基于PSCAD和MATLAB的電力系統電磁暫態仿真研究摘要電磁暫態的研究主要是針對電力系統出現故障時對系統參數進行分析。本文根據電力系統的故障分析理論，運用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC和系統仿真軟件MATLAB，以雙電源供電系統為模型分別對其進行了單相接地、兩相相間短路及三相接地故障條件下的電磁暫態仿真分析，通過仿真結果比較，得出兩種仿真環境下的仿真波形幾乎一致，與故障分析算例基本吻合，這說明這兩種仿真環境都適用于電力系統的電磁暫態仿真，但在故障設置方面，PSCAD的設置更為靈活方便。同時，由PSCAD建立一個簡單的交直流傳輸系統為模型，根據PSCADMATLAB接口技術原理，實現了接口環境下的電磁暫態仿真研究，這說明了PSCADMATLAB接口仿真技術在電磁暫態分析中的有效性。關鍵字電磁暫態；PSCAD；MATLAB；接口技術THESIMULATIONSTUDYFORELECTROMAGNETICTRANSIENTINPOWERSYSTEMBASEDONPSCADANDMATLABABSTRACTELECTROMAGNETICTRANSIENTRESEARCHMAINLYAIMSATPOWERSYSTEMWHICHFORANALYSISOFSYSTEMPARAMETERSWHENITISMALFUNCTIONINGBASEDONTHETHEORYOFFAULTANALYSISINPOWERSYSTEM,THEUSAGEOFPOWERSYSTEMCOMPUTERAIDEDDESIGN/ELECTROMAGNETICTRANSIENTSINDCSYSTEMANDMATRIXLABORATORY,ASWELLASTHEMODELOFTWOSOURCESUPPLYSYSTEM,THISPAPERMAINLYILLUSTRATESTHESIMULATIONFORELECTROMAGNETICTRANSIENTSTHROUGHTHEAPPLICATIONOFAVARIETYOFFAULTS,SUCHASSINGLEPHASEEARTHFAULT,INTERPHASESHORTCIRCUIT,ANDTHREEPHASEGROUNDINGFAULTBYTHECOMPARISONOFSIMULATIONOUTCOMES,ITSHOWEDTHATTHESIMULATIONWAVEFORMSUNDERTWOKINDSOFSIMULATIONENVIRONMENTDOESALMOSTUNANIMOUSLYWHICHISSIMILARTOTHEEXAMPLEOFFAULTANALYSIS,THETWOSIMULATIONENVIRONMENTSARESUITABLEFORTHERESEARCHOFELECTROMAGNETICTRANSIENTSINPOWERSYSTEMBUTINFAULTSETTING,THESETTINGOFPSCADISMOREAGILEANDCONVENIENTMEANWHILE,ITPRESENTEDTHEIMPLEMENTATIONOFTHESIMULATIONSTUDYFORELECTROMAGNETICTRANSIENTWITHTHEBASISOFTHEPRINCIPLEOFPSCADMATLABINTERFACETECHNIQUESANDTHEMODELESTABLISHEDBYPSCADOFASIMPLEAC/DCTRANSMISSIONSYSTEM,WHICHHASSHOWNTHATTHEEFFECTIVENESSOFPSCADMATLABINTERFACETECHNIQUESINTHESTUDYOFELECTROMAGNETICTRANSIENTSKEYWORDSELECTROMAGNETICTRANSIENTSPSCADMATLABINTERFACETECHNIQUES目錄摘要IABSTRACTII第一章概述111國內系統事故概況112電力系統的電磁暫態數字仿真概述213本文主要工作3第二章電力系統的故障分析521電力系統的故障介紹5211電力系統的短路故障概念和分類5212電力系統的短路故障原因及其危害622電力系統的不對稱故障分析方法對稱分量法7221對稱分量法原理7222對稱分量法的應用8223正序等效定則10第三章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的電磁暫態仿真設計1231PSCAD/EMTDC的工作環境介紹1232MATLA的工作環境介紹1533基于PSCAD和MATLAB的電力系統電磁暫態仿真設計19331基于PSCAD交流電力網絡的模型建立19332基于MATLAB交流電力網絡的模型建立24333電力系統的故障設置28334時域仿真分析30第四章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的電磁暫態接口仿真研究3241PSCAD和MATLAB的接口技術介紹32411接口技術的背景32412接口技術原理及接口的實現過程3342基于PSCADMATLAB的電力系統電磁暫態仿真35421基于PSCAD的交直流系統的模型建立35422電力系統的故障設置39423PSCADMATLAB的接口環節40424時域仿真分析41425接口仿真分析43第五章結束語51參考文獻52附錄A54附錄B58致謝62第一章概述11國內系統事故概況我國電力系統是世界上發展非常迅速的系統。