动作仿真

2024-12-16

动作仿真（精选3篇）

动作仿真篇1

0 引言

近年来，同塔输电技术以其输电走廊窄、占耕地面积小、输电容量大、投资成本低、建设速度快[1]等优点得到了广泛应用。在工程实际中，除全程同塔双回线路外，还衍生有部分同塔、混压同塔等其他多种形式的复杂同塔线路结构[2,3,4,5]。与全程同塔双回线路相比，复杂同塔线路的故障特性和故障类型更复杂，对线路保护的性能提出了更高要求[6,7,8,9,10,11,12,13]。

复杂同塔线路故障特性的理论分析极为困难即使通过复故障分析法可获得线路故障的解析表达，但由于其复杂性，也难以直接用于保护性能分析。因此，数字仿真是进行复杂同塔线路继电保护原理研究和性能评估的重要手段。国内外学者针对同塔线路结构特点，提出了多种线路模型构建方法[14,15,16]，但目前的研究均假设同塔各回线的导线参数相同，只适用于全程同塔等简单方式，不能直接应用于混压同塔这类导线参数不一致的复杂同塔线路。此外，故障仿真分析，特别是保护性能的评估分析需考虑不同故障点位置、不同故障类型以及不同运行方式等各种因素的影响，而同塔线路故障情况复杂，仅同塔四回线路的各种故障就有8184种[17]若通过手动修改模型参数，逐个进行仿真，工作量巨大，也难以保证仿真操作的准确性。

本文根据复杂同塔线路保护分析要求，建立了同塔线路仿真系统模型，提出了一种适用于复杂同塔结构的线路仿真模型构建方法，并针对不同故障条件自动切换、仿真软件自动循环仿真以及仿真数据预处理和保护功能模块的规范设计等实现技术问题提出了相关解决方案，工程应用实例验证了所开发的保护分析软件的有效性和正确性。

1 同塔线路仿真系统设计

1.1 同塔线路仿真系统结构

在实际工程中，由于地理环境的限制或输电特殊需求，除全程同塔双回线路外，还存在部分同塔、混压同塔等复杂结构形式。通过对现场同塔线路结构形式的调研分析，在复杂同塔线路中，部分同塔双回、同压同塔四回和混压同塔四回占主导地位。因此，为了满足不同同塔线路保护的分析要求，在仿真软件设计中，构建了图1所示的4种典型仿真系统结构模型。图1(a）中Ⅰ、Ⅱ回线全程同塔，两端共母。与图1(a）不同，图1(b）中Ⅰ、Ⅱ回线在近M侧母线同塔架设，两回线在另一侧分别到达N、Q母线。图1(c）和图1(d）中Ⅰ、Ⅱ回线设为组1，Ⅲ、Ⅳ回线为组2，在虚线中间段组1和组2双回线路构成同塔四回线路。

在仿真模型中，可通过调整母线背侧等值阻抗ZM、ZN、ZP、ZQ模拟系统不同的运行方式，使用母线间阻抗ZMP、ZNQ、ZMN、ZMQ、ZPQ来反映母线各侧外部等值系统之间电气联系的强弱。上述4种仿真系统结构可涵盖绝大多数常见的同塔线路形式，满足复杂同塔线路故障特性分析和保护性能评估的需求。

1.2 复杂同塔线路模型构建方法

为了适应继电保护暂态性能的分析要求，整个仿真分析软件基于PSCAD构成。在图1所示的仿真系统建模中，系统电源、联接阻抗等可直接采用PSCAD基本模块，难点是如何正确构建复杂同塔线路模型。

为了准确反映同塔线路结构参数的影响，同塔线路模型需采用PSCAD中的杆塔模型。对于全程同塔线路，由于各回线一般均采用相同型号的导线，即导线参数相同，其建模方法相对简单，两回线路采用单个杆塔模块统一构建。但对于复杂同塔线路，如混压同塔线路，由于各回线的导线参数不一致，无法通过上述方式建立线路模型，需采用新的建模方法。

针对部分同塔、混压同塔等复杂同塔方式时同塔线路导线参数不一致的问题，可根据导线参数分组构建多个杆塔模块，通过设置对应的导线位置结构参数，使各杆塔模块相互耦合，共同组成符合工程实际的同塔线路模型。如图2所示，以混压同塔四回线路为例，若四回线导线参数不一致，可在参数编辑器中添加4个杆塔模块，分别对4个杆塔模块输入各自的导线及位置结构参数。若同压的两回线路导线参数相同，也可采用2个杆塔模块，每个杆塔模块按同塔双回线路模型设置，共同构成同塔四回线路。另外，通过改变线路模型接口间的连接方式，可以实现不同同塔方式，如中端同塔、送端同塔、受端同塔等仿真建模要求。

