13节点配电网的建模与仿真

大学生课外创新实验竞赛总结报告

项目简介：

在配电网的正常运行中，随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变，网络中的损耗也将发生变化。要严格保证所有的用户在任何时刻都有额定的电压是不可能的，因此配电网的某个节点电压偏移额定值是无法避免的。为保证电力系统的正常运行，需要对各节点处的电气量进行监测。在电力系统发生故障后，各节点的电气量也会发生较大波动，也需要对各节点处的电气量进行监测。对配电网进行建模仿真，可以了解配电网各个节点的电流，电压特征，仿真结果对配电网的实际运行有着正要的实际意义。

在PSCAD/EMTDC平台上搭建13节点中性点不接地配电网的仿真模型，仿真了不同故障情况对故障点的电压，电流的幅值、相位特征的影响，并得到各节点处的节点电压和电流的波形。将各节点电压和电流的数据导入matlab 中对数据进行绘图。并对数据进行频谱分析，在频域上观察电流电压数据的基本特征。

为了提取各节点处的以及故障处电流电压的特征量，基于PSCAD/EMTDC的仿真环境，搭建了13节点中性点不接地配电网的仿真模型。线路模型采用分布式参数模型进行仿真。 对于故障分析，改变故障的发生位置，故障的发生时间以及故障的类型进行仿真，观察各节点处电流、电压的仿真曲线，并对结果进行简单分析。深入研究故障对整个配电网各节点处的电流电压特征量的影响，为故障的确定以及排除提供了理论依据。

关键词：PSCAD/EMTDC matlab 潮流分析 频谱分析 Ag 故障 配电网

项目创新点：

在PSCAD/EMTDC平台上搭建13节点中性点不接地配电网的仿真模型，其中输电线路采取分布式参数模型进行建模。改变故障的发生时间，发生位置以及故障类型，在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真。将在PSCAD/EMTDC中得到的各节点电压和电流的数据导入matlab 中对数据进行绘图，并对不同节点的电流电压波形进行对比，简要分析造成差异的主要原因。同时对各节点所采集的电流电压数据进行频谱分析。

目 录

第一章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

1.1 1.2 项目背景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 研究意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

第二章 PSCAD 的软件介绍与潮流计算简介„„„„„„„„„„„„„„2

2.1 PSCAD 软件的介绍 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2 潮流计算简介 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

第三章 13节点配电网的建模„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

3.1 3.2 仿真模块的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 配电网的建模„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

第四章 仿真结果的分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

4.1 4.2

4.3 不同故障下的仿真波形„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 matlab 绘图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 频谱分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

附件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

第一章 绪论

1.1 项目背景

配电网是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等组成的，在电力网中起重要分配电能作用的网络。

配电网按电压等级来分类可分为高压配电网（35—110KV ），中压配电网（6—10KV ，苏州有20KV 的），低压配电网（220/380V）；在负载率较大的特大型城市，220KV 电网也有配电功能。按供电区的功能来分类可分为城市配电网，农村配电网和工厂配电网等。在城市电网系统中, 主网是指110KV 及其以上电压等级的电网，主要起连接区域高压（220KV 及以上）电网的作用配电网是指35KV 及其以下电压等级的电网，作用是给城市里各个配电站和各类用电负荷供给电源。

配电网络的拓扑分析是根据配电电气元件的连接关系，把整个配电网络看成线与点结合的拓扑图，然后根据电源结点、开关结点等进行整个网络的拓扑连线分析，它是配电网络进行状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供电恢复、网络重构等其它分析的基础。

配电网络的结构庞大且复杂，网络结构由于故障或负荷转移操作中开关的开合，经常发生变化。作为配电网络分析的基础，网络拓扑计算需要进一步提高，因此迫切需要一个好的网络拓扑算法。好的网络拓扑算法应该有效且直观，它不仅能满足配电网自动化中的不同高级功能的要求，还应能实现配电网络连通性的快速跟踪和识别，适应事件变化。同时还应节省存储空间和其他高级计算功能的时间。目前国内外在这方面现有的研究有关联表矩阵表示法、网基矩阵表示法、结点消去法、树搜索表示法、离散处理法等。

