基于PSCAD／EMTDC的傳輸線路故障仿真研究

李 偉，趙 惠，金元元

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)物資有限公司，北京 100120）

基于PSCAD／EMTDC的傳輸線路故障仿真研究

李 偉1，趙 惠2，金元元1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)物資有限公司，北京 100120）

為了研究傳輸線路發(fā)生故障時(shí)電路中的電壓和電流的變化情況，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD／EMTDC對輸電故障線路進(jìn)行了建模，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在PSCAD／EMTDC環(huán)境下建立的模型能夠比較準(zhǔn)確地描述在暫態(tài)過程中輸電系統(tǒng)的動態(tài)特性，為現(xiàn)場運(yùn)行以及故障分析提供參考。

傳輸線路故障；PSCAD／EMTDC；仿真

在電力系統(tǒng)中，電力傳輸線路的故障分析、故障檢查以及日常維修非常重要，為了使其更加方便，尋找一種簡單、準(zhǔn)確、高效的分析方法很有必要。目前，PSCAD／EMTDC是一款國外廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)分析軟件，近2年來國內(nèi)各高校和研究所也開始引進(jìn)并應(yīng)用［1］。本文利用PSCAD／EMTDC軟件包在高壓直流輸電（HVDC）、FACTS控制器的設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)諧波分析和電力電子領(lǐng)域的強(qiáng)大仿真計(jì)算功能及其優(yōu)于EMTP的友好直觀界面，設(shè)計(jì)了三相交流輸電線路故障中單相接地故障的模型，并對其中的電壓（電流）進(jìn)行了仿真分析。

1 PSCAD／EMTDC軟件的仿真環(huán)境

PSCAD／EMTDC軟件包是一種離線式的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程仿真程序，其主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域的計(jì)算仿真，它不同于潮流和暫態(tài)視定的模擬工具。EMTDC是PSCAD／EMTDC仿真的核心程序，主要功能是分析電力系統(tǒng)中的各個(gè)電磁暫態(tài)過程，而且用戶還可以在其中自己定義所需要的元件［2］。它已經(jīng)發(fā)展成為一種既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能夠完成電力電子的仿真以及非線性控制的多功能工具，可以簡單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng)［3］。PSCAD／EMTDC軟件包具有精確的直流元件模型、方便的數(shù)據(jù)輸入方式以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能等［4］。

PSCAD／EMTDC軟件的元件模型庫包括以下模型［5］：

a.集中參數(shù)的電阻R、電容C和電感L；

b.隨著時(shí)間變化的電阻R、電容C和電感L；

c.電流源、電壓源和多相諧波電源；

d.多相（換位）分布參數(shù)電纜模型和輸電線路模型；

e.單相或三相（耦合或理想）變壓器（雙繞組或三繞組）；

f.旋轉(zhuǎn)電機(jī)，不但可以模擬三相同步發(fā)電機(jī)、三相感應(yīng)電動機(jī)，還可以模擬汽輪機(jī)、水輪機(jī)的調(diào)速器以及交／直流勵(lì)磁器的動態(tài)特性等［6］；

g.繼電器模型，模擬繼電保護(hù)特性；

h.控制面板，包括滑動觸頭（slider）、開關(guān)（switch）、按鈕（button）以及調(diào)節(jié)控制盤（dial），軟件運(yùn)行時(shí)可以在線控制設(shè)置其參數(shù)值。

從開始到完成一次EMTDC算題包括如下步驟：

a.利用文件管理系統(tǒng)生成一個(gè)工程和算題名；

b.利用建模模塊來建立電力系統(tǒng)模型；

c.利用運(yùn)行模塊來進(jìn)行EMTDC模擬系統(tǒng)計(jì)算；

d.通過單曲線繪圖對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報(bào)告的模擬結(jié)果圖形。

2 三相輸電線路模型

T型接線方式是在傳統(tǒng)的二端輸電線路中引出1條分支線路，向第3處用戶供電（或有電源）。它具有靈活、占地少、設(shè)備投資少、建設(shè)周期短等顯著的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中越來越多的被采用。

在電力系統(tǒng)分析計(jì)算中，確定架空輸電線和電纜的行波模型，對于所需數(shù)據(jù)的計(jì)算過程是相當(dāng)復(fù)雜的。為了確定變換矩陣、模式的傳輸時(shí)間和波阻抗，需要進(jìn)行特征值分析［7］。

在電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真分析中，架空線、電纜的模型是必須考慮的，選擇1種合適的模型有利于提高仿真的精確性，提高仿真效率。一般情況下，在電磁暫態(tài)仿真中，采用以下2種主要模型來描述傳輸線或者傳輸電纜：第1種，也是最常用的方法即PI模型，它通過幾個(gè)PI型模型串連來描述傳輸線或者傳輸電纜；另外1種方法就是采用分布參數(shù)模型，它比第1種方法更適合于電力系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)的模擬。此外，分布參數(shù)模型建立在行波理論的基礎(chǔ)之上，能夠準(zhǔn)確地反映波的反射、幅值畸變、相位畸變等多種復(fù)雜關(guān)系。

