毕业设计（论文）基于pscad和matlab的电力系统电磁暂态仿真研究

基于PSCAD和MATLAB的电力系统电磁暂态仿真研究摘要电磁暂态的研究主要是针对电力系统出现故障时对系统参数进行分析。本文根据电力系统的故障分析理论，运用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC和系统仿真软件MATLAB，以双电源供电系统为模型分别对其进行了单相接地、两相相间短路及三相接地故障条件下的电磁暂态仿真分析，通过仿真结果比较，得出两种仿真环境下的仿真波形几乎一致，与故障分析算例基本吻合，这说明这两种仿真环境都适用于电力系统的电磁暂态仿真，但在故障设置方面，PSCAD的设置更为灵活方便。同时，由PSCAD建立一个简单的交直流传输系统为模型，根据PSCADMATLAB接口技术原理，实现了接口环境下的电磁暂态仿真研究，这说明了PSCADMATLAB接口仿真技术在电磁暂态分析中的有效性。关键字电磁暂态；PSCAD；MATLAB；接口技术THESIMULATIONSTUDYFORELECTROMAGNETICTRANSIENTINPOWERSYSTEMBASEDONPSCADANDMATLABABSTRACTELECTROMAGNETICTRANSIENTRESEARCHMAINLYAIMSATPOWERSYSTEMWHICHFORANALYSISOFSYSTEMPARAMETERSWHENITISMALFUNCTIONINGBASEDONTHETHEORYOFFAULTANALYSISINPOWERSYSTEM,THEUSAGEOFPOWERSYSTEMCOMPUTERAIDEDDESIGN/ELECTROMAGNETICTRANSIENTSINDCSYSTEMANDMATRIXLABORATORY,ASWELLASTHEMODELOFTWOSOURCESUPPLYSYSTEM,THISPAPERMAINLYILLUSTRATESTHESIMULATIONFORELECTROMAGNETICTRANSIENTSTHROUGHTHEAPPLICATIONOFAVARIETYOFFAULTS,SUCHASSINGLEPHASEEARTHFAULT,INTERPHASESHORTCIRCUIT,ANDTHREEPHASEGROUNDINGFAULTBYTHECOMPARISONOFSIMULATIONOUTCOMES,ITSHOWEDTHATTHESIMULATIONWAVEFORMSUNDERTWOKINDSOFSIMULATIONENVIRONMENTDOESALMOSTUNANIMOUSLYWHICHISSIMILARTOTHEEXAMPLEOFFAULTANALYSIS,THETWOSIMULATIONENVIRONMENTSARESUITABLEFORTHERESEARCHOFELECTROMAGNETICTRANSIENTSINPOWERSYSTEMBUTINFAULTSETTING,THESETTINGOFPSCADISMOREAGILEANDCONVENIENTMEANWHILE,ITPRESENTEDTHEIMPLEMENTATIONOFTHESIMULATIONSTUDYFORELECTROMAGNETICTRANSIENTWITHTHEBASISOFTHEPRINCIPLEOFPSCADMATLABINTERFACETECHNIQUESANDTHEMODELESTABLISHEDBYPSCADOFASIMPLEAC/DCTRANSMISSIONSYSTEM,WHICHHASSHOWNTHATTHEEFFECTIVENESSOFPSCADMATLABINTERFACETECHNIQUESINTHESTUDYOFELECTROMAGNETICTRANSIENTSKEYWORDSELECTROMAGNETICTRANSIENTSPSCADMATLABINTERFACETECHNIQUES目录摘要IABSTRACTII第一章概述111国内系统事故概况112电力系统的电磁暂态数字仿真概述213本文主要工作3第二章电力系统的故障分析521电力系统的故障介绍5211电力系统的短路故障概念和分类5212电力系统的短路故障原因及其危害622电力系统的不对称故障分析方法对称分量法7221对称分量法原理7222对称分量法的应用8223正序等效定则10第三章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的电磁暂态仿真设计1231PSCAD/EMTDC的工作环境介绍1232MATLA的工作环境介绍1533基于PSCAD和MATLAB的电力系统电磁暂态仿真设计19331基于PSCAD交流电力网络的模型建立19332基于MATLAB交流电力网络的模型建立24333电力系统的故障设置28334时域仿真分析30第四章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的电磁暂态接口仿真研究3241PSCAD和MATLAB的接口技术介绍32411接口技术的背景32412接口技术原理及接口的实现过程3342基于PSCADMATLAB的电力系统电磁暂态仿真35421基于PSCAD的交直流系统的模型建立35422电力系统的故障设置39423PSCADMATLAB的接口环节40424时域仿真分析41425接口仿真分析43第五章结束语51参考文献52附录A54附录B58致谢62第一章概述11国内系统事故概况我国电力系统是世界上发展非常迅速的系统。