Sähköverkkomalli on sähköverkko pienoiskoossa. Se simuloi ja mallintaa todellisen verkon toimintaa niin normaalikäytössä kuin vikatilanteissakin. Verkkomalli on ennen kaikkea suojareleiden kehitys- ja koulutusmielessä hyödyllinen laitteisto. Suojarele voidaan kytkeä ja konfiguroida malliin kuten oikeassa sähköverkossa, ilman vaikeita asennuksia, pitkiä johtopituuksia ja suuria vikavirtoja. Toisaalta taas verkkomalli on havainnollistavampi kuin esimerkiksi Omicronin kaltaiset testauslaitteet [1].
Sijaiskytkentä ja sähköisten arvojen määrittäminen
Sähköverkon linjoja voidaan mallintaa useilla tavoilla, joista perusratkaisut ovat PI-sijaiskytkentä, T-sijaiskytkentä ja hajautuneet suureet [2]. PI-sijaiskytkennästä ja T-sijaiskytkennästä päästään hajautuneisiin suureisiin, kun siirtolinja jaetaan äärettömän moneen PI- tai T-sijaiskytkentäpalaan. Äärettömän monen PI-sijaiskomponentin käyttö ei ole mielekästä sähköverkkomallin suunnittelussa, joten kannattaa valita jompikumpi sijaiskytkentämalli, jota käytetään. Tässä sähköverkkomallissa päädyttiin käyttämään PI-sijaiskytkentää, koska se on helpompi toteuttaa oikeilla fyysisillä komponenteilla. PI-sijaiskytkennässä on linjojen sähköiset parametrit eroteltuna kahteen poikittaiseen kapasitanssiosaan sekä pitkittäisiin resistanssiin ja induktanssiin [2]. Käytettäessä yksinkertaisempaa sijaiskytkentämallia menetetään sähköisen signaalin äärellinen kulkunopeus, joten sähköverkkomallia ei voida käyttää kulkuaaltojen eli ilmastollisten ylijännitteiden aiheuttamien ilmiöiden tutkimiseen [2]
Siirtolinja voi olla joko avojohtoa tai kaapelia [3]. Näiden sijaiskytkennät poikkeavat hiukan toisistaan [4]. Avojohdon sijaiskytkennässä kapasitanssit jakautuvat niin maakapasitansseihin kuin vaiheidenvälisiin kapasitansseihin [2]. Kaapelin sijaiskytkennässä jätetään puolestaan vaiheidenväliset kapasitanssit huomiotta. Tämä johtuu siitä, että kaapelin vaipat on kytketty toisiinsa kaapelin molemmissa päissä, jolloin niiden potentiaalit ovat samat, eikä suojavaippojen välillä tällöin synny myöskään kapasitanssia. Tarkempia vikatarkasteluja varten sijaiskytkennässä kytketään vaihekohtaisten myötäimpedanssien rinnalle maapiiri, joka esimerkiksi suurjänniteavojohdolla koostuu ukkosjohtimen impedansseista. Kaapelimallin maapiiri taas muodostuu kaapelin keskusköydestä ja kosketussuojina toimivista alumiinilaminaateista. Verkkomallissa tehtävät maasulut ohjataan kulkemaan edellä mainitun maapiirin kautta, riippuen siitä, kumpi johtomalli on käytössä. Esimerkkikytkentä avojohtomallista on esitetty kuvassa 1.
Digitaalisen mallin rakentaminen
Sähköverkkomallin suunnittelussa päätettiin käyttää PSCAD-simulointiohjelmaa. PSCAD on sähköverkkojen mallintamiseen, testaamiseen ja simulointiin kehitetty ohjelma, joka antaa käyttäjälle mahdollisuuden luoda erilaisia sähköisiä piirejä [5], jossa on toteutettu kuvan 1 esimerkin mukainen avojohdon sijaiskytkentä.
Digitaalinen mallin toteutetaan luomalla PSCADiin verkkomallin pääkaaviota vastaavat kytkennät, sisältäen säädettävän jännitelähteen, linjaa mallintavan sijaiskytkennän, taustaverkon sekä kuorman. Tämän jälkeen malliin lisätään tarpeelliset mittaukset, joita tässä tapauksessa on vain 6 kappaletta. Nämä ovat vaihekohtaiset jännite- sekä virtamittaukset. Kyseisten mittausten avulla saadaan mitattua ja laskettua kaikki tarvittavat arvot. Digitaalinen malli on esitetty kuvassa 2.
Mallin verifiointi
Jokaista mallia luodessa on tärkeää verifioida, että sijaiskytkentä vastaa annettuja lähtötietoja [6]. Kun digitaalinen malli on luotu, voidaan käyttää sen mittauksia tarkistamaan, että vastaako malli lähtötietoja. PSCAD on aika-askeltava simulaatio-ohjelma, jonka mittaukset voivat pitää sisällään yliaaltoja ja tulokset ovat lähtökohtaisesti hetkellisarvoja. Kaikki lähtöarvot ovat signaalien perusaaltojen kautta määritettyjä, joten mittaukset käsitellään ensiksi Fast Fourier Transform (FFT) -komponentilla, joka erottelee mittauksista perus- ja yliaallot sekä tehollisarvon ja kulman [7].
