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基于 PSCAD 与 MATLAB 的配电网消弧仿真系统设计*论文

发布时间:2023-10-18 10:42:35 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.lunwensci.com)

  摘要: 消弧技术的计算方法越来越复杂, 对电力系统仿真软件的要求不断提高, PSCAD 等仿真软件已无法独立完成对消弧方法的 仿真。为此, 以配电网单相接地故障为背景, 为提高 PSCAD 仿真软件的计算能力, 提出一种新的仿真方法。基于 PSCAD/EMTDC 建立模型, 通过内部与 MATLAB 的接口, 启动 MATLAB 数据引擎调用M 文件; 利用 MATLAB 强大的计算能力完成 PSCAD 自身无法 完成的复杂计算公式, 可充分利用两款软件的优点。基于对消弧的研究, 采用所提方法进行仿真实验, 并将实验结果与某文献中 仿真方法进行对比。结果表明: 该方法具有可行性, 证明了 PSCAD-MATLAB 联合仿真在消弧仿真分析中的有效性。
  Design of Distribution Arc Suppression Simulation System Based on PSCAD and MATLAB

  Huang Peixian, Chen Kunyi, Ke Xianwang, Tian Hao, Zhao Guojun

  (College of Intelligent Systems Science and Engineering, Hubei Minzu University, Enshi, Hubei 445000. China)

  Abstract: The calculation method of arc suppression technology is becoming more and more complex, and the requirements for power system simulation software are constantly improving. PSCAD and other simulation software are unable to complete the simulation of arc suppression method independently. Therefor, based on the background of single-phase-to-ground fault in distribution network, a new simulation method is proposed to improve the calculation ability of PSCAD simulation software . A model is established based on PSCAD / EMTDC, and the MATLAB data engine is started to call M file through the internal interface with the MATLAB; the powerful computing power of MATLAB is used to complete the complex calculation formula that PSCAD itself cannot complete, by which can make full use of the advantages of the two software. Based on the research of arc suppression, the proposedt is used to simulation experimen, and the experimental results are compared with a simulation method in some literature. The results show that this method is feasible, and the effectiveness of PSCAD-MATLAB joint simulation in arc suppression analysis is proved.

  Key words: current arc suppression method; power system simulation; PSCAD/EMTDC; MATLAB; interface technology

  0 引言

  随着社会的发展, 配电网运行方式复杂, 具有电压 等级多、设备类型多、网络结构复杂等特点, 容易受环 境等因数的影响而发生故障, 单相接地故障占配电网运 行故障中的 80% 以上。由单相接地故障引起的电弧难以 自行熄灭, 若不及时处理, 易发生永久性故障。消弧线 圈于 1916 年由德国人彼得生 (W Petersen) 发明以来, 由于可以补偿电网的接地电容电流, 使接地电弧瞬间熄 灭, 在世界范围内得到了极其广泛的运用[1]。但随着配 电网中电力电子设备和非线性负载增多, 接地故障电流 中的无功分量、有功分量及谐波分量含量都呈增大趋势, 传统的消弧线圈因自身结构的特性, 对复杂的配电网故 障电弧抑制越来越困难, 为此许多学者提出了多种新型 消弧技术[2-4]。曾祥君[5-7] 课题组基于有源逆变器向配电 网注入零序电流来控制零序电压的方法, 破坏电弧重燃的条件, 实现电压消弧; 郭谋发[8- 10]课题组将多个逆变 电路级联起来, 级联的 H 桥多电平变流器可以输出更高 的电压, 来取代变压器的作用; 陈柏超[11- 12]课题组将磁 控电抗器与逆变器结合为电磁混合式消弧线圈, 利用磁 控电抗器补偿无功, 有源逆变器补偿有功和谐波。文献 [13]在消弧线圈补偿后, 通过投入故障转移装置转移故 障点的残余电流; 文献[14]通过测量注入 2 次不同电流后 的母线电压, 识别故障点过渡电阻后计算注入电流。由 于对于故障点消弧的实际实验较为困难, 各学者为验证 所提研究方法的可行性, 均采用搭建模型仿真的方法。 程 序 EMTDC (Electro Magnetic Transient in DC System) 是 目 前 被 较 为 广 泛 使 用 的 一 种 电 力 系 统 仿 真 软 件 。 PSCAD (Power System Computer Aided Design) 为 EMTDC 提供图形操作界面, PSCAD/EMTDC 是暂态分析程序, 具有模型精确和高品质仿真的优点, 在电力系统分析上能够发挥强大的优势, 所以在消弧实验的仿真方面受到 大部分学者的青睐。随着消弧的算法考虑的参数越来越 全面和投入的设备越来越多样化, 消弧的算法也逐渐复 杂, 对于复杂消弧的算法, PSCAD 软件自身不足以完成 完整的仿真过程。如曾祥君、郭谋发和陈柏超课题中所 提的注入的补偿电流的大小需要根据配电网中性点接地 电阻、故障相电源电动势、配电网单相接地泄漏电阻和 配电网单相对地电容进行计算; 文献[13]采用二级开关 结构, 一级开关用于转移残余电流, 二级开关的断开通 过检测限流电阻的电压或电流是否大于设定值来判断电 弧是否熄灭; 文献[14]通过向母线注入 2 次零序电流后利 用电源电动势、 2 次注入电流的大小和 2 次注入电流后母 线零序电压的大小计算过渡电阻, 再计算最后注入的理 想电流。不难看出, 以上所提的消弧方法很难通过单一 的仿真软件独立完成其完整的仿真过程, 若在仿真过程 中实行人工计算, 则会对结果造成较大影响。
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  MATLAB 具有强大的计算功能和丰富的图形功能, 编程效率高。它与 PSCAD 之间具有互补性, 通过两者之 间的接口能把它们的优点结合起来。通过 PSCAD/EMT ⁃ DC 程序与 MATLAB 语言接口, 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/EMTDC 程序中。同时, 用户还可以通过编制 M 文件来定义所需的元件模型。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, 用户可以方便地根据需要自定义元件模型, 这 些用户自定义元件模型可以跟 PSCAD/EMTDC 中的元件 模型进行连接。

