Podstawy pracy z programem PSCAD

Modelowanie i symulacja systemów elektroenergetycznych
Podstawy pracy z programem PSCAD
1. Wprowadzenie
Program PSCAD służy do modelowania i symulacji różnego rodzaju systemów elektroenergetycznych.
Najczęściej wykorzystywany jest do symulacji w dziedzinie czasu stanów przejściowych systemów
elektroenergetycznych. Umożliwia ich modelowanie wraz uwzględnieniem układów pomiarowych i sterujących.
Standardowa biblioteka elementów programu obejmuje modele:
− elementów biernych (rezystorów, cewek indukcyjnych, kondensatorów),
− transformatorów,
− napowietrznych i kablowych linii przesyłowych,
− źródeł napięciowych i prądowych,
− wyłączników i odłączników,
− elementów energoelektronicznych (diod, tyrystorów),
− analogowych i cyfrowych funkcji sterujących,
− maszyn elektrycznych, wzbudnic, regulatorów, stabilizatorów, członów inercyjnych,
− mierników i układów pomiarowych,
− układów HVDC, FACTS, SVC.
Możliwe jest także tworzenie przez użytkownika własnych bibliotek elementów. Pakiet PSCAD, dzięki
bogatemu zestawowi funkcji, umożliwia wizualizację o przeprowadzanie różnorodnych analiz wyników
otrzymanych podczas symulacji.
Program PSCAD ma zastosowanie w takich zagadnieniach jak:
− analiza pracy systemów elektroenergetycznych złożonych z maszyn wirujących, wzbudnic, regulatorów,
turbin, transformatorów, linii przesyłowych i obciążeń,
− analiza synchronizacji procesów łączeniowych,
− modelowanie efektu nasycenia rdzenia transformatora,
− modelowanie narażeń impulsowych transformatorów,
− analiza rezonansów w systemie elektroenergetycznym,
− analiza harmonicznych i projektowanie filtrów,
− dobór optymalnych nastaw regulatorów,
− modelowanie przepięć łączeniowych, wyładowań,
− analiza występowania zwarć,
− projektowanie i symulacja układów energoelektronicznych,
− analiza wpływu małych źródeł energii na pracę systemu elektroenergetycznego.
Niniejsza instrukcja ma na celu zaznajomienie z podstawami pracy z pakietem programowania PSCAD. Podane
zostały podstawowe informacje dotyczące tworzenia modelu systemu elektroenergetycznego, ustalania jego
parametrów oraz obserwacji wyników pomiarów wybranych wielkości.
2. Instalacja programu
Pliki instalacyjne
Pliki instalacyjne oprogramowania można pobrać ze strony internetowej, której adres podaje prowadzący
zajęcia.
Dostępna za darmo wersja PE (Personal Edition) programu PSCAD jest w pełni funkcjonalna i posiada
ograniczenie wielkości modelu symulowanego systemu do maksymalnie15 węzłów.
Bieżące informacje nt. omawianego oprogramowania wraz z jego najnowszymi wersjami są dostępne na stronie
producenta o adresie:
pscad.com
Sposób instalacji
Aby program PSCAD mógł poprawnie funkcjonować konieczne jest :
− zainstalowanie programu przeglądarki internetowej (np. Internet Explorer, Netscape Navigator), który jest
wykorzystywany do przeglądania plików pomocy programu PSCAD. Program ten jest najczęściej
instalowany jako składnik systemu operacyjnego.
Modelowanie i symulacja systemów elektroenergetycznych
−
kompilator języka FORTRAN. Dostępne są kompilatory komercyjne (np. MS Visual Fortran, Digital
Fortran) oraz kompilatory na licencji GNU. Możliwe jest wykorzystanie uprzednio zainstalowanego
kompilatora, jak i wskazanie w czasie instalacji programu PSCAD, za pomocą odpowiedniej opcji,
konieczności doinstalowania programu kompilatora.
Po pobraniu plików instalacyjnych programu PSCAD, ich rozpakowaniu, należy uruchomić program instalatora
setup.exe i postępować zgodnie ze wskazówkami kreatora instalacji.
Rys. 1. Okno programu PSCAD.
Po uruchomieniu programu PSCAD na ekranie pojawi się okno aplikacji (rys. 1).
3. Menu i okna programu
W pasku tytułu aplikacji wyświetlana jest nazwa i ścieżka dostępu do pliku aktualnego projektu. Poniżej
znajduje się pasek menu rozwijalnego składającego się z następujących pozycji:
File z opcjami tworzenia nowego przypadku (Create new project), zapisywania na dysk (Save)oraz wczytywania
do programu pliku z przypadkiem (Load) oraz drukowania (Print, Page Setup, Printer Setup) i wyjścia z
programu (Exit).
