MATLAB.Exponenta
–Û·Ë͇ Matlab&Toolboxes

Simulink

Работы-участники конкурса Simulink-моделей.

Модель силовой однофазной электросети

архив работы zip-файл

Лаптев Андрей Александрович, аспирант на кафедре электротехники и промышленной электроники, Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьева, alaptev@inbox.ru

Имитационная модель однофазной электросети симулирует напряжение питания, используемое в промышленности и быту. Модель является по своей сути сложным генератором напряжения, выходная форма которого приближена к реальной. Модель выдает сигнал по своей математической сути являющийся сигналом с идеального генератора, и модель не рассчитана на моделирование электрических схем, хотя при наличии дополнительных преобразовательных блоков может использоваться и для этого. Наиболее удобно применять модель для изучения различных моделей, моделирующих некоторые методы, принципы, приемы измерения, преобразования и т.п. Модель учитывает: форму напряжения, отклонение частоты, отклонение напряжения, колебание напряжения, сложный удар молнии, коммутационные перенапряжения различных основных форм. Модель настроена на параметры качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97. Сразу замечу, что модель не имитирует то, что обычно принято называть шумом. Модель имеет около сорока настраиваемых параметров, объединенных в шесть основных групп и несколько подгрупп. Имеется шесть файлов помощи на русском языке.

Вид блока модели представлен на рис. 1. Основным выдаваемым параметром модели является кривая гармонического напряжения, параметры которого можно изменять внутри модели.

Рис. 1 Блок модели

Внутри блока используется модельное время. На первый выход модели выдается моделируемой напряжение, на втором выходе выдаются импульсы равные амплитуде напряжения в точках перегиба кривой и импульсы равные действующему напряжению за последний период напряжения.



Рис. 2 Маска первой группы параметров

Модель позволяет получить любую форму кривой напряжения, задавая любое количество гармоник основной частоты. Частота основной гармоники, а также и всех остальных гармоник, может изменяться по случайному закону в задаваемых пределах. Модель позволяет также изменять во времени амплитуду напряжения, за счет задания параметров отклонения и колебания напряжения. Также имеется возможность моделирования основных форм напряжений переходных процессов и удар молнии. Для индикации количественных показателей в модели производиться измерение положительной и отрицательной амплитуды напряжения и измерение действующего значения напряжения.

Для настройки параметров моделирования необходимо задать все основные параметры. Для этого необходимо вызвать маску задания параметров и выбрать группу задаваемых параметров. Верхние шесть параметров маски предназначены для выбора группы настраиваемых параметров. Это следующие группы:

- параметры совокупности гармоник;

- параметры отклонения частоты напряжения;

- параметры отклонения амплитуды напряжения;

- параметры колебания амплитуды напряжения;

- параметры коммутационных переходных процессов;

- Параметры удара молнии;

Для редактирования необходимо поставить флажок только в одной группе, при этом предыдущий флажок удаляется автоматически. Для каждого флажка выводиться своя группа параметров, в некоторых случаях имеется возможность дополнительного выбора из подгрупп. При повторном вызове маски сохраняется значение последней выбранной группы. Имеется возможность прочитать файл помощи при нажатии Help кнопки, должен загрузиться файл помощи для выбранной группы параметров.

Для первой группы параметров совокупности гармоник "Sum harmonicas parameters" необходимо задать четыре параметра.

Основная частота "Main frequency" задает частоту для первой гармоники, для всех остальных гармоник частота будет пропорциональна основной. Можно задавать любое число, даже отрицательное, но при этом следует помнить об автоматическом изменении начальной фазы, что для длительного процесса не имеет значения. Второй параметр - список номеров используемых гармоник "Harmonica number list" следует задавать в виде вектора (в квадратных скобках). Порядок следования и общее количество не имеют значения. "Type used value" - тип используемой величины измерения в четвертом параметре можно задать как "Amplitude" и задавать напряжение по амплитуде или можно задать как "Active voltage" и задавать как действующее значение напряжения.

