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基于ATPDraw的电网故障仿真平台设计.doc
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基于ATPDraw的电网故障仿真平台设计.doc
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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; ATPDraw
I
ABSTRACT
ABSTRACT
Along 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 also 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 system’s
planning, design, operation, analysis and transformation.
The paper introduces the necessity 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 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 up various
voltage and current waveform of faults by setting different parameters
K eywords : power system; ATP-EMTP; MATLAB; ATPDraw
II
目 录
目 录
摘 要.....................................................................................................................................................I
ABSTRACT.......................................................................................................................................II
目 录..................................................................................................................................................III
第一章 绪 论.......................................................................................................................................1
1.1 电力系统仿真的必要性.......................................................................................................1
1.2 ATP-EMTP 及 MATLAB 的发展概况.................................................................................1
1.2.1 ATP-EMTP 的发展....................................................................................................1
1.2.2 MATLAB 的发展史..................................................................................................2
1.3 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............................................................................4
2.1 电磁暂态程序 ATP-EMTP...................................................................................................4
2.1.1 电磁暂态程序(ATP-EMTP)的数学模型............................................................4
2.1.2 ATP-EMTP 的功能....................................................................................................4
2.2 ATPDraw 程序的使用
[6]
.......................................................................................................5
2.2.1 ATPDraw 程序的基本操作.......................................................................................5
2.2.2 ATPDraw 程序的基本元件.......................................................................................6
2.3 图像处理软件 MATLAB...................................................................................................14
第三章 电力系统故障仿真平台的建立.........................................................................................18
3.1 单相故障边界条件分析.....................................................................................................18
3.2 两相故障边界条件分析.....................................................................................................18
3.3 三相短路故障分析.............................................................................................................19
3.4 故障仿真平台.....................................................................................................................20
3.4.1 通用故障等效电路分析..........................................................................................20
3.4.2 创建 ATPDraw 故障仿真平台................................................................................21
第四章 电力系统故障仿真分析.....................................................................................................25
4.1 单相故障仿真分析.............................................................................................................25
4.1.1. A 相直接接地故障.................................................................................................25
4.1.2. A 相经阻抗接地.....................................................................................................28
4.2 两相故障仿真分析.............................................................................................................30
4.2.1. B、C 两相直接短路故障......................................................................................30
4.2.2. B、C 两相短路直接接地故障..............................................................................33
4.2.3. B、C 两相经阻抗短路接地故障..........................................................................35
4.3 三相短路故障仿真分析.....................................................................................................38
结 论..................................................................................................................................................41
参 考 文 献.......................................................................................................................................42
III
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 PSS\
E(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 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-domainwork),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
1
第一章 绪 论
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 ATP—EMTP,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,
ATP—EMTP 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 的可免费使用性,1984 年 2~
3 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 ATP 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
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,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 MATLAB7.0/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。
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