基于PSCAD和MATLAB的电力系统电磁暂态仿真研究摘要电磁暂态的研究主要是针对电力系统出现故障时对系统参数进行分析。
本文根据电力系统的故障分析理论，运用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC和系统仿真软件MATLAB，以双电源供电系统为模型分别对其进行了单相接地、两相相间短路及三相接地故障条件下的电磁暂态仿真分析，通过仿真结果比较，得出两种仿真环境下的仿真波形几乎一致，与故障分析算例基本吻合，这说明这两种仿真环境都适用于电力系统的电磁暂态仿真，但在故障设置方面，PSCAD的设置更为灵活方便。
同时，由PSCAD建立一个简单的交直流传输系统为模型，根据PSCAD-MATLAB接口技术原理，实现了接口环境下的电磁暂态仿真研究，这说明了PSCAD-MATLAB接口仿真技术在电磁暂态分析中的有效性。
关键字：电磁暂态；PSCAD；MATLAB；接口技术The simulation study for electromagnetic transient in powersystem based on PSCAD and MATLABAbstractElectro-magnetic transient research mainly aims at power system which for analysis of system parameters when it is malfunctioning. Based on the theory of fault analysis in power system, the usage of Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients in DC system and Matrix Laboratory, as well as the model of two-source supply system, this paper mainly illustrates the simulation for electromagnetic transients through the application of a variety of faults, such as single-phase earth fault, inter-phase short circuit, andthree-phase grounding fault. By the comparison of simulation outcomes, it showed that the simulation waveforms under two kinds of simulation environment does almost unanimously which is similar to the example of fault analysis, the two simulation environments are suitable for the research of electromagnetic transients in power system. But in fault setting, the setting of PSCAD is more agile and convenient . Meanwhile, it presented the implementation of the simulation study for electromagnetic transient with the basis of the principle ofPSCAD-MATLAB interface techniques and the model established by PSCAD of a simple AC/DC transmission system, which has shown that the effectiveness of PSCAD-MA TLAB interface techniques in the study of electromagnetic transients.Key words: electromagnetic transients; PSCAD; MATLAB; interface techniques目录摘要 (I)Abstract (II)第一章概述 (1)1.1 国内系统事故概况 (1)1.2 电力系统的电磁暂态数字仿真概述 (2)1.3 本文主要工作 (3)第二章电力系统的故障分析 (5)2.1 电力系统的故障介绍 (5)2.1.1 电力系统的短路故障概念和分类 (5)2.1.2 电力系统的短路故障原因及其危害 (6)2.2 电力系统的不对称故障分析方法—对称分量法 (7)2.2.1 对称分量法原理 (7)2.2.2 对称分量法的应用 (8)2.2.3 正序等效定则 (10)第三章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的电磁暂态仿真设计 (12)3.1 PSCAD/EMTDC的工作环境介绍 (12)3.2 MATLA的工作环境介绍 (15)3.3 基于PSCAD和MATLAB的电力系统电磁暂态仿真设计 (19)3.3.1 基于PSCAD交流电力网络的模型建立 (19)3.3.2 基于MA