截止2005年底，装机容量已经达到500GW，位居世界第二；至2006年底，已经突破600GW。全国各个地区已经由330500KV输电线路形成骨干电网，并通过750KV交流输电线路和500KV直流输电线路实现全国联网。有关部门已经着手建设800KV特高压直流输电线路和1000KV特高压交流输电线路，以适应我国西部水电大开发和北部能源基地的建设【1】。然而，早年相当时间内，我国的电网一直较薄弱，加上运行管理跟不上，曾经发生不少严重系统事故。国内系统事故机器主要原因见表11【2】所示表11国内系统事故机器主要原因19811990年19911995年19962000年事故原因总次数百分数总次数百分数总次数百分数自然原因2530961584154设备损坏20247102636231人为错误16198164211246219811990年19911995年19962000年事故原因总次数百分数总次数百分数总次数百分数继保事故9111004154不明原因11136615800总计811003810026100以下是国内系统事故列举1990年9月20日广东电网大停电事故，事故起因是芳顺县遭受雷击而芳顺村变电站侧的保护因失去直流电源而拒动【3】。1992年1月15日河北南部电网系统振荡事故，事故起因羊范变电站误操作事故发展为系统振荡的恶性事故【4】。1994年5月25日南方互联系统中期动态稳定破坏事故，事故原因有联网的技术问题，水火电互联系统中期动态控制问题【5】。1996年5月28日华北电网沙岭子电厂事故，事故原因是沙岭子电厂试验人员误动作造成保护动作，使3条500KV线路相继跳闸，引起张家口地区对主系统振荡，造成沙岭子电厂和下花园电厂全停【3】。1998年7月29日中国台湾电力系统频率崩溃事故，事故原因有低频减载容量严重不足、大机组和电网不协调、台湾电网稳定标准较高、电网结构不合理、不重视防止电网破坏的防线建设【6】。2005年9月26日海南电网大停电事故，事故原因强台风“达维”袭击海南岛，进而大批线路发生永久性故障跳闸，使全网崩溃【7】。电力系统的迅速发展和负荷的增长，以及超高压甚至特高压交流和直流输电线路的投运，使得现代电力系统的动态特性，包括同期性、失稳模式和关键断面都越来越复杂。电力市场的开放突出了对优化和协调的要求，增加了稳定分析和控制的难度。继电保护的潜在故障、机组的非计划停运、受端的无功支持能力、低频振荡、功角稳定和电压稳定等因素更增加了相继故障演化为大停电的风险。12电力系统的电磁暂态数字仿真概述电力工作者把在数字计算机对数学模型的试验称为数字仿真【8】。根据不同的分类标准，电力系统数字仿真可分为不同的种类。根据用途可分为研究仿真和培训仿真。研究仿真包括各种电力系统电磁暂态和机电暂态仿真软件，如EMTP和BAP；培训仿真包括调度员培训仿真DTS、变电站人员培训仿真器等。根据是否有实际装置参与可分为非实时仿真和实时仿真。电力系统离线仿真的规模基本不受限制，能够较完整地模拟大规模电力系统，适用于研究大电力系统复杂的暂态和动态过程。电力系统实时仿真系统受硬件规模的限制，一般所能够模拟的电力系统规模总是有限的。电力系统实时数字仿真系统和离线计算程序是相辅相成的，两者还不能相互替代。电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，数学方法求解，以进行仿真研究的过程，其仿真速度与实际系统的动态过程不等。针对不同的动态过程，电力系统离线仿真软件主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真3种。本文只引用介绍电磁暂态过程仿真。电磁暂态过程仿真是使用数值计算方法对电力系统中从数微秒到数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟。电磁暂态仿真的数学模型建立在系统各元件的代数或微分、偏微分方程基础上。一般采用的数值积分方法为隐式梯形法。目前普遍采用的电磁暂态过程仿真软件有电磁暂态程序【9】ELECTROMAGNETICTRANSIENTPROGRAM简称EMTP，与其相似的程序还有加拿大MANITOBA直流研究中心的PSCAD/EMTDC【10】、加拿大哥伦比亚大学的MICROTRAN、德国西门子的NETOMAC【1112】等。13本文主要工作电磁暂态的研究主要是针对电力系统出现故障时对系统参数进行分析，本文先进行了电力系统电磁暂态故障分析的初步理论研究，最后完成了如下仿真工作1运用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC在故障条件下对交流系统进行电磁暂态仿真分析。2运用系统仿真软件MATLAB在故障条件下对交流系统进行电磁暂态仿真分析。3运用PSCADMATLAB的接口技术实现电磁暂态的仿真。利用PSCAD方便快捷的图形建模工具建立一个典型的交直流传输系统，分别就交流侧和直流侧故障进行电磁暂态仿真，并通过PSCADMATLAB接口模块，在系统运行时，将PSCAD的变量输入至接口模块，再由MATLAB语言引擎调用M文件实现在故障条件下对系统参数的相量图绘制，并且利用PSCAD的相量图显示仪进行比较，最终验证了接口环境下电磁暂态仿真的合理性和有效性。