Janitza.cz

Janitza Electronics se zabývá vývojem a výrobou energeticky úsporných systémů. Je výrobcem digitálních měřidel, systémů SEMS, univerzálních multimetrů, regulátorů jalového výkonu, systémů pro řízení spotřeby, ¼ hodinového maxima a dalších přístrojů nejvyšší kvality.

KBH.cz

Společnost KBH vyrábí, dodává a instaluje komponenty pro kompenzaci jalového výkonu. Zákazníky jsou elektromontážní firmy, výrobci rozvaděčů, projektanti, velkoobchody a velkoodběratelé elektrické energie. Společnost nabízí kvalitní komponenty a služby za velice příznivé ceny.

3. září 2008, Autor: varner
Nezařazené články

Přehled současných možností počítačové simulace v elektroenergetice

Abstrakt: V současné době je mnoho možností počítačové simulace v elektroenergetice. Požadavky v tomto oboru jsou velmi specifické z důvodu nutnosti často kombinovat mnoho jednotlivých technických disciplín. Přestože je takřka vždy třeba řešit elektrickou část problému, většinou přistupují další mechanické, hydromechanické, tepelné a další komponenty výsledného modelu. Z toho důvodu existuje v současnosti jak mnoho jednoduchých simulačních nástrojů, tak rovněž softwareové balíky s komplexními schopnostmi co do oborového záběru, tak složitosti problému až po diferenciální úlohy v časové i prostorové oblasti.
Klíčová slova: počítačová simulace, elektroenergetika

V tomto článku je představena následující skupina programových simulačních nástrojů víceméně využitelných v oboru elektroenergetiky:
• 20-SIM, University of Twente
• ATP-EMTP – Electromagnetic Transient Program, EMTP-ATP Users Group
• DYMOLA - Dynamic Modeling Laboratory, Dynasim AB, Lund
• DYNAST - Dynamic and Static problems, Icosym
• MULTISIM 7, Electronic Workbench
• SIMPLORER, Ansoft Corporation
• THE SPICE, University of California at Berkeley
• OCTAVE, Octave Consortium
• SCILAB, Scilab Consortium
• 20-sim, University of Twente

20-SIM, University of Twente
20-SIM je obecný modelovací a simulační program. S tímto nástrojem lze modelovat a simulovat chování dynamických systémů, jako např. elektrických, mechanických, hydraulických a jejich případné kombinace. 20-SIM plně podporuje grafické modelování a umožňuje také konstrukci a analýzu dynamických systémů intuitivním a uživatelsky příjemným způsobem. Je využívána technologie konstrukčních celků a komponent, což napomáhá vytvářet model inženýrským způsobem výběrem komponent z knihovny a jejich propojením do komplexního celku. Lze tedy vytvořit model bez nutnosti zapisovat přímo matematické diferenciální vztahy.
Výsledky simulace v 20-SIM mohou být zobrazeny jako animace v 3D animačním editoru. Animace jsou vytvořeny z knihovny předdefinovaných objektů obdobně jako například v 3D Studiu firmy Autodesk. Složitější grafické a konstrukční objekty lze importovat z CAD systémů. Animace a výsledky simulace jsou zcela automaticky propojeny, což dále přispívá k interaktivnímu charakteru 20-SIM.
20-SIM může generovat ANSI-C kód a MATLAB kód pro kterýkoli ze svých modelů, rovněž je možno vytvářet C-kód pro MATLAB popř. S-funkce nástroje SIMULINK. Novou vlastností 20-SIM je možnost exportu modelu v C-kódu požívaném programem firmy Syscon pro řešení simulací v reálném čase v operačním systému Linux založeném na technologii RTAI. Pak lze softwareové simulační modely konfrontovat s hardwareovými v reálném čase.
20-SIM pracuje pod operačním systémem Windows 9X/NT/2000/XP a jedná se o plně komerční software. Další informace lze nalézt na www.20sim.com.

