电力系统故障仿真实验指导书PSCAD EMTDC软件手册.docx
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电力系统故障仿真实验指导书PSCADEMTDC软件手册
电力系统故障仿真实验指导书
（PSCAD/EMTDC软件手册）
（试用版）
西南交通大学电气工程学院
电力系统数字仿真实验室
2007年8月
电力系统故障仿真实验指导书
（PSCAD/EMTDC软件手册）
（试用版）
编者：
桑丙玉
汤俊
童晓阳
王晓茹
西南交通大学电气工程学院
电力系统数字仿真实验室
2007年8月
1.2PSCAD/EMTDC软件的使用2
PSCAD/EMTDC基本操作方法2
第一章PSCAD/EMTDC软件介绍
1.1概述
PSCAD/EMTDC是加拿大马尼托巴高压直流研究中心出品的一款电力系统电磁暂态仿真软件，PSCAD（PowerSystemsComputerAidedDesign）是用户界面，EMTDC（ElectromagneticTransientsincludingDC）是内部程序。
EMTDC最初代表直流暂态，是一套基于软件的电磁暂态模拟程序。
DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，编写这个程序的原因是因为当时现存的研究工具不能够满足曼尼托巴电力局对尼尔逊河高压直流工程进行强有力和灵活的研究的要求。
自此之后程序被不断开发，至今已被广泛地应用在电力系统许多类型的模拟研究，其中包括交流研究，雷电过电压和电力电子学研究。
EMTDC开始时在大型计算机上使用。
然后在1986年被移植到Unix系统和以后的PC机上。
PSCAD代表电力系统计算机辅助设计，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。
可模拟任意大小的交直流系统。
PSCADV11988年首先在阿波罗工作站上使用，然后大约在1995年PSCADV2开始应用。
PSCADV3以PCWindows作为平台，在1999年面世。
目前最新版本的是PSCADV。
用户可以通过调用随EMTDC主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己开发的元部件模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。
EMTDC的威力之一是可以较为简单地模拟复杂电力系统,包括直流输电系统和其相关的控制系统。
采用PSCAD/EMTDC进行的典型模拟研究包括：
●一般的交流电力系统电磁暂态研究
●直流输电结构和控制
●FACTS（灵活交流输电系统）元部件模型
●由于故障、断路器操作或雷电冲击引起的电力系统的过电压研究
●绝缘配合研究
●谐波相互影响研究
●静止补偿器研究
●非线性控制系统研究
●变压器饱和研究,如铁磁振荡和铁芯饱和不稳定性研究
●同步发电机和感应电动机的扭矩效应和自励磁研究
●陡前波分析
●研究当一台多轴系发电机与串补线路或电力电子设备相互作用时的次同步谐振现象
●向孤立负荷送电
电力系统数字仿真实验室使用PSCAD/EMTDC主要进行一般的交流电力系统电磁暂态研究，进行简单和复杂电力系统的故障建模及故障仿真，分析电力系统故障电磁暂态过程。
1.2PSCAD/EMTDC软件的使用
1.2.1PSCAD/EMTDC基本操作方法
1.PSCAD/EMTDC主界面
PSCAD/EMTDC主界面如图1－1所示。
图1－1PSCAD/EMTDC主界面
菜单栏：
包括文件、编辑、视图、编译、窗口、帮助选项。
工具栏：
基本工具，如保存、打印、撤销、缩放、连线、创建新元件等。
编译运行按钮：
包括编译、连接、运行。
主元件库：
MasterLibrary库，包含大量常用的元件模型，启动PSCAD/EMTDC软件时会自动加载这个库，从库中选择元件进行建模。
项目窗口：
包含所有加载进来的库和例子。
可以同时加入多个项目，但一个时刻只能有一个项目处于活动状态（即显示蓝色，可以编译）。