第二章电力系统的故障分析21电力系统的故障介绍211电力系统的短路故障概念和分类在电力系统的运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障（简称短路）。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接【13】。短路类型有如下几种，见表21表21短路类型短路种类示意图符号三相短路F3两相短路F2两相短路接地F1,1单相短路接地F1电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生，但情况较严重，应给予足够的重视。况且，从短路计算方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都归结为对称短路计算。因此，对三相短路的研究是有极其重要意义的【14】。电力系统的故障通常可分为对称故障和不对称故障，或横向故障和纵向故障。三相短路断线故障即为对称故障，单相短路断线、两相短路断线、两相接地短路，即为不对称故障。其中，短路故障又称横向故障，断线故障又称为纵向故障。针对实际电力系统运行情况，故障又可以分为单一故障和复杂故障。212电力系统的短路故障原因及其危害造成短路的原因有很多，主要有如下几个方面【15】（1）电气设备载流部分的绝缘损坏。这种损坏可能是由于长期运行，绝缘自然老化或由于设备本身质量低劣，绝缘强度不够而被正常电压击穿，或设备质量合格，绝缘合乎要求而被过电压（包括雷电过电压）击穿，或者是设备绝缘受到外力损伤而造成短路。（2）工作人员由于违反安全操作规程而发生误操作，或者误将低压设备接入较高电压的电路中，也可造成短路。（3）鸟兽（包括蛇、鼠等）跨越在裸露的相线之间或者相线与接地物体之间，或者咬坏设备和导线电缆的绝缘，也是导致短路的一个原因。而短路的后果一般有以下几个方面（1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其它元件受到损害和破坏，甚至引发火灾事故。（2）短路时电路的电压骤降，严重影响电气设备的正常工作。（3）短路时保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大，造成的损失越大。（4）严重的短路电流要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步造成系统解列。（5）不对称短路包括单相短路和两相短路，其短路电流将产生较强的不平衡交变电磁场，对附近的通信设备、电子设备等产生电磁干扰，影响其正常运行，甚至使其发生误动作。22电力系统的不对称故障分析方法对称分量法对称分量法【14】是分析不对称故障的常用方法，根据对称分量法，一组不对称的三相相量可以分解为正序、负序和零序三组对称的相量。221对称分量法原理在三相电路中，对于任意一组不对称的三相相量，可以分解为三组三相对称的相量，当选择A相作为基准相时，三相相量与其对称分量之间的关系为21212031AABCAII式中，运算子，且有，；、12JE240JE20A31AI2分别为A相电流的正序、负序和零序分量，并且有0AI，211BAI1CAI，2222200ABCII由上式子可以做出三组对称的分量如图21所示IA1IB1IC1IA2IB2IC2IA0IB0IC0IA1BIA1A正序分量B负序分量C零序分量图21三组对称的分量可以看到，正序分量的相序与正常对称运行下的相序相同，而负序分量的相序则与正序相反，零序分量则三相同相位且大小相等。222对称分量法的应用现在以简单电力系统为例来说明。一台发电机接于空载输电线路，发电机中性点经阻抗ZN接地。在某处F点发生单相短路，使故障点出现了不对称的情况。A相对地阻抗为零，A相对地电压VFA0，而B、C两相VFB，VFC不为零。此时，故障点另外的其余部分的参数仍然是对称的。现将网络图形分解如下图22所示A故障点等效图B故障等效三组序分量C正序电路D负序电路E零序电路图22单相接地时对称分量法运用由图22分析可知，图C正序网络中只有正序电势在作用包括发电机的电势和故障点的正序分量电势，网络中只有正序电流，各元件呈现的阻抗就是正序阻抗，图D、E分别为负序网络和零序网络。因为发电机只产生正序电势，所以，在负序和零序网络中，只有故障点的负序和零序分量电势在作用，网络中也只有同一序的电流，元件也呈现同一序的阻抗。根据各个序网络，可以分别列出各序网络的电压方程式。因为每一序都是三相对称的，只需列出一相就可以。在正序网络中，以A相为基准相时，有2311111GLFANFAFBFCFAEZIZIIV因为，正序电流不流经中性线，中性点接地阻抗上的电压110FAFBFCIINZ降为零，它在正序网络中不起作用。这样，正序网络的电压方程可写成2411AGLFAFEZIV负序电流也不流经中性线，而且发电机的负序电势为零，因此负序网络的电压方程为25220GLFAFZIV对于零序网络，由于，在中性点接地阻抗中将通过三倍0003FAFBFCFII的零序电流，产生电压降。计及发电机的零序电势为零，零序网络的电压方程为26003GLNFAFZZIV虽然实际的电力系统接线复杂，发电机的数目也很多，但是通过网络化简，仍然可以得到通用的各序电压方程式11EQFFAFEZIV27220FFF0FFAFI223正序等效定则在简单不对称短路的情况下，短路电流的正序分量，与在短路点每一相中加入附加电抗而发生三相短路时的电流相等，这个概念称为正序等效定则。