截止2005年底，裝機容量已經達到500GW，位居世界第二；至2006年底，已經突破600GW。全國各個地區已經由330500KV輸電線路形成骨干電網，并通過750KV交流輸電線路和500KV直流輸電線路實現全國聯網。有關部門已經著手建設800KV特高壓直流輸電線路和1000KV特高壓交流輸電線路，以適應我國西部水電大開發和北部能源基地的建設【1】。然而，早年相當時間內，我國的電網一直較薄弱，加上運行管理跟不上，曾經發生不少嚴重系統事故。國內系統事故機器主要原因見表11【2】所示表11國內系統事故機器主要原因19811990年19911995年19962000年事故原因總次數百分數總次數百分數總次數百分數自然原因2530961584154設備損壞20247102636231人為錯誤16198164211246219811990年19911995年19962000年事故原因總次數百分數總次數百分數總次數百分數繼保事故9111004154不明原因11136615800總計811003810026100以下是國內系統事故列舉1990年9月20日廣東電網大停電事故，事故起因是芳順縣遭受雷擊而芳順村變電站側的保護因失去直流電源而拒動【3】。1992年1月15日河北南部電網系統振蕩事故，事故起因羊范變電站誤操作事故發展為系統振蕩的惡性事故【4】。1994年5月25日南方互聯系統中期動態穩定破壞事故，事故原因有聯網的技術問題，水火電互聯系統中期動態控制問題【5】。1996年5月28日華北電網沙嶺子電廠事故，事故原因是沙嶺子電廠試驗人員誤動作造成保護動作，使3條500KV線路相繼跳閘，引起張家口地區對主系統振蕩，造成沙嶺子電廠和下花園電廠全停【3】。1998年7月29日中國臺灣電力系統頻率崩潰事故，事故原因有低頻減載容量嚴重不足、大機組和電網不協調、臺灣電網穩定標準較高、電網結構不合理、不重視防止電網破壞的防線建設【6】。2005年9月26日海南電網大停電事故，事故原因強臺風“達維”襲擊海南島，進而大批線路發生永久性故障跳閘，使全網崩潰【7】。電力系統的迅速發展和負荷的增長，以及超高壓甚至特高壓交流和直流輸電線路的投運，使得現代電力系統的動態特性，包括同期性、失穩模式和關鍵斷面都越來越復雜。電力市場的開放突出了對優化和協調的要求，增加了穩定分析和控制的難度。繼電保護的潛在故障、機組的非計劃停運、受端的無功支持能力、低頻振蕩、功角穩定和電壓穩定等因素更增加了相繼故障演化為大停電的風險。12電力系統的電磁暫態數字仿真概述電力工作者把在數字計算機對數學模型的試驗稱為數字仿真【8】。根據不同的分類標準，電力系統數字仿真可分為不同的種類。根據用途可分為研究仿真和培訓仿真。研究仿真包括各種電力系統電磁暫態和機電暫態仿真軟件，如EMTP和BAP；培訓仿真包括調度員培訓仿真DTS、變電站人員培訓仿真器等。根據是否有實際裝置參與可分為非實時仿真和實時仿真。電力系統離線仿真的規模基本不受限制，能夠較完整地模擬大規模電力系統，適用于研究大電力系統復雜的暫態和動態過程。電力系統實時仿真系統受硬件規模的限制，一般所能夠模擬的電力系統規模總是有限的。電力系統實時數字仿真系統和離線計算程序是相輔相成的，兩者還不能相互替代。電力系統離線仿真是在數字計算機上為電力系統的物理過程建立數學模型，數學方法求解，以進行仿真研究的過程，其仿真速度與實際系統的動態過程不等。針對不同的動態過程，電力系統離線仿真軟件主要有電磁暫態過程仿真、機電暫態過程仿真和中長期動態過程仿真3種。本文只引用介紹電磁暫態過程仿真。電磁暫態過程仿真是使用數值計算方法對電力系統中從數微秒到數秒之間的電磁暫態過程進行仿真模擬。電磁暫態仿真的數學模型建立在系統各元件的代數或微分、偏微分方程基礎上。一般采用的數值積分方法為隱式梯形法。目前普遍采用的電磁暫態過程仿真軟件有電磁暫態程序【9】ELECTROMAGNETICTRANSIENTPROGRAM簡稱EMTP，與其相似的程序還有加拿大MANITOBA直流研究中心的PSCAD/EMTDC【10】、加拿大哥倫比亞大學的MICROTRAN、德國西門子的NETOMAC【1112】等。13本文主要工作電磁暫態的研究主要是針對電力系統出現故障時對系統參數進行分析，本文先進行了電力系統電磁暫態故障分析的初步理論研究，最后完成了如下仿真工作1運用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC在故障條件下對交流系統進行電磁暫態仿真分析。2運用系統仿真軟件MATLAB在故障條件下對交流系統進行電磁暫態仿真分析。3運用PSCADMATLAB的接口技術實現電磁暫態的仿真。利用PSCAD方便快捷的圖形建模工具建立一個典型的交直流傳輸系統，分別就交流側和直流側故障進行電磁暫態仿真，并通過PSCADMATLAB接口模塊，在系統運行時，將PSCAD的變量輸入至接口模塊，再由MATLAB語言引擎調用M文件實現在故障條件下對系統參數的相量圖繪制，并且利用PSCAD的相量圖顯示儀進行比較，最終驗證了接口環境下電磁暫態仿真的合理性和有效性。第二章電力系統的故障分析21電力系統的故障介紹211電力系統的短路故障概念和分類在電力系統的運行過程中，時常會發生故障，其中大多數是短路故障（簡稱短路）。