PSCAD實驗指導(dǎo)書

1、電力系統(tǒng)故障仿真實驗指導(dǎo)書（PSCAD/ EMTDC軟件手冊）（試用版）目 錄第一章 PSCAD/EMTDC軟件介紹11.1 概述11.2 PSCAD/EMTDC軟件的使用21.2.1 PSCAD/EMTDC基本操作方法21.2.2 PSCAD/EMTDC故障建模及仿真流程12第二章 實驗項目16實驗一 電力系統(tǒng)故障建模161、實驗?zāi)康?62、預(yù)習(xí)要求163、實驗內(nèi)容及步驟164、思考題175、實驗報告17實驗二 電力系統(tǒng)故障仿真分析171、實驗?zāi)康?72、預(yù)習(xí)要求173、實驗內(nèi)容及步驟174、思考題185、實驗報告18實驗三 IEEE14bus系統(tǒng)建模（選做）19附錄 不同電壓等級下的輸電線

2、路典型參數(shù)2021第一章 PSCAD/EMTDC軟件介紹1.1 概述PSCAD/EMTDC是加拿大馬尼托巴高壓直流研究中心出品的一款電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）是用戶界面，EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）是內(nèi)部程序。EMTDC最初代表直流暫態(tài)，是一套基于軟件的電磁暫態(tài)模擬程序。Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，編寫這個程序的原因是因為當(dāng)時現(xiàn)存的研究工具不能夠滿足曼尼托巴電力局對尼爾遜河高壓直流

3、工程進行強有力和靈活的研究的要求。自此之后程序被不斷開發(fā)，至今已被廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)許多類型的模擬研究，其中包括交流研究，雷電過電壓和電力電子學(xué)研究。EMTDC開始時在大型計算機上使用。然后在1986年被移植到Unix系統(tǒng)和以后的PC機上。PSCAD代表電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCAD V1 1988年首先在阿波羅工作站上使用，然后大約在1995年P(guān)SCAD V2開始應(yīng)用。PSCAD V3以PC Windows作為平臺

4、，在1999年面世。目前最新版本的是PSCAD V4.2.1。 用戶可以通過調(diào)用隨EMTDC 主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)。EMTDC 的威力之一是可以較為簡單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng), 包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)。 采用 PSCAD/EMTDC 進行的典型模擬研究包括：l 一般的交流電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究 l 直流輸電結(jié)構(gòu)和控制 l FACTS(靈活交流輸電系統(tǒng))元部件模型 l 由于故障、斷路器操作或雷電沖擊引起的電力系統(tǒng)的過電壓研究l 絕緣配合研究l 諧波相互影響研究l 靜止補償器研究 l 非線性控制系統(tǒng)研究 l 變壓

5、器飽和研究, 如鐵磁振蕩和鐵芯飽和不穩(wěn)定性研究l 同步發(fā)電機和感應(yīng)電動機的扭矩效應(yīng)和自勵磁研究 l 陡前波分析 l 研究當(dāng)一臺多軸系發(fā)電機與串補線路或電力電子設(shè)備相互作用時的次同步諧振現(xiàn)象l 向孤立負荷送電電力系統(tǒng)數(shù)字仿真實驗室使用PSCAD/EMTDC主要進行一般的交流電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究，進行簡單和復(fù)雜電力系統(tǒng)的故障建模及故障仿真，分析電力系統(tǒng)故障電磁暫態(tài)過程。1.2 PSCAD/EMTDC軟件的使用1.2.1 PSCAD/EMTDC基本操作方法1. PSCAD/EMTDC主界面PSCAD/EMTDC主界面如圖11所示。圖11 PSCAD/EMTDC主界面菜單欄：包括文件、編輯、視圖、編譯

6、、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(chuàng)建新元件等。編譯運行按鈕：包括編譯、連接、運行。主元件庫：Master Library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(tài)（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Set as Active可將項目設(shè)為活動狀態(tài)。狀態(tài)欄：顯示當(dāng)前例子狀態(tài)。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

