ETAP仿真軟件在化工企業(yè)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱 慧

(青島科技大學(xué)，山東 青島 266003)

ETAP仿真軟件是美國(guó)OTI公司1996年發(fā)行的功能全面的綜合型電力、電氣分析計(jì)算軟件，能為發(fā)電、輸配電和工業(yè)電力電氣系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、運(yùn)行、模擬提供全面的分析平臺(tái)和解決方案。經(jīng)過多年的開發(fā)與完善，ETAP仿真軟件具有潮流計(jì)算、不平衡潮流計(jì)算、優(yōu)化潮流、短路計(jì)算、保護(hù)整定、電機(jī)加速分析、暫態(tài)穩(wěn)定、電機(jī)啟動(dòng)分析、接地網(wǎng)設(shè)計(jì)及低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等功能，確立了電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析軟件的標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，以最簡(jiǎn)潔的方式建立單線圖、阻抗圖、繼電保護(hù)圖及分析計(jì)算圖等多種圖形。ETAP軟件還具有虛擬現(xiàn)實(shí)操作的特點(diǎn)，其下的程序操作與實(shí)際的電氣系統(tǒng)相似。利用ETAP軟件進(jìn)行仿真分析時(shí)，只需點(diǎn)擊相應(yīng)的功能模塊按鈕，并進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，即可獲得分析結(jié)果，分析結(jié)果可以以直接顯示、文本報(bào)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(jī)界面、強(qiáng)大的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)功能、豐富的控制系統(tǒng)模型以及直觀、簡(jiǎn)單的電氣操作等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，已成為電力科研工作者和工程技術(shù)人員進(jìn)行電力系統(tǒng)有關(guān)問題的仿真分析和輔助設(shè)計(jì)的理想工具。

1 ETAP仿真軟件在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用①

工程技術(shù)人員進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)給定的技術(shù)要求進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，包括電氣設(shè)備型號(hào)的確定、主接線方案選擇、繼電保護(hù)的合理配置以及電機(jī)合理的啟動(dòng)方式等[2]。在電氣施工之前，若能通過仿真軟件預(yù)先檢驗(yàn)初步設(shè)計(jì)方案的合理性，將會(huì)縮短建設(shè)周期、節(jié)約建設(shè)成本。ETAP軟件具有強(qiáng)大的仿真分析功能，可以進(jìn)行潮流仿真分析、短路仿真分析、電機(jī)啟動(dòng)仿真分析和電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析，通過這些仿真可以檢驗(yàn)初步設(shè)計(jì)方案的合理性。筆者以某小型企業(yè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，分析ETAP仿真軟件對(duì)其進(jìn)行的輔助設(shè)計(jì)。

在ETAP軟件進(jìn)行仿真分析之前，首先要根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案建立該小型化工企業(yè)電氣系統(tǒng)的仿真模型。ETAP提供了電力系統(tǒng)仿真通用的元件，包括發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路、等效負(fù)荷、繼電器及開關(guān)器件等，建模時(shí)只需通過點(diǎn)擊和拖放界面內(nèi)的元件即可建立用戶所需要的電力系統(tǒng)仿真模型，并利用元件的對(duì)話框來設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可，該化工企業(yè)電氣系統(tǒng)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(jì)算功能模塊，只需點(diǎn)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(jì)算方法，再點(diǎn)擊運(yùn)行潮流按鈕，即可進(jìn)行潮流仿真分析。本次仿真采用默認(rèn)的牛頓-拉夫遜法，潮流分析結(jié)果可以以報(bào)告的形式輸出，也可在建模圖中直觀地顯示。仿真結(jié)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(jié)果圖直觀地看到各母線的電壓、通過各電氣設(shè)備的功率和各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。若有設(shè)備過載，則在潮流運(yùn)行圖中以紅色顯示，表示此設(shè)備型號(hào)選擇偏小，工程設(shè)計(jì)人員通過雙擊相應(yīng)的設(shè)備，來選擇合適的型號(hào)。

圖1 電氣系統(tǒng)仿真模型

圖2 ETAP軟件潮流計(jì)算仿真結(jié)果

2.2 短路仿真分析

ETAP仿真軟件具有強(qiáng)大的短路分析功能，提供了三相短路電流計(jì)算、不對(duì)稱短路電流計(jì)算的方法，利用ETAP軟件進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，只需點(diǎn)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(diǎn)，再點(diǎn)擊運(yùn)行三相短路或者不對(duì)稱短路模塊按鈕，即可進(jìn)行短路仿真分析。以Bus B母線三相短路為例，進(jìn)行ETAP軟件的三相短路仿真分析，仿真結(jié)果在圖中直觀地顯示(圖3)，也可以以報(bào)告的形式輸出(圖4)。使用ETAP 軟件對(duì)系統(tǒng)插入的故障點(diǎn)進(jìn)行短路仿真。

圖3 ETAP軟件的三相短路仿真結(jié)果

圖4 三相短路仿真結(jié)果輸出

三相短路仿真結(jié)果輸出的報(bào)告形式計(jì)算，可以方便地得到不同故障點(diǎn)、不同故障類型時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路電流數(shù)據(jù)，短路仿真結(jié)果可以用來檢驗(yàn)開關(guān)設(shè)備的型號(hào)選擇是否合理；在此基礎(chǔ)上，選擇和整定繼電保護(hù)裝置，使之能正確地切除短路故障。

