut tas om vilka förstärknings- eller förnyelseprojekt som ska genomföras som möjligheten till integrering av upptagning av urkopplade kablar bör undersökas. Detta då fallspecifika parametrar som fördelaktig ny sträckning och omkopplingsmöjligheter är avgörande för genomförbarheten. Resultatet från pilotstudien visar att fyra typer av moment är nödvändiga för att ta upp urkopplade kablar: ”schaktning och friläggning”, ”lyfta upp kabel ur schakt”, ”samla ihop kabel och kabelband” samt ”återställning”. Av dessa moment påverkar ”schaktning och friläggning” kostnaderna mest om extra djup krävs och ”lyfta upp kabel ur schakt” är mest kostsamt om det finns många andra system kring kabeln som ska tas upp. Det ekonomiska resultatet visar att tre procent av kostnaderna på sträckorna där kablar togs upp kan allokeras till upptagningen.Slutligen konstateras att fördelar som ökad miljöprestanda och frigjord plats för nya system i marken bör beaktas i större utsträckning hos elnätsägaren. Kostnader och intäkter kan också styras om för att motivera elnätsägarna mer, då upptagningen i dagsläget medför ökade kostnader för dem. För att underlätta budgetering av förstärknings- eller förnyelseprojekt med integrerad kabelupptagning presenteras kostnadsposter för de sammanslagna momenten upptagningen innebär, baserade på olika grundförutsättningar. Exempel på framtida studier för att öka kunskapen om och möjligheterna att ta upp urkopplade kablar är fler pilotstudier för att erhålla ett mer generaliserbart dataunderlag samt att undersöka hur ekonomiska värden av kabelupptagning kan fördelas mer fördelaktigt för elnätsägarna. / Städer som gruvor II

Denna rapport visar på problemen i det svenska elnätet som uppstår på grund av de intermittenta energikällorna som ökar i antal vilket medför en stor variation i tillskott av energi till elnätet. Detta har gjort att el- och nätbolagen står inför stora utmaningar med möjlig kapacitetsbrist i vissa områden i framtiden samt risken för effektbrist i nätet vid vissa tidpunkter. Det har i sin tur lett till att elpriser varierar mer över dygnet och kostnaden för elleveranser ökar. En möjlig lösning på detta problem är energilagring hos elnätbolagens kunder där svänghjulstekniken är en av flera möjligheter med miljömässiga fördelar i förhållande till andra tekniker. I Jämtkrafts elnät är dock denna möjlighet inte kostnadseffektiv i dagsläget då effektpriset är lågt och elpriset inte varierar nog kraftigt, samtidigt som svänghjulstekniken för långtidslagring av energi är ny och under utveckling. Vid denna typ av energilagring är det viktigt att energibehovet stämmer överens med priset på elmarknaden för att nyttja maximal möjlighet till arbitrage och samtidigt minska effekttoppar i största möjliga mån. Studien visar på svårigheten att få energilagringen lönsam på grund av förluster i lagringen samtidigt som andra lösningar på effektutjämning kan vara mer lönsamma i vissa fall.

The aim of the project was to examine the possible increase of electric power usage for electric cars with retained capacity in the electric grid of Falkenberg Energi AB. This also included identifying the fragile components in the grid. In order to examine this, a model of the grid was constructed with loads designed to mimic electric vehicle charging. The simulation generated a list showing the most stressed nodes in descending order. The results showed that there was a small number of nodes in the grid that became overloaded in certain hours of the year. The cables , on the other hand, were not overloaded at any point of the year.

