本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于PSCAD/EMTDC與C語言接口技術(shù)的真空斷路器合閘暫態(tài)仿真模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

真空斷路器具有滅弧能力強、可靠性高、使用壽命長、無火災(zāi)危害、適合頻繁操作等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)及其配電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛。不同于理想狀態(tài)，在實際電力系統(tǒng)運行中，真空斷路器往往會因為開合操作過程中的預(yù)擊穿、重燃等現(xiàn)象引起系統(tǒng)操作過電壓，發(fā)生變電站內(nèi)斷路器相間絕緣擊穿、母線壓變高壓熔絲熔斷等過電壓事故，嚴(yán)重威脅著并聯(lián)補償裝置，危害電氣設(shè)備使用期限，危及電力設(shè)備的絕緣，影響電力系統(tǒng)的正常運行。本發(fā)明主要就真空斷路器合閘暫態(tài)進(jìn)行仿真分析。

在電力系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中，通常需要先進(jìn)行仿真再進(jìn)行后續(xù)試驗或應(yīng)用。本發(fā)明使用電力系統(tǒng)常用仿真軟件PSCAD/EMTDC，該軟件提供了完整的已編程和經(jīng)過測試的仿真模型，允許用戶用圖形的方式建立電路、運行仿真、分析結(jié)果，可用于大部分的電力系統(tǒng)仿真。PSCAD/EMTDC是在FORTRAN語言上實現(xiàn)的，因而FORTRAN的內(nèi)嵌性能好，運行效率高，但FORTRAN語言的格式限制較多，用戶編寫大型程序時往往會影響編譯效率，且程序出錯后所給出的錯誤信息不明確，使得調(diào)試難度增加。C語言具有功能豐富、表達(dá)能力強、目標(biāo)程序效率高、可移植性好等優(yōu)點，因此本發(fā)明選擇PSCAD/EMTDC與C語言接口技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

本仿真模型的設(shè)計，作為電力系統(tǒng)領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)，模擬實現(xiàn)了真空斷路器在實際操作合閘中出現(xiàn)的預(yù)擊穿現(xiàn)象，在電力系統(tǒng)后續(xù)研究中能仿真電力系統(tǒng)運行狀態(tài)中斷路器合閘暫態(tài)引起的過電壓等問題，有一定的研究及工程應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對傳統(tǒng)真空斷路器仿真方法中存在的不足，對真空斷路器暫態(tài)過程進(jìn)行細(xì)化處理，提出了一種基于PSCAD/EMTDC與C語言接口技術(shù)的真空斷路器合閘暫態(tài)仿真模型的構(gòu)建方法，實現(xiàn)對真空斷路器模型實際工況的模擬仿真。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種真空斷路器合閘暫態(tài)仿真模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

1)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立包含電源、線路、斷路器及負(fù)載的測試電路，其中，所述斷路器部分使用RLC電路并聯(lián)理想斷路器的結(jié)構(gòu)；

2)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下構(gòu)建自定義模塊，并在外部建立C語言文件編寫控制函數(shù)，利用PSCAD/EMTDC與C語言接口的技術(shù)，使用聲明代碼由自定義模塊中FORTRAN、數(shù)字仿真動態(tài)子程序DSDYN和數(shù)字仿真輸出子程序DSOUT調(diào)用外部源文件中的C語言函數(shù)，實現(xiàn)斷路器開合狀態(tài)的控制；

3)分析真空斷路器實際合閘操作的預(yù)擊穿現(xiàn)象，載入斷路器兩端電壓、通過電流數(shù)據(jù)，計算觸頭間隙間介電強度及高頻電流熄弧能力；

4)根據(jù)真空斷路器實際閉合操作的預(yù)擊穿過程設(shè)置斷路器狀態(tài)變量，并將多次預(yù)擊穿區(qū)分為第一次預(yù)擊穿和再次預(yù)擊穿兩個階段，設(shè)置第一次預(yù)擊穿、再次預(yù)擊穿、熄弧恢復(fù)狀態(tài)及斷路器物理合閘四個狀態(tài)判斷標(biāo)志；

5)根據(jù)步驟4)中四個狀態(tài)判斷標(biāo)志確定此刻真空斷路器所處狀態(tài)，更新真空斷路器的狀態(tài)變量，并根據(jù)狀態(tài)變量設(shè)定斷路器開合信號并輸出到仿真電路中控制斷路器元件的開合狀態(tài)，具體如下：

