崑 山 科 技 大 學 電 機 工 程 系

電磁暫態模擬軟體之應用

指導老師：蘇偉府 教授

製作學生：陳孟楷 C930J093 劉家傑 C930J090 黃文政 C930J087 陳筆賢 C930J033

中 華 民 國 九 十 四 年 十 二 月

崑 山 科 技 大 學 電 機 工 程 系

電磁暫態模擬軟體之應用

指導老師：蘇偉府 教授

製作學生：陳孟楷 C930J093 劉家傑 C930J090 黃文政 C930J087 陳筆賢 C930J033

指導教授簽名：

中 華 民 國 九 十 四 年 十 二 月

目錄

第一章 前言…………………………………..……………

第二章 使用軟體簡介…………………………..…………

2-1 EMTP 之簡介……………………..…………...

2-2 ATPDraw 之簡介………………..…………….

2-3 PlotXY 之簡介……………………...………...

2-4 ATP 之應用…………………………...…...….

第三章 ATPDraw 使用手冊…………...………………… .

3-1 操作說明…………………………………..………

3-2 基本元件介紹與參數設定…………………..…….

3-3 模擬設定……………………………………..…...

3-4 模擬操作……………………………………….…

第四章 實測結果………………………………………….…

實例探討 一………………………………..…………

實例探討 二………………………………………..…

第五章 結論……………………………………………..…

參考文獻……………………………………………………….