7、窗口：顯示例子的編譯運行信息，沒有錯誤顯示為綠色，有錯誤以紅色顯示，雙擊紅色消息則在工作區(qū)指示出錯誤地方。工作區(qū)窗口切換：使工作區(qū)在電氣連接圖、模塊結(jié)構(gòu)圖、參數(shù)、編程代碼等顯示界面切換。主工作區(qū)：在此繪制電力系統(tǒng)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(qū)。2.主元件庫（Master Library）主元件庫如圖12所示，在Main下雙擊名稱，工作區(qū)則顯示庫中包含的元件，復(fù)制到項目工作區(qū)即可。每個元件庫對應(yīng)的元件模型見圖下。圖12 Master Library庫Passive：電阻、電感、電容，三相負荷以及R

8、LC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、波形顯示及各種輸入輸出控制開關(guān)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(shù)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。Misce

9、llaneous：雜項，包括數(shù)據(jù)標(biāo)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(fā)生器。Protection：繼電器和繼電保護單元。Imports_Exports_Labels：輸入輸出標(biāo)簽。Data_RecordersReaders：其它運行信息或記錄的波形可以通過此輸入到當(dāng)前例中。3.元件庫欄元件庫欄中是簡單的元件模型，如圖13所示，圖中標(biāo)出了較常用的元件模型。圖13 元件庫欄連接線是連接同一節(jié)點處的元件，不能作輸電線；電流表兩端接入電路中，測量相電流；線電壓表接于兩相之間；相電壓表接在一相上；功率表兩端接入電路中；輸電線路

10、有架空線和電纜；接口作為輸電線的終止端點連接輸電線和其他元件；提取信號是從元件引腳接出信號或?qū)⒁粋€多維信號一個一個分離出來；聚合是將多維信號接在一個引腳上；信號標(biāo)簽給信號命名；整常數(shù)和實數(shù)用于給變量或引腳賦值；輸出通道是將所有需要輸出或顯示的量都要通過此接出；控制開關(guān)包括滑動觸頭(slider)、開關(guān)(switch)、按鈕(button)及調(diào)節(jié)控制盤(dial),運行中可以在線控制參數(shù)值；圖表框顯示波形圖。4. 新建元件庫中沒有的元件或模塊需要自己創(chuàng)建，新建元件或模塊的步驟如下：點工具欄中的 （New compenent）圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖14對話框 ：圖14 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)置定義的模塊名顯示在例子下

11、的definition中，必須要填，工作區(qū)顯示的名稱相當(dāng)于元件的標(biāo)題，兩個名稱最好一樣，以便對應(yīng)；輸入輸出引腳是模塊上下左右伸出的連接線數(shù)；Page Module選上是用電氣網(wǎng)絡(luò)圖設(shè)計，所建的模塊雙擊可直接進入下一層繪制電氣連接圖，這主要用于設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)時若一層工作區(qū)不好畫或畫不完，則將系統(tǒng)按節(jié)點分為幾個模塊，先建立模塊，雙擊每個模塊在下一層畫相應(yīng)節(jié)點圖，然后將模塊連接起來；不選是用語言編寫，不能雙擊打開，要點右鍵選Edit definition，然后在工作區(qū)窗口切換欄中選scrip，出現(xiàn)編程界面，用C語言或FORTRAN語言編程，這主要用于創(chuàng)建一個有某種具體功能的元件。設(shè)置好后點“下一步”出

12、現(xiàn)如圖15界面。圖15 模塊引腳定義圖15設(shè)置引腳是輸入還是輸出，以及輸入輸出信號的數(shù)據(jù)類型，引腳信號維數(shù)是指包含幾個量，如圖19中v1（2）則表示v1引腳輸入必須是兩個量，即2維。點下一步依次設(shè)置好各引腳。若在圖14中選中了Page Module，則出現(xiàn)如圖16界面，選擇模塊下層頁面的大小，若沒有選Page Module，則直接到圖17。圖16 頁面設(shè)置在圖16中選擇模塊下層頁面的大小，視系統(tǒng)規(guī)模而定，選好后點下一步出現(xiàn)圖17界面。圖17 完成提示點完成創(chuàng)建新模塊成功。新建模塊如圖18所示，元件創(chuàng)建后，若要修改引腳和參數(shù)，選中元件點右鍵，在下拉菜單中選Edit definition，出現(xiàn)編輯

