ATP-EMTP在500kV配电系统中的应用

ATP-EMTP在500kV配电系统中的应用韩丽娜,杨志坚,李虎(山东大学电气工程学院,济南250061)摘要:随着电力系统的发展、计算机的普及和计算能力的不断提高,电力系统数字仿真已成为电力系统试验研究、规划设计和调度运行的重要工具。本文介绍了电力系统经常使用的电磁暂态仿真软件EMTP的发展、原理、结构和应用,并对其使用方法做了详细介绍。关键词:电力系统仿真软件?BPABEMTPBATP-EMTP中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1001-1390(2005)12-0014-04HANLi-na,YANGZhi-jian,LIHu(SchoolofElectricalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)Abstract:Becausethemodernpowersystemscaleislargerandlargerandthevoltagerankishigherandhigherthecomplexityoflayout,operationandcontrolforpowersystemisenhancedincreasingly.Theapplicationsofpowersystemsimulationsoftwarearewidelyandwidelyintheproductionandresearchofpowersystem.Thedevelop-ment,OperatingPrinciples,structureandapplicationsofmainlyATP-EMTPsoftwarearediscussedinthispaper.Finallyitrecommendshowtousethispowersystemsimula-tionsoftware.Keywords:powersystemsimulationsoftwareBBPABEMTPBATP-EMTPApplicationofElectromagneticTransientsPrograminthePowerSystem0引言目前,由于社会对能源需求的增长,电力系统的规模不断庞大,其运行也随之愈加复杂,发生的事故越来越难以用传统的分析方法进行预测。另外,新的电气研究也需做各种试验,但无论从现有技术上还是从供电的可靠性及设备的安全性考虑,直接在实际的电力系统中进行科学研究,可能性很小,因此,运用电力系统仿真技术成为迫切的需要。电力系统仿真就是通过在数字计算机上建立适当的数学模型来模拟电力系统物理过程的一种研究方法,由于实际电力网络拓扑系统变得越来越复杂,于是,掌握模拟仿真计算软件就变得越来越重要,随着计算机技术的不断发展,电力系统仿真软件已成为电力系统工作者进行电力系统规划、保护、调度及故障研究的重要工具。数字仿真因具有投资小、功耗低、占场地少,具有较强的灵活性和扩充性,试验重复性好和自动化程度高等优点而被广泛使用。目前,电力系统仿真软件主要有BPA、EMTP、PSCADaEMTDC、NETOMAC和PSASP等,其中,电磁暂态程序EMTP在电力系统应用最为广泛。1电磁暂态程序(EMTP)的发展目前,普遍采用的电磁暂态仿真程序(Electro-magneticTransientsProgram,简称EMTP)是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟,主要用于计算电力系统中的电磁暂态过程。ATP-EMTP程序是在原美国邦纳维尔电力局(BPA)编制的电磁暂态程序EMTP基础上由W.SxottMeyer等开发完善形成的。ATP-EMTP程序是目前世界上电磁暂态分析程序(EMTP)使用最为广泛的一个版本,该程序几乎可为世界上的每一个人所免费使用,并可在大多数类型的计算机上运行。现已有许多-14-期电测与仪表Vol.42No.4802005年第12期ElectricalMeasurement&InstrumentationDec.2005国家使用该程序进行电力系统各种暂态过程的研究。它在世界范围内有许多用户,特别是最近开发的图形输入程序ATPDraw--通过绘电路图,在界面上输入数据,借助微机建立数据文件,使用非常方便。当今,在世界上已有多个ATP-EMTP程序的用户协会,这些用户协会通常是按地域划分的,主要有加拿大B美国EMTP用户协会(CAEUG)、欧洲用户协会(EEUG)、日本用户协会、韩国用户协会以及台湾地区的用户协会等。表面上,获得ATPEMTP不要费用,但用户必须买他们的使用手册及相关资料并要书写不做商业目的保证书,才能得到口令,并从网上下载。我国于1980年初在水电部计算机办公室的领导下,从美国BPA公司引进了EMTP程序,1988年又通过电力部引进了微机版电磁暂态计算程序ATP。中国电力科学研究院对该程序进行了调试、修改以及功能二次开发,并且在全国范围内推广使用,完善了中文使用说明及相关技术资料,编制了人机会话式数据输入程序及ATP工作环境软件包,提供了与用户友好的人机界面。2电磁暂态程序(EMTP)的操作原理与结构电磁暂态程序EMTP的操作原理是∶综合化的梯形规则用来解决在时间界域系统成份中的微分方程;可用稳态相量解法自动地确定非零的初状态,对于较简单的状态,用户可以自己输入数据;对于程序模块TACS(控制系统暂态分析)和MODELS(仿真语言)的界面功能可处理控制系统和含有非线性特征成份的模型;允许对称或不对称干扰,譬如故障,雷电冲击,任一种开关操作包括阀门的换向;使用频率扫描特点可计算相量网络频率特性;使用谐波频率扫瞄(谐波电流注入方法)分析频域谐波;即使没有任一个电网络,TACS和MODELS控制系统模型也可仿真动态系统。电磁暂态程序(EMTP)的结构如图1所示,它由辅助支持子程序部分及仿真程序部分组成。