ATPDraw及其在變壓器勵(lì)磁涌流暫態(tài)仿真中的應(yīng)用

1、ATPDraw 及其在變壓器勵(lì)磁涌流暫態(tài)仿真中的應(yīng)用劉俊(1南摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已經(jīng)成為電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和研究中不 可缺少的工具。本文首先介紹了 ATPDraw 的文件系統(tǒng)、庫 元件以及它的一些顯著特點(diǎn)，然后通過 ATPDraw 對(duì)變壓器 暫態(tài)勵(lì)磁涌流進(jìn)行仿真，對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果 表明ATPDraw 為電力系統(tǒng)分析提供了一種新的手段。關(guān)鍵詞：變壓器勵(lì)磁涌流 ATPDraw 仿真0 引言ATPDraw是電磁暫態(tài)程序EMTP中ATP版 本下的一個(gè)圖形預(yù)處 理軟件，它具 有界面友好、 操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，尤其是ATPDraw提供的電氣元 件選擇菜

2、單能 對(duì)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng) 建模，其中 的ATP仿真程序可對(duì)已建立的電力系統(tǒng)模型進(jìn) 行快速仿真和分析，它 最終生成一個(gè)基于“即見 即所得”格式 下的ATP數(shù)據(jù)輸入文件5。目前ATPDraw支持70個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元件和28個(gè)TACS(控 制系統(tǒng)暫態(tài)分析)模塊，同時(shí)也支持MODELS仿真語言用戶，用戶可以根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)建所 需要的電氣元件模塊4。正是由于ATPDraw的圖形化界面，使得用戶 在電力系統(tǒng) 建模中不必像EMTP程序那樣逐一填 寫電氣元件的輸入數(shù)據(jù)卡片，而僅僅從ATPDraw的元件模型庫中選出所需的元件，從而方便地為 暫態(tài)仿真做好數(shù)據(jù)輸入準(zhǔn)備。ATP仿真支持程序 是ATPDraw軟件中最為重要

3、的部分。除此之外，其它的支持子程序也可通過ATPDraw的“命令編 輯菜單”選項(xiàng)加入到ATPDraw軟件中，例如圖形 化的輸出程序WPCpIot，它能夠以曲線形式繪制 電力系統(tǒng) 離線或在線的時(shí)域和頻域仿真結(jié)果。變壓器是一種 由電磁感應(yīng)原理制成的靜止元 件。在電磁能量的轉(zhuǎn)換過程中，它 必須首先建立 一定的磁場(chǎng)，在建立過程中繞組將產(chǎn) 生暫態(tài)勵(lì)磁 電流。在正常情況下，該電流很小，但在空載合 閘時(shí)，該電流可能會(huì)很大，此時(shí)稱該電流為勵(lì)磁 涌流。變壓器 鐵芯的磁化特性決定該 電流與磁場(chǎng) 的關(guān)系，鐵芯飽和程度越大，該電流越大，特別 是當(dāng)變壓器在電壓過零點(diǎn)合閘時(shí)，由于鐵芯中磁 通最大，鐵芯嚴(yán)重飽 和，因此產(chǎn)生

4、最大勵(lì)磁涌流， 其最大峰值可達(dá)到變壓器額定電流的6-8倍。如此大的電流會(huì)造成繼電保護(hù)裝置 動(dòng)作，斷路器跳 閘，從而不僅會(huì)給電力生產(chǎn)造成巨大損失，而且 嚴(yán)重情況 下使電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定，造成電網(wǎng)的癱 瘓。因此對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的暫態(tài)仿真是電力系 統(tǒng)數(shù)字仿真的重要內(nèi)容。1 ATPDraw 簡(jiǎn)介1.1 ATPDraw文件系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)具體的電力系統(tǒng) 而言，ATPDraw首 先繪制該 系 統(tǒng) 的 工 程 文 件 ， 其 文 件 擴(kuò) 展 名 為.adp，它 位 于ATPDraw安裝目錄下的Project文件 夾中。 然后通過ATP菜單下的Make File As命令將該 工 程文件 轉(zhuǎn)換為ATP數(shù)據(jù)文件，其文

5、件擴(kuò)展名 為.atp，它位于ATPDraw安裝目錄下的Atp文件 夾中。與工程文件相比，ATP數(shù)據(jù)文件可以利用ATP仿真程序 直接輸入運(yùn)行，它的格式與EMTP程序手動(dòng)填寫的數(shù)據(jù)卡片相同，可通過ATP菜單 下的EditATP-file命令查看。當(dāng)仿真模型創(chuàng)建完 成之后，單擊ATP菜單下的Run ATP命令，ATP仿真程序就對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，其仿真文件 擴(kuò)展名為.pl4，計(jì)算結(jié)果可通過ATP菜單下的Edit LIS-file以文本方式查看，也可以通過ATP菜單下的WPCplot命令以圖形方式查看。ATPDraw的文件系統(tǒng) 如圖1所示：.ATP輸入丈件J 一 一ATPDraw ASCIIATF仿