所謂短路，是指電力系統正常運行情況以外的相與相之間或相與地（或中性線）之間的連接【13】。短路類型有如下幾種，見表21表21短路類型短路種類示意圖符號三相短路F3兩相短路F2兩相短路接地F1,1單相短路接地F1電力系統的運行經驗表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數，兩相短路較少，三相短路的機會最少。三相短路雖然很少發生，但情況較嚴重，應給予足夠的重視。況且，從短路計算方法來看，一切不對稱短路的計算，在采用對稱分量法后，都歸結為對稱短路計算。因此，對三相短路的研究是有極其重要意義的【14】。電力系統的故障通常可分為對稱故障和不對稱故障，或橫向故障和縱向故障。三相短路斷線故障即為對稱故障，單相短路斷線、兩相短路斷線、兩相接地短路，即為不對稱故障。其中，短路故障又稱橫向故障，斷線故障又稱為縱向故障。針對實際電力系統運行情況，故障又可以分為單一故障和復雜故障。212電力系統的短路故障原因及其危害造成短路的原因有很多，主要有如下幾個方面【15】（1）電氣設備載流部分的絕緣損壞。這種損壞可能是由于長期運行，絕緣自然老化或由于設備本身質量低劣，絕緣強度不夠而被正常電壓擊穿，或設備質量合格，絕緣合乎要求而被過電壓（包括雷電過電壓）擊穿，或者是設備絕緣受到外力損傷而造成短路。（2）工作人員由于違反安全操作規程而發生誤操作，或者誤將低壓設備接入較高電壓的電路中，也可造成短路。（3）鳥獸（包括蛇、鼠等）跨越在裸露的相線之間或者相線與接地物體之間，或者咬壞設備和導線電纜的絕緣，也是導致短路的一個原因。而短路的后果一般有以下幾個方面（1）短路時要產生很大的電動力和很高的溫度，而使故障元件和短路電路中的其它元件受到損害和破壞，甚至引發火災事故。（2）短路時電路的電壓驟降，嚴重影響電氣設備的正常工作。（3）短路時保護裝置動作，將故障電路切除，從而造成停電，而且短路點越靠近電源，停電范圍越大，造成的損失越大。（4）嚴重的短路電流要影響電力系統運行的穩定性，可使并列運行的發電機組失去同步造成系統解列。（5）不對稱短路包括單相短路和兩相短路，其短路電流將產生較強的不平衡交變電磁場，對附近的通信設備、電子設備等產生電磁干擾，影響其正常運行，甚至使其發生誤動作。22電力系統的不對稱故障分析方法對稱分量法對稱分量法【14】是分析不對稱故障的常用方法，根據對稱分量法，一組不對稱的三相相量可以分解為正序、負序和零序三組對稱的相量。221對稱分量法原理在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相相量，可以分解為三組三相對稱的相量，當選擇A相作為基準相時，三相相量與其對稱分量之間的關系為21212031AABCAII式中，運算子，且有，；、12JE240JE20A31AI2分別為A相電流的正序、負序和零序分量，并且有0AI，211BAI1CAI，2222200ABCII由上式子可以做出三組對稱的分量如圖21所示IA1IB1IC1IA2IB2IC2IA0IB0IC0IA1BIA1A正序分量B負序分量C零序分量圖21三組對稱的分量可以看到，正序分量的相序與正常對稱運行下的相序相同，而負序分量的相序則與正序相反，零序分量則三相同相位且大小相等。222對稱分量法的應用現在以簡單電力系統為例來說明。一臺發電機接于空載輸電線路，發電機中性點經阻抗ZN接地。在某處F點發生單相短路，使故障點出現了不對稱的情況。A相對地阻抗為零，A相對地電壓VFA0，而B、C兩相VFB，VFC不為零。此時，故障點另外的其余部分的參數仍然是對稱的。現將網絡圖形分解如下圖22所示A故障點等效圖B故障等效三組序分量C正序電路D負序電路E零序電路圖22單相接地時對稱分量法運用由圖22分析可知，圖C正序網絡中只有正序電勢在作用包括發電機的電勢和故障點的正序分量電勢，網絡中只有正序電流，各元件呈現的阻抗就是正序阻抗，圖D、E分別為負序網絡和零序網絡。因為發電機只產生正序電勢，所以，在負序和零序網絡中，只有故障點的負序和零序分量電勢在作用，網絡中也只有同一序的電流，元件也呈現同一序的阻抗。根據各個序網絡，可以分別列出各序網絡的電壓方程式。因為每一序都是三相對稱的，只需列出一相就可以。在正序網絡中，以A相為基準相時，有2311111GLFANFAFBFCFAEZIZIIV因為，正序電流不流經中性線，中性點接地阻抗上的電壓110FAFBFCIINZ降為零，它在正序網絡中不起作用。這樣，正序網絡的電壓方程可寫成2411AGLFAFEZIV負序電流也不流經中性線，而且發電機的負序電勢為零，因此負序網絡的電壓方程為25220GLFAFZIV對于零序網絡，由于，在中性點接地阻抗中將通過三倍0003FAFBFCFII的零序電流，產生電壓降。計及發電機的零序電勢為零，零序網絡的電壓方程為26003GLNFAFZZIV雖然實際的電力系統接線復雜，發電機的數目也很多，但是通過網絡化簡，仍然可以得到通用的各序電壓方程式11EQFFAFEZIV27220FFF0FFAFI223正序等效定則在簡單不對稱短路的情況下，短路電流的正序分量，與在短路點每一相中加入附加電抗而發生三相短路時的電流相等，這個概念稱為正序等效定則。