直流串級電路充放電演示軟件開發(fā)和應(yīng)用

徐志鈕

(華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003)

“高電壓技術(shù)”是電氣工程專業(yè)的一門核心課程[1]。該課程中，關(guān)鍵的介電、導(dǎo)電和電氣強(qiáng)度參數(shù)的確定通常需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得，這決定了高電壓實(shí)驗(yàn)部分的學(xué)習(xí)非常關(guān)鍵。直流高電壓串級發(fā)生器充放電過程的講解是課程學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一，學(xué)生普遍反映不易理解。為了提高教學(xué)效果，本文基于電磁暫態(tài)仿真軟件ATP(Alternative Transients Program)和可視化編程軟件C Builder開發(fā)了一套直流高電壓串級電路(發(fā)生器)充放電過程演示軟件[2，3]。該軟件能清晰地顯示硅堆及回路的導(dǎo)通和截止情況，給出各點(diǎn)電位以供參考，同時(shí)能提供不同的演示模式和演示速度，有利于提高直流高電壓串級發(fā)生器的充放電過程的教學(xué)效果。

1 軟件介紹及選擇

1.1 仿真軟件

軟件仿真要獲得直流高電壓串級發(fā)生器在充放電過程中各點(diǎn)電位隨時(shí)間的變化情況，屬于電磁暫態(tài)仿真問題。目前常用的電磁暫態(tài)仿真軟件主要有ATP和 Matlab的 Simulink[4]。前者的核心模塊是EMTP(Electromagnetic Transients Program)，由美國能源部邦維爾電管局主導(dǎo)開發(fā)。ATP中提供了電磁暫態(tài)建模需要的各種電源、元器件和測量手段，也提供了計(jì)算結(jié)果的圖形化顯示和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。同時(shí)，由于其采用了圖形化預(yù)處理軟件ATPDraw，可以采用鼠標(biāo)拖拉方式構(gòu)建ATP的輸入文件，建模仿真較為方便。

Simulink是依托于Matlab平臺的重要組件，它是一個(gè)優(yōu)秀的多功能仿真平臺。與ATP類似，Simulink采用鼠標(biāo)拖拉方式實(shí)現(xiàn)快速建模，同時(shí)建模結(jié)果的顯示和導(dǎo)出也非常方便。兩個(gè)軟件均可以實(shí)現(xiàn)直流高壓串級發(fā)生器充放電過程的仿真計(jì)算，但二者具有各自不同特點(diǎn)。

ATP采用梯形積分去求解電磁暫態(tài)問題中的微分方程，而且自從1984年開發(fā)以來已經(jīng)被廣泛使用了近30年，利用它，科研工作者已經(jīng)發(fā)表了數(shù)以萬計(jì)的論文，其計(jì)算結(jié)果的可靠性已經(jīng)被廣大用戶所接受。由于求解算法已經(jīng)固定，無需用戶在求解算法上進(jìn)行選擇，建模仿真比較簡單易用且計(jì)算速度較快。不足之處是該軟件并不提供易用的編程開發(fā)環(huán)境，導(dǎo)致無論是數(shù)據(jù)的圖形化顯示還是計(jì)算結(jié)果的導(dǎo)出，可以靈活變通的手段不多，某些情況下會導(dǎo)致圖形顯示效果不佳，數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式不能令人滿意、速度太慢，甚至?xí)?dǎo)出失敗。

Simulink具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)其靈活性遠(yuǎn)強(qiáng)于ATP，比如Simulink建模時(shí)可以產(chǎn)生任意需要的波形，而ATP要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能就比較難。Simulink的仿真結(jié)果可以方便地在Matlab平臺下顯示，比如調(diào)整線條樣式、顏色、字體大小和加標(biāo)注等實(shí)現(xiàn)非常容易，在ATP環(huán)境下幾乎不可能做到這些功能。

(2)仿真結(jié)果導(dǎo)出方式非常靈活，可以編程存儲為各種格式的文件，可以存儲結(jié)果中任意一段的數(shù)據(jù)而非全部存儲，而ATP的存儲格式比較單調(diào)，幾乎不具備編程實(shí)現(xiàn)存儲的能力，雖然也可以存儲其中一段數(shù)據(jù)，但也需要讀入全部數(shù)據(jù)，對于大數(shù)據(jù)量情況比較費(fèi)時(shí)。

