基于PSCAD／EMTDC的傳輸線路故障仿真研究

李 偉，趙 惠，金元元

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網物資有限公司，北京 100120）

基于PSCAD／EMTDC的傳輸線路故障仿真研究

李 偉1，趙 惠2，金元元1

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網物資有限公司，北京 100120）

為了研究傳輸線路發生故障時電路中的電壓和電流的變化情況，利用電磁暫態仿真軟件PSCAD／EMTDC對輸電故障線路進行了建模，并在此基礎上對其進行仿真分析。仿真結果表明，在PSCAD／EMTDC環境下建立的模型能夠比較準確地描述在暫態過程中輸電系統的動態特性，為現場運行以及故障分析提供參考。

傳輸線路故障；PSCAD／EMTDC；仿真

在電力系統中，電力傳輸線路的故障分析、故障檢查以及日常維修非常重要，為了使其更加方便，尋找一種簡單、準確、高效的分析方法很有必要。目前，PSCAD／EMTDC是一款國外廣泛應用的電力系統分析軟件，近2年來國內各高校和研究所也開始引進并應用［1］。本文利用PSCAD／EMTDC軟件包在高壓直流輸電（HVDC）、FACTS控制器的設計、電力系統諧波分析和電力電子領域的強大仿真計算功能及其優于EMTP的友好直觀界面，設計了三相交流輸電線路故障中單相接地故障的模型，并對其中的電壓（電流）進行了仿真分析。

1 PSCAD／EMTDC軟件的仿真環境

PSCAD／EMTDC軟件包是一種離線式的電力系統電磁暫態過程仿真程序，其主要功能是進行電力系統時域和頻域的計算仿真，它不同于潮流和暫態視定的模擬工具。EMTDC是PSCAD／EMTDC仿真的核心程序，主要功能是分析電力系統中的各個電磁暫態過程，而且用戶還可以在其中自己定義所需要的元件［2］。它已經發展成為一種既可以研究交直流電力系統問題，又能夠完成電力電子的仿真以及非線性控制的多功能工具，可以簡單地模擬復雜電力系統［3］。PSCAD／EMTDC軟件包具有精確的直流元件模型、方便的數據輸入方式以及強大的數據分析功能等［4］。

PSCAD／EMTDC軟件的元件模型庫包括以下模型［5］：

a.集中參數的電阻R、電容C和電感L；

b.隨著時間變化的電阻R、電容C和電感L；

c.電流源、電壓源和多相諧波電源；

d.多相（換位）分布參數電纜模型和輸電線路模型；

e.單相或三相（耦合或理想）變壓器（雙繞組或三繞組）；

f.旋轉電機，不但可以模擬三相同步發電機、三相感應電動機，還可以模擬汽輪機、水輪機的調速器以及交／直流勵磁器的動態特性等［6］；

g.繼電器模型，模擬繼電保護特性；

h.控制面板，包括滑動觸頭（slider）、開關（switch）、按鈕（button）以及調節控制盤（dial），軟件運行時可以在線控制設置其參數值。

從開始到完成一次EMTDC算題包括如下步驟：

a.利用文件管理系統生成一個工程和算題名；

b.利用建模模塊來建立電力系統模型；

c.利用運行模塊來進行EMTDC模擬系統計算；

d.通過單曲線繪圖對模擬結果進行分析，并利用多曲線繪圖模塊產生可直接用于研究報告的模擬結果圖形。

2 三相輸電線路模型

T型接線方式是在傳統的二端輸電線路中引出1條分支線路，向第3處用戶供電（或有電源）。它具有靈活、占地少、設備投資少、建設周期短等顯著的優點，在現代電力系統中越來越多的被采用。

在電力系統分析計算中，確定架空輸電線和電纜的行波模型，對于所需數據的計算過程是相當復雜的。為了確定變換矩陣、模式的傳輸時間和波阻抗，需要進行特征值分析［7］。

在電力系統暫態仿真分析中，架空線、電纜的模型是必須考慮的，選擇1種合適的模型有利于提高仿真的精確性，提高仿真效率。一般情況下，在電磁暫態仿真中，采用以下2種主要模型來描述傳輸線或者傳輸電纜：第1種，也是最常用的方法即PI模型，它通過幾個PI型模型串連來描述傳輸線或者傳輸電纜；另外1種方法就是采用分布參數模型，它比第1種方法更適合于電力系統暫態響應的模擬。此外，分布參數模型建立在行波理論的基礎之上，能夠準確地反映波的反射、幅值畸變、相位畸變等多種復雜關系。

三相輸電線路導線之間有電磁的耦合。因此，用矩陣形式表示，可得如式（1）的微分方程［8］：

式中：［u］、［i］、［R］、［L］、［G］、［C］分別為三相輸電線路的電壓、電流、電阻、電感、電導、電容的矩陣表示形式。

3 故障系統建模

本例由三相交流電壓源（Three Phase Voltage source model）、T型線路（T-line Configuration）、T線路接口（T-line Interface）、單項故障（Single Phase Fault）、定時故障邏輯（Timed Fault Logic）和變量輸入滑塊（Variable Input Slider）組成［9］。系統設定傳輸線長度為222 km，電壓為500 kV。現場測試時間為0.2 s，并假定故障發生時間在0.22 s。輸電線相距10 m，且有8 m下垂。忽略導線存在的電暈效應和集膚效應，大地也視為理想導體。搭建電路模型圖如圖1所示。

由于本例設置C相發生故障，因此A相與B相波形應完全相同，只是相位不同（相差120°），故研究A相及B相任一相響應即可。利用PSCAD／EMTDC搭建的信號輸出模型圖如圖2所示。

圖1 電路模型圖

圖2 信號輸出模型圖

4 仿真結果分析

建立模型完畢，即可進行仿真。故障線路仿真結果如圖3所示。

改變滑塊位置，重新進行仿真，仿真結果如圖4所示。

圖3 故障線路仿真圖

圖4 改變滑塊位置后故障線路仿真圖

從圖3及圖4的仿真中可以看出：在輸電線路故障區間外，三相交流輸電線中電壓（電流）的瞬時變化波形是相同的；而在輸電故障區間內，仿真軟件描繪出了故障線路中電壓（電流）的不同變化趨勢，與實際相符合。

5 結束語

由仿真結果可看出，利用PSCAD／EMTDC對故障輸電線路建立的系統模型是較理想的。在系統發生故障時間段內，模型較準確地反映出故障線路內電壓／電流的變化。只要能熟練運用它的元件模型庫，正確構建電力系統模型，建模正確，仿真就比較容易，為正確分析電力系統故障提供了有效的工具及依據。

［1］ 林良真，葉 林.電磁暫態分析軟件包PSCAD／EMTDC［J］.電網技術，2000，24（1）：65-66.

［2］ 徐 政.交直流電力系統動態行為分析［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［3］ 程緒可，孫 峰，路 昱，等.基于PSCAD／EMTDC遼南電網黑啟動方案研究［J］.東北電力技術，2014，35（4）：15 -17.

［4］ 劉 琳，程建華，劉 瓊.故障定位算法的模擬數字專家系統［J］.東北電力技術，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］ 陳禮義，顧 強.電力系統數字仿真及其發展［J］.電力系統自動化，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］ 韋 鋼，朱若松.T型線路故障的時域計算［J］.電工電能新技術，1998，17（1）：1-6.

［9］ 束洪春，陳學允.T型輸電系統故障測距算法研究［J］.中國電機工程學報，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 偉（1982—），男，碩士，工程師，從事自動化技術研究工作。

2014-11-03）