Edit z opcjami kopiowania (Copy), wklejania (Paste), wycinania (Cut ) zaznaczonych obiektów, wyszukiwania
ciągu znaków (Find), zaznaczania wszystkich elementów w przypadku (Select all) oraz eksportu zaznaczonych
elementów (Export) do schowka systemowego lub odrębnego pliku.
View z opcjami odświeżania zawartości okien (Refresh), zmiany rozmiaru wyświetlanych obiektów (Zoom)
podziału okna (Split horizontal, Split vertical) oraz przechodzenia do poszczególnych okien programu (Project,
Message),
Options - możliwość ustawienia opcji programu PSCAD
Window z opcjami sterującymi ułożeniem okien programu i nawigacji między poszczególnymi oknami,
Help z opcjami pomocy do programu.
Poniżej, na pasku narzędziowym znajdują się ikony pozwalające na wywołanie najczęściej wykonywanych
operacji.
Okno Project Tree
zawiera listę aktualnie załadowanych projektów i bibliotek. Nawigacja odbywa się podobnie jak w przypadku
standardowego menedżera plików Eksplorator Windows. Z poziomu okna Project Tree możliwe jest
dokonywanie szeregu operacji. Większość z nich może być wywołana z menu kontekstowego, wywoływanego
przez naciśnięcie prawego klawisza myszy.
Rysunek menu kontekstowego
Modelowanie i symulacja systemów elektroenergetycznych
Rys. 2. Menu kontekstowe programu PSCAD.
Po wybraniu opcji Properties.... wyświetlane jest okno Case properties, w którym za pomocą opcji Runtime
settings możliwe jest określenie parametrów symulacji takich jak m. in.:
Description - krótki opis symulowanego przypadku,
Duration of Run (sec) - okres czasu, dla którego ma być przeprowadzona symulacja,
EMTDC Time Step (us) - wartość kroku dla operacji całkowania numerycznego (w mikrosekundach),
PSCAD Plot Step (us) - wartość kroku czasowego wyprowadzania danych na wykres (w mikrosekundach).
Save channels to disk? - zapisanie wyników symulacji w pliku dyskowym
Rys. 3. Okno programu do określania parametrów symulacji.
Set as Active
Uaktywnienie projektu w celu przeprowadzenia symulacji. Możliwe jest załadowanie większej liczby projektów,
symulacja jednak możliwa jest tylko w przypadku projektu uaktywnionego a jego nazwa wyświetlana jest w
drzewie projektów pogrubioną czcionką (por rys. 2). Dodatkowo informacja jest wyświetlana w pasku tytułu
okna projektu
Pozostałe opcje są odpowiednikami opcji menu File oraz umożliwiają przeglądanie plików, które są tworzone
przez program w czasie kompilacji projektu i obliczeń (View Map File, View Compile Log File, View Mak File)
Modelowanie i symulacja systemów elektroenergetycznych
Okno Message Tree
w oknie tym wyświetlane są informacje dotyczące stanu symulacji, a także ostrzeżenia i błędy, które wystąpiły
w czasie uruchamiania symulacji. Śledzenie zawartości tego okna pozwala na szybką lokalizację błędów danym
projekcie (np. występowanie izolowanych węzłów, odwołania do niepoprawnych lub nie istniejących etykiet,
niepoprawne wartości parametrów modeli elementów).
4. Pozycje standardowej bibliotece elementów.
Standardowa biblioteka elementów ładowana jest standardowo przy uruchomieniu programu. Przeglądanie jej
zawartości jest możliwe w oknie Project Tree poprzez wybranie pozycji Master Component Library. Około 250
modeli elementów pogrupowanych jest w następujące pozycje odpowiednio:
Układy HVDC i FACTS,
Układy przekaźnikowe,
Linie kablowe,
Elementy bierne,
Łączniki,
Modele zwarć,
Maszyny wirujące,
Transformatory,
Modelowanie i symulacja systemów elektroenergetycznych
Linie napowietrzne
Modele różnych elementów
Układy wejścia/wyjścia (elementy sterujące graficznego interfejsu użytkownika)
Układy sekwencyjne,
Układy logiczne,
Funkcje modelujące układy sterujące,
Mierniki (woltomierze, amperomierze, watomierze i in.),
Źródła napięciowe i prądowe
5. Prezentacja wyników symulacji
Dodawanie kanałów i wykresów, obserwacja wykresów symulowanych przebiegów.
Rys. 4. Przykładowy wykres w programie PSCAD.
Wykresy, grafy są specjalnymi obiektami służącymi do interaktywnej prezentacji danych z symulacji zarówno w
czasie symulacji jak i po jej zakończeniu.
