3-RTDS/RSCAD FX入门教程-2-简单交流系统

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本文翻译自RSCAD自带入门教程Introductory Tutorial.pdf第二章 SIMPLE AC POWER SYSTEM

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目录

1 介绍

2 电力系统模型

2.1 电源模型

2.2 传输线数据

2.3 无源负荷

2.4 故障分支与故障控制

3 运行内嵌的潮流计算程序

4 运行仿真案例

5 传输线现象

5.1 不平衡&换位

5.2 FERRANTI 效应

5.3 浪涌阻抗负载(Surge Impedance Load,SIL)

6 向前面板仿真输出通道发送信号

7 技术及培训支持

1 介绍

这一章建立在构建和运行前一章概述的RTDS仿真案例所需的基本步骤之上。本文构造并仿真了一个简单的AC电源系统电路。这里概述的重要方面包括;

1. 使用RSCAD/T−line模块准备传输线数据
2. 引入故障支路
3. 向仿真输出通道发送信号

2 电力系统模型

作为示例的简单电力系统电路如图2.1所示。该电力系统由一个电源模型组成，通过传输线连接到一个简单的R // L负载。

图2.1:简单AC电源系统

2.1 电源模型

电源模型通常用于以简化的方式表示电力系统的某些部分。电源模型在阻抗后面产生一个三相电力系统频率正弦波。由于正弦波的幅值、相位和频率不随所连接系统的变化而变化，因此源模型有时被称为“无限源”。无限大是因为无论系统条件如何，为了将母线电压维持在给定的设定点，必须产生任意数量的有功功率和无功功率。图2.2显示了一个电源模型。

如果电源阻抗相对于它所连接的母线处系统的基准阻抗设置为一个非常低的值，那么电源所连接的母线电压也将保持恒定。

图2.2:电源模型

更现实的表示是根据电源模型所表示的系统短路容量来选择源阻抗。要注意，当以欧姆表示阻抗值时。以欧姆为单位的阻抗值应始终相对于元件所在系统的基准阻抗来考虑。在变压器230千伏侧的1Ω电阻器对于基准容量为100MVA可能被认为是小的，但是在具有相同基准容量的变压器13.8千伏侧的1Ω电阻器是相当大的。

在230 千伏侧1pu阻抗= 230*230/100= 529 Ω

13.8 kV侧1pu阻抗= 13.8*13.8/100= 1.9 Ω

因此，230 kV侧的1 Ω电阻对应于0.00189 pu (1/ 5 29)， 13.8 kV侧的1 Ω电阻对应于0.525 pu (1/1.9)

对于这里的示例情况，电源模型阻抗可以设置为1.0 Ω纯电阻源。

如果在用户的电力系统电路中至少有一个电源模型，那么连接到该电路的所有发电机将在稳定状态下精确地以电源指定的电力系统频率工作。在电力系统电路中没有电源型号，只有发电机的情况下，发电机的频率在稳定状态下可能不完全在标称频率上。虽然所有发电机都以相同的频率运行，但该频率的值将由发电机调速器的下垂特性和系统的负载条件决定。

2.2 传输线数据

传输线通常使用RTDS内的行波算法建模。要使用行波算法对多导体传输线进行建模，必须确定线路的模态特征阻抗、传播时间和变换矩阵等数据。一个单独的RSCAD软件模块可以从更常用的线路参数中生成所需的数据。

使用行波算法的一个例外情况是，当线行进时间小于仿真时间-步长时。在这种情况下，线路是用集总的R−L−C元件组成的PI电路来表示的。时间步长为50µs，短于15 km的线可以使用单个PI剖面进行建模。

RSCAD中可用的行波传输线组件要求用户指定包含传输线数据的文件的名称。如图2.3所示，RSCAD软件模块T – LINE用于生成所需的线路数据文件。要启动T – Line编辑器，请在RSCAD工具栏中选择T – Line图标。

图2.3:启动T-Line程序选择“新建文件”，然后点击确定。将出现如下窗口:

图2.4:新建传输线设置

正如描述所说，这些信息可以在后续的数据输入菜单中输入。输入数据后点击“Proceed”，或者留空，点击“Skip”。点击后会给出每个数据条目的更多信息。

传输线数据可以作为导体的物理特性及其相对于彼此和地球的位置输入，也可以作为正序和零序阻抗输入。线路选项在窗口的左侧。

模型:贝杰龙或频率相关

贝杰龙线路模型仅表示线路在单一频率下的特性阻抗和行程时间(由选项菜单中频率数据部分下的低频参数指定的频率)。在这个模型中，由于趋肤效应而增加的更高频率的阻尼没有被表示出来。

