【正文】 PSCADMATLAB 接口仿真準(zhǔn)備，現(xiàn)根據(jù)上一節(jié)圖 可以建立 MATLAB 環(huán)境下的電路模型，如圖 所示，其參數(shù)同上圖 設(shè)置。 a 故障控制模型 b 故障類型與投入控制 c 定時(shí)邏輯控制 圖 故障控制單元 調(diào)節(jié)盤(pán)各數(shù)字代表的故障類型說(shuō)明如下表 所示： 表 調(diào)節(jié)盤(pán)的位置含義 位置 故障類型 位置 故 障類型 1 A 相接地 6 BC 兩相接地 2 B 相接地 7 ABC 三相接地 3 C 相接地 8 AB 兩相間 位置 故障類型 位置 故障類型 4 AB 兩相接地 9 AC兩相間 5 AC 兩相接地 10 BC 兩相間 此時(shí)故障的投入時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間可以任意選擇。在 時(shí)投入故障，在持續(xù)時(shí)間內(nèi)故障相 a 相的電流劇增至幅值近似 1kA，故障相電壓 a 相電壓近似為零。 基于 PSCAD/EMTDC 和 MATLAB 的電磁暫態(tài)接口仿真研究 PSCAD 和 MATLAB 的接口介紹 EMTDC electromagic transient in DC system 是 20 世紀(jì) 70 年代中期發(fā)展起來(lái)的一個(gè)電磁暫態(tài)仿真軟件，經(jīng)過(guò)近 30 年的發(fā)展，目前其已具有了十分完善的 EMTDC 的元件模型庫(kù)和功能，被廣 泛應(yīng)用于交直流電力系統(tǒng)研究、電力電子仿真以及非線性控制等領(lǐng)域，日益成為一種世界各國(guó)通用的電力系統(tǒng)分析軟件。 另一方面， PSCADMATLAB 接口可以把 PSCAD/EMTDC 程序強(qiáng)大的電力系統(tǒng)分析功能和 MATLAB 語(yǔ)言高超的圖形可視化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng) PSCAD/ EMTDC 程序的圖形處理能力。該 Fortran子程序可以啟動(dòng) MATLAB數(shù)據(jù)引擎并建立起 Fortran子程序和 MATLAB數(shù)據(jù)引擎之間的通信管道。在自定義元件上右鍵選擇Edit Definition 便自動(dòng)進(jìn)入 Graphic 界面。這里 主要用到Text Field 和 Input Field。有 REAL、 INTEGER、LOGIGAL 和 COMPLE 四種，根據(jù)實(shí)際情況選用。 圖 整流模塊 3 逆變側(cè)元件 如圖中“ inverter81”所示代表逆變模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。該 Fortran 子程序可以啟動(dòng) MATLAB 數(shù)據(jù)引擎并建立起 Fortran 子程序和MATLAB 數(shù)據(jù)引擎之間的通信管道，同時(shí)，含有 MATLAB 命令的 M 文件也傳到 MA TL AB 數(shù)據(jù)引擎中，這樣， PSCAD/EMTDC 和 MATLAB 就緊密地結(jié)合了起來(lái) , 用戶可以根據(jù)需要編制 M 文件，實(shí)現(xiàn)所需的仿真。 此時(shí)的故障在 時(shí)刻投入，持續(xù) 的時(shí)間，由直流電壓和電流的波形可知，在故障期間，任意類型的短路故障都會(huì)至少使三相的某一相的電壓下降，致使換流側(cè)的母線電壓下降不可避免，因而 會(huì)使得換間的換相失敗，直流電流增大，直流電壓下降， 后 故障切除后 再經(jīng)過(guò) 50ms 左右換流才會(huì)恢復(fù)正常，如圖 a 和 b 所示，詳見(jiàn)附錄 B。本文此處只畫(huà)出各個(gè)電量的基波頻率分量的相量圖。 a MATLAB 繪制 Vs1 相量圖 b PSCAD 繪制 Vs1 相量圖 c MATLAB 繪制 Is1 相量圖 d PSCAD 繪制 Is1 相量圖 圖 正常無(wú)故障運(yùn)行時(shí)相量圖 藍(lán)色為 a 相，綠色為 b 相，紅 褐 色為 c 相 以 a 相接地為例，電量的各個(gè)序分量相量圖如圖 a 、 b 、 c 、 d 所示。