用表達式寫NX成28011FNFANVIJX29FFAMI因而，簡單不對稱短路電流的計算，歸根到底，不外乎先求出系統對短路點的負序和零序輸入電抗和，再根據短路的不同類型組成附加電抗，將它接2FX0FNX入短路點，然后就像計算三相短路一樣，算出短路點的正序電流。各種簡單短路時的和列于表22NXM表22簡單短路時的和NXM短路類型NN三相短路01兩相短路接地20FFX2023FFX兩相相間短路2F單相接地短路0FF3第三章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的電磁暫態仿真設計31PSCAD/EMTDC的工作環境介紹1PSCAD/EMTDC主界面PSCAD/EMTDC主界面如圖31所示【16】圖31PSCAD/EMTDC主界面菜單欄包括文件、編輯、視圖、編譯、窗口、幫助選項。工具欄基本工具，如保存、打印、撤銷、縮放、連線、創建新元件等。編譯運行按鈕包括編譯、連接、運行。主元件庫MASTERLIBRARY庫，包含大量常用的元件模型，啟動PSCAD/EMTDC軟件時會自動加載這個庫，從庫中選擇元件進行建模。項目窗口包含所有加載進來的庫和例子。可以同時加入多個項目，但一個時刻只能有一個項目處于活動狀態（即顯示藍色，可以編譯）。在項目名稱上點右鍵，在列出的菜單條中選擇SETASACTIVE可將項目設為活動狀態。狀態欄顯示當前例子狀態。在編譯運行時會顯示進度，完成后顯示READY。項目窗口切換在例子、記錄信息和文件之間切換，一般不用。消息窗口顯示例子的編譯運行信息，沒有錯誤顯示為綠色，有錯誤以紅色顯色，雙擊紅色消息則在工作區指示出錯誤地方。工作區窗口切換使工作區在電氣連接圖、模塊結構圖、參數、編程代碼等顯示界面切換。主工作區在此繪制電力系統電氣連接圖，可以繪制成多層。元件庫欄包含一些常用的基本元件，這些元件主庫里面都有，放在這兒只是方便使用，直接點擊即可選中到工作區。2功能介紹【1718】PSCAD/EMTDC軟件包的主要功能是進行電力系統時域和頻域計算仿真，典型應用是計算電力系統遭受擾動或參數變化時，電參數隨時間變化的規律；另外，PSCAD/EMTDC軟件包可以廣泛應用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設計、電力系統諧波分析及電力電子領域的仿真計算。PSCAD/EMTDC有以下主元件庫PASSIVE電阻、電感、電容，三相負荷以及RLC組成的無源濾波支路。SOURCES單相和三相電壓源、電流源、多相諧波源。METERS測量元件庫，電壓電流及功率測量儀表。I/O_DEVICES輸出通道、波形顯示以及各種輸入輸出控制開關等。TRANSFORMERS單相或三相（耦合或理想）變壓器（雙繞組和三繞組）。BREAKERS_FAULTS單相或三相邏輯控制斷路器和故障模型。TLINES輸電線的分布參數模型。CABLES電纜模型。PI_SECTIONS輸電線的型等值線路。MACHINES各種電機，包括汽輪機、水輪機等。HVDC_FACTS_PE高壓直流輸電和靈活交流輸電模型庫。CSMF各種控制模塊和計算模塊。MISCELLANEOUS雜項，包括數據標簽、多維信號輸入、信號分離等。LOGICAL邏輯電路庫，包含常見的邏輯控制單元。SEQUENCER信號或命令發生器。PROTECTION繼電器和繼電保護單元。IMPORTS_EXPORTS_LABLES輸入輸出標簽。DATA_RECORDERS_READERS其它運行信息或記錄的波形可以通過此輸入到當前例中。PSCAD是EMTDC的前處理程序，用戶在面板上可以構造電氣連接圖，輸入各個元件的參數值,運行時則通過FORTRAN編譯器進行編譯、連接，運行的結果可以隨著程序的進度在PLOT中實時生成曲線，以檢驗運算結果是否合理，并能與MATLAB接口。此外，PSCAD/EMTDC還具有強大的自定義功能及支持子網嵌套的功能，用戶可以根據自己需要創建具有特定功能的電路模塊。3仿真流程首先要在PSCAD圖形界面上選取元件庫中的適當元件模塊搭建系統模型，并對照實際的物理結構來設置模型元件中對應的參數。在需要觀測變量處添加電表和輸出觀測點，以便于進行仿真結果的查看、分析。檢查無誤并設置好仿真步長、時間等參數后即可執行仿真分析。執行仿真時，PSCAD首先調用軟件自帶的編譯器將PSCAD中的模型電路編譯為主FORTRAN程序，此時可視化的模型元件轉換為EMTDC的子函數，并根據電路連接關系自動進行節點編號和參數傳遞，然后利用設定的FORTRAN編譯器通過調用EMTDC引擎庫文件生成最終的執行文件。在仿真進行過程中，用戶可以通過輸入輸出元件庫的控制元件自由調整參數值，以便觀察系統某些動態情況下的響應特性。EMTDC主程序結構流程如圖32所示圖32EMTDC主程序結構32MATLA的工作環境介紹電力系統是控制系統應用在電力行業中的體現。因而在系統的數學描述和建模上，電力系統屬于控制系統的一部分，電力系統的數學描述和建模與控制系統相同。可以利用控制系統和建模的方法，對電力系統進行數學描述和建模。同時，MATLAB提供了簡潔的工具，通過電力系統的電路圖繪制，MATLAB自動生成數學模型，可以節省建立電力系統數學模型的時間【19】。1電力系統元件庫圖33電力系統元件庫對話框電力系統元件庫包括10類庫元件，分別是電源元件ELECTRICALSOURCES、線路元件ELEMENTS、電力電子元件POWERELECTRONICS、電機元件MACHINES、連接元件CONNECTORS、電路測量儀器MEASUREMENTS、附加元件EXTRAS、演示教程DEMOS、電力圖形用戶接口POWERGUI和電力系統元件庫模型POWERLIB_MODELS。