13、界面如圖19所示可進行編輯。 圖18 新建的模塊 圖19模塊編輯還可以點工具欄中圖標(biāo)（Creat a default module），直接出現(xiàn)默認模塊，再進入上述編輯界面進行編輯。5.元件參數(shù)設(shè)置在電力系統(tǒng)故障建模及仿真中，主要需設(shè)置電源、傳輸線路和變壓器的參數(shù)。電源參數(shù)主要包括內(nèi)阻、電壓（線電壓）、頻率、相角。變壓器參數(shù)主要包括額定電壓、基頻、容量、接線方式（星形或三角）。傳輸線參數(shù)：傳輸線是電力系統(tǒng)非常重要的元件，由于頻率屬性和對地回路，傳輸線不是一個線形元件，在PSCAD庫中傳輸線有兩種模型：集中參數(shù)和分布式參數(shù)模型集中參數(shù)模型： 在頻域分析中，模型能夠比較精確，但在時域分析中，特別是長

14、線路仿真，模型的精確度就會大受影響，因此它一般只作為短傳輸線路的仿真模型。模型在主庫的PI_sections中，如圖110所示，兩端可以直接接入電路中。雙擊元件出現(xiàn)對話框設(shè)置基頻、線路長度、線路每單位長度的正序、零序參數(shù)（電感、電阻和電容）；圖110 傳輸線的模型分布參數(shù)模型：Bergeron 模型、頻率決定參數(shù)模型Frequency Dependent (Mode) Model、Frequency Dependent (Phase) Model。Bergeron 模型是一種基于行波原理的常頻率模型，它能精確的模擬基頻穩(wěn)態(tài)時輸電線路的阻抗（導(dǎo)納），但在模擬暫態(tài)過程或諧波嚴重時的阻抗時，將不準確

15、。該模型常用于潮流的計算、一般保護的設(shè)計等。頻率決定參數(shù)模型Frequency Dependent (Mode) Model、Frequency Dependent (Phase) Model都能反映線路的頻率響應(yīng)，因此它對暫態(tài)過程和諧波嚴重時的線路有更好的仿真。庫中的Tline和Cable分別是架空線和電纜的分布式參數(shù)模型。以架空線為例：選中到工作區(qū)，雙擊傳輸線，出現(xiàn)如圖111對話框，輸入名稱、基頻和長度，Termination Style是選擇線路終止類型，選Remote Ends則線路端點不和其它元件物理上直接連接，需要用圖13中所示的接口和其他元件連接；Direct Connectio

16、n是線路端點直接與其他元件連接，不需要接口。（要注意Direct Connection線路單根顯示，只能和單相顯示的元件連接）圖111 基本結(jié)構(gòu)設(shè)置點Edit進入選擇模型和結(jié)構(gòu)的界面，在界面空白處點右鍵，出現(xiàn)如圖112菜單條，在Choose Model中選擇模型，在Add Tower中選擇桿塔結(jié)構(gòu)。Bergeron模型需設(shè)置線路每單位長度的正序、零序參數(shù)（電感、電阻和電容）；頻率決定參數(shù)模型需設(shè)置桿塔的參數(shù)、導(dǎo)線參數(shù)（導(dǎo)線半徑、電阻等）。圖112 線路模型和結(jié)構(gòu)選擇6.故障和斷路器設(shè)置Breakers_Faults庫中故障模型有圖113所示三種。其中（b）只能接于以單相模式顯示的電氣連接圖中；

