仿真软件在电力系统分析应用

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《电力系统分析》是电气工程及其自动化本科类教学的核心课程,做好电力系统分析实习对学生来说至关重要。电力系统分析课程涉及的知识点较多,理解起来有难度,另外由于该课程为专业限选课,在大三下学期才开课,学生对此学习积极性不高。由于该校实验室条件的限制,目前仅有1个场地和硬件资源有限的专业实验室,要开展一些涉及高压部分的实验,需要更多的资金和实验室老师去支持,但这些在短期内暂时无法解决。基于目前的现状,综合了目前常用的PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP和Matlab/simulink等常见的电力系统仿真软件的功能和结构特点,将PSCAD仿真软件用于电力系统实习中。PSCAD仿真软件具有完整的元件库,可针对不同的大小交直流系统建模,丰富的可视化界面,可使复杂的电力系统进行可视化[1]。PSCAD还可以通过特殊的接口访问和使用与Matlab命令和工具箱功能的能力,与学生常用的Matlab/simulink可以相互联系起来[2]。采用PSCAD仿真软件可以解决系统规模和复杂性限制、场地条件限制、绝对安全性和接触电力系统中的前沿技术等优点[3],保证学生实习的质量,培养学生学习该课程的积极性,为了以后的学习和工作奠定良好的基础。

1PSCAD电力系统仿真分析软件

PSCAD的概念最初是在1988年被提出,针对Windows系统的PSCAD是在1999年才[4]。目前已成为世界上功能最强大和广泛使用的电力系统仿真软件。PSCAD包括绘图功能、仪表和控制,允许用户以图形化的方式建立电力系统电路,进行仿真后对结果进行分析,还可以使用户在仿真运行中改变参数,对仿真过程进行观测等。PSCAD具备电力系统中从简单无源元件和控制功能到更加复杂的电动机、柔性交流输电设备和输电线路等设备的模型,这些模型都是经过已经编程和测试的仿真模型。如果搭建的电力系统仿真模型中,没有所需的特殊模型,PSCAD可以提供给用户自建模型。PSCAD设有主元件库,提供常用的模型有:(1)无源元件(Passive),包括电阻、电感、电容、固定/可变负载、电抗器和避雷器等;(2)电源(Source),包括电压源、电流源和光伏电源等;(3)仪表(Meters),包括频率/相位/有效值测量表、电压表和电流表等;(4)I/O设备(I/O_Devices),包括数据的导入和导出、其他软件接口和多重运行等;(5)变压器(Transformers),包括单相双/三绕组、三相双/三/四绕组和自耦变压器等;(6)断路器故障(Breakers_Faults),包括单/三相断路器及其定时控制逻辑、模拟单相和三相故障及其定时控制逻辑等;(7)输电线路电缆(Tlines_Cables),包括导纳/阻抗数据或导体/绝缘属性、地阻抗数据以及所有塔和导体的几何位置、电气接口元件等;(8)电动机(Machines),包括笼型感应电动机、绕线感应电动机、同步电动机以及励磁机、调速器、水轮机、汽轮机、风力机和内燃机等;(9)控制元件(ControlSystemsModelingFunctions),包括线性和非线性控制元件;(10)保护(Protection),包括保护信号的采集、监测和继电保护模型等;(11)其他元件(Miscellaneous),包括文件引用/读取、输入输出和节点等。PSCAD仿真软件可以用来仿真模拟进行电力系统中元件参数及其物理含义、电力系统对称和不对称故障仿真、电力系统简单和复杂潮流计算以及有功和无功功率控制等,还可以将电力系统与电力电子结合起来,比如新能源发电技术的应用和电能质量(SVC、STATCOM)的应用等。学生通过自己搭建部分模型,可以亲自操作。

