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PSCAD


第 27 卷第 11 期 2007 年 11 月

电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment

Vol.27 No.11 Nov.2007

PSCAD / EMTDC 与 Matlab 接 口 研 究
杨健维, 麦瑞坤, 何正友

西南交通大学 电气工程学院, 四川 成都 610031) 摘要: 对 电 磁 暂 态 分 析 程 序 PSCAD /EMTDC 与 数 学 模 型 软 件 包 Matlab 之 间 的 接 口 进 行 了 研 究 。 充 分 利 用 了 PSCAD / EMTDC 与 Matlab 2 款 软 件 的 优 点 , 用 PSCAD 建 立 接 口 模 型 , 启 动 Matlab 数 据引擎调用 M 文件, 实现接口模型的参数设置。运用此接口, 程序只需运行一次即可获取多组不 同工况下的数据。同时分析一个输电线路实例, 将接口程序产生的数据进行分段处理, 将它作 为 BP 神经网络的输入, 进而区分开关操作和单相接地故障。仿真结果表明: 接口软件的运用使得 大量数据的获取变得更加容易。 关键词: PSCAD /EMTDC; Matlab; BP 神经网络 中图分类号: TM 743 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 6047 ( 2007 ) 11 - 0083 - 04

仿真是电力系统研究人员进行电力暂态分析的 先进手段之一 [ 1 - 2] 。近年来, 出现了一些应用 Matlab 与电磁暂态软件联合编程的文献 [ 3 - 4] 。这里介绍一款 综合利用 EMTDC [ 5- 7] 与 Matlab [ 1, 8 - 10] 各自优点来产生 并分析数据的接口软件。它由 3 部分组成: 模型建立 模块、 参数设置模块与算法分析模块。

Matlab , Matlab 充分发挥它强大的数据处理功能, 经 过运算, 将获得的 n 个运算结果传 送 回 PSCAD 中 , PSCAD 再 次 调 用 Matlab 。 如 此 反 复 , 就 可 以 根 据 PSCAD 中 的 电 力 系 统 模 型 和 Matlab 中 的 控 制 条
件、 分析算法得到不同工况的系统数据及分析结果。 PSCAD /EMTDC 内有一个 Fortran 文件 DSDYN, 通过它可以调用外部 Fortran 子程序, 该 Fortran 子程 序 可 以 启 动 Matlab 数 据 引 擎 , 同 时 , 含 有 Matlab 命 令的 M 文件也将传送到 Matlab 数据引擎中 , 这 样 , PSCAD /EMTDC 与 Matlab 就 紧 密 地 结 合起来, 用户 可以根据需要编写 M 文件, 实现所需的仿真。接口的 内部结构 [ 11] 如图 2 所示。 图 3 为接口模块示意图, 此接口有 2 个输 入 变 量 时 间 T、 障 点 电 压 Ufault 和 4 个 输 出 变 量 RG( 过 故 渡电阻) 、 ( 故障使能) 、 EN TYPE ( 故 障 类 型 ) 和 Line ( 故障位置) 。接口外观图中的引脚名和属性可以根 据实际需要任意修改。
Fortran
子程序 ( DSDYN)



软件分析

整个暂态仿真分析接口软件的运行流程如图 1 所示。此软件的核心思想是利用 EMTDC 与 Matlab 之间相互传递信息来实现线路参数的控制以及故障 数据的分析研究。Matlab 由于有强大的数据处理能 力而被广泛地应用到电力系统的各种算法研究方 面; PSCAD 是世界知名的 EMTDC 引擎的用户界面, 是一种图形输入程序。用户可以在完全集成的图形 环境中建立模型、 运行仿真、 得到仿真数据。通过接 口软件可以同时获得 PSCAD 和 Matlab 这 2 款软件 的优点。
PSCAD 运行
进行参数设置?

Matlab 数据引擎 Matlab 语言 M 文件 Matlab

T Matlab_inc RG EN TYPE Ufaut Matlab 接口 Line



Y N Matlab 设置参数 Y
是否停止?