17、三相顯示的視圖，可以接（a），也可以在每一相上都接一個（c）。 （a）三相 (b) 三相的單線視圖 (c)單相圖113 故障模型雙擊Fault塊出現(xiàn)圖114對話框，在下拉框中有結(jié)構(gòu)、故障和正常時的電阻值、故障電流名稱、故障類型等設(shè)置選項。在結(jié)構(gòu)設(shè)置中，F(xiàn)ault Type Control是選擇故障類型控制，Internal表示可以在故障類型設(shè)置選項下自己設(shè)置故障類型，External表示從外部輸入控制量控制故障類型， 圖114 故障設(shè)置雙擊Timed Fault Logic塊出現(xiàn)圖115對話框，設(shè)置故障開始時間和持續(xù)時間，圖中表示0.4s時發(fā)生故障，故障持續(xù)1s。圖115 時間設(shè)置相對應(yīng)斷路器

18、模型也有三種，如圖116所示。在系統(tǒng)的每個節(jié)點處都要裝斷路器，接法和故障類似。用整常數(shù)標(biāo)簽設(shè)置斷路器狀態(tài)： 0閉合，1斷開。 （a）三相 (b) 三相的單線視圖 (c)單相圖116 斷路器模型7. 輸出量設(shè)置首先用儀表接在電路中測量要輸出的量，再用信號標(biāo)簽將測量信號接于輸出通道，在輸出通道上點右鍵如圖117所示，在陰影欄后面選擇信號的輸出或顯示方式。觀察波形一般選擇后面兩項。圖117 選擇輸出模式以Add Overlay Graph with Signal為例，選中后則出現(xiàn)如圖118中的空白的圖形顯示框，上端顯示Ia，雙擊圖形框可設(shè)置格式。若要將其他輸出量（如Ib、Ic）也顯示在同一個框內(nèi)，則

19、在117中選擇Add as Curve,然后在圖形框上點右鍵，在下拉菜單中選paste curve就添加進去了，利用這種方法可以將多個量的波形顯示在一個圖上。圖118 波形顯示框1.2.2 PSCAD/EMTDC故障建模及仿真流程用PSCAD/EMTDC進行故障建模及仿真的主要流程如圖119所示。圖119 PSCAD/EMTDC故障建模及仿真流程下面按照上述流程給出一簡單的例子，系統(tǒng)一次接線圖如圖120所示，步驟如下：圖120 系統(tǒng)圖1、新建項目文件啟動軟件，選擇File/New/Case，在項目窗口就出現(xiàn)一個默認為noname的例子，點保存，出現(xiàn)保存文件對話框，填好保存路徑和文件名。雙擊項目

20、欄中的文件名，右側(cè)顯示空白工作區(qū)。2、構(gòu)造電氣主接線圖1）在Master Library庫中找到所需的元件或模型，復(fù)制到工作區(qū)，或從元件庫欄直接選中元件到工作區(qū)。所需元件有三相電壓源、斷路器和架空線路。雙擊元件出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框，在Graphics Display下拉框中有3 phase view和single line view選項，分別表示三相視圖和單線視圖，本例將系統(tǒng)畫為三相視圖，如圖121所示：圖121元件2）將元件正確地連接起來。連線方法：鼠標(biāo)在按鈕上點一下，拿到工作區(qū)后變?yōu)殂U筆狀，點左鍵，移動鼠標(biāo)畫線，若再點左鍵可轉(zhuǎn)向畫，再點右鍵畫線完成。連好后將鼠標(biāo)再在按鈕上點一下則恢復(fù)原狀了。

21、連接后如圖122所示：（注：右端開路也可以無窮大電阻接地表示）圖122元件連接圖3、設(shè)置元件參數(shù)（參照1.2.1節(jié)方法）電源參數(shù)：容量400MVA，220KV，50Hz，相角0度，內(nèi)阻1歐，其余用默認參數(shù)；輸電線采用架空線Bergeron模型，長度100Km，50Hz，參數(shù)用附錄中的220KV線路參數(shù)。 （注意單位的換算，表中給出的是電感電容值，軟件中要輸入電抗和電納值）4、設(shè)置故障假設(shè)在線路末端出口處發(fā)生單相接地故障，按照1.2.1節(jié)中的故障設(shè)置方法，可以有圖123兩種接線方式。（a）（b）圖123故障接線圖5、設(shè)置輸出量和斷路器狀態(tài)短路器閉合，分別輸出顯示故障相電壓和電流。6、編譯運行完成

