MATLAB電力系統(tǒng)工具箱介紹與應(yīng)用

廖恩榮

（南京高精傳動(dòng)設(shè)備制造集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210012）

0 概述

電力系統(tǒng)工具箱是MATLAB眾多工具箱中的一個(gè)，最早出現(xiàn)于MATLAB5.3中。由于其操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，一問世便受到電力系統(tǒng)科研工作者的青睞。該工具箱使用simulink環(huán)境，以MATLAB為計(jì)算引擎，幾乎囊括了電力系統(tǒng)絕大部分典型設(shè)備的模型，加之具備可與其他工具集（如simulink、control system toolbox等）配合使用的特點(diǎn)，使得原本復(fù)雜、費(fèi)時(shí)的電力系統(tǒng)建模、仿真工作變得前所未有的簡(jiǎn)單、快捷。

本文以介紹該工具箱的使用方法為目的，首先介紹其基本使用方法，繼而總結(jié)了若干條使用細(xì)節(jié)問題以及注意事項(xiàng)，然后進(jìn)一步地解釋工具箱后臺(tái)運(yùn)行過程的大致框架，以供加深理解之用。本文在最后以一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)為例展示了該工具箱的使用方法，供讀者比照。

1 基本使用方法

使用電力系統(tǒng)工具箱進(jìn)行分析、計(jì)算的第一步是建立模型。首先，需要打開模型窗口。我們既可以在命令窗口的File菜單中選新建模型（New/model）又可以在打開的simulink library browser中點(diǎn)擊工具欄的新建（New）鈕。該窗口中的模型將形成后綴為.mdl的文件。

在實(shí)際系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)由元件及聯(lián)絡(luò)線組成。相應(yīng)的，在模型窗口中，網(wǎng)絡(luò)模型由現(xiàn)成的元件模塊相互連接而成。這些元件模塊是由程序開發(fā)者依據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際元件的數(shù)學(xué)模型構(gòu)造、封裝而成，外觀一目了然，參數(shù)可由使用者自行調(diào)整。它們集中在電力系統(tǒng)工具集（power system blockset library）中，打開它有兩種方法:在命令窗口的工具欄中點(diǎn)擊simulink library browser，出現(xiàn)該窗口后右鍵點(diǎn)擊power system blocket或在命令窗口中直接鍵入powerlib命令。powerlib窗口以圖標(biāo)形式表示各子工具集，點(diǎn)擊各圖標(biāo)將進(jìn)入到相應(yīng)的子工具集中，此時(shí)列出的小圖標(biāo)即是元件模型（附加工具集除外）。

Simulink環(huán)境下建立模型的過程是組合連接的過程。根據(jù)實(shí)際問題從工具集中選擇適當(dāng)?shù)脑K，按住鼠標(biāo)左鍵拖拽到模型窗口中，打開各元件的參數(shù)窗口設(shè)置好參數(shù)，最后將各元件模塊正確連接就可完成簡(jiǎn)單的建模工作。

模型建立好后便可進(jìn)入仿真步驟。此時(shí)，先要依據(jù)實(shí)際需要設(shè)置仿真時(shí)間、所用算法、數(shù)據(jù)輸入輸出方式等等。待一切檢查無誤后，點(diǎn)擊simulation/start鍵便開始仿真計(jì)算，仿真進(jìn)程可在屏幕下方的狀態(tài)欄中觀察。仿真結(jié)果既可以在scope中直接以圖形方式顯示，也可以用數(shù)組形式或結(jié)構(gòu)數(shù)形式輸出到工作空間（workspace）中，同理，數(shù)據(jù)也可以從工作區(qū)間以數(shù)組、結(jié)構(gòu)數(shù)的形式載入。

另外，構(gòu)造仿真系統(tǒng)模型、設(shè)置模型參數(shù)還可以用專用命令編寫程序的方法來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用起來雖不如上面介紹的方法那樣簡(jiǎn)單、直觀，卻有其優(yōu)勢(shì):可以靈活的控制程序的流程，并且參數(shù)可以動(dòng)態(tài)的修改等，具體方法可查閱資料［1］。

2 工具集元件介紹

電力系統(tǒng)子工具集分別是:電源集（electrical sources）、元件集（elements）、電力電子工具集（power electronics）、電機(jī)集（machines）、節(jié)點(diǎn)集（connectors）、測(cè)量工具集（measurements）、附加工具集（powerlib extras），另外還有powergui圖標(biāo)和演示程序目錄（demo）。表1，表2分別列出了電力系統(tǒng)工具集所有元件模塊的詳細(xì)內(nèi)容。

