行
业
产
品
功
能
北极星电力网技术频道 作者:龚庆武 来文青 吴夙 2010/6/1 15:34:58
摘 要：首先介绍了EMTP和MATLAB各自的特点。然后分别使用EMTP和MATLAB对同一个实际的输电线路模型进行了故障定位仿真，并将两者所得到的结果进行了比较。仿真计算结果显示，MATLAB与EMTP的仿真都能较真实地模拟电磁暂态过程。
关键词：EMTP；MATLAB；故障定位；仿真模型
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。该程序主要用于计算机模拟电力系统电磁暂态过程，程序可以求解包括集中参数的线性和非线性电阻、电感、电容电路，多相π型电路 ，多相分布参数电路，各种类型的开关、变压器、电源以及控制系统等组成的大型电力系统的稳态或暂态过程。此外，凡是可以用电路来模拟的其他系统，如机械系统等的稳态或暂态过程均可以用此程序来计算。
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。
MATLAB(Matrix Laboratory，矩阵实验室)是在70年代后期由美国New Mexico大学计算机系主任Cleve M oler博士创建的。经过20多年的发展，MATLAB日趋完善，它已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件，并且是目前国际上最流行的软件之一。MATLAB被广泛地应用于系统控制、数据分析、信号处理、通信系统、金融系统、工程数学、土木工程、图形可视化等领域。
功能强劲的工具箱是MATLAB的一重大特色。MATLAB包含两部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数，而工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交换功能。功能性工具箱用于多种学科。学科性工具箱专业性比较强。如control toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。本文建模所用到的是学科性工具箱——Blocksets中的Power System Blockset(PSB)模块。
1 EMTP和MATLAB仿真算法
在目前的仿真算法中，电力系统用两部分来描述：一部分是线性电路的状态空间模型，另一部分是线性电路的反馈模型(采用电流注入)，如图1所示。
在线性电路中，状态变量为电容电压和电感电流。输入为电压源和电流源，输出为测量电压和电流。 A 、B、C、D为状态矩阵。
非线性电路采用输入为电压输出为电流的模型，这个电流又重新注入到线性电路状态模型中去。这样，线性电路的状态空间模型输入和输出就形成了一个反馈环。这个方法要求非线性元件的阻值不为零，并且为避免代数环它们至少应有一个状态点。如果愿意忍受慢速仿真的话，Simulink(MATLAB的仿真模块)积分算法可以解决代数环问题。
由于电力系统领域对数字仿真不断增长的需求，数字仿真在过去30年中得到了深入细致的研究。其间对于电力系统的建模和方程的求解，各种各样的方法都被考虑过。已经开发的主要仿真方法有状态变量分析、节点分析、修正节点分析等。EMTP采用的是固定步长积分的节点分析法。对于MATLAB，最新的2.0版本的PSB一个重要特征是：它既能对连续系统又能对离散系统运用可变步长积分算法进行仿真。对中小规模系统由于可变步长算法的步骤数通常比固定步长算法的步骤数要少，所以可变步长算法的速度一般要快一些。而对于包含很多状态或者很多非线性模块，如电力电子开关的电力系统，使之成为离散系统是有好处的。与固定步长算法相比，Simulink的可变步长事件敏感积分算法可以提高电流过零探测的精确度。
2 仿真模型
我们与贵阳市北供电局合作开发了一套故障定位装置。此套故障定位装置现已在贵阳市北供电局的鸡阳一回线路上挂网运行。鸡阳一回为220 kV线路，其全长为65.07 km，线路的两端都有电源。为了验证算法和程序，我们针对鸡阳一回线路进行了仿真。为了得到可信的比较结果并节约仿真时间，输电线路模型与我们采用的算法相一致，即忽略输电线路的电容。这样，输电线路就被简化为耦合的R—L模型。系统模型如图2所示。
2.1 EMTP模型
EMTP模型是在DOS环境下用文本编辑器按照EMTP的格式建成的。EMTP模型的建立具有严格的规定，它由原始数据卡片组(子模块)按顺序排列而成，原始数据的填写必须严格符合行与列的规定。本文所建的模型是由特殊要求卡片组、混杂数据卡片组、支路卡片组、开关卡片组、电源卡片组、输出要求卡片组、绘图卡片组等组成。每2个卡片组之间用空行隔开。用EMTP构建系统模型需把网络拓扑图定义好，对于创建者来说该模型不直观、容易出错。
2.2 MATLAB模型