频率相关的直线模型使用curve- f i t t in g技术来表示直线参数的频率相关性。在使用该模型时，频率相关阻尼被表示。

对于示例情况:

杆塔数据，导体数据和地线数据输入是通过左键单击窗口顶部附近的适当选项卡完成的。图2.5、2.8和2.9显示了示例案例中使用的线路数据。

图2.5:杆塔数据

图2.6:导体数据

转置:非转置或转置

对于相导体未调换或用户在RSCAD/Draft电路中手动放置调换点的输电线路，选择“非转置”。在此模式下，线路的参数将不平衡。

选择转置的结果是，线路被表示为完全对称的，相当于所有导体彼此之间和与地之间的间距相等。

图2.7:地线数据

注意，导体和地线数据的跨中凹陷参数都是从导体而不是从地面测量的。因此，如果导线在塔架处的离地高度为30m，且在跨中处的规定垂度为10m，则其离地高度将下降到20m。

子导体的数目、子导体半径和子导体间距指的是组成单相的导体。对于超高压和特高压输电系统，通常每相使用一个以上的导体。图2.8显示了4子导线束的物理布置和t-line程序所需的数据。

图2.8:子导体束

选择好选项，输入好导体和地线数据后，在T−Line工具栏中选择compile选项，如图2.9所示。

图2.9:保存并编译T-Line数据

编译过程计算必要的参数，并将其存储在用户指定的基本文件名中。基本文件名后面会加上“.tlo”。注意，tline数据文件应该存储在与准备用户仿真案例相同的PROJECT−>CASEdirectory目录中。这里选择的基本文件名在RSCAD/Draft中的传输线组件的EDIT菜单中作为t -line数据文件名(Dnm1参数)输入。在相同的EDIT参数菜单中，将“Read line constants:”(rdData参数)更改为“tlo/clo”。

2.3 无源负荷

负载是电力系统中最重要的组成部分之一，其在仿真案例中的表示往往被忽视。在其最简单的形式中，负载可以用固定并联无源元件表示。

电阻式、电感式和电容式分流分支可以放在母线上，以表示真实负载和无功负载。其他可用于仿真负载的元件包括−

1. 具有固定幅度和相位的电源模型
2. 感应电机模型
3. 静载模型
4. 动载模型

2.4 故障分支与故障控制

故障支路可以连接到总线上，以仿真总线上的短路。故障支路由一个开关组成，该开关的开路电阻很大，其闭合电阻由用户指定。故障类型是线-地还是线-线，由故障组件配置菜单中的“type”参数指定。对于“Line-Gnd”故障类型，用户可以在“L – G参数”菜单中选择将包含故障支路的相位。

可以使用图2.10所示的控制元件来控制故障的发生和消除。控制组件可以在Controls库选项卡中找到。最简单的安排是使用脉冲发生器控制功能和一个按钮。为脉冲发生器功能指定的脉冲宽度决定了故障持续时间。

图2.10:故障支路

可以使用wire labels给出信号名称来控制元件输入和输出。提供给脉冲发生器输出的信号名称必须与为控制故障支路指定的信号名称相同(故障组件菜单中故障支路数据的Asig/Bsig/Csig参数)。脉冲的值必须对应于为故障支路指定的活动位的值。例如，如果A相接地故障支路的“Abit”参数设置为1，则脉冲发生器功能块的“OT”参数也应设置为1。由于脉冲输出指定为整数值，活动位指定为位数字，因此整数值必须计算为2^(bit – 1)。的位元数对应于2^(3−1)= 4的整数值。通过为每个故障支路指定相同的signal Name和Active bit，可以从同一个控制信号控制多个故障支路。

3 运行内嵌的潮流计算程序

从RSCAD/草案中可以运行电力系统电路的潮流。潮流计算电路中每个母线的初始电压幅度和角度。电源和发电机等元件也被初始化。通过运行潮流计算，可以在准稳态条件下启动RTDS仿真案例。对于包含许多生成器的仿真案例，潮流执行的初始化将有助于到达稳定的工作点。

