[信息与通信]基于ATPDraw的电网故障仿真平台设计.doc
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1、中文摘要摘 要随着社会对能源需求的增长和发电技术的进步,电力网络拓扑系统越来越复杂,运行难度也随之增加,而且发生的故障也难以用传统的分析方法进行预测,从而使得电力系统分析和仿真技术成为电力系统规划、设计、运行、分析及改造等过程中不可缺少的工具和手段。 本文首先介绍了电力系统仿真的必要性,简要对电磁暂态程序ATP-EMTP和MATLAB进行了说明,然后对电力系统中发生的各种短路故障进行了数学分析,并在此基础上创建了基于ATPDraw和MATLAB仿真软件的故障仿真平台,利用电磁暂态程序的图形输入功能和MATLAB强大的计算功能和编程技术,绘制故障仿真波形图,从而为进一步分析提供依据。该方案通过设
2、置不同的参数,可以对单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相接地短路进行仿真,绘制出各种故障发生时的电压、电流的波形。 关键词: 电力系统; ATP-EMTP; MATLAB; ATPDrawIABSTRACTABSTRACTAlong with the growth of energy demand and the technological progresses of power generation, topology for power system is becoming more and more comlex, the difficulty of operation is al
3、so increasing,furthermore,it makes hard to predict by traditional analysis method for the fault,and Power System Analysis and Simulation Technology become indispensable tools and instruments in the power systems planning, design, operation, analysis and transformation. The paper introduces the neces
4、sity of power system simulation in the first instance,and briefly describes the illustrations of ATP and MATLAB,then implements mathematical analysis for all kinds of faults, besides based on this and according to the ATP and MATLAB,we create the platform of fault simulation,using the EMTP which has
5、 the input function of graph and the MATLAB which has the powerful calculation and the programming technology, in order to provide evidence for analysis.This scheme could simulate the single-phase earth fault,two-phase short circuit,two-phase earth short circuit,three-phase short circuit , drawing u
6、p various voltage and current waveform of faults by setting different parametersKeywords: power system; ATP-EMTP; MATLAB; ATPDrawII目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1 电力系统仿真的必要性11.2 ATP-EMTP及MATLAB的发展概况11.2.1 ATP-EMTP的发展11.2.2 MATLAB的发展史21.3 本课题的主要工作及研究意义3第二章 仿真软件ATP-EMTP及MATLAB简介42.1 电磁暂态程序ATP-EM
7、TP42.1.1 电磁暂态程序(ATP-EMTP)的数学模型42.1.2 ATP-EMTP的功能42.2 ATPDraw程序的使用652.2.1 ATPDraw程序的基本操作52.2.2 ATPDraw程序的基本元件72.3 图像处理软件MATLAB14第三章 电力系统故障仿真平台的建立183.1 单相故障边界条件分析183.2 两相故障边界条件分析183.3 三相短路故障分析193.4 故障仿真平台203.4.1 通用故障等效电路分析203.4.2 创建ATPDraw故障仿真平台21第四章 电力系统故障仿真分析254.1 单相故障仿真分析254.1.1. A相直接接地故障254.1.2. A