1

2

2

4

5

5

7

7

9

23

29

31

31

38

41

42

1

第一章 前言

「暫態」二字常被理解成暫態過電壓，實際上其更廣義的解釋應為電源與

電腦數據線路上所發生的任何干擾事件。

而某些電力系統擾動事故，即常肇因於雷擊。雷擊不需要直接擊中輸電線，

即使是雷電閃光所產生的電磁場，仍能透過輻射感應到輸電線上或數據通訊線

上的導體，造成暫態電壓，並沿著該導體予以廣泛傳遞。此外，當雷電流流入

大地，它將使得原本同為零電位的多值接地點產生電壓差，而具一定長度的導

體則會受到雷電流的衝擊，並在導體兩端產生電位差或暫態過電壓。

雖然雷擊的直接危害頗受人關注，然而其較低的發生率或可些許降低其破

壞力，不過雷擊廣泛的間接影響力，仍需經由縝密的保護措施予以降低。另一

方面，被視為類似小規模雷擊的靜電高壓放電所帶來的影響，則相對顯得微不

足道。

我們將利用 ATPDraw 此軟體來模擬測量電路圖運用, 對 ATPDraw 在模擬

電路時可能產生之數值問題加以改善，亦可適當的減少系統的數目, 建立一個較

適用之模型其重要性。

2

第二章 使用軟體簡介

2-1 EMTP 之簡介

EMTP（Electromagnetic Transients Program） 在 1984 年前是由美國奧勒崗

州波特蘭的 BPA （ Bonneville Power Administration ）所開發的公用版軟

體 (public domain software)，在 1984 年之後 EMTP Department Coordination

Group 和位於美國加州帕羅奧多市（Palo Alto, California）的 EPRI（Electric

Power Research Institute）則共同進行商業化行動，將 EMTP 改為商用的版權軟

體。當時在 BPA 的 Dr. Scott Meyer 和 Dr. Tsu-Huei Liu 並不贊成將公用版的

EMTP 商業化，他們堅持以免費使用的方式將這套軟體繼續提供給各大學，於

是 Dr. Meyer 用他個人的時間仿效 BPA 的公用版 EMTP 開始開發新的程式，

就稱為 ATP(Alternative Transients Program)。

從此，ATP 程式透過 Dr. Meyer 與 Dr. Liu 不斷的開發，才有今日的規模。

從 1975 年開始全世界有許多專家就投入 EMTP 程式的開發，後來也協助 ATP

的開發工作，並與美國波特蘭的程式開發者，Dr. Meyer 與 Dr. Liu，有著密切

的合作。今天各大學所使用的 EMTP，嚴格來說應該稱為「ATP 版的 EMTP」

以便與 EPRI 所開發的商業版 EMTP 加以區別。

雖然依據美國法律，BPA 所開發的 EMTP 仍屬於公共版軟體，但是 ATP

並不是公共版軟體，所以在取得所有人同意權之前是需要經過許可的，然而任

3

何人都可以免費使用此軟體，但不能販售或有任何商業行為。

ATP（Alternative Transients Program）是一種最廣泛用來進行電力系統電磁

暫態現象與電磁特性數位模擬的程式系統，該軟體可以模擬任何複雜的電路與

控制系統，ATP 除了暫態的計算外，它還有許多擴充的程式模組，使得這個軟

體的應用範圍遠遠超出暫態計算的範圍。

ATP 程式可以預測以時間為函數的電力網路中之變數的影響，基本上，使

用微分中的梯形法（trapezoidal rule）來解系統元件在時域的微分方程式，非零

的初始值情況可以經由穩態相量解自動決定，也可以由使用者自己輸入。

ATP 有很多的模組，包括旋轉電機、變壓器、避雷器、傳輸線和電纜等。

程式組件 TACS 和 MODELS 能夠模擬控制系統和元件的非線性特性，例如：

電弧和電暈。動態系統不是每一個都可以使用 TACS 和 MODELS 控制系統模

型來模擬。

ATP 可以模擬對稱或非對稱之干擾，例如：故障、閃絡突波和各種不同的

切換運作，包括真空管之變換。使用諧波電流注入法來進行頻域之諧波分析，

並且也支援使用 FREQUENCY SCAN 功能來計算相網路之頻率響應。

4

2-2 ATPDraw 之簡介

ATPDraw 是一個專門設計給 ATP 版 EMTP 的圖形介面「前處理程式」

(preprocessor)。在 ATPDraw 中，使用者可以使用滑鼠從選單中點選內建之元件

來架構出數位電路進行模擬，然後 ATPDraw 產生 ATP 模擬時所要的輸入檔，

同時電路節點名稱會由 ATPDraw 自動命名，然而使用者亦可自行對節點來命

名。

ATPDraw 具有標準的視窗版面配置並提供大量的視窗說明檔（help file）系

統，各種標準的電路編輯工具都可使用，其他的工具如：內建的 ATP 檔編輯器、

顯示 ATP 輸出檔 LIS 之文字播放器、使用特別的字串觸發器（trigger string）

來自動檢查 LIS 檔的模擬錯誤、支援剪輯板（clipboard）與圖元文件（metafile）

的輸出。ATPDraw 同時支援多個電路進行模擬並且在電路間可以互相複製資

訊。

ATP 中大部份標準的元件和 TACS 都有支援，另外使用者可以用

MODELS 或 $INCLUDE 來建立新的目標（object）。Line/Cable 的模型

