PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件在畢業(yè)設(shè)計課程中的應(yīng)用

張正茂 常 玲

1.山東電力高等專科學(xué)校 山東 濟(jì)南 250002

2.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司 山東 青島 266002

0 引言

畢業(yè)設(shè)計是高等院校學(xué)生畢業(yè)前的一門重要的綜合實踐課程，旨在鍛煉學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，完成特定設(shè)計任務(wù)的能力。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工計算、人工畫圖進(jìn)行電氣工程分析和設(shè)計的方法，已經(jīng)不再適用于現(xiàn)代電氣工程技術(shù)的發(fā)展。作為鍛煉學(xué)生綜合實踐能力的畢業(yè)設(shè)計課程，也應(yīng)盡量采用一些計算機(jī)輔助分析和設(shè)計軟件開展設(shè)計，以適應(yīng)現(xiàn)代電氣工程技術(shù)的發(fā)展對人才的需求。

PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，是目前國內(nèi)外相關(guān)科研單位和高等院校的科研開發(fā)人員廣泛使用的一種電力系統(tǒng)分析和設(shè)計工具，將該軟件應(yīng)用到電氣工程類專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計中，將大大提高學(xué)生綜合運行現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和專業(yè)理論知識，完成設(shè)計和研究任務(wù)的能力，顯著提高畢業(yè)生的專業(yè)素質(zhì)和就業(yè)競爭力。

1 PSCAD/EMTDC軟件簡介

EMTDC （Electro-Magnetic Transient in DC System）最早由Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成的，多年來該軟件得到了不斷完善，目前已經(jīng)成為既可以研究交、直流電力系統(tǒng)問題，又能夠完成電力電子仿真及非線性控制的多功能工具。特別是PSCAD（Power system computer aided design）圖形界面的開發(fā)成功，使得用戶能更方便的使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真計算，而且該軟件可以作為實時數(shù)字仿真器RTDS（Real time digital simulator）的前置端。目前，PSCAD/EMTDC以其大規(guī)模的計算容量、完整而準(zhǔn)確的元件模型庫、穩(wěn)定高效的計算內(nèi)核和友好的開發(fā)環(huán)境等特點，成為被世界各國的科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校和電氣工程師所廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)仿真軟件。

PSCAD/EMTDC的使用非常方便，用戶可以在其元件模型庫中挑選所需要的元件，設(shè)計電氣連接圖，然后輸入各個元件的參數(shù)值。運行時系統(tǒng)自動通過FORTRAN編譯器進(jìn)行編譯、連接，運行的結(jié)果可以隨著程序的進(jìn)度在PLOT中實時生成曲線，也可以以文件的形式導(dǎo)出，并能與MATLAB接口。此外，PSCAD/EMTDC還具有強(qiáng)大的自定義功能及支持子網(wǎng)嵌套的功能，用戶可以根據(jù)自己的需要創(chuàng)建具有特定功能的仿真模型。軟件的主界面如圖1所示。

圖1 電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC主界面

2 PSCAD/EMTDC在畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 電氣元件仿真模型的創(chuàng)建

在繪制電氣接線圖，進(jìn)行仿真電路的設(shè)計和分析以前，首先需要創(chuàng)建各電氣元件的計算機(jī)仿真模型。在PSCAD中，已經(jīng)提供了一些常用電力系統(tǒng)元件的仿真模型，例如各種電源、變壓器、電機(jī)、斷路器、電力電子器件等，均可以在PSCAD/EMTDC的主元件庫master library中找到相應(yīng)的仿真模型。學(xué)生只需根據(jù)設(shè)計任務(wù)的需要，正確選擇所要使用的電氣元件仿真模型，并進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定即可。以一個10KV電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障仿真為例，仿真中需要用到的一些電氣元件，如三相交流電源、三相變壓器、三相斷路器、單相接地故障模型、消弧線圈電感等，其仿真模型均可以在主元件庫master library中找到。有一些電氣元件，如線路對地電容、線路負(fù)荷等，也可以通過元件庫中已有的元件模型組合創(chuàng)建，如圖2所示。

圖2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真中主要電氣元件模型

在創(chuàng)建完電氣元件的仿真模型后，還需根據(jù)設(shè)計需要在仿真元件中設(shè)定合適的設(shè)備參數(shù)，以便在仿真時正確的反映設(shè)備的電氣特性，以三相交流變壓器模型為例，需對變壓器的額定容量、電源頻率、高低壓繞組額定電壓、接線方式等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。

圖3 三相變壓器基本參數(shù)設(shè)置

對于一些PSCAD的主元件庫中沒有提供的特殊電氣設(shè)備的仿真模型，也可利用軟件提供的仿真模型自定義功能，讓學(xué)生自己動手創(chuàng)建，以小電流接地系統(tǒng)中可能用到的Z形接地變壓器為例，可按照以下步驟在仿真文件中創(chuàng)建：

1）定義模型的基本參數(shù)，如模型名稱、輸入輸出端子數(shù)、端子類型、顯示字符等，如圖4（a）所示。Z形接地變壓器模型可定義3個輸入端子，1個輸出端子，端子類型全部定義為電氣接點型，上方三個端子依次顯示字符A、B、C，用于連接三相導(dǎo)線，下方端子顯示字符N，用以連接消弧線圈等接地設(shè)備，基本參數(shù)設(shè)置好后的Z形接地變壓器模型外觀如圖4（b）所示。