8、相经阻抗接地284.2 两相故障仿真分析304.2.1. B、C两相直接短路故障304.2.2. B、C两相短路直接接地故障334.2.3. B、C两相经阻抗短路接地故障354.3 三相短路故障仿真分析38结 论41参 考 文 献42致 谢433第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 电力系统仿真的必要性随着经济的快速发展,社会对能源需求迅速增长,导致电力系统规模不断扩大,成为一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统,其运行非常复杂,发生的事故也越来越难以用传统的分析方式进行预测。在2003年,美国加州东北部电网大面积停电事故给美国造成了巨大的经济损失,给全球的电力行业敲响了警钟,提醒人们,在
9、规划和建设电力系统时,同时要对各种预想情况进行模拟,以防止各种事故的发生。因此,为了保证电力系统的安全运行,必须使用正确的电力系统仿真软件对电力系统进行仿真。电力系统仿真技术是系统仿真技术在电力系统上的具体应用。它是指对电力系统的物理过程建立数学模型,并建立适用于计算机的仿真模型,然后选择适当的数值计算方法和编制仿真程序,在计算机上进行试验、研究或培训的过程。统计分析表明,通过适当的仿真能够发现电力系统在产品实现过程中50%的设计错误,因此仿真在产品设计和生产中,起着很重要的作用,可以缩短生产周期,降低生产成本。越是较复杂的仿真工具,越能更实际的反映电路系统,发现的设计错误也越多,对电路设计就
10、越有帮助。目前,国内外主要的仿真应用软件有:加拿大UBC开发的电力系统分析程序EMTP;由国家电力科学院开发的基于DOS系统的电力系统分析综合程序PSASP;德国西门子公司开发的NETOMAC(network torsion machine control)电力系统仿真软件;Mathworks公司开发的MATLAB(7.0版本)中所包含的PSB(Power System Blockset)工具箱;美国电力公司(PTI)开发的PSSE(Power System Simulation for engineering)电力系统工程仿真软件1。1.2 ATP-EMTP及MATLAB的发展概况1.2.1
11、 ATP-EMTP的发展EMTP(Electromagnetic Transients Program)即电磁暂态分析程序,最初是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学(UBC)的H.W.Dommel教授创立的,而后又经很多专家共同努力而日臻完善。 EMTP程序具有规模大、功能强、模拟真实等优点,目前在我国高等学校、科研、设计和制造等部门都得到了广泛的应用,并在一些国家级重点项目的研究中都已使用EMTP程序。在1984年以前的十多年里,属于美国能源部的邦维尔电管局(BPA)主导了EMTP程序的开发工作,它在人力和财力上对EMTP程序的开发工作给予了极大的支持。当时的工作属于公共域内(public-dom
12、ainwork),其成果可以免费提供给任何一个感兴趣的团体。1984年以后,EMTP程序主要分为两支,一支以DCG (EMTP Development Coordination Group,1982年由北美6个大型电力机构组成)、EPRI(美国电力科学研究院)为代表,试图将EMTP程序商业化(以下称其为商业化的EMTP);另一支即ATPEMTP,它继续保持EMTP程序的可免费使用性,但为了防止其成果被商业化的EMTP所利用,ATPEMTP不属于公共域内。1984年初,DCG的工作已对免费使用EMTP构成威胁,原BPAEMTP的开发者之一Dr.W.ScottMeyer为了维护EMTP的可免费使用
13、性,1984年23月份,终止了12年的EMTP开发合同,将他所有的业余时间用来开发一个富有生命力的替代程序,ATP程序正式诞生于1984年秋。到目前为止,在世界上已形成了多个ATP-EMTP程序的用户协会,这些用户协会通常按地域划分,包括加拿大/美国EMTP用户协会(Canadian/American EMTP User Group)、拉丁美洲EMTP用户协会(Latin American EMTP User Group)、欧洲EMTP用户协会(European ATP-EMTP User Group)、澳大利亚EMTP用户协会、南非EMTP用户协会、日本EMTP用户协会(Japanese A
14、TP User Group )、韩国EMTP委员会(Korean EMTP Committee)以及中国台湾EMTP用户协会(包括香港和新加坡)2。1.2.2 MATLAB的发展史MATLAB名称是由两个英文单词Matrix和Laboratory的前三个字母组成。20世纪70年代后期,美国新墨西哥大学计算机系主任Cleve Moler教授为了便于教学,减轻学生编写Fortran程序的负担,为两个矩阵运算软件包Linpack和Eispack编写了接口程序,这也许就算是MATLAB的第一个版本。1984年,在Jack Little的建议推动下,由Little、Morle、Steve Bangert
