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PSCAD元件及其应用
武汉大学电气工程学院 乐 健 2012.06

PSCAD元件介绍及其应用

主要内容
? ? ? ? ? ? ? ? ? PSCAD主元件库 HVDC和FACTS元件库 Sources元件库 Transformers元件库 Transmission lines/Cables元件库 Machines元件库 I/O Devices元件库 Sequencer元件库 其它元件
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一、PSCAD主元件库

分页式元件库

各页面列表

各元件列表

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二、 HVDC和FACTS元件库

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包括: ——基本的开关器件如IGBT, GTO, 二极管等; ——基本的主电路单元如逆变器,整流器等; ——常见的应用级电路如HVDC,SVC等; ——常用的控制系统; ——触发脉冲产生电路;

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2.1 EMTDC的插值算法
在指定的时间段内,电力网络的暂态仿真是一系列离散间 隔(时间步长)网络方程的求解。EMTDC是固定时长的暂 态仿真程序,因此仿真之前一旦选定就保持不变。 由于时间步长固定,网络事件如故障或晶闸管动作可能发 生在这些离散时间点之中(若不刻意更改)。这就意味着 如果器件动作处于时间步长间隔中的话,只有等到下一时 间步长时程序才能体现出此事件。 一个办法就是采用变步长解法,如果发现了器件动作事 件,程序将把事件步长分割为更小的步长。然而,这无 法克服器件开合感性和容性电路时,由于电流和电压的 微分所造成的伪电压和电流尖峰问题。
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另一种解决方法是采用变步长进行求解,即当检测到开关事 件发生时,程序将划分仿真步长为更小的时间间隔。但这种 方法不能避免在投切容许或感性电路时,由于电流或电压微 分而造成的虚假电压和电流尖峰。 当开关时间发生于采样点之间时,EMTDC采用插值算法来 寻找精确的事件发生时刻。该方法比减小仿真步长具有更快 的速度和更高的精度。从而使得EMTDC能在采用较大时间 步长的情况下更精确地对任何开关事件进行仿真。

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插值算法的步骤
1. 所有的开关设备在被DSDYN子程序调用时,将其开关 判 定标准加入到一个轮询表中。主程序在每个仿真步长 的结束时刻求解电压和电流,同时在新的仿真步长开始 时刻存储开关设备的状态。这些开关设备可直接通过时 间来指定其开关动作时刻,或通过电压或电流的电平交 叉点。 2. 主程序对开关设备进行判定,确定出其开关动作标准 已经满足的开关设备,其后立即将该子系统内所有电压 和电流插值至该动作时刻。该支路进行开关动作,同时 导纳矩阵需要重新进行三角化。

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3.

EMTDC以插值时刻为起始时刻,求解出下一仿真步 长结束时刻的节点电压。所有的设备都将被轮询,以确 定在原始仿真步长结束时刻是否需要进行插值开关动作。 4. 当没有开关动作时,EMTDC执行最后的插值动作, 将求解过程恢复至原始的仿真步长序列。

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电流过零时开关动作

无插值时的二极管电流

有插值时的二极管电流

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插值的应用场合 ?具有大量快速切换设备的电路; ?带有浪涌避雷器的电路与电力电子设备连接; ?HVDC系统与易发生次同步谐振的同步机相联; ?使用小信号波动法分析AC/DC系统,这时精细的 触发角控制是必须的; ?使用GTO与反向晶闸管构成的强制换相换流器; ?PWM电路和STATCOM系统; ?分析具有电力电子设备的开环传递函数;

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颤振检测和去除
颤振是Dommel算法中对电气网络进行暂态仿真时所采用的 梯型积分方法所固有的,仿真步长之间的同步振荡现象。 颤振通常由闭合包含了电感的支路内的一个开关所引起。 EMTDC对每个节点电压和支路电 流进行连续监测,如果某个电压或 电流在5个连续仿真步长内连续改 变方向,则被认为是发生了震颤。 EMTDC中可以禁止进行颤振检测,但同时允许去除颤振, 此时仅有由支路投切所引起的颤振被去除。也可在EMTDC 中设置颤振检测水平,低于此水平的颤振将被忽略。
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外插电源
插值算法中的第三步涉及到外插电源特性。

在不采用外插电源算法时,第3步的电源电压将是线性外插 所得到。而采用外插电源算法时,电源电压将为:

V ' ? V sin(? (t ? ? t ) ? ? )
此时求解的结果将更加准确。

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2.2 插值触发脉冲元件
返回一个二元数组,包括触发脉冲 信号和晶闸管、IGBTs以及GTO插 值关断(导通)时刻所必需的插值 时间标签。第一个元素信号为0或1, 表示实际的门极控制信号。第二个 元素为插值动作时间。

元件的输出是基于输入信号H和L的比较得出的。L通常是 触发角定值,H则来自于锁相振荡器或者与之等同的环节 。 若使用的是GTO或IGBT,则此组件还提供了对OFF信号 的输入信号比较。
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可控关断或自然关断 脉冲个数:1或6 附加封锁/解锁信号

脉冲/时间输出格式 —6脉冲输出有效; —自然关断器件有效;

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输出信号格式

单个自然关断器件控制

单个可控关断器件控制

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6个自然关断器 件单独控制

6个可控关断 器件单独控制

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6脉冲整流桥触发专用方式

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2.3 电力电子器件

类型选择

插值脉冲 缓冲电路

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2.4 可控变换桥
内部锁相环输入

换流母线

换流变

6脉波格雷兹变换桥
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测量的触发脉冲角和换相角 触发脉冲序列