"Amount of the used value list" - список соответствующих амплитуд или действующих значений для списка используемых номеров гармоник. Задавать параметр следует вектором, учитывая соответствие списку гармоник. Длины векторов списка гармоник и списка амплитуд должны быть равны.

Для второй группы параметров "Frequency deviation parameters" (см. рис. 3) отклонения частоты необходимо задать три параметра.



Рис. 3 Маска второй группы параметров

Максимально возможное отклонение частоты в процентах "Percent of the deviation" задает диапазон отклонения в обе стороны (±%). Второй параметр "Time deviation range" диапазон временного отрезка для отклонения, следующее изменение отклонения произойдет через время . Период повторения "Period of repetition" временной отрезок, в течение которого отклонение изменяется по случайному закону, по истечении этого отрезка вся последовательность повторяется сначала. Последовательность случайных чисел генерируется во время инициализации при помощи функций инициализации, написанных для масок. Этот параметр влияет на количество используемой памяти. Чем больше период повторения, тем больше памяти требуется для запоминания всей последовательности. Если необходимо, чтобы последовательность была случайной, то данный параметр следует ставить равным времени симуляции модели, можно и больше этого числа, но это уже не оправдано.

Далее рисунки масок приводиться не будут. Для третьей группы параметров "Amplitude deviation parameters" отклонения амплитуды напряжения необходимо задать точно такие же три параметра.

Максимально возможное отклонение амплитуды напряжения в процентах "Percent of the deviation" задает диапазон отклонения в обе стороны (±%). Второй параметр "Time deviation range" диапазон временного отрезка для отклонения, следующее изменение отклонения произойдет через время . Период повторения "Period of repetition" временной отрезок, в течение которого отклонение изменяется по случайному закону, по истечении этого отрезка вся последовательность повторяется сначала. Этот параметр влияет на количество используемой памяти.

Четвертая группа параметров "Amplitude fluctuation parameters" определяет колебание амплитуды напряжения. Сразу можно сказать, что по математическому описанию данный параметр не сильно отличается от предыдущего, но на физическом уровне это отличие значительно. Дело в том, что колебание напряжения имеет более значительную частоту и амплитуду, чем отклонение. Смысл параметров тот же. Максимально возможное колебание амплитуды напряжения в процентах "Percent of the fluctuation" задает диапазон отклонения в обе стороны (±%). Второй параметр "Fluctuation range" диапазон временного отрезка для колебания, следующее изменение колебания произойдет через время . Период повторения "Period of repetition" временной отрезок, в течение которого колебание изменяется по случайному закону, по истечении этого отрезка вся последовательность повторяется сначала.

Группа параметров коммутационных перенапряжений "Switching overvoltage parameters" описывает основные формы переходных колебательных процессов, возникающих в сети при различных коммутациях нагрузки. Параметр "Use random time" использования случайного времени задает время возникновения переходного процесса. Оно может возникнуть либо случайно, в соответствие со случайной заданной последовательностью, либо единожды в указанной точке времени. Неактивный параметр не подсвечивается и не поддается изменению. Следующий параметр "Type impulse" задает тип переходного процесса. Всего реализовано шесть различных переходных процессов, и также имеется возможность случайного задания типа переходного процесса. Реализованы следующие основные переходные процессы: Апериодический; колебательный затухающий; колебательный, когда положительная амплитуда не равна отрицательной; колебательный, наложенный на основное напряжение; колебательный, при работе разрядника; разрыв (или коротыш) провода; случайный выбор из предыдущих.