2.3 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析

在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到各類故障、負(fù)荷投切等擾動(dòng)，系統(tǒng)受到這些擾動(dòng)后，能否繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行是人們關(guān)注的重點(diǎn)[3]。現(xiàn)利用ETAP軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析，仿真時(shí)同步發(fā)電機(jī)沒有勵(lì)磁器和原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。現(xiàn)設(shè)0.50s時(shí)Utility Bus母線發(fā)生的三相短路故障作為對(duì)系統(tǒng)的大擾動(dòng)，0.93s時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)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(nèi)，圖1中同步發(fā)電機(jī)B的相對(duì)功角如圖5a所示，由圖可以看到，系統(tǒng)在受到大的擾動(dòng)后，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整，功角可以穩(wěn)定在某一值，系統(tǒng)是穩(wěn)定運(yùn)行的；若在0.94s切除故障，圖1中同步發(fā)電機(jī)B的相對(duì)功角如圖5b所示，可以看到，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整功角不能穩(wěn)定在某一值，系統(tǒng)則不能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在Utility Bus發(fā)生短路故障，設(shè)計(jì)相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置時(shí)，要求其動(dòng)作時(shí)間小于0.43s，否則即使切除故障，系統(tǒng)也不能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行。上述仿真為繼電保護(hù)裝置的合理設(shè)置提供了依據(jù)。

圖5 Utility Bus母線故障時(shí)的發(fā)電機(jī)B的相對(duì)功角仿真曲線

2.4 電機(jī)啟動(dòng)仿真分析

電動(dòng)機(jī)是電力系統(tǒng)中非常重要的負(fù)荷，電動(dòng)機(jī)的啟停操作是一項(xiàng)頻繁的操作，電機(jī)啟動(dòng)方式有多種，包括直接啟動(dòng)和軟啟動(dòng)，不同的啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)不同的啟動(dòng)電流。分析各種啟動(dòng)方式下的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)、電機(jī)本身和機(jī)械負(fù)載的影響，進(jìn)而選擇合理的啟動(dòng)方式，在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中尤為重要。

ETAP軟件具有先進(jìn)的電機(jī)啟動(dòng)模塊，分析功能全面，可以進(jìn)行一臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)分析，還可以進(jìn)行一組電機(jī)的啟動(dòng)分析；可以選擇不同的電動(dòng)機(jī)模型、不同的啟動(dòng)設(shè)備、不同的啟動(dòng)類型和應(yīng)用不同的啟動(dòng)方案，各種情況下都可以迅速、精確和方便地獲得分析結(jié)果，且提供了直觀的仿真圖形，使用戶能夠了解電機(jī)啟動(dòng)過程中系統(tǒng)的變化，為工程師提供了一個(gè)全面分析系統(tǒng)變化的有力工具[4]。

下面通過ETAP軟件對(duì)圖1中電動(dòng)機(jī)M1的啟動(dòng)方式進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)設(shè)置好電機(jī)的參數(shù)、啟動(dòng)類型、啟動(dòng)方式，點(diǎn)擊電機(jī)加速啟動(dòng)功能模塊按鈕，然后在案例編輯器中設(shè)置好M1電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，即可進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)仿真分析。設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)后，分別進(jìn)行了電機(jī)直接啟動(dòng)和軟啟動(dòng)的仿真分析，仿真結(jié)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(dòng)方式時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間短，約為3.6s，但電機(jī)啟動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)大，容易引起附近電機(jī)的堵轉(zhuǎn)，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；而采用軟啟動(dòng)方式時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，約為13.6s，但啟動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)小。因此，考慮到電機(jī)啟動(dòng)時(shí)要對(duì)電網(wǎng)電壓、電力系統(tǒng)的擾動(dòng)要小，選擇軟啟動(dòng)方式。

圖6 電機(jī)M1直接啟動(dòng)時(shí)的母線SWBRDA電壓和電動(dòng)機(jī)電流

圖7 電機(jī)M1軟啟動(dòng)時(shí)的母線SWBRDA電壓和電動(dòng)機(jī)電流

3 結(jié)束語(yǔ)

通過ETAP軟件在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的仿真應(yīng)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(tǒng)的仿真模型，且仿真速度快，結(jié)果準(zhǔn)確、直觀。在對(duì)某化工企業(yè)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過潮流仿真分析，可以直觀地看到所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各個(gè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而確定電氣設(shè)備型號(hào)選擇是否合理；通過短路仿真分析，可以很方便地得到各個(gè)支路流過的短路電流，為繼電保護(hù)的合理配置提供了依據(jù)；通過暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析，可以看到系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而確定繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間設(shè)置的是否合理；對(duì)電機(jī)啟動(dòng)仿真分析，可以得到不同啟動(dòng)方式下對(duì)系統(tǒng)的影響，從而可以選擇電動(dòng)機(jī)合理的啟動(dòng)方式。總之，ETAP仿真軟件是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的輔助工具。