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基于PSCAD_EMTDC软件的过电压保护教学仿真

基于PSCAD_EMTDC软件的过电压保护教学仿真
基于PSCAD_EMTDC软件的过电压保护教学仿真

第30卷 第2期2008年4月

电气电子教学学报

J OU RNAL OF EEE

Vol.30 No.2Apr.2008

基于PSCAD/EMTDC 软件的过电压保护教学仿真

张小青,杨大晟

(北京交通大学电气工程学院,北京100044)

收稿日期:2008201205;修回日期:2008203206 北京市高等教育“十一五”专项规划重点项目和北京交通大学重点教改项目(230211,44077)作者简介:张小青(19572),男,博士,研究员,主要研究方向为电力系统电磁暂态,E 2mail :zxqiong @hot https://www.wendangku.net/doc/772724221.html,

杨大晟(19802),男,博士研究生,主要研究方向为雷电防护。

摘 要:由加拿大马里托巴高压直流研究中心推出的PSCAD/EM TDC 软件包以其强大的功能在电力系统及相关领域里已获得了广泛的应用,同时它也为高等学校电气工程专业教学仿真提供了一种有效的工具。本文介绍PSCAD/EM TDC 教育版软件包在电力系统过电压仿真教学中的应用,对该软件包的过电压模拟基本功能、系统网络元件及算法和计算流程进行了较为详细的讨论,并给出了操作和雷电过电压仿真的具体算例。

关键词:教学仿真;PSCAD/EM TDC ;过电压;暂态模拟中图分类号:TP319

文献标识码:A 文章编号:100820686(2008)022*******

Simulation T raining of Overvoltage Protection B ased on PSCAD/EMTDC

ZHANG Xiao 2qing ,YANG Da 2sheng

(School of Elect rical Engineering ,B ei j ing J iaotong Universit y ,Bei j ing 100044,China )

Abstract :PSCAD/EM TDC developed by Manitoba HVDC Research Center of Canada has wide applicatio ns in t he power systems and t he relevant areas and provides an efficient means for t he simulation t raining of electrical engineering majors of colleges and universities.The application of PSCAD/EM TDC of education version is int roduced in t his paper to numerical analysis of overvoltage protection in power systems.The f unction of overvoltage simulation ,system network element s ,algorit hm and simulative procedure of t he software package are discussed in detail.Also ,t he numerical examples are given for simulating switching and light ning overvoltages.

K eyw ords :simulation t raining ;PSCAD/EM TDC ;overvoltage ;t ransient simulation

PSCAD/EM TDC 是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包,它主要用来研究电力系统的暂态过程。该软件包也能适用于一般电气电子线路以及可等价地用电路来描述系统的仿真分析。该软件包是由加拿大马里托巴高压直流研究中心(Manitoba HVDC Researcher Cent re )开发出来的。该软件由PSCAD (Power System Comp uter Added Design )和EM TDC (Electromagnetic Tran 2sient s Including DC )两部分软件组成。两者的关

系是:前者负责界面图形,后者负责模拟计算。从国内外对PSCAD/EM TDC 软件包的使用情况来看,该软件包不仅能用于电力系统及相关领域的工程设计与科研,还可用于高等学校电气工程及相关专业的仿真教学。在一些发达国家和国内一些高等学校的电气工程类专业教学中,PSCAD/EM TDC 已成为一种行之有效的仿真教学工具。为了适应高电压工程系列课程研究型教学的新需求,我们于2005年引进了教育版PSCAD/EM TDC (4.1),共计装设

了20个授权使用终端,

主要供选课学生集中进行过电压保护的仿真教学使用。几年来的教学实践经验表明,要正确使用PSCAD/EM TDC ,其关键在于首先要了解该软件包所涉及的元件模型、暂态算法和计算流程。鉴于在迄今国外已公布的文献资料中尚未见有这些内容的专门论述[124],本文将对此加以系统性介绍,以供同类教学使用参考。

1 过电压保护分析的基本功能和相关元件

1.1 基本功能

和其它的电磁暂态仿真软件包,比如EM TP (Elect romagnetic Transient s Program )和A TP (Alternate Transient s Program )相比,PSCAD/EM TDC 具有界面友好、建网灵活和使用方便等特点。从过电压模拟的功能来看,该软件包能够模拟以下过电压现象:

①输电线路(架空线路和电缆)雷电暂态过电压;②发、变电站雷电侵入波过电压;③接地系统中的雷电冲击电位抬高;④分、合闸过电压;

⑤切除空载变压器、电容器组过电压;⑥弧光接地过电压;⑦解列过电压;

