维普资讯 http://www.cqvip.com
７４ 韩丽娜杨志坚：电磁暂态程序ＥＭＴＰ在电力系统的应用 电磁暂态程序ＥＭＴＰ在电力系统的应用 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ 韩丽娜，杨志坚 山东大学电气工程学院 济南２５００６ 【摘要ｌ随着电力系统的发展、计算机的普及和计算能力的不断提高，电力系统数字仿真已成为电 力系统试验研究、规划设计和调度运行的重要工具。本文介绍了电力系统经常使用的电磁暂态仿 真软件ＥＭＴＰ的发展、原理、结构和应用，并对其使用方法做了详细介绍。 【关键词ｌ电力系统仿真软件；ＢＰＡ；ＥＭＴＰ；ＡＴＰ—ＥＭＴＰ 【中图分类号ｌ ＴＭ７２ 【文献标识码ｌ Ｂ 局（ＢＰＡ）编制的电磁暂态程序ＥＭＴＰ基础上由Ｗ． 引言 电力系统仿真就是通过在数字计算机上建立 适当的数学模型来模拟电力系统物理过程的一种 研究方法，由于实际电力网络拓扑系统变得越来 Ｓｘｏｔｔ Ｍｅｙｅｒ等开发完善形成的。ＡＴＰ—ＥＭＴＰ程 序是目前世界上电磁暂态分析程序（ＥＭＴＰ）使 用最为广泛的一个版本，该程序几乎可为世界上 的每一个人所免费使用，并可在大多数类型的计算 机上运行。现已有许多国家使用该程序进行电力 系统各种暂态过程的研究。它在世界范围内有许 越复杂，于是，掌握模拟仿真计算软件就变得越 来越重要，随着计算机技术的不断发展，电力系 统仿真软件已成为电力系统工作者进行电力系统 规划、保护、调度及故障研究的重要工具。数字 多用户，特别是最近开发的图形输入程序 ＡＴＰＤｒａｗ——通过绘电路图，在界面上输人数 据，借助微机建立数据文件，使用非常方便。 仿真因具有投资小、功耗低、占场地少，具有较 强的灵活性和扩充性，试验重复性好和自动化程 度高等优点而被广泛使用。 表面上，获得ＡＴＰＥＭＴＰ不要费用，但用户 必须买他们的使用手册及相关资料并要书写不做 商业目的保证书，才能得到口令，并从网上下载。 我国于１９８０年初在水电部计算机办公室的领 １、电磁暂态程序（ＥＭＴＰ）的发展 目前，普遍采用的电磁暂态仿真程序 （Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ，简称 导下，从美国ＢＰＡ公司引进了ＥＭＴＰ程序，１９８８年 又通过电力部引进了微机版电磁暂态计算程序 ＡＴＰ。中国电力科学研究院对该程序进行了调 试、修改以及功能二次开发，并且在全国范围内推 广使用，完善了中文使用说明及相关技术资料，编制 了人机会话式数据输入程序及ＡＴＰ工作环境软件 包，提供了与用户友好的人机界面。 ＥＭＴＰ）是用数值计算方法对电力系统中从数微 秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟，主 要用于计算电力系统中的电磁暂态过程。 ＡＴＰ－ＥＭＴＰ程序是在原美国邦纳维尔电力 维普资讯 http://www.cqvip.com
山东电力高等专科学校学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ７５ ２、电磁暂态程序（ＥＭＴＰ）的操作原理与结 状态是如何建立的； 构 电磁暂态程序ＥＭＴＰ的操作原理是：综合化 的梯形规则用来解决在时间界域系统成分中的微 分方程；可用稳态相量解法自动地确定非零的初 状态，对于较简单的状态，用户可以自己输入数 据；对于程序模块ＴＡ ＣＳ（控制系统暂态分析）和 ＭＯＤＥＬＳ（仿真语言）的界面功能可处理控制系统 和含有非线性特征成分的模型；允许对称或不对 称干扰，譬如故障，雷电冲击，任一种开关操作 包括阀门的换向；使用频率扫描特点可计算相量 网络频率特性；使用谐波频率扫瞄（谐波电流注入 方法）分析频域谐波；即使没有任一个电网络， ＴＡ ＣＳ和ＭＯＤＥＬＳ控制系统模型也可仿真动态系 统。 电磁暂态程序（ＥＭＴＰ）的结构如图１所示，它 由辅助支持子程序部分及仿真程序部分组成。 其中，通用描述语言ＭＯＤＥＬＳ在ＡＴＰ— ＥＭＴＰ中的作用可归纳为如下几个方面： １）开发电路和控制元件模型的工具，这种电 路和控制元件模型难以用ＡＴＰ￣ＨＴＡＣＳ中现有元 件模型来实现； 臣圊．口 口 时域和频域 的麓决方素 电力孵络的描述 挖囊ｌ 肇的 近用的 蕾蠢分析 仿真谔， Ｔ＾ＣＳ ＭＯＤＥＬ￥ 图Ｉ 电磁暂态程序（ＥＭＴＰ）的结构 ２）程序语言的灵活性而不需要在编程级 （ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｌｅｖｅ１）上与ＡＴＰ程序相互作用； ３）叙述元件是如何运行的，以及元件的初始 ４）模拟级（ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｌｅｖｅ１）上，通过电压、 电流和控制信号建立与ＡＴＰ的标准程序接口，而 不需要在编程级上通过变量、公用数据区和子程 序与ＡＴＰ相接口，这使得将ＡＴＰ与外部程序相 连接时不必知道ＡＴＰ内部是如何运行的，也不必 改变ＡＴＰ的源程序。 