6、其程序圖 1 : ATPDraw 文件系統(tǒng)斟據(jù)IFCplot曲銭繪需榷序PL42matMAIL血斂據(jù)饕換工具1.2 ATPDraw庫元件(1)檢測(cè)元件。用來測(cè)量電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和支 路電壓、支路電流和TACS的數(shù)據(jù)值，可以選擇相的數(shù) 量以及 需要 測(cè)量的相別。(2)線性 支路元件。 包括 線性電阻、電 感 、 電容、串聯(lián) 的RLC支路以及具 有初始條 件的電 容 和電 感元件。(3)非線性支路元件。包括非 線性的電阻和 電感以及避雷器。除了TACS控制的電阻元件， 其它元件 都具有非線性特性，可通過分段 線性 插 值的 方法輸入 。(4)輸電線路/電纜元件。包括n型RLC和 具有 耦合的RL集 中

7、 參數(shù)模型 、常參數(shù)(例如頻 率固定)分布參數(shù)線路、可變 參數(shù)的線路和電纜(如貝瑞隆、PI等值、JMarti、Noda或Semlyen模型)。(5)斷路器元件。包括時(shí)間或電壓 控制開關(guān)、 統(tǒng)計(jì)開關(guān)、系統(tǒng) 開關(guān)以及電力電 子電路中常用的 二極管 、 晶 閘管 元件。 除此之外 ， 還 有用戶自己 創(chuàng)建的控制開關(guān)。(6)電源元件。 包括斜坡函 數(shù)電源、電涌 功 能電源、 指數(shù)電源、 未接地的交直流電壓 源和用 戶自 定 義控制 電 源 。(7)電機(jī)元件。 包括同步電機(jī)和通 用電機(jī)。ATPDraw不允許電機(jī)的 并聯(lián) 以及 背對(duì)背聯(lián)結(jié)方 式。 同步電機(jī)可輸入出廠銘牌參 數(shù)，可選擇是否 有控制等 ，不包

8、含飽和參數(shù)， 同時(shí)也 不計(jì)渦流損 耗。通用電機(jī)可以輸入d,q軸的飽和與勵(lì)磁數(shù)據(jù)， 還可計(jì)及機(jī) 械轉(zhuǎn)矩。 在等值電網(wǎng)絡(luò)中，通用電機(jī) 的電磁 轉(zhuǎn) 矩作 為電流 源 出 現(xiàn) 。(8)變壓器元件。 包括 理 想變壓器、 自耦 變 壓器、 飽和變壓器、 頻率相 關(guān)的變壓器和 利用MODELS仿真 語言創(chuàng)建 的變壓器。(9)控制系統(tǒng)暫態(tài)分析(TACS)元件。包括 可控的電源如階躍信號(hào)源 、 沖激信號(hào)源 和鋸齒信 號(hào)源、傳遞函數(shù)模型、用Fortran定義的特殊裝置、 固有特殊模裝置如 累加器/計(jì)數(shù)器、 受控積分器、 簡(jiǎn)單微分器、 繼電開關(guān)、 信號(hào)選擇器、 采樣跟蹤 保持器、電壓 觸發(fā)開關(guān)、 多運(yùn) 算時(shí)序開關(guān)

9、等。(10)除了以 上標(biāo)準(zhǔn)元器件 外， 用戶 還可以 利 用MODELS仿真 語言創(chuàng)建自己 的元件 模型 。ATPDraw中創(chuàng)建一 個(gè)仿真元件 有兩種可以 選擇 的 方式 ：第一：手 動(dòng)方式在ATPDraw的Object菜單 下選擇Model中 的New sup-file命令 ，手 動(dòng)創(chuàng)建 一 個(gè) 擴(kuò) 展 名 為.sup的仿真元件。為了對(duì) 該仿真元件進(jìn)行數(shù) 據(jù)格式 描 述，仍可通過Model菜單下的New mod-file文件 實(shí)現(xiàn)，其文件擴(kuò)展為.mod。擴(kuò)展名為.sup和.mod文件都位于ATPDraw安裝目錄下的Mod文件夾 中。第二： 自動(dòng)方式單 擊 工程文件 窗口 的右鍵 ，出 現(xiàn)“