正负母线

触发脉冲信号 与换流变的配合

封锁/解锁控制

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触发脉冲控制方式

只输入1#器件的触发控制角。 其它器件按编号依次延迟60度。 每个器件的脉冲自动维持120度。

每个器件的触发角单独控制。此 时可使用插值脉冲触发元件的输 出。即‘FP’和‘FTime’。

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触发脉冲封锁/解锁控制 KB=0: 封锁所有脉冲; KB=1: 解除封锁; KB= -1到-6:封锁对应开关; KB= -7: 保留同一桥臂的两个开 关仍然触发,其它的被封锁。 内部锁相振荡器(PLO)

其输出为与A相对地电 压同步的0-2pi变化的 斜坡信号
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与换流变接线方式的配合 希望提供给PLO的电压尽量理想,故一般该电压取自换流 变的系统侧,且与A相对地电压同步。而触发脉冲是以换 流变阀侧线电压过零为起始点。故需要根据换流变的接线 方式进行调整。

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以Y/Y型接线为例:脉冲触发起始点为相电压交点,滞 后网侧A相对地电压30度。

1 T 12

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2.5 静止无功补偿器

内部变压器

TCR

TSC
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已投入的电容器级数 电容器投切锁存。当 前投切完成后复位为0 电容器投切信号 1—增加一级; 0—减少一级。 母线 触发角信号 封锁/解锁信号 1—解锁; 0—封锁TCR。

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TCR脉冲信号产生方式: 内部PLO方式:此时需要 输入基准触发角控制信号。 外部方式:此时需要送入 12个触发角控制信号。

电容器级数 电容器仅当其电压与系统 电压相差很小时投入,仅 在电流过零时切除。

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PLO参数 变压器漏抗 TCR总容量 TSC总容量

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三、 Sources元件库

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包括: ——三种三相电压源模型; ——两种单相电压源模型; ——电流源模型; ——谐波电流源模型;

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3.1三相交流电压源模型1

不同阻抗形式 下的参数输入

电源类型

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电源类型
—Behind Source mpedance 位于系统阻抗之后 该方式下需直接输入电源电压、相位和频率 —At the Terminal 位于机端 该方式下需直接输入机端电压、相位和有功功 率、无功功率。仿真中自动算出电源电压和相位。
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3.2 三相交流电压源模型2
阻抗形式 电源控制模式 零序阻抗 阻抗输入形式 电源类型

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电源控制模式
—Fixed:固定型。电源幅值、频率和相位通过 Source Values for Fixed Control 页面输入。 —External:外部型。电源幅值、频率和相位通 过外部连接端子输入。 —Auto:自动型。可通过自动调整电压幅值对某 母线处的电压进行控制;或自动调整内部相 位角控制有功输出。

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允许自动电压控制 欲控制的电压标幺值 欲控制的电压基准值 测量时间常数:用于 平滑测量噪声以及模 拟传感器延时。 PI控制器时间常数

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阻抗数据输入格式
—RRL Values :直接输入R和L参数值。 —Impedance :以极坐标形式输入阻抗参数,此 时需提供阻抗幅值和相角。

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3.3 三相交流电压源模型3

阻抗输入形式: R+jX 或Z/θ

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四、 Transformers元件库

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包括: ——使用单相变压器模型构建的三相变压器; ——经典的单相变压器模型; ——UMEC模型; ——自耦变压器模型。

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4.1 经典模型
1. 经典建模方法
经典法的变压器模型是在电磁耦合的 基础上建立的。在磁路为线性的假定前提 下,变压器模型可以用既具有自感也具有 互感的耦合电路来表示。所列写的微分方 程均适用于暂态和稳态分析。经典法的理 论模型的思路来源于传统变压器的等值电 路,如两相变压器的T型、π型等值电路。 它将变压器的主磁通和漏磁通分开考虑, 在计算单相变压器时简单方便,并且参数 的物理意义清晰,可以很好的与实际变压 器吻合。但它在模拟三相,多绕组,且绕 组间存在耦合时会显得十分复杂。而且在 进行模拟计算时需要准确知道变压器绕组 的联结形式,绕组的匝数等,然而这些参 数一般无法获得,这样会显得十分不便。

?c

I1

I2 V2

?11

V1

?12

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2. 经典模型主要参数

绕组连接形式 正序漏感 是否为理想变压器: 理想:忽略铜损铁损。 铜损和铁损

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3. 分接头设置

PSCAD对分接头的建模是改变 变压器的变比,同时对漏抗和 励磁电流进行重新计算。 例如10kV:100kV的Y/Y变压器, 10kV侧分接头调整为1.05,则 新的变比为1.05:100。

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4. 饱和特性模拟 主磁通受铁心饱和的影响,可以将其作为一局部的非线性 问题并将以线性化处理。PSCAD/EMTDC中变压器的饱和 模型就是将主磁通和漏磁通分开处理的。为了提高仿真精 度,需要将铁心饱和和铁心损耗考虑进去,铁心损耗可以 直接在变压器元件模型参数里设置。PSCAD的经典法使用 了并联补偿电流源模拟饱和:在最靠近铁芯的绕组上添加 可变电感;或在最靠近铁芯的绕组上添加补偿电流源。 EMTDC采用后者。
I s (t )