2电力系统仿真实例

电力系统实习主要是去发电厂、变电站等,这些单位出于安全的需要,不会让学生参与实际的操作,往往是只能看。以电力系统故障为例,学生到现场不能体验到故障发生和处理过程,像电力单位的一些工作多年的专业人员,碰到事故和处理事故时,也可能会不知所措。一些高校通过购买专业的物理模拟仿真系统,但这些花费很高、场地大,对于该校现有的资源不可能满足。所以,电力系统中的故障,特别是单相接地短路、两相短路、两相短路接地和三相短路的横向故障,通过PSCAD仿真软件可以模拟故障发生和恢复后各个量的变化。因篇幅有限,这里仅对电力系统横向故障中的三相短路进行介绍。PSCAD软件电力系统仿真软件计算机需求:(1)MicrosoftWindowsVista或Windows7操作系统,32bit或64bit;(2)附件软件IntelFortanComposerXE20112,Microsoft.NETFramwork4.0Full3,MicrosoftVisualC++2010Redistributables;首先通过讲解PSCAD的基本知识,然后设置相关的任务要求,最后以学生为中心,自己动手搭建35kV单侧电源输电系统,如图1所示。其中BAK为断路器,Tline和Tline1的长度均为20km,每公里电抗为0.4Ω的架空线路。负载的有功功率为15MW,无功功率为5MVAR。升压变压器为三角型/星型接法,降压变压器为星型/三角形接法。通过FAULTS模块设置故障,TimedFaultLogic模块设置故障发生时间为0.08s,故障持续时间为0.04s。采用工程研究方法,通过分析数字仿真结果,找出其内在规律,然后再通过理论进行分析,对比在不同量的变化下,电力系统相关量的变化,这样可以有助于学生加深对电力系统故障知识的理解。三相短路故障时电力系统中最严重的故障,以该故障为例对其进行仿真分析。发生三相短路故障时,电源端的三相电压电流波形和故障点的三相电压、三相电流波形如图2所示。由图2可知,发生三相短路故障时,电源端的三相电压只有微小的波动,没有发生显著的变化;电源端的三相电流幅值增大,A相电流呈整体上升趋势,B相和C相电流呈整体下降趋势。故障点电压由于发生三相短路,电压均为0V,当故障切除后,三相电压发生暂态波动,但很快就恢复到正弦变化;在故障发生前,由于故障发生器处于断开状态,因此故障点处的三相电流均为0A,在发生三相短路故障后,由于闭合时有初始输入量和初始状态量,故障点三相幅值都变大,并且A相电流波形上移,C相电流波形下移,在故障排除后,三相电流迅速变为0A。通过电力系统仿真,可以产生如下实习效果:(1)加深了专业理论知识,理论联系实际,有助于学生提高计算机应用、查找文献、分析问题和解决问题的能力;(2)对于电力系统更为复杂的建模系统,学生可以组成团队进行建模,培养团队合作和创新精神;(3)提高了学生学习的积极性,学生根据布置的任务主动去学习,激发了学生学习的欲望,每处理完一个小问题他们感到很有成就感。以上这些都为以后的工作和研究打下坚实的基础。

3结语

通过上述PSCAD电力系统三相短路故障仿真分析,可以看出仿真实验不受场地和实际操作的限制,建模简单,易操作,仿真波形生动、丰富和直观,不仅使学生更好地学习掌握电力系统三相短路故障的原理和现象,还可以激发学生学习的乐趣,弥补了实验室条件的限制。该软件已用于电力系统分析实习过程中,通过学生反馈的情况,采用该方法可以提高学生学习的主动积极性。由于第一次设置该仿真实习,在实习过程中,也有一些今后需要注意的问题,比如实验室电脑配置需进一步提高,教师要多建立一些复杂的系统,同时还要主动跟现场的人员多多交流,使仿真模型更贴近实际。

作者:罗朋 杨燕霞 单位:广东海洋大学电子与信息工程学院

参考文献

[1]李广凯,李庚银.电力系统仿真软件综述[J].电气电子教学学报,2005,27(3):61-65.

[2]卫志农,缪新民,王华伟,等.基于PSCAD-MATALB联合调用的高压直流控制系统参数优化[J].高电压技术,2014,40(8):2449-2455.

[3]李军徽,严干贵,任先文,等.突出电气工程专业特色的电力电子仿真系统[J].东北电力大学学报,2013,33(1)172-175.

[4]乐健,胡仁喜.PSCADX4电路设计与仿真[M].北京:机械工业出版社,2015.