2 仿真软件的关键实现技术

2.1 自动循环仿真实现技术

如前所述，复杂同塔线路继电保护动作特性分析与评估需考虑系统运行方式、同塔线路运行方式、故障点位置、故障类型、过渡电阻等众多故障条件变化的影响，仿真的工作量巨大，如何实现不同故障条件的自动切换以及PSCAD软件的自动循环调度控制，是保护分析软件设计中需要重点解决的关键问题。

PSCAD自带有Multiple Run功能，可以解决六变量、六测量量的多重循环仿真，但由于同塔线路故障条件复杂繁多，Multiple Run功能中变量取值有限，而且通道不足，故PSCAD自带的多重仿真功能不能满足应用要求。为此，本文基于MATLAB环境，通过编制专用软件模块，实现故障条件自动切换及PSCAD软件的运行调度控制。

在PSCAD图形界面下建模后，将自动生成psc模型文件，该文件包含了模型内部的详细信息。故障条件的切换实际上对应的是PSCAD仿真模型的改变，因此，可通过修改psc文件来实现。psc文件参数修改的一种直观方法是根据该参数在psc文件中的具体位置，通过文件指针定位移动，对其进行重新赋值。但由于同塔线路故障条件的切换涉及系统阻抗、故障点位置以及模拟不同故障类型的时控开关等众多元件参数，指针定位计算复杂，且一旦定位出现偏差，将导致模型修改错误，甚至导致仿真崩溃。进一步的研究分析发现，PSCAD模型参数除了可使用固定数值表征外，还可将其设置为字符型的全局常量。设置的常量全部保存在psc文件中的子函数Global＿Consts中。根据以上特点，可首先将PSCAD同塔线路模型中所有与故障条件切换相关的参数均设为全局常量。在此基础上，通过MATLAB写文件函数修改psc文件，根据所需仿真的故障条件，对Global＿Consts中全程常量赋予不同的数值，并保持psc文件的其他部分不变。通过生成不同的psc文件，即可实现不同故障条件的自动切换。上述方法简单可靠，其生成的仿真模型与在PSCAD图形界面编辑的模型完全一致。psc文件全局常量修改示例如下。

PSCAD软件的运行通常是通过人工操作鼠标，点击打开PSCAD软件、加载仿真模型、编译仿真及关闭软件等步骤实现故障仿真。为避免人工干预，提高仿真效率，可通过MATLAB软件模拟鼠标的上述操作步骤，对PSCAD进行调度控制，实现自动循环仿真。以编译仿真为例，首先控制鼠标移动到PSCAD软件的仿真按钮Run，其次控制单击鼠标开始仿真。由于每次打开PSCAD软件后，Run按钮的位置是固定的，因此下一次仿真时鼠标移动到指定位置的坐标保持不变，保证了程序的通用性。参照以上鼠标操作可以实现其他的仿真步骤。

由于PSCAD软件采用分步骤运行方式，在其循环调度控制中需要解决的另一个问题是如何实现PSCAD与鼠标操作时间上的同步，以保证鼠标操作前，上一步骤已经完成。在各操作步骤中，打开PSCAD软件、加载仿真模型、编译仿真等环节的运行时间相对固定，可通过在各个步骤之间添加固定延时来实现时间同步。但上述方式不适用于关闭软件这类鼠标操作的时间控制。由于不同故障条件的仿真完成时间存在差异，在模拟鼠标操作关闭软件前，需确保PSCAD已完成所有仿真计算，而若以最大仿真延时作为鼠标操作等待时间，将会导致仿真效率大幅降低，因此，需采用其他更为有效的同步控制方法。

对PSCAD仿真输出文件分析可知，其.out文件第1列数据记录了当前仿真时间，且该文件是随着仿真时间的推进逐行自动写入。因此，在循环控制软件设计时，可不断读入.out文件的第1行仿真时间数据，一旦该时间与预设的仿真时间相同，则表明PSCAD仿真计算完成，可控制鼠标关闭软件。

采用上述控制技术，可实现PSCAD的自动循环仿真，从而大幅提高仿真效率，并能有效避免手动修改模型参数造成的错误。

2.2 数据预处理及保护功能模块设计

PSCAD仿真软件生成的1个.out文件只能包含10个输出通道数据，当输出通道大于10时，.out文件依次以＿01.out、＿02.out等输出。同塔线路保护动作特性分析涉及的通道数较多，因此，在分析前需对仿真数据进行预处理，以形成规范的数据格式，以便后续保护功能模块的调用处理。

仿真数据的预处理主要包括以下基本功能。

a.多个.out文件的整合。通过MATLAB读取多个＿xx.out文件，并进行整合处理，分线路形成标准化的二次采样值矩。

b.基本参数计算。对采样数据分别进行傅氏变换和对称分量变换，计算并保存保护所需的基础电气参数，如各相基频电压、电流分量、各序分量以及故障分量等，以便不同保护原理根据需要选择调用。