Ukázky programu 20-SIM


ATP-EMTP, EMTP-ATP Users Group
ATP-EMTP je univerzální systém pro simulaci přechodných dějů se zaměřením na elektromagnetické a elektromechanické děje. Lze řešit i komplikované a rozsáhlé elektrické sítě a řídící systémy. ATP-EMTP má pokročilé modelovací schopnosti a další vlastnosti, které rozšiřují jeho záběr i mimo oblast přechodných dějů.
Uživatelské rozhraní programových rozšiřujících modulů TACS (Transient Analysis of Control Systems) a MODELS umožňují modelování nelineárních řídících systémů a komponent sítě jako jsou např. elektrický oblouk, korona apod. Snadno lze řešit jak spínací, tak poruchové děje. Výsledky výpočtů mohou být podrobeny frekvenční analýze.
Knihovna základních i rozšířených komponent zahrnuje prakticky celou potřebnou škálu pro praktické elektroenergetické úlohy včetně spínacích prvků časově a napěťově závislých prvků, polovodičových prvků, třífázového modelu alternátoru, atd. U prvků, kde to má smysl je uvažován saturační, popřípadě hysterézní charakter.
Velice důležitým rozšiřujícím nástrojem pro ATP-EMTP je program ATP Draw, což je grafické uživatelské rozhraní, které vytváří interaktivní nadstavbu nad původně textově orientovaný interface. Výsledný zdrojový kód pro výpočet je pak generován automaticky. Dalším příjemným doplňkovým nástrojem je program PCPlot, který naopak zkvalitňuje grafickou reprezentaci výsledků simulace.
ATP-EMTP pracuje pod operačním systémem Unix včetně GNU/ Linux a dále pod Windows 9X/NT/2000/XP. Jedná se o software s licencí zdarma, přestože existuje i mnoho rozšířených nebo upravených komerčních verzí (EMTP96, EMTP-RV), které mají obvykle sofistikovanější uživatelské grafické rozhraní a ještě širší knihovnu komponent. Rovněž vzpomenuté nadstavby PCPlot a ATP Draw jsou volným softwarem. Další informace lze nalézt na www.emtp.org.

Ukázka programu ATP Draw


Dymola - Dynamic Modeling Laboratory, Dynasim AB, Lund
DYMOLA byla vyvinuta novou technologií pro úlohy z mnoha inženýrských oborů modelování a simulace s důrazem na robotiku, letectví, řízení procesů a další. DYMOLA umožňuje simulaci dynamického chování a komplikovaných vztahů mezi systémy spadajících do různých oborů (mechanika, elektrotechnika, termodynamika, hydraulika, řídící systémy), což ji předurčuje i jako účinný nástroj v oboru energetiky.
Nová metoda modelování vychází z objektové reprezentace komponent a matematických vztahů, přičemž většina rutinních manipulací s objekty a tedy i s matematickými formulacemi je automatická. Objektový hierarchický přístup umožňuje snadné a přehledné vytváření komplikovaných a rozsáhlých systémů. Se systémem je dodávána knihovna modelových komponent pro mnoho inženýrských oborů a to včetně elektroenergetiky.
DYMOLA má možnost propojení se systémem SIMULINK a tak mohou být veškeré modely exportovány jako blokové S-funkce. Vzniklý DymolaBlock pak lze běžně používat jako knihovní prvek v SIMULINKu a začlenit jej do jiných širších analýz.
DYMOLA pracuje pod operačním systémem Windows 9X/NT/2000/XP a jedná se o plně komerční software. Další informace lze nalézt na www.dynasim.se.

