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1、电力系统故障的分析与仿真摘要电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的，如大的短路电流使元件破损，电压的骤降造成系统解裂甚至崩溃，对周围设备的电磁干扰等。发生短路时，系统从一种状态变到另一种状态，并伴随产生复杂的电磁暂态现象。所以有必要对电力系统发生故障时的电磁暂态进行分析。本设计利用PSCAD软件建立相关的电力系统模型，包括：变压器模型、同步发电机模型、输电线模型、负荷模型等。把各个模型搭建在一起，从而得到与数学模型相对应的仿真模型。利用EMTDC进行模拟计算，并得到各个参数的曲线，说明各个参数的变化情况，并根据曲线进行比拟分析得出结论。本设计建立了简单电力系统，并对其重要参数进行分析比拟
2、，得出了三相短路是最严重的短路，其次依次是两相接地短路、单相短路和两相短路；系统越复杂那么稳定性越好;阻抗越小那么电网强度越大等结论。关键词：电力系统；暂态；短路；PSCAD/EMTDCPowersystemfaultanalysisandsimulationAbstractheelectricalpowersystemnormaloperationdestructionismostlycausedbytheshortcircuitfailure.Forexample,thegreatshort-circuitcurrentenabletheelementmangle,thevoltageto
3、plummetcreatesthesystemsolutioncrackevencollapse,interferetoperipheryequipmentandsoon.Whentheshortcircuitoccurs,conditionofthesystemfromonechangetoanother,andconcomitancehasthecomplexelectromagnetismtransitionconditionphenomenon.Thereforeitisnecessitytocarryontheanalysistotheelectricalpowersystemofe
4、lectromagnetismtransitioncondition.ThisdesignusesthePSCADsoftwareestablishingelectricalpowersystemmodel,including:Transformermodel,synchronousgeneratormodel,transmissionlinemodel,loadmodelandsoon.Eachmodelbuildsintogether,thusobtainsthesimulationmodelwhichcorrespondswiththemathematicalmodel.Carryont
5、heanalogcomputationusingEMTDC,andobtaineachparametercurve,explainthechangesituationofeachparameter,andcarryonthecomparativeanalysisaccordingtothecurvetodrawtheconclusion.Thisdesignhasestablishedthesimpleelectricalpowersystemandcarriesontheanalysiscomparisontoitsimportantparameter,educetheconclusions
6、thatthethree-phaseshortcircuitisthemostseriousshortcircuit,inturnnextistwodockingshortcircuits,thesingle-phaseshortcircuitandtwoshort-circuits;Theelectricalpowersystemisintricaterthenthestabilityisbetter;TheimpedanceissmallerthentheelectricalnetworkintensityisbiggerandsoonKeywords：Electricalpowersys