1.2 研究意义

电力系统的出现，使高效，无污染，使用方便，易于控制的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的发展，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。潮流计算是电力系统最基本最常用的计算。根据系统给定的运行条件，网络接线及元件参数，通过潮流计算可以确定各母线的电压幅值和相角，各元件流过的功率，整个系统的功率损耗。潮流计算是实现电力系统安全经济发供电的必要手段和重要工作环节。因此，潮流计算在电力系统的规划计算，生产运行，调度管理及科学计算中都有着广泛的应用。对于正在规划的电力系统，通过

潮流计算，可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。潮流计算还可以为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。

第二章 PSCAD 软件的介绍与潮流计算简介

2.1 PSCAD 软件的介绍

PSCAD是一种有效的用户图形界面, 能够显著地提高电力系统电磁瞬时模拟研究的效率。利用PSCAD 家族的软件工具, 使得电力系统工程师能够充分利用现代微机工作站的资源, 更为有效地使用马尼托巴高压直流研究中心的EMTDC 瞬时模拟软件。该族软件还可作为该中心的实时数字模拟器（RTDS) 的用户界面。

PSCAD 由下述软件模块构成:档管理系统、建模(DRAFT)模块、架空线(T-LINE)和电缆(CABLE)模块、运行(RUN TIME) 模块、单曲线绘图(UNIPLOT)和多曲线绘图(MULTIPLOT)模块。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育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。

基于以上简单说明我们可以了解到PSCAD 是电力专业十分有用的仿真软件。我们组的课题系统节点较多，传统的手工计算显然不切实际。于是要寻找一种简单科学的计算方法来替代传统的手工计算，从而提高计算效率。因此利用PSCAD 仿真运行出结果就成了本次课程设计最为关键的一个环节。利用PSCAD 对13节点的配电网进行的仿真可以快速准确得出各母线上的潮流分布及系统的其他运行状态输出显示快速、明了。

1) PSCAD/EMTDC开发背景

最初EMTDC 代表直流暂态。最初的EMTDC 代码由丹尼斯. 伍德福德在1975年开始编写。编写这个程序的原因是因为当时现存的研究工具不能够曼尼托巴电力局对尼尔逊河高压直流工程进行强有力和灵活的研究的要求。自此之后程序被不断开发，至今已被广泛地应用在电力系统许多类型的模拟研究，其中包括交流研究，雷电过电压和电力电子学研究。EMTDC

开始时在大型计算机上使用。然后在1986年被移植到Unix 系统和以后的PC 机上。

PSCAD代表电力系统计算机辅助设计，并且是EMTDC 的图形用户接口。PSCAD V11988年首先在阿波罗工作站上使用，然后大约在1995年PSCAD V2开始应用。(至今PSCAD V2仍然广泛地应用于Unix 系统上。)PSCAD V3以PC Windows作为平台，在1999年面世。PSCAD V3的Unix 版本尚未完成。

2) PSCAD/EMTDC应用范围

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，或者快速育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(Mnltiple mnfacilities)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。

2.2 潮流计算简介

潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，指在给定电力系统网络拓扑、元件参数和发电、负荷参量条件下，计算有功功率、无功功率及电压在电力网中的分布。潮流计算是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、衡点的电压和相位角。待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。在电力系统运行和规划中，都需要研究电力系统稳定运行情况，确定电力系统的稳态运行状态。给定电力系统的网络结构、参数和决定电力系统运行状况的边界条件，确定电力系统运行的方法之一是朝流计算。