用表达式写NX成28011FNFANVIJX29FFAMI因而，简单不对称短路电流的计算，归根到底，不外乎先求出系统对短路点的负序和零序输入电抗和，再根据短路的不同类型组成附加电抗，将它接2FX0FNX入短路点，然后就像计算三相短路一样，算出短路点的正序电流。各种简单短路时的和列于表22NXM表22简单短路时的和NXM短路类型NN三相短路01两相短路接地20FFX2023FFX两相相间短路2F单相接地短路0FF3第三章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的电磁暂态仿真设计31PSCAD/EMTDC的工作环境介绍1PSCAD/EMTDC主界面PSCAD/EMTDC主界面如图31所示【16】图31PSCAD/EMTDC主界面菜单栏包括文件、编辑、视图、编译、窗口、帮助选项。工具栏基本工具，如保存、打印、撤销、缩放、连线、创建新元件等。编译运行按钮包括编译、连接、运行。主元件库MASTERLIBRARY库，包含大量常用的元件模型，启动PSCAD/EMTDC软件时会自动加载这个库，从库中选择元件进行建模。项目窗口包含所有加载进来的库和例子。可以同时加入多个项目，但一个时刻只能有一个项目处于活动状态（即显示蓝色，可以编译）。在项目名称上点右键，在列出的菜单条中选择SETASACTIVE可将项目设为活动状态。状态栏显示当前例子状态。在编译运行时会显示进度，完成后显示READY。项目窗口切换在例子、记录信息和文件之间切换，一般不用。消息窗口显示例子的编译运行信息，没有错误显示为绿色，有错误以红色显色，双击红色消息则在工作区指示出错误地方。工作区窗口切换使工作区在电气连接图、模块结构图、参数、编程代码等显示界面切换。主工作区在此绘制电力系统电气连接图，可以绘制成多层。元件库栏包含一些常用的基本元件，这些元件主库里面都有，放在这儿只是方便使用，直接点击即可选中到工作区。2功能介绍【1718】PSCAD/EMTDC软件包的主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律；另外，PSCAD/EMTDC软件包可以广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。PSCAD/EMTDC有以下主元件库PASSIVE电阻、电感、电容，三相负荷以及RLC组成的无源滤波支路。SOURCES单相和三相电压源、电流源、多相谐波源。METERS测量元件库，电压电流及功率测量仪表。I/O_DEVICES输出通道、波形显示以及各种输入输出控制开关等。TRANSFORMERS单相或三相（耦合或理想）变压器（双绕组和三绕组）。BREAKERS_FAULTS单相或三相逻辑控制断路器和故障模型。TLINES输电线的分布参数模型。CABLES电缆模型。PI_SECTIONS输电线的型等值线路。MACHINES各种电机，包括汽轮机、水轮机等。HVDC_FACTS_PE高压直流输电和灵活交流输电模型库。CSMF各种控制模块和计算模块。MISCELLANEOUS杂项，包括数据标签、多维信号输入、信号分离等。LOGICAL逻辑电路库，包含常见的逻辑控制单元。SEQUENCER信号或命令发生器。PROTECTION继电器和继电保护单元。IMPORTS_EXPORTS_LABLES输入输出标签。DATA_RECORDERS_READERS其它运行信息或记录的波形可以通过此输入到当前例中。PSCAD是EMTDC的前处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各个元件的参数值,运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着程序的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB接口。此外，PSCAD/EMTDC还具有强大的自定义功能及支持子网嵌套的功能，用户可以根据自己需要创建具有特定功能的电路模块。3仿真流程首先要在PSCAD图形界面上选取元件库中的适当元件模块搭建系统模型，并对照实际的物理结构来设置模型元件中对应的参数。在需要观测变量处添加电表和输出观测点，以便于进行仿真结果的查看、分析。检查无误并设置好仿真步长、时间等参数后即可执行仿真分析。执行仿真时，PSCAD首先调用软件自带的编译器将PSCAD中的模型电路编译为主FORTRAN程序，此时可视化的模型元件转换为EMTDC的子函数，并根据电路连接关系自动进行节点编号和参数传递，然后利用设定的FORTRAN编译器通过调用EMTDC引擎库文件生成最终的执行文件。在仿真进行过程中，用户可以通过输入输出元件库的控制元件自由调整参数值，以便观察系统某些动态情况下的响应特性。EMTDC主程序结构流程如图32所示图32EMTDC主程序结构32MATLA的工作环境介绍电力系统是控制系统应用在电力行业中的体现。因而在系统的数学描述和建模上，电力系统属于控制系统的一部分，电力系统的数学描述和建模与控制系统相同。可以利用控制系统和建模的方法，对电力系统进行数学描述和建模。同时，MATLAB提供了简洁的工具，通过电力系统的电路图绘制，MATLAB自动生成数学模型，可以节省建立电力系统数学模型的时间【19】。