保护功能模块设计是整个软件设计的重要基础。由于保护厂家众多，保护原理各异，为全面评估同塔线路保护动作特性，需要对不同厂家的不同保护原理分别编程实现。在保护软件开发中，借鉴了微机保护软件的模块化设计方法，将保护功能模块分为保护元件计算模块、保护动作逻辑运算模块、保护动作记录模块、仿真条件记录模块等。

a.保护元件计算模块：仿照模拟式保护的结构特点，形成不同的“软件继电器”（保护元件）。利用已计算出的各种基础电气参数，根据各保护元件的动作方程，进行计算判断，其结果作为逻辑量输出。保护元件主要包括各种功率方向元件、电流差动元件、阻抗元件、选相元件、振荡闭锁元件以及时间元件等。

b.保护动作逻辑运算模块：根据保护整体动作逻辑，将相关“保护元件”的输出结果进行逻辑组合运算，以决定保护的最终动作行为。

c.保护动作记录模块：记录各保护元件的输出逻辑结果和保护动作逻辑运算结果，并对拒动或误动的情况加以标记，以为保护动作行为分析提供依据。

d.仿真条件记录模块：依次记录循环仿真的每一种故障条件，以便当保护误动或拒动时，可据此有针对性地开展进一步的详细仿真分析。

上述模块化设计方法，软件结构清晰，开发维护方便。在仿真软件中，设计了差动元件（分相差动、零序差动）、选相元件（单回线选相、双回线选相等）、测量阻抗元件（四边形特性、正序电压极化特性等）以及方向元件（零序方向、负序方向等），并可以根据分析需求加以扩展补充。

2.3 仿真软件基本结构

整个保护分析软件由主控模块、仿真模型自动循环控制模块、仿真数据预处理模块、保护功能模块以及输出显示模块五部分组成，其基本结构见图3。

通过主控模块，用户可根据分析需要选择同塔线路仿真系统类型以及被评估的保护原理。此外，为提高仿真分析效率，在主控模块中设置了“循环条件设置”功能。用户可选择包含所有故障条件的全部遍历仿真或者选择针对某类故障条件的局部重点仿真，如可选择不同故障点位置、不同故障类型或不同运行方式等进行分类仿真。

完成主控模块设置后，软件将通过MATLAB自动循环控制模块实现不同的故障条件的自动切换，并模拟鼠标操作，实现PSCAD的运行调度控制。仿真完成后将生成统一的输出文档。用户可根据研究需求选择输出显示被分析的保护原理在各种故障条件下的动作记录数据，以便综合对比分析；也可对标记的保护拒动或误动情况，利用其对应的仿真条件记录结果，通过主控模块生成此时的仿真模型，对其故障暂态特性以及保护动作性能开展进一步的详细分析。

3 仿真测试与工程应用

仿真分析软件开发完成后，对其进行了全面的功能测试，结果表明其各项性能均达到设计要求，目前已在工程实际中得到应用，并在复杂同塔线路保护动作原理研究和适用性分析中发挥了积极作用。本节以某实际的500 k V/220 kV混压同塔四回线路为例，简述其仿真测试及应用结果。

3.1 线路参数介绍

线路的等效示意图如图1(d）所示，其中500 kV线路采用的导线型号为4×LGJ-630/45,220 kV线路采用的导线型号则为2×LGJ-630/45，子导线直径为33.6 mm、分裂间距为500 mm,20℃时直流电阻为0.045 9Ω/km。500 k V及220 kV线路地线都为36芯OPGW，地线直径为15.6 mm,20℃时直流电阻为0.324Ω/km。同塔四回段的杆塔参数及线路相序排列方式如图4所示，其中G1、G2表示架空地线，A、B、C、a、b、c表示各相导线的相别。

3.2 仿真验证

在仿真系统模型测试中，重点针对所提出的复杂同塔线路建模方法的正确性进行了验证分析。由于与保护分析相关的线路基本参数是正序、负序和零序阻抗参数，而正序与负序阻抗基本相同，因此仿真验证中模拟现场参数测量方法，分别测试线路末端短路时首端的正序、零序等值阻抗，并将仿真测试结果与现场的实测结果进行对比分析，其中Ⅰ回线的对比结果如表1所示。

从表1可知，正序、零序测量阻抗与实测结果的相对误差在6%以内，均处于合理范围。测量误差主要是由于仿真模型中的某些设置参数，如土壤电阻率等与现场运行实际电阻率有关，难以准确给定。上述对比结果表明，所采用的同塔线路模型构建方法正确，满足工程应用要求。