Simulink存在以下不足:

(1)能仿真的對象并非限于電磁暫態(tài)問題，因此，它不如ATP專業(yè)，通常來說，業(yè)內(nèi)對它所得結(jié)果的認(rèn)可度要低于ATP。

(2)雖然提供了很多種算法供用戶選擇，比如算法類型有變步長和固定步長兩種，而針對變步長的求解器又有離散、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb，針對固定步長的求解器就有離散、ode5、ode4、ode3、ode2、ode1 和 ode14x。若使用Matlab7.1用戶，尤其是初學(xué)者很難知道待求解問題應(yīng)該選擇哪種算法，如果選擇不合適可能會導(dǎo)致求解失敗、計(jì)算速度太慢或計(jì)算結(jié)果誤差偏大。

綜上考慮，本文直流高電壓串級發(fā)生器的仿真采用ATP。

1.2 可視化編程軟件

可視化編程軟件的作用是形象顯示仿真軟件得到的直流高電壓串級發(fā)生器各點(diǎn)電位隨時(shí)間的變化，由此進(jìn)一步顯示不同階段各硅堆的導(dǎo)通和截止情況，同時(shí)提供相關(guān)控件以實(shí)現(xiàn)用戶對演示過程的控制。目前主流的可視化編程軟件，包括Visual Basic、Visual C、Delphi和 CBuilder等。Visual Basic和Delphi雖然開發(fā)速度較快，但是它們的基礎(chǔ)語言Basic和Pascal流行程度遠(yuǎn)小于C語言和C語言。Visual C雖然是基于C語言，也是可視化的開發(fā)界面、軟件功能也非常強(qiáng)大，比較適合于開發(fā)系統(tǒng)軟件，但上手較慢。CBuilder既采用了非常流行的C語言，上手較快，開發(fā)速度也較快。因此，在本文中選擇它作為開發(fā)演示軟件。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 建模

待建模的直流高壓串級發(fā)生器如圖1所示，考慮到級數(shù)太多時(shí)信息量過大，未必有利于讀者理解電路的充放電原理，因此選擇了4級。該電路在ATP中的建模結(jié)果如圖2所示。

圖1 直流高電壓串級發(fā)生器圖2直流高電壓發(fā)生器建模

相關(guān)參數(shù)如下:模型中所有電容值都相等為1μF;電源電壓 u(t)=Acos(2πft+ φ)，其中 A 為100kV，f=50 Hz，φ =-180°;負(fù)載電阻值為10MΩ;為了使仿真結(jié)果正常還需要在與電源直接相連的電容上串聯(lián)一個(gè)非常小的電阻，阻值為0.05Ω;仿真時(shí)間設(shè)置為0～4s。

2.2 仿真結(jié)果

在整個(gè)仿真時(shí)間段內(nèi)，該發(fā)生器在ATP中仿真得到電源電壓、輸出電壓和1'點(diǎn)電位如圖3(a)所示。在最后2個(gè)工頻周期內(nèi)輸出電壓如圖3(b)所示。

由圖3(a)可知，隨著仿真時(shí)間(充放電時(shí)間)的增加，各點(diǎn)電位值逐漸趨于穩(wěn)定，前2s范圍內(nèi)各點(diǎn)電位變化還較為顯著，到3s時(shí)各點(diǎn)電位趨于穩(wěn)態(tài)。因此，本文設(shè)置的仿真時(shí)長為4s能保證得到良好的穩(wěn)態(tài)結(jié)果。為了顯示仿真得到輸出電壓情況，在圖4中并不顯示電源電位和1'點(diǎn)電位。顯然，得到的輸出電位與理論的情況比較吻合，一個(gè)完整周期內(nèi)對于右柱電容存在放電-充電-放電-快速放電4個(gè)環(huán)節(jié)[1]，即在負(fù)載電阻較大時(shí)紋波因數(shù)較小，本例僅為1.90%。

