直流高壓串級發生器軟件開發范文

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“高電壓技術”是電氣工程專業的一門核心課程［1］。該課程中，關鍵的介電、導電和電氣強度參數的確定通常需要根據實驗獲得，這決定了高電壓實驗部分的學習非常關鍵。直流高電壓串級發生器充放電過程的講解是課程學習的難點之一，學生普遍反映不易理解。為了提高教學效果，本文基于電磁暫態仿真軟件ATP(AlternativeTransientsPro-gram)和可視化編程軟件CBuilder開發了一套直流高電壓串級電路(發生器)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通和截止情況，給出各點電位以供參考，同時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發生器的充放電過程的教學效果。

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發生器在充放電過程中各點電位隨時間的變化情況，屬于電磁暫態仿真問題。目前常用的電磁暫態仿真軟件主要有ATP和Matlab的Simulink［4］。前者的核心模塊是EMTP(ElectromagneticTransientsProgram)，由美國能源部邦維爾電管局主導開發。ATP中提供了電磁暫態建模需要的各種電源、元器件和測量手段，也提供了計算結果的圖形化顯示和數據導出等功能。同時，由于其采用了圖形化預處理軟件ATPDraw，可以采用鼠標拖拉方式構建ATP的輸入文件，建模仿真較為方便。Simulink是依托于Matlab平臺的重要組件，它是一個優秀的多功能仿真平臺。與ATP類似，Sim-ulink采用鼠標拖拉方式實現快速建模，同時建模結果的顯示和導出也非常方便。兩個軟件均可以實現直流高壓串級發生器充放電過程的仿真計算，但二者具有各自不同特點。ATP采用梯形積分去求解電磁暫態問題中的微分方程，而且自從1984年開發以來已經被廣泛使用了近30年，利用它，科研工作者已經發表了數以萬計的論文，其計算結果的可靠性已經被廣大用戶所接受。由于求解算法已經固定，無需用戶在求解算法上進行選擇，建模仿真比較簡單易用且計算速度較快。不足之處是該軟件并不提供易用的編程開發環境，導致無論是數據的圖形化顯示還是計算結果的導出，可以靈活變通的手段不多，某些情況下會導致圖形顯示效果不佳，數據導出格式不能令人滿意、速度太慢，甚至會導出失敗。Simulink具有如下優點:(1)其靈活性遠強于ATP，比如Simulink建模時可以產生任意需要的波形，而ATP要實現這個功能就比較難。Simulink的仿真結果可以方便地在Matlab平臺下顯示，比如調整線條樣式、顏色、字體大小和加標注等實現非常容易，在ATP環境下幾乎不可能做到這些功能。(2)仿真結果導出方式非常靈活，可以編程存儲為各種格式的文件，可以存儲結果中任意一段的數據而非全部存儲，而ATP的存儲格式比較單調，幾乎不具備編程實現存儲的能力，雖然也可以存儲其中一段數據，但也需要讀入全部數據，對于大數據量情況比較費時。Simulink存在以下不足:(1)能仿真的對象并非限于電磁暫態問題，因此，它不如ATP專業，通常來說，業內對它所得結果的認可度要低于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，而針對變步長的求解器又有離散、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb，針對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，尤其是初學者很難知道待求解問題應該選擇哪種算法，如果選擇不合適可能會導致求解失敗、計算速度太慢或計算結果誤差偏大。綜上考慮，本文直流高電壓串級發生器的仿真采用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發生器各點電位隨時間的變化，由此進一步顯示不同階段各硅堆的導通和截止情況，同時提供相關控件以實現用戶對演示過程的控制。目前主流的可視化編程軟件，包括VisualBasic、VisualC、Delphi和CBuilder等。VisualBasic和Delphi雖然開發速度較快，但是它們的基礎語言Basic和Pascal流行程度遠小于C語言和C語言。VisualC雖然是基于C語言，也是可視化的開發界面、軟件功能也非常強大，比較適合于開發系統軟件，但上手較慢。CBuilder既采用了非常流行的C語言，上手較快，開發速度也較快。因此，在本文中選擇它作為開發演示軟件。

2仿真結果及分析

2．1建模待建模的直流高壓串級發生器如圖1所示，考慮到級數太多時信息量過大，未必有利于讀者理解電路的充放電原理，因此選擇了4級。該電路在ATP中的建模結果如圖2所示。相關參數如下: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=50Hz，φ=-180°;負載電阻值為10MΩ;為了使仿真結果正常還需要在與電源直接相連的電容上串聯一個非常小的電阻，阻值為0．05Ω;仿真時間設置為0～4s。

2．2仿真結果在整個仿真時間段內，該發生器在ATP中仿真得到電源電壓、輸出電壓和1'點電位如圖3(a)所示。在最后2個工頻周期內輸出電壓如圖3(b)所示。由圖3(a)可知，隨著仿真時間(充放電時間)的增加，各點電位值逐漸趨于穩定，前2s范圍內各點電位變化還較為顯著，到3s時各點電位趨于穩態。因此，本文設置的仿真時長為4s能保證得到良好的穩態結果。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'點電位。顯然，得到的輸出電位與理論的情況比較吻合，一個完整周期內對于右柱電容存在放電-充電-放電-快速放電4個環節［1］，即在負載電阻較大時紋波因數較小，本例僅為1．90%。

