基于PSCAD/EMTDC的传输线路故障仿真研究

2015-06-06 10:45金元元
东北电力技术 2015年1期
关键词:暂态三相传输

李 伟,赵 惠,金元元

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁 沈阳 110006;2.国网物资有限公司,北京 100120)

基于PSCAD/EMTDC的传输线路故障仿真研究

李 伟1,赵 惠2,金元元1

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁 沈阳 110006;2.国网物资有限公司,北京 100120)

为了研究传输线路发生故障时电路中的电压和电流的变化情况,利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对输电故障线路进行了建模,并在此基础上对其进行仿真分析。仿真结果表明,在PSCAD/EMTDC环境下建立的模型能够比较准确地描述在暂态过程中输电系统的动态特性,为现场运行以及故障分析提供参考。

传输线路故障;PSCAD/EMTDC;仿真

在电力系统中,电力传输线路的故障分析、故障检查以及日常维修非常重要,为了使其更加方便,寻找一种简单、准确、高效的分析方法很有必要。目前,PSCAD/EMTDC是一款国外广泛应用的电力系统分析软件,近2年来国内各高校和研究所也开始引进并应用[1]。本文利用PSCAD/EMTDC软件包在高压直流输电(HVDC)、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析和电力电子领域的强大仿真计算功能及其优于EMTP的友好直观界面,设计了三相交流输电线路故障中单相接地故障的模型,并对其中的电压(电流)进行了仿真分析。

1 PSCAD/EMTDC软件的仿真环境

PSCAD/EMTDC软件包是一种离线式的电力系统电磁暂态过程仿真程序,其主要功能是进行电力系统时域和频域的计算仿真,它不同于潮流和暂态视定的模拟工具。EMTDC是PSCAD/EMTDC仿真的核心程序,主要功能是分析电力系统中的各个电磁暂态过程,而且用户还可以在其中自己定义所需要的元件[2]。它已经发展成为一种既可以研究交直流电力系统问题,又能够完成电力电子的仿真以及非线性控制的多功能工具,可以简单地模拟复杂电力系统[3]。PSCAD/EMTDC软件包具有精确的直流元件模型、方便的数据输入方式以及强大的数据分析功能等[4]。

PSCAD/EMTDC软件的元件模型库包括以下模型[5]:

a.集中参数的电阻R、电容C和电感L;

b.随着时间变化的电阻R、电容C和电感L;

c.电流源、电压源和多相谐波电源;

d.多相(换位)分布参数电缆模型和输电线路模型;

e.单相或三相(耦合或理想)变压器(双绕组或三绕组);

f.旋转电机,不但可以模拟三相同步发电机、三相感应电动机,还可以模拟汽轮机、水轮机的调速器以及交/直流励磁器的动态特性等[6];

g.继电器模型,模拟继电保护特性;

h.控制面板,包括滑动触头(slider)、开关(switch)、按钮(button)以及调节控制盘(dial),软件运行时可以在线控制设置其参数值。

从开始到完成一次EMTDC算题包括如下步骤:

a.利用文件管理系统生成一个工程和算题名;

b.利用建模模块来建立电力系统模型;

c.利用运行模块来进行EMTDC模拟系统计算;

d.通过单曲线绘图对模拟结果进行分析,并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。

2 三相输电线路模型

T型接线方式是在传统的二端输电线路中引出1条分支线路,向第3处用户供电(或有电源)。它具有灵活、占地少、设备投资少、建设周期短等显著的优点,在现代电力系统中越来越多的被采用。

在电力系统分析计算中,确定架空输电线和电缆的行波模型,对于所需数据的计算过程是相当复杂的。为了确定变换矩阵、模式的传输时间和波阻抗,需要进行特征值分析[7]。

在电力系统暂态仿真分析中,架空线、电缆的模型是必须考虑的,选择1种合适的模型有利于提高仿真的精确性,提高仿真效率。一般情况下,在电磁暂态仿真中,采用以下2种主要模型来描述传输线或者传输电缆:第1种,也是最常用的方法即PI模型,它通过几个PI型模型串连来描述传输线或者传输电缆;另外1种方法就是采用分布参数模型,它比第1种方法更适合于电力系统暂态响应的模拟。此外,分布参数模型建立在行波理论的基础之上,能够准确地反映波的反射、幅值畸变、相位畸变等多种复杂关系。