VL (t )

1 s

?S (t )

IS

?S
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气隙电抗,通常为近似 为漏抗的2倍

注意要与理想模型联用 涌流的衰减时间常数 膝点电压,1.15-1.25pu 用于防止启动时不稳定 励磁电流,一次电流的百分比
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4.2 UMEC模型
1. UMEC建模方法
变压器另一种模型是将漏磁通和主 磁通统一考虑的UMEC(Unified Magnetic Equivalent Circuit)模型。 这是一种是基于Steinmetz磁路等 效模型,变压器任一绕组铁心支路 都可以等效为磁路等效模型。目前 为止UMEC模型的发展已经十分完 ? i 备,该模型基于磁路模型进行计算, u 具有较高的仿真精度,并且无需知 道铁心长度、铁心横截面积、绕组 匝数等详细的变压器物理参数。
k k

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?1
I1 I2 V2

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Pk

k

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N k ik

? n ,k ?1

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2. 饱和特性模拟 主磁通受铁心饱和的影响,可以将其作为一局部的非线性 问题并将以线性化处理。PSCAD/EMTDC中变压器的饱和 模型就是将主磁通和漏磁通分开处理的。为了提高仿真精 度,需要将铁心饱和和铁心损耗考虑进去,铁心损耗可以 直接在变压器元件模型参数里设置。PSCAD的UMEC法采 用分段线性法处理饱和。

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变压器UMEC 模型是运用分段线性化的方法来模拟铁心 饱和特性。分段线性化方法就是把非线性的计算过程分成 几个线性区段,这样在每段线性区段内,就可以采用线性 电路的计算方法来计算,简单方便。

PSCAD在控制变压器的等效励磁支路时采用了分段 线性近似的方法。在模拟铁心的非线性特性时,直接 在元件模型参数设置中输入I-U曲线,即10个点的(I, U)坐标,然后利用插值算法在每个区段内计算损失 特性,既减少了矩阵倒置的计算,又保留了计算的准 确性。
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饱和I-U曲线

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五、 Transmission lines/Cables元件库

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架空输线及电缆模型

精度增加
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5.1 架空输电线模型
1. 步骤一:创建输电线路配置元件

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线路名称 稳态频率、长度及导 体数目。 终端连接方式 线路耦合设置

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PSCAD中构建架空线路有两种方法:Remote Ends模 式和Direct Connection模式。 Remote Ends模式下线 路端点不与其它元件有物理上的直接连接,需要应用 架空线接口元件。 Direct Connection模式可直接相连, 但仅能用于1相、3相或6相的单根显示系统。

Remote Ends模式

Direct Connection模式

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互耦线路
线路互耦使得可将线路长度相同的多个输电线路相互耦合。

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2. 步骤二:加入输电线路接口元件(仅Remote end模式需要)

与输电线路 的名称要一致 与输电线路 的数目要一致

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3. 步骤三:选择输电线路模型及输入模型参数

单一频率Bergeron模型

频率相关的模态域模型 频率相关的相域模型

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4. 步骤四:输入线路参数及塔型及其参数

仅适用于Bergeron模型(不能加入地平面元件) 架空地线

对地距离 通用模型 塔型及其参数
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5. 步骤五:加入地平面元件

PSCAD编译输电线路配置元件页面时将执行tline.exe程序。 编译时将调用本输电线路的.tli文件,并生成相应的求解后 的线路常数数据文件(EMTDC仿真时需要).tlo。 当执行过程中出现错误时,PSCAD将打开相应的.log文件 来显示错误。

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5.2 埋地电缆模型
埋地电缆模型的构建与架空线路模型构建基本相同,仅 设置埋地电缆参数时不同。且需在地平面元件之下。

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5.3 PI段模型
该模型主要用于描述非常短的架空线路或埋地电缆。该模 型能提供准确的基波频率阻抗,但不能精确描述其它频率 处的特性。因此,该模型提供了一个简单的方法来描述稳 态研究下的输电系统,例如潮流分析。但不能提供精确的、 全频率域的暂态响应。

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参数输入形式 常规或者耦合 零序参数输入方式: 直接输入或估计。

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NOMINAL

COUPLED

为确保能正确描述零序参数和与中性点的连接,在 Nominal 模式下该元件在每一端提供了与中性点的连接端 子,且提供了一条RL零序支路连接在这两个端子之间,以 提供零序电流的通路。所有的电压测量必须为线间、或线 对中性点,而不能为对地。同样的,故障也必须施加于线 对中性点,而不能对地。

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模拟两条相互耦合的线路。只支 持coupled型的线路。 在输入每条线路参数的同时,需 要输入线路间的耦合参数。

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六、 Machines元件库

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包括: ——同步电机模型;感应电机模型;直流电机模型; 永磁电机模型; ——交流、直流、静止励磁机模型; ——蒸汽机、汽轮机和水轮机模型; ——电力系统稳定器模型; ——风力发电机系统模型;

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6.1 发电机模型
本元件的一个选项是可以模拟Q轴的两个阻尼绕组,因此 可作为隐极极或凸极机使用。其速度可由给“w”输入一 个正值直接控制,或者将机械转矩输入到“Tm”上。 励磁机接口

