Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen PSCAD simulointiohjelma.......... Käytön perusteet Versio 1.0
Alkusanat Tämä opas on tarkoitettu erityisesti uusille PSCAD-simulointiohjelman käyttäjille ja se soveltuu sekä itseopiskeluun että erilaisten kurssien oppimateriaaliksi. Tavoitteena on ollut esittää havainnollisesti vaihe vaiheelta ohjelman eri toiminnot ja samalla opastaa lukijaa tämän vaativan työkalun käyttöön liittyvissä asioissa. Oppaassa keskitytään nimenomaan käytön perusteisiin. Pääasiassa tämä tarkoittaa tutustumista ohjelman käyttöliittymään ja simulointimallin laatimisessa käytettäviin työtapoihin. Oletuksena on että, että lukijalla on kokemusta Windowspohjaisten ohjelmien käytöstä. Tämän vuoksi normaaleja perustoimintoja (esim. tiedoston avaus ja tallennus) ei käsitellä yksityiskohtaisesti. Koska kyse on nimenomaan sähkövoimajärjestelmien simulointiin tarkoitetusta työkalusta, oletuksen on myös, että lukija tuntee ainakin sähkötekniikan erityisesti vaihtovirtapiirien perusteet. Ohjelman tehokas käyttö edellyttää kuitenkin kaikkien sähkövoimajärjestelmissä käytettävien laitteiden tuntemista. Tämä on ensimmäinen versio erityisesti PSCAD versiota 4.0 varten tehdystä oppaasta. Tämä opas perustuu aiemmin PSCAD versiolle 3.0 tehtyyn oppaaseen. Uuden ohjelmaversion myötä PSCAD-ohjelman käyttöliittymä on kuitenkin merkittävästi muuttunut, minkä vuoksi vain osa aiemmassa oppaassa olleesta aineistosta on ollut käyttökelpoista. Kyse on siis käytännössä kokonaan uudesta oppaasta. Myös oppaan nimeä on hieman muutettu tässä yhteydessä, sillä ohjelman nimestä on jätetty pois simulointikoneen nimi, EMTDC, mikä on ollut myös tämän ohjelmistotoimittajan käytäntönä uusimmassa ohjelmistoon liittyvässä materiaalissa. Koska ohjelmisto ja siihen liittyvä lähdemateriaali on poikkeuksetta englanninkielistä, olemme tämän teoksen myötä joutuneet määrittelemään suomenkielisiä vastineita useillekin termeille. Kommentteja käännösten toimivuudesta ja etenkin parannusehdotuksia otammekin mielellämme vastaan kaikilta lukijoilta. Vaasassa 04.01.2004 Tekijät
TEKIJÄNOIKEUKSISTA Tämä on sähköisessä muodossa (PDF-tiedostona) julkaistu teos, jota koskevat normaalit tekijänoikeussäännökset. Tekijät antavat kuitenkin luvan teoksen levittämiseen sähköisessä tai muussa muodossa edellyttäen, että sisältöä ei millään tavoin muuteta. Teoksen levityksestä ei saa periä muuta maksua kuin mahdollisesta mediasta aiheutuvat kulut. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004. Kaikki oikeudet pidätetään. PSCAD is a registered trademark of Manitoba HVDC Research Centre. EMTDC is a trademark of Manitoba Hydro, and Manitoba HVDC Research Centre is a registered user.
Sisällysluettelo Johdanto... 1 Käyttöliittymä ja sen osat... 1 Päävalikko... 3 Työkalupalkki... 3 Tilarivi... 4 Työtila... 4 Tulosteikkuna... 5 Editori... 5 Simulointimallin kokoaminen... 10 Alkutoimet... 10 Simulointimallin kokoaminen... 13 Komponenttien valinta... 14 Komponenttien kopiointi... 14 Komponenttivalikko ja komponenttipalkit... 15 Kirjastovalikko... 17 Komponenttien paikan ja asennon muuttaminen... 18 Johtojen piirtäminen... 20 Yksiviivaesitys ja signaalivektorit... 22 Komponenttien tuhoaminen... 24 Toimintojen peruminen... 24 Komponenttien parametrointi... 24 Mittausten määrittely... 28 Mittaussignaalien luonti... 29 Signaalit ulostulokanaviin... 31 Kuvaajien luonti... 32 Ulostulokanavan liittäminen kuvaajaan... 34 Simulointimallin toiminnan määrittely... 38 Automaattinen ohjaus... 39 Käsiohjaus... 44 Simulointi... 48 Simulointiajon määrittely... 48 Simulointiajon käynnistys, keskeytys ja pysäytys... 51
Simulointimallin testaus... 52 Kuvaajien muokkaaminen... 52 Tulostus kirjoittimelle... 58 Tulosten tallennus tiedostoon... 58 Simulointien dokumentointi... 59 Mistä lisää tietoa?... 61 Linkit... 63
Johdanto PSCAD on sähköverkon transienttien eli nopeiden muutosilmiöiden simulointiin tarkoitettu työkalu. Kyse on sähköverkon perussuureiden virtojen ja jännitteiden simuloinnista aikatasossa, eli tuloksena ovat näiden suureiden kuvaajat ajan funktiona. Sähköverkon mallin lisäksi simuloitavaan malliin sisällytetään tavallisesti mm. erilaisia sähkökoneita kuvaavia malleja sekä mittaus- ja säätöpiirejä kuvaavia malleja. Näiden avulla tuloksiin voidaan sisällyttää kaikkien tarkasteltavan ilmiön ja järjestelmän kannalta olennaisten suureiden käyttäytyminen aikatasossa. PSCAD perustuu alun perin prof. Hermann W. Dommelin (University of British Columbia, Vancouver, Kanada) kehittämään menetelmään ja sen sovelluksena syntyneeseen EMTP ohjelmaan (ElectroMagnetic Transient Program). Tässä menetelmässä järjestelmän tilasuureita sitovat differentiaaliyhtälöt ratkaistaan numeerista integrointimenetelmää käyttäen ajankohtina t = 0, t = t, t = 2 t, t = 3 t jne. Aika-askel t on tavallisesti mikrosekuntien luokkaa ja se voi alimmillaan olla jopa pikosekunteja. Oletusarvo on 50 mikrosekuntia, mikä on sopiva arvo useimmissa tapauksissa. Käyttöliittymä ja sen osat Kun PSCAD on käynnistetty, tulee kuvaruudulle suurin piirtein seuraavassa kuvassa esitetyn kaltainen ikkuna. Ulkoasu ja sisältö riippuvat siitä mitä käyttöliittymän osia on valittu näkyviin ja miten ne on aseteltu ohjelman pääikkunaan. Käyttöliittymä koostuu useista elementeistä (ali-ikkunoista ja työkalupaleteista), jotka voivat olla telakoituina tiettyyn reunaan pääikkunassa tai sitten ns. kelluvina elementteinä. Kuvassa 2 on esitetty esimerkki ohjelman käyttöliittymästä kun sen elementit on muutettu kelluviksi. Ohjelman käyttämä uusimman Windows standardin mukainen ikkunointitekniikka mahdollistaa käyttöliittymän vapaan muokkauksen omien mieltymysten ja kulloisenkin tarpeen mukaiseksi. Käyttöliittymän elementtien käsittelyä ei tässä oppaassa käsitellä sen tarkemmin, koska toiminnot lienevät käyttäjälle jo tuttuja muista Windows sovelluksista. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 1
Kuva 1. Ohjelman käyttöliittymä. Kuva 2. Ohjelman käyttöliittymä kun elementit muutettu kelluviksi Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 2