由于保护动作特性仿真分析涉及不同保护原理、不同运行方式、不同故障类型以及不同故障点位置等诸多因素，受文章篇幅所限，难以详细展开分析，将另文详细说明。表2—4给出的是仿真故障条件、某厂家用于全程同塔双回线路的距离保护选相元件和接地距离Ⅱ段的仿真结果。由表3可以看出，全程同塔双回线路选相元件不能直接应用于混压同塔线路，在发生跨线故障时存在误选相情况。表4为Ⅲ回线P侧保护安装处的接地距离Ⅱ段在不同跨线接地故障下的动作结果。可以看出，在跨线故障情况下，正序电压极化的接地阻抗继电器的整体性能优于四边形特性的接地阻抗继电器，但2种阻抗继电器在某些跨线故障下仍存在拒动问题。根据输出结果记录的仿真故障条件（见表2）做进一步的仿真分析，结果表明造成混压跨线接地故障保护拒动的主要原因是上述跨线故障会导致测量阻抗幅值显著增大，或相角发生严重偏移，具体见表5，分析结论可为距离保护的性能改善和工程应用提供重要参考。

注：强表示强电源；p为故障点位置和M侧电源的距离占Ⅰ回线全长的百分比。

注：选相结果中F表示误选相。

注：幅值为测量阻抗与Ⅲ回线正序阻抗的比值。

4 结语

数字仿真是进行复杂同塔线路继电保护原理研究和性能评估的重要手段。本文根据同塔线路的结构特点和保护分析要求，以PSCAD为核心，开发了一套复杂同塔线路保护动作特性仿真分析软件，具有以下特点：

a.构建的4种典型仿真系统结构模型可涵盖绝大多数常见的同塔线路形式，满足复杂同塔线路故障特性分析和保护性能评估的要求；

b.同塔线路模型构建方法较好地解决了导线参数不一致时的建模问题，能准确模拟部分同塔、混压同塔等各种复杂同塔线路的参数特性；

c.自动循环仿真技术可实现不同故障条件的自动切换及PSCAD软件的自动调度控制，大幅提高了仿真效率，并能避免手动修改模型参数造成的错误；

d.保护软件采用模块化设计方法，开发维护方便，并易于功能扩展，为复杂同塔线路保护原理研究和性能评估提供了有力的分析工具。

摘要：根据复杂同塔线路的结构特点和保护分析要求,以PSCAD为核心,提出了一种适用于复杂同塔结构的线路仿真模型构建方法。基于MATLAB环境建立专用软件模块,实现故障条件自动切换及PSCAD软件的循环调度控制。对仿真数据预处理和保护功能模块进行了设计。基于上述工作,开发了一套复杂同塔线路保护动作特性分析软件。工程应用实例验证了该软件的有效性和正确性。

关键词：同塔线路,继电保护,动作特性,软件设计,仿真,故障分析

动作仿真篇2

近年来, 我国汽车行业发展迅猛, 汽车更新换代的速度日益加快, 由此竞争更为激烈, 这就要求汽车制造企业必须改进传统技术、缩短研发周期、降低制造成本、提高生产效率。

采用信息技术是现代制造业发展的必然趋势。汽车车身冲压自动化生产线 (简称冲压自动线) 的运动仿真是在虚拟的环境中对生产线的主要元素进行三维建模, 并装配成线, 然后驱动虚拟生产线, 模拟真实生产线的运行情况[1]。通过对冲压自动线进行运动仿真, 可以实现生产线在虚拟环境中的安装调试, 形象地展示生产线的三维布局, 演示生产线的预期动作, 检查各装备的运行干涉情况。冲压自动线的运动仿真能够避免实际生产中的干涉碰撞事故[2], 缩短生产线的设计周期和降低现场安装调试所造成的额外成本[3], 并可通过调整各装备的动作实现生产节拍的优化, 从而提高生产效率。

据统计, 在冲压生产中, 仅有不足10%的时间用于工件的冲压加工, 其余时间均用于工件搬运与等待搬运[4]。目前, 在我国机器人自动化冲压生产线中, 机器人与压力机的运动协调关系多为静态配合方式。在此配合方式下, 压力机滑块必须在上死点静止时, 机器人才能进行上下料操作, 因此导致生产效率低;且由于压力机必须等待机器人, 故压力机的运行时断时续, 增加了压力机离合器、抱闸的动作频率, 缩短了使用寿命[5]。

本文以汽车车身侧围板冲压自动线为对象, 设计了机器人与压力机动态配合方式的动作协调方案, 充分利用压力机滑块在上下料干涉高度以上的运行时间, 消除了传统静态配合方式中压力机的等待时间, 可显著提高生产效率, 并结合不同运动方案, 针对冲压线整体运动予以仿真, 为冲压线机器人运料过程稳定性的进一步改进提供依据。

