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【摘 要】 “电力系统继电保护”是一门难度较大的电气工程类专业课程。为改善课程教学效果，常应用EMTP和MATLAB软件进行保护方案设计、验证与仿真。然而在实际教学过程中发现，学生使用仿真软件会出现仿真结果出错的问题。以“电力系统继电保护”课程教学为研究对象，重点分析了EMTP和MATLAB在课程教学中特点、不恰当使用带来的主要问题、以及提出了针对性的解决方法。
【关键词】 仿真软件；EMTP；MATLAB；教学研究
【中图分类号】G644 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）25-00-01
1 仿真软件的选择
目前，在输电线路仿真研究中主要应用软件有EMTP和MATLAB两种。下面将分别对着两种仿真软件的特点进行简单的介绍。
EMTP（Electromagnetic Transients Program）即电磁暂态分析程序，主要用于计算机模拟电力系统电磁暂态过程，程序可以求解包括集中参数的线性和非线性电阻、电感、电容电路，多相π型电路 ，多相分布参数电路，各种类型的开关、变压器、电源以及控制系统等组成的大型电力系统的稳态或暂态过程。EMTP程序具有规模大、功能强、模拟真实等优点，目前在我国高等学校、科研、设计和制造等部门都得到了广泛的应用，并在一些国家级重点项目的研究中都已使用EMTP程序。
MATLAB（Matrix Laboratory，矩阵实验室）是适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件，并且是目前国际上最流行的软件之一。MATLAB被广泛地应用于系统控制、数据分析、信号处理、通信系统、金融系统、工程数学、土木工程、图形可视化等领域。功能强劲的工具箱是MATLAB的一重大特色。MATLAB包含两部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数，而工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交换功能。功能性工具箱用于多种学科。学科性工具箱专业性比较强[15]。
在仿真模型的建立方面，由于EMTP是专门针对磁暂态分析设计，所以在建模过程易于操作。而虽然MATLAB功能更强大，但在数据处理上，EMTP采用的是固定步长积分的节点分析法。对于MATLAB，其重要特征是：它既能对连续系统又能对离散系统运用可变步长积分算法进行仿真。对中小规模系统，由于可变步长算法的步骤数通常比固定步长算法的步骤数要少，所以MATLAB 算法的速度一般要快一些。
2 仿真软件的应用及仿真流程
EMTP仿真软件主要由生成故障仿真脚本的ATPDraw和执行暂态仿真的Tpbig两个程序构成。首先在ATPDraw中搭建仿真模型，在界面中点击鼠标右键选择电气元件，元件库中包含电力系统从发电、输电、变电至配电各环节的各种元件，之后双击元件，从而设置元件参数，且在工具栏的ATP中查找下拉菜单“Settings”设置系统参数。模型搭建好后，在工具栏的ATP中查找下拉菜单“Run ATP”，即可运行，得到仿真结果。
然而，EMTP仿真软件中得出的仿真结果未经过各种运算。例如，求取电力系统的零序电流，需要将三相电流相加，此运算将在MATLAB中实现。为此需要将EMTP中获得的数据输入MATLAB。在MATLAB进行编程，最终获得所需电气量的结果。
若仅采用MATLAB进行仿真，则需要在MATLAB的Simulink界面搭建仿真模型，运行后得到仿真结果。
3 课程教学中经常遇到的问题
仿真软件强大的计算能力、数据可视化能力、交互式视窗平台开发能力为“电力系统继电保护”课程教学提供了强有力的支持。然而，在实际教学中发现，“电力系统继电保护”在模型搭建和程序调试的过程中会导致仿真结果出错。常见的问题如下：
1、EMTP仿真软件“Settings”设置系统参数时，没有考虑模型中电容和电感的单位；
2、用户可借助EMTP仿真软件以图形化的方式定义仿真对象、设置故障参数及生成故障仿真脚本，再由Tpbig程序完成电磁暂态仿真。由于ATPDraw作为一个编制完成的应用程序只能按特定规则对仿真系统中每个元件进行节点编号并生成其仿真脚本，但学生在实际应用时会忽略其生成仿真脚本的规律，进而导致仿真结果出错。
4 针对性的解决方法
1、在ATPDraw程序中绘制不同运行方式下需要进行故障仿真的模型，生成单相接地、两相接地、两相短路、三相短路等故障仿真脚本，将其作为该运行方式下故障仿真脚本的模板。
2、故障起始角、故障类型、根据故障点、短路电阻的不同组合方式，修改故障脚本模板生成对应的故障仿真脚本按命名规则存盘，并填入仿真脚本文件名列表。
3、生成完所有故障仿真脚本后，逐个从列表中提取仿真脚本名，也可按工具栏的ATP中下拉菜单“PlotXY”中输出电气量顺序进行数据输入。执行电磁暂态仿真程序，从仿真结果存储文件，即工具栏的ATP中下拉菜单“Edit LIS-file”中提取仿真数据，根据故障模式，按命名规则存入对应数据文件供分析。
5 结语