⑧铁磁谐振过电压。

除了能够模拟电力系统过电压外,PSCAD/EM TDC 也能够模拟电子信息网络中的雷电和操作

电涌过电压,可用于电子信息系统的电涌防护设计。

1.2 主要元件

在实施对上述过电压现象进行模拟仿真时,PSCAD/EMTDC 提供了颇为齐备的系统元件库。从类型上分,与过电压模拟相关的元件可分为以下几类:

①线性集总R 、L 、C 元件;

②线性集总单相和多相π型电路;

③单相和多相分布参数线路;④电压源、电流源(可为正弦、双指数、斜角波等多种时变函数);

⑤放电间隙;⑥非线性电阻、非线性电感;⑦时变元件;

⑧时控和压控开关;⑨整流元件;⑩控制电路。

所述的这些元件被放在主界面的工具栏中,以鼠标左键点击,在参数表中输入具体的参数值,并拖动连接,可按需要搭建成指定的系统网络图。

2 算法与计算流程

2.1 暂态算法

在EM TDC 中,为了对过电压暂态过程进行模拟,首先是建立各网络元件的离散化电路,常用的线性集总元件和分布参数元件分别采用梯形积分和Bergeron 特性法进行离散化处理,得到电导与反映过去状态历史电流源的并联电路,如图1

所示。

(a ) 线性C

2L 集总元件的计算电路

(b ) 分布参数线路的计算电路

图1 线性集总元件和分布参数线路的计算电路

对于非线性元件,采用分段线性化(或逐点线性

化方法)加以近似处理,如图2所示。以这些元件的模型为基础,进一步将原系统网络转化为等值计算

网络,运用规格化的拓扑步骤生成等值计算网络的

图2 非线性元件特性的分段线性(逐点线性)化处理

5

8第2期张小青,杨大晟:基于PSCAD/EM TDC 软件的过电压保护教学仿真

结点电压方程,并加以数值求解,即可获得系统网络

中指定结点与支路上的电流和电压响应。2.2 计算流程

实际上,EM TDC 的暂态计算流程非常复杂,这里仅介绍与过电压暂态模拟相关的计算流程,如图3所示。计算是从初始值开始的,在离散时间点上每增加一个时间步长Δt ,就将进行一步暂态计算,反复计算出直到最大指定时间t max 内各离散时间点上的暂态响应后就将结束计算。暂态响应计算结果通过PSCAD 绘图,以曲线图像提供给使用者

图3 暂态计算流程

3 算例

3.1 合闸过电压仿真

系统接线如图4(a )所示,线路首、末端的过电

压仿真波形见图4(b )。3.2 雷电过电压仿真

交流电源进线段的两级保护接线如图5(a )所示,两级氧化锌避雷器上的残压及流过避雷器的电流如图5(b )所示

(a ) 

系统接线

(b ) 线路首端a 和末端b 过电压波形

4 

合闸过电压仿真算例

(a ) 两级保护接线

(b ) 两级避雷器上残压及所流过的电流波形

图5 雷电过电压仿真算例

4 结语

PSCAD/EM TDC 在电力系统过电压保护模拟

方面具有良好的实用性。该软件包功能设置颇为完

备,既能模拟电力系统外部(雷电)过电压,又能模拟电力系统内部的各种操作过电压。其网络元件种类齐全,涵盖了电力网络中的各种集总与分布参数元件和非线性元件。其算法和计算流程的规格化和程序化程度高,能求解具有集总和分布参数元件任意网络的电磁暂态过程,且求解速度快,计算精度能够满足工程要求。将PSCAD/EM TDC 引入高电压工程课程的教学,构建以该软件包为核心的多用户终端的仿真系统,将能够为学生进行研究型提供一个全新的仿真实验平台。

(下转第89页)

68 电气电子教学学报 第30卷

1.3 软件设计

根据上述可见分析可见,该演示系统是一个较

复杂的多任务系统。为了实现系统的实时性以及充分利用32位内核CPU 的性能,采用嵌入式实时多任务软件设计方法,在R TOS 平台上进行嵌入式应用软件开发。系统采用内核多任务管理机制μC/OS 的作为嵌入式系统的R TOS ,并将其移植到S3C2410X 硬件平台。系统软件包括基于单片机MSP430S149的信号采集模块的软件设计和基于R TOS 的数据处理和动画演示的软件设计,本文重

点分析后者。其软件流程图如图3所示

图3 基于RTOS 的数据处理和动画显示的软件部分流程图

数据处理模块由ARMS3C2410X 处理器实现,

它外扩展多个接口,所以在μC/OS 系统启动之前先进行硬件和μC/OS 的初始化。其中,硬件的初始化包括L CD 液晶控制器、触摸屏接口、处理器AD 转换、存储接口、串口或U SB 口以及语音提示电路接口的初始化。初始化完成后,进入系统的主界面,等待触摸屏的输入响应。