1 冲压自动线基本构成与尺寸

本文研究对象为安徽江淮汽车车身的侧围板 (图1) 等大型冲压件, 它由1台2500t闭式四点伺服压力机、3台1000t曲柄压力机、5台ABB IRB 6660机器人 (配有柔性Crossbar) 以及辅助装备等组成。

汽车车身侧围板的坯料尺寸为3110mm×1560mm×0.7mm, 拉深深度为200mm, 材料为非时效性深冲冷轧碳钢薄板。各压力机间距及压力机外形尺寸如图2所示。

2 冲压自动线机器人运动学分析与轨迹规划

机器人的工作空间及其运动轨迹规划是进行冲压自动线运动仿真的前提。

2.1 ABB机器人运动学分析

采用Denavit-Hartenberg方法[6,7]可方便地建立ABB IRB 6660机器人的运动学方程, 其连杆坐标系如图3所示。

利用反正切表示的该机器人各关节运动学反解[8]如下:

其中, (px, py, pz) 表示机器人末端坐标系原点O6相对于基坐标系的位置, m=pxc1-a1+pys1, v=-axc1s2-azc2-ays1s2, u=axc1c2-azs2+ays1c2, , φ=atan2 (pz, m) 。为简便起见, 以上式子中运用如下简写符号:c1=cosθ1, c23=cos (θ2+θ3) , s1=sinθ1, s23=sin (θ2+θ3) , 其余类似。 (nx, ny, nz) T为机器人末端坐标系x轴的单位矢量; (ox, oy, oz) T为机器人末端坐标系y轴的单位矢量; (ax, ay, az) T为机器人末端坐标系z轴的单位矢量。

需要说明的是, 当θ5=0时, 操作臂处于奇异状态, 此时关节轴4和6重合在同一直线上, θ4可任意取值。而当θ5≠0时, 可以按式 (3) 求解θ4。

确定工作空间的方法通常可分为解析法和图解法[9]两类。图4所示即为利用图解法求出的ABB IRB 6660机器人工作空间与灵活工作空间。曲线C1之内为机器人灵活工作空间, 曲线C2为关节5可达空间的边界, 曲线C3为机器人末端可达空间的边界。

工作对象不同, 对机器人操作灵活性的要求也不一样。就本文所研究生产线中的上下料机器人而言, 对其末端姿态的要求并不非常严格, 因此, 机器人的轨迹可处于灵活性稍差的C2范围之内。

2.2 ABB IRB 6660机器人轨迹规划

根据冲压生产线的实际工况, 将机器人水平运料高度设定为1000mm。机器人的末端 (未包括柔性Crossbar) 轨迹规划如图5所示, 其中WV=3300mm, h=2200mm, 坯料提升高度为UV=200mm, 圆弧ST、PQ的半径均为50mm。由此亦可确定机器人在生产线中的安装位置。

机器人末端轨迹的俯视图参见图6 (线段WV) 。可见, 机器人末端轨迹位于其灵活工作空间中。

在机器人搬运工件过程中, 工件的姿态保持不变, 则在所规划轨迹上按一定间隔取点, 由运动学反解, 即可求出各点所对应的机器人各关节的关节变量。

3 冲压自动线动作方案的设计

结合重大专项任务要求, 冲压自动线的生产节拍定为每分钟10件, 伺服压力机与曲柄压力机的运动周期均为6s, 其升程分别为1200mm和1100mm。假设每台压力机的偏心主盘均为匀速转动, 生产线的上下料干涉高度为500mm。不妨将压力机的动作按时间等分为12份, 则伺服压力机与曲柄压力机的滑块运动曲线分别如图7和图8所示。

与压力机动作相对应, 如图9所示, 机器人的动作也按时间等分为12份, 即RL、LK、KP、PK、KL、LR、RM、MN、NU、UN、NM、MR。其中, 动作KP、PK为机器人送料动作, MN、NU、UN、NM为机器人取料动作。

压力机与机器人动作划分完成之后, 即可制订整条冲压线的动作方案 (方案1) , 参见表1。

结合图7~图9, 可见表1所示动作方案中机器人送料动作较快 (仅占用1s) , 运料速度起伏较大, 后4台机器人还有改善的余地, 由此可将放料动作由两份 (KP、PK) 改为4份 (占用2s) :LK、KP、PK和KL。改进后的动作方案 (方案2) 见表2。

注:Ri表示第i台机器人, Pi表示第i台压力机, 其中P1表示首台伺服压力机, P2~P4表示后三台曲柄压力机。表中加下划线的机器人动作表示机器人在压力机内的操作动作, 加下划线的压力机动作表示压力机滑块在干涉高度之上的动作。

4 冲压自动线运动仿真

首先, 提炼生产线中各设备的关键参数, 利用Solidworks建立其简化三维模型, 并根据轨迹规划中所确定的机器人位置和冲压线布局进行整线装配, 进而建立冲压自动线模型, 如图10所示。

