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PSCAD使用说明-2010 版


前言
此说明只涵盖部分 PSCAD 功能讲解, 其他未涉及部分读者可参考 PSCAD 自带英文版说明, 软件自带有在线帮助系统 (On-line Help System) 包含软件用户手册及所有元件的使用说明, , 对熟悉其元件特性有很大帮助。本使用手册就是基于此帮助系统而编写。按 F1 键即可弹出 帮助系统。一般用户所经常使用的是 PSCAD Manual 和 Mas

ter Library Models。 此外,本文最后部分列举了两应用实例,其中讲解了部分文中未提及元件的使用方法,对尽 快掌握 PSCAD 用法有很大帮助,读者可参考阅读。 若对 PSCAD 自带有在线帮助系统有疑问,也可参考书本《电力系统电磁暂态计算理论》 , 此书由电磁暂态分析程序 EMTDC 创立者 H.W.Dommel 教授编写, 对理解 PSCAD 仿真软件 有很大帮助。

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目录
chapter 1: EMTDC/PSCAD 简介…………………………………………………………4 1.1 功能……………………………………………………………………………………4 1.2 技术背景………………………………………………………………………………4 1.3 主要的研究范围………………………………………………………………………5 1.4 目前应用情况…………………………………………………………………………6 1.5 各版本限制……………………………………………………………………………6 1.6 目前最新版本…………………………………………………………………………6 chapter 2: PSCAD 的安装…………………………………………………………………7 chapter 3: PSCAD 工作环境……………………………………………………………..10 3.1 术语和定义…………………………………………………………………………..10 3.1.1 元件…………………………………………………………………………………10 3.1.2 模型…………………………………………………………………………………11 3.1.3 工程介绍……………………………………………………………………………11 3.2 各工作区的介绍……………………………………………………………………...11 3.2.1 工作空间窗口………………………………………………………………………12 3.2.2 输出窗口……………………………………………………………………………16 3.2.3 设计编辑器…………………………………………………………………………18 3.3 工作区设置…………………………………………………………………………...18 3.4 在线帮助系统………………………………………………………………………...19 Chapter 4: 基本操作……………………………………………………………………...21 4.1 工程具体操作………………………………………………………………………...21 4.2 元件和模块…………………………………………………………………………..25 4.2.1 元件………………………………………………………………………………...25 4.2.2 模块………………………………………………………………………………...27 4.2.3 常见元件及模块功能介绍………………………………………………………...27 1.开关断路器……………………………………………………………………………..27 2.架空线路 / 分布参数线路…………………………………………………………...30

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3.变压器…………………………………………………………………………38 4.避雷器…………………………………………………………………………41 5.新建元件………………………………………………………………………43 6. Π 型电路……………………………………………………………………..46 7. 互感线路模型………………………………………………………………..48 8. 电源…………………………………………………………………………..49 Chapter 5: 在线绘图和控制……………………………………………………………...56 5.1 控制或显示数据的获取……………………………………………………………..56 5.2 图形框………………………………………………………………………………..57 5.3 图、曲线及轨迹……………………………………………………………………..59 5.4 在线控制器及仪表…………………………………………………………………..62 5.5 几种特殊表计…………………………………………………………………………64 5.5.1 XY 绘图……………………………………………………………………………..64 5.5.2 多测计………………………………………………………………………………66 5.5.3 向量计………………………………………………………………………………67 Chapter 6:应用实例………………………………………………………………………..69 6.1 简单模型………………………………………………………………………………69 6.2 复杂模型……………………………………………………………………………….79 6.2.1 500kV 输电系统对地短路例子……………………………………………………..79 6.2.2 韶山 7 电力机车模型………………………………………………………………..84

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Chapter 1: EMTDC/PSCAD 简介
Dennis Woodford 博士于 1976 年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了 EMTDC 的初版, 是一 种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件, PSCAD 是其用户界面,PSCAD 的开发成功, 使得用户能更方便地使用 EMTDC 进行电力系统分析,使电力系统复杂部分可视化成为可 能,而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。操作环境 为:UNIX OS, Windows95, 98,NT 等;Fortran 编辑器;浏览器和 TCP/IP 协议。

1.1 功能
? 可以发现系统中断路器操作、故障及雷击时出现的过电压 ? 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、方便 ? 进行电力系统时域或频域计算仿真 ? 电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算 ? 实现高压直流输电、FACTS 控制器的设计

1.2 技术背景
程序 EMTDC(Electro Magnetic Transient in DC System)是目前世界上被广泛使用的一种电 力系统仿真分析软件, 它即可以研究交直流电力系统问题, 又能完成电力电子仿真及其非线 性控制的多功能(Versatile Tool)工具。PSCAD(Power System Computer Aided Design)是 EMTDC 的前处理程序,用户在面板上可以构造电气连接图,输入各元件的参数值,运行时 则通过 FORTRAN 编译器进行编译、连接,运行的结果可以随着程序运行的进度在 PLOT 中实时生成曲线,以检验运算结果是否合理,并能与 MATLAB 接口。EMTDC/PSCAD 主要 功能是进行电力系统时域和频域计算仿真,典型应用是计算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;另外 EMTDC/PSCAD 还可以广泛的应用于高压直流输电、 FACTS 控制器的设计、电力系统谐波分析及其电力电子仿真。软件还可以作为实时数字仿 真器(Real Time Digital Simulator,RTDS)的前置端(Front End)。此外,EMTDC/PSCAD 还 具有强大的自定义功能, 用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的装置。 实时回放系统

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(RTP)是基于 EMTDC/PSCAD 软件的测试系统,它可以结合 EMTDC/PSCAD 计算产生的 结果(信号)来测试继电保护系统、控制系统及监控系统。

1.3 主要的研究范围
PSCAD/EMTDC 在时间域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程(包括电磁和机电 两个系统)。这一类的模拟工具不同于潮流和暂态视定的模拟工具。后者是用稳态解去描述 电路(即电磁过程)。但是在解电机的机械动态(即转动惯量)微分方程。PSCAD/EMTDC 的结 果是作为时间的即时值被求解。但通过内置的转换器和测量功能(象实有效值表计,或者快 速傅里叶变换频谱分析等)。这些结果能被转换为矢量的幅值和相角。 实际系统的测量能够通过很多途径来完成。由于潮流和稳定的程序是通过稳定方程来代表, 它们只能基频段幅值和相位。因此 PSCAD 的模拟结果能够产生电力系统所有频率的相应, 限制仅在于用户自己选择的时间步长。这种时间步长可以在毫秒到秒之间变化。 典型的研究包括: ? 研究电力系统中由于故障或开关操作引起的过电压。它也能模拟变压器的非线性(即饱和) 这一决定性因素。 ? 多运行工具(Multiple run facilities)经常用来进行数以百计的模拟从而在下 列不同情况下 发生故障时最坏的情况。故障发生在波形的不同位置,故障的类型不同,故障点不同。 ? 在电力系统中找出由于雷击发生的过电压。 这种模拟必须用非常小的时间步长来进行。 (毫 微秒级) ? 研究电力系统由于 SVC, 高压直流接入, STATCOM, 机械驱动(事实上任何电力电子装置) 所引起的谐波。这里需要详细的可控硅,GTO,IGBT,二极管等的模型以及相关的控制系 统模型(模拟量的和数字量的二种类型)。 ? 对给定的扰动,找出避雷中最大能量。 ? 调整和设计控制系统以达到最好的性能; 多重运行工具常被用来同时自动调整增益和时间 常数。 ? 当一个大型涡轮发电机系统与串联补偿的线路或电力电子设备互相作用时, 研究次同步谐 振的影响。 ? STATCOM 或电压源转换器的建模,(以及它们相关控制的详细建模)。 ? 研究 SVC HVDC 和其它非线性设备之间的相互作用;
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? 研究在谐波谐振,控制,交互作用等引起的不稳定性; ? 研究柴油机和风力发电机对电力网的冲击影响; ? 绝缘配合; ? 各种类型可变速装置的研究,包括双向离子变频器,运输和船舶装置; ? 工业系统的研究,包括补偿控制,驱动,电炉,滤波器等; ? 对孤立负荷的供电;

1.4 目前应用情况
现在新版的 EMTDC/PSCAD 不但有工作站版(Workstation) ,而且有微机版(PC 版),其大 规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效率的计算内核、友好的界面和良好的 开放性等特点, 已经被世界各国的科研机构、 大学和电气工程师所广泛采用。 我国清华大学、 浙江大学、 中国电力科学研究院和南京自动化研究所等都相继引进了 EMTDC/PSCAD、 RTP 和 RTDS。 MATLAB 虽然使用很方便,但所得出的仿真结论在行业内的认可程度很低。而 EMTDC/PSCAD 因拥有完整全面的元件库,稳定的计算流程,友好的图形界面,使它在全 世界得到了广泛的应用。在我国国内,电磁暂态程序中用的最多的也是 PSCAD。

1.5 各版本限制
表 1.1 版本 学生版(Student) 教育版(Educational) 专业版 (Professional) 电气子系统 电气节点 页面模块 元件 1 15 5 32,768 1 200 64 32,768 无限制 无限制 1024 65,536

1.6 目前最新版本:PSCAD 第四版
强有力和动态的控制
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卓越的绘图功能 最新的与 WINDOWS 匹配的界面 更佳仿真性能 强有力的视觉工具延展 数据输入和输出工具 MATLAB/SIMULINK 界面 灵活的用户自定义部件数据库 新模型 (风力发电,新电机,保护 继电器元件等)

Chapter 2: PSCAD 的安装
对于现在的电脑配置来讲,基本都可以安装 PSCAD4.2.0 版本,本文介绍 PSCAD4.2.0 的一 种安装方式。 PSCAD4.2 破解版安装步骤: 1. 运行文件夹 PSCAD4.2 中的 setup.exe, 选择安装 PSCAD 和 GNU Fortran Compiler 如下图。

提示选择 PSCAD License Management 时,选 I will only be using Single-user/single-machine license. 2. 安装完毕后, 将补丁程序(pscad 单字节破解补丁)拷至 PSCAD.exe 所在的目录(C:\Program Files\PSCAD42\bin\win),
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运行补丁程序

3. 将开始菜单"C:\Program Files\PSCAD42\bin\win\PSCAD.exe" PRO 后的 PRO 去掉,可以 避免每次都弹出找不到 Professional License 的 MessageBox。 这样安装的程序只能运行节点数小于 200 的程序, 因为安装默认 GNU Fortran 编译器只能运 行节点数小于 200 的程序。 若想运行节点数无限的程序, 需安装 Compaq Visual Fortran Version 6.6Compiler。 安装过程: 1.将 Compaq Visual 文件夹中的 mage-cvf.bin 文件导入虚拟光驱,如下图

2. 选择 CRACK 文件 ,运行里面的注册机获取序列号 3. 运行 setup exe 一路点击是 4. 打开 PSCAD 任意一个仿真图,点击 Edit 选择 workspace settings 如图

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打开 workspace settings,并单击 Fortran 按钮,如图所示

单击 installed version 下拉菜单,选择 compaq Visual Fortran Professional Edition6.6 选项,至 此安装完毕。

Chapter 3: PSCAD 工作环境
本章简要介绍了 PSCAD 的工作环境,包括用户界面的组成,各工作区域的具体分工, Workspace 和 Projects 设置,并介绍了其功能全面的在线帮助系统。 标题栏 主菜单

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主工具栏

工作空间窗口

输出窗口

图 3.1

3.1 术语和定义
为了让用户更好的理解本手册内容,特别对本手册中所使用的术语及定义作简要介绍。

3.1.1 元件
元件通常代表一个器件模型,有时以框图形式出现,是 PSCAD 中电路的基本组成部分。其 应用范围比较广泛, 通常都有特定的功能, 也可以电气、 控制、 文件或简单的装饰形式出现。

