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Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária - São Paulo - Brasil - 05508 - 010 - T: (11) 3091- 2552
Manual interno do ATPDraw do Serviço Técnico de Altas
Tensões e Descargas Atmosféricas do IEE/USP
www.iee.usp.br
Versão: out/2014.
Autor: Paulo Futoshi Obase.
Sumário
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- Programa Digital de Transitórios Eletromagnéticos EMTP-ATP
A falta de bibliografia didática para o aprendizado do ATP (Alternative transients Program), a
rígida formação em formato texto exigido na simulação dos casos e a falta de um programa
amigável para mostrar os resultados simulados têm sido os principais problemas na
popularização do ATP. Numa tentativa de se melhorar a interação entre o usuário e o
programa foi desenvolvido uma versão em ambiente “windows” denominado ATPDraw. Essa
versão simplesmente é um pré-processador do ATP, formatando automaticamente o
programa e portanto, o usuário não mais precisa se preocupar com as rígidas regras de
alinhamento que o programa exige. Um dos problemas nas primeiras versões do ATPDraw
era a falta de informações quanto a localização do programa executável do ATP. Porém nas
versões mais recentes esse problema foi sanado através de uma rotina que cria pastas e
instala automaticamente o ATP e o ATPDraw. Para visualização dos resultados de simulação
foi desenvolvido o programa PLOTXY de fácil interação com o usuário.
Nota 1: No sítio http://www.emtp.org (acessado em 12/04/2005) [1] podem ser encontrados
mais detalhes do ATP e também o manual do ATPDraw.
Nota 2: O programa ATPDraw e PLOTXY são oficiais do grupo Leuven EMTP Center (LEC).
Porém existe outro programa de visualização de resultados denominado TOP (com as
mesmas características do PLOTXY) que apresenta algumas vantagens em relação ao
PLOTXY, porém trata-se de um programa não oficial. Mais detalhes do TOP podem ser
encontrados no sitio http://www.pqsoft.com/ (acessado em 12/04/2005) [2].
Primeiramente, faz-se uma rápida introdução da história do ATP e posteriormente são
apresentados exemplos de algumas utilizações do programa. Ressalta-se também que no
próprio programa ATPDraw traz exemplos que podem auxiliar no aprendizado do ATP. Esses
exemplos estão na pasta “C:\ATP_CBUE\Project” com arquivos com extensão *adp.
Lembrando que mais detalhes do ATP podem ser encontrados no manual RULE BOOK [3] de
1987 que embora traga muitas informações não é muito didático.
1.1. Histórico
O EMTP (ElectroMagnetic Transients Program) teve sua origem em Portland, Oregon (EUA)
e foi desenvolvido por uma agência do Departamento de Energia americana, o Bonneville
Power Administration (BPA). De domínio público, em 1984 começaram a ocorrer discussões
e divergências em relação a comercialização do programa acarretando na criação do ATP
(Alternative Transients Program) que embora seja livre de royalty não é de domínio público e
essa distinção é necessária para a proteção de alguns materiais contra a exploração
comercial. Segundo Amon F°, J. e Pereira, M. P. (1996) [4] o EMTP foi desenvolvido por
Herman W. Dommel na década de 60, com base no trabalho de Frey e Althammer (Brown
Boveri, Suíça), em Munique, Alemanha. Para o cálculo computacional é utilizada a regra da
integração trapezoidal. Várias modificações e atualizações foram efetuadas na programa ao
longo dos anos com a ajuda de vários colaboradores dentre eles Scott Meyer que assumiu a
coordenação do programa com a saída de Dommel que foi para a Universidade de British
Columbia (UBC). Divergências entre Scott Meyer e EPRI levaram à criação de uma nova
versão do EMTP denominada de ATP (Alternative Transients Program) que foi transferida
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para o Leuven EMTP Center (LEC) cuja sede fica na Bélgica. Desde então, o LEC faz a
distribuição do programa até o final de 1992 quando, então, a BPA e Scott Meyer decidiram
novamente exercer a coordenação do programa.