多质量扭 转轴接口

系统接口

转速、转矩输入
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多质量扭转 轴接口允许

Q轴阻尼绕组数目: 1-隐极机; 2-凸极机。 参数输入形式

初始状态设 置方式

电枢电阻输入形式: 时间常数或电阻值。 是否为发电机群。

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关于多质量扭转轴接口: 需要考虑汽轮机或发电机的惯性质量和轴系扭振时使用。 并配合使用多质量扭转轴接口元件。

此时发电机自动运行于速度控制模式,并向多质量扭振轴 接口元件提供电磁功率和机械功率作为其输入。多质量扭 振轴接口元件产生速度控制信号并输入至发电机。

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多质量扭转轴接口元件

该元件可与同步电机、感应电机和直流电机接口。 可模拟连接至单一旋转轴上多达26个质量块的动态行为。 其中一个通常用于表示发电机,并将电磁转矩作用于其上, 另一个通常表示励磁机,其余的质量块表示汽轮机,且机 械转矩分布于这些质量块之上。所产生的速度信号输出至 相应的电机。

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轴系扭振现象:大型同步电机与电力系统网络相互作用时 会发生轴系扭振问题。其结果表现为次同步谐振。主要原 因是施加于汽轮机上的机械转矩与由电力系统产生的相反 方向的电磁转矩的相互作用。

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汽轮机数目 是否模拟励磁机 质量块 初始电气速度

对应的电机类型 连接至的电机三 相总功率 电气基准频率 电机机械转速 参数不同量纲组合 状态切换变量,来 自相应电机的输出 变量

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输出机械转矩以初始化汽轮机 或蒸汽机 输入稳态电磁转矩以初始化本 元件

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输入发电机及励磁机的惯量常 数、相互之间的弹簧常数、自 阻尼和互阻尼系数。 本元件的其他输入包括了其它 机械质量块的惯量常数、相互 间的弹簧常数,自阻尼和互阻 尼系数以及机械转矩分配。

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关于初始状态设置: 初始化和启动最常用的方法是由用户指定输入发电机端电 压的幅值和相角,该幅值和相角通常通过潮流计算程序得 到。此时发电机将作为一个电压源运行。 网络求解进程将从初始状态启动求解,直至达到稳定状态。 此时用户可选择将电机从恒压源模型切换至恒速模型。但 此时转子被锁定为恒速运行。同时用户选择采用的励磁机 或电力系统稳定器可给出一个初始化的条件,从而实现无 缝的状态切换。这两者的初始化是电机作为恒压源的过程 中完成的。 其后,所有电机的转子将被解锁至自由状态,此时将由汽 轮机/调速器系统给出合适的输出至电机。至此,整个系统 将无限制地自由运行并达到期望的稳态。

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初始化的设置选项: None:优先选项;仅需输入初始化时的电压幅值和相位; 电机的有功功率和无功功率将由网络及网络中其它电源所 决定。 Powers:输入对应于特定端电压幅值和相位的有功和无功 功率。此时电机可直接以转子锁定或自由运行模式启动, 避免了模式切换的暂态过程。但该有功和无功功率必须根 据正确的潮流计算结果得到,并且交流网络也必须根据该 潮流正确地进行了初始化。 Currents:需要输入初始的转子相对于稳定状态下A相端 电压相位角的相角。需要输入电枢dq轴电流初值和励磁绕 组电流初值。需要输入初始电机转速。适用于电机以自由 运行(转矩控制)模式启动。

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关于发电机群的设置: 当模拟同一母线处多台同步电机(容量和特性相似),且 电机之间的动态可以忽略时,可将这些放电机作为一台同 步电机来对待。从而可以加快仿真速度,并避免电机之间 的相互干扰。 当具有多台电机,但需要研究电机之间的动态时,需要将 该选项设置为No。

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根据励磁机输入要求选择 “无”、端电压、端电流或端 电压电流。 平滑时间常数,对应上一选择 除“无”之外的选项。 输出初始励磁电压至励磁机。 使得电机从电压源切换至电机 模式更为平滑。 输出初始机械转矩至汽轮机或 调速器。使得电机从转子锁定 模式切换至自由运行模式更为 平滑。

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从电压源切换至电机模式的控 制信号。通常由变量控制。

从转子锁定切换至自由运行模 式的控制信号。通常由变量控 制。

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额定相电压、线电流和角 频率(t=0时刻转速) 惯量常数:额定转速下每单 位发电机容量下的存储能量。 机械损耗 中性点接地电阻和电抗 铁损等效电阻 发电机群中发电机数目

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每相定子绕组电阻 每相定子漏抗 Xd 励磁绕组电阻和漏抗

D轴阻尼绕组电阻和漏抗 D轴阻尼绕组和励磁绕组 互感抗 Xq Q轴阻尼绕组电阻和漏抗 Q轴阻尼绕组互漏抗

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电枢电阻或时间常数形式 波梯电抗与气隙系数一起 计算定子漏抗
' ' " " Xd , Xd , Tdo , Xd , Tdo

D轴转移导纳的实部和虚部

' ' " " Xq, Xq , Tqo , Xq , Tqo

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启动时的端电压幅值; 启动时的端电压相角;

平滑启动时的时间常数;

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稳态时的电磁转矩输出;