图 3.2 单相变压器元件模型 元件通常包含输入和输出端口, 用以连接形成较大的系统。 元件模型的参数, 如变量和常量, 可以双击打开其属性框,通过手动输入。 定义(Definitions) 定义是一个元件的蓝图, 可以通过设计编辑器定义其所有参数。 一个定义可以包含其图形外 观、连接点、输入对话框和模型代码。 元件定义并不是图形实体, 而是存储在库工程中。 存储在库工程中的定义可以在任意工程中
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生成实例,而案例工程中的定义只限于此工程,不能用于其他工程。 实例(Instances) 元件实例是元件定义的图形“拷贝” ,即通常所看到及应用在工程中的实体。准确来讲它不 单是拷贝,因为在一个多元件系统中,同一元件定义可以在一个案例工程中生成多个实例, 每一个实例都有自己的实体, 而且可以设定不同的参数, 甚至是不同于其他实例的图形外观。

3.1.2 模块
模块是一种特殊形式的元件,它由基本元件组合而成,而且可以包含其他模块,从而可以形 成分层系统结构。其运行方式相当于普通的元件,除非其不允许参数输入。

3.1.3 工程介绍
工程文件可以包含一个特定仿真的所有信息(输出文件除外) ,把其放在一个文件中。比如 元件定义,在线绘图机控制和系统自身的图形结构。PSCAD 中包含两种工程文件:库 (Library)和案例(Case) 。 用户的大部分工作是在 case 中完成的,它除了不能完成库的功能外,可以进行编译,建立 和运行。仿真结果可以通过在线检测表和绘图工具直接在 case 中观察。其文件扩展名为 “.psc” 。 库主要用于存储元件定义及可视元件实例。 库文件首先在如之后, 其元件定义的实例可用于 任意 case 工程。扩展名为“.psl” 。

3.2 各工作区介绍

3.2.1 工作空间窗口
工作空间窗口不仅仅显示当前所有载入工程,而且给出其数据文档、信号、控制、传输线和 电缆、显示器件等等,并可以对其进行拖拽操作。注意:PSCAD 库是第一个载入的工程, 而且不能被卸载。工作空间窗口分为四个表格式的部分:Projects,Runtime,T-Line/Cables, Files。如下图所示:

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图 3.3 Projects:当载入工程时,就会在 Projects 中显示其工程名及其描述。可同时载入多个工程, 将按照载入顺序排列。 当载入多个工程时,可凭借如下图标来区分各工程当前所处的状态: 库工程(Library Project) 未激活案例工程(Inactive Case Projects) 激活案例工程(Active Case Projects) Projects 部分主要用于工程间的切换及浏览工程内部,包括直接访问其模块和定义。例如, 只要双击列表中的模块, 就会直接进入模块的电路页面, 双击元件定义则会进入元件编辑页 面,双击工程则会进入主页面。 前面提到,每一个在 Projects Section 中列出的工程包含其所有的定义,以及模块层次,组成 标准的树状结构,如下图所示:

图 3.4

主页面包含了一个工程中所有的模块实例,有助于了解其工程结构,如下图所示,工程 example01 的主页面中包含 Load、Active、Graph、PF 四个模块,而模块 Active 又包含了一
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个模块 Ctrl,这些模块组成了工程的基本层次结构。

图 3.5 定义分支(Definitions)包含了工程中元件的定义,而存储于库中的元件定义不在此列。下 图为上例中定义分支:

图 3.6 Runtime:树形结构,包含和运行相关的详细信息,比如输出通道、控制、图形等等,可以 双击名称进入相应界面。注意:只显示当前激活的工程信息。 鼠标右键单击 Runtime 界面中工程名,弹出菜单如图 3.7 所示:

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图 3.7 有三种查看模式:Modules、Groups、Radio Links。 1)Modules:以模块结构显示所有运行对象,如图 3.8 所示:

图 3.8 2)Groups:以组的形式显示所有运行对象,如图 3.9 所示:

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图 3.9 3)Radio Links:显示所有无线连接元件,此元件相当于信号传输工具,将在 3.2.4 节中详细 介绍。如图 3.10 所示:

图 3.10 注:TLines/Cables 和 Files 不常用,暂不介绍。

3.2.2 输出窗口
输出窗口可以方便的查看仿真反馈和故障解决信息,包括所有由元件、PSCAD 或 EMTDC 引起的错误及警告信息。 再细分为 Build 和 Runtime 信息: Build 栏显示主要的原件及 PSCAD 中的错误及警告信息,包括工程的编译、Fortran、数据、图形文件等等;Runtime 栏主要提 供仿真运行时的错误和警告信息,即来自 EMTDC 算法。
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另外还有一栏 Search,可显示工程搜索结果。 错误和警告(Errors and Warnings)可通过如下图标进行区分: OK Errors Warnings 出现警告时,并不会对仿真造成根本性的影响,仍可仿真,但可能影响仿真结果。但出现错 误时,仿真将会停止。可右键点击 Point to Message source 定位信息。

图 3.11 对于定位信息中显示的内容, 可能涉及到一些节点或子页面, 这时通过搜索功能可以快速定 位这些节点,其结果将显示在输出窗口的 Search 栏。 点击工具栏中图标 ,弹出如下搜索对话框:

图 3.12 通过 Search 栏下拉菜单选择搜索范围。

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图 3.13 输入所需查找信息关键字即可。

3.2.3 设计编辑器
设计编辑器从某种程度上来说是 PSCAD 仿真环境中最重要的一部分,也是完成大部分工作 的地方。它主要用于仿真电路图的构建,并包含元件定义编辑器。 当打开一个工程时,设计编辑器会自动打开,如下图所示,分为六个子窗口:

可以看到有一些栏是不可用的, 即灰色。 这取决于你所要察看的内容以及这个工程是否已经 编译过。 Graphic、 Parameters 和 Script 只用于元件设计, 只有在编译一个元件定义时才可用。 而当打开一个模块页面时,Graphic 也会被激活。按住 Ctrl+鼠标左键双击元件,可以编辑一 个元件的定义,或者右键单击元件,选择 Edit Definition。 Circuit 窗口是工程打开时的默认察看窗口,PSCAD 中的大部分设计工作都将在这里完成, 以及所有的控制和电气电路的构建。此时,控制面板和电气面板将被激活,如下图所示:

Graphic 窗口用于编辑元件的定义或者模块的图形外观。 Parameters 窗口用于编辑元件定义的参数。 Script 窗口用于编辑元件定义的代码。 Fortran 窗口是一个简单的文本察看器, 提供与当前 Circuit 窗口中相关模块的 EMTDC Fortran 文件。

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Data 窗口也是一个简单的文本察看器,显示当前 Circuit 窗口中电气网络的 EMTDC 输入数 据。

3.3 工作区设置
当安装完成后,用户根据自己的需要,可以对工作区进行设置,其中参数的改动将影响所有 载入的工程。本章将对其各个组成部分进行简要介绍。 打开主菜单中 Edit/Workspace Settings,如下图所示:

图 3.14

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图 3.15 包含如下 7 个部分:Project、Views、Runtime、Fortran、Matlab、Associations、License

3.4 在线帮助系统
软件自带有在线帮助系统 (On-line Help System) 包含软件用户手册及所有元件的使用说明, , 对熟悉其元件特性有很大帮助。本使用手册就是基于此帮助系统而编写。按 F1 键即可弹出 图 3.16 所示帮助系统。一般用户所经常使用的是 PSCAD Manual 和 Master Library Models。

图 3.16

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Chapter 4: 基本操作
本章介绍了 PSCAD 的基本操作和特性,对于熟悉 PSCAD V4 将有很大帮助。首先对工程相 关的操作进行了简要说明,其次是工程中的元件和模型的一些基本操作,最后对一些常用工 具栏及键盘快捷方式进行简要介绍。

4.1 工程具体操作
上一章中已经介绍了工作区和工程的设置方法,本节将介绍对于工程的具体操作。 新建工程,如图所示:

图 4.1 选择所要建立工程的类型,将会在工作区窗口出现一个名为“nomame”的新工程。也可以点 击工具栏中新工程按钮 ,或按住 Ctrl+N 建立新工程。保存时可以更改工程名。

图 4.2 加载工程,如图所示:

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图 4.3 将会出现如下对话框:

图 4.4 包含所有 PSCAD 默认工程文件(*.psc,*.psl)从中选择所要加载的工程。也可点击工具栏 中按钮 或按住 Ctrl+O 加载工程。

鼠标右键单击工程名,在弹出菜单中选择 Open,即可打开工程,也可以双击打开。

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图 4.5 如果有多个工程文件同时打开, PSCAD 需要知道是哪一个工程处于激活状态, 就需要设定 “激 活工程” 。在工作区窗口中,鼠标右击要激活的工程,如上图所示,选择“Set as Active” ,那 么仿真就是针对此激活工程进行的。 其他针对工程的设定,用户可以通过以上方法来操作,如工程的保存、卸载等。下面针对单 个工程文件,对其工程参数进行设置,右键单击工程名,可看到如下菜单:

图 4.6 打开 Project Settings 对话框,用户可根据需要设置,如下图所示:
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图 4.7 设置仿真时间和步长 新建的仿真工程,先应对“工程”的仿真时间、步长进行设置(也可在建好模型仿真开始前 完成) 。在“工程”模型窗口空白处鼠标右击,选择 Project Setting,出现设置窗口,如图 4.7

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所示,在这里可对本“工程”的仿真时间、计算步长、PSCAD 绘图步长等进行设定。一般仿 真时间 “Duration of run ” 设为 0.3~ 0.5s, 计算步长 EMTDC time step ( us ) ” “ 设为 0.1, 绘 图步长“ PSCAD plot step ( us ) ”设为 10。如果计算步长大,则仿真进展快,但是,过电 压变小( 可能会漏掉峰值 ) !

4.2 元件和模块
初级用户对于元件和模块的操作基本上可分为: 怎样把元件加载至工程中, 元件参数的设置, 以及模块的生成和参数设置,下面分别做简要说明。

4.2.1 元件
第三章中已经讲过,PSCAD 的元件都存放在库工程中。打开软件后,工作去窗口中会自动加 载库文件 ,双击可打开,如下图所示界面:

图 4.8 所有元件都按类分成 18 组,具体为:无源元件,电源,混合元件,I/O 器件,断路器和故障, HVDC、FACTS 和电力电子元件,输入、输出和标签,变压器,电机,连续系统功能模型,
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传输线,电缆,表计,保护,外部数据记录及读取,定序器,逻辑元件,PI 部件。

双击每个图框的下部,如 接从库中复制元件至目标工程。

,即可打开查看更多元件。可以直

库工程中的元件比较全面,但对于一些简单的系统则显得不必要,而且略显麻烦。对于调用 一些常用的元件,可以采用如下几种方式: 1、工具栏: 和 2、鼠标右键单击画布空白区域,选择 Add Component,如图所示:

图 4.9 3、弹出库菜单:按住 Ctrl+鼠标右键,将弹出如下菜单:

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图 4.10 下面对导线的用法做简单介绍 选择“导线” ,点击导线,两端会出现小端点,用鼠标左压并拖动,可调节导线长度。调节方 法:点击一段导线,它的两端就会出现两个绿色的方块,此时点住某个方块对导线进行拉长 或者缩短, 直到想要的长度。 用适当长度的导线将各个元件按照原电路的拓扑结构连接起来。 注意:导线与导线,或导线与元件的一端连接时,当两条导线或导线与元件接近时,会自动 连接上;导线与导线交叉时,相互绝缘,如果要两导线在交叉点连接,需要从主界面右边常 用元件中选择“ Pin ”并放置在交叉点。

4.2.2 模块
模块主要用于整合多个元件,把具有一定功能的元件组放入一个可称之为“子系统”的模块 中, 这样使得整个系统看起来更为简洁。 连接模块和外部电路的信号有两种: 数据信号 (Data Signals)和电气信号(Electrical Signals) 。 数据信号:主要用于传递模块内和外部的数据。 电气信号:连接模块内外的电气节点。

