PSCAD/EMTDC软件功能简介
3.1.1 PSCAD/EMTDC软件简介
PSCAD/EMTDC(Electro—Magnetic Transient in DC System,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Dennis Woodford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Denis Woodford博士的领导下对EMTDC的元件模型库和功能不断进行完善,使之发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图形界面(GUI)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3-1 PSCAD/EMTDC的三种版本比较
(1)工作站版PSCAD/EMTDC 工作站版的PSCAD/EMTDC运行在UNIX操作系统下,其运行十分稳定,且用户界面PSCAD的操作也十分方便.
(2)PC版PSCAD/EMTDC 个人版的PSCAD/EMTDC是一个免费软件,具有标准的WINDOWS(Windows 95/98/NT)界面.清华大学电力系统国家重点实验室和中国电力科学研究院相继从University of Manitoba引进了新版PSCAD/EMTDC软件包.
3.1.2 PSCAD/EMTDC的功能
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MATLAB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 PSCAD/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.△f可以根据需要进行选择.为了使仿真具有较高的精度并避免仿真时间过长,步长△£一般为25~50tts.
2.PSCAD/EMTDC的元件模型库(Library)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达到稳态,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体现.
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1 2 S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.
(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的内部运算法则在其核心部分使用梯形积分。(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。 (比其它程序要稳定和可靠得多。)
4. EMTDC使用一种2部分稀疏最佳运算法则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。
3.2 PSCAD/EMTDC模块介绍
3.2.1 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 程序族中最有功效的。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, 因为画布部分可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-GL 命令的绘图仪输出硬拷贝。
2.架空线(T-LINE)和电缆(CABLE)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-LINE和CABLE 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-LINE和CABLE 模块所产生的数据可以直接输入到PSCAD 的建模(DRAFT)模块中。
3.运行(RUN TIME)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馈。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(UNIPLOT)和多曲线绘图(MULTIPLOT)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。可以对数据进行标尺整定和通用格式整定。对于绘图用的数据可直接进行傅里叶分析。如果要处理大量的数据, 可以通过编程的办法形成自动处理顺序。
多曲线绘图模块可以将单曲线绘图模块绘出的曲线整理成适合报告应用。可将多根曲线组合安排在单张纸上。使用者可以直接处理曲线并在纸面上添加需要的文字说明并可绘制其它美化标志。