1.2 Estrutura geral de entrada do ATP
O ATP em formato texto tem uma rígida ordem de entrada dos componentes que são
agrupados em cartões. A letra “C” em maiúscula seguida de espaço representa linha de
comentário e o “{“ em qualquer posição após uma instrução também representa um
comentário. De um modo geral a estrutura deve seguir:
- BEGIN NEW DATA CASE {obrigatório começar com essa instrução}
- C Opção de inserir várias linhas contendo comentários que normalmente é C o cabeçalho do programa.
- Cartões especiais (não é mostrado nesse manual)
- Cartão de dados miscelaneos C Nesse cartão é definido o passo e tempo total da simulação, a “resolução” C da saída de dados entre outros dados iniciais da respectiva simualção. C Não é necessário finalizar com BLANK
- TACS HYBRID ou TACS STAND ALONE ou MODELS BLANK CARD ENDING TACS C Se existir esse cartão deve-se terminá-lo com BLANK. C Requisição da Rotina TACS ou MODELS (mais detalhes a seguir) C Se não existir essas rotinas deve-se ignorar esse cartão.
- CARTÃO DE RAMOS LINEARES OU NÃO. C Cartão de inserção dos ramos lineares e não lineares como por exemplo C resistores, indutores, capacitores, pára-raios, transformadores, linhas de C transmissão, etc. C É obrigatório nas simulações ter pelo menos um ramo desse cartão que deve ser C finalizado com BLANK. BLANK card ending all BRANCH cards.
- CARTÃO DAS CHAVES. C Cartão de chaves, deve ser finalizado com BLANK. BLANK card ending all SWITCH cards.
- CARTÃO DAS FONTES. C Cartão das fontes, deve ser terminado com BLANK. BLANK card ending all SOURCE cards.
- CARTÃO PARA Load flow de "FIX SOURCE". C Normalmente não é utilizado. 10.CARTÃO PARA NOVA SIMULAÇÃO COM CONDIÇÕES INICIAIS DA SIMULAÇÃO ANTERIOR. C Normalmente não é utilizado. 11 CARTÃO DE SAÍDA DE RESULTADOS C Cartão que identifica os ramos solicitados para visualização de tensão. C Deve ser terminado com BLANK BLANK card ending all OUTPUT cards 12.CARTÃO ESPECÍFICO PARA FONTES TIPO 1-10 DO EMTP (FONTE EMPÍRICA) C Normalmente não é utilizado. 13 CARTÃO PARA VISUALIZAÇÃO NO PROGRAMA ‘PCPLOT’ C Deve ser terminado com BLANK. C O programa PCPLOT pode ser substituído pelo programa PLOTXY. BLANK card ending all batch-mode PLOT cards 14.BEGIN NEW DATA CASE {é obrigatório essa instrução} BLANK {é obrigatório terminar com essa instrução}.
Essa estrutura deve ser seguida e, além disso, cada cartão tem rígidas regras de alinhamento
que podem ser encontradas no RULE BOOK [4]. A seguir serão mostrados exemplos de
simulação utilizando o ATPDraw e portanto não se entrará em mais detalhes na formatação
dos cartões.
2. Exemplos de simulações utilizando o ATPDraw
O presente capítulo apresenta alguns exemplos de simulações utilizando o ATPDraw.
Primeiramente deve-se instalar o programa ATP + ATPDraw (Versão 3.5) através do duplo
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Fig. 3: Menu com as opções dos componentes elétricos.
Ressalta-se que essa versão do ATP + ATPDraw é compatível com o Windows XP ou
Windows 2000. Nas versões anteriores do Windows (98 ou 95) algumas janelas do DOS
podem não ser fechadas automaticamente, porém isso não influencia nas simulações.
2.1 Exemplo 1
Implementação de uma linha de transmissão com 3 km de comprimento com a silhueta e
dados mostrados na Fig. 4. A resistividade do solo é de 250 .m e freqüência de 60 Hz Ao
final do modelo resultará em uma matriz RLC com elementos mutuamente acoplados
específicos para a freqüência na qual foi modelada. A seguir é mostrado passo a passo a
implementação e preenchimento do componente de modelagem da linha de transmissão.
Fig. 4 : Silhueta e cotas da torre.