PSCAD / EMTDC


数据分析并结束

图 2 接口的内部结构 Fig.2 Internal structure of interface software

图 3 接口模块示意图 Fig.3 Map of interface module

图 1 接口软件的运行流程图 Fig.1 Operational flowchart of interface software

接口软件的功能是协调 Matlab 与 PSCAD 的协 同运行及完成它们之间数据、 控制信息的交换。将 PSCAD 中 的 m 个 数 据 通 过 外 部 接 口 传 送 到
收稿日期: 2006 - 11 - 27 ; 修回日期: 2007 - 03 - 10 基金项目: 国家自然科学基金青年基金( 50407009 ) ; 四川省杰 出青年基金( 06ZQ026- 012 )

下面是软件运行流程。 a. 用户在 PSCAD 中建立系统模型并在元件上 过渡电阻及负 设定各元件的参数变量, 如故障位置、 载等; 相应地, 在接口软件中, 设置需要仿真的各元 件参数及输出控制参数的条件。 b. 运行 PSCAD。 PSCAD 调用接口程序 , 并将系 统运行时间和故障点电压作为参数输入到 Matlab 子 程序中。 c. Matlab 接到输入参数, 根据判断条件计算出

电 力 自 动 化 设 备
输出参数, 如 EN、 TYPE、 Line 等。 d. PSCAD 根据 Matlab 送出的数据进行元件参 数设置。 e. 判断是否结束, 是则运行分析算法子程序并 停止仿真; 否则跳转到步骤 b 。 下面以产生故障初始相角为 30° 的单相接地故 障为例说明控制参数的产生。图 4 为 A 相电压的波 形图。其中 t1 ~ 4 为区间 1, t3 ~ 4 为区间 2, t2 为电压 t t 过零点。图 5 是在故障相电压相角为 30° 产生故 时, 障控制参数流程图。其中, T 为 PSCAD 输入的系统 运行时间、 fault 为 A 相电压值。它的工作原理是在 U 区间 1 内找到第 1 个过零点, 并以这个过零点 t2 为 始点, 在时间 t3 = t2 + 30 f /360 后( f 为工频) 、 前送 t4 出 控 制 参 数 EN=1 , 而 其 他 情 况 下 送 出 控 制 参 数 为 EN = 0 。等待系统进入稳态后才进行下一次故障产 生操作。
Ufault

第 27 卷

到类型 11 变化 12 次, 过渡电阻才变化 1 次。 由图可知, 这样就可以通过 1 次仿真而产 生 不 同工况的故障数据。当然, 控制参数也可按某种分 布( 如正态分布) 而随机产生。



仿真实例

下面通过一个 500 kV 输电线路模型说明接口的 具体功能。 在此, 接口有 2 个输入变量 T 和 Ufault 及 3 个输 出为 EN、 TYPE 和 RG。当 EN=1 时, 输电线路发生故 障, EN= 0 时, 输电线路正常工作; TYPE 为控制线路 发生故障的类型, 设置为 0  ̄ 11 共 12 种故障类型, 分 别代表正常工况和不同的接地短路类型。 通过定义 M 文件, 利用接口进行仿真, 设置故 障间隔时间为 0.3 s, 持续时间为 0.03 s, 运行时间为 1.5 s 得到的三相电压波形如图 7 所示。输电线路依 次发生 A 相、 相、 相接地故障。 B C
uA / V uB / V uC / V EN / p.u. 500 0

t1 U
区间 1

t2

t3
区间 2

t4 t

- 500 500 0 - 500 500 0 - 500 1.0 0.5 0 0.3 0.6 t /s 0.9 1.2 1.5

图 4 A 相电压的波形图

Fig.4 Voltage waveform of phase A
输入参数 T、 fault U

N T 是否在区间 1 内 ? Y N 是否找到过零点 ? Y
是否在区间 2?

当前为过零点 ?



图 7 t =1.5 s 时的三相电压与 EN 对应关系的波形图

保存过零点



Fig.7 Waveforms of three phase voltages and EN when t =1.5 s



Y EN= 1 EN= 0

图 5 控制参数产生流程图 Fig.5 Flowchart of control parameter generation

同理, 过渡电阻、 线路及故障类型的控制参数也 可以用类似的方法产生。图 6 为 EN、 TYPE 及 RG 控 制参数规则变化的时序图, 其中故障类型由类 型 0
RG / Ω TYPE / p.u. EN / p.u. 1.0 0.5 0 12 6 0 600 400 200 0 10 t /s 20 30

由图 7 可以看出, 当 EN=1 时, 输电线路发生故 障, 而发生故障的类型由接口的输出引脚 TYPE 控制, 如当 EN=1 , TYPE=1 时, 发生 A 相接地短路故障。 利 用 所 开 发 的 PSCAD /EMTDC 与 Matlab 之 间 的接口软件, 通过参数设置, 运行一次, 就可以得到 大量不同工况下的系统数据, 将其分段读出, 可以独 立地应用于其他各种电力系统分析的算法中 , 使需 要大量系统数据的仿真算法应用时更加方便。接口 与其他算法综合运用的示意图如图 8 所示。
PSCAD 模型 M
按 M 文件中的定义将其分 为 n 个不同工况下的数据段

