全工况仿真平台在电气工程教学中的应用

2011-03-21江秀臣

电气电子教学学报 2011年3期

张君，江秀臣，徐波，蔡旭

（上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240）

0 引言

在我国，10kV配电网的应用范围广泛，各类非对称短路故障频发，会直接导致停电、降低供电可靠性，在电气工程教学过程中对于10kV配电网故障的产生、过程、危害以及防治等进行研究和授课具有十分重要的现实意义。

目前，有关配电网故障的教学内容主要涵盖在电气工程基础和电力系统继电保护两门课程上，其中尤以后者为主。但在实际工程实践中，对于中压配电网非对称故障的治理主要是通过中性点接入消弧线圈和快速继电保护两种方式进行［1，2］，而前者也在我国有着普遍的应用，相关教学内容主要在电气工程基础［3］的有关章节进行阐述。对于这部分教学内容，教学大纲一般规定课时少，对此学生往往掌握的不多，因此课程组通过增加相关教学实验以加深授课效果。构造10kV高压模拟电网进行单相接地演示实验，模拟实验是把现场搬到实验室，能够最大程度的模拟现场情况。但是模拟实验无法提供全工况的试验条件，也无法满足学生动手操作实验。为了实现上述要求，授课组开展了仿真实验的研究和应用，便于每个学生开展实验。

PSCAD／EMTDC是电力系统领域的专业仿真软件，能够对系统时域和频域进行很好地分析。文献［4－7］使用了 PSCAD／EMTDC对中性点经消弧线圈接地电网做了仿真研究。本文使用PSCAD／EMTDC软件，建立了配电网全工况仿真平台。该平台由基本框架和附加模块组成。利用该平台可以对不同的中性点接地方式（不接地、经消弧线圈接地）、不同的接地故障（金属性接地、高阻接地、弧光接地等）以及不同的消弧线圈进行准确的仿真分析。

1 全工况仿真平台的建设

全工况仿真平台参考10kV高压模拟网而建设，包括基本框架和附加模块。基本框架包括电源、变压器、线路、控制与测量元件等，附加模块包括弧光接地模型、接地故障模型及消弧线圈模型等。

在前期演示实验的工作中，10kV模拟网已经建设完毕，并且得到了多组实验数据。为了验证仿真数据的可靠性，仿真平台参考10kV模拟网的结构和参数进行构建。图1所示是该仿真平台结构简图。380V的交流电源，通过变压器T1和T2升压至10.5kV。T1和T2分别接两段母线，每段母线有3条支路，共计6条支路。线路具体参数根据文献［8］确定，所给出的参数既考虑了线路的不同长度及不同的对地电容，也考虑了电网的自然不平衡。

图1 10kV配电网仿真平台结构简图

图中的电源、变压器和线路等基本元件已经存在于PSCAD库里，不需要自己定义。我们只要按照平台设计要求填写合适参数即可，线路使用集中参数模型。

2 仿真平台建模

2.1 接地故障模型

电力线接地一般可以分为金属性接地、通过低阻或者高阻接地、弧光稳定接地和间歇性弧光接地等。金属性接地、低阻接地和高阻接地比较简单，可以使用电阻器模块来模拟，改变电阻器的阻值即可。对于弧光稳定接地和间歇性弧光接地，过去常常把弧光接地等同于金属性接地或者认为弧道电阻是线性电阻。这种近似处理方法得到的结果往往不够准确。因此需要建立弧光接地模型［9］，以提高结果的准确性。

2.2 消弧线圈模型

平台建立了常见的四种消弧线圈模型，即无阻尼固定调匝式消弧线圈模型、自动调匝式消弧线圈模型、调容式消弧线圈模型和相控式消弧线圈模型。

无阻尼固定调匝式消弧线圈就是传统使用的Petersen调匝消弧线圈，它通常被预先人工调谐在过补偿状态，不需要再加入阻尼电阻。自动调匝式消弧线圈属于预调式消弧线圈，在电网正常运行时自动跟踪电网的电容电流，消弧线圈处于全补偿状态（实际是接近全补偿的一个范围内，可以是过补偿也可以是欠补偿）。为了抑制串联谐振过电压，需要加入阻尼电阻。当发生单相接地故障时，切除阻尼电阻实现最佳补偿。对于这两类消弧线圈，可以使用可变电感来模拟，如图2（a）和图2（b）所示。

与自动调匝式消弧线圈调节分接头改变电感值不同，调容式消弧线圈可通过调节不同的电容来抵消一部分电感电流，从而改变补偿电感电流的大小［10］。本平台中图2（c）使用4个电容量8：4：2：1的电容器来模拟调容式消弧线圈模块。

相控式消弧线圈是一种随调式消弧线圈［11］。电网正常运行时，它的电抗远离串联谐振点，不需要加阻尼电阻。电网发生单相接地故障时，消弧线圈快速调谐达到最佳补偿。这种消弧线圈比较复杂，所以相控式消弧线圈模块使用等效电路来模拟图2（d）所示。为了滤波补偿电流中的谐波，需要增加LC滤波电路。

3 操作平台

操作平台由仿真服务器和终端构成，其中仿真服务器上运行设计的全工况仿真平台，各终端为使用用户，具体结构如图3所示。

图2 不同类型消弧线圈模型

图3 全工况仿真平台结构

服务器采用24CPU和16GB内存的机架式服务器，运行操作系统为 Windows 2003Datacenter 32bit Server，使用 PSCAD4.2.1。Windows 2003 Datacenter 32bit Server提供的终端服务为每个登录该系统的用户提供了独立的运行空间和物理空间，因此支持多用户同步运行仿真平台。上述硬件配置的平台可同步支持64人执行仿真实验，适用于一个教学班同步进行仿真实验。