三相輸電線路導(dǎo)線之間有電磁的耦合。因此，用矩陣形式表示，可得如式（1）的微分方程［8］：

式中：［u］、［i］、［R］、［L］、［G］、［C］分別為三相輸電線路的電壓、電流、電阻、電感、電導(dǎo)、電容的矩陣表示形式。

3 故障系統(tǒng)建模

本例由三相交流電壓源（Three Phase Voltage source model）、T型線路（T-line Configuration）、T線路接口（T-line Interface）、單項(xiàng)故障（Single Phase Fault）、定時(shí)故障邏輯（Timed Fault Logic）和變量輸入滑塊（Variable Input Slider）組成［9］。系統(tǒng)設(shè)定傳輸線長度為222 km，電壓為500 kV?，F(xiàn)場測試時(shí)間為0.2 s，并假定故障發(fā)生時(shí)間在0.22 s。輸電線相距10 m，且有8 m下垂。忽略導(dǎo)線存在的電暈效應(yīng)和集膚效應(yīng)，大地也視為理想導(dǎo)體。搭建電路模型圖如圖1所示。

由于本例設(shè)置C相發(fā)生故障，因此A相與B相波形應(yīng)完全相同，只是相位不同（相差120°），故研究A相及B相任一相響應(yīng)即可。利用PSCAD／EMTDC搭建的信號輸出模型圖如圖2所示。

圖1 電路模型圖

圖2 信號輸出模型圖

4 仿真結(jié)果分析

建立模型完畢，即可進(jìn)行仿真。故障線路仿真結(jié)果如圖3所示。

改變滑塊位置，重新進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 故障線路仿真圖

圖4 改變滑塊位置后故障線路仿真圖

從圖3及圖4的仿真中可以看出：在輸電線路故障區(qū)間外，三相交流輸電線中電壓（電流）的瞬時(shí)變化波形是相同的；而在輸電故障區(qū)間內(nèi)，仿真軟件描繪出了故障線路中電壓（電流）的不同變化趨勢，與實(shí)際相符合。

5 結(jié)束語

由仿真結(jié)果可看出，利用PSCAD／EMTDC對故障輸電線路建立的系統(tǒng)模型是較理想的。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)間段內(nèi)，模型較準(zhǔn)確地反映出故障線路內(nèi)電壓／電流的變化。只要能熟練運(yùn)用它的元件模型庫，正確構(gòu)建電力系統(tǒng)模型，建模正確，仿真就比較容易，為正確分析電力系統(tǒng)故障提供了有效的工具及依據(jù)。

［1］ 林良真，葉 林.電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD／EMTDC［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（1）：65-66.

［2］ 徐 政.交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］ 程緒可，孫 峰，路 昱，等.基于PSCAD／EMTDC遼南電網(wǎng)黑啟動方案研究［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（4）：15 -17.

［4］ 劉 琳，程建華，劉 瓊.故障定位算法的模擬數(shù)字專家系統(tǒng)［J］.東北電力技術(shù)，1999，20（10）：40-43.

［5］ Joe?air Jiang，Jun?zhe Yang，Ying?hong Lin，etal.An adaptive PMU based fault detection／location technique for transmission lines，PartⅠ：Theory and algorithms［J］.IEEE Transaction on Power Delivery，2000，15（2）：486-493.

［6］ 陳禮義，顧 強(qiáng).電力系統(tǒng)數(shù)字仿真及其發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23（23）：1-6.

［7］ K.W.Louie，A.Wag，P.Wilson，etal.A Newly Built Power Flow Program in PSCAD／EMTDC for Electric Power System Studies［J］.IEEE 2004 international conference on power system technology-POWERCON 2004 Slngapore，21-24 No?vember 2004.

［8］ 韋 鋼，朱若松.T型線路故障的時(shí)域計(jì)算［J］.電工電能新技術(shù)，1998，17（1）：1-6.

［9］ 束洪春，陳學(xué)允.T型輸電系統(tǒng)故障測距算法研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1998，18（6）：416-420.

Simulation of Fault Transmission Line with PSCAD／EMTDC

LI Wei1，ZHAO Hui2，JIN Yuan?yuan1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.State Grid Materials Co.，Ltd.，Beijing 100120，China）

PSCAD／EMTDC（Power System Computer Aided Design／Electro?Magnetic Transient in DC system）software is used to establish the model of fault transmission line in studying its voltage and current.Based on it，the general faults of transmission line are simulated.Simulation results show that the model built in PSCAD／EMTDC can accurately simulate the dynamic behavior of fault system in transient process and provide references for field operation and fault analysis.

Fault transmission line；PSCAD／EMTDC；Simulation

TM743

A

1004-7913（2015）01-0019-03

李 偉（1982—），男，碩士，工程師，從事自動化技術(shù)研究工作。

2014-11-03）