4.2.3 常用元件及模块功能介绍
1.开关/断路器 开关(断路器)从 master 库到 Breakers 单元中选取,库中有:单相、三相开关,三相开关有
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单线和三线连接方式,如下图 4-11。对于小方块表示的开关,运行时红色(工程中称为高 开关)实际为闭合,绿色(工程中称为低开关)为断开。开关必须与一个 Logic 模块配合使 用,即:需将 “BRK”和“BRK-Time Breaker Logic”都复制到工程中去。

图 4-11 开关模型库

在工程中双击开关图形,可以看到如图 4-12 所示的菜单式对话窗口:

图 4-12 在图 4-12 中可设置: “Breker Name”: 设置开关的名称。 “Open possible if current flowing”项中选择 yes,表示在任何时间可断开的理想开关;选择 no,开关在电流过零才是关断。 “Use Pre-insertion Resistance ”-应用开关合闸插入电阻,一般选择 N0。 “Graphics Display”-开关符号显示形式: “Low Voltage”显示线条式开关, “High Voltage” 显示方块式开关,闭合时方块式为红色,打开为绿色。 PSCAD 中开关不是真正的理想开关,打开时开关的电阻应设置 ? 10 Ω 以上,闭合时开关的
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电阻应设置 m? Ω 以下,如图 4-13 所示:

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图 4-13

在同一个模型中,可以使用多个开关,这些开关由不同的开关控制逻辑单元进行控制,为了 实现控制,需要将开关设置为不同的名字,同时,控制逻辑的名字也要与开关一一对应,如 果对应不正确,则仿真就会出错,如下图 4-14 所示:

图 4-14

Logic 模块的作用是按照设定的时间控制开关动作。 在模型中点击 Logic 模块, 就能够对开关 动作时间进行设置,如下图 4-5 所示:

图 4-15 开关逻辑控制单元设置

开关可以设置动作一次或两次,上图表示: BRK 动作次数 2 次,t = 0 时初始状态为 close,t = 0.1s 时刻,执行打开动作,t = 0.15s 时刻,再次执行闭合动作。一般情况,开关动作时间最

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好不要设置到大于整个模型仿真的时间以外。 在图 4-16 所示仿真结果中,波形显示了二阶电路突然断开和接入正弦交流电源时观测的电 压电流振荡波形。

图 4-16

仿真结果

注 意:如果要开断电流源,必须要保持电流源自己的回路,因为电流源永远有电流流出,图 4-17 就断不开;给电流源并联一个数十 k 的大电阻(电阻值应不影响开关闭合后的电流大 小) ,如图 4-18 才能够断开。
BRK BRK

N

N

R

图 4-17 2.架空线路 / 分布参数线路 (1)架空线(分布参数线路)模型

图 4-18

从 master 库到 More on Transmission Lines 单元中选取 Tline 模型,注意:一条线必须同时选 用三个元件:2 个外部连接的端口、1 个线路内部连接件,如下图 4-19 所示:

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(a) PSCAD 4.02 版

(b) PCSAD 4.2 版 图 4-19

在图 4-19 中,上图部分为架空线路(分布线路)与其它元件连接的外部连接端口,点 击后出现下图 4-20 菜单,可设置:线路名称(每条线路的名称不得相同!,线路的导线数 ) (可改成单相、多相线路,对单相选为 1) ,模型图显示导线数(对单相选为 single line ) 。 对单相线路可以不用这两个外部连接的端口元件。

图 4-20 在图 4-19 中, 下图部分为线路内部的连接件: 形 T (PSCAD 4.02 版) “双端箭头”形 / (PSCAD 4.2 版)或 连线形,是设置线路参数的关键。点击后出现下图 4-21 菜单:

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图 4-21 设置内容: 线路名称,必须与线路外部连接端口的名称一一对应; 稳定状态频率:波在线路上多次折反射后趋于稳定的频率,这个频率 f 越高,波经过线路的

??
一次传输时间

l 1 ? v f 就越小,波在线路上的折反射过渡过程(趋于稳定)的总时间也越

少。因此, f 值越大,计算时间越少,但波过程的计算效果越差。所以,应尽可能取小值。 当线路长度小于 990km, f 值可取为 0;当线路长度大于 990 km, f =0,则计算可能太大, 出错,应 0.5, 0.8, 1 等,取得越大,衰减趋于稳定的时间越少。 ???;

线路长度: 线路的导线数,也需与线路外部连接端口的设置完全一致; 端头风格形式:直接连接(端头直线形式) ,“双端箭头”形式。 对单相线路,可不用线路模型的 2 个外部连接端口、用线路内部连接件的直接连接形式与外 部其它元件端子进行连接。 在图 4-21 中,点击“Edit“打开,才可以设置线路的结构参数。 先从 master 库到 More on Transmission Lines 单元中选取线路模型的“定义标签”和线路导线 几何模型, 并复制、 粘贴到打开的 “Edit“界面,如图 5-4 所示 图中选择的是单相导线 ) ( 。 其中: “定义标签”有“ Bergeron-贝杰龙“ 模型(一般线路选用) ,另外 2 个为相频模型、 频模模型;线路导线的几何模型有多种形式,要根据线路的导线数选取。 PSCAD 中有三种输电线路或电缆的等效模型:PI 型等值电路、Bergeron 模型和依频特性模 型。 在线路处于基波频率下, 型等值电路和 Bergeron 模型足够使用, PI 不同之处是, Bergeron 模型用分布参数方式来代替 PI 型等值线路中的 LC 元件,电阻等都是集中参数。 依频特性线路模型考虑到所有频率相关的参数,用模分析技术(Modal Techniques)和相域 (Phase Domain)处理技术进行求解,可以在比较大的频率范围内相对准确地线路的特性。

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使用这种模型,只需要 T-line/Cable 的导体属性和几何参数,便可以搭建线路模型,内置的输 电线路和电缆常数例程(Transmission Line and Constants Routine)即可算法出数据,并且可 以以文件或波形的形式输出。在 PSCAD/EMTDC 中的依频特性模型有两种:Frequent Dependent(Mode) Model 和 Frequent Dependent(Phase) Model,前者简称为 Mode 模型,后者 简称为 Phase 模型。对于理想换位线路,这两种模型都可以给出比较准确的结果。对非换位 线路,Phase 模型要比其它任何模型更准确。
ik (? )
im (? )

Vk (? )

Vm (? )

图 4-22 频域线性模型 Phase 模型和 Mode 模型计算原理基本相同。 在频域下的特定频率的线路方程的求解, 可以方 便地得到线路在时域下的方程。如图 4-1 所示为从两端看进去的线路模型在频域中的等值电 路。特定频率下,线路其中一端的电压和电流可以用另一端的电压或电流来表达:

Vk (? ) ? cosh[? (? ) ? L] ?Vm (? ) ? Z c (? )sinh[? (? ) ? L] ? im (? )

(4-1)

ik (? ) ?

sinh[? (? ) ? L] ? Vm (? ) ? cosh[ (? ) ? L] ? im (? ) ? Z c (? )

(4-2)

在这里:

? (? ) ? Y (? ) ? Z (? ) 为传播常数
Y (? ) 是波阻抗

Z c (? ) ? Z (? )

Y (? ) ? G ? j?C 是线路的并联导纳 Z(?) ? R ? j?L 是线路的串联阻抗
在节点 k 处提出前向和反向行波的函数

Fk



Bk

: (4-3) (4-4)

Fk (? ) ? Vk (? ) ? Z c (? ) ? ik (? ) Bk (? ) ? Vk (? ) ? Z c (? ) ? ik (? )
同理在节点 m 处:

Fm (? ) ? Vm (? ) ? Z c (? ) ? im (? )

(4-5)

32

Bm (? ) ? Vm (? ) ? Z c (? ) ? im (? )
把方程(4-4)代入方程(4-3)可得:

(4-6)

Fk (? ) ? 2Vk (? ) ? Bk (? )
同理,由方程(4-5)和(4-6)可得:

(4-7)

Fm (? ) ? 2Vm (? ) ? Bm (? )

(4-8)

方程(4-1)和(4-2)(k 点和 m 点的方程)可以用前行和反行波的方式表示为:

Bk (? ) ? A(? ) ? Fm (? ) Bm (? ) ? A(? ) ? Fk (? )
在这里,

(4-9) (4-10)

A(? ) ?

1 ? e ? ? (? ) L cosh[ (? ) ? L] ? sinh[? (? ) ? L] ?

(4-11)

A(? ) 是传播常数并且是一个复数, 实部α 是衰减常数, 虚部β 是相位常数。 方程(4-4)和(4-6)
可以用 4-2 所示的等值电路来表示。 将(4-8)代入(4-9),得到:

Bk (? ) ? A(? ) ? [2Vm (? ) ? Bm (? )]
同样地,由(2-7)和(2-10)可得到:

(4-12)

Bm (? ) ? A(? ) ? [2Vk (? ) ? Bk (? )]

(4-13)

为了在时域下表达图 4-2 和式(4-11)及(4-13) ,要先求解式(4-9)的方程。在时域的相乘 变成频域的卷积:

A(?) ? Bm (?) ? ? A(u) ? Bm (t ? u) ? du
?

t

(4-14)

只有经过最短时间 ? ,线路一端的脉冲才能到达另一端,方程(4-14)的卷积的积分下限是 传播时间 ? ,传播时间 ? 可以用传播常数的虚部 ? 来计算。

33

图 4-23

在图 4-23 中,点击上部的导线“定义标签”,出现如下菜单图 4-24:

图 4-24
34

在图 4-24 中设置导线模型: 选择:是否使用近似的阻尼(Damping)衰减, NO ; Yes,则填 近似频率损失、0 次常数时间、所有金属模型的常数时间, 这一选项针对用于特殊的无线电高频。 选择:是否使用“ interpolation Travel Time”- 插入传输时间; 问题: NO ,Yes 效果一样! ?? 这一选项针对短线路时采用, PSCAD 中计算最小长度小于 15 km, 相当于传输 50 ?S , 如 果线路小于 15 km,计算误差可能较大,线路最好用库中的“ ? ”型线。 选择:是否将这条线路作为无反射线(无限长线) ,应选 NO, 否则无折反射。 在图 5-4 中,点击中部的导线布置图,出现如下菜单图 4-25,设置导线的几何参数:



4-25

图 4-25 中第 1 页为杆塔参数(Tower Data)设置: 杆塔名,如取 N1; 线路的导线对地高度:如 6.3m; 相间的水平距离:单相导线可取很大值,或者为 0 ; 线路右恻至杆塔中心的 X 距离:? 分流(旁路)电导(对地泄漏电导) :?

35

选择是否显示:导线的挡距(span)和导线下垂的弛度(sag) : 选择是否:线路是否理想的传输线? 如果考虑三相线路的换位情况,选 no;对于长度不 大的线路(包括单相线) ,可作为理想的传输线,选 Yes。 选择架空地线数; 选择是否消除架空地线。 图 4-25 中第 2 页为导线参数(Conductor Data)设置,如图 4-26:

图 4-26 选择用户自定义(Custom)设置。 设置导线名称; 设置导线半径:0.0095 m 设置导线的直流电阻;0.000001,这个值对波形衰减影响大,应取小点,取 0,则出错! 设置导线的下垂的弛度(sag) ; 选择导线中分裂导线数,取 1,则无分裂导线。 图 4-25 中第 3 页为地线参数设置,省略 图 4-25 中第 4 页为分裂导线位置,省略 图 4-25 中第 5 页为线路中各导线的相位名称。 在图 4-23 中,点击下部的大地图,出现如下菜单图 4-27,设置土壤参数:
36

图 4-27 设置土壤电阻率; 设置土壤渗透性; 怎么设置 ?? 是否等效入地深度?