（KCLee, PI-equivalent,Semlyen, JMarti and Noda）也都包含在 ATPDraw 裡面。

ATPDraw 支援將一群組選取的物件用單一圖案來取代，也就是群組化

（grouping）的功能，ATP 的$PARAMETER 特性也可以執行，它允許使用者在

元件的資料區輸入文字串來具體說明，然後指定這些字串的數值，電路用單一

5

目標檔的型式儲存於磁碟，包含了所有模擬的物件以及需要進行模擬範例的設

定， project file 是以 ZIP 檔的型式壓縮。

ATPDraw 對於 ATP-EMTP 的新使用者來說是很值得的，它是一個很具教

育意義的傑出工具，然而多層模型讓 ATPDraw 成為在專業電力系統暫態分析

上是一個強而有力的前端處理器。

2-3 PlotXY 之簡介

PlotXY 是 WIN32 之繪圖程式，是設計給 ATP-EMTP 使用的後處理

程式 (post-processor)，此程式之設計主要就是以盡可能簡單和快速為原則，line

plot 在 Microsoft Windows 環境下，它也可以在繪出的曲線上做一些後端處理

工作，例如：代數運算、傅立葉級數係數之計算。

此程式是一個容易使用的圖形化介面，而且 32 位元碼在運算上十分快速，

可以同時將 3 個 PL4 或 ADF 檔暫存在記憶體中和不同的資料做簡單的比

較，也可以同時繪出 8 條以時間為函數的曲線，也允許 X-Y 的繪圖。程式

可以自動的調整軸的刻度並且讓繪圖有兩個獨立的垂直軸，並提供簡單的係

數、補償與變焦工具的支援，而且有游標可以看到以數值格式表示之值，繪圖

視窗經由 win32 輸出成 Windows Metafile。

2-4 ATP 之應用

ATP-EMTP 是全世界用來進行開關切換（switching）和閃絡突波（lightning

6

surge）分析、絕緣協調（insulation coordination）和轉軸扭力振盪（shaft torsional

oscillation）研究、保護電譯之模擬、諧波與電力品質之研究、HVDC 和 FACTS

模擬。典型的 EMTP 模擬如下：

▲閃絡造成過電壓之研究

▲開關切換暫態與故障

▲過電壓統計與分類之研究

▲GIS 與接地之快速暫態

▲電機模型

▲暫態穩定度與馬達起動

▲轉軸扭力振動

▲變壓器與分路電抗電容之切換

▲鐵磁共振（Ferroresonance）

▲電力電子應用

▲電路斷路器之功能（電弧）電流切斷

▲FACTS 裝置：SATACOM, SVC, UPFC, TCSC 模型

▲諧波分析與網路共振

▲保護裝置測試

第三章 ATPDraw 使用手冊

3-1 操作說明

1. 點選程式集中之 ATP 資料夾，開啟 ATPDraw 程式，如圖一所示。

圖一

2. 點選工具列中之「File」選項，再點選「New」選項，此時會開啟一新的空白

視窗如圖二所示。

圖二

7

3. 在空白的區域按一下滑鼠右鍵，會出現如圖三所示的選單，我們可從選單中

選取我們所想要的元件，即可進行電路的編輯。

圖三

※ 如何移動元件：在該元件上按住滑鼠左鍵不放，拖曳滑鼠來移動每個元件。

※ 如何旋轉元件：在該元件上按一下滑鼠右鍵，每按一下會向左旋轉 90°。

※ 如何設定元件：在該元件上按滑鼠左鍵兩下，並可進入設定該元件之選單。

8

3-2 基本元件介紹與參數設定

1. 單相正弦波電壓源（Sources | AC type 14），如圖四所示。

圖四

1.1 如何加入單相正弦波電壓源，如圖五所示。

圖五

1.2 如何設定參數

對著電壓源元件點兩下，進入設定選單如圖六所示。

9

圖六

U/I ： 0 表示電壓源。

-1 表示電流源。

Amp. ： 電源之振幅，單位是 V 或 A。

f ： 電源之頻率，單位為 Hz。

Pha ： 電源之初始相角，單位視 A1 而定。

A1 ： A1=0，單位為度（degrees）。

A1>0，單位為秒（seconds）。

TSta ： 電源動作的時間，單位為秒。

TSto ： 電源關閉的時間，單位為秒。

當 TSto=0，代表永不關閉。

10

2. 電阻（Branch Linear | Resistor），如圖七所示。

圖七

2.1 如何加入電阻，如圖八所示。

圖八

2.2 如何設定參數

對著電阻元件點兩下，進入設定選單如圖九所示。

11

圖九

RES ： 電阻值參數，單位為歐姆（Ω）。

Output ： 控制該支路之資料輸出，不同的數值代表要求輸出亦不同

0- No 不輸出。

1- Current 支路電流輸出。

2- Voltage 支路電壓輸出。

3- Current&Voltage 支路電流與電壓同時輸出。

4- Power&Energy 支路的功率與能量的消耗。

3. 電感（Branch Linear | Inductor），如圖十所示。

12

圖十

3.1 如何加入電感，如圖十一所示。

圖十一

3.2 如何設定參數

對著電阻元件點兩下，進入設定選單如圖十二所示。

13

圖十二

L ： 電感值參數，當Xopt.=0 則單位為mH。

電感值參數，當Xopt.=power frequency則單位為Ω，

代表電感抗 ωL（=2πfL）。