控制系统ＴＡＳＣ是一个在时间领域的仿真模 块。它开始是为ＨＶＤＣ交换器控制开发的模块。 ＴＡＣＳ用来表示控制系统的结构图，也可作仿真 用。主要用在ＨＶＤＣ交换器控制、同步电机励 磁系统、电力电子学和驱动器、电弧（开关和故障 电弧）。 信号的交换确定电力网络和ＴＡＣＳ之 间的界面，譬如结点电压、开关电流、开关状态、 时变电阻、电压和电流来源等。 ３、ＡＴＰ—ＥＭＴＰ的数学模型 电力系统包含有电机、变压器、输电线路、电 缆、断路器、电抗器、电容器组、逆变器组、互 感器、避雷器等设备，它们在结构、功能和特性上 千差万别，但从电路的角度来讲，除电源外，总可以 用Ｒ，Ｌ，Ｃ来表征它们的这些功能和特征。如 果该系统处于稳定状态下运行，那么，设备上的电 压和电流的关系是确定的，表示某一设备的特性也 将是确定的。但当系统发生能量分配状态改变时， 即从一种能量分配状态过渡到另一种能量分配状 态，我们说发生了暂态过程…一电磁暂态。在电 磁暂态过程中，由于储能元件Ｌ、Ｃ的存在，电压、 电流在传输线上的传播，使得某些设备上出现高电 压或大电流（即过电压或过电流），从而，给电力系 统的电气设备带来危害。 目前，ＡＴＰ—ＥＭＴＰ的数学模型包括如下几 种： １）集总参数电阻Ｒ、电感Ｌ和电容Ｃ； ２）多相ＰＩ等值电路； ３）多相分布参数输电线路； ４）非线性电阻； ５）非线性电感器（既可模拟常规的单值特性 曲线，也可包括剩磁和磁滞 ６）时变电阻（可模拟各种类型的电弧 维普资讯 http://www.cqvip.com
７６ 韩丽娜杨志坚：电磁暂态程序ＥＭＴＰ在电力系统的应用 ７）具有各种类型的开关（时控，气控等）开关， （可用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的 改变，二极管和晶闸管也包括在内）。 ８） 电压和电流源。除了标准的数学函数（正 弦脉冲阶、跃斜角等十多种函数）波形外，用户可 用ＦＯＲＴＲＡＮ或ＴＡＣＳ来定义波形，也可以通过 逐点给出随时间变化的函数，来确定电源。 ９）动态旋转电机。除了模拟最常用的三相 同步电机外，还可模拟单相、二相和三相感应电 机和直流电机。它与ＴＡＣＳ控制系统模型相联接， 便可模拟电压调节器和调速器等的动态特性。 １ ０）控制系统可以用ＴＡ ＣＳ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）来实现，允许不 同种类的非线性和逻辑运算。控制系统的输入和 输出可以和ＥＭＴＰ的电网络相接口。 ４、ＥＭＴＰ的典型应用 ＥＭＴＰ主要用于电力系统电磁暂态计算、谐 振过电压计算和机电暂态计算。其中，电磁暂态 计算包括电力系统暂态过电压分析、暂态保护装 置的综合选择、高压并联电抗器的选择及氧化锌 避雷器选择等；电力系统的谐振过电压计算包括 计算由于磁饱和元件造成的铁磁谐振问题；机电 暂态计算包括汽轮发电机的轴系扭振问题和发电 机组的次同步振荡问题等。其典型应用是预测电 力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后所需 的变量随时间变化的规律，将ＥＭＴＰ的稳态分析 和电磁暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波 分析的有力工具。另外，ＥＭＴＰ程序也广泛应用 于电力电子领域的仿真计算。 下面以一个简单网络的５００ｋｖ￣ｇ电系统为例 介绍ＡＴＰ—ＥＭＴＰ的使用方法。例子中，线路模 型是５０００Ｈｚ的兀型等效线路模型，其电路图如 图２所示。 图２ ５０００Ｈｚ的ｎ型等效线路图 打开ＡＴＰＤｒａｗ程序后，用户便可根据自己 的需要按下列步骤创建完整的仿真模型电路： 第一步，点击Ｆｉｌｅ下的ｎｅｗ项，以建成一个 新的电路窗口文件。 第二步，在新建的空白页中单击鼠标右键， 就会出现一个元件选择菜单，点击所需元件，其 模型的图标就会出现在新建的电路窗口文件中。 第三步，给元件赋值。双击选出的元件图标， 即可弹出添加参数的对话框，参数修改完后点击 ｏｋ键即可保存赋值。 最后一步，给节点赋值。所有节点都有默认 名，但由于在ＰＣＰＬＯＴ中只显示重新命名节点处 的仿真图形，所以，只需给重要的节点重新命名， 以便在此节点处测量所需数据。 图３Ｎ所完成的ＡＴＰＤｒａｗ电路图。其中，电 源为５ ０ ０ ｋ ｖ的三相交流电源，电压源振幅 Ａｍｐ＝５００。线路三相开关和兀型线路连接，其 开关转换时间：Ａ相为３３．３３ｍｓ，Ｂ相为３６．