7、tem；transient；Shortcircuit；PSCAD/EMTDC目录摘要IAbstractI引言1第一章电力系统分析11.1 电力系统分析简介11.2 电力系统稳态分析11.3 电力系统故障分析11.4 电力系统暂态分析2第二章电力系统故障的类型32.1 根本概念3短路产生的原因32.1.2短路的后果32.2 短路故障类型42.2.1 三相短路42.2.2 两相短路接地82.2.3 两相短路92.2.4 单相短路10第三章PSCAD/EMTDC软件133.1 PSCAD/EMTDC软件功能简介133.1.1 PSCAD/EMTDC软件简介133.1.2 PSCAD/EMTDC功能简
8、介133.1.3 PSCAD/EMTDC主要特点143.2 PSCAD/EMTDC模块介绍153.2.1 文件管理系统151 .建模(DRAFT)模块153 .运行(RUNTlME)模块16第四章电磁暂态数学模型的建立174.1 输电线数学模型的建立174.1.1 输电线数学模型174.1.2 输电线模型建立204.2 同步发电机数学模型的建立204.2.1 同步发电机数学模型204.2.2 同步机模型建立264.3 变压器数学模型的建立264.3.1 变压器数学模型264.4 电力系统数学模型的建立304.4.1 电力系统数学模型304.4.2 电力系统模型的建立315. 1三相短路故障仿真
9、315.2 两相短路接地故障仿真325.3 两相短路故障仿真325.4 单相短路故障仿真335.5 仿真结果分析335.5.1 分析各种短路的相同点和区别33阻抗对电网强度的影响355.6 故障引起的过电压的影响分析35跳闸于非故障线路的过电压35跳闸于故障线路的过电压36总结365.7 改善系统的运行方式37励磁系统37结论37参考文献38致谢38引言电力工业是国民经济开展的根底工业。随着经济建设的开展，发电设备的容量也在相应增大。为了更好的保证平安运行，经济运行，并保证电能质量，我们应该考虑任何电力系统故障的情况，并加以研究。电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。在供电系统中，短路
10、冲击电流会使两相邻导体间产生巨大的电动力，使元件损坏；大的短路电流将使导体温度急剧上升，会使元件烧毁；阻抗电压大幅下降，影响系统稳定性。发生短路时，系统从一种状态变到另一种状态，并伴随产生复杂的电磁暂态现象。所以有必要对电力系统电磁暂态进行研究。本设计利用PSCAD软件建立了简单电力系统的仿真模型。简单电力系统模型包括：同步发电机模型、负荷模型等。通过此次设计进一步稳固和加强了四年来所学的知识，并得到了实际工作经验。设计中查阅了大量的相关资料，努力做到有据可循。在设计中逐步掌握了查阅，运用资料的能力，总结了四年来所学的电力工业的相关知识，为日后的工作打下了坚实的根底。由于我在知识条件等方面的局
11、限，仍存在许多缺乏，但在指导老师和学院大力支持和帮助下，己有相当大的改良，在此表示衷心的感谢。第一章第一章电力系统分析1. 11.1电力系统分析简介运用数字仿真计算或模拟试验的方法，对电力系统的稳态方式和受到扰动后的暂态行为进行考察的分析研究。对规划、设计的电力系统，通过电力系统分析，可选择正确的系统参数，制定合理的电力系统方案；对运行中的电力系统，借助电力系统分析，可确定合理的运行方式，进行系统事故分析和预想，提出防止和处理事故的技术措施。电力系统分析包括稳态分析、故障分析和暂态分析三方面内容。1.2 1.2电力系统稳态分析主要研究电力系统稳态运行方式的性能，包括系统有功功率和无功功率的平衡
12、，网络节点电压和支路功率的分布等，解决系统有功功率和频率调整，无功功率和电压控制问题。潮流计算是进行电力系统稳态分析的主要方法。潮流计算的结果可以给出电力系统稳态运行方式下各节点电压相量和各支路功率分布。通过调整系统运行方式的给定条件，进行必要的潮流计算，可以研究并从中选择经济上合理、技术上可行、平安可靠的正常方式，及时发现电力网元件如变压器和线路过负荷、母线电压越限等异常工况并做出适当处理。潮流计算还给出电力网的功率损耗，便于进行网损分析，并进一步制定降低网损的措施。潮流计算还可用于电力系统事故预想，通过模拟发电厂、线路、变压器等元件的开断，分析其引起潮流分布的相应改变，确定事故影响的程度和
