PSCAD/E MTDC自定义元件在电力系统仿真中的运用

袁 欣,孙元博,张承学

(武汉大学 电气工程学院,湖北 武汉 430072)

PSCAD/E MTDC自定义元件在电力系统仿真中的运用

袁 欣,孙元博,张承学

(武汉大学 电气工程学院,湖北 武汉 430072)

以配电网单相故障选线为背景,以提高电磁暂态分析软件 PSCAD/E MTDC在电力系统仿真中的灵活性为目的,提出了基于 PSCAD/E MTDC与 MATLAB接口技术的自定义模型实现方法。充分利用了PSCAD/E MTDC与 MATLAB两款软件的优点。用 PSCAD/E MTDC建立接口模型,实现接口模型的参数设置,启动 MATLAB数据引擎调用 M文件。分析了一个配网单相短路实例,将接口程序产生的数据作为选线算法的入口数据并进行了一种方法的故障选线。仿真结果表明,通过相应的接口技术可以实现自定义模型的故障选线功能。

PSCAD/E MTDC;自定义模型; MATLAB;接口技术;相关系数

0 引 言

PSCAD/E MTDC是目前世界上被广泛使用的一种电力系统仿真分析软件。主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真,典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时,电参数随时间变化的规律程序。用户在面板上可以构造电气连接图,输入各元件的参数值,运行时则通过 FORTRAN编译器进行编译、连接,运行的结果可以随着程序运行实时地生成曲线,以检验运算结果是否合理,并能与 MATLAB接口[1,2]。

MATLAB软件具有强大的计算功能和丰富的图形功能,编程效率高,扩充能力强,而且具有功能齐备的各种工具箱,所以 MATLAB已成为目前应用最为广泛的数值计算软件[3]。

PSCAD/E MTDC是电磁暂态分析软件, MATLAB是数学模型软件包,它们之间具有互补性,通过 PSCAD/E MTDC软件与 MATLAB接口 (以下称 PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口),用户可以将 MATLAB中的数学和控制功能模块 (包括各种工具箱)应用到 PSCAD/E MTDC中。同时,用户还可以通过编制 M文件定义用户所需的元件模型。由于 M文件采用语法简单、可读性强、调试容易、人机交互性强的 MATLAB语言编制[3],因此用户可以方便地根据需要自定义元件模型,与PSCAD/E MTDC中的元件模型进行连接,实现对两种工具的交互[4]。另一方面,PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口可以把 PSCAD/E MTDC软件的电力系统分析功能和 MATLAB强大的图形可视化技术结合起来,增强 PSCAD/E MTDC软件的图形处理能力。 MATLAB的图形工具箱既能显示二维、三维甚至四维图形,又能对图形进行着色、消隐、光影处理、渲染及多视角处理等。

本文充分利用上述两款软件的优点,通过 M文件在 PSCAD/E MTDC软件中自定义了一个模块,主要实现配电网单相接地故障选线功能。仿真验证了模块的有效性,提高了 PSCAD/E MTDC在电力系统仿真中的灵活性。

1 PSCAD/E MTDC与 MATLAB接口原理

PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口与自带的EGCS/GNU Fortran 77编译器是不兼容,因此需要用到其他编译器。本文采用的是 Compaq Visual Fortran 6编译器。

PSCAD/E MTDC内有一个 Fortran文件 DSDYN,通过它可以调用外部 Fortran子程序。该Fortran子程序可以启动 MATLAB数据引擎并建立起 Fortran子程序和 MATLAB数据引擎之间的通信管道。同时,含有 MATLAB命令的 M文件也传到 MATLAB数据引擎中,这样 PSCAD/E MTDC和 MATLAB便紧密地结合起来,用户可以根据需要编制 M文件,实现所需的仿真。图 1为接口模块扩展示意图,图 2为软件运行流程图。

MATLAB和 PSCAD通过 PSCAD中的数据栈通信。主要数据栈有 STORI与 STORF,见表 1。

表 1 数据栈Tab.1 Data stack

利用自定义的 PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口,通过参数设置,由仿真获得的所需数据。将其分别存放于数组中。接口与相关算法的综合运用如图 3所示。