Dagens IT-samhälle bygger på många viktiga funktioner som kräver en säker elförsörjning. Snö och blåst har historiskt sett orsakat många och långa avbrott hos elanvändare runt om i landet vilket har lett till nya lagar kring ersättning vid elavbrott. Det har inneburit att flera elnätsbolag valt att på mellanspänningsnätet byta ledningar i luft till markkabel.    Målet med detta arbete var att ta fram samband mellan antalet avbrott och hur stor del av ledningen som går genom skog, samt se om det finns variationer mellan nätområden och vilka felorsaker som tas hänsyn till. Därefter skulle medelavbrottstiden för luftledning och markkabel beräknas och jämföras. Detta gjordes med hjälp av felstatistiken på Ellevios mellanspänningsnät under 2018 - 2020 samt information om linjernas uppbyggnad. I statistiken gick det inte att urskilja var på linjen felet inträffat.    Sambanden visar att träd på ledning tillsammans med vegetation är de felorsaker som påverkas mest av att luftledningen går i skog. För övriga väderrelaterade felorsaker finns inget samband utan antalet avbrott ligger konstant kring 1-3 avbrott per 100 km luftledning och år. Beräkningarna visar att den omfattande kablifieringen har resulterat i klart lägre kundavbrottstid. Att gå från luftledning enbart i skog till markkabel sänker i snitt kundavbrottstiden med 92 %, 41 till 3 timmar, per 100 km ledning och år. Det innebär en genomsnittlig SAIDI-minskning på 0,8 minuter. Västkusten är det område där kablifiering skulle medföra störst sänkning av kundavbrottstiden. Att välja trädsäkra ledningsgator istället för ledning enbart i skog skulle innebära en minskning av kundavbrottstiden med 74 %.    Felfrekvensen på individuella linjer varierar kraftigt och i resultatet är standardavvikelsen ibland är större än gruppens medelvärde. Resultaten ovan har därför ingen statistiskt signifikans. Om man i framtiden skulle rapportera var på linjen felet inträffar och på det sättet kunna koppla felet till luftledning, hängkabel eller markkabel samt skog eller inte skog skulle det gissningsvis gå att dra statistiskt signifikanta slutsatser. / Today’s society has high demands on the electricity grid and its reliability, which leads to major problems in an event of power failure. Historically snow and wind has caused long and extensive power outages. Sweden has also imposed laws regarding economic compensation for long outages which together with the causes mentioned above has made multiple distribution network operators to change power lines to underground cable.     The purpose was to analyze relations between the number of outages and the terrain the power lines go through.  This was done for different error causes and grid areas. Thereafter the total interruption time was compared for power lines and underground cables. This was done on Ellevio’s grid based on outage statistics and information about the grid structure during the period 2018 – 2020.   These tendencies shows that the error causes that  depends most on the amount of forest around the power lines are trees that fall on the wire and vegetation. For other weather related error causes such as thunder and wind no relationships were found, the numbers of outages were constant at 1 – 3 per 100 km power line and year. The calculations shows that the change to underground cables leads to decreased total interruption time. By changing power lines in forest to underground cables the total interruption time can be decreased by 92 %, from 41 to 3 hours per 100 km line and year. The grid area with the largest potential to decrease the total interruption time is Västkusten.   The incidence of outages varies greatly between individual lines and the results shows a large standard deviation within the groups created. Therefore the results above show no statistically significance. If the outage statistics begins reporting where on the line the error takes place, for example on power lines in the forest or on arable land, it would hopefully be possible to get statistically significant results.

The Swedish power system is facing a lot of change in the near future. A system which is built around nuclear- and hydropower now contains more and more intermittent power sources such as wind and solar. In addition, Sweden is entering a second electrification era, where the electricity use is predicted to increase substantially. This means the need for flexibility in the power system is bigger than ever and is going to increase. The power system needs to be in balance at every instance. The same amount of energy that is produced also needs to be consumed. This balance, or imbalance, affects the frequency in the system and there are balancing markets in place to handle disturbances in the frequency.Flexible solutions outside these balancing markets can also be valuable since they can lower costs for power use and prevent unnecessary investments in the power grids. This thesis was written in cooperation with the municipal energy company Gävle Energi. The cases it is built on are both cases in and around Gävle. The study is based on two cases: One case where a local hauling company is interested in a combination of solar power, electric charging for vehicles, and a battery storage. The hauling company plans to electrify parts of their fleet and will by doing so increase their power use. The second case regards the building of a gasturbine for electricity production in Gävle Energi’s grid. Both cases examine how the balancing markets can be used to motivate investments in flexible solutions. The hauling company can lower their power peaks by using a battery storage and the battery storage can also be used to sell capacity on the balancing market FCR-D. Through planning when heavy duty charging and regular vehicle charging is done, unnecessary power peaks can be avoided. The study shows that a battery storage can in fact be profitable and bring benefits to both the hauling company and the national energy system. The second case, the gas turbine, is based on income from both the spot market and the balancing market mFRR which is then compared to the price for gas. The income from mFRR was varied between 140-250% of the prices from 2021 and the gas price was varied from 800-2100 SEK. The results show that the prices for mFRR need to increase a lot for the turbine to be profitable and the gas turbine could perhaps be more beneficial if combined with other solutions. The case has a lot of insecurities as the turbine runs very few hours per year (only 10 hours would have been profitable in 2021). It becomes vital that the bidding is won these hours, which is hard to predict.