13、防止事故扩大的措施。潮流计算也用于输电线路工频过电压研究和调相、调压分析，为确定超高压线路并联补偿容量、变压器可调分接头设置、发电机额定功率因数等系统规划设计的主要参数以及线路绝缘水平提供局部依据。潮流计算还是考虑负荷电流的短路电流计算和稳定计算的根底，为这些计算提供初始运行方式1.3 1.3电力系统故障分析主要研究电力系统中发生单一或多重故障时，故障电流、电压及其在电力网中的分布。短路电流计算是故障分析的主要内容。短路电流计算的目的，是通过计算短路电流大小，确定短路故障的严重程度，选择电气设备参数，整定继电保护，分析系统中正序、负序及零序电流的分布，从而确定其对电气设备和系统的影响等。电力系
14、统可能发生多重复杂故障的异常工况，如输电线路一点单相接地，同时一侧断路器单相跳开即是一种同时发生的二重复杂故障。复杂故障短路电流的计算对分析电力系统事故、校验继电保护装置整定、分析系统中故障电流的分布等有重要作用。1.4 1.4电力系统暂态分析主要研究系统受到扰动后电磁和机电暂态过程，包括电磁暂态和机电暂态过程。电磁暂态过程的分析。主要研究电力系统故障和操作过电压及谐振过电压，一次与二次系统相互作用的控制暂态过程，以及电力电子设备的快速暂态过程，为变压器、断路器等高压电气设备和输电线路的绝缘配合和过电压保护的选择，降低或限制电力系统过电压技术措施的制定，以及电力电子控制设备的设计提供依据卬。机
15、电暂态过程分析。主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。其中暂态稳定分析是研究电力系统受到诸如短路故障，切除或投入线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。为选择规划设计中电力系统的网络结构，校验和分析运行中电力系统的稳定性能和稳定破坏事故，制定防止稳定破坏的措施提供依据。静态稳定分析是研究电力系统受到小扰动后的稳定性能，为确定输电系统的输送功率，分析静态稳定破坏和低频振荡事故的原因，选择发电机励磁调节系统、电力系统稳定器和其他控制调节装置的型式和参数提供依据。第二章第二章电力系统故障的类型2. 12
16、.1根本概念短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。几种短路的简略记号：表2-1短路记号短路类型代表符号三相短路二相短路单相短路二相短路接地断相故障：电力系统一相断开或两相断开的情况，属于不对称性故障。断相种类:一相断开和两相断开。复杂故障：电力系统的不同地点（两处或两处以上）同时发生不对称故障的情况。2.1.l短路产生的原因产生短路的原因很多，主要有如下几个方面：元件损坏，例如绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷开展成短路等；气象条件恶化，例如雷击造成的闪络放电或避雷器的动作，架空线路由于大风或导线
17、履冰引起电杆倒塌等；违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未撤除接地线就加上电压等;其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流局部等。2.1.2短路的后果随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，可能威胁整个系统的平安运行。短路的后果一般有以下的几个方面：短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时
18、，电动机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。发生不对称短路时，不平横电流能产生足够的磁通在临近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。2.22.2短路故障类型在三相系统中，三相同时短接的情况称为三相短路。由于各相阻抗相同，三相对称,所以又称为对称短路。电力系统在同一地点所发生的不对称短路有：两相短路、两相接地短路和单相接地短路。在发生
19、此类短路时，三相系统将处于不对称状态。2.2.1三相短路1 .电力系统节点方程的建立利用节点方程作故障计算，需要形成系统的节点导纳或阻抗）矩阵。首先根据给定的电力系统运行方式制订系统的等值电路，并进行各元件标幺值参数的计算，然后利用变压器和线路的参数形成不含发电机和负荷的节点导纳矩阵Yn。发电机作为含源支路通常表示为电势源Ei与阻抗Zi的串联支路，接于发电机端节点i和零电位点之间，电势源Ei的施加点称为电势源节点，而支路的端节点i那么为无源节点。在建立节点方程时，经常将发电机支路表示为电流源Ii和导纳yi的并联组合,电流源Ii的注入点i称为电流源节点，而节点r那么成为零电位点（短路点）。接入发
