PSCAD使用手册(中文版)

1、PSCAD简明使用手册Chapter 1: EMTDC/PSCAD简介 (11.1 功能 (11.2 技术背景 (11.3 主要的研究范围 (11.4 目前应用情况 (21.5 各版本限制 (31.6 目前最新版本:PSCAD 第四版 (3Chapter 2: 安装及License设置 (42.1 安装 (42.2 License设置 (6Chapter 3: PSCAD工作环境 (93.1 术语和定义 (93.1.1 元件 (93.1.2 模块 (103.1.3 工程 (103.2 各工作区介绍 (103.2.1 工作空间窗口 (103.2.2 输出窗口 (143.2.3 设计编辑器 (16

2、3.3 工作区设置 (163.4 在线帮助系统 (18Chapter 4: 基本操作 (194.1 工程 (194.2 元件和模块 (224.2.1 元件 (224.2.2 模块 (254.3 常用工具栏及快捷键 (254.3.1常用工具栏 (254.3.2快捷键 (27Chapter 5: 在线绘图和控制 (295.1 控制或显示数据的获取 (295.2 图形框 (305.3 图、曲线及轨迹 (315.4 在线控制器及仪表 (345.5 几种特殊表计 (365.5.1 XY绘图 (365.5.2多测计 (385.5.3相量计 (39参考文献 (41Chapter 1: EMTDC/PSCAD

3、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、

4、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(V ersatile 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

5、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MA TLAB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

6、统(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

7、。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

8、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。 STA TCOM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;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

9、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。MA TLAB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EMT

10、DC/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 1 1 无限制电气节点15 200 无限制页面模块 5 64 1024元件32,768 32,768 65,536 1.6 目前最新版本:PSCAD 第四版强有力和动态的控制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MA TLAB/SIMULINK 界面灵活的

11、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: 安装及License设置2.1 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。把光盘放入光驱后,安装过程中将依次出现以下关键提示对话框,图2.1-2.7。特别对于图2.2,默认选项为第一个,选择前三个基本可满足仿真需求;对于图2.7,保持默认选项No - dont install/update any licences。其他只需点确定、下一步,安装完成后再考虑其License设置,将在下一节介绍。 图2.1 图2.2 图2.3 图2.4 图2.5

12、 图2.6 图2.72.2 License设置安装完成后,插入硬件锁(Hardware Locks,可以是并口、串口或USB接口,视用户 所购买版本不同而不同。双击 在主菜单中依次选择Edit/Workspace Setting,选择License标签,如下图2.10所示: 图2.10 对于单用户License,点击,如果认证成功,将出现如下提示: 图2.12点击OK,并在下图下拉菜单中选择Educational,点击按钮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

13、能全面的在线帮助系统。 图3.13.1 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。 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。存储在库公正中的定义可以在任意工程中生成实例,而案例工程中的定义

14、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。

15、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

16、四个表格式的部分:Projects,Runtime,T-Line/Cables, Files。如下图所示: 图3.3Projects: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: 未激活案例工程(Inactive Case Projects 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3.6Runtime: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:

17、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: 图3.7有三种查看模式:Modules、Groups、Radio Links。1Modules:以模块结构显示所有运行对象,如图3.8所示: 图3.82Groups:以组的形式显示所有运行对象,如图3.9所示: 图3.93Radio 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E

18、MTDC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。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: Errors ,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。 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仿真环境中作重要的一部分,也是完成

19、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。当打开一个工程师,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

20、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。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 Se

21、ttings,如下图所示: 图3.14 图3.15包含如下7个部分:Project、Views、Runtime、Fortran、Matlab、Associations、License3.4 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3.16Chapter 4: 基本操作本章介绍了PSCAD的基本操作和特性,对于熟悉PSCAD

22、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 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 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

23、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: 图4.74.2 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

24、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,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,即可打开查看更多元件。可以直接从库中复制元件至目标工程。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.

25、93、弹出库菜单:按住Ctrl+鼠标右键,将弹出如下菜单: 图4.104.2.2 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。4.3 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: 载入工程(*.p

26、sc文件 后退浏览(返回上一浏览界面 返回上一模块层 创建一个新的默认模块 运行栏: 编译所有模块(仅对激活工程有效 单步运行(在暂停模式下 改变绘图步长 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。 外部节点 连接点 电压表 架空线 电缆 数据抽头 数据标签 实常数 输出 滑动开关 拨码开关 图形框 X-Y直角坐标图 注释框 Ctrl+ 鼠标右击调用库左键双击编辑所选元件属性后退浏览上一级模块F5 刷新画布F1 帮助2线V 插入线顶点I 颠倒线顶点D 分解线3绘图Insert 插入多图+ 放大图- 缩小图P 缩放至前一个图N 缩放至后一个图X 按x轴当前显示图形范围缩放E 按x

27、轴最大显示极限缩放Y 按y轴当前显示图形范围缩放U 按y轴最大显示极限缩放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

28、 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: 1.0 ohm 1.0 ohmVoltageVoltage图5.1注意:

29、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。 图5.2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

30、上图形框图标 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: 图5.55.3 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: 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

31、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: 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: 图5.102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5.115.4 在

32、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 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。 图5.132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: 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5.165.5 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