導(dǎo)語：仿真軟件在電力系統(tǒng)分析應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

《電力系統(tǒng)分析》是電氣工程及其自動化本科類教學(xué)的核心課程,做好電力系統(tǒng)分析實(shí)習(xí)對學(xué)生來說至關(guān)重要。電力系統(tǒng)分析課程涉及的知識點(diǎn)較多,理解起來有難度,另外由于該課程為專業(yè)限選課,在大三下學(xué)期才開課,學(xué)生對此學(xué)習(xí)積極性不高。由于該校實(shí)驗(yàn)室條件的限制,目前僅有1個(gè)場地和硬件資源有限的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,要開展一些涉及高壓部分的實(shí)驗(yàn),需要更多的資金和實(shí)驗(yàn)室老師去支持,但這些在短期內(nèi)暫時(shí)無法解決?；谀壳暗默F(xiàn)狀,綜合了目前常用的PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP和Matlab/simulink等常見的電力系統(tǒng)仿真軟件的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將PSCAD仿真軟件用于電力系統(tǒng)實(shí)習(xí)中。PSCAD仿真軟件具有完整的元件庫,可針對不同的大小交直流系統(tǒng)建模,豐富的可視化界面,可使復(fù)雜的電力系統(tǒng)進(jìn)行可視化[1]。PSCAD還可以通過特殊的接口訪問和使用與Matlab命令和工具箱功能的能力,與學(xué)生常用的Matlab/simulink可以相互聯(lián)系起來[2]。采用PSCAD仿真軟件可以解決系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性限制、場地條件限制、絕對安全性和接觸電力系統(tǒng)中的前沿技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)[3],保證學(xué)生實(shí)習(xí)的質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性,為了以后的學(xué)習(xí)和工作奠定良好的基礎(chǔ)。

1PSCAD電力系統(tǒng)仿真分析軟件

PSCAD的概念最初是在1988年被提出,針對Windows系統(tǒng)的PSCAD是在1999年才[4]。目前已成為世界上功能最強(qiáng)大和廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件。PSCAD包括繪圖功能、儀表和控制,允許用戶以圖形化的方式建立電力系統(tǒng)電路,進(jìn)行仿真后對結(jié)果進(jìn)行分析,還可以使用戶在仿真運(yùn)行中改變參數(shù),對仿真過程進(jìn)行觀測等。PSCAD具備電力系統(tǒng)中從簡單無源元件和控制功能到更加復(fù)雜的電動機(jī)、柔性交流輸電設(shè)備和輸電線路等設(shè)備的模型,這些模型都是經(jīng)過已經(jīng)編程和測試的仿真模型。如果搭建的電力系統(tǒng)仿真模型中,沒有所需的特殊模型,PSCAD可以提供給用戶自建模型。PSCAD設(shè)有主元件庫,提供常用的模型有:(1)無源元件(Passive),包括電阻、電感、電容、固定/可變負(fù)載、電抗器和避雷器等;(2)電源(Source),包括電壓源、電流源和光伏電源等;(3)儀表(Meters),包括頻率/相位/有效值測量表、電壓表和電流表等;(4)I/O設(shè)備(I/O_Devices),包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出、其他軟件接口和多重運(yùn)行等;(5)變壓器(Transformers),包括單相雙/三繞組、三相雙/三/四繞組和自耦變壓器等;(6)斷路器故障(Breakers_Faults),包括單/三相斷路器及其定時(shí)控制邏輯、模擬單相和三相故障及其定時(shí)控制邏輯等;(7)輸電線路電纜(Tlines_Cables),包括導(dǎo)納/阻抗數(shù)據(jù)或?qū)w/絕緣屬性、地阻抗數(shù)據(jù)以及所有塔和導(dǎo)體的幾何位置、電氣接口元件等;(8)電動機(jī)(Machines),包括籠型感應(yīng)電動機(jī)、繞線感應(yīng)電動機(jī)、同步電動機(jī)以及勵(lì)磁機(jī)、調(diào)速器、水輪機(jī)、汽輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等;(9)控制元件(ControlSystemsModelingFunctions),包括線性和非線性控制元件;(10)保護(hù)(Protection),包括保護(hù)信號的采集、監(jiān)測和繼電保護(hù)模型等;(11)其他元件(Miscellaneous),包括文件引用/讀取、輸入輸出和節(jié)點(diǎn)等。PSCAD仿真軟件可以用來仿真模擬進(jìn)行電力系統(tǒng)中元件參數(shù)及其物理含義、電力系統(tǒng)對稱和不對稱故障仿真、電力系統(tǒng)簡單和復(fù)雜潮流計(jì)算以及有功和無功功率控制等,還可以將電力系統(tǒng)與電力電子結(jié)合起來,比如新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和電能質(zhì)量(SVC、STATCOM)的應(yīng)用等。學(xué)生通過自己搭建部分模型,可以親自操作。