Maakaapelin kapasitanssien määrityksen onnistuminen voidaan helposti tarkistaa simulointiohjelmalla. Riittää, kun kytkee jännitteen sijaiskytkennälle, jonka perään ei ole liitetty kuormaa eikä rinnalle taustaverkkoa. Tällöin mitataan vaihekohtaiset sijaiskytkennän virrat eli saadaan mitattua linjan varausvirta, jota voidaan verrata ilmoitettuihin lähtötietoihin tai kääntäen, laskea linjan pituus ja varmistaa, että se vastaa suunniteltua pituutta. Tyypillinen virhe on, että simulaatiossa käytetään eri jännitetasoa kuin lähtötiedoissa on käytetty arvojen laskemiseen.
Vastaavalla kytkennällä voidaan myös tutkia kaapelin maasulkuvirtaa ja maakapasitanssia. Maasulku tehdään vikavastuksettomasti maasta erotettuun verkkoon. Mallin mittauksilla voidaan tarkistaa, että käytetyn linjan maakapasitanssit ovat oikein määritettyjä ja siten maasulkuvirrat vastaavat lähtötietoja. Maasulkusuojauksen kannalta tärkeä parametri on taustaverkon tuottaman maasulkuvirran mittaus, joka voidaan mitata vikaantuneen johtolähdön alun summavirtamittauksella [8].
Virtojen ja jännitteiden perusaallon vektoreita käytetään muun muassa impedanssisilmukoiden laskennassa [9]. Impedanssisilmukat voidaan laskea sekä vaiheiden välillä että vaiheiden ja maan välillä. Impedanssisilmukan laskenta tapahtuu kuvien 3 ja 4 mukaisesti. Vaiheen ja maan impedanssisilmukan laskennassa täytyy ottaa huomioon maapiirin korjauskerroin k, joka poistaa maapiirin vaikutuksen tuloksesta. [10]
Myötäimpedanssit eli linjan pitkittäiskomponentit voidaan tarkistaa tekemällä ensiksi kaksi- tai kolmevaiheinen vikavastukseton oikosulku. On tärkeää, että tehdään vikavastukseton oikosulku, sillä vikaresistanssi summautuu tällä tavalla tehtävään resistanssin mittaukseen. Näiden vikaantuneiden vaiheiden vikasilmukkaimpedanssin tulisi tällöin näyttää vaihekohtaista myötäresistanssin ja -reaktanssin arvoa. Näitä impedansseja voidaan jälleen verrata linjan kilometrikohtaisiin impedanssilukemiin, mistä voidaan päätellä linjan pituus. Eritoten reaktanssin arvo on näistä olennaisempi, sillä suurjännitteisessä sähkönsiirrossa linjojen vaihekohtaiset resistanssit ovat häviävän pienet verrattuna vastaaviin reaktansseihin [2].
Myös maasulussa voidaan määrittää linjan pituus edellisessä kappaleessa mainitulla tavalla. Tällöin tulee tarkistetuksi myös maapiiriin mitoitus. Tarkastelussa tehdään suora maasulku jäykästi maadoitettuun verkkoon. Tuloksena saadaan linjan resistanssi ja reaktanssi, mikäli kompensointikerroin k on määritetty oikein.
Kohti digitaalista kaksosta?
Simulointityökalua voidaan käyttää monenlaisiin sähköverkkomallin tarkistussimulaatioihin. Esimerkiksi voimme toteuttaa sähköverkkomallin maasulkuvirran kompensointikelan virityksen ja mitoituksen ennakkoon. Tällöin tarkkaillaan joko mallin terveen tilan nollajännitettä tai vikatilanteen vikavirtaa. Kompensointikela on viritetty, kun terveentilan nollajännite saa maksimiarvonsa ja vikatilanteen vikakohdan virta saa minimiarvonsa [3]. Samaa mallia voidaan käyttää verkon terveentilan kapasitanssiepäsymmetrian viritykseen sopivalle tasolle.
Tällä tavalla luodaan eräänlainen digitaalinen kaksonen PSCAD- simulointityökalulla. Tämä digitaalinen kaksonen eroaa perinteisestä digitaalisesta kaksosesta siinä, että analogisen verkkomallin ja digitaalisen verkkomallin välillä ei ole jatkuvaa tiedon vaihtoa. Mutta digitaalisen verkkomallin ylläpitäminen mahdollistaa sähköverkkomalliin lisättävien uusien toimintojen tehokkaan ennakkomallinnuksen ja toiminnan tarkistuksen, mutta myöskin ongelmatilanteiden simuloinnin ja testaamisen.