电压源切换至电机模式的 控制信号,输出至励磁机。

转子锁定模式切换至自由 运行模式的控制信号,输 出至汽轮机/调速器。

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6.2 电动机模型
鼠笼感应电动机:可运行于“速度控制”或“转矩控制” 模式下。在“速度控制”模式下,电动机按照输入“W” 的规定速度运转。在转矩控制模式下,速度根据设备的惯 性、阻尼和输入转矩、输出转矩求得。 通常,此型电动机在启动时采用“速度控制”,输入“W” 取值为额定标幺转速(0.98),在电动机最初的暂态结束 (过渡到稳态)后采用转矩控制。本组件可以和“MultiMass Torsional Shaft Interface”组件配合使用。

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绕线转子感应电机:可采用“速度控制”和“转矩控制” 模式运行。通常此电动机在启动时采用“速度控制”,输 入“W”取值为额定标么转速(0.98),在电动机最初的 暂态结束(过渡到稳态)后采用转矩控制。本组件可以和 “Multi-Mass Torsional Shaft Interface”组件配合使用。

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参数输入方式; 多质量扭振轴接口; 感应电机群; 额定相电压有效值;线电 流有效值;基准角频率。

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关于数据输入方式: ?Explicit: 应尽可能使用该种数据输入. 用户可指定绕组 电阻和电抗等. ?Typical: 仅当用户只知道电机容量时使用,电机参数的通 用值将根据容量自动确定。 ?EMTP Type 40: 参数输入将基于稳态时的转矩-滑差曲线。

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电机功率;

励磁饱和允许; 漏抗饱和允许; 定子绕组、第1,2鼠笼转 子的电阻; 定子漏抗、励磁电抗、转 子互感抗、第2鼠笼电抗 非饱和值 极惯性矩; 补偿摩擦和通风损耗的机 械阻尼;

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设计比率;两个转子笼的 电抗/电阻将由该值确定。 额定负载时的功率因数; 额定负载时的效率; 满载滑差; 全电压起动时电流; 满载起动转矩; 满载最大转矩; 定子极对数; 极惯性矩及其量纲; 补偿摩擦和通风损耗的机 械阻尼;

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关于励磁曲线 使用指定V-I点的方法输入励磁特性时,励磁电流必须为正 值,励磁曲线必须具有正斜率,否则程序将报错并终止;同 时斜率必须随着励磁电流的增加而减小,否则程序也将报错 并终止;若数据点数小于9个,则必须输入一个0或负值的电流。

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6.3 直流电机
两绕组直流电机:本元件模拟两绕组直流电机。提供了电 枢端子 (右侧 + 和 -), 以及励磁绕组端子 (上部 + 和 -) 作 为外部电气连接. 使得可模拟独立励磁的电机, 并联或串 联电机。元件“Multi-Mass Torsional Shaft Interface”可 与本元件配合使用,以考虑转子的机械暂态。

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永磁同步电机:除了三个定子绕组外,又额外加入了两个 短路绕组以模拟电磁阻尼效应。可给“W”输入一正值直 接控制电机的速度,“Te”是电气转矩。

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额定电枢电压、电流和励 磁电流; 励磁数据输入方式;

是否计及电枢反应;

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电枢电阻和电感;

励磁绕组电阻和电感;

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6.4 风力发电系统
风源模型 风速输出 风机模型 输出转矩 和功率

可采用自 定义风 速模型

连接电机的 机械转速 旋转机械的 转速 旋转机械的 功率 风机控制器模型

桨距角

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风源:模拟了风力发电机所用风速。输入ES: 代表风速的 外部信号,[m/s];输出Vw: 风机的可用风速。外部信号Es 用以模拟任何形式的风力波动,包括本元件没有定义的波 动形式。用户可以选择“使用”或“不使用”该输入。风 场测试所得的风变化记录可以导入本元件,生成风机所用 的风速输入。

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外部风速输入允许; 参考高度的平均风速; 加入高斯变动; 加入渐变; 加入噪声; 阻尼风速波动; 阻尼时间常数;

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风机模型:输入是风速Vw和于涡轮机相连的风力发电机的 机械转速w。Beta是涡轮桨页的节面角,单位为度。Tm和 P是基于机组额定功率的的输出标么转矩和功率。

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发电机额定容量; 额定机械转速; 风机叶片半径; 转子叶片面积; 空气密度; 变速器效率; 电机与风机的变速比; 功率系数;

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风机调速器:本元件模拟了风机的节面角调节器。 模型的输入是机组的机械转速Wm和风机的输出功 率Pg。输出是风机的浆距角。

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6.5 励磁机模型

交流励磁机:本元件模拟了IEEE标准的8种交流励 磁机。每种励磁机具有不同的传输函数。

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直流励磁机:本元件模拟了IEEE标准的3种直流励 磁机。每种励磁机具有不同的传输函数。

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静止励磁机:本元件模拟了IEEE标准的5种静止励 磁机。每种励磁机具有不同的传输函数。

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V2兼容型固态励磁机:该模型基于IEEE的SCRX 类型的固态励磁机。控制系统改变输出励磁电压来 维持系统电压于参考值。该励磁机模型不具有初始 化能力,也即它将对任何其接收到的输入进行响应, 而不考虑电机模型的状态。

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6.6 其它元件

多质量扭转轴:本元件模拟与单一旋转轴相联的多 达26个质量块的动态过程。一个质量块用来代表发 电机,电气转矩“Te”施加其上。一个质量块用来 代表励磁机。其它的质量块代表原动机,并把机械 转矩“Tm”分据其上。速度“Wpu”或“Wrad” 为输出,以作为电机模型的输入。