Päävalikko Käyttöliittymä sisältää normaalin Windows-sovelluksen tapaan päävalikon, josta eri toiminnot voidaan valita. Päävalikko Kuva 3. Päävalikko Päävalikon kohdasta File löytyvät tiedostojen avaamiseen ja tallettamiseen sekä tulostamiseen käytettävät toiminnot. Kohdasta Edit löytyy normaalien editointitoimintojen lisäksi ohjelman asetusten muuttamiseen käytettävä toiminto Workspace Settings. Käyttöliittymän eri osat voidaan valita näkyviin tai piilotettavaksi kohdasta View. Simuloinnissa käytettävät toiminnot löytyvät päävalikon kohdasta Build. Valikon kohdasta Window löytyvät ikkunoiden hallintaan tarvittavat komennot ja ohjelman käyttöohjeisiin pääsee käsiksi kohdasta Help. PSCAD-ohjelmassa tietyn toiminnon aikaansaamiseksi on olemassa monta tapaa. Mikäli tietty toiminto löytyy myös päävalikosta se mainitaan kyseistä toimintoa käsittelevässä kohdassa. Päävalikossa tehtävä valinta esitetään tekstissä valikon avainsanoja käyttäen siten, että niiden väliin sijoitetaan nuoli. Esim. File -> Print Page tarkoittaa, että päävalikon kohdasta File valitaan kohta Print Page. Työkalupalkki Ohjelman työkalupalkki (Main Toolbar) löytyy tavallisesti heti päävalikon alapuolelta. Se voidaan kuitenkin tarvittaessa siirtää johonkin muuhun kohtaan ikkunassa tai piilottaa kokonaan poistamalla ruksi päävalikon kohdasta View -> Main Toolbar. Kuva 4. Työkalupalkki Työkalupalkin lisäksi PSCAD ohjelmassa on esillä valinnaisesti joukko muitakin painikkeita sisältäviä palkkeja. Niistä tässä oppaasta käytetään nimikettä painipalkki yhdessä kyseisen painikepalkin englanninkielisen nimityksen kanssa. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 3
Tilarivi Ohjelman pääikkunan alalaitaan sijoittuvan tilarivin saa näkyviin tai piiloon päävalikon toiminnolla View -> Status Bar. Tilarivillä esitetään ohjelman kulloiseenkin toimintoon liittyvä lyhyt viesti ja osoittimen kulloisetkin koordinaatit. Lisäksi rivin oikeassa laidassa esitetään animoitu hammasrataskuva silloin kun simulointi on käynnissä. Kuva 5. Tilarivi Työtila Nimitystä työtila (Workspace) käytetään ikkunasta, joka esittää muistiin ladatut tiedostot ja niiden sisällön ns. hakemistopuuna. Hakemistopuu muodostuu haaroista, jotka voidaan piilottaa tai avata näpäyttämällä tekstirivin alussa olevaa pientä neliötä hiiren vasemmalla näppäimellä. Mikäli neliön sisässä on miinus-merkki, näpäytys hiirellä sulkee haaran. Vastaavasti näpäytettäessä hiirellä neliötä, jonka sisällä on plus-merkki avaa haaran. Tämä haara voidaan avata. Tämä haara voidaan sulkea. Kuva 6. Työtila Työtila on oletusarvoisesti pääikkunan vasemmassa laidassa, mutta se voidaan sijoittaa vapaasti haluttuun kohtaan tai tarvittaessa piilottaa kokonaan. Ohjelman käynnistyessä ladataan työtilaan aina automaattisesti pääkirjasto (Master Library). Myös muut kirjastot ja simulointimallit, jotka ovat olleet ladattuina työtilaan, kun ohjelma on suljettu, saadaan latautumaan automaattisesti ohjelmaa seuraavan kerran käynnistettäessä valitsemalla päävalikosta Edit -> Workspace Settings ja ruksaamalla sieltä kohta Reload projects at startup. Työtilassa kirjaston ja simulointimallin nimi näkyy ilman ko. tiedoston tunnistetta, joka kirjastoilla on Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 4
psl ja simulointimalleilla psc. Tiedoston nimen perässä on suluissa erikseen selkokielinen kuvaus, mikäli kyseiselle tiedostolle sellainen on määritelty. Työtilaan ladatut tiedostot näkyvät hakemistopuun juuritasolla ja sisältö näkyy sitten jaoteltuna puun haaroihin. Ellei haaroja ole avattu, ovat työtilassa näkyvillä ainoastaan ladatut tiedostot. Tiedostonimen edessä oleva kuvake kertoo tiedoston tyypin ja simulointimallien osalta myös onko kyseinen malli aktiivinen. Ohjelman tietyt toiminnot kohdistuvat vain aktiivisen olevaan simulointimalliin. Kirjasto Simulointimalli (ei aktiivinen) Simulointimalli (aktiivinen) Kuva 7. Työtilan tiedostojen kuvakkeet ja niiden merkitys. Tulosteikkuna Tulosteikkunaan (Output) tulevat ohjelman eri toimintojen aiheuttamat viestit. Tulosteikkuna koostuu kolmesta eri välilehdestä, joissa kaikissa on tekstimuotoisia tietoja esitettynä hakemistopuussa. Välilehdellä Build on esitettynä ladattuihin tiedostoihin ja simulointimallien kääntämiseen liittyviä viestejä. Välilehdellä Runtime esitetään simulointiajoon liittyvät viestit. Ohjelman etsintätoiminnon (Find) tulokset tulevat välilehdelle Search. Kuva 8. Tuloste-ikkuna. Tulosteikkuna on oletusarvoisesti pääikkunan alalaidassa mutta se voidaan sijoittaa vapaasti haluttuun kohtaan tai tarvittaessa piilottaa kokonaan. Editori Keskeisin osa ohjelman käyttöliittymää on editori (Design Editor), jonka kautta tapahtuu simulointimallin kokoaminen. Samaa editoria käytetään myös määriteltäessä simulointimallin osia, ns. komponenttimalleja. Editorissa on kahdeksan eri näkymää, joista tärkein on piirikaavio (Circuit). Eri näkymät valitaan ikkunan alalaidassa olevien välilehtien avulla. Välilehtien kautta pääsee myös esimerkiksi katsomaan mallista käännettyä fortran-koodia (välilehti Fortran). Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 5
Kuva 9. Editori. Tietyn simulointimallin tai kirjaston sisältävä Editori avataan tuplaklikkaamalla kyseisen tiedoston nimeä työtilassa. Vaihtoehtoisesti editori saadaan auki näpäyttämällä kyseisen tiedoston nimen päällä hiiren oikeanpuoleista näppäintä, jolloin esiin tulee ns. ponnahdusvalikko (ks. seur. kuva). Valitsemalla tästä valikosta Open avautuu kyseinen simulointimalli tai kirjasto editori-ikkunaan. Editoreita voi olla avoinna useita ja niiden järjestystä voi muokata mm. päävalikon kohdasta Windows löytyvillä valinnoilla. Sitä kautta saa myös siirrettyä päällimmäiseksi (näkyviin) haluamansa simulointimallin editorin. PSCAD ohjelmassa käytetään useassa toiminnossa hiiren oikeanpuoleisella näppäimellä avautuvaa ponnahdusvalikkoa. Ponnahdusvalikon sisältö riippuu hiiriosoittimen sijainnista näppäintä painettaessa. Tässä oppaassa kohdat, joissa on kyse nimenomaan hiiren oikeanpuoleisella näppäimellä avautuvasta ponnahdusvalikosta, on merkitty marginaalissa olevalla hiiren kuvakkeella. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 6
