ATP-EMTP在“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)中的應(yīng)用

張 謙，朱學(xué)貴，劉 杰，付志紅，李 新

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400044)

為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)知識(shí)的掌握，我們?cè)凇半娏ο到y(tǒng)分析”課程教學(xué)中使用電磁暫態(tài)分析程序，使其在學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)時(shí)更貼近實(shí)際。本文基于ATP-EMTP對(duì)三相輸電線路實(shí)際的合閘情況進(jìn)行仿真分析，通過(guò)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，加深了學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)故障的感性認(rèn)識(shí)。

1 ATP軟件簡(jiǎn)介

ATP程序(The Alternative Transients Program)在目前世界上電磁暫態(tài)分析程序(EMTP)中應(yīng)用最為廣泛。它可以模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和任意結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型豐富，主要功能包括電磁暫態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析以及電力電子仿真［1]。

ATP-EMTP配備有圖形輸入程序ATPDraw，它是一個(gè)32位程序，可以在Windows98/NT/2000/XP等系統(tǒng)下運(yùn)行。ATPDraw作為ATP-EMTP的一個(gè)預(yù)處理程序，能夠最終生成一個(gè)格式正確的ATPEMTP的數(shù)據(jù)輸入文件［2]。

EMTP對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決思路是，將所有對(duì)象都抽象為具有聯(lián)系的電網(wǎng)絡(luò)，而程序直接面對(duì)的就是具體的電路。程序?qū)﹄娐分懈髟奶幚碛袊?yán)格的格式規(guī)定，其基本思想是用微分方程描述各元件過(guò)渡過(guò)程中的電壓電流關(guān)系。例如，對(duì)于電感元件，其電壓與電流滿足下列關(guān)系:u=Ldi/dt，對(duì)于電容元件則有:i=Cdu/dt。

采用數(shù)值解法時(shí)，程序?qū)⒄麄€(gè)暫態(tài)過(guò)程分成Δt為單位的若干個(gè)時(shí)間段。在一個(gè)計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)，將各文件的微分方程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的差分方程，并將此差分方程等效為已知電流源和等效電阻并聯(lián)單元。根據(jù)電路的實(shí)際接線，將這些單元進(jìn)行連接，實(shí)際電路便成為只有電流和純電阻的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解，即可得出此時(shí)刻各元件的電壓電流;以此為初始條件，再依次對(duì)下一步長(zhǎng)進(jìn)行遞推求解，便可求得整個(gè)暫態(tài)過(guò)程的數(shù)值解。計(jì)算每進(jìn)行一步，電流源進(jìn)行一次新的賦值，只有電路工作點(diǎn)從一段轉(zhuǎn)入另一段時(shí)，電阻值才作相應(yīng)的變化。電路工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，靠判斷電流是否超出本段的上限來(lái)控制。如果計(jì)算的電流已超出本段上限，便轉(zhuǎn)入下一段繼續(xù)計(jì)算，電阻變?yōu)榘聪乱欢涡甭蚀_定的值。否則，按同一電阻值繼續(xù)計(jì)算。其解的形式可包括節(jié)點(diǎn)電壓、支路電壓和支路電流等［3]。

2 ATP模型的建立

斷路器合閘時(shí)，三相之間總存在著一定程度的不同期性，線路合閘時(shí)斷路器動(dòng)作時(shí)間上存在分散性，在一般情況下三相不同期合閘過(guò)電壓幅值比同期的高。試驗(yàn)表明斷路器不同期合閘使得合閘過(guò)電壓的幅值可以升高30%以上。因此研究空載線路三相不同期合閘過(guò)電壓，對(duì)于確定系統(tǒng)的過(guò)電壓水平具有重要的作用。

利用ATPDraw建立一個(gè)簡(jiǎn)單的三相線路仿真模型如圖1所示［4]，它模擬了一個(gè)較為真實(shí)的三相輸電線路模型。

圖1 三相輸電線路仿真模型

該模型根據(jù)實(shí)際情況配置了電源內(nèi)阻Rs和電感Ls，以及線路電感補(bǔ)償電容等。RL模塊包括線路電阻和線路電感。線路中串聯(lián)補(bǔ)償電容能部分補(bǔ)償線路的電感，使線路末端穩(wěn)態(tài)電壓降低。在斷路器模型中將開關(guān)的閉合和斷開過(guò)程理想化，采用時(shí)控開關(guān)模型來(lái)考慮各相合閘的不同期。時(shí)控開關(guān)可以控制三相電路各相接通時(shí)間。根據(jù)開關(guān)不同時(shí)刻合閘的順序，可以展示真實(shí)的輸電線路啟動(dòng)過(guò)程。

