ATP-EMTP在“电力系统分析”教学中的应用

2012-10-12朱学贵付志红

电气电子教学学报 2012年1期

张谦，朱学贵，刘杰，付志红，李新

(重庆大学电气工程学院，重庆400044)

为了增强学生对电力系统知识的掌握，我们在“电力系统分析”课程教学中使用电磁暂态分析程序，使其在学习相关理论知识时更贴近实际。本文基于ATP-EMTP对三相输电线路实际的合闸情况进行仿真分析，通过一个实际系统，加深了学生对电力系统故障的感性认识。

1 ATP软件简介

ATP程序(The Alternative Transients Program)在目前世界上电磁暂态分析程序(EMTP)中应用最为广泛。它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型丰富，主要功能包括电磁暂态分析、稳态分析以及电力电子仿真［1]。

ATP-EMTP配备有图形输入程序ATPDraw，它是一个32位程序，可以在Windows98/NT/2000/XP等系统下运行。ATPDraw作为ATP-EMTP的一个预处理程序，能够最终生成一个格式正确的ATPEMTP的数据输入文件［2]。

EMTP对实际问题的解决思路是，将所有对象都抽象为具有联系的电网络，而程序直接面对的就是具体的电路。程序对电路中各元件的处理有严格的格式规定，其基本思想是用微分方程描述各元件过渡过程中的电压电流关系。例如，对于电感元件，其电压与电流满足下列关系:u=Ldi/dt，对于电容元件则有:i=Cdu/dt。

采用数值解法时，程序将整个暂态过程分成Δt为单位的若干个时间段。在一个计算时段Δt内，将各文件的微分方程转化为相应的差分方程，并将此差分方程等效为已知电流源和等效电阻并联单元。根据电路的实际接线，将这些单元进行连接，实际电路便成为只有电流和纯电阻的网络。对这个网络进行求解，即可得出此时刻各元件的电压电流;以此为初始条件，再依次对下一步长进行递推求解，便可求得整个暂态过程的数值解。计算每进行一步，电流源进行一次新的赋值，只有电路工作点从一段转入另一段时，电阻值才作相应的变化。电路工作点的转换，靠判断电流是否超出本段的上限来控制。如果计算的电流已超出本段上限，便转入下一段继续计算，电阻变为按下一段斜率确定的值。否则，按同一电阻值继续计算。其解的形式可包括节点电压、支路电压和支路电流等［3]。

2 ATP模型的建立

断路器合闸时，三相之间总存在着一定程度的不同期性，线路合闸时断路器动作时间上存在分散性，在一般情况下三相不同期合闸过电压幅值比同期的高。试验表明断路器不同期合闸使得合闸过电压的幅值可以升高30%以上。因此研究空载线路三相不同期合闸过电压，对于确定系统的过电压水平具有重要的作用。

利用ATPDraw建立一个简单的三相线路仿真模型如图1所示［4]，它模拟了一个较为真实的三相输电线路模型。

图1 三相输电线路仿真模型

该模型根据实际情况配置了电源内阻Rs和电感Ls，以及线路电感补偿电容等。RL模块包括线路电阻和线路电感。线路中串联补偿电容能部分补偿线路的电感，使线路末端稳态电压降低。在断路器模型中将开关的闭合和断开过程理想化，采用时控开关模型来考虑各相合闸的不同期。时控开关可以控制三相电路各相接通时间。根据开关不同时刻合闸的顺序，可以展示真实的输电线路启动过程。