文 PSCAD /EMTDC 与 件 Matlab 接口 得到一个不同工况 下的数据文件









应用于各种分析算法

图 8 接口运用示意图 Fig.8 Application of interface software

图 6 控制参数规则变化时序图 Fig.6 Timing sequence of regular control parameter change



应用
图 9 所 示 为 一 简 化 的 500 kV 输 电 线 路 仿 真 模

第 11 期

杨 健 维 , 等 : PSCAD / EMTDC 与 Matlab 接 口 研 究
500∠0° kV i F 50 km 100 km 276.4 km 1μ F C

500∠0° kV A 1μ F

500∠30° kV B 1μ F

图 9 500 kV 输电线路模型示意图 Fig.9 Model of 500 kV transmission line

型 , 本 文 模 型 的 采 样 频 率 为 40 kHz, 线 路 模 型 采 用 频率相关模型。利用文献[ 12 ] 所述的小波能量熵测 度来识别开关操作与单相接地故障。 识别各暂态信号, 采用小波能量熵提取暂态信 号特征, 然后将其作为神经网络的输入来进行识 别。识别过程如图 10 所示。
电压 / 电流信号 小波变换 小波时频熵和小波 熵权的特征提取 训练目 标向量 t 训练样本 P 构造特 征向量 网络训练 测试样本 识别结果 训练后 的网络

图 10 暂态信号识别过程 Fig.10 Process of transient signal recognition

人 工 神 经 网 络 [ 13 - 15] 的 训 练 需 要 大 量 不 同 工 况

下的样本, 利用接口软件所获得的数据经过计算小 波能量熵后, 将其随机分为 2 个部分, 一部分为训练 样本, 另一部分为测试样本, 这样极大减轻了工作量。 训练样本与训练的目标向量作为神经网络的输入数 据进行网络训练, 测试样本输入训练后的网络, 将输 出与期望输出进行比较, 进而得到暂态识别的结果。 利用接口软件随机产生不同工况下的单相接地 短路和开关操作数据共 1 000 组, 采用 3 层 BP 神经 网络对 2 种暂态信号进行分类, 取用其中的 200 组 进行网络训练, 其余 800 组用来测试。 网络设计步骤如下: a. 构造特征向量, 直接选取各暂态信号在 1 ̄16 尺度上的小波能量熵作为特征向量; b. 为了便于分析, 归一化处理小波能量熵; 隐 c. 设 计 输 入 层 神 经 元 共 16 个 、 含 层 神 经 元 输出层神经元 1 个; 33 个、 d. 设计网络的训练函数为 trainlm, 训练误差 e= 0.001。 通过训练和测试, 利用接口与 3 层 BP 神经网络 综合应用, 成功地实现了暂态信号的分类, 其中单相 短路故障的误判率为 5 % , 开关操作的误判率为 0 。 表 1 给出了部分数据及其识别结果。

表 1 小波能量熵神经网络识别结果举例 Tab.1 An example of wavelet energy entropy NN detection
类别 开关 操作 输入数据( 归一化后) 期望输出 实际输出 测试结果

