袁 欣,孫元博,張承學(xué)

(武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

PSCAD/E MTDC自定義元件在電力系統(tǒng)仿真中的運(yùn)用

袁 欣,孫元博,張承學(xué)

(武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

以配電網(wǎng)單相故障選線為背景,以提高電磁暫態(tài)分析軟件 PSCAD/E MTDC在電力系統(tǒng)仿真中的靈活性為目的,提出了基于 PSCAD/E MTDC與 MATLAB接口技術(shù)的自定義模型實(shí)現(xiàn)方法。充分利用了PSCAD/E MTDC與 MATLAB兩款軟件的優(yōu)點(diǎn)。用 PSCAD/E MTDC建立接口模型,實(shí)現(xiàn)接口模型的參數(shù)設(shè)置,啟動(dòng) MATLAB數(shù)據(jù)引擎調(diào)用 M文件。分析了一個(gè)配網(wǎng)單相短路實(shí)例,將接口程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為選線算法的入口數(shù)據(jù)并進(jìn)行了一種方法的故障選線。仿真結(jié)果表明,通過相應(yīng)的接口技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自定義模型的故障選線功能。

PSCAD/E MTDC;自定義模型; MATLAB;接口技術(shù);相關(guān)系數(shù)

0 引 言

PSCAD/E MTDC是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)仿真分析軟件。主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真,典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí),電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律程序。用戶在面板上可以構(gòu)造電氣連接圖,輸入各元件的參數(shù)值,運(yùn)行時(shí)則通過 FORTRAN編譯器進(jìn)行編譯、連接,運(yùn)行的結(jié)果可以隨著程序運(yùn)行實(shí)時(shí)地生成曲線,以檢驗(yàn)運(yùn)算結(jié)果是否合理,并能與 MATLAB接口[1,2]。

MATLAB軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和豐富的圖形功能,編程效率高,擴(kuò)充能力強(qiáng),而且具有功能齊備的各種工具箱,所以 MATLAB已成為目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)算軟件[3]。

PSCAD/E MTDC是電磁暫態(tài)分析軟件, MATLAB是數(shù)學(xué)模型軟件包,它們之間具有互補(bǔ)性,通過 PSCAD/E MTDC軟件與 MATLAB接口 (以下稱 PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口),用戶可以將 MATLAB中的數(shù)學(xué)和控制功能模塊 (包括各種工具箱)應(yīng)用到 PSCAD/E MTDC中。同時(shí),用戶還可以通過編制 M文件定義用戶所需的元件模型。由于 M文件采用語法簡(jiǎn)單、可讀性強(qiáng)、調(diào)試容易、人機(jī)交互性強(qiáng)的 MATLAB語言編制[3],因此用戶可以方便地根據(jù)需要自定義元件模型,與PSCAD/E MTDC中的元件模型進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種工具的交互[4]。另一方面,PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口可以把 PSCAD/E MTDC軟件的電力系統(tǒng)分析功能和 MATLAB強(qiáng)大的圖形可視化技術(shù)結(jié)合起來,增強(qiáng) PSCAD/E MTDC軟件的圖形處理能力。 MATLAB的圖形工具箱既能顯示二維、三維甚至四維圖形,又能對(duì)圖形進(jìn)行著色、消隱、光影處理、渲染及多視角處理等。

本文充分利用上述兩款軟件的優(yōu)點(diǎn),通過 M文件在 PSCAD/E MTDC軟件中自定義了一個(gè)模塊,主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障選線功能。仿真驗(yàn)證了模塊的有效性,提高了 PSCAD/E MTDC在電力系統(tǒng)仿真中的靈活性。

1 PSCAD/E MTDC與 MATLAB接口原理

PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口與自帶的EGCS/GNU Fortran 77編譯器是不兼容,因此需要用到其他編譯器。本文采用的是 Compaq Visual Fortran 6編譯器。