其次, 根据先前所设计动作方案, 确定生产线中各个设备的初始位置, 并在Solidworks中进行调整。

再次, 将三维模型导入ADAMS中, 添加约束和驱动。

而后, 编制驱动函数, 调试虚拟样机。机器人各个关节的驱动函数均采用AKISPL函数。其中, 被引用的样条线性数据均为两列, 第一列为时间, 第二列为与时间对应的θi (i=1, 2, …, 6) 。驱动函数设置完成之后, 调试生产线虚拟样机, 使其按预定的动作运行。由于设备多, 调试较困难, 可将所有可能发生互锁的驱动赋值为0, 然后逐个设备调试, 依次排除设备的互锁, 进而完成整线调试。

最后, 驱动该冲压线进行运动仿真。分别对动作方案1、方案2进行了仿真, 实现了机器人与压力机的动态配合。图11所示为生产线中某台机器人工作时的末端轨迹。

利用ADAMS可方便地获得冲压线运行过程中各机器人末端位移与速度变化情况。图12所示即为对应动作方案1和方案2的冲压线后4台机器人末端运动曲线。

由图12a、图12b可见, 动作方案2改善了机器人水平方向的运动, 减缓了末端运动曲线的突变;由图12c、图12d可见, 动作方案2使得机器人末端的最高速度由6161mm/s降低至4804mm/s。

综合比较对应两个动作方案的冲压线仿真结果发现, 动作方案2充分利用了后3台压力机滑块在干涉高度之上的运行时间, 使得工件的搬运过程更加平稳。

5 结束语

本文所提出的冲压自动线机器人与压力机动作协调方案消除了传统静态配合方式的等待时间, 可加快生产节拍;仿真结果验证了所提出的机器人与压力机动态配合方式的可行性, 也为机器人运料过程中运动性能的改善提供了改进依据。

针对大型冲压自动线中机器人与压力机的动作协调及其运动仿真所进行的研究, 不仅形象地展示了生产线的总体布局, 还大为缩短了生产线的设计周期和现场安装调试周期, 还为类似系统的运动仿真提供了参考。

参考文献

[1]常剑峰, 钟约先, 韩赞东, 等.轿车车身冲压生产线虚拟制造系统的研究[J].塑性工程学报, 2004, 11 (4) :61-66.Chang Jianfeng, Zhong Yuexian, Han Zandong, et al.A Virtual Manufacturing System for the Press Production Line of Car Body[J].Journal of Plasticity Engineering, 2004, 11 (4) :61-66.

[2]高崇晖, 赵震, 李玉强, 等.汽车覆盖件自动冲压生产线虚拟仿真技术研究[J].锻压技术, 2010, 35 (1) :146-148.Gao Chonghui, Zhao Zhen, Li Yuqiang, et al.Research and Application of Virtual Simulation of Automatic Press Line for Automobile Pane[J].Forging&Stamping Technology, 2010, 35 (1) :146-148.

[3]张国彬, 林亨.轿车车身冲压生产线加工过程的建模与仿真[J].机械设计与制造, 2002 (3) :49-52.Zhang Guobin, Lin Heng.Modeling and Simulation of Machining Process of Automobile’s Body Punch Line[J].Machinery Design&Manufacture, 2002 (3) :49-52.

[4]Stone R S, Brett P N, Evans B S, et al.An Automated Handling System for Soft Compact Shaped Non-rigid Products[J].Mechatronics, 1998, 8 (2) :85-102.

[5]王明, 黄英, 王长润, 等.机器人冲压自动线的生产节拍优化[J].仪器仪表用户, 2008, 77 (6) :75-77.Wang Ming, Huang Ying, Wang Changrun, et al.The Optimizations of Productive Time in the Roboticized Autanation Press Line[J].Electronic Instrumentation Customer, 2008, 77 (6) :75-77.

[6]曾剑, 林义忠, 廖小平, 等.6R型喷涂机器人运动学分析及仿真[J].机械设计与制造, 2010 (6) :145-147.Zeng Jian, Lin Yizhong, Liao Xiaoping, et al.Kinematics Analysis and Simulation for 6-rotation Joint Spraying Robot[J].Machinery Design&Manufacture, 2010 (6) :145-147.

[7]王立权, 刘秉昊, 吴健荣, 等.6R关节型机器人运动学建模[J].智能系统学报, 2010, 5 (2) :156-160.Wang Liquan, Liu Binghao, Wu Jianrong, et al.Modeling and Implementing the Inverse Kinematics of a Six Revolute Joint Robot[J].Transactions on Intelligent Systems, 2010, 5 (2) :156-160.

[8]Craig J J.Introduction to Robotics[M].Mechanics and Control.3th ed.Beijing:China Machine Press, 2005.

