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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(tái)的重要組件，它是一個(gè)優(yōu)秀的多功能仿真平臺(tái)。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(jí)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(huì)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(tái)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(chǔ)為各種格式的文件，可以存儲(chǔ)結(jié)果中任意一段的數(shù)據(jù)而非全部存儲(chǔ)，而ATP的存儲(chǔ)格式比較單調(diào)，幾乎不具備編程實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的能力，雖然也可以存儲(chǔ)其中一段數(shù)據(jù)，但也需要讀入全部數(shù)據(jù)，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)變步長的求解器又有離散、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb，針對(duì)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(huì)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(jí)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(jí)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(duì)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(jí)發(fā)生器如圖1所示，考慮到級(jí)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(jí)。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(jí)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(duì)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(chǔ)為Matlab能識(shí)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(jí)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(duì)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(dòng)/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(dòng)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(dòng)和暫停演示:若用戶選擇了自動(dòng)方式，則點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕即可;若用戶需要暫停演示則點(diǎn)擊“暫?！卑粹o即可;若用戶選擇了手動(dòng)方式則用鼠標(biāo)將進(jìn)度條拖動(dòng)到需要位置即可。手動(dòng)方式演示與進(jìn)度條刻度直接對(duì)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(duì)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(duì)于不導(dǎo)通的硅堆及對(duì)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(duì)直流高電壓串級(jí)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(duì)直流高電壓串級(jí)發(fā)生器充放電過程的理解程度有深有淺，這樣對(duì)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(duì)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(dòng)和手動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jí)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(jí)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(duì)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(jí)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(duì)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(jí)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(duì)直流高電壓串級(jí)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.

[2]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)

[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)