PSCAD/E MTDC內(nèi)有一個(gè) Fortran文件 DSDYN,通過它可以調(diào)用外部 Fortran子程序。該Fortran子程序可以啟動(dòng) MATLAB數(shù)據(jù)引擎并建立起 Fortran子程序和 MATLAB數(shù)據(jù)引擎之間的通信管道。同時(shí),含有 MATLAB命令的 M文件也傳到 MATLAB數(shù)據(jù)引擎中,這樣 PSCAD/E MTDC和 MATLAB便緊密地結(jié)合起來,用戶可以根據(jù)需要編制 M文件,實(shí)現(xiàn)所需的仿真。圖 1為接口模塊擴(kuò)展示意圖,圖 2為軟件運(yùn)行流程圖。

MATLAB和 PSCAD通過 PSCAD中的數(shù)據(jù)棧通信。主要數(shù)據(jù)棧有 STORI與 STORF,見表 1。

表 1 數(shù)據(jù)棧Tab.1 Data stack

利用自定義的 PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口,通過參數(shù)設(shè)置,由仿真獲得的所需數(shù)據(jù)。將其分別存放于數(shù)組中。接口與相關(guān)算法的綜合運(yùn)用如圖 3所示。

圖3 接口運(yùn)用示意圖Fig.3 Application schem atic of the interface

2 配電網(wǎng)單相接地故障選線算法

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),在選定頻帶內(nèi),故障和非故障線路的暫態(tài)零序電流極性相反。在高頻和低頻分量共同作用下,故障線路和非故障線路的暫態(tài)零序電流波形有明顯區(qū)別,而所有非故障線路暫態(tài)零序電流波形都是相似的。利用數(shù)學(xué)方法對(duì)各線路的暫態(tài)零序電流波形進(jìn)行分析,與其他線路有明顯區(qū)別的線路即為故障線路;若所有線路暫態(tài)零序電流波形都沒有明顯區(qū)別,則為母線故障。這便構(gòu)成故障選線判據(jù)[5]。

2.1 選線算法

目前選線技術(shù)大多是利用零序電壓、暫態(tài)零序電流分量選線。如：相關(guān)系數(shù)法、基于小波包分解的瞬時(shí)極性比較法以及應(yīng)用小波檢測(cè)故障突變特性法。

2.2 相關(guān)性分析

本節(jié)只對(duì)其中一種方法利用 PSCAD/E MTDC與 MATLAB接口技術(shù)進(jìn)行仿真與選線計(jì)算[6]。相關(guān)系數(shù) (Correlation Coefficient)是度量信號(hào)相似程度的重要統(tǒng)計(jì)量,是說明兩個(gè)現(xiàn)象之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)用 ρ表示,ρ值的范圍在 -1和 +1之間,絕對(duì)值表示相關(guān)的程度,絕對(duì)值越大,相關(guān)程度越高。依照兩種變量變動(dòng)的方向?qū)⑾嚓P(guān)關(guān)系分為 3類：(1)正相關(guān)(ρ＞0)：兩種變量變化的方向一致。(2)負(fù)相關(guān)(ρ＜0)：兩種變量變化的方向相反。(3)不相關(guān)(ρ=0)：兩個(gè)變量之間變化方向無一定規(guī)律。

