Matlab與ATP-EMTP聯(lián)合雷電侵入波過(guò)電壓仿真分析的研究

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 山東濟(jì)南 250021

在變電站過(guò)電壓分析中，對(duì)于侵入波過(guò)電壓計(jì)算是一個(gè)重要的研究方面，尤其對(duì)于超、特高壓變電站，一般均需要通過(guò)仿真計(jì)算確定設(shè)備上的過(guò)電壓水平[1]，選擇合適的防護(hù)措施。由H. W.Dommel創(chuàng)建的電磁暫態(tài)計(jì)算程序（EMTP）為準(zhǔn)確計(jì)算電力系統(tǒng)過(guò)電壓提供了可能性[2]，其中ATP版本在國(guó)際上得到最廣泛的使用，程序的計(jì)算精度也得到了普遍認(rèn)可[3.4]。

但是ATP-EMTP作為一種通用電磁暫態(tài)分析程序，針對(duì)過(guò)電壓計(jì)算中的一些特殊需求無(wú)法得到滿足，重復(fù)性的工作占用了研究人員大量的時(shí)間，不利于將主要精力投入計(jì)算方案改進(jìn)和工程設(shè)計(jì)優(yōu)化。Matlab作為一種功能強(qiáng)大的工程計(jì)算軟件[5]，具有很好的文件操作、數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)、函數(shù)設(shè)計(jì)、軟件交互的能力。

本文通過(guò)Matlab與ATP-EMTP的交互，針對(duì)變電站過(guò)電壓仿真中大量重復(fù)手工進(jìn)行的模型修改、輸入計(jì)算、結(jié)果統(tǒng)計(jì)等工作進(jìn)行研究，利用Matlab讀取并識(shí)別ATP-EMTP仿真計(jì)算的中間文件及結(jié)果文件，調(diào)用ATP-EMTP實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)模型的批量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)雷電侵入波過(guò)電壓仿真的自動(dòng)化。

1 聯(lián)合仿真可行性分析

1.1 侵入波過(guò)電壓計(jì)算的流程分解

采用ATP-EMTP進(jìn)行過(guò)電壓計(jì)算的流程可分為三個(gè)階段，分別為前期計(jì)算、模型建立及執(zhí)行、統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析。計(jì)算經(jīng)驗(yàn)表明，侵入波過(guò)電壓計(jì)算中，最為耗時(shí)的工作集中在模型建立階段的反復(fù)修改落雷點(diǎn)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)階段每個(gè)模型執(zhí)行后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 ATP-EMTP與外部軟件交互性的可行性分析

（1）模型文件批量修改的可行性分析。一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)用ATP-EMTP進(jìn)行過(guò)電壓仿真計(jì)算時(shí)，首先需要ATPDraw窗口中搭建需要研究的傳輸線路及設(shè)備模型。事實(shí)上ATPDraw僅僅是一個(gè)圖形界面，在執(zhí)行計(jì)算時(shí)，第一步會(huì)將搭建的模型文件轉(zhuǎn)換成符合ATP規(guī)則的文本輸入文件（.atp）。文本輸入文件（.atp）中以卡片的形式包含了電路的全部信息，每一行代表一條支路的信息，包括支路的連接關(guān)系、設(shè)備類型、設(shè)備參數(shù)等。在雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算中，逐次調(diào)整落雷點(diǎn)位置、對(duì)模型文件逐一修改的過(guò)程實(shí)際上就是調(diào)整雷電流支路接入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。因此，在過(guò)電壓計(jì)算中，可以首先利用ATPDraw搭建一個(gè)符合要求的可視化模型文件，將其編譯生成純文本的輸入文件（.atp）,然后通過(guò)修改該文件達(dá)到對(duì)整個(gè)電路修改的目的。換而言之，如果可以通過(guò)Matlab的文件處理功能查找到需要修改的支路，批量對(duì)ATP-EMTP的輸入文本文件進(jìn)行修改，也就達(dá)到了批量對(duì)電路修改的目的，從而大大降低模型修改環(huán)節(jié)的時(shí)間消耗。

（2）批量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能的可行性分析。通過(guò)在ATP文件中設(shè)置相關(guān)控制字后，可在結(jié)果文件（.lis文件）中以純文本型式（ASCII）提供各個(gè)設(shè)備上的電壓值。但是，與其他的仿真計(jì)算不同，侵入波過(guò)電壓計(jì)算的目的是從多個(gè)運(yùn)行方式、落雷點(diǎn)的ATP模型中找出最大的過(guò)電壓值，然后針對(duì)性的考慮絕緣水平，這就涉及對(duì)大量結(jié)果文件中數(shù)據(jù)的提取、分析工作。但是結(jié)果文件作為ATP-EMTP的計(jì)算結(jié)果報(bào)告是按照固定格式生成的，各個(gè)設(shè)備上的電壓值按照規(guī)則列在文件固定位置。可通過(guò)Matlab軟件的底層文件讀寫命令讀取各個(gè)設(shè)備名稱及對(duì)應(yīng)的電壓值，通過(guò)循環(huán)計(jì)算獲取設(shè)備的電壓值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這樣就實(shí)現(xiàn)了批量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的功能，大大降低數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)階段的工作量。

綜上所述，在過(guò)電壓計(jì)算中無(wú)論是模型文件的批量修改還是統(tǒng)計(jì)結(jié)果的批量生成，都可以通過(guò)對(duì)文本文件的批量操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)Matlab對(duì)這些文本文件進(jìn)行處理，從而大幅降低人工工作的目的。