从数学上说：朝流计算是要求解一组有潮流方程描述的非线性方程组。电力系统潮流计算是电力系统分析中最重要最基本的计算，是电力运行、规划以及安全性、可靠性分析和优

化的基础，也是各种电磁暂态和机电暂态分析的基础和出发点。电力系统潮流计算是电力系统最基本的计算，也是最重要的计算。所谓潮流计算，就是已知电网的接线方式与参数及运行条件，计算电力系统稳态运行各母线电压、个支路电流与功率及网损。对于正在运行的电力系统，通过潮流计算可以判断电网母线电压、支路电流和功率是否越限，如果有越限，就应采取措施，调整运行方式。对于正在规划的电力系统，通过潮流计算，可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。潮流计算还可以为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。此外，在进行电力系统稳态及暂态稳定计算时，要利用潮流计算的结果作为其计算的基础；一些故障分析以及优化计算也需要有相应的潮流计算作配合；潮流计算往往成为上述计算程序的一个重要组成部分。以上这些，主要是在系统规划设计及运行方式安排中的应用，属于离线计算范畴。随着现代化的调度中心的建立，为了对电力系统进行实时安全监控，需要根据实时数据库所提供的信息。

第三章 13节点配电网的建模

3.1 仿真模块的设计

1）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3－1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。仿真时间“Duration of run ” 设为1s ，计算步长“ EMTDC time step ( us ) ”设为5, 绘图步长“ PSCAD plot step ( us ) ”设为50。

图1仿真时间设置

2）电源的设置：

电源模型如下图所示：

图 2电源模型

在下面的界面中设置电源的名字，电源内部阻抗，以及电源是是否接地。

图 3电源定义

在下面的界面中设置电源的基本参数，具体设置如下图所示

图 4电源参数设置

3）主变压器的设定

主变压器模型如下图所示：

图5变压器模型

具体设置如下图所示：

图6变压器设置

4）开关 / 断路器 的设置

开关 / 断路器的模型如下图所示：

图 7断路器模型

开关（断路器）从master 库到Breakers 单元中选取，库中有：单相、三相开关，三相开关有单线和三线连接方式，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。具体的设置如下图所示：

图8断路器逻辑设置

5）架空线（分布参数线路）模型 架空线的模型如下图所示：

图9架空线模型

具体的参数设置如下：根据每一段线路的具体长度进行设置：下面以Tline3段的线路参数设置为例：

图10架空线参数设置

5）故障的设置： 故障模块如下图所示：

图11故障模型

故障发生在线路中间，因此将线路分为两段进行建模。故障的设置以及逻辑控制如下图所示：

图12故障设置

6）负荷的设置

图13负载种类

对于无变压器容量的节点，我们以一个固定负载进行仿真分析；对于标有变压器容量的节点，我们以仪的变压器+固定负载进行仿真分析，变压器的一次侧和二次侧电压根据前后负载节点的额定电压进行确定。 3.2 配电网的建模