Апериодический "Aperiodic" переходный процесс характеризуется следующими параметрами: Временем переднего фронта "Time rising front", этот параметр отвечает за скорость подъема в начале процесса и за общее время переходного процесса, равное утроенному значению данного параметра. Величиной амплитуды "Percent of amplitude" по отношению к основному напряжению в процентах. Третий параметр "Period oscillatory process" период колебательного процесса необходимо ставить больше, чем первый параметр, иначе возникнет колебательный затухающий процесс. Колебательный затухающий процесс "Oscillatory fading" является почти таким же по параметрам, как и апериодический, только начальная амплитуда задается жестко, а не в процентном отношении. Значение последнего параметра должно быть меньше первого, для возникновения колебательного процесса. Колебательный затухающий процесс "Oscillatory U2>U1", когда положительные и отрицательные амплитуды не равны, описывается четырьмя параметрами. Первые три параметра аналогичны предыдущим. Последний параметр "Gain U2" задает коэффициент усиления для отрицательной амплитуды напряжения. Если коэффициент меньше единицы, то положительная амплитуда будет больше отрицательной. Колебательный затухающий процесс, наложенный на основное напряжение, "Oscillatory on base voltage" имеет точно такие же параметры, как колебательный затухающий. Колебательный процесс при работе разрядника "Oscillatory on charge unit" описывается четырьмя параметрами. Параметры точно такие же, как и в предыдущих переходных процессах, за исключением "Charge Unit voltage" напряжение разрядника. Этот параметр должен быть меньше величины основного напряжения, иначе переходный процесс не возникнет. Переходный процесс "Break" моделирует обрыв провода или полное пропадание напряжения. Он описывается всего одним параметром "Time break period" временем обрыва. Параметр задается вектором. Значение параметра выбирается случайно из указанного диапазона. Также имеется возможность случайного выбора переходного процесса "Random". При этом при возникновении переходного процесса он каждый раз будет выбираться случайно. Поскольку используется равномерное распределение дискретной случайной величины, то со временем, при большом количестве переходных процессов будут перебраны все типы.

Последняя группа параметров "Thunderbolt parameters" характеризует удар молнии. "Start time to Thunderbolt" - время первого удара молнии, после первого удара могут сразу еще идти до 30 подобных же ударов, с расстоянием между ударами 0,0001…0,5 секунд. "Time rising front" время переднего фронта напряжения при ударе. "Max Amplitude" амплитуда напряжения первого импульса при ударе, знак амплитуды выбирается случайно. "Saturation amplitude" величина ограничения напряжения для срезанной формы импульса. "Period oscillatory process" период гармонических колебаний затухающего процесса. От сочетания второго и пятого параметров зависит форма напряжения удара.

Общая схема модели показана на рис. 4. Для задания формы напряжения необходимо всего лишь управлять амплитудой и частотой напряжения. Поэтому блоки можно разделить на следующие группы: блоки, отвечающие за частоту напряжения, блоки, отвечающие за амплитуду напряжения, блоки, отвечающие за помехи, и измерительный блок.

Для задания основной формы напряжения используется сумма гармонических функций. Поскольку, известно, что при таком способе задания можно реализовать любую форму напряжения, то пользователю предоставляется достаточно широкий выбор. Для этого служит блок Sum Harmonicas. В качестве внутренних параметров блока служат частоты и амплитуды напряжений, входящих в ряд гармонических функций. Внутри подсистем имеются также достаточно сложные и объемные структуры, вследствие ограниченности объема статьи их структурные схемы и рисунки приводиться не будут.

Для управления частотой используется блок Frequency Deviation. Он задает плавание частоты всех составляющих ряда, что позволяет моделировать реальное отклонение частоты напряжения. Случайная последовательность повторения отклонения частоты задается при помощи функции инициализации маски.

Блоки Amplitude deviation и Amplitude fluctuation задают отклонение амплитуды напряжения. Математически эти блоки отличаются не сильно, но физическая разность этих блоков имеется. Отклонение амплитуды измеряется для установившего режима и обычно зависит от графика работы нагрузки потребителей. Колебания же амплитуды напряжения обычно бывают от наличия в системе нагрузок с сильными нелинейными свойствами, и обычно характеризуются таким параметром как флик. Отрицательное воздействие флика достаточно широко известно. В данной модели отклонение и колебания суммируются, и уже после этого математически умножаются на весь сигнал.