2電力系統(tǒng)仿真實(shí)例

電力系統(tǒng)實(shí)習(xí)主要是去發(fā)電廠、變電站等,這些單位出于安全的需要,不會讓學(xué)生參與實(shí)際的操作,往往是只能看。以電力系統(tǒng)故障為例,學(xué)生到現(xiàn)場不能體驗(yàn)到故障發(fā)生和處理過程,像電力單位的一些工作多年的專業(yè)人員,碰到事故和處理事故時(shí),也可能會不知所措。一些高校通過購買專業(yè)的物理模擬仿真系統(tǒng),但這些花費(fèi)很高、場地大,對于該?，F(xiàn)有的資源不可能滿足。所以,電力系統(tǒng)中的故障,特別是單相接地短路、兩相短路、兩相短路接地和三相短路的橫向故障,通過PSCAD仿真軟件可以模擬故障發(fā)生和恢復(fù)后各個(gè)量的變化。因篇幅有限,這里僅對電力系統(tǒng)橫向故障中的三相短路進(jìn)行介紹。PSCAD軟件電力系統(tǒng)仿真軟件計(jì)算機(jī)需求:(1)MicrosoftWindowsVista或Windows7操作系統(tǒng),32bit或64bit;(2)附件軟件IntelFortanComposerXE20112,Microsoft.NETFramwork4.0Full3,MicrosoftVisualC++2010Redistributables;首先通過講解PSCAD的基本知識,然后設(shè)置相關(guān)的任務(wù)要求,最后以學(xué)生為中心,自己動手搭建35kV單側(cè)電源輸電系統(tǒng),如圖1所示。其中BAK為斷路器,Tline和Tline1的長度均為20km,每公里電抗為0.4Ω的架空線路。負(fù)載的有功功率為15MW,無功功率為5MVAR。升壓變壓器為三角型/星型接法,降壓變壓器為星型/三角形接法。通過FAULTS模塊設(shè)置故障,TimedFaultLogic模塊設(shè)置故障發(fā)生時(shí)間為0.08s,故障持續(xù)時(shí)間為0.04s。采用工程研究方法,通過分析數(shù)字仿真結(jié)果,找出其內(nèi)在規(guī)律,然后再通過理論進(jìn)行分析,對比在不同量的變化下,電力系統(tǒng)相關(guān)量的變化,這樣可以有助于學(xué)生加深對電力系統(tǒng)故障知識的理解。三相短路故障時(shí)電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的故障,以該故障為例對其進(jìn)行仿真分析。發(fā)生三相短路故障時(shí),電源端的三相電壓電流波形和故障點(diǎn)的三相電壓、三相電流波形如圖2所示。由圖2可知,發(fā)生三相短路故障時(shí),電源端的三相電壓只有微小的波動,沒有發(fā)生顯著的變化;電源端的三相電流幅值增大,A相電流呈整體上升趨勢,B相和C相電流呈整體下降趨勢。故障點(diǎn)電壓由于發(fā)生三相短路,電壓均為0V,當(dāng)故障切除后,三相電壓發(fā)生暫態(tài)波動,但很快就恢復(fù)到正弦變化;在故障發(fā)生前,由于故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),因此故障點(diǎn)處的三相電流均為0A,在發(fā)生三相短路故障后,由于閉合時(shí)有初始輸入量和初始狀態(tài)量,故障點(diǎn)三相幅值都變大,并且A相電流波形上移,C相電流波形下移,在故障排除后,三相電流迅速變?yōu)?A。通過電力系統(tǒng)仿真,可以產(chǎn)生如下實(shí)習(xí)效果:(1)加深了專業(yè)理論知識,理論聯(lián)系實(shí)際,有助于學(xué)生提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用、查找文獻(xiàn)、分析問題和解決問題的能力;(2)對于電力系統(tǒng)更為復(fù)雜的建模系統(tǒng),學(xué)生可以組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行建模,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新精神;(3)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,學(xué)生根據(jù)布置的任務(wù)主動去學(xué)習(xí),激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望,每處理完一個(gè)小問題他們感到很有成就感。以上這些都為以后的工作和研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3結(jié)語

通過上述PSCAD電力系統(tǒng)三相短路故障仿真分析,可以看出仿真實(shí)驗(yàn)不受場地和實(shí)際操作的限制,建模簡單,易操作,仿真波形生動、豐富和直觀,不僅使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)掌握電力系統(tǒng)三相短路故障的原理和現(xiàn)象,還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣,彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室條件的限制。該軟件已用于電力系統(tǒng)分析實(shí)習(xí)過程中,通過學(xué)生反饋的情況,采用該方法可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動積極性。由于第一次設(shè)置該仿真實(shí)習(xí),在實(shí)習(xí)過程中,也有一些今后需要注意的問題,比如實(shí)驗(yàn)室電腦配置需進(jìn)一步提高,教師要多建立一些復(fù)雜的系統(tǒng),同時(shí)還要主動跟現(xiàn)場的人員多多交流,使仿真模型更貼近實(shí)際。

作者:羅朋 楊燕霞 單位:廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院

參考文獻(xiàn)

[1]李廣凱,李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(3):61-65.

[2]衛(wèi)志農(nóng),繆新民,王華偉,等.基于PSCAD-MATALB聯(lián)合調(diào)用的高壓直流控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J].高電壓技術(shù),2014,40(8):2449-2455.

[3]李軍徽,嚴(yán)干貴,任先文,等.突出電氣工程專業(yè)特色的電力電子仿真系統(tǒng)[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(1)172-175.

[4]樂健,胡仁喜.PSCADX4電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.