如下一一介紹1電源元件包含了產生電信號的各種元件。2線路元件包含了各種線性網絡電路元件和非線性網絡電路元件。3電力電子元件包括了各種電力電子設備。4電機元件包含了各種電機模型元件。5連接器元件包含了在不同條件下用于互聯的元件。6電路測量儀器包含了各種電流測量元件和電壓測量元件。7附加元件包含了三相模塊、特殊的測量設備以及控制模塊。8演示教程包含了各種演示教程和學習實例。9電力圖形用戶接口用來進行電力系統穩態分析。10電力系統元件庫模型包含了電力系統各種非線性模塊的仿真模型。電力系統元件庫模型用來建立電力系統電路的等值仿真電力模型。2電路圖模型電路圖模型是MATLAB提供的用于電力系統的一種簡潔的數學模型。它的主要特點是具有良好的人機界面，便于進行簡單的操作，省去了利用程序建立電力系統模型的復雜步驟。MATLAB提供了電力系統設計人員所熟悉的電路元件和電力系統元件進行電力系統的建模。3電力系統的時域分析MATLAB軟件提供了一個對電力系統和電路進行分析的POWERGUI（用戶界面）工具。元件的模型如圖34所示圖34電力系統分析元件模型利用此分析工具進行穩態和暫態的時域分析。這里結合時域分析特點介紹了3種功能，分別是穩態電壓和電流STEADYSTATEVOLTAGESANDCURRENTS、設置初始狀態INITIALSTATESSETTING和使用線性時變觀察器USELTIVIEWER，即主要可以對電力系統進行如下分析獲取穩態電壓和電流向量、改變狀態變量的初始狀態值進行時域仿真、以及對狀態方程模型進行不同輸入量的時域相應分析。4仿真流程根據設計原理圖在MATLAB的電力系統仿真模塊SIMPOWERSYSTEMS中選擇相應的電器元件，并且進行正確的連接，設置相應的仿真參數，最后激活仿真按鈕鍵，如若無誤，則出現相應的仿真波形，反之出現出錯提示框，如圖35所示。根據錯誤的顯示源“SOURCE”，雙擊即可指出錯誤位置，進行相應的修改和仿真直至運行成功。仿真流程如圖36所示。圖35運行出錯提示框圖選擇要求庫元件連接各元件仿真參數設置仿真并顯示結果圖36基于MATLAB的電力系統仿真流程33基于PSCAD和MATLAB的電力系統電磁暫態仿真設計331基于PSCAD交流電力網絡的模型建立根據電力系統電磁暫態（故障分析）的仿真研究要求，建立一個雙端供電網絡用于模擬簡單的系統在故障條件下的運行狀況，基于PSCAD/EMTDC的電力網絡如37所示。圖37基于PSCAD簡單雙端供電網絡模型1選圖依據雙端供電網類似于兩個單電源的電力系統，同時又是環形網絡的特例。因此，雙電源網絡的系統性能介于單電源系統與環形系統之間，故以此為例兼顧兩種系統的研究更具代表性。此外在運用復雜環形網絡時，MATLAB仿真速度過于緩慢，盡管使用可變的仿真步長，設定的仿真速率仍不能滿足要求，多次出現計算機死機現象和MATLAB的滯后響應。2參數介紹及其算例電源S1，S230MVA，105KV，50HZ；變壓器T1，T250MVA，024DX10/110KV，；線路L1，L205/KM，分別為100KM。10KU0126X算例選基準容量100MVA，基準電壓為平均電壓。BSS1，S21210483XT1，T23425L1，L212014LLX1022607LL討論各種故障條件下的故障相電流情況。各級序網絡圖形如圖38A、B、C所示。1單相接地故障以A相為例。由正序等效定則，此時，即01FEIX20X082410824674XKA，其中，此時M31173FI1FFIM故障相電流302140642KAFI2兩相短路以BC兩相為例。由正序等效定則，071，M2X3037KA110073FI故障相電流0370640KAFI3兩相短路接地以BC兩相為例。由正序等效定則，042，M1520X201X046KA，故障相電流150460690KA11007423FIFI4三相短路由正序定則0739KAFI1073由上面算例分析可知，三相故障的電流值最大。A正序網絡B負序網絡C零序網絡圖38各序網絡圖形3元件選擇和參數設置1發電機元件在PSCAD仿真環境下的發電機元件模型可以等效為理想電源與阻抗串聯的模式。打開PSCAD的“MASTER”工具箱，點擊“SOURCES”模塊，選擇ESYS65SOURCE型號的發電機電源模型，如圖39A所示，同時根據算例要求設置電源S1和S2，電壓為105KV，XL2A發電機電源模型B發電機模型參數設置圖39發電機元件容量為30MVA，采用固定控制模式，內阻09，其他設置采用默認設置，如圖39B所示。2變壓器元件變壓器T1和T2，選擇三相雙繞組變壓器，變比為10/110KV，容量分別是50MVA，短路電壓百分比UK選擇為10，即為銅損耗標幺值01設置，其他的采用默認設置，如圖310A、B所示。2UMEC1A變壓器模型B變壓器模型參數設置圖310變壓器元件3輸電線元件輸電線TLINE1和TLINE2都采用貝瑞隆模型采用線路恒定頻率，并設置相應的正序和零序線路參數，線路長度各為100KM，經過計算正序線路阻抗約為50，零序值近似為26倍的正序值，根據要求再做相應的標幺值歸算，具體設置如圖311A、B所示。