Kuva 10. Editorin avaaminen työtilan ponnahdusvalikosta. Editori-ikkunassa näkyy piirikaavioista tavallisesti vain osa. Ulkopuolelle jäävät osat saa näkyviin normaaliin Windows käyttöliittymän tapaan ikkunan reunoilla olevien vierityspalkkien avulla. Piirikaaviota voidaan myös vierittää vetämällä sitä hiiren avulla. Tämä toiminto saadaan käyttöön näpäyttämällä hiirellä työkalupalkin painiketta Pan. Hiiren kursori muuttuu tällöin käden kuvaksi. Toiminnosta poistutaan painamalla toistamiseen Pan painiketta. Vaihtoehtoisesti tämä toiminto saadaan käyttöön pitämällä CTRL- ja SHIFT-näppäimet pohjaan painettuna ja vetämällä piirikaaviota hiirellä. Tällöin hiiri muuttuu käden kuvaksi vain kun hiiren vasenta näppäintä painetaan. Työkalupalkin ja myös muiden painikepalkkien painikkeisiin viitataan tässä oppaassa painikkeiden englanninkielisillä nimillä, jotka tulevat näkyviin, jos hiiren kursorin antaa olla painikkeen päällä pienen hetken. Oikean painikkeen löytämisen helpottamiseksi kyseisen painikkeen kuva esitetään myös tekstin vasemmassa marginaalissa painikkeen nimen kohdalla. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 7
Kuva 11. Piirikaavion vieritys hiirellä vetämällä. Näkyvissä olevan piirikaavion skaalausta voi muuttaa työkalurivillä olevien Zoom In ja Zoom Out -painikkeiden avulla. Samat toiminnot saadaan aikaan myös numeronäppäimistön PLUS-ja MIINUS-näppäimillä. Tällöin toimintoon tulee suurennettaessa keskitys-ominaisuus, jossa suurennetun piirikaavion keskikohta määräytyy suurin piirtein hiiren sijainnin perusteella. PSCADissä useiden toimintojen aikaansaamiseksi on olemassa myös näppäinoikotie. Tekstin ne kohdat, joissa on esitelty johonkin toimintoon liittyvä näppäinoikotie, on merkitty marginaalissa olevalla näppäimistön kuvakkeella. Työkalupalkissa on myös Zoom In/Out alasvetolista, josta piirikaavion skaalauksen voi valita väliltä 25 200 %. Normaali skaalaus PSCADissä on 150 %, jolloin kaikki tekstit ovat vielä selkeästi luettavissa. Myös pääkirjaston sisältö esitetään editorin piirikaaviossa kuten simulointimallitkin. Seuraavassa kuvassa on esimerkkinä skaalauksesta kuva pääkirjastosta suurennettuna niin, että se näkyy kokonaisuudessaan. Yksityiskohdat eivät kuitenkaan erotu kovin hyvin. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 8
Kuva 12. Pääkirjasto suurennettuna niin, että se näkyy kokonaan. Pääkirjaston vasemmassa yläkulmassa on ryhmä kuvakkeita, jotka eivät ole varsinaisesti komponentteja vaan ns. sivumodulien kuvakkeita. Näiden sivumodulien sisään on komponentteja lajiteltu niiden tyypin mukaan. Sivumodulin saa auki kaksoisnäpäyttämällä kuvaketta hiirellä. Sivumodulista pääsee takaisin BACKSPA- CE-näppäimellä tai valitsemalla piirtoalustan tyhjästä kohdasta esiin tulevasta ponnahdusvalikosta Up one module. SIVUMODULI PSCAD:n simulointimallit ja myös komponenttimallikirjastot voidaan tehdä modulaarisiksi. Tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi osa simulointimallista voidaan piilottaa moduliin, joka näkyy ylemmän tason piirikaaviossa vain halutunlaisena kuvakkeena. PIIRTOALUSTA Tyhjää valkoista pohjaa tai paperia, jolle editorin piirikaavio piirretään, kutsutaan tässä oppaassa piirtoalustaksi. Piirtoalustalla on oma ponnahdusvalikkonsa, jonka saa esille näpäyttämällä hiiren oikeanpuoleisella näppäimellä piirtoalusta tyhjää kohtaa. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 9
Kuva 13. Siirtyminen sivumodulista takaisin ylemmän tason sivulle/piirikaavioon piirtoalustan ponnahdusvalikon avulla. Simulointimallin kokoaminen Alkutoimet Uuden simulointimallin luominen voidaan aloittaa kolmella eri tavalla: Valitaan valikosta File -> New -> Case Painetaan työkalurivin painiketta New Näppäintoiminnolla CTRL + N Tämä toiminto luo työtilaan uuden simulointimallin nimeltä noname eli "nimetön". Uusi simulointimalli kannattaa tallentaa ensimmäisen kerran jo työn alkuvaiheessa, jolloin sille voi antaa kenties kuvaavamman nimen. Tämän jälkeen mallin voi tallentaa aika ajoin kätevästi vain painamalla työkalurivin painiketta Save active project. Huomaa että tällöin tallennus kohdistuu vain aktiivisena olevaan simulointimalliin. Simulointimalli aktivoidaan valitsemalla Set as Active työtilassa olevasta mallin nimestä avautuvasta ponnahdusvalikosta. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 10
Kuva 14. Simulointimallin asettaminen aktiiviseksi. Tallentamalla työ aika ajoin vältetään tilanne, jossa ohjelman jostain syystä kaatuessa tehty työ menetetään kokonaan. Ohjelma voidaan määrittää myös tallentamaan aktiivinen työ määräajoin asetuksista löytyvällä valinnalla (Edit -> Workspace Settings). Simulointimallin voi tallentaa myös mallin nimestä avautuvan valikon komennoilla Save tai Save as (ks. kuva 14). Myös ohjelman päävalikosta löytyvät komennot File -> Save Active Project ja File -> Save Project As simulointimallin tallennukseen. Aktiivinen projekti tallentuu myös näppäinkomennolla CTRL + S. Ennen kuin simulointimallia alkaa kasata, kannattaa tarkistaa piirtoalustan koko. Piirikaavion kokoasetuksiin pääsee käsiksi napauttamalla kaavion tyhjää kohtaa hiiren oikealla näppäimellä, jolloin esiin tulevasta ponnahdusvalikosta valitaan Page Setup. Tällä valinnalla saadaan esiin kuvassa 16 esitetty lomake, jossa kohdassa Paper Size valitaan piirtoalustan paperikoko. Kohdassa Orientation voidaan vaihtaa alusta suunta (pysty/vaaka). Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 11
Kuva 15. Piirtoalustan ponnahdusvalikko Kuva 16. Piirtoalustan sivuasetukset Käytännössä valittavissa oleva paperikoko vaikuttaa myös siihen miten simulointimalli tulostuu paperille. Mikäli piirtoalustan koko on suurempi kuin kirjoittimen paperikoko, pienennetään simulointimallia tulostuksessa niin paljon että se mahtuu paperille. Käytännössä esimerkiksi A3 kokoiselle piirtoalustalle tehty simulointimalli on vielä kohtuullisen hyvin luettavissa tulostettaessa se A4-paperille. Tulostuksessa on kuitenkin syytä aina tarkistaa, että kirjoittimen asetuksissa paperin suunta (vaaka tai pysty) on sama kuin piirtoalustalle asetettu suunta. Kirjoittimen asetuksiin pääsee päävalikon toiminnolla File -> Print Setup. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 12