在项目名称上点右键，在列出的菜单条中选择SetasActive可将项目设为活动状态。
状态栏：
显示当前例子状态。
在编译运行时会显示进度，完成后显示Ready。
项目窗口切换：
在例子、记录信息和文件之间切换，一般不用。
消息窗口：
显示例子的编译运行信息，没有错误显示为绿色，有错误以红色显示，双击红色消息则在工作区指示出错误地方。
工作区窗口切换：
使工作区在电气连接图、模块结构图、参数、编程代码等显示界面切换。
主工作区：
在此绘制电力系统电气连接图，可以绘制成多层。
元件库栏：
包含一些常用的基本元件，这些元件主库里面都有，放在这儿只是方便使用，直接点击即可选中到工作区。
2.主元件库（MasterLibrary）
主元件库如图1－2所示，在Main下双击名称，工作区则显示库中包含的元件，复制到项目工作区即可。
每个元件库对应的元件模型见图下。
图1－2MasterLibrary库
Passive：
电阻、电感、电容，三相负荷以及RLC组成的无源滤波支路。
Sources：
单相和三相电压源、电流源、多相谐波源。
Meters：
测量元件库，电压电流及功率测量仪表。
I/O_Devices：
输出通道、波形显示及各种输入输出控制开关等。
Transformers：
单相或三相（耦合或理想）变压器（双绕组和三绕组）。
Breakers_Faults：
单相或三相逻辑控制断路器和故障模型。
Tlines：
输电线的分布参数模型。
Cables：
电缆模型。
PI_sections：
输电线的∏型等值线路。
Machines：
各种电机，包括汽轮机、水轮机等。
HVDC_FACTS_PE：
高压直流输电和灵活交流输电模型库。
CSMF：
各种控制模块和计算模块。
Miscellaneous：
杂项，包括数据标签、多维信号输入、信号分离等。
Logical：
逻辑电路库，包含常见的逻辑控制单元。
Sequencer：
信号或命令发生器。
Protection：
继电器和继电保护单元。
Imports_Exports_Labels：
输入输出标签。
Data_Recorders－Readers：
其它运行信息或记录的波形可以通过此输入到当前例中。
3.元件库栏
元件库栏中是简单的元件模型，如图1－3所示，图中标出了较常用的元件模型。
图1－3元件库栏
连接线是连接同一节点处的元件，不能作输电线；电流表两端接入电路中，测量相电流；线电压表接于两相之间；相电压表接在一相上；功率表两端接入电路中；输电线路有架空线和电缆；接口作为输电线的终止端点连接输电线和其他元件；提取信号是从元件引脚接出信号或将一个多维信号一个一个分离出来；聚合是将多维信号接在一个引脚上；信号标签给信号命名；整常数和实数用于给变量或引脚赋值；输出通道是将所有需要输出或显示的量都要通过此接出；控制开关包括滑动触头（slider）、开关（switch）、按钮（button）及调节控制盘（dial）,运行中可以在线控制参数值；图表框显示波形图。
4.新建元件
库中没有的元件或模块需要自己创建，新建元件或模块的步骤如下：
点工具栏中的
（Newcompenent）图标，出现如图1－4对话框：
图1－4模块结构设置
定义的模块名显示在例子下的definition中，必须要填，工作区显示的名称相当于元件的标题，两个名称最好一样，以便对应；输入输出引脚是模块上下左右伸出的连接线数；PageModule选上是用电气网络图设计，所建的模块双击可直接进入下一层绘制电气连接图，这主要用于设计复杂系统时若一层工作区不好画或画不完，则将系统按节点分为几个模块，先建立模块，双击每个模块在下一层画相应节点图，然后将模块连接起来；不选是用语言编写，不能双击打开，要点右键选Editdefinition，然后在工作区窗口切换栏中选scrip，出现编程界面，用C语言或FORTRAN语言编程，这主要用于创建一个有某种具体功能的元件。
设置好后点“下一步”出现如图1－5界面。
图1－5模块引脚定义
图1－5设置引脚是输入还是输出，以及输入输出信号的数据类型，引脚信号维数是指包含几个量，如图1－9中v1