A輸電線模型B輸電線模型參數設置圖311輸電線元件其中線路的具體參數如下正序單位電阻036294E4OHM/M；正序單位電抗05013E3OHM/M零序單位電阻037958E3OHM/M；零序單位電抗013277E2OHM/M4測量元件該測量元件能夠測量線路的瞬時電壓電壓有效值和相角、瞬時電流以及有功功率和無功功率潮流情況。此處命名三個變量測量，分別為瞬時電流I、瞬時電壓U和電壓有效值VRMS，只需將三個變量名節點相應接上示波器，就能實時顯示各變量的波形圖，設置參數框圖如圖312所示。A測量計模型B測量計模型參數設置圖312測量計元件332基于MATLAB交流電力網絡的模型建立出于對基于PSCAD的電力系統的仿真校驗的目的，也考慮到為后續章節的PSCADMATLAB接口仿真準備，現根據上一節圖37可以建立MATLAB環境下的電路模型，如圖313所示，其參數同上圖37設置。圖313基于MATLAB簡單雙端供電網絡模型圖以下進行MATLAB仿真環境下的元件選擇和參數設置詳細介紹1電源元件在MATLAB的SIMPOWERSYSTEMS工具箱中的ELECTRICALSOURCES中選擇三相電源，并進行相應的參數設置，如圖314A、B所示，其設置應當與前述PSCAD中的設置基本一致，SOURCE1和SOURCE2的電壓為105KV，容量為30MVA，內阻09，其他采用默認設置。A電源模型B電源模型參數設置圖314電源元件2變壓器元件從ELEMENTS工具箱中選擇三相雙繞組變壓器，T1和T2的變比和容量分別為10/110KV和50MVA，模型及其參數設置如圖315A、B所示。A變壓器模型B變壓器參數設置圖315變壓器元件3輸電線元件輸電線LINE1和LINE2的采用模型類似前述PSCAD選擇的線路模型，同樣設有正序和零序各阻抗單位長度值，不同的是PSCAD中直接以電抗和容抗的形式表示電感和電容，而在MATLAB中則直接以電感和電容表示參數，因而兩者關系為，其中50HZ。該模型如圖316A、B所示。/2LXF/2CXFFA輸電線模型B輸電線模型參數設置圖316輸電線元件4測量元件MATLAB測量元件的分類比較齊全，相應有電流表、電壓表、功率表以及一些有效值測量元件，此處選擇可以測量電壓和電流的三相VI測量計，如圖317A、B所示相應模型和參數設置，可以根據波形比較的要求選擇有名值或是標幺值表示，在PSCAD中也可以同樣設置。AVI測量計模型BVI測量計參數設置圖317測量計元件333電力系統的故障設置1PSCAD/EMTDC的故障設置在PSCAD中打開“BREAKERS/FAULTS”工具箱找到如圖318A所示的三相故障設置模塊，該模塊有兩個控制端點，如圖上端點為故障類型選擇，可以定義任意類型的短路故障由于斷線故障的邊界條件分別都包含在短路故障之中，所以此處不再單獨另設斷線故障，另一端點為故障投入控制可以定時選擇故障的投入和切除時間，加入邏輯控制環節，還可以規定為瞬時故障或是永久性故障。其中故障類型端點由圖318B所示的調節盤控制，故障投入端點由圖318C所示，根據要求加入相應的邏輯關系控制環節。FAULT2OPEN/CLOSED1OFFON10987654321FAULT2TYPE100A故障控制模型B故障類型與投入控制C定時邏輯控制圖318故障控制單元調節盤各數字代表的故障類型說明如下表31所示表31調節盤的位置含義位置故障類型位置故障類型1A相接地6BC兩相接地2B相接地7ABC三相接地3C相接地8AB兩相間位置故障類型位置故障類型4AB兩相接地9AC兩相間5AC兩相接地10BC兩相間此時故障的投入時間、持續時間、以及系統運行時間可以任意選擇。此處設定系統的運行時間為05S，在02S時投入故障，持續時間為015S。2MATLAB的故障設置在MATLAB中打開“SIMPOWERSYSTEMS”電力系統仿真工具箱，在“ELEMENTS”電力元器件中找到故障模塊如圖319A所示，其相應的參數框圖如圖319B所示。A故障控制模型B相應的故障參數設置框圖圖319故障控制單元通過上述故障參數設置框圖可知，該故障模型可以同樣設置任意類型的短路故障，以及故障的投入時間和持續時間。3兩種故障設置的比較經過兩種仿真環境的運行過程對比可知，在故障設置方面，PSCAD的設置更為靈活方便，因為只要在控制端點加入邏輯關系控制就可以通過切換操作快捷的改變故障的設置，而后只需通過可視化的調節盤進行故障控制。雖然MATLAB的故障也有外部定時控制，其內部的轉換時間點就可以實現定時控制，但是其故障類型的改變必須經過對框圖的參數修改方能完成，沒有可視化調節的功能。334時域仿真分析根據前面的算例要求，分別就單相接地故障、兩相相間故障、三相故障進行系統運行參數和波形的分析比較，此處觀察故障點附近線路L1的電流和電壓參數，以及故障相電流情況的觀察，詳細圖形見附錄A。1單相接地以A相為例。在02S時投入故障，在持續時間內故障相A相的電流劇增至幅值近似1KA，故障相電壓A相電壓近似為零。通過附錄A中的圖A1A、B、C、D波形比較可知，兩種環境下的波形幾乎一致。2兩相相間短路根據對稱分量法要求，B、C兩相相間故障后，相電流反向，由波形圖A2A、B，詳見附錄A，可以觀察到。而故障期間的故障相電壓則相應的有所下降，從附錄A中的圖A2C、D分析，B、C兩相電壓由幅值約100KV減小至50KV，同時B、C兩相電壓在故障期間相等。兩種仿真環境下，仿真波形幾乎一致。