PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件在毕业设计课程中的应用

张正茂 常 玲

1.山东电力高等专科学校 山东 济南 250002

2.国网山东省电力公司青岛供电公司 山东 青岛 266002

0 引言

毕业设计是高等院校学生毕业前的一门重要的综合实践课程，旨在锻炼学生综合运用所学专业知识，完成特定设计任务的能力。随着现代信息技术和计算机技术的飞速发展，传统的人工计算、人工画图进行电气工程分析和设计的方法，已经不再适用于现代电气工程技术的发展。作为锻炼学生综合实践能力的毕业设计课程，也应尽量采用一些计算机辅助分析和设计软件开展设计，以适应现代电气工程技术的发展对人才的需求。

PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，是目前国内外相关科研单位和高等院校的科研开发人员广泛使用的一种电力系统分析和设计工具，将该软件应用到电气工程类专业学生的毕业设计中，将大大提高学生综合运行现代计算机技术和专业理论知识，完成设计和研究任务的能力，显著提高毕业生的专业素质和就业竞争力。

1 PSCAD/EMTDC软件简介

EMTDC （Electro-Magnetic Transient in DC System）最早由Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成的，多年来该软件得到了不断完善，目前已经成为既可以研究交、直流电力系统问题，又能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具。特别是PSCAD（Power system computer aided design）图形界面的开发成功，使得用户能更方便的使用EMTDC进行电力系统仿真计算，而且该软件可以作为实时数字仿真器RTDS（Real time digital simulator）的前置端。目前，PSCAD/EMTDC以其大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核和友好的开发环境等特点，成为被世界各国的科研机构、学校和电气工程师所广泛应用的电力系统仿真软件。

PSCAD/EMTDC的使用非常方便，用户可以在其元件模型库中挑选所需要的元件，设计电气连接图，然后输入各个元件的参数值。运行时系统自动通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着程序的进度在PLOT中实时生成曲线，也可以以文件的形式导出，并能与MATLAB接口。此外，PSCAD/EMTDC还具有强大的自定义功能及支持子网嵌套的功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的仿真模型。软件的主界面如图1所示。

图1 电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC主界面

2 PSCAD/EMTDC在毕业设计中的应用

2.1 电气元件仿真模型的创建

在绘制电气接线图，进行仿真电路的设计和分析以前，首先需要创建各电气元件的计算机仿真模型。在PSCAD中，已经提供了一些常用电力系统元件的仿真模型，例如各种电源、变压器、电机、断路器、电力电子器件等，均可以在PSCAD/EMTDC的主元件库master library中找到相应的仿真模型。学生只需根据设计任务的需要，正确选择所要使用的电气元件仿真模型，并进行参数的设定即可。以一个10KV电网小电流接地系统的单相接地故障仿真为例，仿真中需要用到的一些电气元件，如三相交流电源、三相变压器、三相断路器、单相接地故障模型、消弧线圈电感等，其仿真模型均可以在主元件库master library中找到。有一些电气元件，如线路对地电容、线路负荷等，也可以通过元件库中已有的元件模型组合创建，如图2所示。

图2 小电流接地系统单相接地故障仿真中主要电气元件模型

在创建完电气元件的仿真模型后，还需根据设计需要在仿真元件中设定合适的设备参数，以便在仿真时正确的反映设备的电气特性，以三相交流变压器模型为例，需对变压器的额定容量、电源频率、高低压绕组额定电压、接线方式等参数进行设置，如图3所示。

图3 三相变压器基本参数设置

对于一些PSCAD的主元件库中没有提供的特殊电气设备的仿真模型，也可利用软件提供的仿真模型自定义功能，让学生自己动手创建，以小电流接地系统中可能用到的Z形接地变压器为例，可按照以下步骤在仿真文件中创建：

1）定义模型的基本参数，如模型名称、输入输出端子数、端子类型、显示字符等，如图4（a）所示。Z形接地变压器模型可定义3个输入端子，1个输出端子，端子类型全部定义为电气接点型，上方三个端子依次显示字符A、B、C，用于连接三相导线，下方端子显示字符N，用以连接消弧线圈等接地设备，基本参数设置好后的Z形接地变压器模型外观如图4（b）所示。