Altura do cabo guarda : 30,5 m Altura do meio vão do cabo guarda : 23,2 m 7,85m
12,0 m
0,4 m Alturas: Fases = 21,63 m Meio vão das fases = 9,83 m (^) Condutores fases: resis. DC = 0,05137 ohms/km; raio interno = 0,99 cm; Raio externo = 1,599 cm;
Condutores cabo guarda: resis. DC = 0,35961 ohms/km; Raio externo = 0,73 cm;
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Passo 1: Clicar com o botão direito do mouse no programa ATPDraw achar a rotina mostrada
na Fig. 5.
Fig. 5: Passo 1
Passo 2: Clicar duas vezes com o botão esquerdo no ícone que apareceu para habilitar, abrir
e preencher os campos (Model) de acordo com a Fig. 6.
Fig. 6: Passo 2
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Fig. 8: Passo 4.
Passo 5: Criar o arquivo *.atp clicando no botão “Run ATP” e se a janela mostrada na Fig. 9
aparecer clique em “Yes”, caso contrário ir para o passo 6.
Fig. 9: Passo5.
Passo 6: Após criar com sucesso o arquivo *.atp aparecerá a janela mostrada na Fig. 10.
Fig. 10: Passo 6.
Se a mensagem da Fig. 11 aparecer significa que o ATPDraw não conseguiu importar ou
criar o arquivo *.pch automaticamente devendo o usuário fazê-lo manualmente seguindo os
passos a seguir. Caso contrário o modelo está pronto.
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Fig. 11: Menagem de erro da importação do arquivo *.PCH.
Passo 7: Criação do arquivo *.pch. Deve-se seguir as instruções mostradas na Fig. 12.
Fig. 12: Passo 7.
Passo 8: Será pedido ao usuário escolher o arquivo criado no passo 5, ou seja, o arquivo
*.atp que foi salvo em “C:\ATP_CBUE\LCC” como mostra a Fig. 13. Nessa etapa deverá
aparecer uma janela do DOS que se fechará automaticamente (no Windows 98 fechar
manualmente). Na pasta “C:\ATP_CBUE\LCC” deverá ter sido criado o arquivo *.pch.
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Fig. 15: Passo 10.
Automaticamente devem aparecer as mensagens mostrada na Fig. 16 finalizando o processo
de modelagem da linha de transmissão.
Fig. 16: Finalização do processo de criação da linha de transmissão.
Nota-se que na criação do modelo da linha de transmissão houve um pré-processamento
convertendo os parâmetros geométricos em elétricos através da rotina LINE CONSTANTS
que está implícita no ATPDraw. O mesmo raciocínio vale quando for criado modelo de cabos
que usa a rotina CABLE CONSTANTS.
Uma vez criado o modelo da linha ele pode ser usado para simulações como no caso do
exemplo 2 a seguir.
2.2 Exemplo 2
A Fig. 17 mostra um circuito simulado utilizando o ATPDraw e a sua respectiva resposta,
ressalta-se que essa figura é apenas ilustrativa. A Fig. 18 mostra a implementação passo a
passo do exemplo. O circuito consiste basicamente de uma fonte trifásica alimentando a linha
de transmissão modelada no exemplo 1. Foi considerada a impedância interna da fonte como
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parâmetros em seqüências zero e positiva e as chaves representam disjuntores. As
marcações (label) “1”, “2”, “3” e “SAIDA” são facilmente colocadas através de duplo clique do
mouse no nó desejado. Quando se deseja ligar os componentes, clica-se uma vez no nó
desejado e arrasta-se o mouse até ligar ao outro componente. Para colocar o “probe” de
tensão ( ) deve-se clicar com o botão direito do mouse na tela do programa e encontrar
após essa etapa deve-se clicar duas vezes no ícone
( ) para habilitá-lo.
(a)
(b)
Fig. 17 : Circuito do exemplo 1 a) Circuito simulado b) Reposta no marcador “SAIDA”
Dados do circuito:
Fonte trifásica com tensão de pico de 359 kV equilibrada;
Impedância de parâmetros de seqüência do gerador R0 = 0.3182 ohms, R1+ = 1.
ohms, L0 = 9.62069 mH e L1+ = 42,4403 mH;
Tempo de abertura das chaves para a Fase A, B e C de 20 ms, 30 ms e 40 ms,.
