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《電力系統分析》是電氣工程及其自動化本科類教學的核心課程,做好電力系統分析實習對學生來說至關重要。電力系統分析課程涉及的知識點較多,理解起來有難度,另外由于該課程為專業限選課,在大三下學期才開課,學生對此學習積極性不高。由于該校實驗室條件的限制,目前僅有1個場地和硬件資源有限的專業實驗室,要開展一些涉及高壓部分的實驗,需要更多的資金和實驗室老師去支持,但這些在短期內暫時無法解決。基于目前的現狀,綜合了目前常用的PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP和Matlab/simulink等常見的電力系統仿真軟件的功能和結構特點,將PSCAD仿真軟件用于電力系統實習中。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建模,豐富的可視化界面,可使復雜的電力系統進行可視化[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,與學生常用的Matlab/simulink可以相互聯系起來[2]。采用PSCAD仿真軟件可以解決系統規模和復雜性限制、場地條件限制、絕對安全性和接觸電力系統中的前沿技術等優點[3],保證學生實習的質量,培養學生學習該課程的積極性,為了以后的學習和工作奠定良好的基礎。

1PSCAD電力系統仿真分析軟件

PSCAD的概念最初是在1988年被提出,針對Windows系統的PSCAD是在1999年才[4]。目前已成為世界上功能最強大和廣泛使用的電力系統仿真軟件。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電路,進行仿真后對結果進行分析,還可以使用戶在仿真運行中改變參數,對仿真過程進行觀測等。PSCAD具備電力系統中從簡單無源元件和控制功能到更加復雜的電動機、柔性交流輸電設備和輸電線路等設備的模型,這些模型都是經過已經編程和測試的仿真模型。如果搭建的電力系統仿真模型中,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設備(I/O_Devices),包括數據的導入和導出、其他軟件接口和多重運行等;(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控制邏輯、模擬單相和三相故障及其定時控制邏輯等;(7)輸電線路電纜(Tlines_Cables),包括導納/阻抗數據或導體/絕緣屬性、地阻抗數據以及所有塔和導體的幾何位置、電氣接口元件等;(8)電動機(Machines),包括籠型感應電動機、繞線感應電動機、同步電動機以及勵磁機、調速器、水輪機、汽輪機、風力機和內燃機等;(9)控制元件(ControlSystemsModelingFunctions),包括線性和非線性控制元件;(10)保護(Protection),包括保護信號的采集、監測和繼電保護模型等;(11)其他元件(Miscellaneous),包括文件引用/讀取、輸入輸出和節點等。PSCAD仿真軟件可以用來仿真模擬進行電力系統中元件參數及其物理含義、電力系統對稱和不對稱故障仿真、電力系統簡單和復雜潮流計算以及有功和無功功率控制等,還可以將電力系統與電力電子結合起來,比如新能源發電技術的應用和電能質量(SVC、STATCOM)的應用等。學生通過自己搭建部分模型,可以親自操作。

2電力系統仿真實例

電力系統實習主要是去發電廠、變電站等,這些單位出于安全的需要,不會讓學生參與實際的操作,往往是只能看。以電力系統故障為例,學生到現場不能體驗到故障發生和處理過程,像電力單位的一些工作多年的專業人員,碰到事故和處理事故時,也可能會不知所措。一些高校通過購買專業的物理模擬仿真系統,但這些花費很高、場地大,對于該校現有的資源不可能滿足。所以,電力系統中的故障,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生和恢復后各個量的變化。因篇幅有限,這里僅對電力系統橫向故障中的三相短路進行介紹。PSCAD軟件電力系統仿真軟件計算機需求:(1)MicrosoftWindowsVista或Windows7操作系統,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,然后設置相關的任務要求,最后以學生為中心,自己動手搭建35kV單側電源輸電系統,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模塊設置故障,TimedFaultLogic模塊設置故障發生時間為0.08s,故障持續時間為0.04s。采用工程研究方法,通過分析數字仿真結果,找出其內在規律,然后再通過理論進行分析,對比在不同量的變化下,電力系統相關量的變化,這樣可以有助于學生加深對電力系統故障知識的理解。三相短路故障時電力系統中最嚴重的故障,以該故障為例對其進行仿真分析。發生三相短路故障時,電源端的三相電壓電流波形和故障點的三相電壓、三相電流波形如圖2所示。由圖2可知,發生三相短路故障時,電源端的三相電壓只有微小的波動,沒有發生顯著的變化;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。故障點電壓由于發生三相短路,電壓均為0V,當故障切除后,三相電壓發生暫態波動,但很快就恢復到正弦變化;在故障發生前,由于故障發生器處于斷開狀態,因此故障點處的三相電流均為0A,在發生三相短路故障后,由于閉合時有初始輸入量和初始狀態量,故障點三相幅值都變大,并且A相電流波形上移,C相電流波形下移,在故障排除后,三相電流迅速變為0A。通過電力系統仿真,可以產生如下實習效果:(1)加深了專業理論知識,理論聯系實際,有助于學生提高計算機應用、查找文獻、分析問題和解決問題的能力;(2)對于電力系統更為復雜的建模系統,學生可以組成團隊進行建模,培養團隊合作和創新精神;(3)提高了學生學習的積極性,學生根據布置的任務主動去學習,激發了學生學習的欲望,每處理完一個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實的基礎。

3結語

通過上述PSCAD電力系統三相短路故障仿真分析,可以看出仿真實驗不受場地和實際操作的限制,建模簡單,易操作,仿真波形生動、豐富和直觀,不僅使學生更好地學習掌握電力系統三相短路故障的原理和現象,還可以激發學生學習的樂趣,彌補了實驗室條件的限制。該軟件已用于電力系統分析實習過程中,通過學生反饋的情況,采用該方法可以提高學生學習的主動積極性。由于第一次設置該仿真實習,在實習過程中,也有一些今后需要注意的問題,比如實驗室電腦配置需進一步提高,教師要多建立一些復雜的系統,同時還要主動跟現場的人員多多交流,使仿真模型更貼近實際。

作者:羅朋 楊燕霞 單位:廣東海洋大學電子與信息工程學院

參考文獻

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

[2]衛志農,繆新民,王華偉,等.基于PSCAD-MATALB聯合調用的高壓直流控制系統參數優化[J].高電壓技術,2014,40(8):2449-2455.

[3]李軍徽,嚴干貴,任先文,等.突出電氣工程專業特色的電力電子仿真系統[J].東北電力大學學報,2013,33(1)172-175.

[4]樂健,胡仁喜.PSCADX4電路設計與仿真[M].北京:機械工業出版社,2015.