Xopt.之設定在「ATP」－＞「Settings」－＞「Simulation」。

Kp ： 並聯電阻因素，單位為歐姆（Ω）。

Rp=Kp*2*L/DELTAT，當 XOPT=0。

Rp=Kp*X/(DELTAT*PI*POWFREQ)，當 XOPT=POWFREQ。

Kp 值一般範圍在 5~10 之間（典型值：Kp=7.5）。

Output ： 控制該支路之資料輸出，不同的數值代表要求輸出亦不同。

0- No 不輸出。

14

1- Current 支路電流輸出。

2- Voltage 支路電壓輸出。

3- Current&Voltage 支路電流與電壓同時輸出。

4- Power&Energy 支路的功率與能量的消耗。

4. 電壓探針（Probes & 3-phase | Probe Volt），如圖十三所示。

圖十三

4.1 如何加入電壓探針，如圖十四所示。

圖十四 15

4.2 如何設定參數

對著電壓探針元件點兩下，進入設定選單如圖十五所示。

圖十五

電壓探針為要求輸出節點電壓大小，如欲知該節點上之電壓大小，則可在該節

點上加入電壓探針。

5. UM模組（Machines | UM3 induction），如圖十六所示。

圖十六

5.1 如何加入 UM 模組，如圖十七所示。

16

圖十七

4.2 如何設定參數

對著 UM 模組元件點兩下，進入設定選單如圖十八所示。

圖十八

17

General page：（圖十八）

Stator coupling－定子連接之方式

Y（Y 接），中性點為 Neut。

Dlead（△接 lead，AC, BA, CB）。

Dlag（△接 lag，AB, BC, CA）。

Rotor coils－指定 d 軸和 q 軸轉子線圈個數，d 軸和 q 軸總和個數最大為 3。

Global－顯示初始化與介面的模式，從工句列中之 ATP | Settings/Switch/UM

進行設定。

Pole pairs－ 磁極對的個數。

Frequency－ 指定電機電力線圈所連接網路的穩態頻率值。

Tolerance－ 轉子速度疊代過程中之收斂邊限。

圖十九 18

Magnet. Page：（圖十九）

LMUD－d 軸磁化電感。

LMUQ－q 軸磁化電感。

Saturation

symm 兩個軸同等飽和，但只須指定 d 軸。

LMSD－ d 軸飽和電感。

FLXSD－在 d 軸磁化曲線上膝點的磁通鏈值。

FLXRD－在 d 軸磁化曲線上（在零電流那一點）剩磁磁通鏈值。

LMSQ－ q 軸飽和電感。

FLXSQ－在 q 軸磁化曲線上膝點的磁通鏈值。

FLXRQ－在 q 軸磁化曲線上（在零電流那一點）剩磁磁通鏈值。

※ 所有電感值可用 H 或 pu 為單位。

圖二十

19

Stator page：（圖二十）

0-d-q 域下線圈的電阻值和電感值，所有的電感以 H 或 pu 為單位。

圖二十一

Rotor page：（圖二十一）

在 Rotor page 列出線圈總數和給定資料，首先列出 d 軸線圈然後是 q 軸線圈，除

了第一個線圈是短路外，指定每個線圈之電組和電感值，所有的電感以 H 或 pu

為單位。

Initial page：

初始情況根據手動（manual）與自動（automatic），初始化情況從工句列中之 ATP

| Settings/Switch/UM 進行設定。

20

自動（Automatic）

AMPLUM－

（a） 若該電機是同步機或直流機，則指定該電機電力側的端電壓振幅（圖二十

二）。

（b） 若該電機是感應機或雙饋機，則指定該電機的轉差率，以%為單位（圖二

十三）。

ANGLUM－

（a） 若該電機是同步機，則指定該電機電力側的端電壓相角，以度為單位。（圖

二十二）。

（b） 若非同步機，則該欄留下空白（圖二十三）。

圖二十二

21

圖二十三

圖二十四

22

手動（Manual）（圖二十四）。

指定在 0-d-q 域之定子電流，指定所有線圈之轉子電流。

OMEGM－機械速度之初始條件，以 mechancial rad/s 為單位。

THETAM－相對於定子之轉子位置，以機械 rad 為單位。

3-3 模擬設定

1. 替節點命名

建構完成欲模擬之電路後，可在每一節點上按一下滑鼠右鍵，會出現如圖二十

五所示之設定節點名稱之對話視窗，為了能讓我們清楚知道每一個節點的名

稱，所以我們最好在電路繪製完成後加入每個節點的名稱以便爾後進行電路修

改、除錯和觀看輸出結果等，能快速找到該節點，如果不輸入節點名稱，則該

電路在模擬時會自動給定一個名稱。

圖二十五

From: ： 可在該欄輸入欲給定之名稱。

Ground ： 如果該節點要接地則勾選此選項。

※ 每一個電路在進行模擬時，必須有一共地端，所以每一電路需選擇一適當之

23

共地端。

Display ： 在視窗上如果要顯示出該節點名稱則勾選此選項。

2. 模擬設定

2.1 Simulation

點選工句列中之「ATP」－＞「Settings」－＞「Simulation」如圖二十六所示。

圖二十六

Simulation type ：選擇 ATP 支援的模擬方法。

Time domain Frequency Scan Harmonic Frequency Scan(HFS)