Piirtoalustan ulkonäköön vaikuttavia yleisiä asetuksia löytyy myös kuvan 15 valikon kohdasta Module Settings. Nämä sivumodulikohtaiset asetukset on esitetty seuraavassa kuvassa. Kuva 17. Sivumodulin asetukset Show connection grid valinta tuo esiin komponenttien sijoittelun perustana olevan ruudukon kohdistuspisteet (eivät näy tulosteissa). Valinnalla Show signal location saadaan esiin mm. piirikaaviossa olevien signaalien tyypin kertovat symbolit. Show sequence numbers näyttää järjestysnumerot, joiden mukaisesti simulointimallin komponentit sijoittuvat mallista muodostettavaan fortran-kieliseen tiedostoon. PSCAD määrää tämän järjestyksen automaattisesti, jos valittuna on Order components automatically (tämä on oletusarvoisesti valittuna). Kun valittuna on Optimize storage of feed-forword signals tallettaa PSCAD simuloinnin aikana seuraavalle aika-askeleelle vain tarvittavat signaalit (ei kaikkia signaaleja). Simulointimallin kokoaminen Simulointimalli kootaan käyttäen kirjastossa olevia komponentteja, jotka sijoitellaan mallinnettavan järjestelmän määräämällä tavalla piirtoalustalle. Käytännössä simulointimalliin sijoitettavat komponentit joko kopioidaan kirjastosta simulointimalliin tai sitten ne valitaan erilaisista valikoista tai painikkeista. Komponentit kytketään toisiinsa johdoilla (wire). Sähköteknisessä mielessä kyse ei ole varsinaisesti johtimista (joilla olisi jokin impedanssi) vaan nämä johdot määräävät komponenttien liittimien väliset suorat kytkeytymiset. Johtoja käytetään simulointimallissa myös datasignaalien välittämiseen erilaisissa mittaus- ja ohjauspiireissä. Tämän Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 13
vuoksi on tärkeää pitää koko ajan mielessä onko kyse virtapiirin kytkennöistä vai datasignaaleista, koska näitä mallin eri osia ei voi liittää toisiinsa johdoilla. Komponenttien valinta Komponenttien käsittelyssä tietyt toiminnot kohdistuvat vain valittuun komponenttiin tai valittuihin komponentteihin. Yksittäinen komponentti valitaan yksinkertaisesti napauttamalla sitä hiirellä. Valittu komponentti muuttuu harmaaksi ja alkaa vilkkua. Valinta voidaan perua napauttamalla jotain toista komponenttia (jolloin ko. komponentti tulee valituksi) tai napauttamalla piirtoalustan tyhjää kohtaa. Useiden komponenttien valinta tehdään myös napauttamalla hiirellä valittavia komponentteja, mutta tällöin on samalla pidettävä CTRL-näppäin alas painettuna. Kaikki valitut komponentit muuttuvat harmaiksi ja alkavat vilkkua. Yksittäisen komponentin valinta voidaan perua napauttamalla kyseistä komponenttia uudelleen CTRL-näppäin alas painettuna. Useampi vierekkäin sijaitsevia komponentteja voi valita myös hiirellä vetämällä (liikuta hiirtä vasen näppäin alas painettuna). Tällöin valinta kohdistuu vedettäessä näkyviin tulevan laatikon sisällä sijaitseviin komponentteihin. Jos kaikki halutut komponentit eivät tule tällä tavoin valituksi tai valinnasta halutaan poistaa yksittäisiä komponentteja, voidaan halutut komponentit lisätä tai poistaa hiirellä näpäyttämällä ja pitämällä samalla CTRL-näppäin on alas painettuna. Kuva 18. Useampien komponenttien valinta hiirellä vetämällä Komponenttien kopiointi Komponentin kopioimiseksi kirjastosta piirtoalustalle tarvitaan aina kaksi toimenpidettä: kopioi (Copy) ja liitä (Paste). Ohjelman käyttöliittymä tarjoaa useita eri tapoja toteuttaa nämä toimenpiteet: Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 14
Päävalikon toiminnoilla Edit->Copy ja Edit->Paste. kopioitava komponentti on ensin valittava liitetty komponentti tulee lähelle piirtoalusta vasenta yläkulmaa, josta se on siirrettävä haluttuun paikkaan Näppäilemällä CTRL+C (Copy) ja CTRL+V (Paste). kopioitava komponentti on ensin valittava ennen liitä-toimintoa simulointimallin piirtoalusta on aktivoitava hiirellä napauttaen liitä-toiminnossa komponentti tulee siihen kohtaan, missä hiiren osoitin sijaitsee piirtoalustalla Käyttämällä ponnahdusvalikon toimintoja Copy ja Paste. hiiren oikeaa painiketta on painettava kopioitavan komponentin päällä liitettäessä komponentti piirtoalustalle on hiiren oikeaa painiketta painettava piirtoalusta tyhjässä kohdassa (vain tällöin Paste on käytettävissä) liitä-toiminnossa komponentti tulee siihen kohtaan piirtoalustalla, missä hiiren osoitin sijaitsi ponnahdusvalikkoa avattaessa Näppäilemällä C (Copy) ja V (Paste). painetaan C-näppäintä kun hiiren osoitin sijaitsee kopioitavan komponentin päällä (komponentin ei tarvitse olla valittu, eli näpäytystä hiirellä ei tarvita) painettaessa V-näppäintä tulee komponentti piirtoalustan siihen kohtaan missä hiiren osoitin sijaitsee mikäli kirjaston ja simulointimallin ikkunat ovat kelluvina, on huolehdittava että kohteena oleva ikkuna on aktiivinen kun C- tai V-näppäintä painetaan Komponenttivalikko ja komponenttipalkit Osa useimmin käytettävistä komponenteista on sijoitettu sekä piirtoalustan ponnahdusvalikkoon että ns. komponenttipalkkien painikkeisiin. Painettaessa hiiren oikeaa näppäintä piirtoalustan tyhjässä kohdassa tulee esiin ponnahdusvalikko; kohdasta Add Component saadaan esiin ns. komponenttivalikko. Komponenttipalkit sijaitsevat tavallisesti kuvaruudun oikeassa laidassa. Seuraavassa kuvassa on esitetty komponenttivalikko avattuna sekä ikkunan oikeassa laidassa olevat komponenttipalkit. KOMPONENTTIVALIKKO Piirtoalustan ponnahdusvalikkoon sisältyvästä alivalikosta, joka sisältää useimmin tarvittavat komponenttimallit käytetään nimitystä komponenttivalikko. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 15
KOMPONENTTIPALKIT Painikepalkeista, joista voidaan valita simulointimallin rakentamisessa käytettäviä komponentteja, käytetään nimitystä komponenttipalkit. PSCADissä on kaksi komponenttipalkkia: Electrical Palette sisältää sähköisiä komponentteja ja Control Palette sisältää erilaisia datasignaalien kanssa käytettäviä komponentteja. Kuva 19. Komponenttivalikko ja komponenttipalkit Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 16
Komponenttivalikkoa käytettäessä tarvittava komponentti valitaan valikosta, jonka jälkeen valittu komponentti tulee näkyviin ja tarttuu kiinni hiiren kursoriin. Hiirtä liikuttamalla komponentti voidaan viedä haluttuun paikkaan, jonne se pudotetaan hiirtä näpäyttämällä. Komponenttipalkissa olevissa painikkeissa on pienet komponenttia esittävät kuvakkeet. Tarvittaessa komponentin nimen saa esiin jättämällä hiiren osoittimen hetkeksi painikkeen päälle, jonka jälkeen nimi tulee näkyviin pienessä keltaisessa lapussa. Kun tarvittavan komponentin painiketta on näpäytetty kerran ja hiiri viedään piirtoalustalle, on kyseinen komponentti tarttunut kiinni hiiren kursoriin. Hiiren avulla komponentti voidaan viedä haluttuun paikkaan ja jonne se pudotetaan hiirtä näpäyttämällä. Kuva 20. Komponentin nimen näyttö komponenttipalkissa Kirjastovalikko Simulointimalliin sijoitettavien komponenttien hakemiseksi kirjastosta on olemassa myös piirtoalustaan sijoitettu erillinen valikkotoiminto. Tämän ns. kirjastovalikon saa esiin painamalla hiiren oikeaa näppäintä piirtoalustan tyhjässä kohdassa ja pitämällä samanaikaisesti CTRL-näppäin alas painettuna. Kirjastovalikko sisältää kaikki käytettävissä olevat komponenttimallit. Kuva 21. Kirjastovalikko avattuna kohdasta Transformers. Kirjastovalikko on hierarkkinen siten, että ensimmäisellä tasolla ovat kirjastot. E.o. kuvassa näkyvissä on vain pääkirjasto, mutta näkyviin tulevat myös käyttäjän itse Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 17