首先，根據(jù)載入數(shù)據(jù)及狀態(tài)變量判斷真空斷路器所處暫態(tài)階段，將對應(yīng)狀態(tài)判斷標(biāo)志設(shè)置為TRUE而其他狀態(tài)判斷標(biāo)志為FALSE，然后根據(jù)四個狀態(tài)判斷標(biāo)志更新真空斷路器狀態(tài)變量，最后由新的狀態(tài)變量控制斷路器的開合并輸出相關(guān)信號。

在步驟1)中，所述測試電路為單相電路，其線路部分為RL串聯(lián)電路，其負(fù)載部分為RLC并聯(lián)電路。

在步驟2)中，使用了PSCAD/EMTDC與C語言接口的技術(shù)進(jìn)行仿真，在PSCAD/EMTDC的仿真環(huán)境下，建立自定義模塊并在自定義模塊的腳本Script中編寫代碼，調(diào)用外部源文件中的C語言函數(shù)，通過使用PSCAD/EMTDC提供的公用數(shù)組STORI、STOPL、STOPF及自定義數(shù)組STOR，實現(xiàn)PSCAD/EMTDC系統(tǒng)向外部C語言文件的數(shù)據(jù)傳輸，并通過這些數(shù)組將C語言文件中的數(shù)據(jù)傳送到PSCAD/EMTDC，從而實現(xiàn)真空斷路器模型的多個仿真子模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

在步驟3)中，基于預(yù)擊穿暫態(tài)過程，為充分研究真空斷路器實際閉合操作的預(yù)擊穿過程并編寫控制程序，對真空斷路器觸頭間隙間介電強度恢復(fù)特性、高頻電流熄弧特性進(jìn)行了如下分析：

a.介電強度恢復(fù)特性

真空斷路器的介電強度恢復(fù)是分析真空斷路器暫態(tài)過程的一個很重要的參數(shù)，從真空斷路器的觸頭開始動作時刻起，觸頭間的介電強度將隨著觸頭間距離的減小從最大值開始減?。豢紤]到真空斷路器的觸頭閉合速度快，決定用一個一階多項式進(jìn)行簡化計算不同時刻真空斷路器的介電強度U_b：

U_b＝U_blimit-A(t-t_close)-B (1)

其中，U_blimit是真空斷路器極限介電強度，其數(shù)值大小與斷路器觸頭間的介電材料有關(guān)；A為觸頭的合閘速度；t為當(dāng)前仿真時刻；t_close為斷路器觸頭開始動作時間；B為介電強度常數(shù)；

b.高頻電流熄弧特性

在真空斷路器合閘暫態(tài)分析中，電流的熄弧特性是一個十分重要的研究特性，電流變化率di/dt的臨界值作為高頻電流熄弧能力，用作熄弧狀態(tài)判斷依據(jù)，也采用一個一階多項式表示:

di/dt＝C(t-t_close)+D (2)

其中，C是高頻電流熄弧能力的上升比例；D為觸頭開始合閘時高頻電流熄弧能力。

在步驟4)中，真空斷路器所處的合閘階段由電流電壓數(shù)據(jù)、介電強度恢復(fù)及高頻電流熄弧能力以及斷路器上一刻所處狀態(tài)共同決定，通過對狀態(tài)判斷標(biāo)志以及狀態(tài)變量賦值，實現(xiàn)對斷路器模型的控制，模擬實際操作中的合閘過程。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：

1、本發(fā)明構(gòu)建的仿真模型使用了PSCAD/EMTDC與C語言接口技術(shù)，在PSCAD/EMTDC中建立類似于“黑盒”模型的真空斷路器模型，結(jié)合PSCAD/EMTDC元件庫元件豐富、允許用戶用圖形的方式運行仿真并分析結(jié)果及C語言開發(fā)高效靈活、兼容性強、編譯差錯便捷、程序運行效率高等特性，更好地模擬實際合閘暫態(tài)過程。

2、本發(fā)明構(gòu)建的仿真模型考慮實際合閘過程中，真空斷路器會出現(xiàn)的反復(fù)預(yù)擊穿現(xiàn)象，在邏輯上將合閘暫態(tài)分為第一次預(yù)擊穿、再次預(yù)擊穿、熄弧恢復(fù)及物理閉合四個階段。由于真空斷路器合閘過程中第一次預(yù)擊穿一般為工頻擊穿，其后多次預(yù)擊穿為高頻擊穿，第一次預(yù)擊穿與其后的預(yù)擊穿現(xiàn)象在特性上存在較明顯的區(qū)別，因此本發(fā)明將多次預(yù)擊穿區(qū)分為第一次預(yù)擊穿和再次預(yù)擊穿兩個階段；由于兩種預(yù)擊穿階段后真空斷路器中發(fā)生的熄弧過程類似，因此該階段均稱為熄弧恢復(fù)狀態(tài)；最后介電強度降為零，真空斷路器觸頭之間發(fā)生物理接觸，真空斷路器進(jìn)入物理閉合階段。自定義模塊根據(jù)斷路器兩端電壓、通過電流等數(shù)據(jù)和相關(guān)線性多項式計算出的介電強度、高頻電流熄弧能力，確定真空斷路器所處的狀態(tài)，并控制理想斷路器模型的閉合來模擬預(yù)擊穿現(xiàn)象。因此，本發(fā)明構(gòu)建的仿真模型可以更加精準(zhǔn)地仿真模擬工況下真空斷路器合閘暫態(tài)過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于PSCAD/EMTDC與C語言接口技術(shù)構(gòu)建真空斷路器合閘暫態(tài)仿真模型的流程圖。