2 Matlab與ATP-EMTP聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真模型批量修改

根據(jù)以上分析，對(duì)落雷點(diǎn)批量修改可轉(zhuǎn)化為對(duì)輸入文件（atp文件）的操作。為使Matlab軟件可以找到修改的支路位置，必須固定需要修改支路的節(jié)點(diǎn)代號(hào)。如下圖所示，為了使落雷點(diǎn)從#1號(hào)塔頂依次改變到#2—#6號(hào)塔頂，設(shè)置雷電流支路末端節(jié)點(diǎn)的代號(hào)為ZTH和導(dǎo)線上落雷點(diǎn)的代號(hào)為L(zhǎng)1～L6。

首先以雷電流繞擊第一基桿塔作為模板，該文件命名為RJ-1.atp，在ATPDraw中將該文件編譯成輸入文件RJ-1.atp。利用Matlab程序文件讀寫函數(shù)，從文本文件中找到與落雷點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)信息。通過(guò)Matlab文件處理函數(shù)循環(huán)讀取RJ-1.atp文件，在讀取中查找L1A字段位置，將RJ-1.atp中的L1A逐一修改為L(zhǎng)2A～L6A，將原RJ-1.atp文件依次另存為RJ-2.atp～RJ-6.atp文件。

與繞擊模型批量修改類似，在研究反擊模型批量修改時(shí)，也需要固定需要修改的雷電流回路節(jié)點(diǎn)號(hào)及桿塔節(jié)點(diǎn)號(hào)，但是反擊模型更復(fù)雜，需要調(diào)整的支路更多。將雷電流支路末端節(jié)點(diǎn)號(hào)命名為ZTH，導(dǎo)線上雷電流侵入點(diǎn)一次命名為L(zhǎng)1～L6，#1～#6塔頂落雷點(diǎn)命名為TW1～TW6。仍以雷電流反擊第一基桿塔作為模板，該文件命名為FJ-1.atp，與繞擊雷電流模型批量修改類似，利用Matlab找到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置共計(jì)4處，類似的逐次修改并另存為FJ-2.atp～FJ-6.atp文件，這樣實(shí)現(xiàn)了建模過(guò)程的批量化，

2.2 仿真模型批量執(zhí)行計(jì)算

正常運(yùn)行ATP文件的方式是采用ATP-EMTP的ATP Launcher工具進(jìn)行處理。通過(guò)ATP Launcher的Open按鈕逐一選擇需要計(jì)算的輸入文件（.atp文件），點(diǎn)擊RunATP按鈕調(diào)用ATP程序進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于大量ATP文件來(lái)說(shuō)，這種“逐一運(yùn)行”的方式工作效率很低。

事實(shí)上，可通過(guò)Matlab程序system("path unATP.exe""atpfile_name ")調(diào)用path目錄下ATP-EMTP的runATP.exe程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)名為atpfile_name輸入文件的計(jì)算。在Matlab中，通過(guò)指定一組需要計(jì)算的輸入文件（.atp文件），通過(guò)循環(huán)調(diào)用runATP.exe軟件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)輸入文件的計(jì)算。

2.3 仿真計(jì)算數(shù)據(jù)批量分析統(tǒng)計(jì)

仿真計(jì)算數(shù)據(jù)批量處理利用Matlab的文件循環(huán)讀取功能將某一運(yùn)行方式下雷擊各個(gè)桿塔的計(jì)算結(jié)果文件（lis文件），根據(jù)設(shè)定的設(shè)備類別規(guī)則，自動(dòng)將設(shè)備歸類；而后查找各個(gè)雷擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)過(guò)電壓的最大值，通過(guò)歸類確定某一設(shè)備類中的最大過(guò)電壓值，形成EXCEL報(bào)表輸出。

采用Matlab GUI工具將以上程序功能集成到一個(gè)圖形用戶界面中，同時(shí)增加了仿真計(jì)算中前期建模需要的數(shù)據(jù)計(jì)算功能模塊及模型修改、電壓觀測(cè)點(diǎn)批量指定功能，形成統(tǒng)一的“變電站過(guò)電壓仿真計(jì)算平臺(tái)”。通過(guò)侵入波過(guò)電壓計(jì)算者指定參數(shù)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)批量修改、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行工作，大大降低了仿真計(jì)算中的工作量。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)在ATP-EMTP變電站侵入波過(guò)電壓仿真計(jì)算中因大量重復(fù)手工進(jìn)行模型修改、輸入計(jì)算、結(jié)果統(tǒng)計(jì)而占用研究人員大量精力、耗費(fèi)大量時(shí)間的問(wèn)題，提出了將Matlab與ATP-EMTP進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，將大量手工重復(fù)計(jì)算的工作由計(jì)算機(jī)進(jìn)行批量處理，將人員從繁復(fù)的手工處理中解脫出來(lái)。本研究具有以下特點(diǎn)：（1）開發(fā)出模型文件批處理功能，根據(jù)用戶指定的規(guī)則自動(dòng)批量實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)建模及計(jì)算過(guò)程的批量化、自動(dòng)化。（2）針對(duì)仿真計(jì)算模型多、后期數(shù)據(jù)處理繁瑣問(wèn)題，開發(fā)出仿真計(jì)算數(shù)據(jù)分析模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的迅速挖掘、整理，生成過(guò)電壓計(jì)算需要的報(bào)告文件。該文件以Excel格式提供，方便專業(yè)人員對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果分析、應(yīng)用。（3）利用Matlab GUI工具開發(fā)出基于圖形用戶界面的一體化“變電站過(guò)電壓仿真計(jì)算平臺(tái)”軟件，界面友好、功能靈活，在實(shí)際應(yīng)用中很容易掌握，有利于在相關(guān)專業(yè)人員中進(jìn)行推廣。