圖4 自定義的Z形接地變壓器模型

2）定義好Z形接地變壓器模型的基本參數(shù)后，即可雙擊該模型，打開其內(nèi)部電路編輯頁面，按照Z形接地變壓器的工作原理，創(chuàng)建其仿真電路。例如，可用三個單相接地變壓器，按照Z型連接的方法引出中性點，構(gòu)成接地變壓器的仿真電路，如圖4（c）所示。其中單相變壓器的參數(shù)設(shè)置方法同圖3中的方法類似。繪制好接地變壓器的仿真電路圖后，該電氣元件的仿真模型即創(chuàng)建完畢。

2.2 仿真電路接線圖的繪制與測量元件的創(chuàng)建

創(chuàng)建好仿真電路中各電氣元件的模型并設(shè)置好相應(yīng)的電氣參數(shù)后，便可使用仿真軟件中提供的導(dǎo)線將各電氣元件按照仿真電路的設(shè)計要求連接起來，構(gòu)成仿真電路接線圖，同時為了觀測和分析仿真電路的運行情況，可根據(jù)需要在不同位置設(shè)置電壓表、電流表等測量元件，以及數(shù)據(jù)輸出通道、圖形框等觀測、顯示元件。有時為了觀測方便，也可使用有效值測量表將電壓、電流轉(zhuǎn)換為有效值再輸出到圖形框顯示，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)測量與觀測元件

以10kV電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真為例，其基本的仿真電路接線圖及測量、觀測元件如圖6所示。

圖6 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真電路圖與測量元件

2.3 仿真電路的運行控制與結(jié)果分析

在創(chuàng)建好仿真電路以后，學(xué)生可根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)的需要，設(shè)置各種不同的仿真條件和仿真參數(shù)，來控制仿真電路的運行。例如，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真中，可對仿真的時長、短路故障發(fā)生的時間、持續(xù)時間、故障點的位置、過渡電阻的大小、斷路器的初始狀態(tài)等仿真條件和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。有時候，為了實現(xiàn)一些特殊的仿真功能，可以通過自定義一些控制器模型來實現(xiàn)。例如，在本文小電流接地系統(tǒng)的仿真中，為了實現(xiàn)消弧線圈的補(bǔ)償電流，隨著系統(tǒng)運行方式的變化而自動改變，可以創(chuàng)建一個消弧線圈控制器來實現(xiàn)，如圖7（a）所示（模型左側(cè)三個輸入量為線路2、3、4的斷路器狀態(tài)信號，右側(cè)輸出量為可調(diào)式消弧線圈模型中的三個開關(guān)控制信號）。自定義控制器模型基本參數(shù)的創(chuàng)建和圖4中電氣元件模型的創(chuàng)建類似，但是，為了實現(xiàn)輸入信號和輸出信號間的控制邏輯，需要使用軟件自帶的FORTRAN語言編譯器進(jìn)行編程，如圖7（b）所示。同樣，當(dāng)需要建立一些二次設(shè)備模型時，例如保護(hù)、安全自動裝置等，也可以通過自定義控制元件，編程實現(xiàn)其功能。

圖7 自定義的消弧線圈控制器模型

在設(shè)置好仿真參數(shù)和仿真條件之后，仿真電路便可以進(jìn)行運行，運行過程中，軟件將通過實時計算模擬該電路的運行情況，并將被觀測參數(shù)的變化與仿真結(jié)果通過圖形框、儀表等元件顯示出來。學(xué)生可根據(jù)設(shè)計任務(wù)的需要，設(shè)置不同的仿真條件和仿真參數(shù)，觀察其輸出結(jié)果，并進(jìn)行比較分析。以小電流接地系統(tǒng)的仿真為例，圖8顯示了仿真時間為0.5秒時，1號線路發(fā)生C相線路單相接地時的中性點位移電壓U01、故障點電流ID1以及消弧線圈的補(bǔ)償電流I01，在系統(tǒng)不同運行方式下（t=1秒時線路2退出運行，t=2秒時線路3退出運行，t=3秒時線路4退出運行）的變化波形。從波形可以看出，由于消弧線圈電感可隨系統(tǒng)運行方式的變化而改變，從而使單相接地時的故障電流始終得到了很好的補(bǔ)償。

圖8 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真輸出波形

3 結(jié)束語

PSCAD/EMTDC是一項功能強(qiáng)大，使用方便的電力系統(tǒng)分析工具，將它引入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計中，有助于提高畢業(yè)設(shè)計的效果和專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。在我校電氣工程專業(yè)學(xué)生中，已經(jīng)連續(xù)5屆應(yīng)用該仿真工具開展大三學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計，從實際教學(xué)情況來看，應(yīng)用PSCAD軟件開展畢業(yè)設(shè)計，既能鍛煉學(xué)生綜合運行所學(xué)知識的能力，加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解，同時也提高了學(xué)生運用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的能力。此外，掌握該仿真工具，也為學(xué)生走上工作崗位后，開展電氣工程方面的設(shè)計和研究工作打下了良好的基礎(chǔ)。但是，在應(yīng)用該軟件開展畢業(yè)設(shè)計時，由于一些特殊電氣元件模型或控制功能的實現(xiàn)，需要學(xué)生使用FORTRAN語言編程來實現(xiàn)，對于沒有相關(guān)編程基礎(chǔ)的學(xué)生來說，會有一定難度，需專門進(jìn)行學(xué)習(xí)才能實現(xiàn)。

［1］張正茂.基于PSCAD的電力電子技術(shù)仿真實訓(xùn)［J］.河北師范大學(xué)學(xué)報，2012，（3）.

［2］李玲.小電流接地系統(tǒng)Z形接地變壓器模型設(shè)計［J］.吉林電力，2006，（3）.

［3］候玉強(qiáng).基于PSCAD的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真分析.煤礦機(jī)電［J］.2011，（1）.