图3 接口运用示意图Fig.3 Application schem atic of the interface

2 配电网单相接地故障选线算法

配电网发生单相接地故障时,在选定频带内,故障和非故障线路的暂态零序电流极性相反。在高频和低频分量共同作用下,故障线路和非故障线路的暂态零序电流波形有明显区别,而所有非故障线路暂态零序电流波形都是相似的。利用数学方法对各线路的暂态零序电流波形进行分析,与其他线路有明显区别的线路即为故障线路;若所有线路暂态零序电流波形都没有明显区别,则为母线故障。这便构成故障选线判据[5]。

2.1 选线算法

目前选线技术大多是利用零序电压、暂态零序电流分量选线。如：相关系数法、基于小波包分解的瞬时极性比较法以及应用小波检测故障突变特性法。

2.2 相关性分析

本节只对其中一种方法利用 PSCAD/E MTDC与 MATLAB接口技术进行仿真与选线计算[6]。相关系数 (Correlation Coefficient)是度量信号相似程度的重要统计量,是说明两个现象之间相关关系密切程度的统计分析指标。相关系数用 ρ表示,ρ值的范围在 -1和 +1之间,绝对值表示相关的程度,绝对值越大,相关程度越高。依照两种变量变动的方向将相关关系分为 3类：(1)正相关(ρ＞0)：两种变量变化的方向一致。(2)负相关(ρ＜0)：两种变量变化的方向相反。(3)不相关(ρ=0)：两个变量之间变化方向无一定规律。

两离散信号的互相关系数可以按照式 (1)来求解：

式中：COV(X,Y)为 X与 Y的协方差;E(X)为 X的数学期望;D(X)为 X的均方差。

通常,两个减去均值的信号存在共性部分和非共性部分,而共性部分相乘总是取相同的符号,使得该部分得到加强而保留下来;而两个信号的非共性部分的乘积有时取正,有时取负,通过数学期望的平均运算后,趋于相互 “抵消”。所以互协方差函数能够把两个信号之间的共性部分提取出来,并抑制掉非共性部分,因而互协方差函数描述了两个信号的相关联程度。对互协方差函数作归一化处理得到互相关系数后,两个信号之间的相关程度就可以方便、直观地度量了。具体而言,互相关系数越接近 1,两个信号越相似;反之,互相关系数越接近 0,两个信号差异越大。由于信号中的噪声是随机的,属于信号的 “非共性部分”,因此这种算法有一定的滤波作用,抗干扰能力强。ρxy(τ)中的 τ表示了两个信号的延时关系,符号表示两信号的极性关系。例如若 ρxy(0)=1,则表示两个信号波形完全相似,即两个信号成正比且极性相同;若 ρxy(0)=-1,则表示两个信号成正比且极性相反。

2.3 程序流程

(1)由式 (1)求取各条线路重构信号的两两互相关系数,形_成互相关系数矩阵如式 (2)。

式 (2)是对称矩阵,对角线元素为 1,ρxy为相关系数矩阵,ρij为线路 i和 j零序电流基波暂态分量的互相关系数。

(2)去除对角线元素,对每行或每列求和得到每条线路的综合互相关系数。根据综合互相关系数,进行自适应逻辑分析比较,可识别出相关性最弱的信号,即故障线路信号。如果每条线路的综合互相关系数都大于给定值,则判为母线故障,否则根据每条线路的综合互相关系数进行选线,其值最小的线路发生故障的可能性最大。

3 仿真实例

3.1 建模

本文通过对一个配电网变电站仿真实例说明接口的具体功能。图 4所示为一个 35 kV变电站模型,设置 4号线路单相接地故障,应用PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口进行选线控制。接口模块包含有 5个输入变量 (分别为 4条出线的 3I01,3I02,3I03,3I04,母线 3U0),一个输出变量 out及一个使能控件 clk。本文中 out并未定义任何功能。当 clk=1时,接口模块开始记录数据;等待PSCAD/E MTDC仿真结束时,模块通过 M文件判断是否完成数据采样并调用选线函数。最后由 M文件输出选线结果。