Рис. 4 Структура модели

Для моделирования помех в модели имеется блок коммутационных перенапряжений Switching overvoltage. Он задает основные формы помех, возникающих при коммутации нагрузки. Помехи могут оказывать сильное влияние на остальные электроприборы, поэтому данный блок достаточно важен.

Для моделирования удара молнии служит блок Thunderbolt. Удар молнии это короткий импульс напряжения очень большой амплитуды вызывающий повреждения большинства приборов. Обычно математические модели не учитывают условия, при которых происходят повреждения приборов, но могут быть смоделированы специальные устройства защиты, для исследования которых можно применить данную модель.

При моделировании большинства переходных процессов используется следующая математическая функция:

где - амплитуда колебательного процесса,

- постоянная затухающего процесса (равна длительности переднего фронта),

- период колебательного процесса.

В зависимости от сочетания параметров данная формула реализует как периодические, так апериодические процессы и достаточно точно повторяет форму переходных процессов.

Блок измерения параметров производит измерение действующего значения напряжения и амплитуды. Специальной нагрузки этот блок не несет, но в нем реализованы достаточно точные математические методы измерения параметров, которые могут быть нужны при исследовании измерительных приборов.

В принципе, все подсистемы представленные на рис. 4 имеют маски, которые также могут содержать callback-функции и функции инициализации. Некоторые подсистемы имеют похожие структуры, но отличаются по функциям или настройкам входящих в них блоков. Особенно сложная структура у блока Switching Overvoltage. Он состоит из еще нескольких подсистем, которые отвечают за управление типом и формой переходного процесса. Их описание приводиться не будет, так как даже краткие пояснения с рисунками занимают приблизительно 20 страниц.



И в конце приведу виды сигналов выдаваемых моделью.

На рис. 5 приведена форма выходного напряжения, содержащего несколько гармоник и отличающаяся от синусоидальной. В момент времени 0,02 наблюдается затухающий периодический процесс, связанный с перенапряжениями при коммутации. На рис. 6 наблюдаются две линии, отвечающие за величину действующего значения за период (красная) и амплитудное мгновенное значение (черная) напряжения. Величина действующего значения выдается в конце каждого периода. Для измерительных приборов желательная непрерывная линия этого значения, но это бы потребовало разработки еще одной специальной модели, а так все реализовано достаточно просто. Мгновенные значения напряжения фиксируются в точках экстремумов функции.

Выводы:

Среди основных отличительных особенностей модели следует отметить:

- Сложную многоуровневую структуру из подсистем, с наличием масок, callback-функций и функций инициализации масок.

- Большое количество настраиваемых параметров, что тяжело для людей слабо разбирающихся в предмете, но очень удобно для профессионалов, которым дается удобный инструмент по настройке модели без необходимости её доработки.

- Удобный интерфейс настройки параметров модели, когда все параметры можно настраивать на одном динамическом оконном меню. Важно и то, что в меню не используется GUI.

- Развитую, встроенную систему файлов помощи на русском языке, которую можно открыть из меню настройки параметров. Для вызова файлов помощи достаточно нажать на кнопочку Help, находящуюся внизу окна меню настройки параметров, при этом выбирается файл для текущих параметров.

В настоящее время разработаны два типа модели: для непрерывных вычислений (описана в этом документе) и для дискретных. Ведутся исследования по изучению взаимодействия данной модели с другими моделями. Модель требует достаточно большой вычислительной мощности, что пока останавливает от создания модели трехфазной сети. Значительную часть работы над моделью заняло создание удобного интерфейса. Для этого пришлось написать несколько дополнительных функций, управляющих динамическими меню. Также пришлось написать файлы помощи, по объему занимающие гораздо больше места, чем сама модель.


Поиск по сайту:

Система Orphus

Яндекс.Метрика