图4 自定义的Z形接地变压器模型

2）定义好Z形接地变压器模型的基本参数后，即可双击该模型，打开其内部电路编辑页面，按照Z形接地变压器的工作原理，创建其仿真电路。例如，可用三个单相接地变压器，按照Z型连接的方法引出中性点，构成接地变压器的仿真电路，如图4（c）所示。其中单相变压器的参数设置方法同图3中的方法类似。绘制好接地变压器的仿真电路图后，该电气元件的仿真模型即创建完毕。

2.2 仿真电路接线图的绘制与测量元件的创建

创建好仿真电路中各电气元件的模型并设置好相应的电气参数后，便可使用仿真软件中提供的导线将各电气元件按照仿真电路的设计要求连接起来，构成仿真电路接线图，同时为了观测和分析仿真电路的运行情况，可根据需要在不同位置设置电压表、电流表等测量元件，以及数据输出通道、图形框等观测、显示元件。有时为了观测方便，也可使用有效值测量表将电压、电流转换为有效值再输出到图形框显示，如图5所示。

图5 数据测量与观测元件

以10kV电网小电流接地系统单相接地故障仿真为例，其基本的仿真电路接线图及测量、观测元件如图6所示。

图6 小电流接地系统单相接地故障仿真电路图与测量元件

2.3 仿真电路的运行控制与结果分析

在创建好仿真电路以后，学生可根据毕业设计任务的需要，设置各种不同的仿真条件和仿真参数，来控制仿真电路的运行。例如，小电流接地系统单相接地故障仿真中，可对仿真的时长、短路故障发生的时间、持续时间、故障点的位置、过渡电阻的大小、断路器的初始状态等仿真条件和参数进行设置。有时候，为了实现一些特殊的仿真功能，可以通过自定义一些控制器模型来实现。例如，在本文小电流接地系统的仿真中，为了实现消弧线圈的补偿电流，随着系统运行方式的变化而自动改变，可以创建一个消弧线圈控制器来实现，如图7（a）所示（模型左侧三个输入量为线路2、3、4的断路器状态信号，右侧输出量为可调式消弧线圈模型中的三个开关控制信号）。自定义控制器模型基本参数的创建和图4中电气元件模型的创建类似，但是，为了实现输入信号和输出信号间的控制逻辑，需要使用软件自带的FORTRAN语言编译器进行编程，如图7（b）所示。同样，当需要建立一些二次设备模型时，例如保护、安全自动装置等，也可以通过自定义控制元件，编程实现其功能。

图7 自定义的消弧线圈控制器模型

在设置好仿真参数和仿真条件之后，仿真电路便可以进行运行，运行过程中，软件将通过实时计算模拟该电路的运行情况，并将被观测参数的变化与仿真结果通过图形框、仪表等元件显示出来。学生可根据设计任务的需要，设置不同的仿真条件和仿真参数，观察其输出结果，并进行比较分析。以小电流接地系统的仿真为例，图8显示了仿真时间为0.5秒时，1号线路发生C相线路单相接地时的中性点位移电压U01、故障点电流ID1以及消弧线圈的补偿电流I01，在系统不同运行方式下（t=1秒时线路2退出运行，t=2秒时线路3退出运行，t=3秒时线路4退出运行）的变化波形。从波形可以看出，由于消弧线圈电感可随系统运行方式的变化而改变，从而使单相接地时的故障电流始终得到了很好的补偿。

图8 小电流接地系统单相接地故障仿真输出波形

3 结束语

PSCAD/EMTDC是一项功能强大，使用方便的电力系统分析工具，将它引入学生毕业设计中，有助于提高毕业设计的效果和专业人才培养的质量。在我校电气工程专业学生中，已经连续5届应用该仿真工具开展大三学生的毕业设计，从实际教学情况来看，应用PSCAD软件开展毕业设计，既能锻炼学生综合运行所学知识的能力，加深学生对专业知识的理解，同时也提高了学生运用现代计算机技术的能力。此外，掌握该仿真工具，也为学生走上工作岗位后，开展电气工程方面的设计和研究工作打下了良好的基础。但是，在应用该软件开展毕业设计时，由于一些特殊电气元件模型或控制功能的实现，需要学生使用FORTRAN语言编程来实现，对于没有相关编程基础的学生来说，会有一定难度，需专门进行学习才能实现。

［1］张正茂.基于PSCAD的电力电子技术仿真实训［J］.河北师范大学学报，2012，（3）.

［2］李玲.小电流接地系统Z形接地变压器模型设计［J］.吉林电力，2006，（3）.

［3］候玉强.基于PSCAD的经消弧线圈接地系统仿真分析.煤矿机电［J］.2011，（1）.