在准备运行潮流时，必须在所有总线的bus label组件中指定总线类型参数和额定电压。母线可以指定为slack(指定电压大小和角度)、PV(指定有功功率和电压)或PQ(指定有功功率和无功功率)。电力系统电路中的一个母线必须指定为Slack母线。发电机连接的母线通常被标识为PV，因为发电机功率和终端电压是可调节的。如果用户电路中存在连接源模型的母线，则可以将其识别为空闲母线。负载总线通常被分配为PQ总线。

本例中电源母线应指定为备用母线，额定电压为230 kV。负载母线应指定为PQ母线，额定电压为230 kV。输入所需信息后，在绘图画布上方的Draft工具栏点击潮流按钮(见图2.11)，即可运行潮流。

图2.11:草稿工具栏中的潮流选项

将出现一个参数菜单，如图2.12所示，用户必须在其中提供以下数据;

图2.12:负载-流量参数

基频(Base Frequency):系统的基频，单位为Hz。(例如50.0或60.0)

容差(Tolerance):总线上允许的最大功率失配，在MVA中规定。当所有母线失配都低于指定水平时，认为潮流解决方案完成。

一旦潮流计算完成，用户电路内的各种参数将被自动初始化。从潮流计算出的母线电压幅度和角度将显示在母线组件图标上。“交流电源初始功率输出”参数也将被初始化。

为了使用潮流更新的参数运行用例，用户必须在进入RSCAD/RunTime之前编译仿真用例。

为了检查计算的潮流是否与仿真结果相匹配，可以使用角度差计测量两总线之间的角度，如图所示

2.13. 角度差计可以在Controls库选项卡中找到，可以添加到Draft电路中。

图2.13:角差计（Angle Difference Meter）

4 运行仿真案例

要运行仿真，请从RSCAD/Draft编译电路，然后将案例加载到RSCAD/Runtime中，如前一章所述。可以创建仪表和绘图来监视各种系统数量，如总线电压，线路电流等。

为了应用故障，必须创建故障启动按钮。从RSCAD/RunTime中选择创建按钮选项(参见图2.14)，然后从 Subsystem #1 ->CTLs -> Inputs 中选择名为“Fault”的按钮。

图2.14:在运行时中创建Pushbutton

如图2.15所示，将脉冲发生器“LGFLT”的输出和两个网格上的故障电流绘制在同一张图中是很有趣的。注意，在“LGFLT”信号变为“1”后，故障电流立即发生变化。然而，直到“LGFLT”信号变为“0”后的第一个电流为零，故障电流才会熄灭。

图2.15:脉冲发生器输出和故障电流响应

故障触发信号为“0”，故障电流通过0.0后，故障支路才会断开。通过在故障组件的接地故障支路数据子菜单中设置“Agholdi”参数，可以将排除故障的故障电流阈值更改为0.0以外的值。建议将该值保持在0.0，因为在0.0以外的值打开故障开关可能会导致较大的电压尖峰。如果故障电流流过电感，而故障开关在非电流零处打开，则电感两端的电压将突然变化L*di/dt。

5 传输线现象

虽然这里记录的仿真案例相当简单，只包括一个源、一条传输线和一个负载，但可以观察到许多有趣的电力系统现象。

5.1 不平衡&换位

如果将传输线中的“转置”改为“非转置”，则仿真情况下的传输线电流在稳态下不对称。为了突出这种不平衡，可以去掉接收端的负载。然后可以观察到，“B”相电流大约比“A”和“C”相电流高10%。长传输线经常被调换以平衡线路电流。有两种方法可以将换位纳入RTDS仿真案例。首先，可以通过将传输线划分为三等长段来明确地建模换位。在第1段和第2段之间的连接处进行单相旋转。A相从导体1移动到导体2,B相从导体2移动到导体3,C相从导体3移动到导体1。另一个这样的旋转是在section 2和section 3之间的连接点进行的。通过这样的换位方案，每个相位将在导体1、导体2和导体3上占据相同的长度。这种方法需要用户分配3个传输线模型和6个额外的节点。一个3芯传输线换位如图2.16所示。

图2.16:显式传输线转置

第二种包括换位效应的方法是在RSCAD/T – line程序的导体数据菜单中选择“换位电路”。在这种情况下，可以使用一个传输线组件对线路进行建模。不需要中间节点。