圖3 ATP仿真結(jié)果

2.3 仿真結(jié)果分析

由于本次仿真點(diǎn)數(shù)為4M，而且每個(gè)仿真點(diǎn)需要記錄17個(gè)數(shù)據(jù)，包括9個(gè)點(diǎn)的電位數(shù)據(jù)及8個(gè)電容器上電壓數(shù)據(jù)，共計(jì)68M數(shù)據(jù)。本文嘗試使用Pl42mat.exe將計(jì)算結(jié)果的pl4文件存儲為Matlab能識別的mat文件，由于數(shù)據(jù)量太大在本機(jī)運(yùn)行時(shí)并不能得到對應(yīng)的mat文件。為了導(dǎo)出最后一個(gè)周期的電位數(shù)據(jù)文件，使用了 ATPLnch.exe中的“PL4-＞CSV”將pl4文件存儲為csv文件的功能，時(shí)間段選擇為3.98s到4.00s。當(dāng)然執(zhí)行該操作需要耗時(shí)數(shù)分鐘。

以上csv文件中存儲的電位數(shù)據(jù)需要在演示軟件中讀入，在C++Builder中可以采用對象連接與嵌入OLE(Object Linking and Embedding)方式讀入csv文件，但速度偏慢。為此，將此csv文件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，然后在Matlab中將這些數(shù)據(jù)以二進(jìn)制浮點(diǎn)格式存儲入data.dat中，在演示軟件中僅讀入data.dat中數(shù)據(jù)，速度較快。同時(shí)由于舍棄了無用的8個(gè)電容器電壓數(shù)據(jù)而僅保留了9個(gè)點(diǎn)的電位數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)存儲格式更為緊湊，文件大小也由4190kB變?yōu)榱?04kB。

3 演示軟件實(shí)現(xiàn)及效果展示

3.1 演示軟件編程界面

在C++Builder6.0中實(shí)現(xiàn)的演示軟件的編程界面如圖4所示。左側(cè)為TImage控件，用于顯示串級發(fā)生器原理圖。右側(cè)中部為2個(gè)TChart控件，分別用于顯示發(fā)生器輸出電壓U10和電源電壓U0'0。它們的下面為TrackBar控件，用于顯示/控制仿真進(jìn)度(時(shí)刻)。右側(cè)上部為2個(gè)TComboBox控件，分別提供用戶對演示類型和演示速度的選擇。右側(cè)下部為Tbutton控件，用于啟動/暫停演示或退出軟件。

圖4 C++Builder中的編程結(jié)果

3.2 演示軟件使用流程

(1)參數(shù)設(shè)置:運(yùn)行程序，選擇演示類型，若選擇了自動演示方式，用戶還可選擇合適的演示速度，其中速度越慢越適合于初學(xué)者。

(2)啟動和暫停演示:若用戶選擇了自動方式，則點(diǎn)擊“啟動”按鈕即可;若用戶需要暫停演示則點(diǎn)擊“暫停”按鈕即可;若用戶選擇了手動方式則用鼠標(biāo)將進(jìn)度條拖動到需要位置即可。手動方式演示與進(jìn)度條刻度直接對應(yīng)，并不是連續(xù)演示，無需暫停。

(3)退出運(yùn)行。點(diǎn)擊“退出”按鈕即可。

3.3 演示軟件特點(diǎn)

(1)對硅堆/回路的導(dǎo)通和截止情況區(qū)別顯示，即將處于導(dǎo)通狀態(tài)的元器件和線路標(biāo)注為加粗的紅實(shí)線，而對于不導(dǎo)通的硅堆及對應(yīng)線路采用灰色細(xì)虛線，不導(dǎo)通的電容和電源等采用黑色細(xì)實(shí)線。導(dǎo)通回路有藍(lán)色箭頭標(biāo)出了電流方向。使用戶能非常清楚、快速辨別各元器件和回路所處狀態(tài)。

(2)實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)電位值，使用戶能夠非常容易地判斷出硅堆的導(dǎo)通和截止，驗(yàn)證圖中給出的硅堆的狀態(tài)。

(3)給出了輸出電壓和電源電壓隨時(shí)間的變化波形，根據(jù)該波形可以與圖中給出的硅堆和回路導(dǎo)通和截止情況、各節(jié)點(diǎn)電位值互相驗(yàn)證，進(jìn)一步加強(qiáng)用戶對直流高電壓串級發(fā)生器充放電過程的理解。