Detta examensarbete undersöker hur leveranssäkerheten i ett radiellt mellanspänningsnät kan påverkas av olika förbättringsåtgärder. Dessa åtgärder är nedkabling av friledning, breddning av ledningsgata samt placering av utlokaliserade brytare vid en förgrening. Projektets syfte är att bestämma i vilken utsträckning dessa åtgärder kan påverka leveranssäkerheten på elnätet SL27. Detta har syftet att utifrån resultaten kunna rekommendera åtgärder som ger bäst resultat för SL27. Påverkan på leveranssäkerheten mäts i avbrottsindikatorerna från Energimarknadsinspektionen, SAIFI, SAIDI samt CAIDI.   Arbetet har genomförts genom granskning av avbrottsstatistik mellan 2010–2022, översikt över SL27 i nätinformationssystemet Trimble NIS, sannolikhetsberäkningar för trädpåfall med metoder från vetenskaplig litteratur samt diskussioner med driftpersonal. Dessa metoder användes för att estimera minskningar i antalet avbrott på ledningen, minskning i antalet kundavbrott som sker samt eventuella minskningar i avbrottstid för de avbrott som sker. Avbrottsindikatorerna SAIDI, SAIFI samt CAIDI beräknades före samt efter åtgärder för att ge en överblick av den förbättring av leveranssäkerhet som skett till följd av åtgärden. Påverkan av nedkabling beräknades med jämförelser mellan två av Jämtkrafts elnät, utlokaliserade brytare beräknades med kunskap om kundanslutningar och påverkan av breddning av ledningsgata beräknades med Siegfried Guggenmoos metod.   Resultatet av avbrottsindikatorerna gav ett tydligt resultat att nedkabling av SL27 åstadkommer den största minskningen av samtliga avbrottsindikatorer. För utlokaliserade brytare samt breddning av ledningsgata var resultatet mer tvetydigt, där utlokaliserade brytare gav en större förbättring av SAIFI och SAIDI medan breddning av ledningsgata hade en större förbättring av CAIDI. Detta var sant då ledningsgatan breddades med 4 m, vid 6 m breddning av ledningsgata så hade breddningen en större påverkan på SAIDI än de utlokaliserade brytarna. Utifrån dessa resultat gavs rekommendation att om åtgärder skall implementeras på SL27 bör nedkabling övervägas först, följt av utlokaliserade brytare och sist breddning av ledningsgata. Denna ordning kan ändras då aspekter som topografi samt ekonomi påverkar valet men inte har hanterats i detta projekt. Genom dessa resultat kunde nedkabling rekommenderas som den bästa metoden för att förbättra avbrottsindikatorerna. / This bachelor’s thesis examines how delivery security of a radial electrical grid is affected by different improvement measures. These improvements are changing to underground cables, extending the power line right of way and installation of circuit breakers at a branch in the electric grid. The impacts these improvements have on delivery security is measured in the difference interruption indicators from Energimarknadsinspektion, SAIFI, SAIDI and CAIDI. The purpose of the report is to determine to what degree these improvements can affect the delivery security on the electrical grid SL27, a radial medium voltage electrical grid owned and operated by Jämtkraft Elnät AB. This is done with the purpose of basing a recommendation for improvement measures with the most impact of the resulting calculated impact on SL27.   The impact of the improvement measures was based on statistics on interruptions on SL27, overview of SL27 through the electrical grid information program Trimble NIS, probability of tree line strikes calculations based on scientific literature and lastly discussions with operating personnel. These things were used to estimate the decrease in interruptions on SL27, the decrease in customer interruptions and any reduction of interruption duration. The interruption indicators SAIFI, SAIDI and CAIDI were calculated before and after improvement measure to give an overview of the impact each improvement made on the delivery security. The impact of changing to underground cable was calculated based on comparisons between two of Jämtkrafts electrical grids, the impact of circuit breakers was calculated based on assumptions on where the interruptions took place and knowledge of customer locations and the impacts of extending the powerline right-of-way was calculated based of scientific literature from Siegfried Guggenmoos and his methods.   The results show a clear result in that changing to underground cable achieves the greatest impact on all interruption indicators. For the circuit breakers and extending the power line right-of-way the results were more ambiguous, where the circuit breakers saw greater improvements to SAIFI and SAIDI. Extending the right-of-way gave greater effects on CAIDI under the condition that the right-of-way was extended with 4 m. With an extension of 6 m extending the right-of-way gave better results for SAIDI than the circuit breakers. From these results the recommendation given was that changing to underground cable should be the first consideration, then placing circuit breakers should and lastly should extending the right of way. The order of recommendation can change because aspects like topography and economy affects the viability of the improvements, but such aspects has not been handled by this project. From the impacts on interruption indicators changing to underground cable was the recommended improvement measure.