KIRJASTOVALIKKO Piirtoalustan toisesta ponnahdusvalikosta, joka sisältää kaikki pääkirjastossa ja mahdollisissa muissa ladattuina olevissa kirjastoissa määritellyt komponenttimallit käytetään nimitystä kirjastovalikko. Huomaa, että tämän valikon esiin saamiseksi pitää CTRL-näppäin olla alaspainettuna. tekemät kirjastot, kunhan ne on ladattu työtilaan. Toisella tasolla on komponenttien ryhmittelyn tyypeittäin ja kolmannelta tasolta löytyvät sitten kuhunkin ryhmään kuuluvat komponentit. Myös kirjastovalikkoa käytettäessä valittu komponentti tarttuu kiinni hiiren kursoriin, jolloin se voidaan kätevästi hiirtä käyttäen viedä ja pudottaa haluttuun paikkaan. Komponenttien paikan ja asennon muuttaminen Sen jälkeen kun komponentti on tuotu piirtoalustalle, sitä voidaan vapaasti siirtää ja sen asentoa voidaan muuttaa niin että simulointimallista saadaan halutunlainen. Siirtäminen tapahtuu yksinkertaisesti hiirellä vetämällä. Komponentin asennon muuttamiseksi on olemassa neljä eri perustoimintoa: Kierto oikealle (Rotate Right) komponentti kiertyy 90 myötäpäivään Kierto vasemmalle (Rotate Left) komponentti kiertyy 90 vastapäivään Peilaus (Mirror) komponentti peilautuu pystyakselinsa suhteen Kääntö (Flip) komponentti kääntyy ylösalaisin Seuraavassa kuvassa on havainnollistettu näitä toimintoja epätahtikoneen mallin avulla. Huomaa, että samaan lopputulokseen voi päästä tekemällä erilaisia toimintosarjoja. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 18
Kuva 22. Komponentin asennon muuttaminen Nämä neljä perustoimintoa saadaan aikaan painamalla näppäintä R (Rotate Right), L (Rotate Left), M (Mirror) tai F (Flip). Toiminto kohdistuu tällöin valittuna olevaan komponenttiin. Ellei mitään komponenttia ole valittuna, toiminto kohdistuu siihen komponenttiin, jonka päällä hiiren osoitin on. Kerralla voi pyöritellä myös useammasta komponentista koostuvaa ryhmää, kunhan kohteena olevat komponentit on ensin valittu (ks. kohta Komponenttien valinta sivulla 14) Samat muokkaustoiminnot löytyvät myös komponentin omasta ponnahdusvalikosta (ks. seur. kuva). Lisäksi mukana on 180º kierto (Rotate 180) sekä toiminnot, jolla päällekkäin olevien komponenttien järjestystä voidaan muuttaa (Bring to Front ja Send to Back). Käytännössä mallin osia ei ole järkevää sijoittaa päällekkäin, mutta nämä toiminnot lienevät käyttökelpoisia lähinnä tuloksia esittelevien kuvaajakomponenttien järjestelyssä. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 19
Kuva 23. Komponentin asennon muuttamiseen käytettävät toiminnot komponentin ponnahdusvalikossa KOMPONENTIN PONNAHDUSVALIKKO Komponentin ponnahdusvalikko tulee esiin kun hiiren oikeanpuoleista painiketta näpäytetään hiiren osoittimen ollessa kyseisen komponentin päällä. Komponentin ponnahdusvalikosta valittavat toiminnot kohdistuvat nimenomaan kyseiseen komponenttiin. Kolmas tapa komponentin pyörittelyyn löytyy nämä toiminnot sisältävästä painikepalkista (Rotation Bar), joka saadaan esiin valitsemalla päävalikosta View -> Rotation Bar. Kuva 24. Painikepalkki komponentin kiertoa varten Johtojen piirtäminen Komponentit kytketään toisiinsa johdoilla, joiden käsittely poikkeaa osittain varsinaisten komponenttien käsittelystä. Piirtoalusta ponnahdusvalikkoon sisältyvässä komponenttivalikossa johto (Wire) on ensimmäisenä samoin kuin Electrical Palette komponenttipalkissa. Nämä valinnat tuottavat lyhyen vaakasuoran viivan, joka saadaan helposti pystysuoraan edellä esitellyllä kierto-toiminnolla. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 20
Kun johto valitaan hiirellä napauttaen, tulee johdon päihin vihreät neliöt, joista hiirellä vetämällä voidaan johdon pituutta muuttaa pidentää tai lyhentää. Kuva 25. Johdon valinta hiirellä Johtojen piirtäminen onnistuu kätevästi myös hiiren avulla. Painamalla näppäimistöltä CTRL-W tai valitsemalla työkalupalkista Wire mode päästään "johdonpiirto"-tilaan. Hiiren kursori muuttuu tällöin kynäksi. Johdon piirtäminen tapahtuu siten, että hiiren vasenta painiketta napautetaan johdon alkupisteessä ja sen jälkeen hiiren oikeaa painiketta johdon loppupisteessä. Yksittäinen johto koostuu aina pelkästään vaaka- tai pystysuorasta osuudesta, mutta tässä johdonpiirtotilassa voidaan piirtää kulmiakin sisältävä johto: hiiren vasenta painiketta napautetaan johdon alkupisteessä ja myös kaikissa kulmapisteissä mutta hiiren oikeaa painiketta vasta johdon loppupisteessä. Tällöinkin tuloksena oleva johto koostuu vain vaaka- tai pystysuorista osista, mutta ne liittyvät nyt suoraan toisiinsa ilman että niitä pitää enää siirtää tai venyttää. Kuva 26. Johdon piirtäminen hiirellä Johdonpiirtotilasta poistutaan painamalla toistamiseen CTRL-W tai painikepalkin Wire mode -painiketta. Johdonpiirtotila näkyy myös tässä painikkeessa siten, että se on ikään kuin alas painettuna johdonpiirtotilassa oltaessa. Johdot kytketään komponentissa oleviin liittimiin. Erilliset johdot kytkeytyvät toisiinsa vain johdon päätepisteen kautta. Risteävät johdot eivät kytkeydy toisiinsa ellei käytetä erillistä Signal Junction liitoskomponenttia, joka löytyy komponenttipalkista nimellä Pin (palkista Electrical Palette) sekä piirtoalustan komponenttivalikosta nimellä Junction. Johtojen kytkeytymistä toisiinsa on havainnollistettu seuraavassa kuvassa. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 21
Kuva 27. Johtojen kytkeytyminen toisiinsa Yksiviivaesitys ja signaalivektorit PSCADissä malli voidaan aina rakentaa niin, että sähköisessä piirissä jokainen vaihe on erillään ja kytkeytyy erillisillä johtimilla. Ohjelman versiossa 4 on käyttöön otettu myös kompaktimpi esitystapa yksiviivaesitys (Single line view), jossa kaikki 3 vaihetta kuvataan yhdellä viivalla. Sähköisille komponenteille voidaan valita esitystavaksi joko perinteinen tapa (3 phase view) tai yksiviivaesitys. Seuraavassa kuvassa on esitetty esimerkit samasta simulointimallista molemmilla esitystavoilla. 0.1 Is Vs #1 #2 COUPLED PI SECTION A 0.1 B C Ia Ib Ic Va Vb Vc A B C 100.0 [MVA] #1 #2 230.0 230.0 A B C A B C COUPLED PI SECTION A B C Kuva 28. Simulointimalli yksiviivaesityksenä ja 3-vaiheisena esityksenä Samassa simulointimallissa voidaan käyttää tarvittaessa molempia esitystapoja, mutta liitoskohdissa on käytettävä vaiheet erottavaa komponenttia Breakout, joka löytyy niin komponenttipaletista Elecrical Palette kuin komponenttivalikostakin. Breakout komponentissa pieni sininen neliö ilmaisee ensimmäisen vaiheen (A vaiheen). Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 22