选择接地计算公式: 近似分析法,数值积分法。 外部控制电源? 3.变压器 变压器有:单相、三相、双圈、三圈、自耦模型,从 master 库到 Transformers 单元中选取, 点击变压器(三圈式)符号,出现菜单式窗口,填写参数并 OK。 变压器菜单第 1 页,如图 4-28 所示,为(configuration)-结构参数设置:

图 4-28 容量,MVA; 频率; 1#-2#线圈之间的泄漏电抗,标么值; 1#-3#线圈之间的泄漏电抗,标么值; 2#-3#线圈之间的泄漏电抗,标么值; 空载损耗(铁耗) ,标么值;
37

铜耗(短路损耗) ,标么值; 是否作为理想变压器模型; 线圈的分接头位置; 采用圆圈或者线圈形式的选择。 变压器菜单第 2 页,如图 4-29,为( winding voltage rating )-各线圈额定电压设置:

图 4-29 线圈 1 的额定电压(有效值) (2)线圈 2 的; (3)线圈 3 的。 ; 变压器菜单第 3 页,如图 4-30,为( saturation )-饱和度设置:

图 4-30

是否选择变压器可能发生饱和; 选择可能发生饱和的线圈; 铁心的空气电抗,标么值; 冲击衰减时间常数; 拐点(knee)电压,标么值; 磁通量限制的释放时间;?? ,磁化电流,%。

饱和度代表的是变压器中基于测量绕组的电压和元件输入参数的合并模型, 用来作为电流注 入选定绕组的一种补偿。

38

变压器有空芯电抗(Air Core Reactance)、膝点电压(Knee Voltage)和励磁电流(Magnetizing Current),共三个输入参数直接参与铁芯饱和调整。 这三个参数之间的关系通过膝点饱和曲线描述如下。

空芯电抗 空芯电抗的调整反映的是图中标明的渐近线的一个变化范围。 膝点电压 膝点电压反映的是空芯电抗渐近线与 Y 轴坐标系的交点。 3.励磁电流 当 Vs = 1.0 p.u.,与膝点饱和曲线交点对应的 Is 在横坐标上对应的电流值。 对参数设置过程的理解如下: 根据膝点饱和曲线,考虑 25%的饱和裕量,由曲线中的直线部分定出 Us=1.0 的额定点,并 取 Us=1.25 处为膝点电压。 PSCAD 中设置的励磁电流为一个百分比值, 在 一般设置在(1-5)%, 由 Us=1.0 的点水平与膝点饱和曲线的交点作垂直线与横坐标交点决定。 以膝点电压为起点, 作一条渐近线逼近膝点饱和曲线,这条渐进线的斜率为空芯电抗值,该值可取(0,1),多在 (0,0.5),一般可取 0.2。 变压器菜单第 4 页,图 6-4(Monitoring of Currents and flux)-电流和磁通的跟踪设置:

39

图 4-31

(1)线圈 1 电流的名,kA; (2)线圈 2 电流的名,kA; (3)线圈 3 电流的名,kA; (4)磁化电流名,kA; (5)磁通链的电流名,kW-N。 4.避雷器 无间隙 MOA 避雷器, master 库到 More on Passive Elements 单元中选取 Metal oxide Surge 从 Arrester 模型,点击避雷器符号,出现下图 4-32 窗口,填写参数并 OK。

图 4-32

避雷器菜单的第 1 页(configuration) ,设置参数: 避雷器名称; 避雷器额定电压。Arrester Voltage Rating 选项为避雷器额定电压,此值为第三选项 I—V characteristic 里面电压标幺值的基准值。 避雷器阀片并联数,默认(default)为 1.0,如果吸收能量不够,可增加;PSCAD 自带的仿 真实例 steep-Front 中,有如下图避雷器模型

40

双击进入详细部分如下图:

此模型为避雷器详细模型, 端口电感表示实际避雷器端口电感, 电容为避雷器两端之间分布 电容, 两氧化锌避雷器表示并联阀片数, 之间的电感和电阻表示避雷器内部阀片数之间的电 阻和电感。两避雷器并联阀片数之和正好为 1,表示此模型为一个避雷器。 规定非线性特性:设为 1,表示完全非线性; 设为 0,表示固定的斜坡函数(丧失了能力的废品) ; 设为 1~0,表示性能逐渐变坏。 伏安特性的给定选择:1) 默认值,按库内 ASEA 产品确定的; 2)自定义,填第 2 页表; 3)用户的外部数据文件定义。 避雷器菜单的第 2 页( I-V characteristic),如图 4-33 所示。

41

图 4-33 设置伏安特性参数: 共 11 个点,如果少于 11 点,保持数据,注意:电流、电压的第 1 个点不可用 0.0; X 坐标-表示电流,kA;Y 坐标-表示电压标么值(相对额定电压) ; 用户采用外部数据文件定义时的路径选择。

避雷器菜单的第 3 页( internal output variables ),如图 4-34 所示。

图 4-34 设置通流容量: (1)用能量表示:单位 k. J. ; (2)用电流表示:单位 kA。 问题:都不填写才能运行! 只要填 1 个就不运行 ? 5.新建元件

库中没有的元件或模块需要自己创建,新建元件或模块的步骤如下:点工具栏中的 (New compenent)图标,出现如图 4-35 对话框 :

42

定义的模块名显示在例子下的 definition 中,必须要填,工作区显示的名称相当于元件的标 题,两个名称最好一样,以便对应;注意:此时命名应为英文,汉语命名往往出错。 输入输出引脚是模块上下左右伸出的连接线数;Page Module 选上是用电气网络图设计,所 建的模块双击可直接进入下一层绘制电气连接图, 这主要用于设计复杂系统时若一层工作区 不好画或画不完,则将系统按节点分为几个模块,先建立模块,双击每个模块在下一层画相 应节点图,然后将模块连接起来;不选是用语言编写,不能双击打开,要点右键选 Edit definition, 然后在工作区窗口切换栏中选 scrip, 出现编程界面, C 语言或 FORTRAN 语 用 言编程,这主要用于创建一个有某种具体功能的元件。设置好后点“下一步”出现如图 4-36 界面

43

图 4-36 模块引脚定义 图 4-36 设置引脚是输入还是输出,以及输入输出信号的数据类型,引脚信号维数是指包含 几个量,如图中 v1(2)则表示 v1 引脚输入必须是两个量,即 2 维。步依次设置好各引 脚。若在图 4-35 中选中了 Page Module,则出现如图 4-37 界面,选择模块下层页面的大 小,若没有选 Page Module,则直接到图 4-38。

4-37 页面设置 在图 4-37 中选择模块下层页面的大小,视系统规模而定,选好后点下一步出现图 4-38 界 面。
44

4-38 完成提示 点完成创建新模块成功。新建模块如图 4-39 所示,元件创建后,若要修改引脚和参数, 选中元件点右键, 在下拉菜单中选 Edit definition, 出现编辑界面如图 4-40 所示可进行编辑。

图 4-39 新建的模块 还可以点工具栏中图标 界面进行编辑。 6.Π 型电路 Π 型电路有两种模型

图 4-40 模块编辑

(Creat a default module) ,直接出现默认模块,再进入上述编辑

45

第一个为Π 型三相输电线路, 第二个为双回线Π 型电路, 下面以Π 型三相输电线路为例介绍 其用法。 双击Π 型三相输电线路,出现如下图窗口

图形框 图形框 形式有以下几种:

选项为Π 型电路名字 为数据输入选项,数据输入

46

其中第三个为波阻抗参数 图形框 图形框 图形框 Enter 既为可以自定义参数大小,否则为模型默认数值。 图 下拉框为各种数据类型输入框选项 为线路额定频率,一般为 50Hz 为线路长度 为输入线路参数方式,选择

7.互感线路模型 此元件也有两种模型,如图所示

1 为两根导线模型,2 为三相线路模型,下面以两根导线模型说明其功能 双击模块出现如下图窗口

图形框 点击下来菜单,别选择第二项,出现如下窗口
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为元件显示形式

第一项为线路 1 的自感 第二项为线路 2 的自感 第三项为两线路的互感 第四项为线路 1 的电阻 第五项为线路 2 的电阻 8.电源 在 PSCAD 库里面有三种电源模型,下面以第二种模型中的三相电源为例说明其功能及参数 设置。双击电源符号,出现下图窗口式的设置菜单:

48

电源菜单第 1 页“Configuration”-配置,这是最基本的设置: 电源名字, 电源内部阻抗,可以选择电感、电容、串联的 RLC,理想电源等, 电源是否接地, 专门参数: “Behindt the Source impendance”在电源阻抗之后, - 当仅仅知道电势 E 和相位角 ? ,才 选择该项,Behind Source Impedance 模型是在一般的接阻抗负荷(R+jX)时用到。 “At the Terminal”(在终端) - 如果稳态潮流的最终数据(电压或有功、无功)已知,则选 择该项。At the Terminal 模型在电源后面接的负荷的负荷模型为恒定功率模型(P+jQ)时候用 到! 电源的输入方式: 内部的 - 电源的大小、频率由填入表中数据确定,而且为常数; 外部的 - 由其它方式确定。 电源类型:选择 AC / DC。 第 2 页“Signal Parameters”-信号参数,如下图,可以设置:

49

电源:电压源默认单位 kV,电流源默认单位 kA。DC 为幅值;AC 为有效值,AC 电源按照 正弦规律变化。 (2)上升时间:电源从 0 升到稳态值时间,设为 0。注意:实际总有延时,约 0.02 秒。 (3)t = 0 的初始相位角:以度我单位。 (4)电源的频率。 第 3 页“Resistance”-非理想电源的电阻参数设置, 第 4 页“Impedance R//R-L”- 非理想电源的并联阻抗参数设置, 第 5 页“Resistance”- 非理想电源的 R-L-C 串联阻抗参数设置, 第 6 页“Inductance”- 非理想电源的电感参数设置, 第 7 页“Capacitance”-非理想电源的电容参数设置, 第 8 页“Resistance”- 非理想电源的阻抗参数设置, 第 9 页“Monitoring”- 监控(跟踪)参数,设置电源名称。

4.3 常用工具栏及快捷键
本节只针对一些 PSCAD 特有的工具栏符号及快捷方式做介绍,其他默认用户已掌握。

4.3.1 常用工具栏
主工具栏,状态栏,翻转栏,运行栏,电气面板,控制面板。 主工具栏:

新建工程(Case Project——*.psc 文件) 载入工程(*.psc 文件) 保存当前激活的工程(*.psc 文件)
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后退浏览(返回上一浏览界面) 前进浏览 返回上一模块层 激活划线模式 创建一个新的默认模块 创建一个新的元件 状态栏在 PSCAD 的最底层,它并不是一个真正的工具栏,而是用于显示当前工程状态。如 监视仿真的编译、链接、运行状态,并在运行时显示仿真进度及时间。

翻转栏主要用于器件的翻转,使电路的构建更方便:

也可以按 L 或 R 键,向左或右转 90 度,直到合适位置。 运行栏:

编译改动模块(仅对激活工程有效) 编译所有模块(仅对激活工程有效) 构建工程(仅对激活工程有效) 单步运行(在暂停模式下) 快照 改变绘图步长 控制设置菜单按钮 控制设置模板列表

电气面板:包含电路构建所需常用的电气元件。

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节点标签 外部节点 分叉 连接点 电流表 电压表 接地电压表 架空线 架空线接口 电缆 电缆接口

控制面板:提供常用控制元件。

数据抽头 数据合并 数据标签 整常数 实常数 输入 输出 无线连接 输出通道 滑动开关 开关 拨码开关 按钮

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图形框 相量图 X-Y 直角坐标图 控制面板 注释框 附着注释 分隔线

4.3.2 快捷键
1)基本快捷方式: [Ctrl+] x [Ctrl+] c [Ctrl+] v A R L M F S Ctrl+ Z Ctrl+ Y Ctrl+ F Ctrl+ O Ctrl+ N Ctrl+ S Ctrl+ G Ctrl+ U Ctrl+ W
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剪切 复制 粘贴 全选 右旋 左旋 镜像 翻转 设定元件次序 撤销 重复 搜索 载入工程 新建工程 保存当前激活工程 全局变量对话框 关闭所选工程 激活/取消画线模式