1电力系统元件库图33电力系统元件库对话框电力系统元件库包括10类库元件，分别是电源元件ELECTRICALSOURCES、线路元件ELEMENTS、电力电子元件POWERELECTRONICS、电机元件MACHINES、连接元件CONNECTORS、电路测量仪器MEASUREMENTS、附加元件EXTRAS、演示教程DEMOS、电力图形用户接口POWERGUI和电力系统元件库模型POWERLIB_MODELS。如下一一介绍1电源元件包含了产生电信号的各种元件。2线路元件包含了各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件。3电力电子元件包括了各种电力电子设备。4电机元件包含了各种电机模型元件。5连接器元件包含了在不同条件下用于互联的元件。6电路测量仪器包含了各种电流测量元件和电压测量元件。7附加元件包含了三相模块、特殊的测量设备以及控制模块。8演示教程包含了各种演示教程和学习实例。9电力图形用户接口用来进行电力系统稳态分析。10电力系统元件库模型包含了电力系统各种非线性模块的仿真模型。电力系统元件库模型用来建立电力系统电路的等值仿真电力模型。2电路图模型电路图模型是MATLAB提供的用于电力系统的一种简洁的数学模型。它的主要特点是具有良好的人机界面，便于进行简单的操作，省去了利用程序建立电力系统模型的复杂步骤。MATLAB提供了电力系统设计人员所熟悉的电路元件和电力系统元件进行电力系统的建模。3电力系统的时域分析MATLAB软件提供了一个对电力系统和电路进行分析的POWERGUI（用户界面）工具。元件的模型如图34所示图34电力系统分析元件模型利用此分析工具进行稳态和暂态的时域分析。这里结合时域分析特点介绍了3种功能，分别是稳态电压和电流STEADYSTATEVOLTAGESANDCURRENTS、设置初始状态INITIALSTATESSETTING和使用线性时变观察器USELTIVIEWER，即主要可以对电力系统进行如下分析获取稳态电压和电流向量、改变状态变量的初始状态值进行时域仿真、以及对状态方程模型进行不同输入量的时域相应分析。4仿真流程根据设计原理图在MATLAB的电力系统仿真模块SIMPOWERSYSTEMS中选择相应的电器元件，并且进行正确的连接，设置相应的仿真参数，最后激活仿真按钮键，如若无误，则出现相应的仿真波形，反之出现出错提示框，如图35所示。根据错误的显示源“SOURCE”，双击即可指出错误位置，进行相应的修改和仿真直至运行成功。仿真流程如图36所示。图35运行出错提示框图选择要求库元件连接各元件仿真参数设置仿真并显示结果图36基于MATLAB的电力系统仿真流程33基于PSCAD和MATLAB的电力系统电磁暂态仿真设计331基于PSCAD交流电力网络的模型建立根据电力系统电磁暂态（故障分析）的仿真研究要求，建立一个双端供电网络用于模拟简单的系统在故障条件下的运行状况，基于PSCAD/EMTDC的电力网络如37所示。图37基于PSCAD简单双端供电网络模型1选图依据双端供电网类似于两个单电源的电力系统，同时又是环形网络的特例。因此，双电源网络的系统性能介于单电源系统与环形系统之间，故以此为例兼顾两种系统的研究更具代表性。此外在运用复杂环形网络时，MATLAB仿真速度过于缓慢，尽管使用可变的仿真步长，设定的仿真速率仍不能满足要求，多次出现计算机死机现象和MATLAB的滞后响应。2参数介绍及其算例电源S1，S230MVA，105KV，50HZ；变压器T1，T250MVA，024DX10/110KV，；线路L1，L205/KM，分别为100KM。10KU0126X算例选基准容量100MVA，基准电压为平均电压。BSS1，S21210483XT1，T23425L1，L212014LLX1022607LL讨论各种故障条件下的故障相电流情况。各级序网络图形如图38A、B、C所示。1单相接地故障以A相为例。由正序等效定则，此时，即01FEIX20X082410824674XKA，其中，此时M31173FI1FFIM故障相电流302140642KAFI2两相短路以BC两相为例。由正序等效定则，071，M2X3037KA110073FI故障相电流0370640KAFI3两相短路接地以BC两相为例。由正序等效定则，042，M1520X201X046KA，故障相电流150460690KA11007423FIFI4三相短路由正序定则0739KAFI1073由上面算例分析可知，三相故障的电流值最大。A正序网络B负序网络C零序网络图38各序网络图形3元件选择和参数设置1发电机元件在PSCAD仿真环境下的发电机元件模型可以等效为理想电源与阻抗串联的模式。打开PSCAD的“MASTER”工具箱，点击“SOURCES”模块，选择ESYS65SOURCE型号的发电机电源模型，如图39A所示，同时根据算例要求设置电源S1和S2，电压为105KV，XL2A发电机电源模型B发电机模型参数设置图39发电机元件容量为30MVA，采用固定控制模式，内阻09，其他设置采用默认设置，如图39B所示。2变压器元件变压器T1和T2，选择三相双绕组变压器，变比为10/110KV，容量分别是50MVA，短路电压百分比UK选择为10，即为铜损耗标幺值01设置，其他的采用默认设置，如图310A、B所示。2UMEC1A变压器模型B变压器模型参数设置图310变压器元件3输电线元件输电线TLINE1和TLINE2都采用贝瑞隆模型采用线路恒定频率，并设置相应的正序和零序线路参数，线路长度各为100KM，经过计算正序线路阻抗约为50，零序值近似为26倍的正序值，根据要求再做相应的标幺值归算，具体设置如图311A、B所示。