  针对消弧的仿真实践, 本文将充分利用两款软件的 优点, 提出一种新的仿真方法: 利用 PSCAD/EMTDC 搭 建仿真模型, 在 PSCAD/EMTDC 中自定义一个模块, 该 模块可以调用 M 文件启动 MATLAB 数据引擎, 再使用 MATLAB 编写复杂的公式来计算结果, 最后将所得值返 回 PSCAD 中继续仿真, 最终实现完整的仿真过程。基于 本课题组在消弧方面的方法研究理论, 计算实现配电网 发生单相故障后的可靠消弧的注入电流, 并与原方法的 实验结果进行对比。仿真实验结果证明了该方法的有效 性, 该方法可以提高 PSCAD/EMTDC 在消弧仿真中的准 确性和灵活性。

  1 电流型注入法消弧原理

  传统电流型注入消弧法是通过有源逆变器向配电网 中性点注入零序电流,使故障点电流为零,实现消弧。对 注入电流大小的计算则是传统电流型消弧法实现消弧的关 键, 传统的电流型有源消弧法注入零序电流的计算公式为:
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  式中: I.为计算注入的零序电流; E.C 为故障相电压; ZC 为对地零序阻抗; R 为对地泄漏电阻; C 为对地电容。式 ( 1) 是由简单模型推导而来的, 并未考虑到诸如故障距 离、线路压降和负载参数的影响, 所以存在较大误差, 于是下面将利用对称分量法对电流型注入消弧法进行 研究。

  图 1 所示为带有消弧装置的配电网等效模型。假设 馈线 L6 中的 A 相发生单相接地故障, 则根据对称分量法 可得缝合序网图如图 2 所示。
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  图 2 中, U.op 为故障点支路断开时, 故障点的电压相量; I.j 为中性点逆变器注入电流; I.f (0) 为故障点电流; E. 为配电网正序电源; α 为故障距离; ZLD 为所有非故障馈 线及其末端负荷阻抗并联而成的总阻抗; ZF 为故障馈线 末端负荷的正序/负序阻抗; ZLf 为故障馈线正/负序阻抗; ZS 为系统正/负序阻抗; ZS0 为系统零序阻抗; ZLf0 为故障 馈线零序阻抗; Rf 为故障点处的过渡电阻。