Esc + -

取消 放大 缩小 拖动面板 编辑元件定义 调用库 编辑所选元件属性 浏览上一级模块 刷新画布 帮助

Ctrl+ Shift+ 按住鼠标左键 Ctrl+ 鼠标左键双击 Ctrl+ 鼠标右击 左键双击 后退 F5 F1

2)线 V I D 插入线顶点 颠倒线顶点 分解线

3)绘图 Insert + P N X E Y U 插入多图 放大图 缩小图 缩放至前一个图 缩放至后一个图 按 x 轴当前显示图形范围缩放 按 x 轴最大显示极限缩放 按 y 轴当前显示图形范围缩放 按 y 轴最大显示极限缩放

54

Chapter 5: 在线绘图和控制
PSCAD 为用户提供了一些特殊的运行元件用于在线控制输入数据,并且可以记录及显示 EMTDC 输出数据,比如图形框、图表、曲线和一些仪表。用户可以直接控制 EMTDC 的输 入变量,所以可以在仿真运行时改变这些变量。 对于输出的图形信息或者整个图形框,用户可以把其作为图片复制出来,或者提取其中的变 量数据信息。

5.1 控制或显示数据的获取
因为 PSCAD 是 EMTDC 仿真算法引擎的图形用户界面,所以为了控制输入变量或观察仿真 数据,用户必须给 EMTDC 提供一些控制或观察变量的指令,在 PSCAD 中即表现为一些特 殊的元件或运行对象。 记录、显示或控制任何 PSCAD 中的数据信号,必须首先把信号连接到运行对象上。从而运 行对象被分成三组: 控制器:滑动开关,开关,拨码盘,按钮 记录器:输出通道,PTP/COMTRADE 记录器 显示器:控制面板,图形框,XY 直角坐标绘图,多测计,相量计 每个运行对象都有其特定功能,也可联合使用达到控制或显示数据的目的。 提取输出数据:使用输出通道元件导出所需信号,用于图形或表计的在线显示,或送到输出 文件。如下图,测量电路中某点对地电压,从电压表中导出数据并显示,或者导出某一未命 名信号数据:

55

输出通道
Voltage

1.0 Voltage

*

注意:输出通道不能直接连接在电气线上,比如上图左侧电压表测电压处,必须间接转换数 据。除此之外,可以连接到任意数据信号。 控制输入数据:使用控制运行对象(如滑动开关,拨码盘,开关或按钮)控制输入数据,作 为源或特定数据信号。只需在 PSCAD 电路画布上添加相应控制对象既可。

注意:此时控制对象不能手动调节,即呈现灰色,只有在连接控制接口时才能进行手动调节。

5.2 图形框
图形框用于显示多个图形,放置在电路画布的任何位置,并可根据用户需要添加任意多个图 形。图形框只用于绘制曲线-时间图,所以其水平轴始终是 EMTDC 的仿真时间。如果需要绘 制其他变量的曲线,可参考 XY 直角坐标系绘图。 添加一个图形框: 点击控制板上图形框图标 ,画布上出现如下图形框,其大小可调。

1.0 [ohm]

滑 开 控 电 动 关 制 压 源 入 输
1.0 [ohm] V

拨 盘 制 障 码 控 故 类 型 入 输
A

1.0 [ohm]

1.0

图 5.1

1.0 [ohm]

B C FAULTS

图 5.2

56

: Graphs

Sec

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

... ... ...

图 5.3 设置图形框属性: 双击其标题栏,或右键选择 Graphic Frame Properties…,出现如下对话框,用户可根据需要 调节其中参数:

图 5.4 调节水平轴属性: 双击横轴坐标线,或右键选择 Axis Properties,弹出如下对话框:

57

图 5.5

5.3 图、曲线及轨迹
图只能通过图形框来显示,在 PSCAD 中有两种图:重叠和多图。一个图可以显示多个曲线, 而一个曲线可以包含几条轨迹,这些曲线都基于同一个 y 轴尺度。 曲线是一串用来描述图形的数据点,每一点代表一个仿真步长点。曲线由连接到输出通道的 元件产生,可以是标量(一维信号)或多维数据信号。所以一个曲线可以使多维的,包含很 多子曲线或轨迹,每一个轨迹对应一维数据值。 三者之间的关系如下两图所示:

58

图 5.6

图 5.7 要在一个图形框中添加图: 上面提到,一个图形框可容纳不止一个图。鼠标右键单击图形框标题栏,选择 Add Overlay Graph 或 Add Poly Graph。或者鼠标左键点击图形框,按键盘 Insert 键。将会出现下图:

59

: Graphs

1.00

Overlay Graph

y
-1.00 sec 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 ... ... ...

图 5.8 双击图中空白区域,在弹出对话框中可改变其属性,其他针对图的操作可单击右键,在弹出 菜单中选择,如下图所示:

图 5.9 在图中添加曲线,有两种方法: 1)拖放:按住 Ctrl 键,鼠标左键点击想要得到曲线的输出通道,拖至一个图中,释放,如 图:

60

图 5.10 2)输入输出参考:右键单击输出通道元件,选择 Input/Output Reference| Add as Curve。然后 点中所要放置曲线的图,右键选择 Paste Curve。

图 5.11

5.4 在线控制器及仪表
本章开头提到,用户可以直接控制 EMTDC 的输入变量,从而在仿真运行时改变这些变量, 将在本节中介绍这些运行对象。 控制面板:用于调节控制器或仪表,可随意添加控制器或仪表,并将其放置在工程页面的任 何地方。右键选择 Add Component| Control Panel,或点击控制栏中的控制面板按钮 弹出菜单可调节其属性并进行相应操作,如下图所示。 。右键

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图 5.12 把控制面板调出来之后,即可在上面添加控制器或仪表,方法如下: 1)拖放:按住 Ctrl 键,鼠标左键点击控制元件,拖至一个控制面板中,释放。
Controls Slider

Voltage

1

0

0.5

图 5.13 2)右击相关控制元件,选择 Input/Output Reference| Add as Control。然后点中所要放入的控 制面板,右键选择 Paste。

图 5.14 其他几种控制器也可同时放入同一控制面板,并具有不同的控制界面,如下图:

62

Controls

Signal1 Signal2 Signal3

Slider
1

Sw itch
OFF ON

Dail

Push Button

0

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 0

Signal4

0.5

0

图 5.15 右击控制面板中控制器部分,在弹出菜单中可对各控制器进行操作及标题设置,如下图:

图 5.16

5.5 几种特殊表计

5.5.1 XY 绘图
XY 直角坐标绘图用于描述两个信号之间的关系,X 或 Y 轴可以容纳多组曲线对,且包含动 态缩放和极坐标网络特性。 点击控制栏中 图标,弹出如下 XY 控制面板,右侧类似滑动开关的工具条即为动态缩放

工具,动态范围为 x0.1—x10,即 100 倍。

63

图 5.17 给 X-Y 轴添加曲线:先从输出通道中选择 Input/Output Reference| Add as Curve,然后右键单 击 XY 控制面板,在弹出的如下菜单中选择所需操作:

图 5.18 极坐标网络:点击 XY 控制面板左上角图标即可转换

64

图 5.19

5.5.2 多测计
多测计用于监视含有多个轨迹的曲线,用直方图动态显示每一个轨迹的幅值,外观类似于频 谱分析图。其作用在于可以把大量数据压缩到一张较小的区域显示,特别是用于查看从在线 频率扫描仪元件输出的谐波频谱。 右键点击输出通道,选择 Input/Output Reference| Add as Polymeter,如图:

图 5.20 在仿真运行之前,多测计为空白,如下图所示,只有在仿真运行时才动态显示“频谱” 。

65

图 5.21 下图为电源谐波电流频谱分析图:

图 5.22

5.5.3 相量计
相量计以极坐标为基础,可以同时动态显示六路不同的相位数量,即三个相量,包含幅度和 相位。主要用于显示在线频率扫描仪元件的输出。所以,从输出通道得到的一个曲线应至少 包含两个轨迹(幅度和相位) 。 数据的准备:一个相量信号包含幅度和相位, ,为了显示一个单独的相量,用户必须把幅度和 相位用数据合成元件合成一个二维信号,然后通过输出通道输出,作为相量计的一个输入, 如下图所示。

66

Magnitude PhaseAngle

1 2

数 合 元 据 成 件

Phasor1

图 5.23 对于多组相量输入,按各个相量的幅度和相位依次排列,如下图三相电压信号所示:
Phasor1~3

Mag1
Phase1 Mag2 Phase2 Mag3 Phase3 1 2 3 4 5 6
D

数据合成元件

Phasor1~3

0.214233

-90.58

图 5.24 可点击左下角 通过点击右下角的 ,可在底部显示不同相量的幅度和相位。 ,可选择输入相量角的格式,弧度或度。上图输入信号相位是以度计

量的,所以在图中选择 D。 一般情况下,一个相量的幅度和相位是通过在线频率扫描元件得到,为了用户使用方便,软 件提供了一个叫做矢量合成元件,从而可以更加方便的将数据输入到相量计。如下图所示:
1 2 3
1 2
Phasor1~3
Phasor1~3

1

1

Va Vb Vc

X1 X2 X3

Mag1 Mag2 Mag3 (63) (63) (63) Ph1 (63) FFT Ph2 (63) F = 50.0 [Hz] dc1 dc2 Ph3 (63) dc3

1

1 2 3
1 1
1
0.214005 D -90.25

图 5.25

67

Chapter 6: 应用实例
6.1 简单模型
在启动计算机后,可以在开始>所有程序>PSCAD 中看到两个版本的 PSCAD。一个是 Educational, 一个是 Professional, 我们一般使用 Professional 版本进行仿真。 点击 Professional 的图标,PSCAD 启动,界面如下图 6-1 所示:

图 6-1

点击右上角的“白纸”new 图标,或者从 File 选项卡中选择,都能够建立一个新的仿真工程 ( Project ) ,如图 6-2、6-3 所示。

图 6-2 直接点击 new 新建工程

68

图 6-3 使用 File 选项卡新建工程 新建的仿真工程是没有名字的,系统默认为 noname,可在这个工程上右击,选择 Save as , 如图 6-4,就可将其重新命名。命名最好用英文名称,因为 PSCAD 有时对汉字名的工程不 支持或不能运行。因此,本说明为这个新建仿真工程命名为 test1。

图 6-4

为新建工程取名

建立了 test1 工程后,就可在其中搭建电路模型了。PSCAD 的工程显示窗口中可以同时显示 多个工程,但是,只有一个工程处于激活状态,如下图 2-5 中 test4 所示( 激活状态的图标 为篮色,未激活工程图标为黑白色) 。只有处于激活状态的工程模型才可以进行仿真,其他工 程的模型即使按仿真运行的按钮也是不会动作。

图 6-5 同时显示多个工程

工程的激活状态可以更改。例如,如果要将名为 test2 的工程激活,直接在 test2 的图标上鼠 标右击,选择“set as active”就 OK,如图 6-6 所示。

69

图 6-6

切换不同工程的激活状态

在 PACAD 中,所有的元件放在 master(Master Library)当中,鼠标左双击工程创空中的第 一项:绿色的 master,工程即可进入元件库,如图 2-7 所示。

图 6-7 PSCAD 元件库

选择元件: 双击相应的元件类型,找到需要的元件后,在元件符号上左点击,元件变成闪烁 状态,用键盘上 Ctrl+C 或鼠标右击,选择 copy,就将该元件复制,如图 2-8 所示。

图 6-8

复制元件

然后,双击新工程图标,在该工程窗口空白处用键盘 Ctrl+V 或右击选择 Paste,就将刚选择 的元件模型放置在工程中了。通常一边选元件,一边进行连接。要删除一个元件,鼠标左击, 待其闪烁状态,按键盘上 Delete 键。 常用元件放在主界面右边,如图 6-9 所示,可直接点击快捷按钮来选择,方法:左点需要选

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择的元件,再在“工程”空白处鼠标左点一下。选中的元件按“R”或“L”键旋转。

图 6-9 建立“工程”模型与仿真 1. 设置仿真时间和步长

快捷栏中的常用元件

新建的仿真工程,先应对“工程”的仿真时间、步长进行设置(也可在建好模型仿真开始前 完成) 。在“工程”模型窗口空白处鼠标右击,选择 Project Setting,出现设置窗口,如图 6 -10 所示,在这里可对本“工程”的仿真时间、计算步长、PSCAD 绘图步长等进行设定。 一般仿真时间“Duration of run ” 设为 0.3~ 0.5s,计算步长“ EMTDC time step ( us ) ”设 为 0.1, 绘图步长“ PSCAD plot step ( us ) ”设为 10。如果计算步长大,则仿真进展快,但 是,过电压变小( 可能会漏掉峰值 ) !