MATLAB的PSB是一个允许你在Simulink环境里构建和仿真电力系统的图形工具。系统图的构建很简单，只需点击元件并将它们拖至Simulink环境中并连成所需的系统即可。为了使模型更紧凑，可使用创建子系统的方法把几个元件集成在一起。元件的参数输入也很简单，双击该元件后填写对话框即完成，很直观。本文用MATLAB建立了一个和EMTP相同的双端电源模型(如图3所示)。该模型由10个封装模块和其他附属模块组成 ，其中封装模块包括2个电源模块(Em,En)；2个电流测量模块(Mim,Min)；2个电压测量模块(Mum,Mun)；2个输电线模块(translinem,trans linen)；1个对接器模块(DJQ)；1个短路故障设置模块(Breaker)。其他附属模块包括2个合路器模块(Muxm,Muxn)；1个分路器模块(Demux)；2个示波器模块(ScopeU,ScopeI)；2个数据输出模块(To workspacem,To workspacen)。整个系统模型采用的模块比较多，需要填写的参数较多。同时还要注意开关模块的参数设定、仿真计算步长、求解算法等，这些参数对仿真的速度影响很大。用MATLAB构建仿真系统具有直观、方便的优点。
3 仿真结果
3.1 仿真定位计算结果
在建立仿真模型之后就可以进行数字仿真了。
对于EMTP模型而言，在DOS环境下键入命令R WEMTP即可调用EMTP程序，再键入模型名称即可进行仿真。仿真结束后将得到相应的数据文件(两端的电压、电流采样数据)。
表1～3表明，用MATLAB仿真的数据计算得到的定位结果和用EMTP仿真的数据计算得到的定位结果都达到了我们开发装置所要求的精度，并且用MATLAB数据计算得到的定位精度比用EMTP数据计算得到的精度要略为高一些，这与二者仿真计算所采用的初始条件有关。可以说，用MATLAB仿真是完全满足工程要求的。
3.2 仿真波形比较
现在输电线路是分布参数类型的，用EMTP和MATLAB仿真的数据画出在10%处发生A相单相接地时的A相波形，如图4、5所示。图中所示为3个周波的电流、电压波形。故障发生在25 ms时刻。从图中可以看出：EMTP是以0 s时刻电源并网作为初始计算条件的，而MATLAB是以0 s时刻已达稳态作为初始计算条件的。因而EMTP在初始瞬间为过渡过程，而MATLAB在此时为稳态。EMTP中的正弦电源只有在Tstart＜0 s时，在稳态计算中才起作用，程序自动计算正弦稳态解，作为暂态过程计算的初始条件。另外，EMTP的电源是用余弦形式表示的，而MATLAB是用正弦形式表示的。为了在黑白打(EMTP生成的电压向上垂直移动100 kV，电流向上移动1 0 00 A。同时，MATLAB生成的电流波形、电压波形向左平移90°相位角)。
4 结语
EMTP的优点是仿真速度快、数值计算稳定。由于是在DOS环境下，界面不大友好是不可避免的；且建模格式较为严格，一旦出现错误，很难查找纠正。它对初学者来说比较难学，而MATLAB的PSB的出现，使我们有可能避免这些问题。MATLAB的优点是数值计算稳定、界面友好、建模方便。由于在“视窗”环境下，仿真速度比较慢，这是它的不足之处。随着诸多专家的不懈努力，PSB必将不断趋于完善，无论是在教学还是在科研中，PSB必将成为准确、可靠、界面友好、直观、易学的仿真工具。
参考文献
[1］H.W.Dommel.李永庄等译.电力系统电磁暂态计算理论.北京：水利电力出版社，1991.8.
[2］张宜华.精通MATLAB 5.北京：清华大学出版社，1998.
[3］Gilbert Sybille,Patrice Brunelle,Hoang Le-Huy,Louis A.Dessaint,Kamal Al-Haddad.Theory and Application of Power System Blockset,a MATLAB／SimulinkBased Simulation Tool for Power Syst ems,IEEE WM 2000.
[4］Qingwu Gong,Yunpin Chen etc.A Study of the Accurate Fault Location System for Transmissio n Line Using Multiterminal Signals,IEEE WM 2000.
[5］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册.北京：水利电力出版社，1991.
广告直拨： 媒体合作/投稿：陈女士 13693626116
关于北极星 | 广告服务 | 会员服务 | 媒体报道 | 营销方案 | 成功案例 | 招聘服务 | 加入我们 | 网站地图 | 联系我们 | 排行
京ICP证080169号京ICP备09003304号-2
京公网安备11010502034458号电子公告服务专项备案
网络文化经营许可证 [2019] 5229-579号广播电视节目制作经营许可证 (京) 字第13229号出版物经营许可证新出发京批字第直200384号人力资源服务许可证1101052014340号
Copyright © 2022 Bjx.com.cn All Rights Reserved. 北京火山动力网络技术有限公司 版权所有