To enable the transition to a fossil-free society and ongoing urbanization, where new establishments emerge in the heart of the society, the Swedish electricity system faces new challenges. Building a new powerline to meet the increased power demand is an expensive process, and in an existing grid, there isn’t always room to build new power lines. This leads to a capacity shortage at the local level, fundamentally due to the grid being undersized in areas where there are old power lines with lower rated current. To meet the increased power demand that electrification entails and simultaneously make capacity available for new establishments within the existing grid infrastructure, the potential of energy storage is being evaluated against the traditional solution of building new power lines. The purpose of the present work was therefore to investigate whether energy storage can be a potential solution to make capacity available for future establishments in an area where there is a capacity shortage. The energy storage solutions were evaluated from an economic, environmental, and power quality perspective and compared to building a new power line. This was done from the perspective of a grid company, where neither the market of frequency stability nor the electricity price market were included in the analysis. Based on the existing theory of energy storage, battery storage was chosen as the potential solution. To narrow the scope of the work, an area in Piteå Municipality was selected where a new establishment demands a power with drawal of 3 MW and is located midway between two existing grid lines. Using one year of operational data for the affected grid lines and calculations of their rated current, the performance of the battery storage was simulated, evaluating different battery sizes and energy contents (C-rate). Since the Electricity Act does not allow grid companies to own energy storage, the economic aspect was evaluated based on two different cases of battery rental. The goal is to maintain redundancy with the adjacent grid line with the additional power with drawal of 3 MW, to manage a potential outage without extensive consequences for subscribers. The results of the calculations and simulations show that the current grid line can handle the extra 3 MW requested. However, the battery storage does not relieve the grid sufficiently to prevent exceedingthe maximum capacity of the grid during high loads while maintaining redundancy with the interconnected grid line. The battery storage needs to be larger than 3 MW to relieve the grid as required, which is not economically justifiable. Depending on the rental conditions of the battery storage and which revenues are considered, the profitability of battery storage varies, but with a battery size over 1 MW, regardless of rental conditions, it is not economically justifiable compared to a new power line, which has a significantly longer technical lifespan. For battery storage to be useful in the grid and make capacity available, the grid must have spare capacity. The results also show that the relationship between the size of the establishment and the size ofthe battery storage is not one-to-one, instead, the energy content of the battery storage must be significantly larger to cut the power peaks. An energy content of two times the power, for example, 1 MW and2 MWh, is required for the battery to be advantageous and generate load savings on the grid. However, the battery storage can still relieve the grid to some extent by helping to distribute the current load more evenly, which means that the rated current, which is the limiting factor for short power line lengths, is not exceeded as early.

To meet new regulations and the demand for a more sustainable energy system, the electricity grid will play an important role. Since the grid owners operate in a monopoly environment a regulating authority, the Swedish Energy Markets Inspectorate (Ei), sets a revenue cap that determines their profits. Changes were made for the regulating period 2016-2019, which now states that grid operators no longer can charge their customers with already depreciated grid components. To spur the grid operators to invest in smarter and more efficient technology, Ei also introduced two new economic incentives to make companies decrease their electricity losses and use the grid more evenly. The first aim of this thesis was to investigate how this new regulatory framework affected the grid operators, by performing interviews and sending out a survey. The result showed that the new regulatory decreases the grid operators’ profitability and also affects their investment strategies. The age of a grid has become more important than both efficient use of the grid and voltage quality when considering investments, since age now has a major impact on the profits. The new incentives however, has almost no effect on the way the grid operators act. The second aim of this study was to investigate how much a grid operator could save with these new incentives. A case study were conducted at Upplands Energi, a small local grid operator, and calculations with their usage data were performed in MATLAB. The results showed that load management by installing control equipment on costumers’ heat pumps and thereby decreasing their power peaks, could save money. By connecting 500 customers Upplands Energi could save about 150 000 SEK per year, and with 5 000 customers they could save almost half a million SEK per year.

The electricity network is in many places facing an eventful future where much will happen in a short period of time. Many network owners today have a network that is somewhat outdated and in short in need of upgrading and modernization, a modernization towards a smarter network. As the government sets new demands on the electricity meter of the future, Sweden's network owners are faced with a lot of other demands and challenges to be addressed. In this work, the definition of smart grids is investigated and how a small electricity grid should prioritize its investments and developments in its grid in a near future.Elnätsbranschen står på många punkter inför en händelserik framtid där mycket kommer att hända på kort tid. Många nätägare står idag med ett nät som är något föråldrat och inom kort i behov av en upprustning och modernisering, en modernisering mot ett smartare elnät. I takt med att regeringen ställer nya krav på framtidens elmätare så ställs Sveriges nätägare inför en hel del andra krav och utmaningar man måste ta itu med. I Detta arbete så undersöks definitionen av smarta elnät och hur en mindre elnätsägare bör prioritera sina investeringar och utvecklingar i sitt elnät i den närmaste framtiden. / Elnätsbranschen står på många punkter inför en händelserik framtid där mycket kommer att hända på kort tid. Många nätägare står idag med ett nät som är något föråldrat och inom kort i behov av en upprustning och modernisering, en modernisering mot ett smartare elnät. I takt med att regeringen ställer nya krav på framtidens elmätare så ställs Sveriges nätägare inför en hel del andra krav och utmaningar man måste ta itu med. I Detta arbete så undersöks definitionen av smarta elnät och hur en mindre elnätsägare bör prioritera sina investeringar och utvecklingar i sitt elnät i den närmaste framtiden.