0.1 #1 #2 Fault Kuva 29. Yksiviivaesityksen kytkeminen 3-vaiheiseen esitykseen Breakout komponentilla. PSCADissä myös datasignaaleilla on käytössä vastaavanlainen yksiviivaesitys. Käytännössä kyse on signaalien käsittelystä n-pituisena vektorina, joka voidaan esittää yhtenä viivana ja kytkeä vektoriesitystä hyödyntävän komponentin yhteen liittimeen. Yhteen vektoriin voidaan liittää enintään 12 signaalia. Seuraavassa kuvassa on esitetty miten 3 signaalia ensin yhdistetään Data Merge komponentilla ja sitten otetaan erikseen Data Tap komponenteilla (kullekin signaalille tarvitaan oma Data Tap komponentti). 1 2 32 1 3 Signaalien yhdistäminen vektoriin Signaalien erottaminen vektorista Kuva 30. Signaalien yhdistäminen vektoriksi Esimerkiksi FFT komponentissa ulostulot ovat vektoreita, joista halutut signaalit on otettava erilleen Data Tap komponentilla. Tästä on esimerkki seuraavassa kuvassa, jossa Mag1 ulostulon 7-pituisesta vektorista erotetaan ensimmäinen signaali. 1 X1 Ua X2 Ub X3 Uc Mag1 Mag2 Mag3 (7) (7) (7) Ph1 (7) F F T Ph2 (7) Ph3 F = 50.0 [Hz] (7) dc1 dc2 dc3 Kuva 31. Yksittäisen signaalin erottaminen vektorista. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 23
Komponenttien tuhoaminen Joissain tilanteissa on tarpeen myös tuhota piirtoalustalle sijoitettuja komponentteja. Valittu kohde tuhotaan painamalla joko X tai CTRL+X. Tätä ennen kohteena oleva komponentti tai komponentit on valittava kohdassa "Komponenttien valinta" (sivu 14) esitetyllä tavalla. Mikäli kohdetta ei ole valittu kohdistuu tuhoamistoiminto siihen komponenttiin, jonka päällä hiiren osoitin on näppäintoimintoa suoritettaessa. Käytännössä kyseessä on Cut-toiminto eli poistetun komponentin saa takaisin seuraavalla Paste-toiminnolla. Vaihtoehtoinen tapa on käyttää komponentin ponnahdusvalikkoa ja valita sieltä Cut. Toiminnolle löytyy myös oma Cut-painikkeensa ohjelman työkalupalkista ja päävalikossa on tietenkin myös toiminto Edit->Cut. Komponenttia tuhottaessa edellä olevalla tavalla kyse on oikeastaan "leikkaa"- toiminnosta (Cut). Viimeksi leikattu komponentti tai ryhmänä leikatut komponentit voidaan liittää takaisin liitä -toiminnolla (Paste, esim. CTRL-V). Tämä on kätevä toiminto esimerkiksi haluttaessa siirtää osia mallista esimerkiksi sivumoduleihin. Toimintojen peruminen Simulointimallia koottaessa voidaan kaikki toiminnot perua Undo-komennolla. Perumiseen on käytettävissä kolme tapaa: Valitaan päävalikosta Edit -> Undo Painetaan CTRL-Z Valitaan piirtoalustan ponnahdusvalikosta Undo Peruminen kohdistuu aina viimeksi tehtyyn toimintoon. Peruminen voidaan kuitenkin toistaa useita kertoja, jolloin päästään haluttuun aiemmin vallinneeseen tilanteeseen. Mikäli vahingossa peruu toiminnon, jota ei ollutkaan tarkoitus perua voi sen tehdä uudestaan Redo-toiminnolla, joka löytyy sekä piirtoalustan ponnahdusvalikosta, että päävalikosta. Komponenttien parametrointi Kunkin komponenttimallin käyttäytyminen määräytyy sen parametrien avulla. Simuloinnin onnistumisen kannalta on tärkeää, että mallien parametrit määritetään huolellisesti. Erityisesti on huomattava, että vaikka kaikilla malleilla on jotkin oletusparametrit, ne eivät yleensä sellaisenaan sovellu tarkasteltavaan simulointiin. Lisäksi on huomattava, että tässä kanadalaisperäisessä ohjelmassa taajuusoletus on aina 60 Hz, joka pitää suomalaisia järjestelmiä simuloitaessa muuttaa aina 50 Hz:iin. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 24
Komponentin parametreihin pääsee joko kaksoisnapauttamalla komponenttia tai valitsemalla komponentin ponnahdusvalikosta Properties. Komponentin parametrit määritetään lomakkeella, jossa on joko yksi tai useampia sivuja. Yksinkertaisin parametrilomake on esim. vastuksella, jonka parametrina on vain resistanssi. Monimutkaisempi lomake on esimerkiksi muuntajalla, jonka parametrit on jaettu useammalle sivulle. Lomakkeella on ylälaidassa alasvetolista, josta tarkasteltavaa sivua voidaan vaihtaa. Tätä on havainnollistettu seuraavalla kolmen kuvan sarjalla. Kuva 32. Parametrilomakkeen sivunvaihto: avataan ensin alasvetovalikko, Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 25
Kuva 33.... valitaan sieltä haluttu sivu (tässä Saturation) Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 26
Kuva 34.... ja esille tulee valittu sivu. Parametrilomakkeen sivua voi vaihtaa myös nuolinäppäimillä (ylös/alas), silloin kun sivuluettelon sisältävä alasvetovalikko on aktiivinen (sininen taustaltaan). Parametrilomakkeella olevat kentät ovat joko teksti-, numero- tai valintakenttiä. Tekstikenttään voi syöttää minkä tahansa tekstin (pituus yleensä rajattu). Numerokentässä näkyy lukuarvon jälkeen usein myös kyseessä oleva yksikkö hakasulkeisiin kirjoitettuna (esim. [p.u.]). Vaikka yksikköä voikin editoida, se tulee jättää alkuperäiseen arvoonsa tai sitten poistaa kokonaan (ohjelma ei totea mitenkään yksikön vaihtamista; yksikkö on tarkoitettu vain informaatioksi käyttäjälle). Esimerkiksi numerokentän voi tyhjentää kokonaan jonka jälkeen siihen voi syöttää haluamansa luvun ilman yksikköä. Seuraavan kerran lomaketta avattaessa luvun perään tulee automaattisesti myös oletuksena oleva yksikkö. Valintakenttä on käytännössä alasvetolista, jossa käyttäjä tekee valinnan kahden tai useamman tekstimuodossa kerrotun vaihtoehdon välillä. Joissain tapauksissa valintakenttä on esitetty ns. radiopainikkeiden avulla, jolloin valittavissa olevat vaihtoehdot ovat suoraan näkyvissä ja kulloinkin valittuna olevan vaihtoehdon näkee tekstiä edeltävän napin väristä. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 27