15、三人合作,成立了MathWorks公司,同时把MATLAB正式推向市场。从那时开始,MATLAB的源代码采用C语言,除加强了原有的数值计算能力外,还增加了数据图形的可视化功能。1993年,MathWorks公司推出了MATLAB的4.0版本,系统平台由DOS改为Windows,推出了功能强大的、可视化的、交互环境的用于模拟非线性动态系统的工具Simulink,为MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发提供了组件。1997年,MathWorks公司推出了MATLAB的5.0版本,紧接着产生了5.1、5.2版本,至1999年MATLAB发展到5.3版本,在很多方面进一步改进了MATLAB的功能
16、,随之推出全新版本Simulink3.0也达到了很高的档次。2000年10月推出的MATLAB6.0版本,在操作面上有了很大改观,同时还给出了程序发布窗口、历史信息窗口和变量管理窗口等,为用户提供了极大的方便。2001年6月,MATLAB6.1版即Simulink4.1版问世,功能已经十分强大,其虚拟显示工具箱更给仿真结果在三维视景下显示带来了新的解决方案。2003年6月推出了MATLAB Release13,即MATLAB6.5/Simulink5.0,在核心数值算法、界面设计、外部接口和应用桌面等诸多方面有了极大的改进;2004年9月正式推出MATLAB Release14,即MATLAB
17、7.0/Simulink6.0,其功能在原有的基础上又有了进一步的改进,是MATLAB目前最新的版本。MATLAB经过二十多年的研究与不断完善,现已成为国际上最流行的科学计算与工程计算软件工具之一,成为一种具有广泛应用前景的、全新的计算机高级编程语言。自20世纪90年代以来,在美国和欧洲的在大部分大学里,MATLAB成为学生所必须掌握的基本软件之一。在国际学术界,MATLAB被确认为最准确可靠的科学计算标准软件3。1.3 本课题的主要工作及研究意义本文研究的是如何在电力系统暂态过程实时仿真中实现电磁暂态程序(EMTP)和MATLAB的结合。本文主要内容有如下几个方面:(1)电力系统仿真的必要性
18、,ATP和MATLAB的发展历程;(2)有关电磁暂态程序(ATP-EMTP)的功能,图形输入程序ATPDraw的使用;有关MATLAB的功能特点,绘图功能,尤其是plot绘图函数;(3)对各种类型故障进行数学分析;(4)分析不同类型故障的仿真结果。本文要分析的故障类型主要有:单相接地短路、两相相间短路、两相接地短路、三相短路等情况。其基本过程为:首先利用ATPDraw绘制仿真模型,然后对所要仿真的暂态过程进行离线计算,获得数据,并将数据按规定的格式生成仿真用的数据文件;然后将所得的数据送入MATLAB环境,对仿真的结果进行进一步的分析处理本文的研究意义是通过图形输入程序ATPDraw建立一个各
19、种故障通用的仿真平台,只需在ATPDraw界面上改变相应元件的参数,借助微机建立数据文件,就可以仿真各种短路故障,无需更改元件或者在模拟仿真不同故障时,更换元件或重新建立不同的物理模型,使用起来非常方便,节省了时间。第二章 仿真软件ATP-EMTP及MATLAB简介第二章 仿真软件ATP-EMTP及MATLAB简介2.1 电磁暂态程序ATP-EMTP2.1.1 电磁暂态程序(ATP-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
20、这些功能和特征。目前,ATPEMTP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,这里v-i特性曲线是单值的;(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;(7)开关,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波形外,用户还可用FORTRAN或TACS来定义波形;(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,从而可模拟电压调
21、节器和调速器等的动态特性。(10)控制系统可以用TACS(Transient Analysis of Control Systems)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。WatcomATP-EMTP是一个真正的32位Windows应用程序,可以在Win9X/NT/2000/XP下运行,不能在Windows3.x下运行。它的图形输出工具是PCPLOT和PLOTXY。ATP-EMTP还配备有图形输入程序ATPDraw,本文中使用的是ATPDraw4.2。ATPDraw4.2是一个32位程序,可以在Windows9X/NT/2000/XP下运行。
22、ATPDraw作为ATP-EMTP的一个前处理程序,最终生成一个格式正确的ATP-EMTP的数据输入文件。ATPDraw支持70个标准元件和28个TACS模块,同时也支持MODELS,用户可以根据自己的需要创建所需要的电路模块4。2.1.2 ATP-EMTP的功能EMTP程序的基本功能是进行电力系统仿真计算,典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴趣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。同时,EMTP还可以用来计算单相或多相网络如:(1)在某一频率电源作用下
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