A输电线模型B输电线模型参数设置图311输电线元件其中线路的具体参数如下正序单位电阻036294E4OHM/M；正序单位电抗05013E3OHM/M零序单位电阻037958E3OHM/M；零序单位电抗013277E2OHM/M4测量元件该测量元件能够测量线路的瞬时电压电压有效值和相角、瞬时电流以及有功功率和无功功率潮流情况。此处命名三个变量测量，分别为瞬时电流I、瞬时电压U和电压有效值VRMS，只需将三个变量名节点相应接上示波器，就能实时显示各变量的波形图，设置参数框图如图312所示。A测量计模型B测量计模型参数设置图312测量计元件332基于MATLAB交流电力网络的模型建立出于对基于PSCAD的电力系统的仿真校验的目的，也考虑到为后续章节的PSCADMATLAB接口仿真准备，现根据上一节图37可以建立MATLAB环境下的电路模型，如图313所示，其参数同上图37设置。图313基于MATLAB简单双端供电网络模型图以下进行MATLAB仿真环境下的元件选择和参数设置详细介绍1电源元件在MATLAB的SIMPOWERSYSTEMS工具箱中的ELECTRICALSOURCES中选择三相电源，并进行相应的参数设置，如图314A、B所示，其设置应当与前述PSCAD中的设置基本一致，SOURCE1和SOURCE2的电压为105KV，容量为30MVA，内阻09，其他采用默认设置。A电源模型B电源模型参数设置图314电源元件2变压器元件从ELEMENTS工具箱中选择三相双绕组变压器，T1和T2的变比和容量分别为10/110KV和50MVA，模型及其参数设置如图315A、B所示。A变压器模型B变压器参数设置图315变压器元件3输电线元件输电线LINE1和LINE2的采用模型类似前述PSCAD选择的线路模型，同样设有正序和零序各阻抗单位长度值，不同的是PSCAD中直接以电抗和容抗的形式表示电感和电容，而在MATLAB中则直接以电感和电容表示参数，因而两者关系为，其中50HZ。该模型如图316A、B所示。/2LXF/2CXFFA输电线模型B输电线模型参数设置图316输电线元件4测量元件MATLAB测量元件的分类比较齐全，相应有电流表、电压表、功率表以及一些有效值测量元件，此处选择可以测量电压和电流的三相VI测量计，如图317A、B所示相应模型和参数设置，可以根据波形比较的要求选择有名值或是标幺值表示，在PSCAD中也可以同样设置。AVI测量计模型BVI测量计参数设置图317测量计元件333电力系统的故障设置1PSCAD/EMTDC的故障设置在PSCAD中打开“BREAKERS/FAULTS”工具箱找到如图318A所示的三相故障设置模块，该模块有两个控制端点，如图上端点为故障类型选择，可以定义任意类型的短路故障由于断线故障的边界条件分别都包含在短路故障之中，所以此处不再单独另设断线故障，另一端点为故障投入控制可以定时选择故障的投入和切除时间，加入逻辑控制环节，还可以规定为瞬时故障或是永久性故障。其中故障类型端点由图318B所示的调节盘控制，故障投入端点由图318C所示，根据要求加入相应的逻辑关系控制环节。FAULT2OPEN/CLOSED1OFFON10987654321FAULT2TYPE100A故障控制模型B故障类型与投入控制C定时逻辑控制图318故障控制单元调节盘各数字代表的故障类型说明如下表31所示表31调节盘的位置含义位置故障类型位置故障类型1A相接地6BC两相接地2B相接地7ABC三相接地3C相接地8AB两相间位置故障类型位置故障类型4AB两相接地9AC两相间5AC两相接地10BC两相间此时故障的投入时间、持续时间、以及系统运行时间可以任意选择。此处设定系统的运行时间为05S，在02S时投入故障，持续时间为015S。2MATLAB的故障设置在MATLAB中打开“SIMPOWERSYSTEMS”电力系统仿真工具箱，在“ELEMENTS”电力元器件中找到故障模块如图319A所示，其相应的参数框图如图319B所示。A故障控制模型B相应的故障参数设置框图图319故障控制单元通过上述故障参数设置框图可知，该故障模型可以同样设置任意类型的短路故障，以及故障的投入时间和持续时间。3两种故障设置的比较经过两种仿真环境的运行过程对比可知，在故障设置方面，PSCAD的设置更为灵活方便，因为只要在控制端点加入逻辑关系控制就可以通过切换操作快捷的改变故障的设置，而后只需通过可视化的调节盘进行故障控制。虽然MATLAB的故障也有外部定时控制，其内部的转换时间点就可以实现定时控制，但是其故障类型的改变必须经过对框图的参数修改方能完成，没有可视化调节的功能。334时域仿真分析根据前面的算例要求，分别就单相接地故障、两相相间故障、三相故障进行系统运行参数和波形的分析比较，此处观察故障点附近线路L1的电流和电压参数，以及故障相电流情况的观察，详细图形见附录A。1单相接地以A相为例。在02S时投入故障，在持续时间内故障相A相的电流剧增至幅值近似1KA，故障相电压A相电压近似为零。通过附录A中的图A1A、B、C、D波形比较可知，两种环境下的波形几乎一致。2两相相间短路根据对称分量法要求，B、C两相相间故障后，相电流反向，由波形图A2A、B，详见附录A，可以观察到。