综上所述，在PSCAD/EMTDC中对如下图所示的13节点的配电网进行建模。 拓扑结构如下图所示：

220kV

图14拓扑结构

在PSCAD 中建立的仿真模型如下图所示：

图15整体仿真模型

第四章 仿真结果的分析

4.1不同故障下的仿真波形

1) 故障类型为ABC 三相接地，故障发生时间为0.6S ，持续时间为0.1S 。在ABC 三相接地时，配电网仍然是对称的，故我们只观察单相电压电流的仿真波形：

图16节点632的单相电流电压

图17节点633的单相电流电压

图18节点634的单相电流电压

图19节点645的单相电流电压

图20节点646的单相电流电压

图21节点671的单相电流电压

图22节点692的单相电流电压

图23节点675的单相电流电压

图24节点684的单相电流电压

图25节点611的单相电流电压

图26节点652的单相电流电压

2) 改变故障类型

发生不对称故障，例如AB 相发生接地故障。此时节点的三相电流电压将发生变化，在此我们只给出632节点，684节点，692节点的仿真波形。仿真结果如下图所示：

图27节点632三相的电流与电压

图28节点684的三相电流与电压

图29节点692的三相电流与电压

3) 改变故障发生的时间

故障类型ABC 三相接地故障。故障时间改为0.7S, 持续时间0.1S 。选取632节点，684节点，

692节点的仿真波形：

图30节点632的单相电流与电压

图31节点684的单相电流与电压

图32节点692的单相电流与电压

4) 改变故障发生的地点：

线路684-671在0.6s 、距671 0.5km处发生Ag 故障。

图 33节点点632的单相电流与电压

图34节点684的单相电流与电压

图35节点692的单相电流与电压

4.2 matlab绘图

在将所有的仿真结果导入到matlab 中，对各个电气量在matlab 中进行绘图：

以ABC 三相接地故障为例，故障发生时间为0.6S, 故障发生位置为线路684-671在0.6s 、距671 0.5km处。

将电流电压的数据导入matlab, 将生成一个20001*77的矩阵，第一列代表时间，后面每列数据代表一个电气量。我们将第一个电气量在matlab 绘图如下所示：

信号 p(t)

108

6420-2-4-6-8-100

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5t

0.6

0.7

0.8

0.9

1

p

图 36节点632的单相电压

信号 p(t)

p

t

图37节点632的单相电流

所有的电气量在matlab 中的绘图如下所示：

0.5

1

0.5

1

0.5

1

0.5

1

0.5

1

00.5100.5100.5100.5100.5100.5100.5100.5100.51

00.5100.5100.5100.5100.5100.5100.5100.5100.51

图38单相电流或者电压

其中：每一个代表某一节点的单相电流或者电压。

4.3频谱分析

利用傅里叶变换的方法对振动的信号进行分解，并按频率顺序展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程，称为频谱分析。由时间函数求频谱函数的傅里叶变换公式就是将该时间函数乘以以频率为系数的指数函数之后，在从负无限大到正无限大的整个区间内，对时间进行积分，这样就得到了与这个时间函数对应的，以频率为自变量的频谱函数。频谱函数是信号的频域表示方式。根据上述傅里叶变换公式，可以求出常数（直流信号）的频谱函数为频域中位于零频率处的一个冲激函数，表示直流信号就是一个频率等于零的信号。与此相反，冲激函数的频谱函数等于常数，表示冲激函数含有无限多个、频率无限密集的正弦成分。同样的，单个正弦波的频谱函数就是频域中位于该正弦波频率处的一对冲激函数。

在matlab 中编程做出节点632单相电压波形的频谱图，如下图所示：

18

图39频谱分析图

附件

附件1 PSCAD仿真模型

19

附件二 matlab 绘图程序 a1=load('noname_01.out'); a2=load('noname_02.out'); a3=load('noname_02.out'); a4=load('noname_04.out'); a5=load('noname_05.out'); a6=load('noname_06.out'); a7=load('noname_07.out'); a=[a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7]; %单个电气量绘图 t=a(:,1); p = a(:,26) figure(1) plot(t,p); grid on title('信号 p(t)');

20

xlabel('t') ylabel('p') %所有电气量绘图 t=a(:,1); for i=2:77; x=a(:,i); subplot(9,9,i) plot(t,x) end

附件3 matlab频谱分析

Fs=1000; t=a(:,1); y=a(:,2);

subplot(3,1,1); plot(t,y) N =10000;

Y = fft(y,N)/(N/2); % /(N/2)归一化到1以内

k = (0:N/2-1)*Fs/N; % kmax = (N/2)*Fs/N = Fs/2(Nyquist), Fs/N为频率分辨率 subplot(3,1,2);

plot((k+50),abs(Y(1:N/2)));xlabel('Frequency(Hz)');ylabel('|Y|'); subplot(3,1,3);

plot((k+50),angle(Y(1:N/2)));xlabel('Frequency(Hz)');ylabel('sita');

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