Time domain

delta T ： 模擬之時間間隔，單位為秒。

24

Tmax ： 模擬之結束時間，單位為秒。

Xopt ： 該參數控制電感的使用單位。

Xopt=0，則電感值（L）以 mH 為單位。

Xopt=頻率值，則電感值（L）改以在此頻率下的電感抗（ 2L fLπ= ）

表示，以 為單位。 Ω

Copt ： 該參數控制電容的使用單位。

Copt=0，則電容值（C）以 μF 為單位。

Copt=頻率值，則支路卡的電容值（C），改以在此頻率下的電容

抗（ 2C fCπ= ）表示，以 μmho（微姆歐）為單位。

Freq ： 系統頻率，單位為Hz。

Frequency scan

min ： 頻率掃瞄之開始頻率。

max ： 頻率掃瞄之終止頻率。

df ： 頻率增量，填 0 表示使用對數頻率刻度。

NPD ： 在對數掃瞄時每十個頻率點所取的數量。

2.2 Output

點選工句列中之「ATP」－＞「Settings」－＞「Output」如圖二十七所示。

25

圖二十七

Output control

Print freq. ： 該參數控制模擬時間輸出在.LIS檔上的時間間距，例如其值設

400，則表示每 400 個模擬時間間距被輸出在.LIS檔上。

Plot freq. ： 該參數控制其模擬值被儲存在.PL4 檔中的時間間距，填 1 表示每

個時間間距的結果均會印出。

※ 若以較小的 time step（ ）做精確求解比繪圖輸出重要時，此法可節省繪圖

時間及儲存空間。

tΔ

※ 但若使用者將一個偶數 M 值填入，EMTP 會自動加 1 使其變為奇數，這是因

為偶數值會對振盪曲線產生假的結果，僅繪出上下的包絡線而已。

Plotted output： 該參數控制繪圖資料點之永久磁碟儲存，如勾選此選項表示在

26

27

求解過程結束後，提供永久儲存的功能。

MemSave ： 該參數控制在模擬結束時，將記憶體傾倒入磁碟，以做為後面

使用”START AGAIN”之用，如勾選此選項表示儲存記憶體資料做

將來使用。

Printout

Network connectivity： 該參數控制是否印出電氣網路連接表。如勾選此選項表

示繪出網路連接表。會在.LIS檔中列出網路節點。

Steady-state phasors ： 該參數控制所有線性支路之線路潮流、開關潮流、所有注

入電壓源穩態相量解的印出。

Extremal values： 該參數控制所有輸出變數之最大絕對值之列印。

Extra printout control ：該參數控制模擬結束時之工作點條件，如勾選此選項

做改變印出頻率的控制。

2.3 Switch/UM

點選工句列中之「ATP」－＞「Settings」－＞「Switch/UM」如圖二十八所示

圖二十八

Universal machines

Initialization

Manual: 必須具體給定電機所有的端量。

Automatic: ATP 將計算初始情況。

Units

SI: 輸入變數使用 SI 單位。

Per unit: 輸入變數使用標么系統。

Interface

Compensation: 電機外部網路出現非線性元件。

Prediction: 電機外部網路沒有出現非線性元件，此選項不適用於單相電

28

機。

3-4 模擬操作

1. 開始沒模擬

點選工句列中之「ATP」－＞「run ATP」或直接按F2，如圖二十九所示。

圖二十九

2. 觀看結果

點選工句列中之「ATP」－＞「Plot XY」，如圖三十所示。

29

圖三十 30

第四章 實測結果

實例探討 一：

電路圖(尚未加載避雷器):

電源設定:

31

突波阻抗設定(adj):

突波阻抗設定(p-mid):

32

突波阻抗設定(p-end):

模擬波形圖:

(file a-cable.pl4; x-var t)

33

v:ADJ v:P-MID v:P-END

40

0 1 2 3 4 5 6[us]0

5

10

15

20

25

30

[kV]