20、电机支路后，YN阵中与机端节点i对应的对角线元素应增加发电机导纳yio有源支路用电流源表示时，最终形成的系统节点导纳矩阵Y和YN阵同阶。在需要利用电势进行短路计算时，是否需要增设电势源节点并相应扩大导纳矩阵的阶次，这取决于所选用的求解方法。节点的负荷在短路计算中一般作为节点的接地支路并用恒定阻抗表示，其数值由短路前瞬间的负荷功率和节点实际电压算出，即Zi.d.k=VjS*1.D或ym=sm/Vi(2-1)节点K接入负荷，相当于在YN阵中与节点k对应的对角元素中增加负荷导纳ylj),o最后形成包括所有发电机支路和负荷支路的节点方程如下YV=I(2-2)式中，Y阵与YN阶次相同，其差异只在于YN阵
21、不含发电机和负荷；节点电流向量I中只有发电机端节点的电流不为零。有非零电流源注入的节点称为有源节点。系统中的同步调相机可按发电机处理。在进行起始次暂态电流计算时，大型同步电动机、感应电动机以及以电动机为主要成分的综合负荷，特别是在短路点近处的这些负荷，必要时也可以用有源支路表示，并仿照发电机进行处理。在电力系统短路电流计算的工程计算中，许多实际问题的解决并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似算法中主要是对系统元件模型和标幺参数计算作了简化处理。在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流，负荷忽略不计或只作近似估计。在标幺参数计
22、算方面，选取各级平均额定电压作为基准电压时，忽略各元件的额定电压和相应电压级平均额定电压的差异，认为变压器变比等于其对应侧平均额定电压之比，即所有变压器的标幺变比都等于Io此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就防止了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。2 .利用节点阻抗矩阵计算短路电流假设系统中的节点f经过渡阻抗Zf发生短路。这个过程阻抗Z不参与形成网络的节点导纳(或阻抗)矩阵。保持故障处边界条件不变，把网络原有局部同故障支路分开。容易看出，对于正常状态的网络而言，发生短路相当于在故障节点f增加了一个注入电流1.。因此，网络中任一节点i的电压
23、可表示为V=ZZJ1.-ZH1.(23)於。式中，G为网络内有源节点的集合。由式(2-3)可见，任一节点i的电压都由两相跌加而成。第一项为哪一项符号下的总合，它表示当/f=0时由网络内所有电源在节点i产生的电压，也就是短路前瞬间正常运行状态下的节点电压，这是节点电压的正常分量，记为V。第二项是当网络中所有电流源都断开，电势源都短接时，仅仅由短路电流/,在节点i产生的电压，这就是节点电压的故障分量。上述两个分量的叠加，就等于发生短路后节点i的实际电压，即(O)Vf=Vf-ZifIf(2-4)公式(2-4)也适用于故障点f,于是有(0)Vf=Vf-ZffIf(2-5)(0)式中，V/=Zq。是短路
24、前故障点的正常电压；是故障节点f的自阻抗，也称输入阻抗。方程式(2-4)也可以根据戴维南定理直接写出。方程式(2-4)含有两个未知量V/和需要根据故障点的边界条件再写出一个方程才能求解。这个条件是Vf-zfIf=0(2-6)由方程式(2-4)和(2-5)可解出.(0)7/=(2-7)Zg+Zf而网络中任一节点的电压(0)Z()V=V-Vf(2-8)+zf任一支路电流对于非变压器支路，令k=l即可。从计算公式(2-7)和(2-8)可以看到，式中所用到的阻抗矩阵元素都带有列标fo这就是说，如果网络在正常状态下的节点电压为，为了进行短路计算，只须利用节点阻抗矩阵中与故障点f对应的一列元素。因此，尽量
25、是采用了阻抗型的节点方程，但是并不需要作出全部阻抗矩阵。在短路的实际计算中，一般只需形成网络的节点导纳矩阵，并根据具体要求，求出阻抗矩阵的某一列或某几列元素即可。在不要求精确计算的场合，可以不计负荷电流的影响。在形成节点导纳矩阵时，所有节点的负荷都略去不计，短路前网络处于空载状态，各节点电压的正常分量的标幺值都取作等于1,这样，公式(2-7)和(2-8)便分别简化成I=-(2-10)Zff+zf7V,=1更(2-11)Zo+zf金属性短路时Z/=0,因此只要知道节点阻抗矩阵的相关元素就可以做短路计算了。3.利用电势源对短路点转移阻抗计算短路电流在电力系统短路的实际计算中，有时需要知道各电源提供