（2）则表示v1引脚输入必须是两个量，即2维。
点下一步依次设置好各引脚。
若在图1－4中选中了PageModule，则出现如图1－6界面，选择模块下层页面的大小，若没有选PageModule，则直接到图1－7。
图1－6页面设置
在图1－6中选择模块下层页面的大小，视系统规模而定，选好后点下一步出现图1－7界面。
图1－7完成提示
点完成创建新模块成功。
新建模块如图1－8所示，元件创建后，若要修改引脚和参数，选中元件点右键，在下拉菜单中选Editdefinition，出现编辑界面如图1－9所示可进行编辑。
图1－8新建的模块图1－9模块编辑
还可以点工具栏中图标
（Creatadefaultmodule），直接出现默认模块，再进入上述编辑界面进行编辑。
5.元件参数设置
在电力系统故障建模及仿真中，主要需设置电源、传输线路和变压器的参数。
电源参数主要包括内阻、电压（线电压）、频率、相角。
变压器参数主要包括额定电压、基频、容量、接线方式（星形或三角）。
传输线参数：
传输线是电力系统非常重要的元件，由于频率属性和对地回路，传输线不是一个线形元件，在PSCAD库中传输线有两种模型：
集中参数和分布式参数模型
集中参数π模型：
在频域分析中，π模型能够比较精确，但在时域分析中，特别是长线路仿真，π模型的精确度就会大受影响，因此它一般只作为短传输线路的仿真模型。
π模型在主库的PI_sections中，如图1－10所示，两端可以直接接入电路中。
双击元件出现对话框设置基频、线路长度、线路每单位长度的正序、零序参数（电感、电阻和电容）；
图1－10传输线的π模型
分布参数模型：
Bergeron模型、频率决定参数模型FrequencyDependent（Mode）Model、FrequencyDependent（Phase）Model。
Bergeron模型是一种基于行波原理的常频率模型，它能精确的模拟基频稳态时输电线路的阻抗（导纳），但在模拟暂态过程或谐波严重时的阻抗时，将不准确。
该模型常用于潮流的计算、一般保护的设计等。
频率决定参数模型FrequencyDependent（Mode）Model、FrequencyDependent（Phase）Model都能反映线路的频率响应，因此它对暂态过程和谐波严重时的线路有更好的仿真。
库中的Tline和Cable分别是架空线和电缆的分布式参数模型。
以架空线为例：
选中到工作区，双击传输线，出现如图1－11对话框，输入名称、基频和长度，TerminationStyle是选择线路终止类型，选RemoteEnds则线路端点不和其它元件物理上直接连接，需要用图1－3中所示的接口和其他元件连接；DirectConnection是线路端点直接与其他元件连接，不需要接口。
（要注意DirectConnection线路单根显示，只能和单相显示的元件连接）
图1－11基本结构设置
点Edit进入选择模型和结构的界面，在界面空白处点右键，出现如图1－12菜单条，在ChooseModel中选择模型，在AddTower中选择杆塔结构。
Bergeron模型需设置线路每单位长度的正序、零序参数（电感、电阻和电容）；频率决定参数模型需设置杆塔的参数、导线参数（导线半径、电阻等）。
图1－12线路模型和结构选择
6.故障和断路器设置
Breakers_Faults库中故障模型有图1－13所示三种。
其中（b）只能接于以单相模式显示的电气连接图中；三相显示的视图，可以接（a），也可以在每一相上都接一个（c）。
（a）三相（b）三相的单线视图（c）单相
图1－13故障模型
双击Fault块出现图1－14对话框，在下拉框中有结构、故障和正常时的电阻值、故障电流名称、故障类型等设置选项。
在结构设置中，FaultTypeControl是选择故障类型控制，Internal表示可以在故障类型设置选项下自己设置故障类型，External表示从外部输入控制量控制故障类型，
图1－14故障设置