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内燃机:本元件模拟了1至12缸,2至4冲程的内燃 机。给定一个轴速控制w和燃料吸纳因子FL,就会 生成一个基于输入极角度(转矩)曲线的机械轴转 矩Tm。本组件可作为原动机,将Tm与PSCAD中发 电机模型的机械转矩输入相连。 本元件可模拟气缸拒燃,对每一个拒燃的气缸给 定一转矩的减少百分比,由此就可模拟出拒燃的气 缸数量和减少的转矩百分比之间的关系。
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蒸汽轮机模型:IEEE蒸汽轮机模型。输入转速w、转速参 考值Wref和调速器输出的控制阀的位置Cv或阀的拦截位置 Iv。输出分别是 HP和LP汽轮机的机械转矩Tm1 和Tm2。

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热工调速器模型:输入包括转速w,转速参考值Wref。输 出包括阀门位置z。而在GOV2, 3和5上,输出是控制阀的流 通面积Cv和阀的拦截面积Iv。以上两个输出都应输入给对 应的蒸汽轮机。 ?GOV1: 近似机械-液压控制; ?GOV2: 机械-液压控制 (GE); ?GOV3: 电气-液压控制 (GE); ?GOV4: DEH 控制 (Westinghouse); ?GOV5: NEI Parsons 控制。
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水轮机模型:模拟 了4种不同传输函数的IEEE水轮 机模型。输入包括转速w,转速参考值Wref和阀门 的位置z。输出是机械转矩Tm(作为同步发电机的 输入)和初始阀门位置zi(作为相联水轮机调速器 的初始化输入)。

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水轮机模型:输入包括转速w,转速参考值 Wref和初始化时阀门的位置z0。输出是阀门 位置z。
?GOV1: 机械-液压控制; ?GOV2: 包括引导和伺服机构动态的PID控制; ?GOV3: 针对甩负荷研究的增强型控制。

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电力系统稳定器:本组件模拟了IEEE标准型PSS。 模型的输入有转速w、同步机机端电压Vt、离散控 制器参考值Vk。输出为Vs,也可是转速、机端的 频率、功率或无输出。

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七、 I/O Devices元件库

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包括: ——滑块、开关、拨号盘和按键等接口控制模块; ——绘图或表计通道模块; ——多重运行模块、优化运行模块; ——变绘图步长模块、矢量接口模块;

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7.1 用户接口控制模块

Add as control 在control Panel中添加 Add as meter
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Add as polymeter 用于监视单个多轨迹曲线。用柱状图形式动态显示每条 轨迹的幅值。特别适用于做频谱分析。

可查看特定数据
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Add as phasormeter 可用于监视多达6个独立的相量。每个相量相应的幅值和 相角在仿真过程中可动态变化。

至少需要一个幅值和一 个相角,默认1为幅值, 2为相角

相量显示切换

度或弧度
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Add as Oscilloscope 可用于模拟现实世界的示波器对于时变周期性信号的触发 效果。

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7.2 多重运行模块
Multiple Run元件
使能控制:可在需要时使能该元件,以 避免过渡过程对最优判定带来的干扰。

可记录6个变量

2个或2个以上的多重 运行模块同时有效时 将出错。

可控制6个变量
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控制变量数目 使能/禁止,禁止时 控制变量将输出指 定的缺省值。并且 外部使能无效。 控制变量的类型 (real,integer); 控制变量的变化 类型;控制变量 的标识。

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数据变化类型 ?连续型(Sequential):需指定起始值、结束值和增量。 PSCAD将自动计算多重运行的次数。 ?平坦随机(Random-flat):需指定多重运行次数、随 机变化的起始范围。 ?列表(List):需指定多重运行次数和相应每次运行的 变量值。 ?正态随机(Random-normal):需指定多重运行次数、 随机变化范围以及相应的标准偏差。

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记录变量数目 输出文件名称 最优运行的 判定通道号 是否需要判定最优运行 最优运行的 判定标准 可记录变量取值处于某 个区间内的概率。此处 指定区间的大小。 被判定为最优运行的 仿真过程将在所有的 运行结束后重新运行 一次。
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记录量的类型(real,integer boolean);对记录变量进行 的一些常规处理;记录变量 的标识。 每个变量每次运行仅记录一 个值,记录标准包括最大值, 最小值,最大绝对值等。

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Optimization viewer

可查看记录结果,最优运行,统计数据等
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多重运行附加记录元件:提供附加变量记录能力
记录变量数目

记录文件基准名和 附加序号(0-99)。

所记录变量值 的处理。

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7.3 最优运行模块
Optimum Run元件
该元件与多重运行元件类似,最主要的区 别是能够真正实现自动搜索(或收敛)最 优设计参数。能够大大减小多重运行次数 从而节省仿真时间,同时提高了寻优精度。 优化算法:
?黄金分割: 适用于单一REAL变量. ?单纯型算法: 适用于多个REAL (最多20个) 变量. 该方法沿可视实 体的多面体边缘来搜索最佳答案。 ?胡克捷夫法: 适用于多个 REAL变量的优化. ?遗传算法: 适用于多个REAL/INTEGER/LOGICAL变量的优化.