Rys. 5. Blok PGB output channel
Aby obserwować przebieg na wykresie należy połączyć z kanał wyjściowy (PGB output channel) z
odpowiednim sygnałem. W celu obserwacji przebiegów napięć lub prądów konieczne jest umieszczenie bloków
woltomierzy i amperomierzy. Następnie używając odpowiednich etykiet o takiej samej nazwie co sygnały, które
chcemy obserwować należy połączyć je z blokami kanałów wyjściowych. Klikając prawym klawiszem myszy
na blok kanału wyjściowego, należy wybrać opcję Input/Output Reference/Add as Curve. Informacja o miejscu
pobierania danych do wykresu zostanie umieszczona w schowku. Następnie prawym klawiszem myszy kliknąć
na pasek tytułu bloku wykresu i wybrać opcję Add Graph i zostanie dodany wykres. Klikając prawym
klawiszem myszy na obszar wykresu i wybierając z menu podręcznego opcję Paste Curve. Możliwe jest w taki
sposób dodanie większej liczby przebiegów do wykresu.
6. Przenoszenie wykresów z programu PSCAD do programu edytora tekstowego MS Word.
Aby przenieść wykresy do programu edytora tekstu należy zaznaczyć odpowiednie wykresy. Następnie za
pomocą opcji Edit->Export->Clipboard skopiować go do schowka systemowego. Po przejściu do programu
edytora, wybierając opcję Edycja-> Wklej można wstawić rysunek z wykresem w wybrane miejsce tekstu.
7. Opis parametrów modeli podstawowych elementów.
Linia przesyłowa modelowana za pomocą czwórnika typu Π.
T-LINE NAME:
Enter Imped./Admit. Data In: per unit, ohms or Surge Impedance / Travel times - wybór sposobu podania
wartości parametrów impedancyjnych linii (w jednostkach względnych, mianowanych, impedancja
udarowa/czasy propagacji).
Nominal PI or Coupled PI Model - wybór między normalnym i sprzężonym modelem typu Π.
Line Rated Frequency - częstotliwość znamionowa linii
Modelowanie i symulacja systemów elektroenergetycznych
Line Length - długość linii
Enter 0 Seq Data, or Estimate - wprowadzenie bądź estymowanie wartości dla składowej zerowej.
Parametry impedancji linii dla składowej zgodnej:
+ve Sequence Resistance - rezystancja jednostkowa linii dla składowej zgodnej,
+ve Sequence Inductive Reactance - reaktancja indukcyjna jednostkowa linii dla składowej zgodnej,
+ve Sequence Capacitive Reactance - - reaktancja pojemnościowa jednostkowa linii dla składowej zgodnej.
UWAGA: wartość jest podawana w MΩm (M-ohms*meters) i nie jest to wartość susceptancji pojemnościowej.
Parametry impedancji linii dla składowej zerowej:
Zero Sequence Resistance - rezystancja jednostkowa linii dla składowej zerowej,
Zero Sequence Inductive Reactance - reaktancja indukcyjna jednostkowa linii dla składowej zerowej,
Zero Sequence Capacitive Reactance - reaktancja indukcyjna jednostkowa linii dla składowej zerowej.
Transformator trójfazowy
Configuration – Konfiguracja,
Transformer Name - nazwa transformatora,
3 Phase Transformer MVA - moc znamionowa transformatora trójfazowego,
Base operation frequency [Hz] - częstotliwość znamionowa,
Winding #1 type - typ uzwojenia pierwotnego (Y - gwiazda; D - trójkąt),
Winding #2 type - typ uzwojenia wtórnego (Y - gwiazda; D - trójkąt),
Positive sequence leackage reactance - reaktancja rozproszenia dla składowej zgodnej,
Ideal Transformer Model [Yes/No] - modelowanie za pomocą modelu transformatora idealnego,
No load losses - straty mocy czynnej w rdzeniu transformatora
Tap changer on winding [Yes/No] - możliwość zmiany przekładni transformatora
Winding Voltages
Winding 1 Line to Line Voltage - napięcie uzwojenia pierwotnego
Winding 2 Line to Line Voltage - napięcie uzwojenia wtórnego
Saturation -zjawisko nasycenia rdzenia
Saturation enabled [Yes/None] - modelowanie zjawiska nasycenia rdzenia,
Saturation placed on winding (#1, #2) - uzwojenie, w którym występuje zjawisko nasycenia rdzenia,
Air core reactance - reaktancja szczeliny powietrznej
In rush decay time constant Knee voltage - napięcie nasycenia rdzenia (napięcie kolana)
Magnetizing current - prąd magnesowania
Odbiory
Odbiory reprezentowane są najczęściej jako impedancje połączone między węzeł odbiorczy i ziemię.