  图 3 中, 端口 1 - 1' 为 故 障 端 口 根 据 戴 维 南 定 理 知, 若 想 实 现 对 故 障点 开 路 电 压 的 控 制 ,就 应 控 制戴 维 南 等 效电 压 。 根据图 3 可以推导出等效电压和等效阻抗的表达式为式( 2) 和式 (3)。
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  由式 (2) 可知, 可以通过改变中性点的注入电流, 控制母线的零序电压 U.0 为一定的数值, 可将电压 U.op 的 幅值大小控制为零, 进而达到控制故障点开路电压的目 的, 则:
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  根据公式 (4) 可知, 控制中性点电压, 即可使开路 电压为零, 而式 (4) 中计算出的电压则为中性点逆变器 的参考电压。从公式 (4) 中可以看出, 若要计算参考电 压, 需要知道负荷阻抗、线路阻抗、故障距离以及故障 前相电压。故障前的故障相电压可以通过间接方法测得; 而在配电网建设完成时会对线路阻抗进行测量, 同为已 知量。

  由于负荷阻抗具有一定的随机性, 需要对负荷阻抗 进行实时测量来确保其计算的精确度。当发生单相故障 时, 故障线路电流由故障电流和负荷电流组成, 不易用 来计算负载阻抗, 但负载电流是非故障线路的主要流量。 因此, 对于负载阻抗的测量, 采用非故障相的电流和电 压量来计算负荷阻抗。假设故障相为 A 相, 非故障相为 B 相和 C 相, 非故障相电流和电压可以表示为:
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  根据式 (5) 可以推出式 (6):
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  母线处的正序和负序电压则可根据负荷序网图表示 为式 (7)。
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  联合式⑹和式⑺可以推导出负荷阻抗的计算公式为:
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  由式 (8) 可见, 当故障馈线的正序阻抗已知时, 可 以通过测量非故障相的电压和电流来计算出故障馈线末 端负荷阻抗。该公式不受故障和故障电流旁路的影响, 因为它是在发生单相故障的情况下, 故障电流旁投入的 情况下推导的。该推导过程中是以 A 相为基准进行序量 分解, 若故障相为 B 相或者 C 相, 则应以相应的故障相 为基准进行序量分解。

  由于无法准确获得距离, 只能通过间接方法进行估 计得到, 假设式 (4) 中估计的故障距离为 α es, 可推导 出中性点注入电流的情况下故障支路电流为:
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  式中: α es 为估计故障距离; α 为实际故障距离。若估计故 障距离与真实故障距离相等, 故障支路电流即可控制为零。

  由式 (9) 可得: 故障点的残流 I.f 主要与故障距离、 故障相电压 E.、故障馈线正/负序阻抗 ZLf、故障馈线零序 阻抗 ZLf0、系统正/负序阻抗 ZS、故障馈线末端负荷的正/ 负序阻抗和故障点处的过渡电阻 Rf 有关, 较难分析出故 障点残流与各参数之间的关系。

  文献[15]从故障距离、过渡电阻和负载阻抗 3 个方面 分别展开研究,得出结论:考虑到故障距离、过渡电阻和 负载阻抗的影响,若想使得消弧效果更好,则需要对地电 容的测量误差为负。基于此, 文献[15]提出一种新的动态 调整零序电流的方法: 当配电网发生单相接地故障时, 通过逆变器向中性点注入两次不同的零序电流 I0(1) 、I0(2), 其 中第 1 次注入为正常情况下所测得的对地电容参数在负 误差为- 10 %范围内进行动态调整, 第 2 次注入电流在第 1 次电流基础上不改变幅值, 减小其相位角, 然后分别 在故障线路首端测量其注入后的电流 Ip1 、Ip(2), 最后通过式 ( 10) 计算注入第 3 次电流, I0 为第 3 次注入电流的大小。
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  由公式 (10) 可以得出, 第 3 次注入的电流随着注 入两次电流后故障线路首端电流 Ip1 、Ip(2)实时变化, 且需 要复杂的计算得来, 但 PSCAD 软件自身违法独立完成此 全部仿真过程, 若在此过程中采用人工计算结果再实施 第 3 次注入, 则会产生误差, 影响消弧仿真的效果。

  因此, 本文采用 PSCAD 与 MATLAB 联合仿真的形 式, 可将测量得到的 Ip1 、Ip(2)通过接口传入 MATLAB 中, 在 MATLAB 中编写公式, 可对第 3 次注入电流进行实时 计算, 此仿真方法可以实现完整的消弧过程, 且可以提 高消弧仿真的精准度。