图 6-10 2. 建立仿真模型

设置仿真时间、步长

以交流电源串联 R-L-C 电路为例,先建立新工程,命名为:test1,从主界面右侧或库中选择 需要的元件,放在工程上。点击该元件使其变为闪烁,按 L 或 R 键,向左或右转 90 度,直
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到合适位置。再选择“导线” ,点击导线,两端会出现小端点,用鼠标左压并拖动,可调节导 线长度。调节方法:点击一段导线,它的两端就会出现两个绿色的方块,此时点住某个方块 对导线进行拉长或者缩短,直到想要的长度。用适当长度的导线将各个元件按照原电路的拓 扑结构连接起来。注意:导线与导线,或导线与元件的一端连接时,当两条导线或导线与元 件接近时,会自动连接上;导线与导线交叉时,相互绝缘,如果要两导线在交叉点连接,需 要从主界面右边常用元件中选择“ Pin ”并放置在交叉点。 建立的仿真模型如下图 6-11 所示,其中 E1 为测对地电压的测量元件,E2 为测“0.3 电阻” 的端电压,I1 为测电流。

图 6-11 工程中的元件、导线和电路模型 建立电路模型时应该注意: (1)模型中的元件,特别是同类元件的名字绝对不得重复。 (2)模型图上若有任何无关的东西,例如:一条悬空线、点,或者参数设置不对,例如:负 荷及其变压器的容量大于电源变压器的容量,则运行时就会出错。 (3)电源回路必须有一点接地,否则,运行出错。如果要求不接地电源,可以增加一个 M Ω 级的大电阻。 (4)对大模型应采取“步步为营”的方法建立,即:先建电源与部分元件,试运行一下,通 过了,再增加元件,否则,查找问题,直到试运行通过了,才可以继续。 3. 设置元件参数 需要对所有元件的参数(包括元件名称-名称不可重复)进行设定,方法:双击元件符号, 弹出对话窗口,修改其中参数,按“OK”退出。一些元件,例如:电源、变压器等,需要设 置的参数较多,因此,对话窗口中含有多个副窗口,要一一进行设置。 4. 设置输出量的观测与调节

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电路模型的仿真输出可以是单相或三相的电压、电流瞬时值或有效值、功率、频率、相位差, 等等,输出结果采用示波器方式给出。注意:测量元件、 “数据标签”“输出通道” 、 、示波器 必须配套使用,缺一个运行就出错。 首先,要在电路模型需要输出的位置上设置测量元件(常见的电压、电流测量元件可直接从 主界面右边取,其它的从库中 meters 单元中取 ) ,例如:在图 3-5 中设置输出电压 E1、E2 和电流 I1 三个测量元件。输出信号传递通过主界面右边元件栏上的“数据标签” (从右边拦 中选出 Data Label )这个元件来实现,信号对应关系是通过信号名称来确定。选用三个“数据 标签”元件并双击它,将其名称设定为与对应的电压、电流监测元件名称(E1、E2、I1)相 同,然后,将“数据标签”用导线连接到“输出通道”( 从右边拦中选出 Output Channel )上。 使用示波器(从右边拦中选出 Graph Frame )观察波形,还须使用输出通道,可以双击“输 出通道” ,对其进行设定,特别是 Title 选项,最好设定为信号的名字,因为这个是要在示波 器上显示的。连接好以后如下图 6-12 所示:

图 6-12 设置测量元件、 “输出通道”

三个输出信号,可用三个示波器进行显示,也可用一个示波器显示。点击主窗口右边的快捷 栏的示波器,可拉出一个示波器显示框,在示波器上右击,选择“Add Analog Graph” ,如图 6-13 所示,这就将示波器设置为一个模拟量示波器。

图 6-13

示波器设为模拟示波器后,将需要显示的数据传递到示波器上,具体方法是,右击“输出通

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道” ,在“Input / Output Reference”选项中选择“Add as Curve” ,如下图 6-14 所示。

图 6-14

在示波器的模拟显示框上右击鼠标,选择“Paste Curve” ,如下图 6-17 所示,这就将这一个 信号粘贴输出到了示波器上。按照同样方法,可在一个示波器上粘贴几个信号,则一个示波 器就同时显示几个波形。

图 6-15 设置示波器显示坐标,使得波形能够恰当显示。双击示波器左或右边空白处,设置纵坐标显 示的最大最小值、每个坐标格的大小;双击示波器下方空白处,设置横坐标,如图 6- 16.1, .2,.3。

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图 6-16 纵坐标菜单: 在“Preferences”中设屏幕背景色、网格、曲线标号等; “Title”中设 Y 的名 称、最大最小值、纵坐标间隔(Grid)大小。 横坐标菜单: 在 “Title” 中设 X 名称、 显示的最大最小值、 横坐标间隔 (Grid) 大小。 Markers” “ 中标记最大最小值,而且在图右边显示数值。 示波器上具有自动缩放功能,当仿真完成后,如果波形超出了示波器的显示范围,可在示波 器空白处右击,选择 zoom ,Rest All Extents,如图 6-17,就会自动按照 X 轴、Y 轴进 行缩放到合适的显示波形

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图 6-17 5. 进行仿真 建好模型、设完参数、示波器、仿真时间和步长,才能进行仿真。注意:如果模型中存在任 何不需要的元件、导线等,仿真不能够执行。当仿真执行时发生错误,有关信息以“小红旗” 形式显示在主界面下方出错信息拦中,双击“小红旗”以标签方式指示到模型中的出错处, 根据该信息可对模型进行修改。 仿真开始:点击主界面上方“绿色三角”按钮;如图 6-18 所示,中断仿真,点击“红色园 点”按钮。

图 6-18

仿真结果如下图 6-19 所示,注意:纵坐标单位为 kV 或 kA,横坐标单位为秒 s 。

图 6-19 如果想调整一个示波器的大小,可以有鼠标点击示波器上方的“Advance Graph Frame” ,此
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时示波器四周出现绿色方块,如图 6-20,用鼠标按住绿色方块拖动,即可对示波器的大小 进行调节。

图 6-20 如果想对显示的波形进行 X 方向缩放,可将鼠标放置在下面所示的位置,此时鼠标光标将会 变为双向箭头,如图 6-21,就可以通过左右拖动对波形进行 X 方向的缩放了。

图 6-21 如果想在一个示波器当中对两个波形进行比较,可以将信号输出贴到一个示波器中,同时进 行显示。例如,下面将 E1、E2 共同输出到同一个示波器中显示。在 E1 对应的输出通道中右 击,在“Input/Output Refrernce”选项中选择“Add as Curve” ,然后使用上面介绍的方法将其 粘贴到示波器上,然后再将 E2 对应的输出通道右击,同样在“Input/Output Refrernce”选项 中选择 “Add as Curve” 此时在已经粘贴了 E1 信号的示波器的显示框中右击鼠标, “Paste , 选择 Curve” ,这样 E2 信号也就粘贴到了同一个示波器上了,如下图所示,E1 信号和 E2 信号将 用两种不同的颜色显示,此时再运行仿真程序,在这个示波器中就可以看到 E1 和 E2 对比的 波形了,如下图 6-22 所示:

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图 6-22 要想读取示波器中曲线在某点的数值,可以用鼠标移到这个点上,如图 6-23,等待一会, 就会显示这个点的 X-Y 坐标,从而实现对数值的读取。

图 6-23

在示波器显示框中,还可以点住鼠标左键,选择感兴趣的区域松开鼠标后,如图 6-24,该 区域自动放大,以便观察,则在一些高频信号的显示中比较实用。

图 6-24

放大前后的波形

6.2 复杂模型

6.2.1 500kV 输电系统对地短路例子
下面将建立一个 500kV 的输电系统,利用 PSCAD 中的 Tline 模型作为架空线,利用 Faults 模型模拟输电线路对地短路故障,并通过仿真得到发生短路故障时线路两端的电流以及故障 点的电压,同时使用一个三相开关,做一次自动重合栅动作。

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电源: 从电源元件库中选取一个三相电源(本例采用的是带有内阻 R 的三相电源) ,如下图 6-25 所 示,将此电源放置于新建的工程中,点击并设置参数。

图 6-25 电源模型 从 Faults 库中选取一个三相短路模型,这个模型的控制单元也在附近,因此可以一并选取, 通过控制单元可以控制 Fault 故障发生的时刻以及持续时间,如图 6-26 所示:

图 6-26 三相短路模型 建立好的模型(本例中取名 test3)如图 6-27 所示

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图 6-27 模型中各元件参数设定如下图所示:

图 6-28 电源参数 短路故障的设定是在 0.25s 时刻发生 A、C 两相对地短路,这个可以直接双击三相短路模型, 在 Fault Tape 选项中进行设置;短路故障 0.04s 后消失,这个可以双击短路故障时间逻辑进行 设置,具体设置如图 6-29 所示:

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图 6-29 短路故障参数设定 三相开关设置为理想开关,即在电流未过零时刻可以开断,开关时刻设定为 0.26s 断开,经 过 0.05s 后开关重合闸,即 0.31s 是开关闭合,设定如图 6-30:

图 6-30 三相开关参数设置 线路的设定可以直接双击线路模型中类似大写 T 的进行设置,如图 6-31 所示:

6-31 线路的参数设定 这里我设置其长度为 1000km,如果想要进一步设置架空线的具体参数,可以点击上面选项 框中的“Edit“按钮,这时候可以看见架空线的具体参数设置,如图 6-32 所示,可以在其中 对架空线进行更加精确的设置:

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6-32 架空线参数设定 各项参数设置完成后,即可进行仿真,仿真结果如下所示:

线路靠近短路端电流波形

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短路端电压波形

短路故障以及断路器动作时间

6.2.2 韶山 7 电力机车模型
第一部分 本说明以韶山 7 电力机车模型为例,详细介绍了运用 PSCAD 仿真软件建立电力机车模型的 基本过程。 第二部分 在 PSCAD 中,所有的元件放在 master(Master Library)当中,双击项目窗口中的第一项- 绿色的“master(Master Library) ”项目即可进入元件库。如图 6-33 所示。

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图 6-33 首先简单介绍“Passive”元件库。打开“Passive”元件库,常用的元件有电阻、电容、电感、 导线和接地符号,如图 6-34 所示。除此之外,系统还向用户提供了参数可变的电阻、电容、 电感等元件。

图 6-34 对于电阻元件,双击该元件,将弹出电阻元件参数修改对话框,再设置不同模型的参数时, 通过 “Resistance” 选项来改变电阻的阻值, 如图 6-35 所示。 系统所提供电阻的阻值默认为 1? , 在对话框内可以修改成用户所需要的阻值。 值得注意的是, 该系统所用电阻的单位为欧姆 ? , 所有其他数量级单位如 m? 、 ?? 都必须换算成欧姆 ? 。