图4 仿真模型Fig.4 Simu lation m odel

3.2 PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口设计

在所建工程小电流 + MATLAB的 Main页面自定义一个模块。首先根据向导完成该模块的基本输入输出及使能端的设计,控制装置选线功能的投退与保护定值的设置。其次,构建良好的人机界面,用于选线装置的压板设计。最后,实现PSCAD/E MTDC与 MATLAB程序调用 (接口)的关键在于在自定义模块中写入相应的 Fortran源代码。(DSDYN中的源代码)

3.3 数据分析

本次仿真时间设为 0.1 s,通过使能模块控制启动 MATLAB的频率即采样频率 (10 kHz),在0.02 s(采样点为 200)处设置 4号线路 A相接地故障。考虑到现场运行的复杂性,本文用过渡电阻来模拟现场一系列电弧电阻、中间物质电阻、相导线与大地间的接地电阻。运行时得到的 4条线路的零序电流如图 5所示。4号线路正好与 1号,2号,3号的零序电流图形在故障后出现极性反向。

图5 1～4号 310图形Fig.5 310of line1-line4

根据比较第 150～350采样点之间的采样波形可以清晰地看出 4号线路在采样点为 200即0.02 s处出现故障。

由 M文件调用的相关系数选线函数输出的相关系数矩阵表 2。

表 2 相关系数矩阵Tab.2 Matrix of correlation coefficient

去除对角线元素,由表 2相关系数矩阵得到每条线路的综合相关系数：ρ1=-0.366 23,ρ2=-0.188 8, ρ3=-0.015 59, ρ4=-2.031 1。按2.3节所介绍的判据,4号线路的相关信号最差,因此可选出故障线路为线路 4。选线结果正确并符合仿真的预设模型。

4 结 论

本文分析了 PSCAD/E MTDC仿真软件的主程序结构及其开放语言接口的原理,给出了PSCAD/E MTDC中自定义模型的实现方法。采用 M语言编写了以实际保护装置为原型的配电网单相接地故障选线模型,并通过 PSCAD/E MTDC与 MATLAB的接口技术实现了自定义模型在保护仿真中的应用。仿真结果表明自定义配网单相故障选线模型的功能完全正确。自定义模型的应用使得仿真计算不必受软件自带元件模型的限制,大大增强了仿真的灵活性。

[1] Manitoba HVDC Research Centre Inc.PSCAD user's guide[M]. Manitoba： Manitoba HVDC Research Centre Inc,2003.

[2] Manitoba HVDC Research Centre Inc.E MTDC user's guide[M].Winnipeg： Manitoba HVDCResearch Centre Inc,2002.

[3]张志涌.精通 MATLAB 6.5版 [M].北京：北京航空航天大学出版社,2002.

[4]GOLE A,DANESHPOOY A.Towards open systems：A PSCAD/E MTDC to MATLAB interface[C].Seattle：Conference on Power System Transient,1997.

[5]邢亚辉.利用零序电流的相关系数进行小电流接地系统故障选线 [J].电力自动化设备,2008,28(9)：64-67.

XingYahui.Faulty line selection with correlativity of zero sequence current in non-solid-earthed network[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(9)：64-67.

[6]张贤达.现代信号处理 [M].北京：清华大学出版社,2002.

Application on Use-defined Model of PSCAD/E MTDC in Power System Simu lation

Yuan Xin,Sun Yuanbo,Zhang Chengxue
(Electrical Engineering School,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In order to im prove the flexibility of PSCAD/E MTDC in power system simulation.Themethod of realizing the user-definedmodelwhich is based on the interface technique between PSCAD/E MTDC and MATLAB is presented on the background of single-phase fault selection in the distribution net.Both of PSCAD/E MTDC and MATLAB are analyzed.Tomake thebestuse of theelectromagnetic transientanalysis program and themathmodel software package.The interfacemodel is built using PSCAD and its parameters are setby calling the Mfile using the data engine of MATLAB.An application example of single-phase fault selection in the distribution net is analyzed.Datagot via the interfaceare processed and sent to Mfile to select the fault line.Simu lation results pointout that the functions of the user-defined model can be realized.

PSCAD/E MTDC;user-defined model; MATLAB;interface technique;correlation coefficient

2010-04-09。

江西省研究生创新基金项目 (YC08A 075)。

袁欣 (1985-),男,硕士研究生,研究方向为电力系统仿真、运行与控制,E-mail：yuanxin1570@163.com。

T M743;TP311.54

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