全工況仿真平臺在電氣工程教學(xué)中的應(yīng)用

張 君，江秀臣，徐 波，蔡 旭

（上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240）

0 引言

在我國，10kV配電網(wǎng)的應(yīng)用范圍廣泛，各類非對稱短路故障頻發(fā)，會直接導(dǎo)致停電、降低供電可靠性，在電氣工程教學(xué)過程中對于10kV配電網(wǎng)故障的產(chǎn)生、過程、危害以及防治等進行研究和授課具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前，有關(guān)配電網(wǎng)故障的教學(xué)內(nèi)容主要涵蓋在電氣工程基礎(chǔ)和電力系統(tǒng)繼電保護兩門課程上，其中尤以后者為主。但在實際工程實踐中，對于中壓配電網(wǎng)非對稱故障的治理主要是通過中性點接入消弧線圈和快速繼電保護兩種方式進行［1，2］，而前者也在我國有著普遍的應(yīng)用，相關(guān)教學(xué)內(nèi)容主要在電氣工程基礎(chǔ)［3］的有關(guān)章節(jié)進行闡述。對于這部分教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)大綱一般規(guī)定課時少，對此學(xué)生往往掌握的不多，因此課程組通過增加相關(guān)教學(xué)實驗以加深授課效果。構(gòu)造10kV高壓模擬電網(wǎng)進行單相接地演示實驗，模擬實驗是把現(xiàn)場搬到實驗室，能夠最大程度的模擬現(xiàn)場情況。但是模擬實驗無法提供全工況的試驗條件，也無法滿足學(xué)生動手操作實驗。為了實現(xiàn)上述要求，授課組開展了仿真實驗的研究和應(yīng)用，便于每個學(xué)生開展實驗。

PSCAD／EMTDC是電力系統(tǒng)領(lǐng)域的專業(yè)仿真軟件，能夠?qū)ο到y(tǒng)時域和頻域進行很好地分析。文獻［4－7］使用了 PSCAD／EMTDC對中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)做了仿真研究。本文使用PSCAD／EMTDC軟件，建立了配電網(wǎng)全工況仿真平臺。該平臺由基本框架和附加模塊組成。利用該平臺可以對不同的中性點接地方式（不接地、經(jīng)消弧線圈接地）、不同的接地故障（金屬性接地、高阻接地、弧光接地等）以及不同的消弧線圈進行準確的仿真分析。

1 全工況仿真平臺的建設(shè)

全工況仿真平臺參考10kV高壓模擬網(wǎng)而建設(shè)，包括基本框架和附加模塊?；究蚣馨娫?、變壓器、線路、控制與測量元件等，附加模塊包括弧光接地模型、接地故障模型及消弧線圈模型等。

在前期演示實驗的工作中，10kV模擬網(wǎng)已經(jīng)建設(shè)完畢，并且得到了多組實驗數(shù)據(jù)。為了驗證仿真數(shù)據(jù)的可靠性，仿真平臺參考10kV模擬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行構(gòu)建。圖1所示是該仿真平臺結(jié)構(gòu)簡圖。380V的交流電源，通過變壓器T1和T2升壓至10.5kV。T1和T2分別接兩段母線，每段母線有3條支路，共計6條支路。線路具體參數(shù)根據(jù)文獻［8］確定，所給出的參數(shù)既考慮了線路的不同長度及不同的對地電容，也考慮了電網(wǎng)的自然不平衡。

圖1 10kV配電網(wǎng)仿真平臺結(jié)構(gòu)簡圖

圖中的電源、變壓器和線路等基本元件已經(jīng)存在于PSCAD庫里，不需要自己定義。我們只要按照平臺設(shè)計要求填寫合適參數(shù)即可，線路使用集中參數(shù)模型。

2 仿真平臺建模

2.1 接地故障模型

電力線接地一般可以分為金屬性接地、通過低阻或者高阻接地、弧光穩(wěn)定接地和間歇性弧光接地等。金屬性接地、低阻接地和高阻接地比較簡單，可以使用電阻器模塊來模擬，改變電阻器的阻值即可。對于弧光穩(wěn)定接地和間歇性弧光接地，過去常常把弧光接地等同于金屬性接地或者認為弧道電阻是線性電阻。這種近似處理方法得到的結(jié)果往往不夠準確。因此需要建立弧光接地模型［9］，以提高結(jié)果的準確性。

2.2 消弧線圈模型

平臺建立了常見的四種消弧線圈模型，即無阻尼固定調(diào)匝式消弧線圈模型、自動調(diào)匝式消弧線圈模型、調(diào)容式消弧線圈模型和相控式消弧線圈模型。