  2 消弧仿真系统设计

  2.1 PSCAD/EMTDC 与 MATLAB/Simulink 接口原理 由于 PSCAD/EMTDC 与 MATLAB 之间的接口与自带的 EGCS/GNU Fortran 77 编译器不兼容, 需要用到其他的 编译器[16-17], 本文采用的是 Visual Fortran Compiler XE 编 译 器 。其 次, 只 有 特 定 的 PSCAD/EMTDC 软 件 版 本 和 MATLAB 软 件 版 本 可 以 进 行 联 合 仿 真, 本 文 采 用 的 PSCAD版本为 4.5. 采用的 MATLAB为 2009版本。

  MATLAB/Simulink 与 PSCAD/EMTDC 接 口 采 用 间 接 调用方式。 EMTDC 库文件中提供了与MATLAB/Simulink 的接口子程序 MLAB_INT, 可用于调用基于 MATLAB语 言开发的 M 文件, 接口程序入口参数包括 M 文件的名 称及保存路径、输入变量格式定义。通过在接口元件的 PSCAD 脚本定义中添加对接口子程序的调用声明, EM ⁃ TDC 将在每个执行周期由 DSDYN 调用接口子程序, 启 动 MATLAB 运行相应的自定义仿真程序 , 并将其运算 结果通过接口元件返回至 EMTDC。 PSCAD/EMTDC 与 MATLAB/Simulink接口元件内部结构如图 4所示[18-22]。
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  与 MATLAB程序交互数据的方式, 对上述方法进行仿真 分析。

  2.2 PSCAD/EMTDC 与MATLAB/Simulink 接口及程序 设计

  根据文献[15]可知, 第 1次注入电流与第 2次注入电 流的大小只与系统参数有关, 所以系统参数确定后为定 值, 而第 3 次注入电流大小需要计算可得。根据公式 ( 10) 可知, 第 3次注入电流的大小是随着消弧过程中故 障线路首端电流的变化而实时动态变化的, 但是 PSCAD 软件自身无法完成这一过程, 若采用人工计算后再进行 仿真, 则无法验证所提方法的精确性, 容易造成误差。 本文借助 MATLAB 对第 3 次电流进行实时动态计算, 再 将计算出来的值返回 PSCAD 中控制逆变器进行第 3 次注 入, 则可以实现消弧全过程。

  如图 5所示, 该自定义模块由 PSCAD 内部建立, 可用于与 MATLAB 进行数据 交 互 。 根 据 公 式 可得, 计算第 3 次注入电流需要得知两次注入的电流大小 I0(1) 、I0(2) 和注入后的故障线路首端电流大 小 Ip1 、Ip(2), 由 于 注 入电流的大小只根据系统参数变化, 输入量只为 4个, 分 别为第 1 次和第 2 次注入电流后的故障线路首端的电流 Ip1 、Ip(2)的幅值和相位。输出量为 6个, 分别是第 1次、第 2次和第 3次注入电流的幅值和相位。
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  系统的整体流程: 在发生单相接地故障后, 根据各 线各相的参数测量数据判断故障相; 之后 MATLAB 启 动, 按照故障前注入法对地电容的 90 %计算出第 1次在 注入电流的大小, 将其幅值和相位传输到 PSCAD 中给定 逆变器, 通过逆变器向中性点注入第 1 次电流; 根据测 量故障相故障处电流判断电弧是否熄灭, 若电弧没有熄 灭, MATLAB 将对第 2 次注入电流进行计算, 将其幅值 和相位返回 PSCAD 中并给定到逆变器, 逆变器进行第 2 次注入; 若电弧依旧没有熄灭, 则需进行第 3 次电流的 计算, 首先将前两次注入电流后故障点残流的幅值和相 位 4个数值传送到 MATLAB 中, 在 MATLAB 中编写公式 ( 10) 所示程序, 对第 3次电流进行实时计算, 并将结果 同时返回至 PSCAD 中给定到逆变器, 进行第 3次电流的 注入。图 6所示为所设计的流程。
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  2.3 搭建仿真模型