圖2是本發(fā)明仿真模型的單相測試電路示意圖。

圖3是本發(fā)明仿真模型自定義模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4是真空斷路器合閘仿真結(jié)果(0s‐0.04s)：流過真空斷路器的電流。

圖5是真空斷路器合閘仿真結(jié)果(0.0175s‐0.0189s)：流過真空斷路器的電流。

圖6是真空斷路器合閘仿真結(jié)果(0s‐0.04s)：真空斷路器兩端的電壓及介電強度。

圖7是真空斷路器合閘仿真結(jié)果(0.0175s‐0.0189s)：真空斷路器兩端的電壓及介電強度。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，基于PSCAD/EMTDC與C語言接口技術(shù)的真空斷路器合閘暫態(tài)仿真模型的實例搭建，包括以下步驟：

1)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立基本測試電路，如圖2所示。該測試電路由電源、斷路器、線路及負(fù)載四部分組成。其中，斷路器部分由自帶斷路器并聯(lián)一條RLC支路組成，線路部分簡化為RL串聯(lián)電路，負(fù)載部分簡化為RLC并聯(lián)電路。

2)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下構(gòu)建類似于“黑盒”模型的自定義模塊，并在外部建立C語言文件編寫控制函數(shù)，利用PSCAD/EMTDC與C語言接口的技術(shù)，使用聲明代碼由自定義模塊中FORTRAN、數(shù)字仿真動態(tài)子程序(DSDYN)和數(shù)字仿真輸出子程序(DSOUT)調(diào)用外部源文件中的C語言函數(shù)，實現(xiàn)斷路器開合狀態(tài)的控制，自定義模塊如圖3所示。

3)分析真空斷路器實際合閘操作的預(yù)擊穿現(xiàn)象，載入斷路器兩端電壓、通過電流等數(shù)據(jù)，計算觸頭間隙間介電強度及高頻電流熄弧能力。

基于預(yù)擊穿暫態(tài)過程，為充分研究真空斷路器實際閉合操作的預(yù)擊穿過程并編寫控制程序，本發(fā)明對真空斷路器觸頭間隙間介電強度恢復(fù)特性、高頻電流熄弧特性進(jìn)行了分析：

a.介電強度恢復(fù)特性

真空斷路器的介電強度恢復(fù)是分析真空斷路器暫態(tài)過程的一個很重要的參數(shù)。從真空斷路器的觸頭開始動作時刻起，觸頭間的介電強度將隨著觸頭間距離的減小從最大值開始減小?？紤]到真空斷路器的觸頭閉合速度很快，本發(fā)明近似地用一個一階多項式進(jìn)行簡化計算不同時刻真空斷路器的介電強度U_b：

U_b＝U_blimit-A(t-t_close)-B (1)

其中，U_blimit是真空斷路器極限介電強度，其數(shù)值大小與斷路器觸頭間的介電材料有關(guān)；A為觸頭的合閘速度；t為當(dāng)前仿真時刻；t_close為斷路器觸頭開始動作時間；B為介電強度常數(shù)；

b.高頻電流熄弧特性

在真空斷路器合閘暫態(tài)分析中，電流的熄弧特性是一個十分重要的研究特性，電流變化率di/dt的臨界值作為高頻電流熄弧能力，用作熄弧狀態(tài)判斷依據(jù)，也可以用一個一階多項式表示:

di/dt＝C(t-t_close)+D (2)