TLAB交流电力网络的模型建立 (24)3.3.3电力系统的故障设置 (28)3.3.4时域仿真分析 (30)第四章基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的电磁暂态接口仿真研究 (32)4.1 PSCAD和MATLAB的接口技术介绍 (32)4.1.1 接口技术的背景 (32)4.1.2 接口技术原理及接口的实现过程 (33)4.2 基于PSCAD-MA TLAB的电力系统电磁暂态仿真 (35)4.2.1 基于PSCAD的交直流系统的模型建立 (35)4.2.2 电力系统的故障设置 (39)4.2.3 PSCAD-MA TLAB的接口环节 (40)4.2.4 时域仿真分析 (41)4.2.5 接口仿真分析 (43)第五章结束语 (51)参考文献 (52)附录A (54)附录B (58)致谢 (62)第一章概述1.1 国内系统事故概况我国电力系统是世界上发展非常迅速的系统。
截止2005年底，装机容量已经达到500GW，位居世界第二；至2006年底，已经突破600GW。
全国各个地区已经由330～500kV输电线路形成骨干电网，并通过750kV交流输电线路和±500kV直流输电线路实现全国联网。
有关部门已经着手建设±800kV特高压直流输电线路和1000kV特高压交流输电线路，以适应我国西部水电大开发和北部能源基地的建设【1】。
然而，早年相当时间内，我国的电网一直较薄弱，加上运行管理跟不上，曾经发生不少严重系统事故。
国内系统事故机器主要原因见表1.1【2】所示：表1.1 国内系统事故机器主要原因以下是国内系统事故列举：1990年9月20日广东电网大停电事故，事故起因是芳顺县遭受雷击而芳顺村变电站侧的保护因失去直流电源而拒动【3】。
1992年1月15日河北南部电网系统振荡事故，事故起因羊范变电站误操作事故发展为系统振荡的恶性事故【4】。
1994年5月25日南方互联系统中期动态稳定破坏事故，事故原因有联网的技术问题，水火电互联系统中期动态控制问题【5】。
1996年5月28日华北电网沙岭子电厂事故，事故原因是沙岭子电厂试验人员误动作造成保护动作，使3条500kV线路相继跳闸，引起张家口地区对主系统振荡，造成沙岭子电厂和下花园电厂全停【3】。
1998年7月29日中国台湾电力系统频率崩溃事故，事故原因有低频减载容量严重不足、大机组和电网不协调、台湾电网稳定标准较高、电网结构不合理、不重视防止电网破坏的防线建设【6】。
2005年9月26日海南电网大停电事故，事故原因强台风“达维”袭击海南岛，进而大批线路发生永久性故障跳闸，使全网崩溃【7】。
电力系统的迅速发展和负荷的增长，以及超高压甚至特高压交流和直流输电线路的投运，使得现代电力系统的动态特性，包括同期性、失稳模式和关键断面都越来越复杂。
电力市场的开放突出了对优化和协调的要求，增加了稳定分析和控制的难度。
继电保护的潜在故障、机组的非计划停运、受端的无功支持能力、低频振荡、功角稳定和电压稳定等因素更增加了相继故障演化为大停电的风险。
1.2 电力系统的电磁暂态数字仿真概述电力工作者把在数字计算机对数学模型的试验称为数字仿真【8】。
根据不同的分类标准，电力系统数字仿真可分为不同的种类。
根据用途可分为研究仿真和培训仿真。
研究仿真包括各种电力系统电磁暂态和机电暂态仿真软件，如EMTP和BAP；培训仿真包括调度员培训仿真DTS、变电站人员培训仿真器等。
根据是否有实际装置参与可分为非实时仿真和实时仿真。
电力系统离线仿真的规模基本不受限制，能够较完整地模拟大规模电力系统，适用于研究大电力系统复杂的暂态和动态过程。
电力系统实时仿真系统受硬件规模的限制，一般所能够模拟的电力系统规模总是有限的。
电力系统实时数字仿真系统和离线计算程序是相辅相成的，两者还不能相互替代。
电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，数学方法求解，以进行仿真研究的过程，其仿真速度与实际系统的动态过程不等。
针对不同的动态过程，电力系统离线仿真软件主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真3种。
本文只引用介绍电磁暂态过程仿真。
电磁暂态过程仿真是使用数值计算方法对电力系统中从数微秒到数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟。
电磁暂态仿真的数学模型建立在系统各元件的代数或微分、偏微分方程基础上。
一般采用的数值积分方法为隐式梯形法。
目前普遍采用的电磁暂态过程仿真软件有电磁暂态程序【9】(Electromagnetic Transient Program简称EMTP)，与其相似的程序还有加拿大Manitoba直流研究中心的PSCAD/EMTDC【10】、加拿大哥伦比亚大学的Micro Tran、德国西门子的NETOMAC【11-12】等。
1.3 本文主要工作电磁暂态的研究主要是针对电力系统出现故障时对系统参数进行分析，本文先进行了电力系统电磁暂态(故障分析)的初步理论研究，最后完成了如下仿真工作：(1)运用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC在故障条件下对交流系统进行电磁暂态仿真分析。
(2) 运用系统仿真软件MATLAB在故障条件下对交流系统进行电磁暂态仿真分析。
(3)运用PSCAD-MA TLAB的接口技术实现电磁暂态的仿真。