Ukázky programu DYMOLA


Dynast - Dynamic and Static problems, Icosym
Tento simulační systém vyvíjený od konce sedmdesátých let na ČVUT Praha reprezentuje modelovaný objekt pomocí kombinace matematických algebrodiferenciálních vztahů, schématu řídících bloků podobných jako v systému SIMULINK a vícepólových fyzikálních prvků. To dává kreativitě uživatele vysokou volnost v přístupu k problematice a vytváří podmínky pro využití v mnoha oborech.
Multipólová schémata, která jsou základní technologií modelování, zcela kopírují principielní charakter reálného systému. Sestavení modelu je tedy možné bez pracného vytváření diferenciálních matematických vztahů. Schémata těchto prvků lze pro zvýšení přehlednosti kombinovat do hierarchické struktury a vytvářet jejich knihovny. Vícepólová i bloková schémata lze sestavovat nejen přímo v zdrojovém jazyce programu, ale také v interaktivní nadstavbě DYNCAD nebo DYNSHELL pracující jak pod Windows, tak dokonce jako webová JAVA aplikace. Kromě toho je možno například složitá elektrická schémata importovat ze systému OrCAD. To umocňuje jednoduchost uživatelské obsluhy a produktivitu DYNASTu.
DYNAST je schopen nejen simulovat nelineární dynamické systémy, kde například proti SIMULINKu vyniká výkonností, ale je schopen i tyto systémy linearizovat a dále detailně analyzovat a získat např. přenosové funkce, póly a nuly. Výsledky výpočtu lze exportovat jako M-soubory do systému MATLAB. Lze popřípadě kombinovat simulaci v DYNASTu a SIMULINKu, kde obvykle řídící systém je vytvořen v SIMULINKu a řízený objekt v DYNASTu, čímž se vyžije universálnost SIMULINKu a výkonnost DYNASTu.
DYNAST pracuje pod operačním systémem Windows Z9X/NT/2000/XP a výpočetní jádro na některých UNIX systémech. Jedná se o komerční software, ale využít jeho možností na volném internetovém výpočetním serveru běžícím pod webovým HTTP a JAVA rozhraním. Kromě toho existuje částečně omezená, cenově zvýhodněná studentská verze a levná plná verze pro školy. Další informace lze nalézt na www.icosym.cvut.cz.

Ukázky programu DYNAST


Multisim 7, Electronic Work bench
MULTISIM je integrované simulační prostředí, které historicky rozšiřuje možnosti profesionálního elektrotechnického inženýrského systému ELECTRONIC WORKBENCH. MULTISIM má flexibilní možnosti zadávání modelovaného sytému včetně široké knihovny komponent, která je jednou z největších vůbec. Produktivitu sestavování elektrického schématu zvyšuje rychlé a intuitivní prostředí s příjemným a inteligentním uživatelským rozhraním. MULTISIM umí vytvořit zdrojové soubory pro klasické elektrotechnické systémy SPICE, VHDL a popř. generovat Verilog a RF modely. Model lze doplňovat C-kódem, což rozšiřuje univerzálnost systému.
Výsledky simulace jsou definovány i zobrazovány rovněž velice intuitivně a přehledně pomocí virtuálních měřicích zařízení.
MULTISIM pracuje pod operačním systémem Windows 9X/NT/2000/XP a jedná se o plně komerční software. Další informace lze nalézt na www.interactiv.com.

Ukázky programu MULTISIM

Simplorer, Ansoft Corporation
SIMPLORER je víceoborový simulační systém s těžištěm zaměření na automatiku, letectví, výkonovou elektrotechniku a elektrické pohony. Slouží nejen pro simulaci, ale i pro virtuální konstrukci zařízení. Obsahuje silné nástroje pro vytváření modelů a širokou knihovnu komponent. Modelovací systém sestává z celkem čtyř jazyků, přičemž jejich volba závisí čistě na inženýrském přístupu a charakteru konkrétního modelu. Systém je otevřený i z hlediska výpočetního řešícího jádra a doplňujícího kódu a lze jej v tomto ohledu volně doplňovat. Celková univerzálnost a otevřenost dává SIMPLORERu velkou šanci na rozšíření do budoucna.
SIMPLORER pracuje pod operačním systémem Windows 9X/NT/2000/XP a jedná se o plně komerční software. Další informace lze nalézt na www.ansoft.com.

Ukázka programu SIMPLORER


The Spice, University of California at Berkeley
SPICE je obecný systém pro simulaci elektrických obvodů, pro jejich nelineární stejnosměrnou, přechodnou a lineární střídavou analýzu. Obvody mohou sestávat nejen z klasických elektrotechnických prvků, ale i např. ztrátových vedení, spínacích prvků a polovodičových prvků.
Existuje mnoho implementací systému SPICE, z nichž nejpopulárnější je komerční PSPICE firmy OrCAD (nyní Cadence). OrCAD PSpice je pro svou spolehlivost tradičně hojně využíván k přesné simulaci analogových a analogově-digitálních zařízení.
Systém doplňuje interaktivní grafická nadstavba MAGIC pro zvyšující produktivitu a spolehlivost vytváření modelu.
SPICE pracuje pod operačním systémem Windows 9X/NT/2000/XP, MAC OS a některých systémech UNIX. Některé implementace systému SPICE jsou volně šiřitelné, jiné jsou komerčním software. Další informace lze nalézt na www.bwrc.eecs.berkeley.edu.