26、的短路电流，或者按的电源电势直接计算短路电流。在这种情况下，电势源对短路点的转移阻抗就是一个很有用的概念。对于一个多源的线性网络，根据叠加原理总可以把节点f的短路电流表示成If=EEilZiI(2-12)ZgG式中，G是有源支路的集合，E为第i个有源支路的电势，z.便称为电势源i对短路点f的转移阻抗。根据公式(2-12),当网络中只有电势源i单独存在，其他电源电势都等于零时，电势与短路点电流入之比即等于电源i对短路点f的转移阻抗Z/,也就是电势源节点1和短路点f之间的转移阻抗；电势E与电源支路m的电流/加之比即等于电源i和电源m之间的转移阻抗，也就是电势源节点和电势源节点nf之间的转移阻抗。利
27、用节点阻抗矩阵可以方便地计算转移阻抗。当电势源E单独存在时，相当于在节点i单独注入电流=E,z,这时在节点f将产生电压VzJ=Zyj,假设将节点f短路,便有电流)户=K。于是可得zfi=-=-zi(2-13)J11Ifi4同理可以得到电势源i和电势源m之间的转移阻抗为Zim=ZiZlJZim(2-14)通过电流分布系数计算转移阻抗也是一种实用方法。对于多电源系统，令所有电源电势都等于零，只在节点f接入电势E,使产生电流入=Ez。这时各电源支路电流对电流之比便等于该电源支路对节点f的电流分布系数。电源i的电流分布系数为ci=ljlf,电流分布系数也可以利用节点阻抗矩阵进行计算。节点f单独注入电流
28、时，第i个电势源支路的端节点i的电压为V矿=-Z/,而该电源支路的电流为I1=-ViziO由此可得ci=(2-15)IfZi对照公式(2-13),计及Z价=Zr这样便可得到计算转移阻抗的又一个公式zfi=-(2-16)q电流分布系数是说明网络中电流分布情况的一种参数，它只同短路点的位置、网络的结构和参数有关。对于确定的短路点网络中的电流分布是完全确定的。不仅电源支路,而且网络中所有支路都有确定的电流分布系数。假设令电势E的标幺值与Z犷的标幺值相等，便有/=1,各支路电流标幺值即等于该支路的电流分布系数。分布系数实际上代表电流，它是有方向的，并且符合节点电流定律。在PSCAD中的三相短路设置：图
29、2.1三相短路设置图2.2.2两相短路接地B和C相短路接地。故障处的三个边界条件为/点=0,V,=OWk=0,这些条件同单相短路的边界条件极为相似，只要把单相短路边界条件式中的电流换为电压，电压换为电流就是了。用序量表示边界条件为Zjfad)+(2)+*(3)=0(217)VrWl)=Vfa(2)=Vfa(3)根据边界条件可得0?(2-18)/(X，+x(2)犷以及1而(2)=一AXg(O)/例O)#(2)(2-19)yfa()=V%=V自=jJBsjAd)Xg+XJ(O)短路点故障相的电流为1.ib=a21fa()-aIIfa(o)=(a-JJ)Iy(i)(2-20)XjT(2)+Xj(O)
30、Ifc=ClIfa(,)+a21fa(2)+iJa(Q)=(。？/j()X4+x7(o)根据上式可以求得两相短路接地时故障相电流的绝对值为/尸)=Ijh=廉=Q小笑鼠(2-21)V(Af(O)十)短路点非故障相电压为Vm=3V/=j3XgXg/自(2-22)X(2)+X./(O)在PSCAD中的两相短路接地设置:图2.2两相短路接地设置图2. 2.3两相短路B相和C相短路。故障处的三个边界条件为=O,7,=O,Vfe=Vfef用对称分量表示为1 J(!)I+/fi(O)=0a21Wa)+fa(2)+1fa(o)+alfa(i)+ciIW+/用(O)=O(2-23)Cl2V为+V加+Vj(0)=
31、aVy(D6f2Vfa(2)+Vy(0)整理后可得Ih(0)=0d+%=O(2-24)Vfa)=Vfil(2)根据这些条件，我们可用正序网络和负序网络组成两相短路的复合序网。因为零序电流等于零，所以复合序网中没有零序网络。利用这个复合序网可以求出.(0)Ifa=-(2-25)(2-26)fa)(2-27)(X厅+X(2)VfaVfa(2)-jX1.(2)=jX/短路点故障相的电流为Ijb=Ci2IfiIa)+aI施(2)+1曲(0)=(cr-a)I向(D=TMl而B、C两相电流大小相等，方向相反。它们的绝对值为IT=Ijb=IRErWI)(2-28)短路点各相对地电压为Vfa=Vm+V由+V(