而故障期间的故障相电压则相应的有所下降，从附录A中的图A2C、D分析，B、C两相电压由幅值约100KV减小至50KV，同时B、C两相电压在故障期间相等。两种仿真环境下，仿真波形几乎一致。3三相短路由故障分析可知，三相短路故障的危害较为严重，从附录A中的图A3A、B观察得到电流幅值最高可达近17KA。观察比较可知，两种仿真环境下的波形几乎一致。综上所述，在各种故障条件下，两种仿真环境下的仿真波形几乎一致，与故障分析算例基本吻合，这说明这两种仿真软件都适用于电力系统的电磁暂态仿真分析。第四章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的电磁暂态接口仿真研究41PSCAD和MATLAB的接口技术介绍411接口技术的背景EMTDCELECTROMAGNETICTRANSIENTINDCSYSTEM是20世纪70年代中期发展起来的一个电磁暂态仿真软件，经过近30年的发展，目前其已具有了十分完善的EMTDC的元件模型库和功能，被广泛应用于交直流电力系统研究、电力电子仿真以及非线性控制等领域，日益成为一种世界各国通用的电力系统分析软件。PSCAD图形用户界面GUI的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC以进行电力系统仿真计算。EMTDC是PSCAD/EMTDC仿真的核心程序，PSCAD是与EMTDC完美结合的图形用户界面，该图形界面极大地增强了EMTDC的能力，它使得用户可以在一个完全集合的图形环境下构造仿真电路，运行、分析结果和处理数据，保证并提高了研究工作的质量和效率【20】。MATLAB语言具有强大的计算功能和丰富的图形功能，编程效率高，扩充能力强，而且具有功能齐备的各种工具箱，所以MATLAB语言已成为目前应用最广泛的数值计算软件【21】。PSCAD/EMTDC是暂态分析程序，MATLAB是数学模型软件包，它们之间具有互补性，通过两者之间的接口能把它们的优点结合起来。通过PSCAD/EMTDC程序与MATLAB语言接口以下称PSCADMATLAB接口，用户可以将MATLAB中的数学和控制功能模块包括各种工具箱应用到PSCAD/EMTDC程序中。同时，用户还可以通过编制M文件来定义用户所需的元件模型。由于M文件采用语法简单、可读性强、调试容易、人机交互性强的MATLAB语言来编制，因此用户可以方便地根据需要自定义元件模型，这些用户自定义元件模型可以跟PSCAD/EMTDC中的元件模型进行连接【22】。另一方面，PSCADMATLAB接口可以把PSCAD/EMTDC程序强大的电力系统分析功能和MATLAB语言高超的图形可视化技术结合起来，增强PSCAD/EMTDC程序的图形处理能力。虽然PSCAD图形界面具有一定的图形处理能力，但这是无法跟MATLAB相比的，MATLAB的图形工具箱既能显示二维图形、三维图形甚至四维表现图，又能对图形进行着色、消隐、光影处理、渲染及多视角处理等。不过，PSCADMATLAB接口的存在将需要更多的CPU处理时间，在这种情况下，可以采用增加时间步长的方法提高仿真速度【23】。412接口技术原理及接口的实现过程1接口技术原理【24】PSCAD/EMTDCMATLAB接口需要特殊的编译器，该接口与EGCS/GNUFORTRAN77编译器是不兼容的，本文采用了COMPAQVISUALFORTRAN65编译器。PSCAD/EMTDCMATLAB接口的界面如图41所示，图中假定有M个输入量，N个输出量，通过接口中MATLAB的M文件对M个输入量进行处理,得到N个所需的输出量。接口实现过程如图42所示接口PSCAD输入量MPSCAD输出量N图41PSCAD/EMTDCMATLAB接口示意图FORTRAN子程序（DSDYN）MATLAB数学引擎MATLAB语言M文件PSCAD/EMTDCMATLAB图42接口实现过程PSCAD与外部数据交换通过自定义元件来实现。PSCAD内有两个FORTRAN文件，DSDYN数字仿真动态子程序和DSOUT数字仿真输出子程序，通过对这两个文件的代码编写来实现自定义元件与PSCAD的数据交换。PSCAD/EMTDC内的一个FORTRAN文件DSDYN,通过它可以调用外部FORTRAN子程序。该FORTRAN子程序可以启动MATLAB数据引擎并建立起FORTRAN子程序和MATLAB数据引擎之间的通信管道。同时，含有MATLAB命令的M文件也传到MATLAB数据引擎中，这样，PSCAD/EMTDC和MATLAB就紧密地结合了起来,用户可以根据需要编制M文件，实现所需的仿真。2接口自定义元件设计接口自定义元件包括GRAPHIC、PARAMETERS和SCRIPT三部分的设计，这三个部分是相辅相成的。在CIRCUIT画布界面的空白处右键单击，选择CREATENEWCOMPONENT，即弹出元件自定义向导。根据变量的输入输出类型、数据类型、维数填写完毕，一个自定义元件的外壳便生成了。下面就元件内部的设置做详细说明。1GRAPHICGRAPHIC的作用是设计自定义元件的外观，以及修改输入输出数列的名称和维数。这里主要用到的是输入输出数列性质的修改。在自定义元件上右键选择EDITDEFINITION便自动进入GRAPHIC界面。双击绿色的节点，弹出CONNECTION对话框，在这里可以根据具体情况修改输入输出性质。注意里面的SYMBOL输入的名字是数列名，要和脚本代码里面保持一致。2PARAMETERSPARAMETERS的作用是提供自定义元件的一些参数的设置。