根據(jù)邊界條件 ，如圖 a 、 b 、 c 、 d 所示各個(gè)序分量相量圖，此時(shí)，三者相等滿足邊界條件。 3 運(yùn)用 PSCADMATLAB 的接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)的仿真。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。 3 在 PSCADMATLAB 接口技術(shù)方面，只是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了兩者的接口仿真功能，需要進(jìn)一步的理論學(xué)習(xí)來(lái)加強(qiáng)接口技術(shù)的應(yīng)用能力。 a MATLAB 繪制故障點(diǎn)三相電流相量圖 b PSCAD 繪制三相故障電流相量圖 圖 三相接地短路時(shí)的故障點(diǎn)三相電流相量圖 藍(lán)色為 a 相 ，綠色為 b 相，紅 褐 色為 c 相 綜上所述，基于 PSACDMATLAB 的接口仿真在五種條件下的仿真結(jié)果符合故障分析中的邊界條件；同時(shí)，由 MATLAB 繪制的相量圖與 PSCAD 的仿真結(jié)果幾乎一致。 以 b、 c 兩相為例。下面就故障 1 處進(jìn)行無(wú)故障、單相接地短路、兩相相間短路、兩相接地短路和三相接地短路的相量圖繪制。 因此，從本文的仿真結(jié)果來(lái)看，在交直流傳輸系統(tǒng)中，除非在直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的換流節(jié)點(diǎn)及其附近處發(fā)生故障，會(huì)使得換流側(cè)的換相失敗，其他遠(yuǎn)離換流節(jié)點(diǎn)的交流系統(tǒng)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響很小，如表 表示遠(yuǎn)離換流節(jié)點(diǎn)的不同長(zhǎng)度輸電線處 發(fā)生三相短路時(shí)的直流電壓和電流情況，此時(shí)故障 2 和 3 同時(shí)作用。其中模塊符號(hào)任意，根據(jù)用戶需要進(jìn)行個(gè)性化的繪制，參數(shù)和功能同樣根據(jù)用戶的仿真需求進(jìn)行不同的設(shè)置定義。同第三章所介紹的故障設(shè)置不同的是此時(shí)將故障設(shè)為 瞬時(shí)性和永久性故障，并由邏輯控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)定時(shí)故障控制，圖示的三處故障類似，包含所有短路類型的故障，如圖 a 、 b 表示其設(shè)置情況。 2. 元件選擇介紹 1 變壓器元件 該系統(tǒng)圖形交流部分的三個(gè)變壓器設(shè)置如圖 所示。就本部分所闡述的主題來(lái)講，接口所要完成的 代碼在 DSDYN 文件中添加，只需要對(duì) DSDYN 文件添加代碼。它提供該元件在使用時(shí)可修改參數(shù)的界面。根據(jù)變量的輸入輸出類型、數(shù)據(jù)類型、維數(shù)填寫(xiě)完畢，一個(gè)自定義元件的外殼便生成了。 PSCAD/ EMTDCMATLAB 接口的界面如圖 所示，圖中假定有 m 個(gè)輸入量， n 個(gè)輸出量，通過(guò)接口中 MA TLAB 的 M 文件對(duì) m 個(gè)輸入量進(jìn)行處理 , 得到 n 個(gè)所需的輸出量。 PSCAD/ EMTDC 是暫態(tài)分析程序， MATLAB 是數(shù)學(xué)模型軟件包，它們之間具有互補(bǔ)性，通過(guò)兩者之間的接口能把它們的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。兩種仿真環(huán)境下，仿真波形幾乎一致。 3. 兩種故障設(shè)置的比較 經(jīng)過(guò)兩種仿真環(huán)境的運(yùn)行過(guò)程對(duì)比可知，在故障設(shè)置方面， PSCAD 的設(shè)置更為靈活方便，因?yàn)橹灰诳刂贫它c(diǎn)加入邏輯關(guān)系控制就可以通過(guò)切換操作快捷的改變故障的設(shè)置，而后只需通過(guò)可視化的調(diào)節(jié)盤(pán)進(jìn)行故障控制。該模型如圖 a 、 b 所示。 