当用户通过触摸屏发出输入指令后,判断是动画演示指令还是模拟单元电路分析演示指令:若是动画演示指令,调用存储数据,在液晶上显示指令所要求演示的动态过程,并嵌入音乐背景提示;若是模

拟单元电路演示指令,则ARM 处理器向信号采集

模块发出处理命令,控制和采集指定的模拟单元电路的信号,并等待接收采集的数据。A RM 处理器接收到数据后进行预处理,再根据模拟电路的分析方法计算电路参数,并将参数结果或波形予以显示。

2 结语

本文以A RM 处理器S3C2410X 、单片机控制器MSP430F149和实时嵌入式操作系统为基础,建立了S3C2410X 的嵌入式开发平台,开发了一套适合传统黑板教学的模拟电路电子技术课程的演示系统。经过调试,系统可以根据触摸屏输入在L CD 上演示动画项目以及模拟典型电路模块测试点的波形和电路分析结果,也适时地嵌入了背景音乐效果和语音提示。系统工作稳定,可以达到预期效果。目前,正对系统进行改进:从软件设计上,开发设备驱动程序,建立R TOS 内核与外设之间的接口,应用程序只需调用驱动程序即可控制物理设备;从功能上,增加模拟电路模块原理图和一些参数测量示意图的LCD 显示,在这些图上加上测试点“热键”。用户只需点击“热键”,系统就自动控制电路的选通、连接、测试以及显示,提高系统的可操作性。参考文献:

[1] 唐莺,翁飞兵等.关于提高《电子技术基础》教学效果的几点思

考[J ].郑州:郑州航空工业管理学院学报(社会科学版),2007,

26(3):1622163.

[2] 王卫东.模拟电子技术基础[M ].西安:西安电子科技大学出版

社,2003.

[3] 熊发明等.新编电子电路与信号系统实验指导[M ].北京:国防

科技出版社:2005.

[4] 代永陆,唐晓英等.基于嵌入式系统的便携式多参数健康监护

仪设计[J ].北京:电子技术应用,2006,9:55257.

[5] 陈鼐,于盛林.基于S3C2410X 的液晶屏接口设计与实现[J ].

北京:测控技术,2006,25(12):68271.

(上接第86页张小青等文)

参考文献:

[1] Manitoba HVDC Research Center ,PSCAD Users Guide ,224

Cree Crescent ,Winnipeg ,Manitoba ,Canada R3J3W1,2004.[2] Manitoba HVDC Research Center ,EM TDC Users Guide ,224Cree Crescent ,Winnipeg ,Manitoba ,Canada

R3J 3W1,2004.

[3] Manitoba HVDC Research Center ,A glimpse at PSCAD version 4,Center Journal ,200313(7):226.

[4] Manitoba HVDC Research Center ,The professional ’s tool for electromagnetic transient s simulation ,224Cree Cres 2cent ,Winnipeg ,Manitoba ,Canada R3J 3W1,2003.

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8第2期晋良念,谢辉玉等:“模拟电子技术”嵌入式教学演示系统的开发

法学虚拟仿真教学软件(系统)推荐

法学虚拟仿真教学软件(系统)推荐 虚拟仿真实验教学是指依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等信息技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,让学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学效果的一种实验教学模式。对于传统的文科性法学专业而言,技术信息的快速发展也带来了一定的发展机遇和挑战。如何通过更为丰富的手段强化法学专业学生的实战能力,提高实务经验是摆在每个法学专业院校面前的十分严峻的任务。通过虚拟仿真技术手段,不仅可以有效改变传统教学所带来的机械、抽象和程式化的教学效果,同时借助于软件技术手段形成的具有自主知识产权的虚拟实验项目,将为本院校的综合教学和科研实力带来更高的发展平台。 教育部要求各高校应将建设和使用虚拟仿真实验教学项目作为推进完善现有实践教学体系、提高实验教学质量的重要举措。加大对实验教学队伍的培养培训,着力提升信息技术与实验教学深度融合的意识、使用信息技术改造传统实验教学项目的能力和水平。根据实验教学计划和实际情况,在坚持“能实不虚”的基础上加大虚拟仿真实验教学项目建设力度,探索线上线下教学相结合的新型实验教学模式。加强对虚拟仿真实验教学项目应用管理,建立健全适应网络化学习的实验教学成绩考核评价指标体系,促进实验教学质量稳步提高。 教育部的总体规划,引导了法学专业虚拟仿真实验项目建设的方向,也为各高校开展法学虚拟仿真实验项目建设带来了发展契机。但是毋庸置疑,如何建设适合本学校本专业特色的虚拟仿真实验项目,教育部并没有提供可行的蓝本和具体路径。例如选择什么形式的虚拟仿真实验项目课题?如何吸收和发挥本校的专业优势和特色?选择哪一个切入点进行虚拟仿真实验项目设计?相关的硬件需要哪些指标性要求?如何选择适用配套的软件?如何将动画或3D技术嵌入到具体的虚拟仿真实验项目?为了实现本公司面向各大高校提供法学专业教学服务的宗旨,本公司结合多年来与各大高校的合作经验,认真研究了法学专业建设虚拟仿真实验项目的可行性模式以及相关的硬件和软件建设方法,为本公司服务用户提供具有一定参考意义的法学虚拟仿真实验项目设计方案。 杭州法源软件开发有限公司是业界良好的高校教学软件和解决方案供应商,专注法学专业;是目前法学领域内专业成熟的法学实践教学软件研发团队;凭借