它提供该元件在使用时可修改参数的界面。当自定义元件内部设计完成后，可在CIRCUIT画布上修改它所提供的参数。完成GRAPHIC画图后，选到PARAMETERS界面后，即可进行相关操作。在编辑菜单上点NEWCATEGORY，弹出CATEGORY属性，点OK后出现分类布，在上面右键点击选NEWCONTROL，可以选不同的类型。这里主要用到TEXTFIELD和INPUTFIELD。前者用来设置MATLAB路径和文件名，后者用来改变调用MATLAB文件的速度。TEXTFIELD属性里面SYMBOL分别设置为PATH和NAME；INPUTFIELD的设置为ENABLE，而路径、文件名和控制信号名等参数可以在DEFAULT默认属性里面设置，也可以不设置，等元件内部定义好以后到CIRCUIT画布那里根据具体文件所在位置而输入。3SCRIPT脚本代码主要由用户完成，其自由度比较大。就本部分所阐述的主题来讲，接口所要完成的代码在DSDYN文件中添加，只需要对DSDYN文件添加代码。代码块主要分数据定义、空间定义、子系统调用等几部分。首先，要在SCRIPT界面上右键在SEGMENTMANAGER选出DSDYN，然后选择在DSDYN文件中在添加代码。STORAGE用来定义全局变量，即该自定义元件的输入变量。有REAL、INTEGER、LOGIGAL和COMPLE四种，根据实际情况选用。至此，自定义元件的内部设置已经完成，可以回到CIRCUIT画布进行MATLAB文件的路径、文件名和接口调用频率的设置了。42基于PSCADMATLAB的电力系统电磁暂态仿真421基于PSCAD的交直流系统的模型建立根据前例简单供电网络，现基于PSCAD建立一个三机多节点交直流传输系统，如图43所示，重点研究故障条件下交直流传输系统电压电流参数受到的影响，并且在仿真过程中加入PSCADMATLAB接口环节。由PSCAD可视化工具箱建立交直流电力系统，由MATLAB的M文件语言提供强大绘图功能，结合两者的优点实现PSCAD与MATLAB联合仿真。图43基于PSCAD的三机多节点交直流传输系统1图形介绍图形左方支路为交流传输部分，右方支路为直流传输部分，分别用电源SOURCE1、SOURCE2和SOURCE3等效传输时的系统电压情况，额定电压等级分别为220KV、220KV和330KV。图示的左方交流传输线路经各自变压器变换统一为110KV电压等级，传输的线路总长为400KM；而右方直流传输线路经过整流后为300KV左右，直流线路电阻为2，电抗为02H，整流站和逆变站的无功补偿电容各为5UF。2元件选择介绍1变压器元件该系统图形交流部分的三个变压器设置如图43所示。2整流侧元件如图中所示“RECTIFIER81”表示整流模块，该模块的具体图形如图44所示，触发角的参考量设为075RAD（经过多种触发角检验，此时的整流得到电流和电压波形较佳），图示AO节点表示参考量输入端，KB节点表示使能输入端，高电平“1”时工作，图示用常量值“1”作为高电平发生函数；图示的AM和GM分别是实际测得的和输出端，COMBUS为锁相振荡器输入端，将感应环测得的三相电压作为参考量其输出相位与该母线电压同步。两个变压器变比都为345/230KV，容量500MVA。六脉冲桥采用默认设置。图44整流模块3逆变侧元件如图中“INVERTER81”所示代表逆变模块，其内部结构如图45所示。此时触发角的参考量为20933RAD多种触发角比较，120时波形较佳，变压器变比都为230/220KV，容量500MVA，其他的设置类似整流模块设置。图45逆变模块422电力系统的故障设置本文的重点研究为故障分析，所以单独介绍故障的设置环节。同第三章所介绍的故障设置不同的是此时将故障设为瞬时性和永久性故障，并由逻辑控制环节实现定时故障控制，图示的三处故障类似，包含所有短路类型的故障，如图46A、B表示其设置情况。A故障的逻辑控制环节FAULTCONTROLTIMEON/OFF10OFFONFAULT10OFFON10987654321FAULTTYPE17B故障的开关控制界面图46故障控制当开关打到A端时，实现瞬时性的定时故障控制；当开关打到B端时，实现永久性的故障控制。开关“FAULT”代表故障投入使能控制，打到位置“ON”时表示投入故障，“OFF”表示不投入故障。423PSCADMATLAB的接口环节PSCADMATLAB的接口示意如图47A所示，其输入量为电量的幅值和相位，PSCAD/EMTDC内有一个FORTRAN文件DSDYN,通过它可以调用外部FORTRAN子程序。该FORTRAN子程序可以启动MATLAB数据引擎并建立起FORTRAN子程序和MATLAB数据引擎之间的通信管道，同时，含有MATLAB命令的M文件也传到MATLAB数据引擎中，这样，PSCAD/EMTDC和MATLAB就紧密地结合了起来,用户可以根据需要编制M文件，实现所需的仿真。本文M文件实现的功能为绘制电压或电流的相量图。该接口的M文件和投入控制分别如图47B、C所示A接口示意图BM文件符号MATLAENAB/DISAB1DISABENABC接口投入控制图47接口环节设置该接口可以通过PSCAD的用户自定义功能进行特定的接口模块设置。设置主要分三个部分一是编辑模块符号；二是模块参数定义和设置；三是功能代码描述。其中模块符号任意，根据用户需要进行个性化的绘制，参数和功能同样根据用户的仿真需求进行不同的设置定义。424时域仿真分析现基于以上的三机多