  基于 PSCAD/EMTDC搭建如图 7所示的 10 kV 配电网模型, 4条馈线均为 10 km线路。配电网参数: 电源电压 为 35 kV, 阻抗为(0.512+j2.3267)Ω; 主变压器绕组变比 为 35 kV/10 kV, 容量为 30 MV ⋅ A, 正序漏抗为 0.04p.u., 空载损耗为 0.001 92p.u., 采用 △/Y连接方式; 负载侧与馈线采用降压变压器连接, 变比为 10 kV/0.4 kV。其中逆 变器的直流侧电压源为 0.6 kV, 滤波电感为 1.6 mH, 滤 波电容为 3.2127 μF, 逆变器侧变压器变比为 0.6 kV/10 kV。其中配电网线路阻抗参数按表 1选取。
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  3 仿真分析

  ( 1) 仿真实例分析

  假设配电网重载线路末端发生单相接地故障, 故障 距 离 取 10 km, 负 载 重 载 有 功 为 1 MW, 无 功 为 0.05 Mvar, 且过渡电阻为 100 Ω。对地电容为 5.42 μF, 故障 相电压幅值为 5.955 5∠150° kA。在单相接地故障发生 0.14 s后进行第 1次注入, 其电流值为配电网总电容电流 的 90 %, 即 9.1 A, 相位 60°。可以看出故障发生后, 故 障点电流较大, 为 23.86 A, 进行第 1次电流注入后残流 大小约为 3.6 A, 电流依旧较大, 电弧并未熄灭。 0.25 s 后进行电流第 2 次注入, 幅值不变, 相位为 52°。如图 8 所示, 残流为 1.53 A, 依旧不满足消弧要求, 于是需要 对其注入第 3次电流, 但是第 3次电流的计算随着两次残 流的变化而变化, 在两次注入电流后测量故障点残流, 在 0.4 s 同时间传输到 MATLAB 中, 通过 MATLAB计算出 第 3次注入电流幅值和相位, 进行第 3次注入, 3次注入 后的故障点残流为 0.5 A, 电弧熄灭。
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  ( 2) 电流跟踪情况仿真

  图 9 所示为逆变器输出电流的跟踪情况。逆变器 在 0.14 s 开始工作, 第 1 次向系统中性点注入大小为 9.1 A、 幅 值 为 60° 的 电 流, 由 于 变 压 器 的 变 比 为 1 ∶ 20. 逆变器侧需输出大小为 183 A 的电流; 0.25 s 后逆 变器第 2 次注入电流, 大小不变, 相位改为 52°, 如图 左下角放大图所示; 0.4 s 后 MATLAB 开始工作, 计算 出 第 3 次 电 流 的 幅 值 和 相 位 后 返 回 到 PSCAD 给 定 到 逆 变器, 逆变器开始输出大小为 169 A、幅值为 51°的 电流。
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  ( 3) 联合仿真与原方法对比分析

  表 2为在重载情况下文献计算的故障点电流与本文 通过仿真后的故障电流的对比。
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  可以看出, 通过联合仿真后显示的残流幅值与原文 章有所差异, 这是因为复杂的公式计算无法在 PSCAD 软 件中进行, 于是文献[15]采用的方法为将 PSCAD 仿真模 型转化为数学模型后计算每次输入电流的大小, 所以其 采用的数值均为理想模型中的数值, 这样无法计算实时 变化的参数, 而联合仿真过程中的计算为实时进行的, 数据更加精准, 也更符合实际情况。

  4 结束语

  传统的消弧算法较为简单, 并未考虑到故障距离、 线路压降和负载阻抗等因素, 对消弧效果有较大影响。 但是由对称分量法得出的电流计算公式又较为复杂, 仿 真软件 PSCAD 自身无法独立完成, 人工计算的同时会有 较大误差, 无法验证消弧算法的有效性和准确性。
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  针对配电网单相接地故障的消弧问题, 本文提出一 种新的仿真方法, 采用 PSCAD 搭建仿真模型, 并联合使 用 MATLAB, 利 用 MATLAB 强 大 的 计 算 能 力, 将 在 PSCAD 中无法完成的复杂计算结果返回 PSCAD 中。该方 法可实现动态计算, 对实时变化的参数也可以实时进行 计算, 则可完成完整的消弧仿真过程, 最终实现对电流 型有源消弧新算法的验证。仿真实验证明了该方法的可 行性和实用性,也通过实验验证了该方法计算出的结果能 随实时变化的参数而变化, 其得出的实验结果更为精准。

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