其中,通用描述语言MODELS在ATP-EMTP中的作用可归纳为如下几个方面:(1)开发电路和控制元件模型的工具,这种电路和控制元件模型难以用ATP和TACS中现有元件模型来实现;(2)程序语言的灵活性而不需要在编程级(pro-gramminglevel)上与ATP程序相互作用;(3)叙述元件是如何运行的,以及元件的初始状态是如何建立的;(4)模拟级(modelinglevel)上,通过电压、电流和控制信号建立与ATP的标准程序接口,而不需要在编程级上通过变量、公用数据区和子程序与ATP相接口,这使得将ATP与外部程序相连接时不必知道ATP内部是如何运行的,也不必改变ATP的源程序。控制系统TASC是一个在时间领域的仿真模块。它开始是为HVDC交换器控制开发的模块。TACS用来表示控制系统的结构图,也可作仿真用。主要用在HVDC交换器控制、同步电机励磁系统、电力电子学和驱动器、电弧(开关和故障电弧)。信号的交换确定电力网络和TACS之间的界面,譬如结点电压、开关电流、开关状态、时变电阻、电压和电流来源等。3ATP-EMTP的数学模型电力系统包含有电机、变压器、输电线路、电缆、断路器、电抗器、电容器组、逆变器组、互感器、避雷器等设备,它们在结构、功能和特性上千差万别,但从电路的角度来讲,除电源外,都可以用R,L,C来表征它们的这些功能和特征。如果该系统处于稳定状态下运行,那么,设备上的电压和电流的关系是确定的,表示某一设备的特性也将是确定的。但当系统发生能量分配状态改变时,即从一种能量分配状态过渡到另一种能量分配状态,我们说发生了暂-15-期电测与仪表Vol.42No.4802005年第12期ElectricalMeasurement&InstrumentationDec.2005态过程----电磁暂态。在电磁暂态过程中,由于储能元件L、C的存在,电压、电流在传输线上的传播,使得某些设备上出现高电压或大电流(即过电压或过电流),从而,给电力系统的电气设备带来危害。目前,ATP-EMTP的数学模型包括如下几种:(1)集总参数电阻R、电感L和电容C;(2)多相PI等值电路;(3)多相分布参数输电线路;(4)非线性电阻;(5)非线性电感器(既可模拟常规的单值特性曲线,也可包括剩磁和磁滞);(6)时变电阻(可模拟各种类型的电弧);(7)具有各种类型的开关(时控,气控等),可用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的改变,二极管和晶闸管也包括在内。(8)电压和电流源。除了标准的数学函数(正弦脉冲阶、跃斜角等十多种函数)波形外,用户可用FORTRAN或TACS来定义波形,也可以通过逐点给出随时间变化的函数,来确定电源。(9)动态旋转电机。除了模拟最常用的三相同步电机外,还可模拟单相、二相和三相感应电机和直流电机。它与TACS控制系统模型相联接,便可模拟电压调节器和调速器等的动态特性。(10)控制系统可以用TACS(TransientAnalysisofControlSystems)来实现,允许不同种类的非线性和逻辑运算。控制系统的输入和输出可以和EMTP的电网络相接口。4EMTP的典型应用EMTP主要用于电力系统电磁暂态计算、谐振过电压计算和机电暂态计算。其中,电磁暂态计算包括电力系统暂态过电压分析、暂态保护装置的综合选择、高压并联电抗器的选择及氧化锌避雷器选择等;电力系统的谐振过电压计算包括计算由于磁饱和元件造成的铁磁谐振问题;机电暂态计算包括汽轮发电机的轴系扭振问题和发电机组的次同步振荡问题等。其典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后所需的变量随时间变化的规律,将EMTP的稳态分析和电磁暂态分析相结合,可以作为电力系统谐波分析的有力工具。另外,EMTP程序也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。下面以一个简单网络的500kv配电系统为例介绍ATP-EMTP的使用方法。例子中,线路模型是用LINECONSTAN(线路参数计算子程序)以50Hz计算出的Π型等效线路模型,其电路图如图2所示。打开ATPDraw程序后,用户便可根据自己的需要按下列步骤创建完整的仿真模型电路:第一步,点击File下的new项,以建成一个新的电路窗口文件。第二步,在新建的空白页中单击鼠标右键,就会出现一个元件选择菜单,点击所需元件,其模型的图标就会出现在新建的电路窗口文件中。第三步,给元件赋值。双击选出的元件图标,即可弹出添加参数的对话框,参数修改完后点击ok键即可保存赋值。最后一步,给节点赋值。所有节点都有默认名,但由于在PCPLOT中只显示重新命名节点处的仿真图形,所以,只需给重要的节点重新命名,以便在此节点处放置电压或电流探测器测量所需数据。图3为所完成的ATPDraw电路图。其中,电源为500kv的三相交流电源,电压源振幅Amp=500。线路三相开关和Π型线路连接,其开关转换时间:A相为33.33ms,B相为36.10ms,C相为38.80ms。三相对地电容都是2.51μF,电容开关的转换时间:A相为133.33ms,B相为136.10ms,C相为138.80ms。ATPDraw的LINECONSTANTS支持程序会计算出Π型电路R-L-C数据,在LINEΠ图标上点击鼠标右键弹出参数对话框,添加参数如下:R11=474.76Ω,R21=353.81Ω,R22=315.13Ω,R31=442.02Ω,R32=353.81Ω,R33=474.76Ω;L11=288.8mH,L21=71.35mH,L22=266.15mH,L31=73.45mH,L32=71.35mH,L33=288.8mH;C11=2.3224μF,C21=-0.3637μF,C22=2.3684μF,C31=-0.2725F,C32=-0.3637μF,C33=2.3224μF。完成电路图后,点击ATP|Setting项可弹出对话框,选择Simulation菜单项可改变默认值。然后,点击ATP|runATP项即可生成EMTP仿真所需的输入数据文件。然后,在PCPLOT中打开P.Pl4类型的文件,将会弹出一个选择节点的对话框,在测量类型(电压、电流、功率等)下