双击TimedFaultLogic块出现图1－15对话框，设置故障开始时间和持续时间，图中表示0.4s时发生故障，故障持续1s。
图1－15时间设置
相对应断路器模型也有三种，如图1－16所示。
在系统的每个节点处都要装断路器，接法和故障类似。
用整常数标签设置断路器状态：
0闭合，1断开。
（a）三相（b）三相的单线视图（c）单相
图1－16断路器模型
7.输出量设置
首先用仪表接在电路中测量要输出的量，再用信号标签将测量信号接于输出通道，在输出通道上点右键如图1－17所示，在阴影栏后面选择信号的输出或显示方式。
观察波形一般选择后面两项。
图1－17选择输出模式
以AddOverlayGraphwithSignal为例，选中后则出现如图1－18中的空白的图形显示框，上端显示Ia，双击图形框可设置格式。
若要将其他输出量（如Ib、Ic）也显示在同一个框内，则在1－17中选择AddasCurve,然后在图形框上点右键，在下拉菜单中选pastecurve就添加进去了，利用这种方法可以将多个量的波形显示在一个图上。
图1－18波形显示框
PSCAD/EMTDC故障建模及仿真流程
用PSCAD/EMTDC进行故障建模及仿真的主要流程如图1－19所示。
图1－19PSCAD/EMTDC故障建模及仿真流程
下面按照上述流程给出一简单的例子，系统一次接线图如图1－20所示，步骤如下：
图1－20系统图
1、新建项目文件
启动软件，选择File/New/Case，在项目窗口就出现一个默认为noname的例子，点保存，出现保存文件对话框，填好保存路径和文件名。
双击项目栏中的文件名，右侧显示空白工作区。
2、构造电气主接线图
1）在MasterLibrary库中找到所需的元件或模型，复制到工作区，或从元件库栏直接选中元件到工作区。
所需元件有三相电压源、断路器和架空线路。
双击元件出现参数设置对话框，在GraphicsDisplay下拉框中有3phaseview和singlelineview选项，分别表示三相视图和单线视图，本例将系统画为三相视图，如图1－21所示：
图1－21元件
2）将元件正确地连接起来。
连线方法：
鼠标在
按钮上点一下，拿到工作区后变为铅笔状，点左键，移动鼠标画线，若再点左键可转向画，再点右键画线完成。
连好后将鼠标再在
按钮上点一下则恢复原状了。
连接后如图1－22所示：
（注：
右端开路也可以无穷大电阻接地表示）
图1－22元件连接图
3、设置元件参数（参照节方法）
电源参数：
容量400MVA，220KV，50Hz，相角0度，内阻1欧，其余用默认参数；
输电线采用架空线Bergeron模型，长度100Km，50Hz，参数用附录中的220KV线路参数。
（注意单位的换算，表中给出的是电感电容值，软件中要输入电抗和电纳值）
4、设置故障
假设在线路末端出口处发生单相接地故障，按照节中的故障设置方法，可以有图1－23两种接线方式。
（a）
（b）
图1－23故障接线图
5、设置输出量和断路器状态
短路器闭合，分别输出显示故障相电压和电流。
6、编译运行
完成后编译连接，若有错误，消息窗口则有红色显示，双击消息指示在工作区，修改重新编译连接直至无错，然后运行，观察分析波形。
本例中A相接地短路，故障开始时间为0.2s，持续时间0.2s，如图1－24
图1－24故障相电流电压波形
7、保存打印
若要将PSCAD中的图形拷贝到Word中，用鼠标选中要拷贝的图形，然后点右键，在下拉菜单中选择CopyasMeta-File，再在Word中点右键选粘贴即可。
注：
上例中故障发生在线路末端，直接接在末端，若故障发生在线路中间，则要将线路分为两段，故障接在中间，如图1－25所示，只要将两段线路总长度设和原来相等即可，这样就可以在线路的任一处设置故障了。
图1－25线路中接故障
8.帮助功能
PSCAD/EMTDC提供了丰富的帮助功能，在其自带的任一元件上点右键选help则打开帮助文档，文档中对每个元件的功能、用法等都有非常详细的说明。
第二章实验项目
实验一电力系统故障建模
1实验目的
1）熟悉PSCAD/EMTDC的正确使用；
2）掌握多节点电力系统的建模；