其中，C是高頻電流熄弧能力的上升比例；D為觸頭開始合閘時高頻電流熄弧能力。

4)根據(jù)真空斷路器實際閉合操作的預(yù)擊穿過程設(shè)置斷路器狀態(tài)變量，并將多次預(yù)擊穿區(qū)分為第一次預(yù)擊穿和再次預(yù)擊穿兩個階段，設(shè)置第一次預(yù)擊穿、再次預(yù)擊穿、熄弧恢復(fù)狀態(tài)及斷路器物理合閘四個狀態(tài)判斷標(biāo)志。依據(jù)相關(guān)參數(shù)，參考狀態(tài)變量，給相關(guān)狀態(tài)判斷標(biāo)志賦值。真空斷路器所處的合閘階段由電流電壓等基本數(shù)據(jù)、介電強度及高頻電流熄弧能力以及斷路器上一刻所處狀態(tài)共同決定，通過對狀態(tài)判斷標(biāo)志以及狀態(tài)變量賦值，實現(xiàn)對斷路器模型的控制，模擬實際操作中的合閘過程。

5)根據(jù)步驟4)中四個狀態(tài)判斷標(biāo)志確定此刻真空斷路器所處狀態(tài)，更新真空斷路器的狀態(tài)變量，并根據(jù)狀態(tài)變量設(shè)定斷路器開合信號并輸出到仿真電路中控制斷路器元件的開合狀態(tài)，具體如下：

首先，根據(jù)載入數(shù)據(jù)及狀態(tài)變量判斷真空斷路器所處暫態(tài)階段，將對應(yīng)狀態(tài)判斷標(biāo)志設(shè)置為TRUE而其他狀態(tài)判斷標(biāo)志為FALSE，然后根據(jù)四個狀態(tài)判斷標(biāo)志更新真空斷路器狀態(tài)變量，最后由新的狀態(tài)變量控制斷路器的開合并輸出相關(guān)信號。

在步驟1)中，本發(fā)明的真空斷路器模型不同于PSCAD/EMTDC元件模型庫中斷路器僅為一個開關(guān)狀態(tài)切換的理想模型，而是采用RLC電路并聯(lián)理想斷路器的結(jié)構(gòu)并模擬真空斷路器合閘暫態(tài)過程發(fā)生的預(yù)擊穿現(xiàn)象且能夠用于觀察和分析線路及負(fù)載端過電壓狀況的精確模型。在實際合閘操作時，流通在系統(tǒng)中的電流不會發(fā)生突變，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣?，系統(tǒng)中的電感元件會阻礙電流的變化從而在電路中感應(yīng)出電壓，而且電流改變的速度越快，所感應(yīng)出的電壓值就會越大。因此為模擬合閘過程的預(yù)擊穿現(xiàn)象及負(fù)載端過電壓，本仿真模型新增一條RLC并聯(lián)支路。該真空斷路器仿真模型模擬了實際合閘過程的預(yù)擊穿、高頻電流熄弧等暫態(tài)過程。本仿真模型使用的測試電路為單相電路。當(dāng)斷路器的三相操作完全同步時，分析合閘過電壓的過程可以將三相電路進(jìn)行分相研究，因此可按照單相電路對線路系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。

在步驟2)中，使用PSCAD/EMTDC與C語言接口的技術(shù)進(jìn)行仿真。本發(fā)明在PSCAD/EMTDC的仿真環(huán)境下，建立自定義模塊并在自定義模塊的腳本Script中編寫代碼，調(diào)用外部源文件中的C語言函數(shù)。本發(fā)明通過使用PSCAD/EMTDC提供的公用數(shù)組STORI、STOPL、STOPF及自定義數(shù)組STOR，實現(xiàn)PSCAD/EMTDC系統(tǒng)向外部C語言文件的數(shù)據(jù)傳輸，并通過這些數(shù)組將C語言文件中的數(shù)據(jù)傳送到PSCAD/EMTDC，從而實現(xiàn)真空斷路器模型的多個仿真子模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)以上步驟建立仿真模型，該測試電路中斷路器兩端電壓及流過斷路器的電流如圖4‐圖7所示。該真空斷路器模型設(shè)定的合閘信號時間為0.0145s，當(dāng)真空斷路器模型檢測到合閘信號，其觸頭開始動作，觸頭間的距離逐漸縮小，間隙內(nèi)的介電強度隨之減小。本測試電路中，真空斷路器兩端的電壓隨時間呈正弦變化。當(dāng)斷路器兩端電壓值大于介電強度時，絕緣間隙將被電弧擊穿從而出現(xiàn)預(yù)擊穿現(xiàn)象。如圖所示，本示例發(fā)生首次預(yù)擊穿的時間為0.0176s，后續(xù)還發(fā)生了多次預(yù)擊穿，直到0.0188s真空斷路器完全閉合，合閘成功。本測試電路仿真結(jié)果可以說明基于PSCAD/EMTDC與C語言接口技術(shù)的真空斷路器合閘暫態(tài)仿真模型能較好地模擬實際操作中多次預(yù)擊穿現(xiàn)象，有較為符合實際工況的仿真效果，適于其它工程應(yīng)用。

以上所述實施例只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。