ETAP仿真軟件在化工企業電力系統設計中的應用

朱 慧

(青島科技大學，山東 青島 266003)

ETAP仿真軟件是美國OTI公司1996年發行的功能全面的綜合型電力、電氣分析計算軟件，能為發電、輸配電和工業電力電氣系統的規劃、設計、分析、計算、運行、模擬提供全面的分析平臺和解決方案。經過多年的開發與完善，ETAP仿真軟件具有潮流計算、不平衡潮流計算、優化潮流、短路計算、保護整定、電機加速分析、暫態穩定、電機啟動分析、接地網設計及低壓配電系統的設計等功能，確立了電力系統設計和分析軟件的標準。ETAP仿真軟件可以提供全圖形的用戶界面，通過用戶界面的編輯工具條，可以很方便地對系統進行建模，以最簡潔的方式建立單線圖、阻抗圖、繼電保護圖及分析計算圖等多種圖形。ETAP軟件還具有虛擬現實操作的特點，其下的程序操作與實際的電氣系統相似。利用ETAP軟件進行仿真分析時，只需點擊相應的功能模塊按鈕，并進行合理的參數設置，即可獲得分析結果，分析結果可以以直接顯示、文本報告及曲線等多種形式直觀地輸出[1]。ETAP仿真軟件以良好的人機界面、強大的計算分析和設計功能、豐富的控制系統模型以及直觀、簡單的電氣操作等優點在電力系統行業中得到廣泛應用，已成為電力科研工作者和工程技術人員進行電力系統有關問題的仿真分析和輔助設計的理想工具。

1 ETAP仿真軟件在電氣系統設計中的應用①

工程技術人員進行電氣系統設計時，一般先根據給定的技術要求進行初步設計，包括電氣設備型號的確定、主接線方案選擇、繼電保護的合理配置以及電機合理的啟動方式等[2]。在電氣施工之前，若能通過仿真軟件預先檢驗初步設計方案的合理性，將會縮短建設周期、節約建設成本。ETAP軟件具有強大的仿真分析功能，可以進行潮流仿真分析、短路仿真分析、電機啟動仿真分析和電力系統暫態穩定仿真分析，通過這些仿真可以檢驗初步設計方案的合理性。筆者以某小型企業電氣系統設計為例，分析ETAP仿真軟件對其進行的輔助設計。

在ETAP軟件進行仿真分析之前，首先要根據初步設計方案建立該小型化工企業電氣系統的仿真模型。ETAP提供了電力系統仿真通用的元件，包括發電機、變壓器、電力線路、等效負荷、繼電器及開關器件等，建模時只需通過點擊和拖放界面內的元件即可建立用戶所需要的電力系統仿真模型，并利用元件的對話框來設置相關參數即可，該化工企業電氣系統的仿真模型如圖1所示。

2 ETAP仿真分析

2.1 潮流仿真分析

ETAP提供潮流計算功能模塊，只需點擊潮流分析功能模塊按鈕，然后在其潮流分析案例編輯器中選擇潮流計算方法，再點擊運行潮流按鈕，即可進行潮流仿真分析。本次仿真采用默認的牛頓-拉夫遜法，潮流分析結果可以以報告的形式輸出，也可在建模圖中直觀地顯示。仿真結果直接在建模圖中顯示，如圖2所示。通過潮流仿真分析，可以在潮流仿真結果圖直觀地看到各母線的電壓、通過各電氣設備的功率和各個設備的運行狀態。若有設備過載，則在潮流運行圖中以紅色顯示，表示此設備型號選擇偏小，工程設計人員通過雙擊相應的設備，來選擇合適的型號。

圖1 電氣系統仿真模型

圖2 ETAP軟件潮流計算仿真結果

2.2 短路仿真分析

ETAP仿真軟件具有強大的短路分析功能，提供了三相短路電流計算、不對稱短路電流計算的方法，利用ETAP軟件進行短路計算時，只需點擊短路分析功能模塊按鈕，然后在編輯分析案例中可選擇故障點，再點擊運行三相短路或者不對稱短路模塊按鈕，即可進行短路仿真分析。以Bus B母線三相短路為例，進行ETAP軟件的三相短路仿真分析，仿真結果在圖中直觀地顯示(圖3)，也可以以報告的形式輸出(圖4)。使用ETAP 軟件對系統插入的故障點進行短路仿真。