2．3仿真結果分析由于本次仿真點數為4M，而且每個仿真點需要記錄17個數據，包括9個點的電位數據及8個電容器上電壓數據，共計68M數據。本文嘗試使用Pl42mat．exe將計算結果的pl4文件存儲為Matlab能識別的mat文件，由于數據量太大在本機運行時并不能得到對應的mat文件。為了導出最后一個周期的電位數據文件，使用了ATPLnch．exe中的“PL4-＞CSV”將pl4文件存儲為csv文件的功能，時間段選擇為3．98s到4．00s。當然執行該操作需要耗時數分鐘。以上csv文件中存儲的電位數據需要在演示軟件中讀入，在C++Builder中可以采用對象連接與嵌入OLE(ObjectLinkingandEmbedding)方式讀入csv文件，但速度偏慢。為此，將此csv文件中的數據導入Matlab，然后在Matlab中將這些數據以二進制浮點格式存儲入data．dat中，在演示軟件中僅讀入data．dat中數據，速度較快。同時由于舍棄了無用的8個電容器電壓數據而僅保留了9個點的電位數據且數據存儲格式更為緊湊，文件大小也由4190kB變為了704kB。

3演示軟件實現及效果展示

3．1演示軟件編程界面在C++Builder6．0中實現的演示軟件的編程界面如圖4所示。左側為TImage控件，用于顯示串級發生器原理圖。右側中部為2個TChart控件，分別用于顯示發生器輸出電壓U10和電源電壓U0'0。它們的下面為TrackBar控件，用于顯示/控制仿真進度(時刻)。右側上部為2個TComboBox控件，分別提供用戶對演示類型和演示速度的選擇。右側下部為Tbutton控件，用于啟動/暫停演示或退出軟件。

3．2演示軟件使用流程(1)參數設置:運行程序，選擇演示類型，若選擇了自動演示方式，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者。(2)啟動和暫停演示:若用戶選擇了自動方式，則點擊“啟動”按鈕即可;若用戶需要暫停演示則點擊“暫停”按鈕即可;若用戶選擇了手動方式則用鼠標將進度條拖動到需要位置即可。手動方式演示與進度條刻度直接對應，并不是連續演示，無需暫停。(3)退出運行。點擊“退出”按鈕即可。

3．3演示軟件特點(1)對硅堆/回路的導通和截止情況區別顯示，即將處于導通狀態的元器件和線路標注為加粗的紅實線，而對于不導通的硅堆及對應線路采用灰色細虛線，不導通的電容和電源等采用黑色細實線。導通回路有藍色箭頭標出了電流方向。使用戶能非常清楚、快速辨別各元器件和回路所處狀態。(2)實時顯示各節點電位值，使用戶能夠非常容易地判斷出硅堆的導通和截止，驗證圖中給出的硅堆的狀態。(3)給出了輸出電壓和電源電壓隨時間的變化波形，根據該波形可以與圖中給出的硅堆和回路導通和截止情況、各節點電位值互相驗證，進一步加強用戶對直流高電壓串級發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。顯然用戶對直流高電壓串級發生器充放電過程的理解程度有深有淺，這樣對演示的速度具有不同的要求，同時不同人及在不同狀態下對演示方式也有不同要求，有人喜歡全程連續演示的方式，有人需要顯示電路某些關鍵時刻點的狀態。為了適合這種需要，系統提供了自動和手動兩種演示方式，前一種方式還提供了演示速度的選擇，它在一個周期內按照用戶選擇的速度全程連續演示電路狀態、各點電位和電壓波形。手動方式根據用戶確定的仿真時刻給出電路狀態、各點電位和電壓波形。(5)提供了暫停和恢復方式，在自動狀態演示時用戶可以隨時停止和恢復演示過程，這樣提供了用戶理解所需的足夠時間。

3．4演示效果為了驗證演示結果的可靠性，我們給出了三種狀態:①硅堆均截止，右柱電容向負荷放電;②D1、D2、D3和D4均導通，左柱電容經硅堆向負荷及右柱電容放電;③D1'、D2'、D3'和D4'均導通，右柱電容向左柱下級電容及負荷放電。本軟件在三種狀態下的演示效果如圖5所示。由圖5(a)可知，根據軟件的演示結果，我們可以快速地確定所有硅堆均處于截止狀態，左柱電容既不向右柱電容充電，右柱電容也不向左柱下級電容充電，僅僅是右柱電容向負荷放電。而根據圖中給出的各點電位可知，除了0點，右柱各點電位均比左柱對應各點電位高(718．59＞652．51、545．11＞476．49、369．46＞295．38、188．73＞106．28)，同時右柱各點電位比左柱上級各點電位更低(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'均處于截止狀態。由以上分析可知，根據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果完全吻合。也與文獻［1］給出的情況吻合。其他兩個圖也類似，限于篇幅就不一一說明了。

4結語

(1)ATP計算結果導出的速度和易用性、與Matlab無縫鏈接方面不如Simulink，但ATP參數選擇對用戶要求低、仿真速度更快，專業性更強、計算結果更易被大家接受。(2)基于電磁暫態仿真軟件和可視化編程語言可以實現“高電壓技術”教學過程中直流高電壓串級發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、導通狀態的不同顯示方式，各點電位的實時顯示以及演示模式和速度的自由選擇可以適應不同層次的學生對直流高電壓串級發生器電路充放電過程學習的要求，有望提高教學效果。

作者：徐志鈕 單位：華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室