第二包汽车仿真教学软件

第二包:汽车仿真教学软件 1、模块组成: 应包括电控发动机、自动变速器、底盘系统、电气系统、汽车常规维护、车载网络系统等模块。 2、功能要求: (1)能够完整展示汽车发动机、底盘和电气系统各总成及零部件结构; (2)能够交互式演示汽车发动机、底盘和电气系统的基本工作过程; (3)能够交互式演示汽车常规维护的基本工艺流程; (4)能够完整展示汽车车载网络系统的组成、原理及检修方法。 3、技术要求: (1)网络版,采用C/S架构; (2)结构展示应采用3D表达,原理演示采用交互式动画进行表达; (3)所有模块都须提供单机版供离线使用; (4)发动机系统模块要求至少具备2种类型,包括电控汽油机和电控柴油机;应至少提供直列4缸和V型6缸电控汽油机各一款,SDI和TDI电控柴油机各一款; (5)底盘系统模块须具备手动变速器、自动变速器、制动系统和转向与悬架四个部分内容;应至少提供二种以上主流车型的自动变速器、ABS系统(包括ABS和ABS+EBD)、助力转向系统(包括液压动力转向和电动助力转向)、悬架(包括麦式悬架、多连杆悬架和电控悬架); (6)电气系统模块要求包含起动、充电、照明、防盗、雨刮、电动车窗、安全气囊等模块;应具备两种以上主流车型的空调系统(包括手动空调和自动空调); (7)所有模块必须进行现场演示。

附件二: 1、模块组成: 应包括汽车二级维护虚拟实训、总成拆装虚拟实训、故障诊断虚拟实训、车身测量虚拟实训等模块。 2、二级维护虚拟实训模块功能要求: (1)能够对维护车辆设置常见故障点50以上; (2)具备工具使用功能; (3)实训过程能够随时查阅各种资料;(4)具备填写检测结果的功能; (5)具备实训过程中操作自动记录功能。 3、总成拆装虚拟实训模块功能要求: (1)能够实现丰田8A发动机拆装实训功能; (2)具备总成大修功能,包括总成分解、零部件清洁和检查、重新组装等;(3)具备零部件检验功能,可对拆卸后的零部件进行测量检验; (4)提供各种工具使用功能; (5)具有对实训过程中操作进行记录的功能。 4、故障诊断虚拟实训模块功能要求: (1)具备故障诊断实训示范和实训练习功能; (2)具备两种故障点设置功能,包括随机设置和人工设置; (3)软件应具备模拟路试功能,在路试时可读取故障码和动态数据流; (4)能够模拟诊断仪读取故障码、读取定格数据、读取动态数据和主动测试,模拟示波器检测各种信号波形,模拟尾气分析仪检测不同工况下的尾气数据,模拟燃油压力表检测燃油系统压力,模拟气缸压力表检测各个气缸的压力,模拟真空表检测进气歧管的真空度,模拟万用表检测电阻和电压; (5)软件具备实训过程操作记录功能,可自动记录或手动记录; (6)具备常用工具使用功能; (7)软件应支持环境参数设置,包括环境温度、大气压力、机油液位、发动机冷却液液位等。 5、车身测量虚拟实训模块功能要求: (1)采用卡尔拉德车身测量系统; (2)提供20个以上测量点; (3)配置向导操作模式功能,可以引导用户按照汽车车身测量的标准工作流程进行操作。 6、各系统虚拟实训模块技术要求: (1)网络版,采用C/S架构; (2)实训车间场景采用3D实时渲染技术,可实现场景内360度旋转; (3)维护实训内容涵盖汽车二级维护的全部作业项目; (4)软件能够模拟汽车运行时的各种声音,包括发动机起动、怠速运转、加速、运行粗暴、运行抖动等; (5)总成拆装台架采用3D技术,可以进行360度方向任意翻转;( 6)支持单点故障设置和多点故障设置,多点故障设置每次可设置3个以上故障点; (7)故障点要求涵盖电路断路/短路、器件损坏、间歇性断路和机械故障等;(8)故障诊断模块能够设置常见故障点80个以上;

企业营运管理仿真模拟教学软件TOPBOSS简介

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