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用户需定义一个目标函数 (OF)作为输入,最优运 行模块将根据该函数的值, 优化算法 结合所采用的优化算法来 确定每次运行过程中的一 组新的参数值,并将OF的 差值与容许偏差进行比较, 当差值小于容许偏差时将 结束多重运行。

控制变量的类型及各类型的数目

多重运行最大的次数, 容许偏差及使能

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可选择将结果记录于文件,并指定 文件名称。

同样可使用Optimization viewer 来查看记录结果。 同一时刻只能有一个optimum Run元件有效。 三种方法同一时间只能有一个 有效。

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八、 Sequencer元件库

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序列元件是一组特定的控制元素,它们可基于定时器、延时和/或 其它状态进行组合来构成事件序列。 每个序列元件的输入输出均为值为0(LOW)或1(HIGH)的整型值。输出 为HIGH表示特定元件的条件满足,反之则未得到满足;输入为HIGH 表明该序列元件的上一个序列元件的条件已得到满足,反之则尚未满足。

事件序列启动

开关闭合

延时 条件等待

延时

延时 开关断开

故障清除

可人工控制 是否进行后 续序列

故障应用

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九、 Meters元件库

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包括: ——电压电流传感器; ——单相/三相有效值测量; ——有功/无功功率测量; ——相位/频率测量; ——谐波分析; ——谐波阻抗测量;

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可同时测量三相电压、 电流、有功功率、无 功功率和电压有效值 有效值测量 模拟型:计算时使用了非理想 积分器,需设置积分时间常数 数字型:采用了移动数据窗口 方法,有效值根据缓存的数据 计算得到 数字型的输出具有平滑极好的 输出,适用于控制;而模拟型 输出具有较大的波动,但对变 化的响应速度快。
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可同时测量三相电压的频率、相位和有效 值。其相位输出为干扰期间相对于干扰发 生前的变化量。 可测量三相瞬时有功功率和无功功率。

可测量两组三相信号间的相角差值。

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阻抗测量元件:可对PSCAD中建立的几乎所有电 气系统进行频率扫描。输出数据存储于文本文件 中,并可被外表图形程序使用。 扫频范围 频率增 加方式 输出文件

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FFT分析元件。可输出各次谐波的幅 值、相位;也可输出序分量。 输出类型:按相 输出;按序分量 输出; 基波频率

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十、 Data Record/Reader元件库

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10.1 File Rearder元件 File Reader元件

从另一个PSCAD运行进程或外 部波形获取数据,并可用作输入
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? 重要参数设置

数据文件名称 绝对或相对路径 数据列数 采样频率计数方法

遇文件尾部的处理方法

采样频率

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? 数据文件格式

第一行必须为空或注释

数据使用

可由11列数据(采样频率指定) 或10列数据+第一列为采样时间点

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? 采用绝对路径时(absolute path),需在file name中输入 绝对路径和文件名;采用相对路径时,只需输入文件名, 但文件必须存放于当前case的工作路径下。注意:路径中 不要有中文。 ? 采样频率(sampling time information)采用known sampling frequency时,需在sampling frequency内手动输 入采样频率,此时数据文件所有列均为有效数据;采用 first columns contains sampling time时,数据文件的第一 列将必须为采样时刻数据,PSCAD将根据这些数据自动 计算出采用频率。

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? At the end of datafile: ? output the last read values: 将一直输出最后读入的一 行数据。 ? rewind and replay again: 将移动至文件头部,重新读入 文件中的全部数据。 ? extrapolate: PSCAD将根据原先输入的数据采用外插 方法生成后续数据。

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? 数据输入示例
PQD格式 Txt格式

自编写中 间处理软件

电能质量 监测数据库

监测数据专 业解析软件

Txt格式

PSCAD 输出显示
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? 数据比对
专业解析软件 中的波形

输入至PSCAD 中的波形

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10.2 RTP/COMTRADE Recorder元件
数据输出还可采用RTP/COMTRADE Recorder元件实现。 该元件可记录多达28个数据信号, 用户可将记录数据存储为如下格式: RTP (real time playback); COMTRADE 91; COMTRADE 99。 该元件具有12通道模拟信号记录和16通道数字信号记录。 同时具有启停时间控制输入端。

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输出文件名及格式

记录时间间隔,不能小于仿 真步长,大于仿真步长时 PSCAD将进行插值处理 录波器设备号,对同一个项 目,可具有最多10个录波 器,每个必须分配唯一的设备号

模拟通道和数字通道数目

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数据来源于1次侧或2次侧

变量类型:电压、电流或其它

数据来源于1次侧时 的PT或CT变比

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十一、 Protection元件库

第 150 页

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包括: ——失步保护(欧姆、多边形、透镜); ——距离区域(阻抗圆、跳闸多边形、苹果、透镜); ——反时限过流、双比率电流差动、负序方向; ——电流传感器、CVT、电压传感器; ——阻抗测量等;

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11.1 Impedance Zone元件

阻抗圆

跳闸多边形

透镜特性

苹果特性

检查输入R和X所描述的点是否位于规定的阻抗区域内。R 和X是被监测阻抗的电阻和电感,单位可以是标么形式或 者ohms形式。需要注意的是,组件输入参数的单位设置 与输入的R和X的单位需保持一致。如果输入R和X所描述 的点位于规定的区域内则输出“1”,否则输出“0”。

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欧姆圆:阻抗区域由一个圆所定义。用户需输入圆心坐标 和圆半径。 多边形:阻抗区域由多边形所定义。用户需输入多边形的 边数和每个顶点的坐标。 透镜特性:阻抗区域由等半径两个圆的并集所定义。用户 需输入圆的半径和各自圆心的坐标。 苹果特性:阻抗区域由等半径两个圆的并集所定义。用户 需输入圆的半径和各自圆心的坐标。