2 變壓器元件 變壓器 T1 和 T2，選擇三相雙繞組變壓器，變比為 10/110kV，容量分別是50MVA，短路電壓百分比 Uk%選擇為 10，即為銅損耗標(biāo)幺值 設(shè)置，其他的采用默認(rèn)設(shè)置，如圖 a 、 b 所示。 S1， S2： T1， T2： L1， L2： 討論各種故障條件下的故障相電流情況。根據(jù)錯(cuò)誤的顯示源“ source”，雙擊即可指出錯(cuò)誤位置，進(jìn)行相應(yīng)的修改和仿真直至運(yùn)行成功。電力系統(tǒng)元件庫(kù)模型用來(lái)建立電力系統(tǒng)電路的等值仿真電力模型。 3 電力電子元件：包括了各種電力電子設(shè)備。在仿真進(jìn)行過(guò)程中，用戶可以通過(guò)輸入輸出元件庫(kù)的控制元件自由調(diào)整參數(shù)值，以便觀察系統(tǒng)某些動(dòng)態(tài)情況下的響應(yīng)特性。 Imports_Exports_Lables：輸入輸出標(biāo)簽。 PI_sections：輸電線的型等值線路。 PSCAD/EMTDC 有以下主元件庫(kù)： Passive：電阻、電感、電容，三相負(fù)荷以及 RLC 組成的無(wú)源濾波支路。 狀態(tài)欄：顯示當(dāng)前例子狀態(tài)。用表達(dá)式寫(xiě)成 28 29 因而，簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路電流的計(jì)算，歸根到底，不外乎先求出系統(tǒng)對(duì)短路點(diǎn)的負(fù)序和零序輸入電抗和，再根據(jù)短路的不同類型組成附加電抗，將它接入短路點(diǎn)，然 后就像計(jì)算三相短路一樣，算出短路點(diǎn)的正序電流。此時(shí)，故障點(diǎn)另外的其余部分的參數(shù)仍然是對(duì)稱的。 （ 4）嚴(yán)重的短路電流要影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，可使并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組失去同步造成系統(tǒng)解列。針對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行情況，故障又可以分為單一故障和復(fù)雜故障。利用 PSCAD 方便快捷的圖形建模工具建立一個(gè)典型的交直流傳輸系統(tǒng)，分別就交流側(cè)和直流側(cè)故障進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真，并通過(guò) PSCADMATLAB 接口模塊，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將 PSCAD的變量輸入至接口模塊，再由 MATLAB 語(yǔ)言引擎調(diào)用 M 文件實(shí)現(xiàn)在故障條件下對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的相量圖繪制，并且利用 PSCAD 的相量圖顯示儀進(jìn)行比較，最終驗(yàn)證了接口環(huán)境下電磁暫態(tài)仿真的合理性和有效性。本文只引用介紹電磁暫態(tài)過(guò)程仿真。根據(jù)用途可分為研究仿真和培訓(xùn)仿真。 1996 年 5 月 28 日華北電網(wǎng)沙嶺子電廠事故，事故原因是沙嶺子電廠試驗(yàn)人員誤動(dòng)作造成保護(hù)動(dòng)作，使 3 條 500kV 線路相繼跳閘，引起張家口地區(qū)對(duì)主系統(tǒng)振蕩，造成沙嶺子電廠和下花園電廠全?！?3】。 