32、0)=2V而=j2X,/()V二。2V向+VN2)+V皿0)=-V7=一；丫角(2-29)Vfc=Vjb=-Vfit(i)=-Vfa可见，两相短路电流为正序电流的后倍；短路点非故障相电压为正序电压的两倍，而故障相电压只有非故障相电压的一半而且方向相反。在PSCAD中的两相短路设置:图2.3两相短路设置图2.2.4单相短路单相短路接地时，故障处的三个边界条件为/.=OWM=O=O,用对称分量表示为经过整理后便得到序量表示的边界条件为V自+V用+V处O)=O(2-30)I也(D=/fa(2)=I用(0)Eeq-jX夕/而=V联立方程组-jXU1.=Vfit(2-31)一jX7(0)/由()=V阿)
33、及(2-30)可得.(0)Ifa)-(2-32)/(X/+X-+X皿0)公式(2-32)是单相短路计算的关键公式。短路电流的正序分量一经算出，根据边界条件(2-30)和方程式(2-31),即能确定短路点电流和电压的各序分量I(2)=/fi(0)=IWl).(O)V .=Vf-JX厅/回=j(x夕+Xf(O)(233)V fil(2)=-jX万IK(DV Ja(O)=jX加0)Ifa()电压和电流的各序分量，也可以直接应用复合序网来求得。根据故障处各序量之间的关系，将各序网络在故障端口联接起来所构成的网络称为复合序网。与单相短路的边界式(2-30)相适应的复合序网。用复合序网进行计算，可以得到与
34、以上完全相同的结果。利用对称分量的合成算式，可得短路点故障相电流.(1),If=/.=/.+/依+/皿。)=3/m(2-34).(O)或h=-比(2-35)(X.+X/(2)+XV(O)由上式可见，单相短路电流是由短路点的各序输入电抗之和限制。Xjtr和X万的大小与短路点对电源的电气距离有关，X,那么与中性点接地方式有关。通常XgXg,当X#(0)XmD时，单相短路电流将大于同一点的三相短路电流。短路点非故障相的对地电压V处二。2V初i)+Vj+V力(O)=)X/(2)+(M-1)X加0)/自(2-36)VJc=。匕例1)+。2匕2)+*网2)=九(。一。2)乂夕(2)+(。-I)Xg(O)/
35、向选取正序电流/加作为参考向量，可以作为短路点的电流和电压向量图3也和/自都与j%方向相同、大小相等，。,做1)比)自超前90,而V也和VWo)都要比/自落后90oo非故障相电压V功和的绝对值总是相等，其相角%与比值Xmo)/X万有关。当XmO)0时，相当于短路发生在直接接地的中性点附近，V(o)O,V色与V户正好反相，即=180,电压的绝对值为孝丫广。当Xm)8时，即为不接地系统，单相短路电流为零，非故障相电压即等于故障前正常电压，夹角为120。在PSCAD中的单相短路设置：图2.4单相短路设置图第三章第三章PSCAD/EMTDC软件3.13.1PSCAD/EMTDC软件功能简介3.1.13
36、.1.1PSCAD/EMTDC软件简介PSCAD/EMTDC(ElectroMagneticTransientinDCSystem,直流电磁暂态计算程序)是目前世界上广泛使用的一种离线仿真电力系统分析软件，是分析和研究直流输电系统和交直流相互影响等问题的有力工具。1976年DenniSWoodfOrd博士为了研究高压直流输电系统，在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了初版EMTDC多年来该高压直流输电研究中心在DeniSWOOdford博士的领导下对EMTDC的元件模型库和功能不断进行完善，使之开展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图形界
37、面(GUD的开发成功，使用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统仿真计算，该软件还可以作为实时数字仿真器(RTDS)的前置端.EMTDC是PSCAD/EMTDC仿真的核心程序，PSCAD是与EMTDC完美结合的一个强大的图形用户界面，用户可以在一个完全集合的图形环境下构造仿真电路，运行、分析结果，处理数据，从而保证研究工作的质量和效率,PSCAD/EMTDC有3种版本，其特点如下表所示。表3TPSCAD/EMTDC的三种版本比拟(1)工作站工程节点数/个硬件锁系统下，其运行十分稳定，Jg(2)PC版PS商业版不限加密具有标准的WlNDOWS(力科学研究院刑教育版200加密生室和中国电件包。3.