表2 電力系統(tǒng)附加工具箱

3 細(xì)節(jié)問題

電力系統(tǒng)工具箱的使用原理雖然很簡(jiǎn)單，但要真正用好它、用活它則還需要注意一些細(xì)節(jié)問題并進(jìn)一步掌握一些優(yōu)化方法。以下是在使用中總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)，供大家參考:

1）當(dāng)斷路器串聯(lián)入電路時(shí)，如果有斷開的狀態(tài)，應(yīng)在其上并聯(lián)一個(gè)大電阻，否則將在仿真時(shí)出錯(cuò)。

2）電力系統(tǒng)工具箱中有兩種RLC阻抗模型:支路模型和負(fù)荷模型。之所以有這樣的區(qū)分是為了符合電力系統(tǒng)的習(xí)慣，即在描述負(fù)荷時(shí)通常以其吸收的有功功率、無功功率為量化基礎(chǔ)。而支路模型則是典型的RLC阻抗模型，以電阻值、電感值、電容值為參數(shù)。事實(shí)上，如果已知負(fù)荷模型的電阻值、電感和電容值，依然可以用支路模型來表示。

3）電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)習(xí)慣使用標(biāo)幺值。在電力系統(tǒng)工具箱中，所有數(shù)據(jù)均是以有名值形式輸入和計(jì)算的。要想使輸出的數(shù)據(jù)為標(biāo)幺值，可以在輸出端之前加入一個(gè)增益模塊（gain），并將其增益值設(shè)為從有名值向標(biāo)幺值換算的系數(shù)，從而使輸出結(jié)果在數(shù)值上與標(biāo)幺值相同。

4）電力系統(tǒng)工具箱的使用者可以將powerGUI加入模型中，它是電力系統(tǒng)工具箱的用戶圖形界面，是函數(shù)power2sys的可視化工具。其中machine load flow項(xiàng)只有在模型中包含電機(jī)模型（machines）時(shí)方可以使用。

5）暫時(shí)不用的輸出端不能懸空，而應(yīng)選用simulink中的terminator元件與之相連。

6）仿真結(jié)果的輸出方式是一個(gè)很關(guān)鍵的問題，將直接影響結(jié)果分析的進(jìn)行。最直觀的方法是從scope中觀察，但這樣并不精確，且不利于進(jìn)一步的分析計(jì)算。另一種方法是將結(jié)果輸出到工作空間中，從而可以利用MATLAB強(qiáng)大的分析計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果分析。在菜單命令simulation的parameters中有工作空間I/O卡（workspace I/O），正確設(shè)置save to workspace各項(xiàng)，便可以將指定端口的結(jié)果輸出到狀態(tài)空間中，并且可以選擇矩陣、包含時(shí)間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、一般結(jié)構(gòu)三種輸出格式。需要注意的是，這樣的輸出方法的前提是模型中包含有output模塊。對(duì)于各scope紀(jì)錄的數(shù)據(jù)，可以在其觀察窗口中properties的data history卡中指定保存到工作空間（save data to workspace）。另外，在simulink集中有一個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)將輸出結(jié)果保存到工作空間中，即to workspace模塊，該模塊可以將其輸入端的數(shù)據(jù)輸出到工作空間中去。特別的是，無論用戶是否要求，simulink會(huì)自動(dòng)將時(shí)間數(shù)組保存到工作空間中去，變量名為tout。

7）模塊間的連接在simulink環(huán)境中十分方便，只需要從一個(gè)模塊的輸出端按左鍵拖動(dòng)鼠標(biāo)倒下一個(gè)模塊的輸入端即可。在某些情況下，我們可以利用連線來反映信息。對(duì)于向量，選擇菜單命令中的format/wide vector line。即可將傳輸向量的連線變成粗線。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)類型，選擇菜單命令format/port data types即可自動(dòng)在連線上標(biāo)出前一個(gè)模塊輸出的數(shù)據(jù)類型。

8）封裝子系統(tǒng)是模型優(yōu)化的重要方法之一?？蓮膕imulink集中拷貝subsystem模塊到模型中，打開它，在subsystem窗口里建立子系統(tǒng);也可以在已經(jīng)建好的模型中，選取需要組合的模塊用菜單命令edit/creat subsystem來封裝。值得一提的是，Simulink有強(qiáng)大的子系統(tǒng)編輯功能，可以由用戶自己來定做子系統(tǒng)的對(duì)話框，以實(shí)現(xiàn)說明系統(tǒng)功能、輸入?yún)?shù)的功能，這在菜單命令edit/edit subsystem下可以實(shí)現(xiàn)。