interface techniques 目 錄摘 要 I Abstract II 第一章 概述 1 國(guó)內(nèi)系統(tǒng)事故概況 1 電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)數(shù)字仿真概述 2 本文主要工作 3 第二章 電力系統(tǒng)的故障分析 5 電力系統(tǒng)的故障介紹 5 電力系統(tǒng)的短路故障概念和分類 5 電力系統(tǒng)的短路故障原因及其危害 6 電力系統(tǒng)的不對(duì)稱故障分析方法―對(duì)稱分量法 7 對(duì)稱分量法原理 7 對(duì)稱分量法的應(yīng)用 8 正序等效定則 10 第三章 基于 PSCAD/EMTDC 和 MATLAB 的電磁暫態(tài)仿真設(shè)計(jì) 12 PSCAD/EMTDC 的工作環(huán)境介紹 12 MATLA 的工作環(huán)境介紹 15 基于 PSCAD 和 MATLAB 的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真設(shè)計(jì) 19 基于 PSCAD 交流電力網(wǎng)絡(luò)的模型建立 19 基于 MATLAB 交流電力網(wǎng)絡(luò)的模型建立 24 統(tǒng)的故障設(shè)置 28 真分析 30 第四章 基于 PSCAD/EMTDC 和 MATLAB 的電磁暫態(tài)接口仿真研究 32 PSCAD 和 MATLAB 的接口技術(shù)介紹 32 接口技術(shù)的背景 32 接口技術(shù)原理及接口的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 33 基于 PSCADMATLAB 的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真 35 基于 PSCAD 的交直流系統(tǒng)的模型建立 35 電力系統(tǒng)的故障設(shè)置 39 PSCADMATLAB 的接口環(huán)節(jié) 40 時(shí)域仿真分析 41 接口仿真分析 43 第五章 結(jié)束語(yǔ) 51 參考文獻(xiàn) 52 附錄 A 54 附錄 B 58 致謝 62 概述 國(guó)內(nèi)系統(tǒng)事故概況 我國(guó)電力系統(tǒng)是世界上發(fā)展非常迅速的系統(tǒng)。截止 2021 年底，裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到 500GW，位居世界第二；至 2021 年底，已經(jīng)突破 600GW。 1998 年 7 月 29 日中國(guó)臺(tái)灣電力系統(tǒng)頻率崩潰事故，事故原因有低頻減載容量嚴(yán)重不足、大機(jī)組和電網(wǎng)不協(xié)調(diào)、臺(tái) 灣電網(wǎng)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)較高、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理、不重視防止電網(wǎng)破壞的防線建設(shè)【 6】。研究仿真包括各種電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)仿真軟件，如 EMTP和 BAP；培訓(xùn)仿真包括調(diào)度員培訓(xùn)仿真 DTS、變電站人員培訓(xùn)仿真器等。 電磁暫態(tài)過(guò)程仿真是使用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)電力系統(tǒng)中從數(shù)微秒到數(shù)秒之間的電磁暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真 模擬。 電力系統(tǒng)的故障分析 f 3 兩相短路 f 2 兩相短路接地 f 1,1 單相短路接地 f 1 電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路的機(jī)會(huì)最少。 電力系統(tǒng)的短路故障原因及其危害 造成短路的原因有很多，主要有如下幾個(gè)方面【 15】： （ 1）電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞。 （ 5）不對(duì)稱短路包括單相短路和兩相短路，其短路電流將產(chǎn)生較強(qiáng)的不平衡交變電磁場(chǎng)，對(duì)附近的通信設(shè)備、電子設(shè)備等產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常運(yùn)行，甚至使其發(fā)生誤動(dòng)作?，F(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)圖形分解如下圖 所