圖3 ETAP軟件的三相短路仿真結果

圖4 三相短路仿真結果輸出

三相短路仿真結果輸出的報告形式計算，可以方便地得到不同故障點、不同故障類型時各個節點的短路電流數據，短路仿真結果可以用來檢驗開關設備的型號選擇是否合理；在此基礎上，選擇和整定繼電保護裝置，使之能正確地切除短路故障。

2.3 電力系統暫態穩定仿真分析

在電力系統運行的過程中，經常會遇到各類故障、負荷投切等擾動，系統受到這些擾動后，能否繼續穩定運行是人們關注的重點[3]。現利用ETAP軟件對該系統進行暫態穩定仿真分析，仿真時同步發電機沒有勵磁器和原動機調速系統。現設0.50s時Utility Bus母線發生的三相短路故障作為對系統的大擾動，0.93s時繼電保護動作、跳開母線兩端斷路器切除故障。使用ETAP軟件仿真短路故障前后16s內，圖1中同步發電機B的相對功角如圖5a所示，由圖可以看到，系統在受到大的擾動后，經過一段時間的調整，功角可以穩定在某一值，系統是穩定運行的；若在0.94s切除故障，圖1中同步發電機B的相對功角如圖5b所示，可以看到，經過一段時間的調整功角不能穩定在某一值，系統則不能繼續穩定運行。因此，在Utility Bus發生短路故障，設計相應的繼電保護裝置時，要求其動作時間小于0.43s，否則即使切除故障，系統也不能繼續保持穩定運行。上述仿真為繼電保護裝置的合理設置提供了依據。

圖5 Utility Bus母線故障時的發電機B的相對功角仿真曲線

2.4 電機啟動仿真分析

電動機是電力系統中非常重要的負荷，電動機的啟停操作是一項頻繁的操作，電機啟動方式有多種，包括直接啟動和軟啟動，不同的啟動方式對應不同的啟動電流。分析各種啟動方式下的電流沖擊和轉矩沖擊對系統電網、電機本身和機械負載的影響，進而選擇合理的啟動方式，在電力系統設計和運行中尤為重要。

ETAP軟件具有先進的電機啟動模塊，分析功能全面，可以進行一臺電機啟動分析，還可以進行一組電機的啟動分析；可以選擇不同的電動機模型、不同的啟動設備、不同的啟動類型和應用不同的啟動方案，各種情況下都可以迅速、精確和方便地獲得分析結果，且提供了直觀的仿真圖形，使用戶能夠了解電機啟動過程中系統的變化，為工程師提供了一個全面分析系統變化的有力工具[4]。

下面通過ETAP軟件對圖1中電動機M1的啟動方式進行仿真分析。仿真時設置好電機的參數、啟動類型、啟動方式，點擊電機加速啟動功能模塊按鈕，然后在案例編輯器中設置好M1電機啟動時間，即可進行電機啟動仿真分析。設置好相應的參數后，分別進行了電機直接啟動和軟啟動的仿真分析，仿真結果分別如圖6、7所示。比較圖6、7可以直觀地看到，采用直接啟動方式時，電機的啟動時間短，約為3.6s，但電機啟動電流大，約為額定電流的4倍，引起的母線壓降大，約為8%，故對系統的擾動大，容易引起附近電機的堵轉，影響系統的安全穩定運行；而采用軟啟動方式時，電機啟動時間長，約為13.6s，但啟動電流小，約為額定電流的3.4倍，引起的母線壓降小，約為7%，對系統的擾動小。因此，考慮到電機啟動時要對電網電壓、電力系統的擾動要小，選擇軟啟動方式。

圖6 電機M1直接啟動時的母線SWBRDA電壓和電動機電流

圖7 電機M1軟啟動時的母線SWBRDA電壓和電動機電流

3 結束語

通過ETAP軟件在電氣系統設計時的仿真應用可以看到，ETAP仿真軟件具有良好的圖形界面，可以很方便地建立電力系統的仿真模型，且仿真速度快，結果準確、直觀。在對某化工企業電力系統設計過程中，通過潮流仿真分析，可以直觀地看到所設計系統中各個電氣設備的運行狀態，從而確定電氣設備型號選擇是否合理；通過短路仿真分析，可以很方便地得到各個支路流過的短路電流，為繼電保護的合理配置提供了依據；通過暫態穩定仿真分析，可以看到系統受到擾動后的運行狀態，進而確定繼電保護裝置的動作時間設置的是否合理；對電機啟動仿真分析，可以得到不同啟動方式下對系統的影響，從而可以選擇電動機合理的啟動方式。總之，ETAP仿真軟件是電氣系統設計時必不可少的輔助工具。