38、1.2 3.1.2PSCAD/EMTDC功能简介1 .直流输电控制保护系统参数优化的研究功能；2 .故障暂态工况的离线分析功能，在负荷变化、电压或电流整定值改变等情况下的系统动态特性研究功能，直流输电系统不同控制方式或运行方式间的相互转换时的动态特性研究功能；3 .交直流联网系统的相互作用研究功能；4 .在非理想条件下直流输电系统的谐波特性研究功能；5 .利用PSCAD/EMTDC程序的MAT1.AB接口进行可视化数值计算功能；6 .工程数据库功能，直流输电系统数字仿真模型中包含了系统的结构和参数、一次主设备的结构和参数、HVDC控制保护系统的结构和参数等；7 .可进行电力系统时域和频域计算仿
39、真，反映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；8 .可广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计，以及电力系统谐波分析、电力电子领域的仿真计算。3.1.3 3.1.3PSCAD/EMTDC主要特点（一）PSCAD/EMTDC软件的主要特点1 .数字计算机不可能连续地模拟暂态现象，只能在离散的时间点（步长At）求解.何以根据需要进行选择.为了使仿真具有较高的精度并防止仿真时间过长，步长一般为2550s。2 .PSCAD/EMTDe的元件模型库（1.ibrary）提供了很多常用的电力系统元件模型，但在实际的直流输电系统中，有很多元件具有特殊的功能和特性，为了准确地在仿真模型中表
40、达这些元件，需要用户自定义元件模型，在所建立的仿真系统中，可根据需要对交流系统中的发电机、线路、负荷、变压器等采用不同的模型。3 .可通过弹起菜单修改仿真系统中某个元件的参数，PSCAD/EMTDC具有图形用户界面，所有元件的参数均可通过弹起菜单输入。4 .可在PSCAD/EMTDC软件的运行环境RUntime中显示曲线，在程序的运行过程中可以观察到曲线的变化情况；也可以把滑块、按钮、刻度盘和仪表等加在RUntime中，以便交互地控制程序；可以通过曲线显示输出，也可以通过仪表进行模拟或数字显示。5 .可对包含复杂非线性元件（如直流输电设备）的大型电力系统进行全三相的精确模拟，其输入、输出界面非
41、常直观。6 .使用方便，操作简单，其许多模型的容忍力、复杂的代数式和方法对用户都是公开的，从而使用户集中精力对结果进行分析，而不是将重点放在数学建模上。7 .EMTDC模型分析由于没有统一的网络初始化程序，在仿真中，各物理量均从零开始计算，但发电机在这种条件下很难到达稳态，这就需要事先用其他程序计算出一个潮流结果作为初始条件。8 .图形用户界面使所有的仿真均在一个集成的环境下完成，仿真的许多特性，如电路组合、控制运行时间、结果分析和报告等均能得到表达。9 .PSCAD/EMTDC在系统最大规模上有限制，电力系统元件的数据以菜单/表格形式输入，同时可以方便地得到电力系统元件模型举例和相关数据，因
42、而可快速建立电力系统模型，这对于工程的初始阶段大有用处。10 .PSCAD/EMTDC是在一定的时域内采用逐步法进行计算的，因此，一般认为仿真过程较短，只适合于进行12S以内的电磁暂态计算，往往不能描述一个完整的动态过程.但在实际计算分析中经常需要进行这样的描述。C二）EMTDC的运算从开始到完成一次EMTDC算题包括如下步骤：1 .利用文件管理系统生成一个工程和算题名2 .利用建模模块建立电力系统模型3 .利用运行模块进行EMTDC模拟计算4 .通过单曲线绘图对模拟结果进行分析并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。（三）PSCAD/EMTDC与EMTP和ATP的不同1.最