3三相短路由故障分析可知，三相短路故障的危害較為嚴重，從附錄A中的圖A3A、B觀察得到電流幅值最高可達近17KA。觀察比較可知，兩種仿真環境下的波形幾乎一致。綜上所述，在各種故障條件下，兩種仿真環境下的仿真波形幾乎一致，與故障分析算例基本吻合，這說明這兩種仿真軟件都適用于電力系統的電磁暫態仿真分析。第四章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的電磁暫態接口仿真研究41PSCAD和MATLAB的接口技術介紹411接口技術的背景EMTDCELECTROMAGNETICTRANSIENTINDCSYSTEM是20世紀70年代中期發展起來的一個電磁暫態仿真軟件，經過近30年的發展，目前其已具有了十分完善的EMTDC的元件模型庫和功能，被廣泛應用于交直流電力系統研究、電力電子仿真以及非線性控制等領域，日益成為一種世界各國通用的電力系統分析軟件。PSCAD圖形用戶界面GUI的開發成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC以進行電力系統仿真計算。EMTDC是PSCAD/EMTDC仿真的核心程序，PSCAD是與EMTDC完美結合的圖形用戶界面，該圖形界面極大地增強了EMTDC的能力，它使得用戶可以在一個完全集合的圖形環境下構造仿真電路，運行、分析結果和處理數據，保證并提高了研究工作的質量和效率【20】。MATLAB語言具有強大的計算功能和豐富的圖形功能，編程效率高，擴充能力強，而且具有功能齊備的各種工具箱，所以MATLAB語言已成為目前應用最廣泛的數值計算軟件【21】。PSCAD/EMTDC是暫態分析程序，MATLAB是數學模型軟件包，它們之間具有互補性，通過兩者之間的接口能把它們的優點結合起來。通過PSCAD/EMTDC程序與MATLAB語言接口以下稱PSCADMATLAB接口，用戶可以將MATLAB中的數學和控制功能模塊包括各種工具箱應用到PSCAD/EMTDC程序中。同時，用戶還可以通過編制M文件來定義用戶所需的元件模型。由于M文件采用語法簡單、可讀性強、調試容易、人機交互性強的MATLAB語言來編制，因此用戶可以方便地根據需要自定義元件模型，這些用戶自定義元件模型可以跟PSCAD/EMTDC中的元件模型進行連接【22】。另一方面，PSCADMATLAB接口可以把PSCAD/EMTDC程序強大的電力系統分析功能和MATLAB語言高超的圖形可視化技術結合起來，增強PSCAD/EMTDC程序的圖形處理能力。雖然PSCAD圖形界面具有一定的圖形處理能力，但這是無法跟MATLAB相比的，MATLAB的圖形工具箱既能顯示二維圖形、三維圖形甚至四維表現圖，又能對圖形進行著色、消隱、光影處理、渲染及多視角處理等。不過，PSCADMATLAB接口的存在將需要更多的CPU處理時間，在這種情況下，可以采用增加時間步長的方法提高仿真速度【23】。412接口技術原理及接口的實現過程1接口技術原理【24】PSCAD/EMTDCMATLAB接口需要特殊的編譯器，該接口與EGCS/GNUFORTRAN77編譯器是不兼容的，本文采用了COMPAQVISUALFORTRAN65編譯器。PSCAD/EMTDCMATLAB接口的界面如圖41所示，圖中假定有M個輸入量，N個輸出量，通過接口中MATLAB的M文件對M個輸入量進行處理,得到N個所需的輸出量。接口實現過程如圖42所示接口PSCAD輸入量MPSCAD輸出量N圖41PSCAD/EMTDCMATLAB接口示意圖FORTRAN子程序（DSDYN）MATLAB數學引擎MATLAB語言M文件PSCAD/EMTDCMATLAB圖42接口實現過程PSCAD與外部數據交換通過自定義元件來實現。PSCAD內有兩個FORTRAN文件，DSDYN數字仿真動態子程序和DSOUT數字仿真輸出子程序，通過對這兩個文件的代碼編寫來實現自定義元件與PSCAD的數據交換。PSCAD/EMTDC內的一個FORTRAN文件DSDYN,通過它可以調用外部FORTRAN子程序。該FORTRAN子程序可以啟動MATLAB數據引擎并建立起FORTRAN子程序和MATLAB數據引擎之間的通信管道。同時，含有MATLAB命令的M文件也傳到MATLAB數據引擎中，這樣，PSCAD/EMTDC和MATLAB就緊密地結合了起來,用戶可以根據需要編制M文件，實現所需的仿真。2接口自定義元件設計接口自定義元件包括GRAPHIC、PARAMETERS和SCRIPT三部分的設計，這三個部分是相輔相成的。在CIRCUIT畫布界面的空白處右鍵單擊，選擇CREATENEWCOMPONENT，即彈出元件自定義向導。根據變量的輸入輸出類型、數據類型、維數填寫完畢，一個自定義元件的外殼便生成了。下面就元件內部的設置做詳細說明。1GRAPHICGRAPHIC的作用是設計自定義元件的外觀，以及修改輸入輸出數列的名稱和維數。這里主要用到的是輸入輸出數列性質的修改。在自定義元件上右鍵選擇EDITDEFINITION便自動進入GRAPHIC界面。雙擊綠色的節點，彈出CONNECTION對話框，在這里可以根據具體情況修改輸入輸出性質。注意里面的SYMBOL輸入的名字是數列名，要和腳本代碼里面保持一致。2PARAMETERSPARAMETERS的作用是提供自定義元件的一些參數的設置。它提供該元件在使用時可修改參數的界面。