10、元件 選擇”菜單，選取MODEL下的Files(sup/mod) 命令 ， 彈出打開模型窗口，選擇擴(kuò)展名為.mod的文件，ATPDraw將 自動(dòng)創(chuàng)建 一個(gè) 仿真元件 模型 。1.3 ATPDraw特點(diǎn)(1)組功能。 使得系統(tǒng)建模電路具有多層結(jié) 構(gòu)，這一功能大大增加電路的可讀性， 尤其適用 于TACS模塊的封裝。(2)參數(shù)替換功能。 用戶可用字母變量替換 完全相同的元件數(shù)值變 量，可以 大大提高建模的 效率，可通過ATP菜單的Setting設(shè)置字母變量 的 替換 數(shù)值。(3)使用 集成的 架空線路 模型。 用戶首先 描 繪線路 模型 的幾何 特性和固定參數(shù)值，然后ATP將它轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)庫文件形式，

11、使用時(shí)通過ATP的 包含調(diào)用命令加載該 模型。(4)輸電線路性 能驗(yàn)證。 有助于幫助用戶在 頻域范圍內(nèi)得到線路 的整體運(yùn)行性能參數(shù)， 使得 就頻率函數(shù)而言用精確的PI等值電路與輸電線 路模型作 比較。(5)使用MODELS仿真 語言。它是為 時(shí)域 系統(tǒng)研究 而采用的一套仿真工具，是一 般的描述 性語言， 重點(diǎn)在于對(duì)模型結(jié)構(gòu)和功能的描述。(6)采用BCTRAN變 壓器 矩陣模 型。ATPDraw為變壓器 矩陣模型 提供了 良好的用戶 界面，用戶輸入 變壓器 銘牌的開路和短路參數(shù)后，ATPDraw會(huì)調(diào)用ATP執(zhí)行該支持 程序 運(yùn)行。(7)非標(biāo)準(zhǔn)元件對(duì) 話框。它允許用戶改變?cè)?件的 屬性。(8)用戶

12、 定義元件。 既可自定義標(biāo)準(zhǔn) 元件， 也可為用戶產(chǎn)生一個(gè)支持 文件。上述只 是ATPDraw的部分特點(diǎn)，它的 應(yīng)用范 圍非常廣泛，例如配電系統(tǒng)的暫態(tài)分析、 雷擊過 電壓暫態(tài)分析、機(jī)組軸系扭振分析等。它已成為 電磁暫態(tài)分析中不可缺少的工具。2 變壓器勵(lì)磁涌流暫態(tài)仿真算例2.1接線原理圖變壓器 繞組間的電磁 耦合與繞組 電抗的非線 性特性是勵(lì)磁涌流暫態(tài)分析中 最重要的兩個(gè)因 素，為了 模擬變壓器空載時(shí)的勵(lì)磁涌流暫態(tài)過程， 以三相三繞組Yyn0d11聯(lián)接的自耦變壓器為 例， 高壓側(cè)聯(lián)接三相電源，中壓側(cè)和低壓側(cè)空載，仿 真系統(tǒng)的原理如圖2所示。其中三相對(duì)稱電源額 定線電壓為400KV，額定功率為800

13、0MVA，電 源內(nèi)電阻為200Q，內(nèi)電感為63.7mH，并聯(lián)聯(lián) 結(jié)。 自耦變壓器 高、中、低壓側(cè)額定 電壓分 別為400/132/18KV，額定容量 為250/75/250MVA，短 路損耗為710/188/159KW，空載損耗為140KW， 空載損耗電流百分?jǐn)?shù)0.2%，電抗標(biāo)幺值為15%/12.5%/7.2%。圖 2 :單相接線原理圖2.2創(chuàng)建仿真模型ATPDraw創(chuàng)建的仿真模型如圖3所示:圖 3 :變壓器勵(lì)磁涌流仿真模型圖3中，U是三相電源模塊，用ATPDraw中14類型的三相電源表示；選擇集中參數(shù)的RLC元件通過 并聯(lián)電感元件模擬三相電源的內(nèi)阻抗；DL1和DL2為時(shí)控的三相開關(guān)模型，其中

14、DL2在零時(shí)刻前閉合，可通過設(shè)置DL2的關(guān)閉時(shí)刻為-1來實(shí)現(xiàn)，選擇開關(guān)屬性對(duì)話框中的測(cè)量電流選 項(xiàng)，可在仿真結(jié)果文件中 得到流入變壓器勵(lì)磁 繞 組的電流；V為電壓測(cè)量探頭，可以測(cè)量節(jié)點(diǎn)的 電壓值；變壓器模型包括兩部分：一部分是變壓 器的磁滯特性曲線模型，另一部分是變壓器的互 感支路模型。變壓器的磁 滯曲線是通過96類型準(zhǔn) 非線性磁滯電感元件來模擬，它的磁通-電流特性 由ATP仿真程序的HYSDA T支持子程序計(jì)算獲 得。變壓器的 互感支路模型是通過BCTRAN支 持子程序直接計(jì)算得到，只要輸入變壓器空載和 短路的正序和零序試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可計(jì)算出該支路的R和L矩陣，它是建立在變壓器空載和短路銘牌 數(shù)

