基于PSCADEMTDC软件的过电压保护教学仿真

系是：前者负责界面图形，后者负责模拟计算。从国 内外对ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ软件包的使用情况来看， 百度文库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／ＥＭＴＤＣ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／ＥＭＴＤＣ．（４．１），共计装设
（下转第８９页）
万方数据
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
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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。ＡＲＭ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。
ＥＭＴＤＣ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／ ＥＭＴＤＣ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
２结语
本文以ＡＲＭ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￥３Ｃ２４１０Ｘ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（’Ｄ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。
第３０卷第２期 ２００８年４月
电气电子教学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＥＥ
ＶｏＬ ３０ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．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）
摘要：由加拿大马里托巴高压直流研究中心推出的ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ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
未见有这些内容的专门论述［１－４。，本文将对此加以系
统性介绍，以供同类教学使用参考。。
一。
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ＥＭＴＰ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ）和ＡＴＰ （Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ Ｐｒｏｇｒａｍ）相比，ＰＳＣＡＤ／
态计算，反复计算出直到最大指定时间‰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。
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［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，２００６，９：５５—５７．
参考文献：
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…
［３３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．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ｍａｎｉｔｏｂａ ＨＶＤＣ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃａｎａｄａ ｈａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ａｒｅａｓ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅａｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｏｆ ‘ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍａｊｏｒｓ ｏｆ ｃｏｌｌｅｇｅｓ ａｎｄ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ ｏｆ ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｖｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｏ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｙｓｔｅｍ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐａｃｋａｇｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ；ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ；ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
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ＲＴＯＳ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Ⅸ、Ｄ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。
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
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电气电子教学学报
第３０卷
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，ＥＭＴＤＣ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＆，就将进行一步暂
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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／ＥＭＴＤＣ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／ＥＭＴＤＣ；过电压；暂态模拟 中图分类号：ＴＰ３１９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００８－０６８６（２００８）０２—００８４－０４
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ
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（ｂ）线路首端ａ和末端ｂ过电压波形 图４合闸过电压仿真算例
雷电侵入波
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收稿日期：２００８－０１－０５；修回日期：２００８—０３—０６北京市高等教育“十－－／［”专项规划重点项目和北京交通大学重点教改项目（２３０一ＩＩ，４４０７７） 作者简介：张小青（１９５７一），男，博士，研究员，主要研究方向为电力系统电磁暂态，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｘｑｉｏｎｇ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｏｏｍ
杨大晟（１９８０－），男，博士研究生，主要研究方向为雷电防护。
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ＥＭＴＤＣ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
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
ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ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／ＥＭＴＤＣ引人高电压工 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。
ＰＳＣＡ在Ｄ／实Ｄ施僦对提上供述了过颇电为压齐现备象的进系行统模元拟件仿库真时 。， 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、Ｉ。、Ｃ元件； ②线性集总单相和多相兀型电路； 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。
与反映过去状态历史电流源的并联电路，如图１ 所示。
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（ａ）线性Ｃ－Ｌ集总元件的计算电路
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（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
ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ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 Ｃｅｎｔｒｅ）开发出来 的。该软件由ＰＳＣＡＤ（Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｄｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）和ＥＭＴＤＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｒａｎ— ｓｉｅｎｔｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＤＣ）两部分软件组成。两者的关
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０．０００ ００１０ｍ ００２０ｍ ０ ０３（ｈｔｌ Ｏ．０４０ｍ
图３暂态计算流程
（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
３算例４结语
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
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第２期
张小青，杨大晟：基于ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ软件的过电压保护教学仿真
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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／ＥＭＴＤＣ，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