當自定義元件內部設計完成后，可在CIRCUIT畫布上修改它所提供的參數。完成GRAPHIC畫圖后，選到PARAMETERS界面后，即可進行相關操作。在編輯菜單上點NEWCATEGORY，彈出CATEGORY屬性，點OK后出現分類布，在上面右鍵點擊選NEWCONTROL，可以選不同的類型。這里主要用到TEXTFIELD和INPUTFIELD。前者用來設置MATLAB路徑和文件名，后者用來改變調用MATLAB文件的速度。TEXTFIELD屬性里面SYMBOL分別設置為PATH和NAME；INPUTFIELD的設置為ENABLE，而路徑、文件名和控制信號名等參數可以在DEFAULT默認屬性里面設置，也可以不設置，等元件內部定義好以后到CIRCUIT畫布那里根據具體文件所在位置而輸入。3SCRIPT腳本代碼主要由用戶完成，其自由度比較大。就本部分所闡述的主題來講，接口所要完成的代碼在DSDYN文件中添加，只需要對DSDYN文件添加代碼。代碼塊主要分數據定義、空間定義、子系統調用等幾部分。首先，要在SCRIPT界面上右鍵在SEGMENTMANAGER選出DSDYN，然后選擇在DSDYN文件中在添加代碼。STORAGE用來定義全局變量，即該自定義元件的輸入變量。有REAL、INTEGER、LOGIGAL和COMPLE四種，根據實際情況選用。至此，自定義元件的內部設置已經完成，可以回到CIRCUIT畫布進行MATLAB文件的路徑、文件名和接口調用頻率的設置了。42基于PSCADMATLAB的電力系統電磁暫態仿真421基于PSCAD的交直流系統的模型建立根據前例簡單供電網絡，現基于PSCAD建立一個三機多節點交直流傳輸系統，如圖43所示，重點研究故障條件下交直流傳輸系統電壓電流參數受到的影響，并且在仿真過程中加入PSCADMATLAB接口環節。由PSCAD可視化工具箱建立交直流電力系統，由MATLAB的M文件語言提供強大繪圖功能，結合兩者的優點實現PSCAD與MATLAB聯合仿真。圖43基于PSCAD的三機多節點交直流傳輸系統1圖形介紹圖形左方支路為交流傳輸部分，右方支路為直流傳輸部分，分別用電源SOURCE1、SOURCE2和SOURCE3等效傳輸時的系統電壓情況，額定電壓等級分別為220KV、220KV和330KV。圖示的左方交流傳輸線路經各自變壓器變換統一為110KV電壓等級，傳輸的線路總長為400KM；而右方直流傳輸線路經過整流后為300KV左右，直流線路電阻為2，電抗為02H，整流站和逆變站的無功補償電容各為5UF。2元件選擇介紹1變壓器元件該系統圖形交流部分的三個變壓器設置如圖43所示。2整流側元件如圖中所示“RECTIFIER81”表示整流模塊，該模塊的具體圖形如圖44所示，觸發角的參考量設為075RAD（經過多種觸發角檢驗，此時的整流得到電流和電壓波形較佳），圖示AO節點表示參考量輸入端，KB節點表示使能輸入端，高電平“1”時工作，圖示用常量值“1”作為高電平發生函數；圖示的AM和GM分別是實際測得的和輸出端，COMBUS為鎖相振蕩器輸入端，將感應環測得的三相電壓作為參考量其輸出相位與該母線電壓同步。兩個變壓器變比都為345/230KV，容量500MVA。六脈沖橋采用默認設置。圖44整流模塊3逆變側元件如圖中“INVERTER81”所示代表逆變模塊，其內部結構如圖45所示。此時觸發角的參考量為20933RAD多種觸發角比較，120時波形較佳，變壓器變比都為230/220KV，容量500MVA，其他的設置類似整流模塊設置。圖45逆變模塊422電力系統的故障設置本文的重點研究為故障分析，所以單獨介紹故障的設置環節。同第三章所介紹的故障設置不同的是此時將故障設為瞬時性和永久性故障，并由邏輯控制環節實現定時故障控制，圖示的三處故障類似，包含所有短路類型的故障，如圖46A、B表示其設置情況。A故障的邏輯控制環節FAULTCONTROLTIMEON/OFF10OFFONFAULT10OFFON10987654321FAULTTYPE17B故障的開關控制界面圖46故障控制當開關打到A端時，實現瞬時性的定時故障控制；當開關打到B端時，實現永久性的故障控制。開關“FAULT”代表故障投入使能控制，打到位置“ON”時表示投入故障，“OFF”表示不投入故障。423PSCADMATLAB的接口環節PSCADMATLAB的接口示意如圖47A所示，其輸入量為電量的幅值和相位，PSCAD/EMTDC內有一個FORTRAN文件DSDYN,通過它可以調用外部FORTRAN子程序。該FORTRAN子程序可以啟動MATLAB數據引擎并建立起FORTRAN子程序和MATLAB數據引擎之間的通信管道，同時，含有MATLAB命令的M文件也傳到MATLAB數據引擎中，這樣，PSCAD/EMTDC和MATLAB就緊密地結合了起來,用戶可以根據需要編制M文件，實現所需的仿真。本文M文件實現的功能為繪制電壓或電流的相量圖。該接口的M文件和投入控制分別如圖47B、C所示A接口示意圖BM文件符號MATLAENAB/DISAB1DISABENABC接口投入控制圖47接口環節設置該接口可以通過PSCAD的用戶自定義功能進行特定的接口模塊設置。設置主要分三個部分一是編輯模塊符號；二是模塊參數定義和設置；三是功能代碼描述。其中模塊符號任意，根據用戶需要進行個性化的繪制，參數和功能同樣根據用戶的仿真需求進行不同的設置定義。424時域仿真分析現基于以上的三機多