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图 6-35 同样,对于电感元件和电容元件,其单位的使用,系统也作了限制。双击电感元件,进入电 感元件参数修改对话框,如图 6-36 所示。系统所提供电感的值默认为 0.1H ,在对话框内可 以修改成用户所需要的数值。电感所用单位为亨 H ,所有其他数量级单位如 mH 、 ?H 都 必须换算成欧姆 H 。双击电容元件,进入电容元件参数修改对话框,如图 6-37 所示。系统 所提供电容的值默认为 1?F ,在对话框内可以修改成用户所需要的数值。电容所用单位为微 法 ?F ,所有其他数量级单位如 mF 、 F 都必须换算成欧姆 ?F 。对于其他的元件库,双击 其元件库图标,都可以找到建模过程中所需要的元件。双击所需要的元件,都会弹出其参数 修改对话框,在这里就不一一阐述了,在以后的说明中对于所遇到的元件,本使用说明再详 细介绍其使用方法。

图 6-36

图 6-37

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下面将详细介绍电力机车模型的建立过程。 该模型大致可以分为四个部分:电力机车主电路部分、牵引电机部分、晶闸管脉冲发生部分 和信号波形输出部分。 整个系统模型如图 6-38 所示。 整个系统模型是在 PSCAD 软件的项目编辑区建立的,其过程就是将元件库中的相关元件移 动至项目编辑区,用导线连接各元件,形成电流通路,并且将所需要的电压电流等信号传送 至示波器,最后按动仿真开始按钮,即可获得相应的仿真波形。

A 、电力机车主电路模型的建立
电力机车主电路模型由以下元件组成:电压源、电阻、电感、电容、晶闸管、变压器、电压 表、电流表、断路器、受控电压源和若干导线组成。
I3 电力机车主断路器误操作 0.0056 2 FP1 T1
0.0185

0.43733

0.0015

I1 0.01406
68.76 0.325

BRK1

2 FP2 T2

0.01406
E1

2 FP2 T4 T3

2 FP1

E4

N/D D

N

1.0

E1

E2 * 0.000002145 F 1 sT v E3 E4
* 0.00026 2 X

E3 I3

*

*

* 5.472

D + -

* 0.0098

B + + D + F
1.64

Timed Breaker Logic Closed@t0

E5

BRK1
I1 I3 v

* 0.014

*

* -1

* 238.46
* 0.00002024

32.0 3.48 *

* 32

D + + F

* 0.001

*

2 X

* 0.0009522

C

B -+ +E F

* 0.01566 1.734e-005

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R=0 V

0.01264 R=0

0.32

#1

#2 E2

整流逆变装置

E3

E5

VCO

H L

Cont...

Alpha1
175

cos(th) Vc th sin(th) D + Alpha2 + F VCO Alpha
deg

2 FP1 VCO

50.0

VCO

H L 2 FP2

5

95

180.0

图 6-38 在元件库中将所需要的电阻、电感、电容元件复制、拷贝至项目编辑区,对于多余的元件, 用鼠标选中该元件,单击鼠标右键,选择“Delete”,将其删除。 另外,一些常用的元器件在 PSCAD 主界面的右边有快捷按钮,如图 6-39 所示。可以直接点 击这些快捷按钮,选择元件,将其脱至项目编辑区后再次单击开鼠标左键即可。下面是一些 常用地元件的介绍。

图 6-39 所以,模型中所需要的电阻、电感、电容等元件亦可以由此取得。

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模型中电压源元件可以在“Sources”元件库中选取。双击“master(Master library)”,在双击 “Sources”元件,进入如图 6-40 所示电源元件库。

图 6-40 系统为用户提供了各式的电源,包括直流电源、交流电源,还有受控电源。另外,根据不同 用户的需求,系统还给电源设置了不同的负载。即相应的一些负载与电源相串联或是并联。 以图 2-8 中第一排第二个电源为例,双击该电源将弹出如下对话框,如图 6-41 所示。

图 6-41

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“Source Name”是对该电源进行命名; ●电源阻抗类型“Source Impedance Type”包括 R ? R // L 、 R ? L ? C 、 Inductive、

Capacitive Ideal 五种类型,分别表示电阻电感串并联、电阻电感电容串联,纯电感、纯 、
电容和理想内阻抗; ●“Phase Shift”表示电源波形的起始相位,单位是角度;另外还可以对电源是否接地进行 设置,即选择“Yes”或“No” ; ●“Graphics Display”有“Single line view”和“3 line view”两种选择,通过两种不同的设 置,可以改变电源的相数。 另外,单击图 2-9 所示对话框上方“Configuration”下拉菜单,可是设置电源的其他参数,如 图 6-42 所示。 单击所需要设置的选项,即可弹出参数设置对话框,这里就不一一阐述了。

图 6-42 该模型的另一个重点元件是变压器,变压器的元件库是 master(Master Library)当中的第三 项 “Transformers”项目中。双击该元件库图标,可以找到各种形式的变压器,如图 6-43 所 示。

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图 6-43 常用的有单相变压器和三相变压器。在图 6-43 模型中,主要用到单相变压器模型,具体形式 如图 6-44 所示。

图 6-44 双击图 6-44 左边变压器,弹出变压器参数设置对话框,如图 6-45 所示。

图 6-45 可以看到,通过该对话框,可以设置变压器的如下参数

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变压器容量“Transformer MVA” ,单位是兆伏安; ●“Base operation frequence”表示变压器的频率,我国用变压器一般为 50 Hz ; ●“Leakage reactance”表示变压器的漏电抗,而且要注意该系统是以标幺值形式表示的;同 样“No load losses”负载损耗和“Copper losses”铜耗都以标幺值形式表示。 ●“Ideal transformer model”可以设置变压器是否为理想模式; ●“Graghics Display”可是选择“Windings”形式和“Circles”形式,变压器分别变为如下 形式,如图 6-46 所示。

图 6-46 另外,单击图 2-13 所示对话框上方“Configuration”下拉菜单,可是设置变压器的其他参数, 如图 6-47 所示。 单击所需要设置的选项,即可弹出参数设置对话框,这里就不一一阐述了。

图 6-47

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在变压器设置完毕以后, 将进行电力机车触发电路的搭建。 其触发电路的主要元件是晶闸管。 PSCAD 为用户提供了丰富的开关元件。回到元件库界面,如图 2-1 所示,双击“HVDC& FACTS”图标,进入 PSCAD 开关元器件元件库,如图 6-48 所示。

图 6-48 元件库展示了各种元件的模型,以及各元件的使用实例电路。常用的几个管子如下:二极管、 晶闸管、IGBT、GTO、还有 MOA,如图 6-49 所示。双击各元件,将弹出该元件的参数设置 对话框。以晶闸管“Thyristor”为例,说明其用法。

图 6-49 双击图 6-49 左上角晶闸管 “Thyristor” 元器件, 晶闸管元件的参数设置对话框如图 6-50 所示。 该对话框有如下几种设置信息:
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图 6-50 ●“Device Label(optional)”表示晶闸管的名称。在建模过程中,可以根据需要给晶闸管命名; ●“Device Type”表示开关器件的类型。即通过改变此参数,可以改变器件的类型,如二极 管、晶闸管、IGBT、GTO、MOA; ●“Enable Snubber Circuit”表示设置晶闸管缓冲电路的与否。选择“Yes” ,则系统在晶闸管 两端并联起缓冲作用的电路,选择“No” 则系统在晶闸管两端没有起缓冲作用的电路; ●“Interpolated Pulse”表示是否给晶闸管插入脉冲,在使用时一般选取“No” 。 另外,单击图 6-50 所示对话框上方“Configuration”下拉菜单,可是设置晶闸管的其他参数, 如图 6-51 所示。

图 6-51

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单击所需要设置的选项,即可弹出参数设置对话框,这里就不一一阐述了。 由于韶山 7 型电力机车采用两段桥式整流电路,为简化电路,只搭建一个全控桥电路即可, 即需要 4 个晶闸管,每个晶闸管各需要一个脉冲,至于晶闸管脉冲的发生,本说明将在后续 阐述中予以介绍。 在电力机车主电路中,还有一个受控直流电压源,该模型是用它代表牵引电机电势。在电源 元件库选取如下元件,如图 6-52 所示。

图 6-52 双击该元件,弹出该元件的参数设置对话框,如图 6-53 所示。 ●“Source Impedance”设置成“Ideal”模式,表示将该电源设置成零阻抗形式; ●“Is this source grounded”选择“No”形式,表示该电源不接地; ●“Input Method”选择“External”形式,该电源的电压值由外界信号控制; ●“Source Type”选择“DC”形式,表示该电压源为直流电压源。

图 6-53 将所有元件拖至工作区以后,可以将导线拖至工作区。将光标放在所选导线上,单击鼠标左
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键,则导线变为虚线,再见鼠标放置导线两端,分别向左或向右拖动,即可根据实际需要改 变导线的长度。如图 6-54 所示。

图 6-54 用导线将所有元器件件按电力机车主电路形式连接,最终可形成如图 2-6 所示模型。

B 、牵引电机模型的建立
韶山 7 型电力机车牵引电机采用复励磁方式的直流电机,由于系统提供用户的牵引电机模型 均为单励磁方式,因此在建模过程中,回避牵引电机的励磁方式,将牵引电机视为一个直流 电压源。直流电源建模过程如下: 双击“CSMF”元件库,弹出如图 6-55 所示界面。

图 6-55 图 6-55 中包含了许多信号处理元件,下面主要介绍一些常用的元件!至于其他元件,系统都 提供了用法介绍。双击该元件图标,再单击“help”即可看到各元件的大致用法。

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(a)

(b) 图 6-56

(c)

(d)

图 6-56(a)是一个加法器,用于将两个以上、七个以下的信号相叠加。双击加法器元件, 进入加法器参数设置对话框,如图 6-57 所示。 由图 6-57 可以看出,系统为用户提供的加法器有最多有七个信号输入口,并且可以设置不同 的信号形式: ●“Data path Type”分为“Real”实数和“Integer”整数两种信号形式; ●“Input A”表示信号 A 的输入,它有三种形式, “add”“subtract”“disable” 分别为信 、 、 号 A 为正号、信号 A 为负号、无信号 A; 同样,其它“B”“C”“D”“E”“F”“G”六个信号与信号 A 用法一致。 、 、 、 、 、 图 6-56(b)是一个乘法器,用于将两个的信号相叠乘,即将两个信号与乘法器两个输入端 口相连,输出口即为两信号相乘后的结果。 图 6-56(c)是一个除法器,用于将两个的信号相除,即将两个信号与除法器两个输入端口 相连,输出口即为两信号相乘后的结果。其中“N”表示被除数信号、 “D”表示除数信号。

图 6-57

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图 6-58 图 6-56(d)是积分器,双击积分器图标,进入积分器参数设置对话框,如图 6-58 所示。 下面再介绍一组元件,如图 6-59 所示。

(a)

(b) 图 6-59

(c)

图 5-59(a)是信号倍数模块,即通过该元件,可以将信号幅值增大 10 倍。双击该元件图标, 进入该元件参数设置对话框,如图 6-60 所示。

图 6-60 ●“Multiplying Constants”表示输入信号所要增加的倍数,系统默认的倍数是 10; ●“Fortran Comment”表示系统对该元件性质的评述。 为方便用户,系统不再设置其它数值的信号倍数模块,将“Multiplying Constants”的参数修

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改至用户所需要的数值即可。 图 6-59(b)是信号平方模块,即通过该元件,可以将信号作平方运算。 图 6-59(c)是信号开方模块,即通过该元件,可以将信号作开方运算。

(a)

(b) 图 6-61

(c)

(d)

下面还将介绍一组元件,如图 6-61 所示。 图 6-61(a)是信号指数运算模块,双击该元件图标,弹出参数设置对话框,如图 6-62 所示。

图 6-62 ● “Exponent base” 表示信号指数运算模块的底数, 系统提供了两种选择, 一种是以 10 为底, 另一种是以自然数 e 为底。当将该参数设置为以自然数 e 为底时,该模块即变为图 6-61(b) 所示模块。因此,这里不再阐述图 6-61(b)所示模块的用法; ●“Coefficient of Base”表示该信号模块前的系数,例如,设置该项为某实数值 a,即该信号 先做以 10 为底的指数运算,然后再将该模块的倍数扩大 a 倍; ●“Coefficient of Exponent”表示将信号扩大一定倍数后,在进行指数运算,例如,设置该 项参数为某常数 b,则该模块是将信号扩大 b 倍以后,再与底数 10 作指数运算; ●“Fortran Comment”表示系统对该元件性质的评述。