43、大的不同当然是PSCAD图形用户界面。模拟的所有方面（即电路的绘制，数据的入口，结果的可视化，结果和设置的控制等等）都是图形化地实现。准备和试验系统模拟的速度特别是计算大型复杂系统的速度，通常都要比用ATP或EMTP快得多。2.通过PSCAD图形界面，能够在线调整增益，时间常数和设置，这使得用户能够方便地修改电路元件而无需重新运行例子。3.EMTDC的内部运算法那么在其核心局部使用梯形积分。（如同EMTP/ATP一样）。这是由赫尔曼.多梅尔在他1969年的著名论文中就定义了。然而许多串联和并联的电路元件被算术地分解，通过使用少得多的节点和支路来加速求解。因而求解就快，灵活和在数字上稳定。（比其
44、它程序要稳定和可靠得多）4.EMTDC使用一种2局部稀疏最正确运算法那么作为其主要解决方案，因而开关的操作非常快。EMTDC同时使用分系统方法，这种方法的优点是基于通过行波输电线路分割的系统在数学上是相互独立的。3. 23.2PSCAD/EMTDC模块介绍文件管理系统当用户涉及PSCAD时所遇到的第一个软件模块就是文件管理系统。采用一种工程/算题/文件的分层结构来表示用户进行电力系统模拟研究的数据库结构。如果得到授权可以进入该数据库，这样,局部网上的不同用户可以共享同一个数据库。从文件管理软件模块可以直接进行诸如备份、储存、文件编缉、拷贝和删除等操作。通过选择文件管理模块屏幕右上角的适当菜单可
45、调用PSCAD的其它软件模块，很多情况下将所有的软件模块同时激活，有些模块的图像可能暂时隐藏在正在处理的模块图像之下。3.2.2各种模块简介1 .建模（DRAFT）模块建模程序包是PSCAD程序族中最有成效的。借助建模包,用户可以用图形的方法建立需要进行模拟研究的电力系统模型。通过选择不同的功能，建模包可以为EMTDC或RTDS模拟研究准备必需的文件。电力系统元部件图像位于调色板中(建模窗口的右侧)并可移至画布上(左侧)，通过将各元部件模型互连便完成了电力系统模型。不同元部件模型所需的参数可在调用这些模型时屏幕上出现的菜单中直接输入。具有大量互联元部件的电力系统模型同样易于处理，因为画布局部可
46、分为很多层次并可在屏幕上滚动显示。当用户完成了模型构筑时，可以通过基于PS格式的激光打印机或者可以接受HP-G1.命令的绘图仪输出硬拷贝。2.架空线(T-IJNE)和电缆(CAB1.E)模块确定架空输电线和电缆的行波模型所需数据的计算过程是相当复杂的。为了确定变换矩阵、模式传输时间和波阻抗，需要进行特征值分析。为了完成这种分析，需要使用T-1.INE和CAB1.E模块。通过功能选择可以产生单频率模式模型或者完全的频率相关行波模型。架空线模型所需要的数据有导线的空间相对位置以及导线的半径和电阻率。对于电缆,每一导电层和绝缘层的半径和特性都是必需的。由T-1.INE和CAB1.E模块所产生的数据可
47、以直接输入到PSCAD的建模(DRAFT)模块中。3.运行(RUNTIME)模块运行模块中的EMTDC操作员控制台软件模块和RTDS控制台软件模块可分别为运行EMTDC和RTDS提供控制操作功能和数据收集系统功能。软件中提供了完善的界面，允许使用者装入、启动或停止一个模拟算题，并可在模拟过程中与之通讯。由于采用了多种仪表和模拟过程数据在线绘图，允许使用者获得相关模拟算题的即时反应。使用者所激发的动态过程，如整定值改动、开关操作以及故障触发可以通过操纵滑触头、电位器、开关和按钮进行。4.单曲线绘图(UNIP1.OT)和多曲线绘图(MIJ1.TlP1.oT)模块EMTDC和RTDS所产生的数据的分析和绘图是通过单曲线绘图模块进行的。可以