3 模型仿真與分析

根據(jù)某變電站實(shí)際的輸電線路，設(shè)置仿真模型參數(shù)如下:電源電壓峰值Usm=8165V，電源內(nèi)阻抗Rs=0.022Ω，Ls=0.63mH，線路電阻0.068Ω，自感為20.7mH，線路補(bǔ)償電容63.7μF，中性點(diǎn)對(duì)地的電容為0.2pF。

本文仿真分析主要考慮了理想同期合閘與不同期合閘的比較，以及一相先合、兩相先合以及三相依次合閘等三種不同期合閘情形。

首先考慮理想情況下，三相同時(shí)刻(0s)合閘，設(shè)置仿真時(shí)間0.1s。

圖2中A、B、C分別指示斷路器同時(shí)合閘后電源的三相輸出電壓?？梢钥闯觯硐肭闆r下同期接通三相時(shí)的波形比較平穩(wěn)，幅值也比較接近，因?yàn)殡娐房紤]了線路電容、補(bǔ)償電容和接地電容，所以需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程來(lái)達(dá)到三相對(duì)稱電壓值。

圖2 三根線路同期接通

然而理想情況一般很難出現(xiàn)，所以通常的情況是三相不能同期合閘，即一相先合(其余兩相同時(shí)后合)或者兩相同時(shí)先合(另一相后合)以及三相依次合閘。由于本模型的參數(shù)三相對(duì)稱，所以可以考慮一相先合為A相先合，B、C相后合;兩相先合為A、B相先合，C相后合;三相依次合閘為A、B、C依次順序合閘，來(lái)減少仿真次數(shù)。

圖3為A相先合，B、C相后合(0.1s)仿真輸出電壓。從圖中看出，先合閘的A相電壓相對(duì)穩(wěn)定，在圖中BC指示處B、C兩相合閘前的耦合電壓均達(dá)到了一個(gè)很高值，最高的電壓接近15kV，而電源峰值為8165V，接近峰值電壓2倍，這是線路保護(hù)必須考慮的實(shí)際問(wèn)題。

圖3 一相先合的三相電壓

對(duì)于兩相同時(shí)先合一相后合的情況，如圖4所示，A、B相先合，其電壓比較平穩(wěn)，而C相在合閘(0.1s)前線路中已經(jīng)出現(xiàn)了一定的電壓，幅值不高，不會(huì)造成線路保護(hù)的誤動(dòng)。

圖4 兩相先合的三相電壓

三相依次合閘的情況如圖5所示，B相(0.1s)和C相(0.2s)都出現(xiàn)了較高的過(guò)電壓，更加符合實(shí)際合閘情形。

圖5 三相依次合閘的三相電壓

4 結(jié)語(yǔ)

ATP-EMTP仿真軟件適用于研究大電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程。“電力系統(tǒng)分析”課程中不少較難理解的知識(shí)點(diǎn)，都可以借助ATP-EMTP仿真來(lái)形象化地理解和應(yīng)用。ATP-EMTP作為電力系統(tǒng)仿真的一種重要工具，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，也增強(qiáng)了學(xué)生的興趣和對(duì)課本知識(shí)的理解，同時(shí)為解決實(shí)際問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

［1] 顧丹珍，艾芊，陳陳等.基于ATP-EMTP的大型電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真［J] .南京:電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(21):54-56.

［2] 齊超.基于信號(hào)注入的小電流接地系統(tǒng)離線故障定位研究［D] .北京:華北電力大學(xué)，2009.

［3] 韓麗娜，楊志堅(jiān)，李虎.ATP-EMTP在500kV配電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J] .哈爾濱:電測(cè)與儀表，2005，42(12):14-17.、

［4] 李新，許中，席世友等.不對(duì)稱耦合電感對(duì)三相電路暫態(tài)過(guò)程影響分析［J] .武漢:高電壓技術(shù)，2010，36(3):666-671.