15、據(jù)上的，因此該支路模型比較準(zhǔn)確。2.3仿真結(jié)果仿真過程中 步長t取為5卩s，DL2斷路器 零時(shí)刻前已合上，由于此前系統(tǒng)一直處于通路， 因而整個(gè)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，變壓器 各相繞組中 只有很小的勵(lì)磁電流，仿真 波形如圖4所示。00.010.020,03004005時(shí)間咚)圖 4:正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流圖4可以看出正常運(yùn)行時(shí)變壓器繞組的勵(lì)磁 電流相當(dāng)小，最大幅值不超過1A。穩(wěn)態(tài)時(shí)變壓器 的勵(lì)磁電流不 超過額定電流的1%-2%。由于電路 中繞組的非線性特性的存在，使得變壓器各相勵(lì) 磁電流發(fā)生畸變。當(dāng)t=45ms時(shí)DL2斷開，此時(shí)DL1和DL2都處于斷路狀態(tài)，流入繞組的勵(lì)磁電流為 零，這 種狀態(tài)一直到DL1

16、合閘為止。當(dāng)t=78.5ms時(shí)，DL1斷路器合上，由于實(shí)際三相斷路器每相合閘 時(shí)間不同，因此仿真中取DL1的A相合閘時(shí)間為73.5ms,其余兩相取為78.5ms，這可以從勵(lì)磁 涌流仿真圖中看出，在合閘瞬間有一個(gè)衰減的擾 動(dòng)。仿真最終時(shí)刻t取為150ms，仿真波形如圖5所示。由圖5可以看出最大勵(lì)磁涌流峰值達(dá)到450A，從曲線也可看出勵(lì)磁涌流具 有以下特點(diǎn)：(1)含大量的非周期分量，使勵(lì)磁涌流偏于 時(shí)間軸一側(cè)；(2)含以二次諧波為主的大量高次諧波，使 勵(lì)磁涌流的變 化曲線為尖頂波；(3)與短路電流最大區(qū)別是涌流波形之間存 在間斷角；由于變壓器三相電壓相量有120相角 差,因此各相勵(lì)磁涌流曲線不同；

17、圖 8 :非線性繞組 T3 中 b 相電流圖 5 :空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流變壓器在發(fā)生勵(lì)磁涌流瞬間，高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)電 壓會(huì)相應(yīng)迅速下降。圖6所示為仿真模型中節(jié)點(diǎn)2的三相電壓曲線。圖 6:變壓器高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓曲線在自耦變壓器的仿真 模型中，第三方繞組中 加入了非線性特性。a、b、c三相繞組中的電流 如圖7、圖8所示?？梢钥闯鲈诶@組中也產(chǎn)生了 幅值很大的暫態(tài)電流。20000-2300-4000-630000 02 Q.04 0.06 0.08010.12 0.14 015時(shí)間tg)圖 7 :非線性繞組 T3 中a、c 相電流3 結(jié)束語空載合閘瞬間變壓器繞組中產(chǎn)生了很大的勵(lì) 磁涌流，它對(duì) 繞組的絕緣造成了較

18、大的威脅。通 過仿真可以 得到勵(lì)磁涌流 相對(duì)于額定電流的倍 數(shù)，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來講，節(jié)省了大量的試驗(yàn)成 本。如果采取措施限制繞組磁通飽和、削弱勵(lì)磁涌流，工程實(shí)際可能要做很多工作，但通過調(diào)整 變壓器仿真模型的一些參數(shù)，就可以達(dá)到目的， 這大大簡(jiǎn)化了試驗(yàn)步驟。而且ATPDraw軟件可以 多次對(duì)模型進(jìn)行仿真，通過它 能夠找到減小勵(lì)磁 涌流的最佳方案，這在實(shí)際工程中是不 容易實(shí)現(xiàn) 的。因而ATPDraw軟件在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析 中將有廣泛的應(yīng)用前景。sao4o o o oo o o oo o O O200120010000001 10 020203 30400400.11 012 013014 0,15IpIIilhi1Iilii1ilTrhiI-b相1* T 9hV11i4十-11Ibh!V9I1I1dhHd:LI1|I1|I111*I*1p11i1IidilIi11liilHdilri100J02 0.04 0 06 0 03 01012 0.14 01S時(shí)間t0-100#1-150-200-5