１０ｍｓ，Ｃ 相为３８．８０ｍｓ。三相对地电容都是２．５１ Ｆ，电容 开关的转换时间：Ａ相为１３３．３３ｍｓ，Ｂ相为１３６． １０ｍｓ，Ｃ相为１ ３８．８０ｍｓ。 ＡＴＰＤｒａｗ的ＬＩＮＥ ＣＯＮＳＴＡＮＴＳ支持程序 会计算出兀型电路Ｒ—Ｌ—Ｃ数据，在ＬＩＮＥ兀图 标上点击鼠标右键弹出参数对话框，添加参数如 下：Ｒ １１＝４７４．７６Ｑ，Ｒ２１＝３５３．８１ Ｑ，Ｒ２２＝３１５．１３ Ｑ，Ｒ ３１＝４４２．０２ Ｑ，Ｒ ３２＝３５３．８１ Ｑ，Ｒ ３３＝４７４．７６ Ｑ；Ｌ ｌ１＝２８８．８ｍＨ，Ｌ ２１＝７１．３５ ｍＨ，Ｌ ２２＝２６６． １５ ｍＨ，Ｌ ３１＝７３．４５ ｍＨ，Ｌ ３２＝７１．３５ ｍＨ， Ｌ ３３＝２８８．８ ｍＨ；Ｃ ｌ１＝２．３２２４“Ｆ，Ｃ ２１＝－０． ３６３７ Ｆ，Ｃ ２２＝２．３６８４ Ｆ，Ｃ ３１＝－０．２７２５ Ｆ，Ｃ ３２＝一０．３６３７ Ｆ，Ｃ ３３＝２．３２２４ Ｆ。 图３ ＡＴＰＤｒａｗ电路图 完成电路图后，点击Ｓ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ菜单中的 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ项便生成ＥＭＴＰ仿真所需的输入数据 维普资讯 http://www.cqvip.com
山东电力高等专科学校学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ７７ 文件。然后，在ＰＣＰＬＯＴ中打开｝．Ｐ１４类型的文 件，选择节点的名称将显示该节点处被测量的仿 真图形。图４、图５、和图６分别为Ｃ相电压在ＢＵＳ、 ＢＥＧ、ＥＮＤ节点处的仿真图形。 图４ ｃ相电压在ＢＵＳ节点处的仿真图形 图５ Ｃ相电压在ＢＥＧ节点处的仿真图形 ５、结束语 ＥＭＴＰ仿真软件适用于详细研究大电力系统 网络的暂态和动态过程。图形输入程序 ＡＴＰＤｒａｗ作为ＡＴＰ—ＥＭＴＰ的一个前处理程序， 最终将生成一个格式正确的ＡＴＰ—ＥＭＴＰ的数据 输入文件，用户可以根据自己的需要创建所需要 的电路模块。通过使用ＥＭＴＰ的强大运算功能和 ＡＴＰＤｒａｗ的提前处理，将使工作量大大减少且 设计更为方便、快捷。另外，在正确选择电力系 统数学模型和参数的基础上，其电力系统仿真的 规模基本不受，并能较完整地模拟大规模电力 系统。因此，ＥＭＴＰ在电力系统仿真研究中具有 广泛的应用前景。 参考文献 ［１】钱鑫，李琥，施围．电力系统仿真计算软件介 绍．［Ｊ】．继电器２００１年１月，第３０卷，第１期。 【２】李广凯，李庚银．电力系统仿真软件综述．…．电 气电子教学学报，２００５年６月，第２７卷，第３期。 【３】汤涌．电力系统数字仿真技术的现状与发展．【Ｊ］． 电力系统自动化，２００２年９月，第２６卷，第１７期。 ［４】徐政．免费使用的电磁暂态分析程序—— ＡＴＰ－ＥＭＴＰ程序介绍．【Ｊ】．电网技术，１９９９年７月，第 ２３卷第７期。 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｎ Ｌｉ—ｎａ，Ｙａｎｇ Ｚｈｉ—ｊｉａｎ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｊｉｎａｎ ２５００６１，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃａｌｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ａｎｄ ｌａｒｇｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｒａｎｋ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｌａｙｏｕｔ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ａｎｄ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍａｉｎｌｙ ＡＴＰ— ＥＭＴＰ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｆｉｎａｌｌｙ ｉｔ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｓ ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｉｓ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ；ＢＰＡ； ＥＭＴＰ：ＡＴＰ－ＥＭＴＰ