22、后編譯連接，若有錯誤，消息窗口則有紅色顯示，雙擊消息指示在工作區(qū)，修改重新編譯連接直至無錯，然后運行，觀察分析波形。本例中A相接地短路，故障開始時間為0.2s，持續(xù)時間0.2s，如圖124所示，0.2s時電流增大，電壓降低，持續(xù)0.2s后在0.4s又恢復(fù)。圖124 故障相電流電壓波形7、保存打印若要將PSCAD中的圖形拷貝到Word中，用鼠標(biāo)選中要拷貝的圖形，然后點右鍵，在下拉菜單中選擇Copy as Meta-File，再在Word中點右鍵選粘貼即可。注：上例中故障發(fā)生在線路末端，直接接在末端，若故障發(fā)生在線路中間，則要將線路分為兩段，故障接在中間，如圖125所示，只要將兩段線路總長度設(shè)和原

23、來相等即可，這樣就可以在線路的任一處設(shè)置故障了。圖125 線路中接故障8.幫助功能PSCAD/EMTDC提供了豐富的幫助功能，在其自帶的任一元件上點右鍵選help則打開幫助文檔，文檔中對每個元件的功能、用法等都有非常詳細的說明。第二章 實驗項目實驗一 電力系統(tǒng)故障建模1 實驗?zāi)康?）熟悉PSCAD/EMTDC的正確使用；2）掌握多節(jié)點電力系統(tǒng)的建模；3）掌握元件及不同線路模型參數(shù)的設(shè)置方法；4）掌握各種短路故障的建模；2 預(yù)習(xí)要求復(fù)習(xí)電力系統(tǒng)分析中關(guān)于電力系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)、元件模型等相關(guān)內(nèi)容。3、實驗內(nèi)容及步驟如圖21所示系統(tǒng)，利用PSCAD/EMTDC軟件完成以下實驗內(nèi)容：1）新建一名為“4B

24、us”的項目文件，保存在桌面上以學(xué)號命名的文件夾中。2）在新項目工作區(qū)進行系統(tǒng)建模：將A、B、C、D四個節(jié)點分別畫在四個模塊中，在每段線路中都加入三相故障模塊；3）用附錄中的500kv典型參數(shù)設(shè)置電源和線路的參數(shù)（傳輸線采用Bergeron 模型，每段線路長度分別為AB段300Km， BC段100Km， AD段100Km， DE段50Km）；4）雙繞組變壓器變比為500kv/220kv，容量為100MVA，一次側(cè)星接，二次側(cè)三角接；（注意變壓器兩邊電壓等級不同，線路參數(shù)也應(yīng)當(dāng)不同）5）設(shè)置輸出量：將每一節(jié)點的三相電壓和電流分別輸出顯示在兩個波形框中。圖21 系統(tǒng)一次接線圖4、思考題1）電力系統(tǒng)

25、由哪些部分組成？2）附錄中的線路參數(shù)和Bergeron 模型中需輸入的參數(shù)如何轉(zhuǎn)換？5、實驗報告實驗完成后要求完成有關(guān)電力系統(tǒng)故障建模的實驗報告，內(nèi)容如下：1）將完成的電力系統(tǒng)故障建模圖粘貼到Word中；2）將附錄中典型參數(shù)和Bergeron 模型中參數(shù)的轉(zhuǎn)換過程寫下來實驗二 電力系統(tǒng)故障仿真分析1、實驗?zāi)康?）能熟練運用計算機對不同的短路故障進行仿真；2）能夠分析各種短路故障下電壓電流的變化過程；3）掌握不對稱短路的分析方法；2、預(yù)習(xí)要求復(fù)習(xí)電力系統(tǒng)分析中電力系統(tǒng)故障分析的相關(guān)內(nèi)容，了解電力系統(tǒng)短路故障時的電磁暫態(tài)過程。3、實驗內(nèi)容及步驟利用實驗一建成的系統(tǒng)模型，完成以下實驗內(nèi)容：（ 故障開始時間均為0.4，故障持續(xù)時間1s）1）在AB段任選一處設(shè)單相接地故障，在