羅朋+楊燕霞

摘 要：為增強(qiáng)學(xué)生將電力系統(tǒng)理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，提高學(xué)生實(shí)習(xí)的學(xué)習(xí)興趣，減少企業(yè)接受學(xué)生實(shí)習(xí)的壓力。結(jié)合該校實(shí)驗(yàn)條件的現(xiàn)狀，為了保證學(xué)生在電力系統(tǒng)實(shí)習(xí)中的質(zhì)量，采用PSCAD仿真軟件應(yīng)用于實(shí)習(xí)中。該仿真軟件不受系統(tǒng)規(guī)模和場(chǎng)地限制，可以將抽象的理論通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的形式展現(xiàn)出來(lái)，有助于激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，彌補(bǔ)了電力系統(tǒng)校內(nèi)實(shí)習(xí)的不足。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析 PSCAD仿真軟件 校內(nèi)實(shí)習(xí)

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（a）-0045-03

《電力系統(tǒng)分析》是電氣工程及其自動(dòng)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(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。電力系統(tǒng)分析課程涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，理解起來(lái)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(kāi)課，學(xué)生對(duì)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(chǎng)地和硬件資源有限的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，要開(kāi)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(wú)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(jiàn)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(kù)，可針對(duì)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(guò)特殊的接口訪問(wèn)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(lái)[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(chǎng)地條件限制、絕對(duì)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)。

1 PSCAD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(duì)Windows系統(tǒng)的PSCAD是在1999年才發(fā)布[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(duì)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(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)等。PSCAD具備電力系統(tǒng)中從簡(jiǎn)單無(wú)源元件和控制功能到更加復(fù)雜的電動(dòng)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(guò)已經(jīng)編程和測(cè)試的仿真模型。如果搭建的電力系統(tǒng)仿真模型中，沒(méi)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(kù)，提供常用的模型有：（1）無(wú)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(cè)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(dòng)機(jī)（Machines），包括籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、繞線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)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（Control Systems Modeling Functions），包括線性和非線性控制元件；（10）保護(hù)（Protection），包括保護(hù)信號(hào)的采集、監(jiān)測(cè)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(lái)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(duì)稱和不對(duì)稱故障仿真、電力系統(tǒng)簡(jiǎn)單和復(fù)雜潮流計(jì)算以及有功和無(wú)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(lái)，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(guò)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(huì)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(chǎng)不能體驗(yàn)到故障發(fā)生和處理過(guò)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(huì)不知所措。一些高校通過(guò)購(gòu)買專業(yè)的物理模擬仿真系統(tǒng)，但這些花費(fèi)很高、場(chǎng)地大，對(duì)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(guò)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(duì)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）Microsoft Windows Vista或Windows7操作系統(tǒng)，32bit或64bit；

（2）附件軟件Intel Fortan Composer XE 20112，Microsoft.NET Framwork 4.0 Full3， Microsoft Visual C++2010 Redistributables；

首先通過(guò)講解PSCAD的基本知識(shí)，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(dòng)手搭建35 kV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(zhǎng)度均為20 km，每公里電抗為0.4 Ω的架空線路。負(fù)載的有功功率為15 MW，無(wú)功功率為5 MVAR。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(guò)FAULTS模塊設(shè)置故障，Timed Fault Logic模塊設(shè)置故障發(fā)生時(shí)間為0.08 s，故障持續(xù)時(shí)間為0.04 s。采用工程研究方法，通過(guò)分析數(shù)字仿真結(jié)果，找出其內(nèi)在規(guī)律，然后再通過(guò)理論進(jìn)行分析，對(duì)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(duì)電力系統(tǒng)故障知識(shí)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(duì)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(dòng)，沒(méi)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(shì)，B相和C相電流呈整體下降趨勢(shì)。故障點(diǎn)電壓由于發(fā)生三相短路，電壓均為0 V，當(dāng)故障切除后，三相電壓發(fā)生暫態(tài)波動(dòng)，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(kāi)狀態(tài)，因此故障點(diǎn)處的三相電流均為0 A，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(guò)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(shí)，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(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；（2）對(duì)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(dòng)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(wèn)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(yǔ)

通過(guò)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(chǎng)地和實(shí)際操作的限制，建模簡(jiǎn)單，易操作，仿真波形生動(dòng)、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(lè)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(guò)程中，通過(guò)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(dòng)積極性。由于第一次設(shè)置該仿真實(shí)習(xí)，在實(shí)習(xí)過(guò)程中，也有一些今后需要注意的問(wèn)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(dòng)跟現(xiàn)場(chǎng)的人員多多交流，使仿真模型更貼近實(shí)際。

參考文獻(xiàn)

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