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11.2 Out of Step元件

阻抗圆

透镜特性

多边形

当阻抗轨迹从功率摇摆闭锁区6向内部闭锁区5穿越时,本组 件检测穿越所需的时间,如果大于设定的时间,即探测到出现 了功率摇摆的情况。在大多数这样的情形下,阻抗保护不应启 动去切除相关的开关,只有在少数选择好的系统解列点处才需 要跳闸。若未选择距离保护去解列系统,当阻抗轨迹从6区穿 越到5区的时间超过设定时间,会闭锁距离保护1、2、3段的跳 闸信号。在功率摇摆期间,可使用OOS的输出闭锁距离元件的 1、2、3段的跳闸信号,或者在选定的点上去触发断路器的跳 闸回路,将稳定系统与不稳定系统隔离。
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R和X代表了被检测阻抗的电阻和电感,单位可以是标么形 式或者ohms形式。需要注意的是,组件输入参数的单位设 置与输入的R和X的单位需保持一致。如果探测到功率摇摆 情况输出“1”,否则输出“0”。 欧姆圆:区域5、6由阻抗圆构成。用户需输入两个圆的半 径和圆心坐标。 透镜特性:区域5、6由等半径圆相交构成。用户需输入圆 的半径和圆心坐标。对于阻抗轨迹由6区向5区穿 越的时间大于设定时间的情况,零序电流I0需再 小于限定值本组件才会发出闭锁信号。 多边形:区域5、6由多边形构成。对于阻抗轨迹由6区向5 区穿越的时间大于设定时间的情况,负序电流I2 需再小于限定值本组件才会发出闭锁信号。
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11.3 其它保护元件

电流函数选择

反时限过流 反时限过流保护对输入电流的 函数F(I)进行相对于时间的积分, F(I)大于预先定义的电流(启动 电流)时为正,反之为负。当积 分达到预先设定的某个正值时, 保护输出‘1’。输入本元件的 是电流测量信号(单位为p.u.或 kA)。

启动电流

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双比率电 流差分

双比率百分比偏置限制特性由以下4个值所决定: IS1: 基础的差分电流定值; K1: 较低的百分比偏置定值; IS2: 偏置电流门槛值; K2: 较高的百分比偏置定值。

第 157 页

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跳闸标准:

满足跳闸标准且时间大于参数指定的时间时, 本元件输出为“1”。

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负序方向元件的原理:对于正向故障,负序阻抗 为负值;而对于反向故障,它为正值。考虑到继 电器终端之后的大电源,其可能会导致较低的负 序电压。为了克服这一情况,需要加入补偿量以 负序方向 增大负序电压。
正反向负序电流阈值 正反向负序阻抗阈值 负序与正序电流比值的阈值 基频时线路阻抗角 仅在负序电流与正序电流的比例大于设定的 限值时,才会有输出。负序电流还必须大于 两个设定值(一个正向,一个反向)。此时 负序阻抗小于正向负序阻抗阈值,输出 ‘1’,为正向故障;若负序阻抗大于反向 负序阻抗阈值,输出‘-1’,为反向故障。
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11.4 其它相关元件
CT-JA 模型 本元件为基于Jiles-Aherton的铁磁磁滞理论模 拟的电流互感器(CT)。基于磁性材料的物理 特性,给出了饱和效应以及磁滞剩磁和最小磁 滞回线等信息。被测量电流作为输入(kA), 输出是继电设备所用的二次电流(Amps)。

本组件模拟了其负载(继电设备)为感性的电 CT-Lucas 流互感器。被测量电流作为输入(kA),输 出是继电设备所用的二次电流(Amps)。 模型

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CVT 模型

本元件模拟了相互作用的耦合式电压互感器 (VT)。模型的输入是电容两端的电压,Vp(测 量自系统的电压)、C1和C2。输出是变换后的电 压VS(Volts)。

PT-Lucas 模型

本元件模拟了相互作用的耦合式电压互感器。 输入是测量的系统电压Vp(kV)。输出是变 换后的电压Vs(Volts)。

第 161 页

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线对地阻抗测量

本组件计算出线对地阻抗。VM/IM/I0M分为电压 幅值,电流幅值和零序电流幅值;VP/IP/I0P分为 电压相角,电流相角和零序电流相角。优化后输出 供“Trip Polygon”、“Distance Relay - Apple Characteristics”、“Distance Relay - Lens Characteristics”或“Mho Circle”跳闸元件使用。 本元件计算出相间阻抗。优化后供“Trip Polygon”、“Distance Relay - Apple Characteristics”、“Distance Relay - Lens Characteristics”或“Mho Circle”跳闸元件使用。

相间阻抗测量

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本组件计算序分量组件的幅值和相角,输入 的值是相量形式的三相幅值和相角。输出为 各序分量的幅值和相角。

序分量过滤器 本元件连续检测输入信号是否超过了“过 电流限值”。可以设定其在检测之前对输 入信号进行处理:如果处理过的输入信号 高于门槛值,且持续时间达到了指定的 “Delay Time”,组件输出1(否则输出0)。

过流检测元件

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十二、 其它元件

第 164 页

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数据聚合

可进行数据类型转换

数据分接

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数据类型转换 通用常量 多重运行常量

实型、整型和逻辑型

强制某个信号进入 DSDYN或DSOUT段内。

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谢谢!

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