单相 短路

0.312 1 0.241 2 0.252 7 0.246 5 0.325 5 0.252 5 0.387 7 0.226 9

0.186 6 0.245 8 0.254 2 0.246 9 0.141 0 0.260 1 0.158 4 0.232 2

0.312 3 0.249 9 0.252 2 0.247 1 0.195 6 0.266 2 0.272 0 0.242 8

0.270 9 0.253 7 0.251 8 0.248 0 0.187 5 0.271 5 0.186 5 0.253 6

0.219 3 0.257 2 0.251 9 0.248 8 0.206 4 0.276 2 0.202 3 0.262 6

0.224 1 0.260 4 0.251 7 0.250 1 0.221 8 0.280 4 0.215 1 0.271 3

0.230 8 0.263 4 0.251 4 0.24 88 0.234 3 0.284 3 0.224 4 0.278 2

0.236 4 0.266 3 0.250 8 0.247 4 0.244 1 0.287 8 0.220 4 0.284 8

1 1 0 0

0.988 1 0.962 2 0.017 8 0.536 4

正确 正确 正确 错误

注: 在误差允许情况下, 认为大于 0.5 为 1 , 小于 0.5 为 0 。



接口软件运用的优点

对模型进行参数 设置短路电阻为 0

运行程序 进行仿真

得到 1 组短路电 阻为 0 时的数据

通过对以上 2 个仿真实例的分析, 对所研究的 接口软件的运用有了更深入的了解。应用传统的仿 真软件获取数据, 对于每一种工况的实验都需要对 模型的参数以及仿真的条件进行重新设置, 这样, 做 一个大数据量的仿真实验, 大部分的时间都将消耗 在重复的点击工作和等待上, 工作效率不高; 而这里 所研究的接口软件与传统的仿真软件相比 , 最大的 优点就是可以一次获取大量不同工况下的数据 , 对 不同的工况进行仿真实验, 只需要编写相应的 M 文 件, 数据将实现自动获取, 极大解放了人的劳动。获 取文中用于 BP 神经网络算法的 1 000 组实验数据, 使用所研究的接口软件将带来很大的方便, 下面以发 生 单 相 短 路 故 障 时 短 路 电 阻 分 别 为 0、 、 、 100 200 300、 、 、 、 、 、 Ω 的 10 种 工 况 为 400 500 600 700 800 900 例来说明应用本文接口软件的优点。 图 11 是利用传统的仿真软件获取一种工况下

图 11 传统软件获取一组数据的示意图 Fig.11 Data group access of traditional software

1 组数据的示意图, 此时短路电阻为 0。如果要完成 上述 10 种不同工况的仿真, 就需要等待短路电阻为 0 的仿真数据获取以后, 修改模型参数, 再进行实 验, 即要顺次进行图 11 的流程 10 次, 才能达到最终 的目的。如果要获取 1 000 组数据, 那么就要顺次重 复 图 11 的 流 程 1 000 次 , 工 作 量 之 大 , 耗 费 时 间 之
长可想而知。传统仿真软件的这种缺点也迫切的需 要研究一种能实现数据自动获取的新型软件。 图 12 是这里所研究的接口软件获取数据的示 意图。可知, 对于单相短路故障时电阻由 0 ~ 900 Ω 变化的仿真, 只 要 编 写 相 应 的 M 文 件 , 使 电 阻 按 照 需要变化, 就 可 以 实 现 数 据 的 自 动 获 取 , 在 M 文 件 中, 还可以设置电阻为 0 不变时, 在不同的时刻发生 故障, 这样, 通过设置, 就可以实现仿真一次获取一

电 力 自 动 化 设 备
电阻为 0 的数据 编写 M 文件 使电阻按照 需要变化 运行程序进行仿 分段 真 得 到 10 种 不 读出 同电阻时的数据 电阻为 100 Ω 的数据 …

第 27 卷

and its application [ J ] . Electric Power Automation Equipment , 2006 , 26 ( 11 ) : 67 - 70.
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图 12 接口软件获取数据示意图

Fig.12 Data group access of interface software

个系统数据文件, 它包含了所需要的不同工况下的 所有数据。接口软件由于要调用 Matlab 的 M 文 件 而占用了更多的 CPU 时间, 但由于仿真的过程中不 需要对模型参数作任何修改, 编写适合的 M 文件 后, 程序自动运行, 数据文件自动存储, 研究人员可 利用程序运行的时间去做其他研究工作, 这样, 就不 会像应用传统的仿真软件那样, 把时间浪费在点击 和等待上, 大幅提高了研究人员的工作效率。

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结论

对学习与研究传统的继电保护算法以及新型的 快捷地产生多种工况数据的 智能算法而言, 能方便、 仿真软件是至关重要的。这里所研究的接口软件能 减少仿真时间, 提高仿真效率, 有助于研究者更好地 研究电力系统的规律。 这里所述的接口软件能对不同工况的故障进行 仿真与分析。它能一次产生数以万计的不同工况的 数据。此软件具有较好的解耦性: 对于不同的电力 模型以及不同的分析算法, 都不需要进行大的改动, 甚至不必修改。 小波能量熵与 BP 神经网络在暂态识别上确实 有较好的性能, 但也存在误判的情况。此算法仍然 需要研究者的进一步分析研究。 参考文献:
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( 责任编辑: 李

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作者简介: 杨健 维 ( 1983- ) , 女 , 辽 宁 凌 源 人 , 硕 士 研 究 生 , 主 要 研 究 方 向 为 电 力 系 统 继 电 保 护 ( E - mail : yangjianwei0910@163.

com);
麦瑞 坤 ( 1980- ) , 男 , 广 东 东 莞 人 , 博 士 研 究 生 , 主 要 研 究 领域 为 电 力 系 统 故 障 诊 断 中 信 号 处 理 和 信 息 理 论 的 应 用 、 新 型线路保护; 何正友( 1970- ) , 男 , 四川自贡人, 教授, 博士研究生导师, 主要从事信号处理和信息理论在电力系统故障诊断中的应 用、 新型继电保护原理、 配电网自动化等方向的研究工作。