Kuva 35. Esimerkki parametrilomakkeesta, jossa on käytetty alasvetolistaa ja ns. radiopainikkeita. Joissain komponenteissa on myös mahdollista syöttää numerokenttään ohjauspiireissä määritellyn datasignaalin nimi. Tätä aihetta käsitellään tarkemmin ohjauspiirejä käsittelevässä kohdassa myöhemmin. Riippuen eri valintakenttien arvoista on osa parametrilomakkeen kentistä poissa käytöstä, jolloin ne esitetään harmaalla pohjalla eikä niitä pääse muuttamaan. Tämä tarkoittaa, että tehtyjen valintojen perusteella kyseiset parametrit ovat tarpeettomia eikä niitä oteta huomioon. Mittausten määrittely Simuloinnin avulla halutaan tarkastella tiettyjen suureiden käyttäytymistä ja nämä suureet saadaan näkyviin määrittelemällä simulointimalliin ns. mittauksia. Mitattavien suureiden saaminen esiin simuloinneissa vaatii käytännössä kolme eri vaihetta: Sijoitetaan ensiöpiiriin komponentti, jolla mittaus suoritetaan (esim. jännite- tai virtamittari). Liitetään mittauksesta saatava signaali ulostulokanavaan (Output Channel). Lisätään piirtoalustalle komponentti, joka esittää mitattavan suureen graafisesti (tavallisesti käyränä) ja yhdistetään siihen haluttu ulostulokanava. Lopputuloksena on siis se, että samalla piirtoalustalla voi olla sekä itse simuloitava piiri että kuvat, joihin simuloinnin tulokset tulevat. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 28
Mittaussignaalien luonti Jännitteiden ja virtojen mittaukset voidaan suorittaa yksinkertaisimmillaan suoraan tähän tarkoitetuilla komponenteilla, jotka on esitelty seuraavassa kuvassa. Nämä mittarit löytyvät piirtoalustan komponenttivalikosta kohdasta Meters ja niille on omat kuvakkeensa myös komponenttipalkissa Electrical Palette. Kuva 36. Jännitteen ja virran mittaamiseen käytettävät komponentit Virtamittari on kytkettävä aina osaksi virtapiiriä; se ei toimi jos sen laittaa johdon päälle. Virtamittarin sijoittamista piiriin on havainnollistettu kuvassa 37. Jännitemittareita on kahta eri tyyppiä, joista toinen tekee mittauksen aina maapotentiaaliin nähden ja toinen mittaa kahden eri pisteen välisen potentiaalieron. Esimerkiksi pääjännitteet vaiheiden väliltä voidaan mitata kuvan 38 esittämällä tavalla. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 29
Kuva 37. Virtamittarin sijoittaminen piiriin Kuva 38. Pääjännitteiden mittaaminen Erillisten mittauskomponenttien lisäksi tietyt komponentit tarjoavat mahdollisuuden ns. sisäisiin mittauksiin. Tällöin mittaus määritellään siten, että kyseisen komponentin parametreissa annetaan halutulle ulostulosuureelle nimi. Seuraavassa kuvassa on esimerkiksi määritelty muuntajan toision vaihevirroille nimet. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 30
Kuva 39. Komponentin sisäisten mittausten määrittäminen; esimerkkinä muuntaja Komponentista riippuen siitä voidaan mitata virtojen ja jännitteiden lisäksi muitakin suureita. Esimerkiksi moottorista saadaan ulostulona mm. nopeus- ja vääntömomentti. Mittauksen määritteleminen tarkoittaa käytännössä sitä, että simulointimalliin määritellään signaali, johon kyseinen suure liitetään. Signaali määritellään antamalla sille nimi. Virta- ja jännitemittarikomponenteilla onkin vain yksi parametri: Signal Name. Samoin signaali syntyy, kun johonkin komponenttiin määritellään ns. sisäinen mittaus nimeämällä ulostulosuure. Nimettyä mittaussignaalia voidaan sitten käyttää edelleen säätölohkoissa tai simuloinnin tulosdatan esittämiseen tarkoitetuissa komponenteissa. Signaalit ulostulokanaviin Toisena vaiheena mittauksen luonnissa on saadun signaalin liittäminen ulostulokanavaan. Tähän tarvitaan datasolmu (Data label), joka liitetään ulostulokanavaan (Channel). Nämä molemmat komponentit löytyvät sekä piirtoalustan komponenttivalikosta että komponenttipalkista Control Palette. Datasolmun ja ulostulokanavan väliin kannattaa sijoittaa lyhyt johto, kuten seuraavassa kuvassa on esitetty. Kuva 40. Signaalin liittäminen ulostulokanavaan Datasolmulla on vain yksi parametri: Data Signal Name. Tähän kohtaan kirjoitetaan halutun mittaussignaalin nimi. Nimen pitää olla täsmälleen sama kuin mikä määriteltiin virta- tai jännitemittarin Signal Name parametrille tai mitä käytettiin komponentin sisäisiä mittauksia määriteltäessä. Datasolmu toimii periaatteessa siten, että se tuo tavallaan kyseisen signaalin piirtoalustalle, jossa se voidaan kytkeä johtoja käyttäen paitsi ulostulokanavaan myös erilaisiin datasignaaleja käsitteleviin komponentteihin. Ulostulokanavalla on useampi parametri, joilla vaikutetaan mm. kuvaajassa näkyviin otsikoihin ja asteikkoihin. Yksi tärkeimmistä parametreista on skaalauskerroin (Scale Factor), jota pitää käyttää, jos suureen yksikkö halutaan toiseksi kuin mitä Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 31
mittauskomponentti käyttää. Parametrina oleva yksikkö (Unit) ei vaihda suureen yksikköä vaan se on vain teksti, joka tulee näkyviin analogisissa mittareissa. Koska esim. jännitteet mitataan aina kilovoltteina (ja virrat kiloampeereina) voi jossain tapauksessa olla tarpeen esittää jännitteet voltteina, jolloin ulostulokanavan parametrit pitää määritellä seuraavassa kuvassa esitetyllä tavalla. Kuva 41. Ulostulokanavan parametrit Kuvaajien luonti Ulostulokanava tallentaa siihen tulevan signaalin, joka voidaan simuloinnin aikana esittää graafisesti esim. käyränä. Tätä varten malliin pitää ensin lisätä kehys (Graph Frame), joka löytyy sekä piirtoalustan komponenttivalikosta, että komponenttipalkista Control Palette. Kehys muodostaa alustan kuvaajille (Graph), jotka ovat käytännössä datan esittämiseen käytettäviä koordinaatistoja. Kuvaajan vaakaakselilla on aina aika ja pystyakselilla kyseinen suure. Yhteen kuvaajan voidaan sijoittaa useita käyriä (Curve), joista kukin edustaa yhtä mittaussignaalia. Uusi kehys on pelkkä harmaa laatikko, jossa otsakkeena on Advanced Graph Frame. Sen kokoa voi muuttaa vetämällä kahvoista (vihreistä neliöistä), jotka tulevat esiin kun komponenttia napauttaa hiirellä. Kehyksen sijoituspaikkaa voi muuttaa yksinkertaisesti hiirellä vetämällä. Kun kehyksessä on jo kuvaajia, kahvat tulevat esiin vain napauttamalla hiirellä kehyksen otsikkopalkkia tai jotain sen kulmista. Kuvaajia sisältävän kehyksen paikan muuttaminen onnistuu vain kun hiirellä otetaan kiinni otsikkopalkista. Kehyksen ponnahdusvalikossa valinnalla Add Analog Graph luodaan uusi analoginen kuvaaja kehykseen. Kuvaajia voi lisätä useita samaan kehykseen. Tästä on se etu, että samassa kehyksessä olevien kuvaajien vaaka-akselit voidaan helposti rajata samalle aikavälille. Kuvaajia voidaan lisätä myös painamalla INSERTnäppäitä. Uusi kuvaaja tulee tällöin siihen kehykseen, jonka päällä hiiren osoitin Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 32