动作仿真篇3

随着远距离输电需求的日益增长,在大直流、大外送的格局下,直流输电工程的容量越来越大,其对送、受端电网的影响越来越大,直流工程的异常闭锁往往会给送、受端电网带来巨大的影响和损失。

目前发电机失步保护仿真分析方面的研究主要有汽轮发电机三相短路引起的失步仿真及保护[1],同步发电机三阻抗元件失步保护原理的改进[2]。但是基于事故期间PMU数据,通过整定计算建立三阻抗元件阻抗特性,在Matlab中建立模型仿真事故期间机端感受到的阻抗变化及失步动作过程方面的论文比较少。

1 事故过程简述

某直流极Ⅰ单极大地回线运行,输送功率为200 MW,定功率控制,进行站间无通信情况下的逆变站手动紧急停运试验,当逆变站紧急停运大约120 ms后,逆变站投入旁通对,由于整流站极I为定功率控制模式且无站间通信,使得整流侧直流电压下降,直流电流增大,极I瞬间输送功率增大,触发角增大至87°,换流器吸收无功功率迅速增加,直流电压骤降,整流侧交流电压降至0.74 p.u.,整流侧交流电流增加了接近5倍,事故持续4.12 s后,极控发出低电压闭锁命令,直流系统闭锁。事故期间某电厂某机组报失步保护启动,失步区内TJ1跳闸出口1,TJ2跳闸出口2,机组跳闸。

该电厂配置了同步相量测量装置(Phase Measurewernt Unit,PMU),机组失步期间的数据均被PMU装置记录,下面简述PMU基本原理。

2 失步机组PMU数据采集装置基本原理

电力工程中的电压、电流几乎全部采用正弦函数形式,其通用数学表达式为[3,4]:

式中:X、w、φ三常数称为正弦量的三要素,分别为信号的幅值(有效值)、角频率和初相角。

PMU以GPS时间为准,实时测量电压、电流的幅值和相角,进行有功的实时计算,将数据帧送至调度中心。它的基本原理是[5,6];GPS接收器给出每秒1个脉冲(1 pulse per second,lpps),信号,锁相振荡器将其划分成一定数量的脉冲用于采样,滤波处理后的交流采样信号经A/D转换器量化,量化后的信号按照递归离散傅立叶变换原理计算出相量。PMU装置的采样方式如图1所示。

图1以1pps为时间参考点(0),以t=n*T0为相量观察点(T0=10/20/30/40/50 ms),相角=采样数据窗[nT0,nT0+T0]第一点nT0的角度,幅值(有效值)=采样数据窗[nT0,nT0+T0]内曲线的幅值(有效值),本文T0取为10 ms。

3 发电机失步原理及其整定计算

3.1 发电机失步保护原理

事故中失步的发电机组采用三阻抗元件失步保护动作特性,动作特性如图2所示,失步保护的基本原理主要是通过测量机端阻抗的轨迹变化情况来检测发电机是否失步[7,8]。

图2中第一部分是透镜特性,图2中①,它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外的部分0。第二部分是遮挡器特性,图2中②,它把阻抗平面分成左半部分L和右半部分R。

2种特性的结合,把阻抗平面分成了4个区OL、IL、IR、OR,阻抗轨迹顺序穿过4个区(OL→IL→IR→OR或OR→IR→IL→OL),并在每个区停留时间大于一定时限,则保护判为发电机失步振荡,每顺序穿过一次,保护滑极计数加1,到达整定次数,保护动作。

第三部分特性是电抗线,图2中③,它把动作区一分为二,电抗线以上为Ⅰ段(U),电抗线以下为Ⅱ段(D)。阻抗轨迹顺序穿过4个区时位于电抗线以下,则认为振荡中心位于发变组内,位于电抗线以上,则认为振荡中心位于发变组外。

3.2 发电机失步保护整定原则

三阻抗元件特征整定原则如下:

式中:XS为系统阻抗;XT为主变阻抗;Ugn为发电机额定电压;na为发电机侧TA变比;Sgn为发电机基准容量;nv为发电机侧TV变比;为发电机暂态电抗。

调度提供的系统振荡最短振荡周期为500 ms,透镜内角为120°,失步故障发生时阻抗轨迹穿越图2中IR区的时间T1和IL区的时间T2为[9]:

灵敏角为80°,区外滑极次数定值为5次,区内滑极次数定值为1次。

3.3 整定计算

依据以上整定原则,根据表1中的发电机及系统参数进行整定计算。

将主变压器短路阻抗折算至发电机侧:

将系统阻抗(小方式)折算至以发电机侧:

根据式(2)～式(4),将ZA、ZB、ZC整定计算为:

4 基于Matlab/Simulik失步过程仿真

基于上述PMU装置采样原理和三阻抗元件失步保护整定计算,提取事故发生期间的电压和电流的PMU数据,在Matlab/Simulink软件中建立模型进行仿真分析,事故持续时间共计4.12 s,仿真流程如图3所示,仿真流程共分5步[10,11,12]。