Octave, Octave Consortium
GNU OCTAVE je programovací jazyk vysoké úrovně a výpočetní systém primárně určený pro numerické výpočty. Jedná se o program s klasickým rozhraním příkazové řádky pro řešení lineárních a nelineárních numerických problémů. Použitá syntaxe jazyka a jeho schopnosti jsou takřka kompatibilní s tradičním komerčním systémem MATLAB, to určuje širokou vyžitelnost a mohutné zázemí podpory systému.
OCTAVE má rozšířené nástroje pro řešení běžných úloh numerické lineární algebry a řešení kořenů nelineárních výrazů. Má integrovanou extrémně širokou knihovnu matematických funkcí, služeb pro manipulaci s polynomy, numerickou integraci a řešení diferenciálních a algebrodiferenciálních problémů. Celé prostředí je naprosto otevřené pro další uživatelské rozšíření a to jak pomocí vlastního jazyka OCTAVE, tak pomocí dynamicky nahrávaných modulů napsaných v C++, C, Fortranu a dalších jazycích.
Protože je OCTAVE plně funkční klon MATLABu, je možné vytvářet a využívat SIMULINK jako jeho nadstavbu, což činí z OCTAVE silný a univerzální simulační nástroj, přestože sama je schopna řešit jen simulace definované pomocí matematických vztahů.
OCTAVE pracuje pod operačním systémem Windows 9X/NT/2000/XP, GNU/Linux a je plně volně šiřitelným software. Další informace lze nalézt na www.octave.org.

Scilab, Scilab Consortium
SCILAB je další výpočetní a simulační program ne nepodobný systému MATLAB. Jeho jazyk již ale není pevně svázán se svým vzorem. Obsahuje pokročilé vlastnosti pro simulaci a vizuallizaci výsledků. SCILAB je tedy vědeckým výpočetním softwarem pro numerické analýzy s otevřeným prostředím i pro inženýrské úlohy.
Silné vlastnosti SCILABu ještě více podtrhuje nadstavbový systém SCICOS pro interaktivni intuitivní vytváření modelů ala SIMULINK. Další rozšiřující moduly se soustřeďují na: 2-D a 3-D grafiku a animace, lineární algebru (např. i sparse matice), polynominální a racionálně lomené funkce, řešení diferenciálních vztahů ODE a DAE metodou, optimalizaci systému, zpracování signálu a další.
SCILAB pracuje pod operačním systémem Windows 9X/NT/2000/XP a na většině UNIX systémů včetně GNU/Linux a je plně volně šiřitelným software. Další informace lze nalézt na www.scilabsoft.inria.fr.

Ukázka programu OCTAVE Ukázka programu SCICOS¨


Další simulační nástroje
V článku bylo představeno devět simulačních softwareových balíčků. Jedná se ale jen o zlomek existujících nástrojů. Další známé programy jsou např.:
• Automation Studio (moderní simulační a konstrukční softwareový balík se silnou podporou zpracování dokumentace získaných výsledků a soustředěním se na hydraulické, pneumatické a fluidní problémy, www.automationstudio.com)
• CAMP-G (nástroj pro inženýrské návrhy v oborech mechatroniky a dynamických systémů používající podobný fyzikální přístup k modelování jako DYMOLA nebo DYNAST; tato metoda je popisována jako technologie Bond Graphs, www.bondgraph.com)
• AMESim (simulační software s podobnou charakteristikou jako CAMP-G, určený převážně pro automatizaci a letectví, doplněný širokými knihovnami komponent a možnostmi propojení s jinými nástroji, www.amesim.com)
• ACSL - Advanced Continuous Simulation Language (jeden z historicky prvních komerčních modelovacích a simulačních jazyků, www.acslsim.com)
•  AnyLogic (nástroj s velice různorodými možnostmi modelování co do popisu struktury i možného chování, www.xjtek.com)
• ITI-SIM a SimulationX (nástroj v kterém lze kombinovat formální a matematický popis modelu spolu s přímými programovými příkazy, www.iti.de)
• MATLAB a SIMULINK (tradiční univerzální komerční nástroj pro matematické a simulační úlohy, www.mathworks.com)
Kromě toho existuje samozřejmě mnoho specializovaných oborových analytických nástrojů, které lze v jistém ohledu také považovat za simulátory, ale tento článek uvádí především jen ty obecné a pokud možno univerzální. Existují i analytické nástroje čistě matematické, které nemají podporu inženýrských úloh (GAUSS, MAPLE, MATHEMATICA apod.)