兩離散信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)可以按照式 (1)來求解：

式中：COV(X,Y)為 X與 Y的協(xié)方差;E(X)為 X的數(shù)學(xué)期望;D(X)為 X的均方差。

通常,兩個(gè)減去均值的信號(hào)存在共性部分和非共性部分,而共性部分相乘總是取相同的符號(hào),使得該部分得到加強(qiáng)而保留下來;而兩個(gè)信號(hào)的非共性部分的乘積有時(shí)取正,有時(shí)取負(fù),通過數(shù)學(xué)期望的平均運(yùn)算后,趨于相互 “抵消”。所以互協(xié)方差函數(shù)能夠把兩個(gè)信號(hào)之間的共性部分提取出來,并抑制掉非共性部分,因而互協(xié)方差函數(shù)描述了兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)聯(lián)程度。對(duì)互協(xié)方差函數(shù)作歸一化處理得到互相關(guān)系數(shù)后,兩個(gè)信號(hào)之間的相關(guān)程度就可以方便、直觀地度量了。具體而言,互相關(guān)系數(shù)越接近 1,兩個(gè)信號(hào)越相似;反之,互相關(guān)系數(shù)越接近 0,兩個(gè)信號(hào)差異越大。由于信號(hào)中的噪聲是隨機(jī)的,屬于信號(hào)的 “非共性部分”,因此這種算法有一定的濾波作用,抗干擾能力強(qiáng)。ρxy(τ)中的 τ表示了兩個(gè)信號(hào)的延時(shí)關(guān)系,符號(hào)表示兩信號(hào)的極性關(guān)系。例如若 ρxy(0)=1,則表示兩個(gè)信號(hào)波形完全相似,即兩個(gè)信號(hào)成正比且極性相同;若 ρxy(0)=-1,則表示兩個(gè)信號(hào)成正比且極性相反。

2.3 程序流程

(1)由式 (1)求取各條線路重構(gòu)信號(hào)的兩兩互相關(guān)系數(shù),形_成互相關(guān)系數(shù)矩陣如式 (2)。

式 (2)是對(duì)稱矩陣,對(duì)角線元素為 1,ρxy為相關(guān)系數(shù)矩陣,ρij為線路 i和 j零序電流基波暫態(tài)分量的互相關(guān)系數(shù)。

(2)去除對(duì)角線元素,對(duì)每行或每列求和得到每條線路的綜合互相關(guān)系數(shù)。根據(jù)綜合互相關(guān)系數(shù),進(jìn)行自適應(yīng)邏輯分析比較,可識(shí)別出相關(guān)性最弱的信號(hào),即故障線路信號(hào)。如果每條線路的綜合互相關(guān)系數(shù)都大于給定值,則判為母線故障,否則根據(jù)每條線路的綜合互相關(guān)系數(shù)進(jìn)行選線,其值最小的線路發(fā)生故障的可能性最大。

3 仿真實(shí)例

3.1 建模

本文通過對(duì)一個(gè)配電網(wǎng)變電站仿真實(shí)例說明接口的具體功能。圖 4所示為一個(gè) 35 kV變電站模型,設(shè)置 4號(hào)線路單相接地故障,應(yīng)用PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口進(jìn)行選線控制。接口模塊包含有 5個(gè)輸入變量 (分別為 4條出線的 3I01,3I02,3I03,3I04,母線 3U0),一個(gè)輸出變量 out及一個(gè)使能控件 clk。本文中 out并未定義任何功能。當(dāng) clk=1時(shí),接口模塊開始記錄數(shù)據(jù);等待PSCAD/E MTDC仿真結(jié)束時(shí),模塊通過 M文件判斷是否完成數(shù)據(jù)采樣并調(diào)用選線函數(shù)。最后由 M文件輸出選線結(jié)果。

圖4 仿真模型Fig.4 Simu lation m odel

3.2 PSCAD/E MTDC＆ MATLAB接口設(shè)計(jì)

在所建工程小電流 + MATLAB的 Main頁(yè)面自定義一個(gè)模塊。首先根據(jù)向?qū)瓿稍撃K的基本輸入輸出及使能端的設(shè)計(jì),控制裝置選線功能的投退與保護(hù)定值的設(shè)置。其次,構(gòu)建良好的人機(jī)界面,用于選線裝置的壓板設(shè)計(jì)。最后,實(shí)現(xiàn)PSCAD/E MTDC與 MATLAB程序調(diào)用 (接口)的關(guān)鍵在于在自定義模塊中寫入相應(yīng)的 Fortran源代碼。(DSDYN中的源代碼)

3.3 數(shù)據(jù)分析

本次仿真時(shí)間設(shè)為 0.1 s,通過使能模塊控制啟動(dòng) MATLAB的頻率即采樣頻率 (10 kHz),在0.02 s(采樣點(diǎn)為 200)處設(shè)置 4號(hào)線路 A相接地故障?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的復(fù)雜性,本文用過渡電阻來模擬現(xiàn)場(chǎng)一系列電弧電阻、中間物質(zhì)電阻、相導(dǎo)線與大地間的接地電阻。運(yùn)行時(shí)得到的 4條線路的零序電流如圖 5所示。4號(hào)線路正好與 1號(hào),2號(hào),3號(hào)的零序電流圖形在故障后出現(xiàn)極性反向。