三相输电线路导线之间有电磁的耦合。因此,用矩阵形式表示,可得如式(1)的微分方程[8]:

式中:[u]、[i]、[R]、[L]、[G]、[C]分别为三相输电线路的电压、电流、电阻、电感、电导、电容的矩阵表示形式。

3 故障系统建模

本例由三相交流电压源(Three Phase Voltage source model)、T型线路(T-line Configuration)、T线路接口(T-line Interface)、单项故障(Single Phase Fault)、定时故障逻辑(Timed Fault Logic)和变量输入滑块(Variable Input Slider)组成[9]。系统设定传输线长度为222 km,电压为500 kV。现场测试时间为0.2 s,并假定故障发生时间在0.22 s。输电线相距10 m,且有8 m下垂。忽略导线存在的电晕效应和集肤效应,大地也视为理想导体。搭建电路模型图如图1所示。

由于本例设置C相发生故障,因此A相与B相波形应完全相同,只是相位不同(相差120°),故研究A相及B相任一相响应即可。利用PSCAD/EMTDC搭建的信号输出模型图如图2所示。

图1 电路模型图

图2 信号输出模型图

4 仿真结果分析

建立模型完毕,即可进行仿真。故障线路仿真结果如图3所示。

改变滑块位置,重新进行仿真,仿真结果如图4所示。

图3 故障线路仿真图

图4 改变滑块位置后故障线路仿真图

从图3及图4的仿真中可以看出:在输电线路故障区间外,三相交流输电线中电压(电流)的瞬时变化波形是相同的;而在输电故障区间内,仿真软件描绘出了故障线路中电压(电流)的不同变化趋势,与实际相符合。

5 结束语

由仿真结果可看出,利用PSCAD/EMTDC对故障输电线路建立的系统模型是较理想的。在系统发生故障时间段内,模型较准确地反映出故障线路内电压/电流的变化。只要能熟练运用它的元件模型库,正确构建电力系统模型,建模正确,仿真就比较容易,为正确分析电力系统故障提供了有效的工具及依据。

[1] 林良真,叶 林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术,2000,24(1):65-66.

[2] 徐 政.交直流电力系统动态行为分析[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3] 程绪可,孙 峰,路 昱,等.基于PSCAD/EMTDC辽南电网黑启动方案研究[J].东北电力技术,2014,35(4):15 -17.

[4] 刘 琳,程建华,刘 琼.故障定位算法的模拟数字专家系统[J].东北电力技术,1999,20(10):40-43.

[5] Joe⁃air Jiang,Jun⁃zhe Yang,Ying⁃hong Lin,etal.An adaptive PMU based fault detection/location technique for transmission lines,PartⅠ:Theory and algorithms[J].IEEE Transaction on Power Delivery,2000,15(2):486-493.

[6] 陈礼义,顾 强.电力系统数字仿真及其发展[J].电力系统自动化,1999,23(23):1-6.

[7] K.W.Louie,A.Wag,P.Wilson,etal.A Newly Built Power Flow Program in PSCAD/EMTDC for Electric Power System Studies[J].IEEE 2004 international conference on power system technology-POWERCON 2004 Slngapore,21-24 No⁃vember 2004.

[8] 韦 钢,朱若松.T型线路故障的时域计算[J].电工电能新技术,1998,17(1):1-6.

[9] 束洪春,陈学允.T型输电系统故障测距算法研究[J].中国电机工程学报,1998,18(6):416-420.

Simulation of Fault Transmission Line with PSCAD/EMTDC

LI Wei1,ZHAO Hui2,JIN Yuan⁃yuan1
(1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110006,China;2.State Grid Materials Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)

PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design/Electro⁃Magnetic Transient in DC system)software is used to establish the model of fault transmission line in studying its voltage and current.Based on it,the general faults of transmission line are simulated.Simulation results show that the model built in PSCAD/EMTDC can accurately simulate the dynamic behavior of fault system in transient process and provide references for field operation and fault analysis.

Fault transmission line;PSCAD/EMTDC;Simulation

TM743

A

1004-7913(2015)01-0019-03

李 伟(1982—),男,硕士,工程师,从事自动化技术研究工作。

2014-11-03)

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