35

電路圖(加載一個避雷器):

模擬波形圖:

(file a-cable-1.pl4; x-var t)

34

v:ADJ v:P-MID v:P-END

35

[kV]

0 1 2 3 4 5 6[us]0

5

10

15

20

30

25

電路圖(加載二個避雷器):

模擬波形圖:

(file a-cable-2.pl4; x-var t)

35

v:ADJ v:P-MID v:P-END

30

[kV]

0 1 2 3 4 5 6[us]0

5

10

15

25

20

電路圖(加載三個避雷器):

模擬波形圖:

(file a-cable-3.pl4; x-var t)

36

v:ADJ v:P-MID v:P-END

25

[kV]

0 1 2 3 4 5 6[us]0

5

10

20

15

37

結果敘述:

當尚未加載避雷器時，ADJ 的最大電壓為 38.46KV

P-MID 的最大電壓為 25.17KV

P-END 的最大電壓為 32.66KV

當加載一個避雷器時，ADJ 的最大電壓為 21.42KV

P-MID 的最大電壓為 25.02KV

P-END 的最大電壓為 32.32KV

當加載二個避雷器時，ADJ 的最大電壓為 20.63KV

P-MID 的最大電壓為 20.48KV

P-END 的最大電壓為 22.89KV

當加載三個避雷器時，ADJ 的最大電壓為 20.60KV

P-MID 的最大電壓為 20.34KV

P-END 的最大電壓為 19.59KV

由次可知，當雷擊下來時，電壓都在 25000V 以上，甚至還超過 38000V。加載

越多避雷器，可以降低雷擊電壓，減低架空線的損失。

實例探討 二：

電路圖:

相關原件之設定值:

Amp (Vdc) : 110V 開關時間不可比時間領域

Tsta: -1 (內定的數值) 還大不然不能做正常的動作

Tsto: 1 (內定的數值) 所以在一開始的選單中去更改

Ks:0 (內定的數值)考慮串聯阻抗大小 ATP\Settings..\Simulation 中設定為

S1 與 S4 開關之設定值 Tmax: 0.2s ,如此就可以看見模擬的圖形

Tcl: 0.1s C: 0.01F Top: 5s R: 10Ω

Imar: 0 (內定的數值)

38

模擬波形圖:

此圖為輸出 Vo 端的電壓 (XX0035-XX0037)

跟據上述的實驗模擬可以得到以下的結論

S1-S4 輸出 Vo＝ Vdc

S2-S3 輸出 Vo＝ -Vdc

S1-S2 輸出 Vo 為禁止狀態

S3-S4 輸出 Vo 為禁止狀態

S1-S3 輸出 Vo＝0

S2-S4 輸出 Vo＝0

把上述的結論整理起來以下列的圖表方式來表示

39

40

結果敘述:

換流器開關模式

開關閉合（sw on） 輸出電壓（Vo）

S1-S2 禁止狀態

S1-S4 輸出 Vo＝ Vdc

S2-S3 輸出 Vo＝ -Vdc

S1-S3 輸出 Vo＝0

S2-S4 輸出 Vo＝0

S3-S4 禁止狀態

41

第五章 結論

atpdraw 是個我們以前從未接觸過的軟體。它具有許多功能，從前面的介紹

應該可以體會的到。比方說：用在雷擊、電力電子等，毫無疑問的是個實用的

軟體。再做專題的過程中，因為接觸的時間少及課業的壓力，讓我們一度對它

產生了退縮的想法。但是，在指導老師及學長的協助之下，讓我們勇敢的嘗試

去摸索。雖然，沒有學到多少功夫。但是，至少有基礎的底。相信在給我們多

一點時間，即可輕鬆駕馭此套軟體。

42

參考文獻

1. 電力系統分析與設計(第三版)原著 , J.Duncan Glover Mulukutla S.Sarma ,編譯:

黃世杰。

2. 李奇憲,2005,國立雲林科技大學,EMTP 之簡介,ATPDraw 之簡介 PlotXY 之簡

介 ,EMTP 之應用 ,碩士論文。

3. 國立雲林科技大學 , ATPdraw 使用簡介 2005/03/02

www.ee.yuntech.edu.tw/~pqlab/ papermassage/papermassage.htm