on. Kehys täyttyy uusilla kuvaajilla ylhäältä alaspäin ja mikäli kuvaajia lisää useita kerralla saattaa tulla eteen tilanne että kaikki kuvaajat eivät mahdu kehykseen. Ne jäävät tällöin osin tai kokonaan piiloon ja ne saa näkyviin kun kehyksen korkeutta kasvattaa riittävästi. Kehyksen ponnahdusvalikossa on myös valinta Add Digital Graph, jolla voidaan lisätä digitaalisen signaalin kuvaajia. Kuva 42. Kuvaajan lisääminen kehykseen 1.00 Advanced Graph Frame y -1.00 1.00 y -1.00 Sec 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00......... Kuva 43. Kehys, johon on lisätty kaksi analogista kuvaajaa Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 33
Tarvittaessa kehyksestä voidaan poistaa yksittäinen kuvaaja kyseisen kuvaaja ponnahdusvalikosta löytyvän valinnan Cut Graph avulla. Kuvaaja voidaan poistaa myös DELETE-näppäintä painamalla. Tällöin toiminto kohdistuu kuvaajaan, joka on ensin valittu hiirellä napauttamalla (tausta muuttuu kellertäväksi). Tämä näppäintoiminto ei ole peruttavissa, mutta leikattu (Cut) kuvaaja voidaan liittää takaisiin samaan tai toiseen kehykseen kehyksen ponnahdusvalikon toiminnolla Paste Graph. PSCADin 4 versiossa uutuutena on ns. XY-kuvaaja (XY Plot), jonka avulla voidaan tehdä kuvaajia, joissa vaaka-akselilla on joku muu suure kuin aika. XYkuvaajassa voidaan esimerkiksi esittää oikosulkumoottorin momenttikäyrä, jossa vaaka-akselilla on pyörimisnopeus ja pystyakselilla vääntömomentti. Seuraavassa kuvassa on esitetty tyhjä XY-kuvaaja. Sen kokoa ja paikkaa piirtoalustalla voi muuttaa samalla tavoin kuin kehyksenkin kokoa ja paikkaa. Kuva 44. XY-kuvaaja. Ulostulokanavan liittäminen kuvaajaan Liittämällä tietty ulostulokanava johonkin kuvaajaan saadaan kyseinen suure näkymään kuvaajassa käyränä. Tämä liittäminen vaatii kaksi toimenpidettä: 1. Luodaan viite (Reference) kyseiseen kanavaan 2. Liitetään käyrä kuvaajaan. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 34
Viite käyrää varten luodaan valitsemalla ulostulokanavan ponnahdusvalikosta Input/Output Reference -> Add as Curve. Kuva 45. Ulostulokanavan viitteen luonti Tämän jälkeen napautetaan hiiren oikeanpuoleista näppäintä halutun kuvaajan päällä ja valitaan ponnahdusvalikosta Paste Curve. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 35
Kuva 46. Käyrän liittäminen kuvaajaan Kun käyrä on liitetty kuvaajaan näkyy käyrän otsikko kuvaajan yläpuolella. Kun samaan kuvaajaan liitetään useampia käyriä tulevat niiden otsikot kuvaajan yläpuolelle siinä järjestyksessä kuin ne on liitetty. Käyrän otsikko määritellään ulostulokanavan parametrina Title (ks. seur. kuva). Ulostulokanavan kohdassa Display title on icon kannattaa olla valittuna Yes, jolloin otsikkoteksti näkyy myös ulostulokanavan kuvakkeen alapuolella kuten seuraavassa kuvassa. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 36
Kuva 47. Käyrän otsikon määrittely (tässä "Voltage Ea") Käyrän saamiseksi esiin on olemassa myös oikotie: ulostulokanavan ponnahdusvalikosta löytyy kohta Input/Output Reference -> Create new Analog Graph with Signal (ks. kuva 45). Tämä valinta tuottaa suoraan kaavion, jossa on yksi kuvaaja ja siinä kyseinen käyrä. Tätä menetelmää kannattanee käyttää kuitenkin vain kun esimerkiksi haluaa simuloinnin jälkeen saada esiin "unohtuneen" ulostulokanavan. Vastaavasti digitaalisen signaalin kuvaaja saadaan esiin valinnalla Input/Output Reference -> Create new Digital Graph with Signal. Signaalien tuomisessa XY-kuvaajaan lähdetään liikkeelle aivan samoin kuin tavallisten kuvaajienkin kohdalla eli luomalla viite kyseisen ulostulokanavan ponnahdusvalikon avulla (Input/Output Reference -> Add as Curve). Viitettä liitettäessä käytetään sitten XY-kuvaajan ponnahdusvalikkoa, jossa voidaan valita liitetäänkö signaali x- vai y-akselille. Molemmille akseleille tule liittää vähintään yksi signaali. XY-kuvaajaan voi myös piirtää useampia käyriä, jolloin kutakin käyrää kohti on liitettävä aina yksi signaali sekä x- että y-akselille. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 37
Kuva 48. XY-kuvaajan ponnahdusvalikko Paitsi käyrinä voidaan mittaukset esittää myös analogisten mittareiden avulla. Mittareiden avulla ei tietenkään voi esittää vaihtovirtasuureita, vaan ne on muunnettava tehollisarvoiksi RMS-komponentin avulla. Kuva 49. Mitatun vaihtojännitteen muuttaminen tehollisarvoksi RMSkomponentin avulla. Mittareita ei sijoiteta kaavioihin vaan ne sijoitetaan ohjauspaneeleihin (Control Panel), joihin tulevat myös simuloinnin ohjaukseen käytettävät komponentit. Niistä enemmän seuraavassa luvussa. Simulointimallin toiminnan määrittely Koska tavallisesti PSCAD ohjelmalla tehdyissä simuloinneissa on kyse nimenomaan transientti-ilmiöiden simuloinnista, on simulointimalliin määriteltävä tarkasteltava muutosilmiö. Käytännössä tämä tarkoittaa yhtä tai useampaa simuloitavalla ajanjaksolle määriteltyä tapahtumaa, joissa simulointimallissa tapahtuu sähköisiin suureisiin vaikuttava muutos. Tyypillisesti muutoksessa voi olla kyse virtapiiriin tulevasta viasta (oikosulku) tai katkaisijan toiminnasta (virtapiiri avataan tai Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 38
suljetaan). Ohjelmalla on myös mahdollista tarkastella esimerkiksi tapahtumaa, jossa sähkömoottorin kuormitus muuttuu askelmaisesti. Simulointimallin toiminnan määrittely on mahdollista käyttäen automaattista ohjausta tai käsiohjausta. Seuraavassa esitellään nämä molemmat tavat. Automaattinen ohjaus Automaattinen ohjaus toteutetaan toimilohkoilla, jotka antavat halutun syötteen sähköisessä piirissä oleville laitteilla. Yksinkertaisimmillaan ohjaus perustuu ajastimeen, eli ohjaustoiminto tehdään tietyllä ajan hetkellä. Esimerkiksi erilaisten vikojen mallintamisessa käytettävien komponenttien ohjaukseen on käytettävissä oma ajastinkomponenttinsa Timed Fault Logic. Kuva 50. Ajastimen kytkentä 3-vaiheiseen vikakomponenttiin Kuva 51. Ajastimen kytkentä 1-vaiheiseen vikakomponenttiin Kuten edelläolevista kuvista näkyy, ajastinkomponentti voidaan kytkeä 3- vaiheisen vian komponentissa suoraan tarkoitusta varten olevaan sisäänmenoliitäntään. 1-vaiheisessa vikakomponentissa signaali viedään datasolmuun (Data label), jolle annetaan sama nimi kuin kyseiselle vikakomponentille on määritelty sen parametreissa kohdassa Fault name. Kimmo Kauhaniemi & Olavi Mäkinen, 2004 39