9）為了使建好的模型更容易被別人理解，需要在模型中加入盡可能詳細(xì)的說明。除了在模型窗口中以文本形式輸入模型名稱之外，還可以利用subsystem模塊來構(gòu)造一個(gè)信息窗口。依照simulink的習(xí)慣，以“?”作為其圖標(biāo)，以more info作為其模型名稱，在窗口中輸入該模型的詳細(xì)描述。

10）MATLAB的m文件靈活而功能強(qiáng)大。按照固定格式編寫的m文件也可以實(shí)現(xiàn)成模塊，參與到仿真計(jì)算中去，這樣一來，用戶便有了更大的自由度從事創(chuàng)造性的工作。將simulink集的s-function模塊拷貝到模型窗口中，在其對(duì)話框中填入m文件的文件名即可。

以上介紹的這些要點(diǎn)僅僅是電力系統(tǒng)仿真計(jì)算中常見問題的一小部分，simulink的強(qiáng)大功能是非一言兩語道得清、說得明的，需要使用者在實(shí)踐中不斷摸索、體會(huì)。MATLAB自帶的說明也非常詳細(xì)，提別是FPD格式的說明書包羅萬象，值得仔細(xì)研讀。

4 電力系統(tǒng)工具箱運(yùn)行過程

電力系統(tǒng)工具箱的運(yùn)行框架可由圖1所示流程來說明。

圖1 電力系統(tǒng)工具箱工作流程

5 電力系統(tǒng)工具箱使用實(shí)例

圖2是已經(jīng)建立好的高壓直流輸電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型。無窮大系統(tǒng)由一個(gè)串聯(lián)RL的電源來表示的。該模型只有一側(cè)整流裝置，交流電流整流為直流后經(jīng)過Π型傳輸線再由一個(gè)控制電壓源模擬逆變側(cè)及其后的無窮大系統(tǒng)，而整流側(cè)模型完整，包括極控制的所有詳細(xì)結(jié)構(gòu)。從該模型我們可以看到:用電力系統(tǒng)工具箱進(jìn)行仿真計(jì)算的模型是根據(jù)實(shí)際情況從電力系統(tǒng)工具箱以及simulink、控制工具箱等工具集中選用的適當(dāng)元件模型組合連接而成的。包括六脈波脈沖發(fā)生器在內(nèi)的極控制部分封裝成一個(gè)明為"極控制"的子系統(tǒng)，從而使構(gòu)圖一目了然。

在高壓直流輸電中，直流電流值為:

整流側(cè)終端功率是:P=VdrId

圖2 高壓直流輸電系統(tǒng)模型

該模型仿真計(jì)算結(jié)果被輸出到工作空間中，由plot命令作圖（圖3）?？梢钥吹?，用電力系統(tǒng)工具箱建立的高壓直流輸電系統(tǒng)模型真實(shí)的模擬了實(shí)際系統(tǒng)的工作情況，如交流側(cè)的電流含有大量的諧波分量，而直流側(cè)電流則有波動(dòng)?；诜抡嬗?jì)算的這一特點(diǎn)，對(duì)于暫態(tài)過程的模擬分析更是突現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)。

圖3 仿真結(jié)果（交、直流側(cè)電流）

6 結(jié)語

MATLAB power systemblockset是電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的有力輔助工具，使用簡(jiǎn)單、計(jì)算準(zhǔn)確，界面友好而且可擴(kuò)展性強(qiáng)。本文從該工具箱的基本使用方法入手，著重就一些細(xì)節(jié)問題及注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述，然后進(jìn)一步地解釋工具箱后臺(tái)運(yùn)行過程的大致框架。本文在最后以一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)為例展示了該工具箱的使用方法，使讀者能夠有更清晰的印象。自從有了該工具箱使得原本復(fù)雜、費(fèi)時(shí)的電力系統(tǒng)建模、仿真工作變得前所未有的簡(jiǎn)單、快捷。

［1］程衛(wèi)國(guó) ，馮峰，等.MATLAB 5.3應(yīng)用指南［M］.北京:人民郵電出版社，1999.

［2］李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.

［3］Stott B，Alsac O.Fast decoupled load flow.IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1974，93（3）:859-869.

［4］Monticelli A et al.Fast decoupled load flow:hypothesis，derivations and testing.IEEE Trans on Power Systems，1990，5（4）:1425-1431.