Respectivamente. Esses tempos não têm relação com os de um disjuntor real e foram
escolhidos arbitrariamente para esse exemplo;
Silhueta da linha de transmissão de 3 km de comprimento dada na Fig. 4.
Para cada componente do circuito deve-se dar um duplo clique para habilitá-lo e preencher
os campos necessários (note que o ícone muda de cor). A partir desse ponto todas as
instruções são dedutíveis e em caso de dúvidas no preenchimento dos campos pode-se
utilizar o “HELP” do componente.
(f ile EXEMPLO1.pl4; x-v ar t) v :SAIDAA v :SAIDAB v :SAIDAC
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 (^) [s] 0.
100
250
400 [kV]
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Fig. 19: Criação do arquivo *.atp.
Finalizando, a simulação é realizada como mostra a Fig. 20. Uma janela do DOS deve
aparecer e desaparecer automaticamente (no Windows 98 deve-se fechar manualmente).
Para verificar se não houve erros no processo de simulação pode-se apertar o botão F5 (Edit
LIS-file). O programa PLOTXY pode ser usado para verificar o resultado da simulação. Para
abri-lo clicar no menu ATP => run Plotxy, ou apertar simultaneamente as teclas ctrl + Alt + 3.
Fig. 20: Simulação do caso.
Obs: Antes de sair do programa não esqueça de salvar também o arquivo do circuito
(extensão *.adp), para isto basta ir em: Arquivo/ Salvar e escolher a pasta de sua preferência.
2.3 Exemplo 3
Simulação de uma linha de transmissão de 3 km de comprimento com parâmetros
distribuídos e variando na freqüência comparada à mesma linha com parâmetros
mutuamente acoplados sem variação na freqüência.
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A Fig. 21 mostra o esquemático da simulação de modelos de linha de transmissão. A única
diferença entre ambos é a modelagem da linha. A linha da Fig. 21a é modelada com
parâmetros distribuídos (e mutuamente acoplados) e variando na freqüência e a da Fig. 21b
mostra a linha idêntica ao do exemplo 1 com comprimento de 3 km (parâmetros mutuamente
acoplados).
(a) (b)
Fig. 21: Esquemático do exemplo 3.
Para a linha com parâmetros acoplados a modelagem é idêntica ao do exemplo 1 com
comprimento de 3 km, porém os nomes dos arquivos foram denominados de LINHA-
FREQ60.alc, LINHA-FREQ60.atp e LINHA-FREQ60.pch. Já a outra linha é modelada
conforme os passos a seguir.
Passo 1: Clicar com o botão direito do mouse no programa ATPDraw achar a rotina mostrada
na Fig. 22.
Fig. 22: Inserção da rotina LCC do exemplo 3 – passo 1.
Passo 2: Clicar duas vezes com o botão esquerdo no ícone para habilitá-lo, abrir e preencher
os campos (Model) de acordo com a Fig. 23.
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Fig. 24: Continuação do preenchimento dos dados do exemplo 3 – passo 3.
Os demais passos são idênticos aos do exemplo 1. Nesse exemplo o arquivo da linha foi
salvo como LINHA-FREQ.alc, gerando os arquivos LINHA-FREQ.atp e LINHA-FREQ.pch.
Para inserção da linha devem-se seguir as instruções da Fig. 25. Ao final da importação
deve-se dar um duplo click no ícone do LCC e verificar se a opção “send parameters”
está ticada. Caso não esteja, o ATDraw não entenderá que o arquivo faz parte do circuito e
mesmo que o usuário conecte os nós o ATPDraw não reconhecerá como sendo início ou final
do respectivo nó ligado acarretando em erros.
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(a) (b)
(c)
Fig. 25: Instruções da inserção da linha. a) Importação do arquivo *.pch b) Inserção do arquivo LINHA-FREQ.pch c) Finalização da importação
A montagem passo a passo do circuito do exempo 3 é mostrado na Fig. 26.