第一步,提取事故发生期间的电压和电流的PMU幅值和相角数据,由本文第2部分PMU数据采集原理可知,PMU数据的采样周期T0=10 ms为半波采样周期(工频电流、电压信号周期为20 ms),根据事故期间的PMU半波采样数据在Matlab中M文件内编程合成全波的电压和电流信号。

第二步,分析电流、电压及阻抗变化情况需在Simulink中进行,因此要把第一步中合成的电流、电压信号在Simulink中利用受控电压源和受控电流源模块转换为Simulink中可以进行仿真建模的电流、电压信号。

第三步,将电压、电流经过电压互感器、电流互感器变化为二次电压和电流。

第四步,经过Simulink中Discrete Fourier模块分离出电压、电流信号的幅值和相角。

第五步,根据阻抗计算原则,将电压和电流相比(幅值相除、相角相减)合成阻抗轨迹曲线。

根据以上仿真流程在Simulink中建立的仿真模型如图4所示。

图4仿真模型图中Uhc4和Ihc4模块是MATLAB中M文件内编程合成的全波电压和电流信号,Controlled Voltage Source和Controlled Current Source是受控电压源和受控电流源用于把信号变换为电流和电压,Voltage Measurement是电压测量模块,imes是电流测量模块,PT是电压互感器,CT是电流互感器,Discrete Fourier模块是幅值、相角采集模块,Divide、Add、cos、sin等数学计算模块用于根据电压、电流的幅值和相角信号进行运算求出阻抗。

根据上述仿真流程和仿真模型进行事故仿真,仿真结果如图5所示,图5中的三阻抗元件失步特性是根据第3部分的整定计算结果在Matlab软件中绘制出来的,图5中的曲线是事故发生时的机组机端测量阻抗曲线,事故从0 s开始,事故发生过程中的关键时间点已标于曲线上,由阻抗曲线可以明显地看出阻抗曲线穿越了三阻抗元件失步保护区域内的OR→IR→IL→OL 4个区,并且阻抗曲线位于电抗线以下II段(D)区域,失步保护发生在发变组内部,其中穿越IR区域时间为3.51 s-3.33 s=0.18 s,大于整定时限83.33ms,穿越1L区域时间为3.62 s-3.51 s=0.11s,大于整定时限83.33 ms,测量阻抗曲线满足失步保护动作条件,机组失步保护动作,机组跳闸。

5. 解决措施

机组失步跳闸给电网的安全稳定运行造成较大的影响,给发电企业带来巨大的损失,为了避免类似事故再次发生,根据上述仿真结果,提出以下措施:

(1)由仿真图5可以清晰地看出失步发生在发电机内部,经过一个滑极次数就跳闸,而根据相关规程[10,11]发电机滑极次数可以整定为2次,根据图5可知,滑极次数整定为2次可以避免机组跳闸,造成不必要的损失。

(2)此次事件是由于直流工程无站间通信,逆变侧紧急停运后,整流站没有及时闭锁引起的。因此,建议直流极控具有监视直流电压降低并闭锁触发脉冲的功能,建议定值设定为直流电压小于0.1 p.u.=16 kV,延时1.3 s,发极闭锁命令,由图5可知,事故发生后1.3s机组测量阻抗曲线还未进入IR区,如果延时1.3s发极闭锁命令,机组就不会发生失步事故。

6 结语

本文针对直流异常引起系统振荡造成某电厂机组失步跳闸事故,基于事故期间的PMU采集数据在MATLAB/SIMULINK软件中搭建模型,对实际事故进行仿真研究,通过仿真再现故障发生过程,分析事故发生原因,提出了合理的改进措施。

参考文献

[1]董恩钊.汽轮发电机三相短路引起的失步仿真及保护[J].继电器,2003,31(9):20-25.

[2]毕大强,张项安.同步发电机三阻抗元件失步保护原理的改进[J].清华大学学报,2002,42(9):1144-1147.

[3]丁剑,白晓民.电力系统中基于PMU同步数据的应用研究综述[J].继电器,2006,34(6):78-84.

[4]吴京涛,谢小荣.广域测量系统在电力系统的发展与展望[J].电力设备,2006,7(3):26-29.

[5]卢志刚,郝玉山.电力系统相角测量和应用[J].电力系统自动化,1997,21(4):41-44.

[6]于尔铿.电力系统状态估计[M].北京:水利电力出版社,1985.

[7]高景德,王祥珩.交流电机及其系统的分析[M].北京:清华大学出版社,1993.

[8]王维俭.电气主设备继电保护原理及应用[M].北京:中国电力出版社,1998.

[9]杨涛,刘栋.G60发电机保护在大型机组中的应用与运行分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(11):112-115.