基于PSCAD_EMTDC软件的过电压保护教学仿真

电气电子教学学报

JOURNALOFEEE

Vol.30　No.2Apr.2008

基于PSCAD/EMTDC软件的过电压保护教学仿真

张小青,杨大晟

(北京交通大学电气工程学院,北京100044)

摘　要:由加拿大马里托巴高压直流研究中心推出的PSCAD/EMTDC软件包以其强大的功能在电力系统及相关领域里已获得了广泛的应用,同时它也为高等学校电气工程专业教学仿真提供了一种有效的工具。本文介绍PSCAD/EMTDC教育版软件包在电力系统过电压仿真教学中的应用,对该软件包的过电压模拟基本功能、系统网络元件及算法和计算流程进行了较为详细的讨论,并给出了操作和雷电过电压仿真的具体算例。

关键词:教学仿真;PSCAD/EMTDC;过电压;暂态模拟中图分类号:TP319　　

文献标识码:A　　　　　　　文章编号:100820686(2008)0220084204

SimulationTrainingofOvervoltageProtectionBasedonPSCAD/EMTDC

ZHANGXiao2qing,YANGDa2sheng

(SchoolofElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:PSCAD/EMTDCdevelopedbyManitobaHVDCResearchCenterofCanadahaswideapplicationsinthepowersystemsandtherelevantareasandprovidesanefficientmeansforthesimulationtrainingofelectricalengineeringmajorsofcollegesanduniversities.TheapplicationofPSCAD/EMTDCofeducationversionisintroducedinthispapertonumericalanalysisofovervoltageprotectioninpowersystems.Thefunctionofovervoltagesimulation,systemnetworkelements,algorithmandsimulativeprocedureofthesoftwarepackagearediscussedindetail.Also,thenumericalexamplesaregivenforsimulatingswitchingandlightningovervoltages.

Keywords:simulationtraining;PSCAD/EMTDC;overvoltage;transientsimulation

　　PSCAD/EMTDC是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包,它主要用来研究电力系统的暂态过程。该软件包也能适用于一般电气电子线路以及可等价地用电路来描述系统的仿真分析。该软件包是由加拿大马里托巴高压直流研究中心(ManitobaHVDCResearcherCentre)开发出来的。该软件由PSCAD(PowerSystemComputerAddedDesign)和EMTDC(ElectromagneticTran2sientsIncludingDC)两部分软件组成。两者的关

系是:前者负责界面图形,后者负责模拟计算。从国内外对PSCAD/EMTDC软件包的使用情况来看,该软件包不仅能用于电力系统及相关领域的工程设计与科研,还可用于高等学校电气工程及相关专业的仿真教学。在一些发达国家和国内一些高等学校的电气工程类专业教学中,PSCAD/EMTDC已成为一种行之有效的仿真教学工具。为了适应高电压工程系列课程研究型教学的新需求,我们于2005年引进了教育版PSCAD/EMTDC(4.1),共计装设

收稿日期:2008201205;修回日期:2008203206　北京市高等教育“十一五”专项规划重点项目和北京交通大学重点教改项目(230211,44077)作者简介:张小青(19572),男,博士,研究员,主要研究方向为电力系统电磁暂态,E2mail:zxqiong@hotmail.com

杨大晟(19802),男,博士研究生,主要研究方向为雷电防护。

第2期张小青,杨大晟:基于PSCAD/EMTDC软件的过电压保护教学仿真85

了20个授权使用终端,主要供选课学生集中进行过电压保护的仿真教学使用。几年来的教学实践经验表明,要正确使用PSCAD/EMTDC,其关键在于首先要了解该软件包所涉及的元件模型、暂态算法和计算流程。鉴于在迄今国外已公布的文献资料中尚未见有这些内容的专门论述[124],本文将对此加以系统性介绍,以供同类教学使用参考。

所述的这些元件被放在主界面的工具栏中,以鼠标左键点击,在参数表中输入具体的参数值,并拖动连接,可按需要搭建成指定的系统网络图。

2　算法与计算流程

2.1　暂态算法

1　过电压保护分析的基本功能和相关元件

1.1　基本功能

在EMTDC中,为了对过电压暂态过程进行模拟,首先是建立各网络元件的离散化电路,常用的线性集总元件和分布参数元件分别采用梯形积分和Bergeron特性法进行离散化处理,得到电导与反映过去状态历史电流源的并联电路,如图1所示。

和其它的电磁暂态仿真软件包,比如EMTP(ElectromagneticTransientsProgram)和ATP(AlternateTransientsProgram)相比,PSCAD/EMTDC具有界面友好、建网灵活和使用方便等特点。从过电压模拟的功能来看,该软件包能够模拟以下过电压现象:

①输电线路(架空线路和电缆)雷电暂态过电压;②发、变电站雷电侵入波过电压;③接地系统中的雷电冲击电位抬高;④分、合闸过电压;

⑤切除空载变压器、电容器组过电压;⑥弧光接地过电压;⑦解列过电压;

⑧铁磁谐振过电压。

除了能够模拟电力系统过电压外,PSCAD/EMTDC也能够模拟电子信息网络中的雷电和操作

(a)　线性C2L集总元件的计算电路

电涌过电压,可用于电子信息系统的电涌防护设计。

1.2　主要元件

在实施对上述过电压现象进行模拟仿真时,PSCAD/EMTDC提供了颇为齐备的系统元件库。从类型上分,与过电压模拟相关的元件可分为以下几类:

①线性集总R、L、C元件;

②线性集总单相和多相π型电路;

③单相和多相分布参数线路;④电压源、电流源(可为正弦、双指数、斜角波等多种时变函数);