3）掌握元件及不同线路模型参数的设置方法；
4）掌握各种短路故障的建模；
2预习要求
复习《电力系统分析》中关于电力系统组成、结构、元件模型等相关内容。
3、实验内容及步骤
如图2－1所示系统，利用PSCAD/EMTDC软件完成以下实验内容：
1）新建一名为“4Bus”的项目文件，保存在桌面上以学号命名的文件夹中。
2）在新项目工作区进行系统建模：
将A、B、C、D四个节点分别画在四个模块中，在每段线路中都加入三相故障模块；
3）用附录中的500kv典型参数设置电源和线路的参数（传输线采用Bergeron模型，每段线路长度分别为AB段300Km，BC段100Km，AD段100Km，DE段50Km）；
4）双绕组变压器变比为500kv/220kv，容量为100MVA，一次侧星接，二次侧三角接；（注意变压器两边电压等级不同，线路参数也应当不同）
5）设置输出量：
将每一节点的三相电压和电流分别输出显示在两个波形框中。
图2－1系统一次接线图
4、思考题
1）电力系统由哪些部分组成？
2）附录中的线路参数和Bergeron模型中需输入的参数如何转换？
5、实验报告
实验完成后要求完成有关电力系统故障建模的实验报告，内容如下：
1）将完成的电力系统故障建模图粘贴到Word中；
2）将附录中典型参数和Bergeron模型中参数的转换过程写下来
实验二电力系统故障仿真分析
1、实验目的
1）能熟练运用计算机对不同的短路故障进行仿真；
2）能够分析各种短路故障下电压电流的变化过程；
3）掌握不对称短路的分析方法；
2、预习要求
复习《电力系统分析》中电力系统故障分析的相关内容，了解电力系统短路故障时的电磁暂态过程。
3、实验内容及步骤
利用实验一建成的系统模型，完成以下实验内容：
（故障开始时间均为0.4，故障持续时间1s）
1）在AB段任选一处设单相接地故障，在过渡电阻分别为0、50欧、100欧和200欧时，仿真并记录故障点的三相电压电流波形。
2）在AB段首端10km处、AB段200km处及BC段末端10km处分别设单相接地故障，过渡电阻分别为0，仿真并记录故障点的三相电压电流波形。
3）同时在AB段，BC段任选一处设相间接地短路，过渡电阻为0，仿真并记录两个故障点的三相电压电流波形；
4）同时在AB段，AD段任选一处设相间短路，等效过渡电阻为0，仿真并记录两个故障点的三相电压电流波形；
5）在变压器出口处设三相短路，仿真并记录故障点三相电压电流波形。
4、思考题
1）电力系统常见的故障有哪些？
2）简述短路故障时电压电流的变化及其危害。
3）短路电流和过渡电阻有什么关系？
4）哪些是对称短路？
哪些是不对称短路？
有什么区别？
5）不同地点发生短路时，短路电流相同吗？
6）电力系统中同时多点短路时，相互之间有影响吗？
5、实验报告
实验完成后要求完成有关电力系统故障仿真分析的实验报告，内容如下：
1）将每一步实验故障相的电流数值记录到Word表格中；
2）将每一步实验故障点三相电压电流波形图粘贴到Word中；
3）根据上述实验数据，回答思考题。
实验三IEEE14bus系统建模（选做）
IEEE14bus系统如图4－1所示，对系统进行建模
图4－1IEEE14bus系统
附录不同电压等级下的输电线路典型参数
（/百km）
电压等级/kV
220
330
500
750
正序电感/mH
127.4
105.1
89.17
85.35
零序电感/mH
382.2
315.3
273.9
267.5
正序电阻/Ω
7.05
4.64
1.96
1.22
零序电阻/Ω
32.3
26.2
18.28
27.29
正序电容/μF
0.86
1.113
1.35
1.367
零序电容/μF
0.605
0.763
0.92
0.93
正序阻抗角/（°）
80
82
86
87.4
零序阻抗角/（°）
75
75
78
72
摘自：
750kV输电线路对继电保护的影响.沈晓凡,粟小华,周春霞.电力设备，2006，7
（1）
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