本文对如何合理使用仿真软件辅助“电力系统继电保护”课程教学进行了探讨。教学过程中必须合理使用仿真软件：一方面，教师借助仿真软件强大的图像绘制功能，使学生获得最为直观的感受，加深基本知识的理解；另一方面，在学生的实际应用中强调易出错内容的讲解，使学生能真正掌握保护原理，同时提高学生的程序设计能力。
【关键词】 仿真软件；EMTP；MATLAB；教学研究
【中图分类号】G644 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）25-00-01
1 仿真软件的选择
目前，在输电线路仿真研究中主要应用软件有EMTP和MATLAB两种。下面将分别对着两种仿真软件的特点进行简单的介绍。
EMTP（Electromagnetic Transients Program）即电磁暂态分析程序，主要用于计算机模拟电力系统电磁暂态过程，程序可以求解包括集中参数的线性和非线性电阻、电感、电容电路，多相π型电路 ，多相分布参数电路，各种类型的开关、变压器、电源以及控制系统等组成的大型电力系统的稳态或暂态过程。EMTP程序具有规模大、功能强、模拟真实等优点，目前在我国高等学校、科研、设计和制造等部门都得到了广泛的应用，并在一些国家级重点项目的研究中都已使用EMTP程序。
MATLAB（Matrix Laboratory，矩阵实验室）是适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件，并且是目前国际上最流行的软件之一。MATLAB被广泛地应用于系统控制、数据分析、信号处理、通信系统、金融系统、工程数学、土木工程、图形可视化等领域。功能强劲的工具箱是MATLAB的一重大特色。MATLAB包含两部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数，而工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交换功能。功能性工具箱用于多种学科。学科性工具箱专业性比较强[15]。
在仿真模型的建立方面，由于EMTP是专门针对磁暂态分析设计，所以在建模过程易于操作。而虽然MATLAB功能更强大，但在数据处理上，EMTP采用的是固定步长积分的节点分析法。对于MATLAB，其重要特征是：它既能对连续系统又能对离散系统运用可变步长积分算法进行仿真。对中小规模系统，由于可变步长算法的步骤数通常比固定步长算法的步骤数要少，所以MATLAB 算法的速度一般要快一些。
2 仿真软件的应用及仿真流程
EMTP仿真软件主要由生成故障仿真脚本的ATPDraw和执行暂态仿真的Tpbig两个程序构成。首先在ATPDraw中搭建仿真模型，在界面中点击鼠标右键选择电气元件，元件库中包含电力系统从发电、输电、变电至配电各环节的各种元件，之后双击元件，从而设置元件参数，且在工具栏的ATP中查找下拉菜单“Settings”设置系统参数。模型搭建好后，在工具栏的ATP中查找下拉菜单“Run ATP”，即可运行，得到仿真结果。
然而，EMTP仿真软件中得出的仿真结果未经过各种运算。例如，求取电力系统的零序电流，需要将三相电流相加，此运算将在MATLAB中实现。为此需要将EMTP中获得的数据输入MATLAB。在MATLAB进行编程，最终获得所需电气量的结果。
若仅采用MATLAB进行仿真，则需要在MATLAB的Simulink界面搭建仿真模型，运行后得到仿真结果。
3 课程教学中经常遇到的问题
仿真软件强大的计算能力、数据可视化能力、交互式视窗平台开发能力为“电力系统继电保护”课程教学提供了强有力的支持。然而，在实际教学中发现，“电力系统继电保护”在模型搭建和程序调试的过程中会导致仿真结果出错。常见的问题如下：
1、EMTP仿真软件“Settings”设置系统参数时，没有考虑模型中电容和电感的单位；
2、用户可借助EMTP仿真软件以图形化的方式定义仿真对象、设置故障参数及生成故障仿真脚本，再由Tpbig程序完成电磁暂态仿真。由于ATPDraw作为一个编制完成的应用程序只能按特定规则对仿真系统中每个元件进行节点编号并生成其仿真脚本，但学生在实际应用时会忽略其生成仿真脚本的规律，进而导致仿真结果出错。
4 针对性的解决方法
1、在ATPDraw程序中绘制不同运行方式下需要进行故障仿真的模型，生成单相接地、两相接地、两相短路、三相短路等故障仿真脚本，将其作为该运行方式下故障仿真脚本的模板。
2、故障起始角、故障类型、根据故障点、短路电阻的不同组合方式，修改故障脚本模板生成对应的故障仿真脚本按命名规则存盘，并填入仿真脚本文件名列表。
3、生成完所有故障仿真脚本后，逐个从列表中提取仿真脚本名，也可按工具栏的ATP中下拉菜单“PlotXY”中输出电气量顺序进行数据输入。执行电磁暂态仿真程序，从仿真结果存储文件，即工具栏的ATP中下拉菜单“Edit LIS-file”中提取仿真数据，根据故障模式，按命名规则存入对应数据文件供分析。
5 结语
本文对如何合理使用仿真软件辅助“电力系统继电保护”课程教学进行了探讨。教学过程中必须合理使用仿真软件：一方面，教师借助仿真软件强大的图像绘制功能，使学生获得最为直观的感受，加深基本知识的理解；另一方面，在学生的实际应用中强调易出错内容的讲解，使学生能真正掌握保护原理，同时提高学生的程序设计能力。