Závěr
Byly popsány základní charakteristické vlastnosti několika reprezentativních simulačních nástrojů s potencionální využitelností v elektroenergetice. Přesto plnou použitelnost v tomto oboru mají jen některé a to ještě jen za jistých okolností. Jestliže nástroj EMTP-ATP se silně koncentruje na elektrickou část energetických zařízení, tak naopak jiné nástroje jsou univerzální (20-SIM, DYMOLA, SIMPLORER a další), ale jedná se buď o komerční produkty, nebo mají zatím poměrně malou šíři knihovny hotových energetických komponent (DYNAST). Kromě toho jsou při přípravě, vyhodnocení, nebo pro jednodušší simulace využitelné volně šiřitelné klony MATLABu, které sice nemají přímou podporu v oboru energetiky, ale jedná se o velice silné řešící systémy zdarma (OCTAVE, SCILAB). Konečně některé modelovací a analytické systémy jsou využitelné pro elektroenergetiku jen okrajově díky odlišnému zaměření především na jiné inženýrské obory (MULTISIM, SPICE).

Literatura a Reference
Kolcun M., Mühlbacher J., Haller: Mathematical analysis of electrical networks, odborná technická literatura, kniha vydaná 2004, vydavatelství BEN-technická literatura, Česká Republika, ISBN: 80-7300-098-9
Noháč K.: Modelování sytému alternátoru pracujícího do tvrdé sítě, výzkumná zpráva ZČU Plzeň, Plzeň 1999
Mühlbacher, J., Noháč, K., Noháčová, L.: Distributed power systems, 12th International Experrt Meeting „Power Engineering 2003“, Maribor 2003, Slovinská Republika, 7.-8. 5. 2003 str. 1-4, nakladatel: University of Maribor ISBN: 8643505447
Griger V., Kolcun M., Mühlbacher J.: Electric power system operation control, odborná technická literatura, kniha vydaná 2004, vydavatelství Mercury-Smekal, Slovenská Republika, ISBN: 80- 89061-86-9
Martínek Z.: Plánování přenosu elektrické energie užitím kritéria spolehlivosti, Use of Technical Measurements in solving Environmental Problems, ZČU Plzeň 2001, ISBN 80-7082-764-5, pp.84-88
Hejtmánková P., Dvorský E.: The Network Configuration Effect on Extraordinary States in the Power System, paper under solving science project MSM 232200008
www.20sim www.emtp.org www.dynasim.se www.icosym.cvut.cz www.interactiv.com www.ansoft.com www.bwrc.eecs.berkeley.edu  www.octave.org  www.scilabsoft.inria.fr   www.automationstudio.com   www.bondgraph.com www.amesim.com       www.acslsim.com          www.xjtek.com          www.iti.de

Tento článek byl vytvořen v rámci řešení výzkumného záměru MSM 232200008

Ing. Karel Noháč, Ph.D., Ing. Lucie Noháčová, Ph.D.


Sdílet

Komentáře

Najdete nás na Facebooku
Odběr novinek
Server CESKAENERGETIKA.cz
Česká Energetika s.r.o. a Česká energetická asociace provozují portál www.ceskaenergetika.cz, vydávají dva časopiy z oblasti energetiky a OZE, pořádají na tato témata semináře a konference pro laickou i odbornou veřejnost.
Důležité odkazy
Spolupracujeme
Najdete nás také na
Portál www.ceskaenergetika.cz © 2011 pohání redakční systém MultiCMS. Grafické zpracování Cossi Design.