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XIAO Yi, YIN Xiang- gen, ZHANG Zhe, et al. Interface technique between PSCAD /EMTDC and relay protection simulation model

第 27 卷第 11 期 2007 年 11 月

电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment

Vol.27 No.11 Nov.2007

一种新的适合分布安装的消弧线圈
唐 轶, 陈 庆
( 中国矿业大学 信电学院, 江苏 徐州 221008 ) 摘要: 可自恢复性单相接地故障点的电弧是否能自然熄灭的决定因素是接地故障残流的大小。以 降低单相接地故障点的残流为出发点, 从理论上分析了谐振接地系统残流产生的原因: 消弧线圈自 动跟踪补偿只能有效地降低零序回路的无功电流, 不能降低零序回路的有功电流。通过仿真计算 得出结论: 消弧线圈分布安装是降低谐振接地系统接地故障点残流有功分量的有效方法。针对我 国 6 kV 和 10 kV 中压配电网一般均为 △ 接线, 无辅助中性点供消弧线圈接入的特点, 设计了一种 新颖的消弧线圈。该消弧线圈为三相五柱电抗器结构, 通过调节两边柱的气隙大小改变补偿电流 的大小, 结构简单, 适合于分布安装。实验室试验证明其补偿电感线性度好、 补偿效果好。 关键词: 消弧线圈; 单相接地故障; 中性点接地 中图分类号: TM 55 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 6047( 2007 ) 11 - 0087 - 04 地故障电弧自行熄灭、 故障自恢复为原则的。因此, 消弧线圈的安装、 运行应该以使接地故障点的残 流 尽量小为目标。 不管是城市电网还是农村电网, 用电负荷都在急 剧增加, 电网的结构及规模在不断扩大; 城镇电网的 改造中, 电缆网络正在逐渐取代架空线路; 过去采用 单电源的辐射式供电或树状供电方式, 已不能满足用 电负荷增长的要求, 而需要采用网孔形或环形等供电 方式; 这些因素都使其单相接地故障电流急剧增加, 单体大容量自动跟踪补偿消弧线圈被采用 [ 5 - 8 ] 。当 消弧线圈的单体容量不能满足补偿电网接地电流的 要求时, 在同一电网安装 2 台或多台自动跟踪补偿 消弧线圈的也有之。实际上 , 消弧线圈只能减少接 地 故障电流的无功分量, 即脱谐度只是单相接地残 流中无功分量大小的决定因素。即使采用自动跟踪 补偿的方法来实现理想调谐, 使接地电流中的无功 分量几乎为零后, 零序回路的有功损耗电流仍然不



引言

配电网故障的 80 % 左右为单相接地故障 [ 1 - 4] 。 单 相接地故障中的绝大多数为可自恢复的故障 , 尤 其是自然条件差( 台风、 雷电频繁) 的架空线电网, 需 要分断电路处理的永久性单相接地故障更是极少 数 [ 4] 。因此, 从提高供电可靠性考虑, 我国中压配电 网绝大多数采用小电流接地方式。小电流接地电网 中, 单相接地故障相当大一部分为可自恢复的故障。 可自恢复性单相接地故障点的电弧是否能自然熄灭 的决定因素是接地故障残流的大小: 残流小, 有利于 电弧过零时熄灭; 残流小, 电弧对介质绝缘的破坏程 度低, 有利于故障点绝缘介质的恢复, 使电弧不易重 燃; 残流小, 也有利于降低故障相恢复电压的初始速 度, 使电弧不易重燃。小电流接地方式是以单相接
收稿日期: 2006 - 11 - 16 ; 修回日期: 2007 - 03 - 30

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Inter face between PSCAD /EMTDC and Matlab
YANG Jian - wei, MAI Rui - kun, HE Zheng- you ( School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 , China ) Abstr act : The interface between PSCAD/EMTDC and Matlab is researched. To make the best use of the electromagnetic transient analysis program PSCAD/EMTDC and the math model software package Matlab, the interface model is built using PSCAD and its parameters are set by calling the M file using the data engine of Matlab. Massive data under different conditions could be accessed via this interface once it runs. An application example of power transmission line is analyzed. Data got via the interface are processed in segments and sent to BP neural network to detect single - phase grounding fault from switch operations. Simulation results point out that this interface software facilitates the acquisition of massive data.
The pr oject is suppor ted by National Natur al Science Foundation of China ( 50407009 ) and Distinguished Scholar s Fund of Sichuan Pr ovince ( 06ZQ026 - 012 ) .

Key wor ds: PSCAD /EMTDC; Matlab; BP neural network


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