PSCAD仿真軟件在電力系統分析實習中的應用

羅朋+楊燕霞

摘 要：為增強學生將電力系統理論知識與實際相結合，提高學生實習的學習興趣，減少企業接受學生實習的壓力。結合該校實驗條件的現狀，為了保證學生在電力系統實習中的質量，采用PSCAD仿真軟件應用于實習中。該仿真軟件不受系統規模和場地限制，可以將抽象的理論通過仿真實驗的形式展現出來，有助于激發學生的積極性和主動性，彌補了電力系統校內實習的不足。

關鍵詞：電力系統分析 PSCAD仿真軟件 校內實習

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0045-03

《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。

1 PSCAD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年才發布[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（Control Systems Modeling Functions），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）Microsoft Windows Vista或Windows7操作系統，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35 kV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20 km，每公里電抗為0.4 Ω的架空線路。負載的有功功率為15 MW，無功功率為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FAULTS模塊設置故障，Timed Fault Logic模塊設置故障發生時間為0.08 s，故障持續時間為0.04 s。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0 V，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0 A，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0 A。

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。

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.