Fyzikálny model
Pôvodný trojfázový model siete 22 kV vznikol na pracovisku riešiteľského kolektívu v priebehu štyroch rokov pred začatím riešenia projektu. Celý model bol od začiatku budovaný modulárne a tak, aby ho bolo možné monitorovať a riadiť cez riadiaci systém vytvorený v počítači, napr. v programe Labview. Už počas prvotného budovania sa ukazoval jeho veľký potenciál pre pedagogickú ako aj vedecko-výskumnú činnosť.
Obr. 1. Pôvodný model siete 22 kV pred realizáciou projektu
Elektrické ochrany sú v modeli reprezentované modulom, ktorý môže, v závislosti od voľby prepínača, reprezentovať aj recloser alebo diaľkovo riadený úsekový odpínač.
Obr. 2. Modul reprezentujúci elektrickú ochranu
Reálne vedenia 22 kV sa skladajú z úsekov s rôznym prierezom vodiča. Preto boli moduly úsekov vzdušného vedenia s dĺžkou 2,5 a 5 km boli rozšírené o sady prepínačov, ktoré umožnujú zmenu parametrov lana tak, aby reprezentovali menovité prierezy AlFe lana 95/15, 70/11 alebo 42/7.
Obr. 3. Detail realizácie prepínačov umožňujúcich zmenu typu lana vzdušného vedenia
Jednotlivé moduly je možné pomocou vodičov prepájať a tak vytvárať rôznu štruktúru modelovaných 22 kV vedení.
Obr. 4. Moduly reprezentujúce úseky vzdušného vedenia
Pretože nemalá časť reálnych distribučných sietí je realizovaná pomocou káblov, boli do modelu vytvorené moduly reprezentujúce káblové úseky s dĺžkou 2,5 km a typom kábla 22-AXEKCY 3x 240/25, 150/25 a 95/16 usporiadané v rovnostrannom trojuholníku.
Obr. 5. Detail realizácie modulu reprezentujúceho káblový úsek vedenia
Model zhášacej tlmivky je vybavený ladiacou automatikou. Cievka je riadená krokovým motorom, ktorý dostáva príkazy prostredníctvom vyvinutej aplikácie v JAVE. Tá umožňuje výber automatického alebo ručného ladenia tlmivky (nastavenie smeru posunu a veľkosti kroku). Aplikácia komunikuje s riadiacim hardvérom cez Ethernet.
Obr. 6. Detail realizácie mechanickej časti zhášacej tlmivky s vysúvacím jadrom
Inteligentné prvky inštalované do vedení 22 kV, ako sú napr. reclosery alebo diaľkovo riadené úsekové odpínače, sú v modeli reprezentované vlastným modulom. Ten je ovládaný cez Ehernet a umožňuje modelovať aj rôzne typy porúch, ako sú napr. zemné spojenia alebo medzifázové skraty.
Obr. 7. Predná strana modulu reprezentujúci inteligentný prvok
Moduly reprezentujúce inteligentné prvky taktiež umožňujú v mieste svojho pripojenia vykonávať trojfázové meranie napätí, prúdov a výkonov. Namerané údaje posielajú cez Ethernet do centrálneho riadiaceho SCADA systému.
Obr. 8. Softvérová reprezentácia inteligentného prvku v riadiacom SCADA systéme
Pre možnosť modelovať vplyv záťaže na prevádzku sietí 22 kV boli do modelu doplnené modely distribučných transformátorov 22/0,4 kV, ktoré rešpektovali mierku vytváraného modelu a vytypované prevádzkové vlastnosti. Jedná sa o 2 ks transformátorov s parametrami T3N – 100 VA; 3 x 220 V ± 5% // 3 x 4 V - 14,4 A; Dyn1; IP – 00 a 2 kusy s parametrami T3N – 160 VA; 3 x 220 V ± 5% // 3 x 4 V - 23 A; Dyn1; IP – 00. Okrem týchto modelov bol zakúpený aj výkonnejší model reprezentujúci transformátor 110/22 kV, ktorý slúži na napájanie modelu vedenia s parametrami T3N – 2500 VA; 3 x 400 V ± 5% // 3 x 220 V - 6,6 A; YNyn0; IP – 00.
Obr. 9. Modely distribučných transformátorov 22/0,4 kV
Modely riaditeľnej záťaže sú realizované pomocou dvoch sústrojenstiev pozostávajúcich z kombinácie asynchrónneho motora a cudzobudeného dynama, ktorých výkon a účinník je možné spojito regulovať pomocou signálu z nadradeného riadiaceho SCADA systému (signálom v rozsahu 0 – 10 V).
Obr. 10. Sústrojenstvo reprezentujúce modely riaditeľnej záťaže
Súčasťou modelu siete 22 kV je aj model malej vodnej elektrárne s Peltonovou turbínou. Počas riešenia projektu bol realizovaná jej rekonštrukcia, v rámci ktorej bol navrhnutý a vytvorený nový koncept riadenia. Ten umožní jednoduchšie riadenie počas realizácie experimentov. Časť rekonštrukcie sa týkala aj systému budenia synchrónneho generátora.
Obr. 11. Detail realizácie budenia synchrónneho generátora malej vodnej elektrárne
Pre zabezpečenie väčšej kontroly nad modelom Peltonovej turbíny bol v rámci rekonštrukcie zmenený aj riadiaci obvod kontrolujúci posun ihly regulujúcej množstvo vody pretekajúcej tryskou Peltonovej turbíny.
Obr. 12. Riadiaci obvod posunu trysky Peltonovej turbíny malej vodnej elektrárne
Z vyššie prezentovaných modulov a modelov je vytvorený model siete 22 kV, ktorý umožňuje modelovať rôzne prevádzkové ako aj poruchové stavy tejto siete. Celý model je monitorovaný a riadený pomocou počítača, prostredníctvom riadiaceho SCADA systému, čo umožní študentom sledovať charakteristické prevádzkové veličiny pre modelované situácie a tým získať lepšiu predstavu o reálnej prevádzke sietí 22 kV.
Obr. 13. Náčrt konceptu riadiaceho SCADA systému
Pre riadenie a monitorovanie celého modelu siete je použitý SCADA systém vytvorený v programe Labview. Ten umožňuje na modeli siete 22 kV testovať nové prístupy inteligentného riadenia distribučných sietí, ako je napr. optimalizácia prevádzky, chránenie vedení, lokalizácie porúch, automatizované rekonfigurácie siete a iné.
Obr. 14. Realizácia riadiaceho SCADA systému v programe LabView
V budúcnosti budú do riadiaceho systému zakomponované vo väčšej miere prvky využívajúce mikroprocesorovú techniku. Tým sa dosiahne jednak menšia finančná náročnosť na budovanie modelu, no predovšetkým to umožní študentom pracovať s technickými prostriedkami, ktoré sú svojim charakterom bližšie ku reálne používaným SCADA systémom.