Keskijännitesähköverkkomallin simulointi ja mittaukset vikatilanteiden mallintamisessa

Abstract

Jyväskylän ammattikorkeakoulun KOESTUS-projektissa perustettiin sähköverkkojen suojauksen tutkimus-, kehitys ja innovaatiotoiminnan laiteympäristö. Laiteympäristöön toteutettiin sähköverkkomalli, joka oli eräänlainen tyypillisen keskijännitejakeluverkon pienoismalli. Laiteympäristön verkkomallin tehtävänä oli toimia sähköverkkojen suojauslaitteiden ja -funktioiden koestuskäytössä. Kehitystyön osana tutkittiin suunnitellun verkkomallin sekä vastaavan todellisen sähköverkon käyttäytymistä vikatilanteissa Matlab Simulink Simscape -ohjelmistolla. Tavoitteina oli selvittää, miten sähköverkkoa voitaisiin simuloida Simscapea käyttäen sekä lopuksi mittauksin varmentaa simulaatioiden onnistuminen. Simulaatioissa sähköverkkoa ja laiteympäristön verkkomallia tarkasteltiin kolmen keskijänniteverkoille tyypillisen vikatapauksen aikana: kolmivaiheinen oikosulku, kaksivaiheinen oikosulku ja yksivaiheinen maasulku. Maasulkuja simuloitiin sekä verkon ollessa maasta erotettu että sammutettu. Simulaatioiden tuloksista kerättiin sekä numeerista dataa vikavirtojen tehollisarvoista vian saavutettua jatkuvan tilansa että virta- ja jännitekuvaajia. Suunnitellun verkkomallin valmistuttua laiteympäristössä tehtiin myös suppeat mittaukset, joissa vikatilanteiden virta- ja jännitetiedot kerättiin verkkomallin kennoterminaalin häiriötallentimelta. Simulaatioiden tuloksia vertailtiin vastaavilta osin verkon ja verkkomallin Neplan-laskelmiin sekä mittaustuloksiin. Vertailujen perusteella havaittiin, että kolmi- ja kaksivaiheisissa oikosuluissa simulaatiot vastasivat hyvin Neplan-laskelmia, mittauksia ja tietoperustaa. Yksivaiheisten maasulkujen simulaatioissa kohdattiin ns. kapasitanssiongelma, jonka ratkaisuehdotuksen laatiminen ja testaaminen olivat osa tavoitteita. Vertailujen perusteella kuitenkin jouduttiin toteamaan, etteivät simulaatiot pääsääntöisesti toimi yksivaiheisissa maasuluissa. Poikkeuksen tekivät päämuuntajan alajännitepuolen maasta erotetun verkon yksivaiheiset maasulkuvirrat, jotka vastasivat Neplan-laskelmia erittäin hyvin. Tulosten perusteella todellisen verkon ja verkkomallin Simscape-simulaatioiden katsottiin olevan toimiva työkalu verkon kolmi- ja kaksivaiheisten oikosulkujen mallintamisessa. Jatkokehityskohteiksi mainittiin kapasitanssiongelman ratkaiseminen maasulkusimulaatioiden korjaamiseksi sekä muiden vikatyyppien, esimerkiksi yhdistelmävikojen, simulointi. Simscape-simulaatioiden hyödyntämistä ehdotettiin sähkövoimatekniikan opetuksessa ja laiteympäristön verkkomallin mittaustulosten varmentamisessa.

The KOESTUS project at Jamk University of Applied Sciences developed an equipment environment for the research, development, and innovation activities of electric power network protection. A model of a typical medium-voltage power distribution network was implemented in the equipment environment. The model acted as the testing platform of network protection devices and functions. The behaviour of the designed power network model and the corresponding real power network in failure situations was studied in the Matlab Simulink Simscape software. The goals were to find out how the power network could be simulated using Simscape and to verify the success of the simulations with measurements at the end. In the simulations, the power network was examined during three typical medium-voltage network fault cases: three-phase short-circuit, two-phase short-circuit, and single-phase ground fault. Ground faults were simulated both when the neutral point was isolated and when the network was compensated for ground faults. Both numerical data on the fault currents and current and voltage graphs were collected from the simulations. Some compendious measurements were also made in the device environment; the data was collected from the disturbance recorder of the network model’s feeder terminal. The results of the simulations were compared to Neplan calculations of the network and to the measurements. Both three- and two-phase short-circuits corresponded well to the Neplan calculations, measured data, and theory. In single-phase ground faults, the so-called capacitance problem came up. The preparation and testing of a solution proposal were tried. Despite this the simulations generally performed poorly in single-phase ground faults. Only the ground fault currents of the isolated neutral system of the low-voltage side of the power transformer matched the Neplan calculations very well. The Simscape simulations of the network were considered a valid tool for modelling both three-phase and two-phase short circuits. Solving the capacitance problem and simulating other types of faults, for example combined faults, were left as topics for further development. The use of Simscape simulations was proposed in the teaching of electrical engineering and in the verification of the measurement results of the power network model.