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图 6-63 图 6-61(c)是信号自然对数运算模块,双击该元件图标,弹出参数设置对话框,如图 6-64 所示。 ●“Logarithm Type”表示取对数的底数的选择,系统提供了两种底数的对数运算,它们是 “Natural”和“Common” 。将该项设置为“Natural” ,即为信号取自然对数,若将该项设置 为“Common” ,即为信号取底数为 10 的对数,即为如图 6-61(d)所示的元件; ●“Fortran Comment”表示系统对该元件性质的评述。

图 6-64 另外,系统还为用户提供了信号比较模块,如图 6-65 所示。其中图 6-65(a)元件表示取最 小值模块,图 6-65(b)元件表示取最大值模块。以图 6-65(a)所示取最小值模块为例,说 明该元件的使用方法。 双击该元件图标,进入该元件参数设置对话框如图 6-66 所示。

(a) 图 6-65

(b)

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图 6-66 ●“Data Path”表示参与对比的信号的类型,其中包括“Real”实数型和“Integer”整数型; ●“Function”表示信号对比模块的功能,包括“Minimum”取最小值和“Maximum”取最 大值;当该模块此功能设置成“Maximum”选项时,模块功能即变成图 2-33(b)所示模块, 因此,这里就不再阐述图 6-65(b)所示模块的用法,它与图 6-65(a)所示模块用法相同; ●“Input A Enabled”表示对输入信号 A 的设置,包括如下两种选择: “Yes”和“No” ,分别 表示信号 A 参与比较和信号 A 不参与比较; 信号 A 的用法与信号“B”“C”“D”“E”“F”“G”的用法完全相同,这里就不一一阐 、 、 、 、 、 述了。 除此之外,本说明还将介绍一种控制元件,如图 6-67 所示。由图 6-67 可以看出,该元件有 四个信号端口,其中“A”“B”是两个信号输入端口, 、 “Ctrl”是控制信号输入端口,而右端 则是输出信号端口。 该元件的用法是,信号 A 作为输入信号通过该元件,当控制信号为 1 时,则该控制元件开关 转向信号 B,即输出信号变为信号 B。双击该图标,进入参数设置对话框,如图 6-68 所示。

100

图 6-67

图 6-68 ●“Channel A Selection Value”表示选择信号 A 的控制信号值; ●“Data Path Type”表示信号的类型,其中包括“Real”实数型和“Integer”整数型; ●“Fortran Comment”表示系统对该元件性质的评述。 下面举例介绍该元件的用法:在控制单元接一个阶越函数,阶越函数右端接一个常数,表示 输入的信号是时间如图 6-69。

图 6-69 双击阶越函数图标,进入参数设置对话框,如图 6-70 所示。 ●“Threshold Input Value”表示信号发生阶越以后的数值,系统默认值为 1,当然也可以根 据实际情况设置; ●“Low output level”表示低输出值,系统默认为 0; ●“High output level”表示高输出值,系统默认值为 1;

101

●“Fortran Comment”表示系统对该元件性质的评述。

图 6-70 当时间常数确定时,系统在该时刻动作,控制单元输出信号由 A 信号变成 B 信号。 最后,将介绍一下断路器的使用方法。系统提供的断路器在“Breaker”图标中,双击该图标 即可见到如图 6-71 所示的断路器形式。

图 6-71 图 6-71 左边为断路器控制单元,双击该控制单元图标,弹出参数设置对话框,如图 6-72 所 示。断路器控制单元包括以下几个参数设置选项: ●“# of Breaker Operation”表示断路器动作的次数,系统只提供给用户最多选择两次动作; ●“Initial State”表示断路器的初始状态,有闭合状态和断开状态; ●“Time of First Breaker Operation”表示第一次动作的时间,系统默认的时间为秒; ●“Time of 2nd Breaker Operation” 表示第二次动作的时间,系统默认的时间为秒; 只有当“# of Breaker Operation”选择“2”时, “Time of 2nd Breaker Operation”才能设置第 二次动作的时间。

102

图 6-72 将以上各部分元件合理组合,即可得到如图 6-38 所示的模型。

C 、晶闸管脉冲发生模型的建立
在整流电路中,运用晶闸管作为整流器件。其晶闸管触发装置模型如图 6-73 所示。
VCO1
Main... Alpha1
175

H L 2 FP1

cos(th) Vc th sin(th) VCO1 Alpha1 Alpha1

50.0

VCO

deg
5

VCO1
Alpha2 + F

H L 2 FP2

95

D

+

180.0

图 6-73 由图 6-73 可以看出,模型中的 VCO 装置是电压控制振荡器(Voltage Controlled Oscillator) , 它产生一个斜坡信号 th ,输入至脉冲发生器(Interpolated Firing Pulses) 。脉冲发生器是基于
1 两个信号 high(H)信号和 low(L)信号的比较而产生输出的触发脉冲 FP 和 FP2 。其中,

103

high(H)信号是相位锁定振荡器,low(L)信号是触发角度。在建模过程中,设置了一个 控制面板,可以根据需要设置触发脉冲的角度。 其中, VOC 装置左边的输入信号是频率,本模型选用输入参数是 50 ,表示频率是 50 Hz 。 双击 VOC 装置图标,弹出 VOC 装置的参数设置对话框,如图 6-74 所示。

图 6-74 由图 6-74 中可以看出,只有一个设置选型,即角度输出模式“Angle output mode” ,包括角 度“Degrees”和弧度“Radians” ,根据不同用户的需求,可选用不同的角度输出模式。 该模型的一个优点,就是可以随时改变触发角的角度。通过角度控制面板就可以实现这个功 能。从 PSCAD 界面右端工具栏中可以找到该元件,如图 6-75 所示。 将鼠标放在“控制面板”的图标上,单击一下左键,再将鼠标移至需要将其安放的位置,再 单击一下鼠标左键, “控制面板”即显示在模型编辑区了。

104

图 6-75

图 6-76

105

双击控制面板图标,弹出控制面板的参数设置对话框,如图 6-76 所示。 ●“Title(for display in panel and meter) ”表示对该控制面板的命名,用户可以根据自己 的需要,自行命名; ●“Group”表示控制面板分组; ●“Display title on icon”表示用户所命名的控制面板名字,是否显示在图标上。 “是” 则选择“Yes”“否”则选择“No” , ; ●“Maximum Value”表示控制面板所控制量的最大值,在本仿真模型中,系统默认触 发最大角为 175 ; ●“Minimum Value” 表示控制面板所控制量的最小值,在本仿真模型中,系统默认触 发最大角为 5 ; ●“Initial Value” 表示控制面板所控制量的起始角,即初始角,在本仿真模型中,初始 角可以由用户根据需要自行设置; ●“Units (eg: kA,kV,p.u.)”表示控制量的最小单元,针对本仿真模型,设置为 1 角度; ●“Data collection(Thumb control)”表示数据的类型,有连续和离散两种。
?
? ?

图 6-77 双击图 6-77 脉冲发生器图标,弹出脉冲发生器的参数设置对话框,如图 6-78 所示。 ●“Thyristor or GTO”表示选择给脉冲的器件是“Thyristor”还是“GTO” ,通过鼠标即可完 成设置; ●“Number of Pulses”表示同时提供触发脉冲的个数,通过鼠标即可完成设置; ●“Add Block/Deblock Signal”表示是否加入其它模块,通过鼠标即可完成设置;

106

图 6-78 完成上述设置,晶闸管触发单元模型即设置完毕。

D 、信号波形输出模型的建立
在图 6-38 所示模型的电压表和电流表中无法看到所得波形, 必须通过信号导出模型在示波器 中显示。 信号导出模型如图 6-79 所示。 各电压电流信号, 通过数据信号标签 (Data signal label) 导入示波器输出信道(Output channel) ,在示波器中即可观察所需信号的波形。

E3 E1 E2 E4 E5 I1 I3

图 6-79 建立好信号与示波器的连接以后 ,下一步就是设置示波器了。 从 PSCAD 界面右端工具栏中可以找到该元件,如图 6-80 所示。 将鼠标放在“示波器 ”的图标上,单击一下左键,再将鼠标移至需要将其安放的位置,再单 击一下鼠标左键, “示波器”即显示在模型编辑区了,如图 6-81 所示。 下面介绍如何将信号加载至示波器中。

107

图 6-80

图 6-81

108

图 6-82 将鼠标放置在示波器中心位置,单击鼠标右键,弹出如图 6-82 所示的快捷菜单。选中“Add Overlay Graph(Analog)”表示向示波器加入模拟信号。 然后,如图 6-83 所示,将鼠标放置在示波器图标上,单击鼠标右键,弹出快捷菜单,也如图 6-83 所示。选择“Input/Output Reference”/“Add as curve” ,表示信号已加载。最后,将鼠 标放置示波器左边空白处,如图 6-84 所示,单击鼠标右键,选择“Paste curve” ,即完成。 这样,通过这些设置,信号波形输出模型建立完毕。

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图 6-83

图 6-84
110

第三部分:其它问题 下面开始介绍如何运行所建模型。 对于已建好的模型,将所有参数设置完毕,然后按动仿真启动按钮,如图 6-85 所示。

图 6-85 如果模型中存在错误,则仿真启动按钮的颜色以绿色显示,并在软件界面下方的错误显示栏 中寻找错误,修改后再进行仿真。如果仿真无误,则图 6-38 所示模型中 E1 波形如图 6-86 所 示。

图 6-86 在图 6-86 中可以看出,仿真波形并未在示波器中完全显示。因此,有必要将所需波形全屏显 示在示波器中。 如图 6-87 将鼠标放置在示波器左边纵坐标旁的空白区域,单击鼠标右键,选择“Zoom/Reset all extents R” ,示波器即能将波形完全显示,如图 6-88 所示。 然而,波形虽然完全显示,但对于一些用户需要了解到波形某一周期内不同时间段的波形瞬 时数值, 则需要将波形进一步细化或者放大波形, 系统也为这些用户提供了放大波形的服务。 将鼠标放置示波器下边左方的滚动条与小三角形之间的缝隙区域,鼠标则变成有左右箭头的 线段,此时按住鼠标左键,向右移动,则波形随即放大;同理,将鼠标放置示波器下边右方 的滚动条与小三角形之间的缝隙区域,鼠标则变成有左右箭头的线段,此时按住鼠标左键, 向左移动,则波形随即放大;根据用户需求,到适当位置松开鼠标,波形随即停止放大,如

111

图 6-89 所示。

图 6-87

图 6-88

112

图 6-89 双击示波器空白区域,可以弹出示波器参数设置对话框,如图 6-90 所示。

图 6-90 ●“Preference”表示对示波器显示设置的相关参数,可以通过打钩来设置每一项的有无; ● “Y-Axis” 包括了 “Title” 、 “Grid” 、 “Ymax” 、 “Ymin” 、 “Y-Intercept” 、 “Manual Scaling Only” 几个选项; ●“X-Axis”的设置与“Y-Axis”大致相同。

113

图 6-91 最后,本文在介绍一下对于仿真整体的设置。在界面空白区,单击鼠标右键,在快捷菜单中 选择“Project setting” ,弹出如图 6-91 所示的参数设置对话框。 其中,在时间设置对话框中有三个选项,分别是 ●“Duration of run”表示仿真动作时间,即仿真的时间设置,以“秒”计算; ●“Solution time step”表示时间的步长; ●“Channel plot step”表示绘制波形的步长,步长越长 ,生成的波形越平滑。 对于 PSCAD 的其它使用方法,可以参照各元件的“Help”的英文说明,进行熟悉了解。

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