(4)提供了多種演示方式供用戶選擇。顯然用戶對直流高電壓串級發(fā)生器充放電過程的理解程度有深有淺，這樣對演示的速度具有不同的要求，同時(shí)不同人及在不同狀態(tài)下對演示方式也有不同要求，有人喜歡全程連續(xù)演示的方式，有人需要顯示電路某些關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)的狀態(tài)。為了適合這種需要，系統(tǒng)提供了自動和手動兩種演示方式，前一種方式還提供了演示速度的選擇，它在一個(gè)周期內(nèi)按照用戶選擇的速度全程連續(xù)演示電路狀態(tài)、各點(diǎn)電位和電壓波形。手動方式根據(jù)用戶確定的仿真時(shí)刻給出電路狀態(tài)、各點(diǎn)電位和電壓波形。

(5)提供了暫停和恢復(fù)方式，在自動狀態(tài)演示時(shí)用戶可以隨時(shí)停止和恢復(fù)演示過程，這樣提供了用戶理解所需的足夠時(shí)間。

3.4 演示效果

為了驗(yàn)證演示結(jié)果的可靠性，我們給出了三種狀態(tài):①硅堆均截止，右柱電容向負(fù)荷放電;②D1、D2、D3和D4均導(dǎo)通，左柱電容經(jīng)硅堆向負(fù)荷及右柱電容放電;③D1'、D2'、D3'和 D4'均導(dǎo)通，右柱電容向左柱下級電容及負(fù)荷放電。本軟件在三種狀態(tài)下的演示效果如圖5所示。

由圖5(a)可知，根據(jù)軟件的演示結(jié)果，我們可以快速地確定所有硅堆均處于截止?fàn)顟B(tài)，左柱電容既不向右柱電容充電，右柱電容也不向左柱下級電容充電，僅僅是右柱電容向負(fù)荷放電。而根據(jù)圖中給出的各點(diǎn)電位可知，除了0點(diǎn)，右柱各點(diǎn)電位均比左柱對應(yīng)各點(diǎn)電位高(718.59 ＞652.51、545.11 ＞476.49、369.46 ＞295.38、188.73 ＞106.28)，同時(shí)右柱各點(diǎn)電位比左柱上級各點(diǎn)電位更低(545.11＜652.51、369.46 ＜476.49、188.73 ＜295.38、0 ＜106.28)故無論是 D1、D2、D3和 D4，還是 D1'、D2'、D3'和D4'均處于截止?fàn)顟B(tài)。由以上分析可知，根據(jù)演示軟件得到的無論是硅堆、回路情況還是輸出電壓波形均與教材中理論分析結(jié)果完全吻合。也與文獻(xiàn)[1]給出的情況吻合。其他兩個(gè)圖也類似，限于篇幅就不一一說明了。

圖5 演示軟件的運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)語

(1)ATP計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出的速度和易用性、與Matlab無縫鏈接方面不如Simulink，但ATP參數(shù)選擇對用戶要求低、仿真速度更快，專業(yè)性更強(qiáng)、計(jì)算結(jié)果更易被大家接受。

(2)基于電磁暫態(tài)仿真軟件和可視化編程語言可以實(shí)現(xiàn)“高電壓技術(shù)”教學(xué)過程中直流高電壓串級發(fā)生器電路充放電過程的演示。

(3)本演示軟件通過給出硅堆和回路截止、導(dǎo)通狀態(tài)的不同顯示方式，各點(diǎn)電位的實(shí)時(shí)顯示以及演示模式和速度的自由選擇可以適應(yīng)不同層次的學(xué)生對直流高電壓串級發(fā)生器電路充放電過程學(xué)習(xí)的要求，有望提高教學(xué)效果。

[1]周澤存，沈其工，方瑜，等.高電壓技術(shù)(第四版)[M].北京:中國電力出版社，2012.

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[3]陳和平，邵平凡，湯惟.可視化編程技術(shù)及應(yīng)用[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2005.

[4]王艷芬，于洪珍，王剛.通信電子電路Matlab/Simulink仿真[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(1)