⑤放电间隙;⑥非线性电阻、非线性电感;⑦时变元件;

⑧时控和压控开关;⑨整流元件;⑩控制电路。

(b)　分布参数线路的计算电路

图1　线性集总元件和分布参数线路的计算电路

对于非线性元件,采用分段线性化(或逐点线性

化方法)加以近似处理,如图2所示。以这些元件的模型为基础,进一步将原系统网络转化为等值计算网络,运用规格化的拓扑步骤生成等值计算网络的

图2　非线性元件特性的分段线性(逐点线性)化处理

86　　　　电气电子教学学报　　　　第30卷

结点电压方程,并加以数值求解,即可获得系统网络

中指定结点与支路上的电流和电压响应。2.2　计算流程

实际上,EMTDC的暂态计算流程非常复杂,这里仅介绍与过电压暂态模拟相关的计算流程,如图3所示。计算是从初始值开始的,在离散时间点上每增加一个时间步长Δt,就将进行一步暂态计算,反复计算出直到最大指定时间tmax内各离散时间点上的暂态响应后就将结束计算。暂态响应计算结果通过PSCAD绘图,以曲线图像提供给使用者。

(b)　线路首端a和末端b过电压波形

图4　合闸过电压仿真算例(a)　两级保护接线

(b)　两级避雷器上残压及所流过的电流波形

图3　暂态计算流程

图5　雷电过电压仿真算例

3　算例

3.1　合闸过电压仿真

系统接线如图4(a)所示,线路首、末端的过电

4　结语

PSCAD/EMTDC在电力系统过电压保护模拟

压仿真波形见图4(b)。3.2　雷电过电压仿真

交流电源进线段的两级保护接线如图5(a)所示,两级氧化锌避雷器上的残压及流过避雷器的电流如图5(b)所示。

(a)　系统接线

方面具有良好的实用性。该软件包功能设置颇为完

备,既能模拟电力系统外部(雷电)过电压,又能模拟电力系统内部的各种操作过电压。其网络元件种类齐全,涵盖了电力网络中的各种集总与分布参数元件和非线性元件。其算法和计算流程的规格化和程序化程度高,能求解具有集总和分布参数元件任意网络的电磁暂态过程,且求解速度快,计算精度能够满足工程要求。将PSCAD/EMTDC引入高电压工程课程的教学,构建以该软件包为核心的多用户终端的仿真系统,将能够为学生进行研究型提供一个全新的仿真实验平台。

(下转第页)

第2期晋良念,谢辉玉等“:模拟电子技术”嵌入式教学演示系统的开发

1.3　软件设计

根据上述可见分析可见,该演示系统是一个较

复杂的多任务系统。为了实现系统的实时性以及充分利用32位内核CPU的性能,采用嵌入式实时多任务软件设计方法,在RTOS平台上进行嵌入式应用软件开发。系统采用内核多任务管理机制μC/OS的作为嵌入式系统的RTOS,并将其移植到S3C2410X硬件平台。系统软件包括基于单片机MSP430S149的信号采集模块的软件设计和基于RTOS的数据处理和动画演示的软件设计,本文重

拟单元电路演示指令,则ARM处理器向信号采集

模块发出处理命令,控制和采集指定的模拟单元电路的信号,并等待接收采集的数据。ARM处理器接收到数据后进行预处理,再根据模拟电路的分析方法计算电路参数,并将参数结果或波形予以显示。

2　结语

本文以ARM处理器S3C2410X、单片机控制器MSP430F149和实时嵌入式操作系统为基础,建立了S3C2410X的嵌入式开发平台,开发了一套适合传统黑板教学的模拟电路电子技术课程的演示系统。经过调试,系统可以根据触摸屏输入在LCD上演示动画项目以及模拟典型电路模块测试点的波形和电路分析结果,也适时地嵌入了背景音乐效果和语音提示。系统工作稳定,可以达到预期效果。目前,正对系统进行改进:从软件设计上,开发设备驱动程序,建立RTOS内核与外设之间的接口,应用程序只需调用驱动程序即可控制物理设备;从功能上,增加模拟电路模块原理图和一些参数测量示意图的LCD显示,在这些图上加上测试点“热键”。用户只需点击“热键”,系统就自动控制电路的选通、连接、测试以及显示,提高系统的可操作性。参考文献:

[1]　唐莺,翁飞兵等.关于提高《电子技术基础》教学效果的几点思

点分析后者。其软件流程图如图3所示。

图3　基于RTOS的数据处理和动画显示的软件部分流程图

数据处理模块由ARMS3C2410X处理器实现,

它外扩展多个接口,所以在μC/OS系统启动之前先进行硬件和μC/OS的初始化。其中,硬件的初始化包括LCD液晶控制器、触摸屏接口、处理器AD转换、存储接口、串口或USB口以及语音提示电路接口的初始化。初始化完成后,进入系统的主界面,等待触摸屏的输入响应。

当用户通过触摸屏发出输入指令后,判断是动画演示指令还是模拟单元电路分析演示指令:若是动画演示指令,调用存储数据,在液晶上显示指令所要求演示的动态过程,并嵌入音乐背景提示;若是模

考[J].郑州:郑州航空工业管理学院学报(社会科学版),2007,

26(3):1622163.

[2]　王卫东.模拟电子技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版

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(上接第86页张小青等文)

参考文献:

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CreeCrescent,Winnipeg,Manitoba,CanadaR3J3W1,2004.[2]　ManitobaHVDCResearchCenter,EMTDCUsersGuide,224CreeCrescent,Winnipeg,Manitoba,Canada

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