圖5 1～4號(hào) 310圖形Fig.5 310of line1-line4

根據(jù)比較第 150～350采樣點(diǎn)之間的采樣波形可以清晰地看出 4號(hào)線路在采樣點(diǎn)為 200即0.02 s處出現(xiàn)故障。

由 M文件調(diào)用的相關(guān)系數(shù)選線函數(shù)輸出的相關(guān)系數(shù)矩陣表 2。

表 2 相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.2 Matrix of correlation coefficient

去除對(duì)角線元素,由表 2相關(guān)系數(shù)矩陣得到每條線路的綜合相關(guān)系數(shù)：ρ1=-0.366 23,ρ2=-0.188 8, ρ3=-0.015 59, ρ4=-2.031 1。按2.3節(jié)所介紹的判據(jù),4號(hào)線路的相關(guān)信號(hào)最差,因此可選出故障線路為線路 4。選線結(jié)果正確并符合仿真的預(yù)設(shè)模型。

4 結(jié) 論

本文分析了 PSCAD/E MTDC仿真軟件的主程序結(jié)構(gòu)及其開放語言接口的原理,給出了PSCAD/E MTDC中自定義模型的實(shí)現(xiàn)方法。采用 M語言編寫了以實(shí)際保護(hù)裝置為原型的配電網(wǎng)單相接地故障選線模型,并通過 PSCAD/E MTDC與 MATLAB的接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自定義模型在保護(hù)仿真中的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明自定義配網(wǎng)單相故障選線模型的功能完全正確。自定義模型的應(yīng)用使得仿真計(jì)算不必受軟件自帶元件模型的限制,大大增強(qiáng)了仿真的靈活性。

[1] Manitoba HVDC Research Centre Inc.PSCAD user's guide[M]. Manitoba： Manitoba HVDC Research Centre Inc,2003.

[2] Manitoba HVDC Research Centre Inc.E MTDC user's guide[M].Winnipeg： Manitoba HVDCResearch Centre Inc,2002.

[3]張志涌.精通 MATLAB 6.5版 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[4]GOLE A,DANESHPOOY A.Towards open systems：A PSCAD/E MTDC to MATLAB interface[C].Seattle：Conference on Power System Transient,1997.

[5]邢亞輝.利用零序電流的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行小電流接地系統(tǒng)故障選線 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2008,28(9)：64-67.

XingYahui.Faulty line selection with correlativity of zero sequence current in non-solid-earthed network[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(9)：64-67.

[6]張賢達(dá).現(xiàn)代信號(hào)處理 [M].北京：清華大學(xué)出版社,2002.

Application on Use-defined Model of PSCAD/E MTDC in Power System Simu lation

Yuan Xin,Sun Yuanbo,Zhang Chengxue
(Electrical Engineering School,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In order to im prove the flexibility of PSCAD/E MTDC in power system simulation.Themethod of realizing the user-definedmodelwhich is based on the interface technique between PSCAD/E MTDC and MATLAB is presented on the background of single-phase fault selection in the distribution net.Both of PSCAD/E MTDC and MATLAB are analyzed.Tomake thebestuse of theelectromagnetic transientanalysis program and themathmodel software package.The interfacemodel is built using PSCAD and its parameters are setby calling the Mfile using the data engine of MATLAB.An application example of single-phase fault selection in the distribution net is analyzed.Datagot via the interfaceare processed and sent to Mfile to select the fault line.Simu lation results pointout that the functions of the user-defined model can be realized.

PSCAD/E MTDC;user-defined model; MATLAB;interface technique;correlation coefficient

2010-04-09。

江西省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目 (YC08A 075)。

袁欣 (1985-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)仿真、運(yùn)行與控制,E-mail：yuanxin1570@163.com。

T M743;TP311.54

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