在多个电路悬挂在同一塔上的情况下，按每个电路进行换位。这意味着每个电路的A相、B相和C相都进行了调换。电路之间的转置通常不进行。当每个塔有多个电路时，要对单个电路进行转置，在RSCAD/T−Line导体数据菜单中，将每个电路的转置选项设置为“换位电路”。

5.2 FERRANTI 效应

FERRANTI 效应是指在接收端为开路的传输线上发生的电压上升。本例中使用的是50公里线，FERRANTI 效应非常小。线路接收端空载时，接收端的母线电压为230.5 kV，仅上升0.2%。然而，如果将线路长度改为500公里，线路接收端的开路电压约为285kV，增加约24%。如果不考虑损耗，则平衡线路接收端的开路电压为:

Vre= Vse / cos (0.0721 * Len (km))

Vre= 230.0 / cos (0.0721 * 500) = 284.5 kV

并联无源电抗器常用于长传输线以限制FERRANTI 效应。

需要注意的是，开路状态导致接收端电压最高。当负载被添加到接收端时，母线电压降低，当负载等于一个称为浪涌阻抗负载(Surge Impedance Load，SIL)的值时降至1pu。当负载超过SIL时，电压下降到发送端电压以下。

另一个有趣的现象是，当长度等于90/0.0721= 1248 km时，cos (0.0721*Len)项变为0.0。在线长为1248 km时。接收端电压变得无限大。

5.3 浪涌阻抗负载(Surge Impedance Load,SIL)

以等于线路的浪涌阻抗(也称为特性阻抗)的电阻端接的传输线将具有平坦的电压剖面。这意味着沿线路各处的电压，包括接收端，都将等于发送端电压。浪涌阻抗负载定义为−

SIL= V2 / Zsurge

架空传输线的浪涌阻抗由线路的物理特性决定，特别是相导体之间的间距和导体的尺寸，通常在200−400 Ω的范围内。浪涌阻抗不依赖于线路的长度。三相线有零、正、负序阻抗。如果线路是平衡的，则正负序浪涌阻抗相等。

名为filename.out的文件将在RSCAD/T – Line中选择compile选项时生成。.out文件位于指定用于存储行的.tli和.tlo文件的同一目录中。.out文件包含有关线路浪涌阻抗的信息。在标题“MODAL CHARACTERISTIC IMPEDANCE VECTOR”下列出了零序列、正序列和负序列的浪涌阻抗。

要在浪涌阻抗负载下运行这里记录的情况，将“导体数据”换位参数更改为“转置电路”，将线路的每个子导体的直流电阻设置为非常低的值(例如1.0e−6 Ω/km)，去除感性负载并将电阻性负载分量更改为289.3328 Ω。图2.17所示的仪表显示了母线电压。接收端电压现在等于发送端电压(即230.0 kV)，发射功率等于SIL。注意，通过线路的无功功率流近似为0。

图2.17:SIL端接线路的系统仪表

6 向前面板仿真输出通道发送信号

如第1章所述，RTDS硬件以非常小的时间步长(通常为50µs)连续运行，并且不可能连续收集所有数据。为了在仿真过程中连续监控数据，可以使用示波器监控信号。示波器可以连接到RTDS的仿真输出通道。必须修改Draft电路，以指定将什么信号发送到哪个D/A通道和在什么电平上。可以使用仿真输出通道控制组件将信号发送到处理器卡前面板上的D/ A通道。每个处理器都可以直接访问12个仿真输出通道。仿真通道的输出电压范围为峰值±10伏。

图2.18所示的控制模块可以添加到电路中，将名为“N1”的电压信号发送到仿真输出通道。控制元件位于控件中库选项卡。“前面板仿真输出”通道可以在控制库的“I/O组件”部分找到。

图2.18前面板仿真输出组件仿真输出组件的部分参数如下:

DA−这里指定仿真输出通道。处理器上十二个可用通道中的任何一个都可以使用。

SC缩放输入信号，使规定值将导致仿真输出电压峰值为5伏。所需的刻度值为峰值。在本例中，对于N1节点电压，将刻度值设置为187.89将导致D/A通道输出5V峰值。N1节点电压有±187.89伏特峰值。SC参数的工作方式如下:

这里，N1为节点电压。

前面板仿真输出通道使用12位D/A。对于高精度仿真输出，使用外部仿真输出卡，如GTAO。信号可以类似地使用GTAO控制组件发送到GTAO卡。

7 技术及培训支持

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