無阻尼固定調(diào)匝式消弧線圈就是傳統(tǒng)使用的Petersen調(diào)匝消弧線圈，它通常被預(yù)先人工調(diào)諧在過補償狀態(tài)，不需要再加入阻尼電阻。自動調(diào)匝式消弧線圈屬于預(yù)調(diào)式消弧線圈，在電網(wǎng)正常運行時自動跟蹤電網(wǎng)的電容電流，消弧線圈處于全補償狀態(tài)（實際是接近全補償?shù)囊粋€范圍內(nèi)，可以是過補償也可以是欠補償）。為了抑制串聯(lián)諧振過電壓，需要加入阻尼電阻。當發(fā)生單相接地故障時，切除阻尼電阻實現(xiàn)最佳補償。對于這兩類消弧線圈，可以使用可變電感來模擬，如圖2（a）和圖2（b）所示。

與自動調(diào)匝式消弧線圈調(diào)節(jié)分接頭改變電感值不同，調(diào)容式消弧線圈可通過調(diào)節(jié)不同的電容來抵消一部分電感電流，從而改變補償電感電流的大?。?0］。本平臺中圖2（c）使用4個電容量8：4：2：1的電容器來模擬調(diào)容式消弧線圈模塊。

相控式消弧線圈是一種隨調(diào)式消弧線圈［11］。電網(wǎng)正常運行時，它的電抗遠離串聯(lián)諧振點，不需要加阻尼電阻。電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈快速調(diào)諧達到最佳補償。這種消弧線圈比較復(fù)雜，所以相控式消弧線圈模塊使用等效電路來模擬圖2（d）所示。為了濾波補償電流中的諧波，需要增加LC濾波電路。

3 操作平臺

操作平臺由仿真服務(wù)器和終端構(gòu)成，其中仿真服務(wù)器上運行設(shè)計的全工況仿真平臺，各終端為使用用戶，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 不同類型消弧線圈模型

圖3 全工況仿真平臺結(jié)構(gòu)

服務(wù)器采用24CPU和16GB內(nèi)存的機架式服務(wù)器，運行操作系統(tǒng)為 Windows 2003Datacenter 32bit Server，使用 PSCAD4.2.1。Windows 2003 Datacenter 32bit Server提供的終端服務(wù)為每個登錄該系統(tǒng)的用戶提供了獨立的運行空間和物理空間，因此支持多用戶同步運行仿真平臺。上述硬件配置的平臺可同步支持64人執(zhí)行仿真實驗，適用于一個教學(xué)班同步進行仿真實驗。

4 仿真實例

為了與10kV模擬網(wǎng)試驗數(shù)據(jù)比較，本文給出的仿真實例都按照在模擬網(wǎng)中進行實驗的參數(shù)設(shè)置。

（1）使用1、2、6支路。可以計算得到支路1、2、6的總對地電容C∑＝11.124μF。那么電容電流為IC＝＝20.177A。

（2）支路1的A相發(fā)生接地故障。

我們可以使用自動調(diào)匝式消弧線圈補償電容電流。根據(jù)文獻［7，8］，自動調(diào)匝式消弧線圈需要串聯(lián)電阻增加電網(wǎng)阻尼率以避免消弧線圈和對地電容產(chǎn)生的串聯(lián)諧振。

假設(shè)消弧線圈完全補償電容電流，那么相應(yīng)的電感值為0.9108H。圖4（a）所示是故障相（即A相）電壓仿真波形。A相在0.103s時刻發(fā)生單相接地故障，此故障持續(xù)0.18s。在模擬網(wǎng)中，消弧線圈工作在全補償狀態(tài)，圖4（b）所示是使用該仿真平臺得到的仿真波形。

對比圖4（a）與圖4（b），可以發(fā)現(xiàn)通過仿真得到的故障相電壓與模擬網(wǎng)實驗的到的相電壓波形一致，可以很好地反映實際實驗情況。

圖4 自動調(diào)匝式消弧線圈系統(tǒng)單相接地故障相電壓

5 結(jié)語

基于PSCAD／EMTDC仿真軟件，本文組建了10kV諧振接地系統(tǒng)配電網(wǎng)全工況仿真平臺，并形成并行運行平臺，支持多用戶同步實驗。用戶通過簡單設(shè)置，該平臺可以實現(xiàn)不同接地故障類型下中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真，為電氣工程教學(xué)和科研提供有效支持，并滿足開展學(xué)生操作實驗的需求。

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