基于SimPowerSystems的電力系統(tǒng)仿真實踐教學(xué)研究

高紅亮，張先鶴，詹習(xí)生

(湖北師范學(xué)院 機電與控制工程學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

基于SimPowerSystems的電力系統(tǒng)仿真實踐教學(xué)研究

高紅亮，張先鶴，詹習(xí)生

(湖北師范學(xué)院 機電與控制工程學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

對電力系統(tǒng)仿真實踐教學(xué)進行了研究，重點對基于SimPowerSystems工具的電力系統(tǒng)仿真過程進行了詳細論述，首先介紹了電力系統(tǒng)仿真各部件模型，接著詳細論述了基于SimPowerSystems的電力系統(tǒng)仿真模型建立過程，包括具體步驟和相關(guān)指標，最后通過某地區(qū)實際電力系統(tǒng)仿真模型的建立和運行分析，說明通過SimPowerSystems進行電力系統(tǒng)仿真實踐教學(xué)和研究是十分有效的途徑.

SimPowerSystems；電力系統(tǒng)；Simulink；實踐教學(xué)

0 引言

電力系統(tǒng)仿真就是利用虛擬仿真技術(shù)真實再現(xiàn)電力系統(tǒng)各部件的操作環(huán)境，這種仿真環(huán)境具有高度的沉浸性，使進入仿真軟件的人員從感覺上、操作上都和真實電力系統(tǒng)的環(huán)境高度一致，從而使接受實踐教學(xué)的人員能接受有效的專業(yè)學(xué)習(xí)。目前，真正將軟件仿真技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)實踐教學(xué)課程的高校還很少，本文正是從基于SimPowerSystems平臺的電力系統(tǒng)仿真入手，研究了借助于軟件平臺實現(xiàn)電力系統(tǒng)建立和運行的完整流程，有助于電氣工程相關(guān)專業(yè)學(xué)生深刻理解電能從生產(chǎn)、傳輸、分配到使用的整個流程[1]。

1 電力系統(tǒng)仿真平臺

1.1仿真軟件

由于電力系統(tǒng)是一個大規(guī)模、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，因此對大型電網(wǎng)進行建模比較困難。目前國內(nèi)外利用仿真軟件進行復(fù)雜電力系統(tǒng)建模和仿真還處于探索階段。針對電力系統(tǒng)分析國內(nèi)外已有若干仿真軟件。其中PSASP是中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序,具有潮流計算、暫態(tài)分析、小信號穩(wěn)定分析等眾多功能，是當前我國不可多得的小干擾分析工具[2]。另外還有邦納維爾電力局開發(fā)的BPA程序和EMTP程序，曼尼托巴高壓直流輸電研究中心開發(fā)的PSCAD/EMTDC程序，美國加州大學(xué)伯克利分校研制的PSPICE，美國PTI公司開發(fā)的PSS/E等[3，4，5]。在MathWorks公司開發(fā)的科學(xué)與工程計算軟件MATLAB中有專門針對電力系統(tǒng)設(shè)計的SimPowerSystems庫。這里面有大量電力系統(tǒng)常用元器件，包括變壓器、發(fā)電機、線路和負載等，功能較為全面。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前自動將仿真系統(tǒng)圖變成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在simulink下進行仿真分析[6]。

本文采用的仿真軟件是MATLAB，使用了其中的SimPowerSystems工具。通過MATLAB的Simulink，可把實際的電力系統(tǒng)地理模型轉(zhuǎn)換為仿真模型，并能模擬系統(tǒng)受擾動后各變量隨時間變化的具體過程，更加直觀方便。

1.2電力系統(tǒng)仿真各部件模型

電力系統(tǒng)在仿真過程中，涉及到的各部件模型包括同步發(fā)電機模型、線路模型、負荷模型、變壓器模型[7]等。

其中，電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠用同步發(fā)電機模型代替。MATLAB中的SimPowerSystems 庫中提供的同步發(fā)電機模型，考慮了定子、勵磁和阻尼繞組的動態(tài)行為。同步發(fā)電機的仿真模型如圖1所示。

對于線路模型而言， π型線路限制了線路中的電壓、電流的頻率變化范圍，對于研究基頻下的電力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的相互關(guān)系 ，π型電路可達到足夠的精度，但當分析線路的波過程以及進行更精確的分析時，這時應(yīng)該使用分布參數(shù)線路模塊。在實際仿真中，線路長度小于50km時用三相π

型線路模塊，長度大于50km時用分布參數(shù)線路模型。 π型線路模型和分布參數(shù)線路模型分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 同步發(fā)電機的仿真模型

(a) 型線路模型 (b)分布參數(shù)線路模型

在電力系統(tǒng)中，所有電力用戶的用電設(shè)備所消耗的電功率總和就是電力系統(tǒng)的負荷。負荷的有功功率和無功功率由三個部分組成，分別為恒阻抗消耗的功率，恒電流負荷相對應(yīng)的功率，恒功率分量。在MATLAB中，三相串聯(lián)和并聯(lián)RLC負荷模塊，在指定的頻率下，負荷阻抗為常數(shù)，負荷吸收的有功和無功功率與電壓的平方成正比。負荷模塊模型如圖3所示。

為了把發(fā)電廠發(fā)出來的電能輸送到較遠的地方，必須把電壓升高，變?yōu)楦邏弘?，到用戶附近再按需要把電壓降低，這種升降電壓的工作需要靠變電站來完成。變電站采用變壓器模型模擬。變壓器模型如圖4所示。

圖3 負荷模型

圖4 變壓器模型

2 系統(tǒng)仿真模型的建立

2.1仿真模型的建立步驟

下面說明在SimPowerSystems平臺中建立仿真模型的步驟，具體如下所述：

1)根據(jù)地理接線圖在simulink中搭建模型。將發(fā)電廠、變電站、線路、負載分別用相應(yīng)模型代替，依次連接。

2)對模型進行參數(shù)設(shè)定。根據(jù)實際的電網(wǎng)參數(shù)，在模型中設(shè)定參數(shù)。線路可以使用三相π型電路，也可以使用分布參數(shù)線路，這要根據(jù)輸電線路實際長度來定，小于50km用三相π型電路，大于50km使用分布參數(shù)電路。

3)對仿真模型進行潮流計算。潮流計算的任務(wù)是根據(jù)給定的網(wǎng)絡(luò)接線和其它已知條件，計算網(wǎng)絡(luò)中的功率分布、功率損耗和節(jié)點電壓。

4)選擇合適的仿真算法。MATLAB提供給用戶兩種仿真算法：定步長算法和變步長算法。定步長求解器使用固定步長求解，有Discrete、ode5、ode4、ode3、ode2和ode1；變步長求解器可根據(jù)用戶指定積分誤差自動調(diào)整仿真步長，有Discrete、ode45、ode23、ode13、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb。仿真算法是否合理將影響到仿真的結(jié)果和速度。一般可采用ode23tb算法，這是MATLAB針對系統(tǒng)特征值相差大，既有快變特性又有慢變特性的系統(tǒng)專門提供的算法之一。

5)運行仿真模型。運行仿真模型，觀察各參數(shù)是否符合指標。所需要用到的參數(shù)主要有發(fā)電機轉(zhuǎn)速、機端電壓、功角和功率偏差。其中，轉(zhuǎn)速、電壓均采用標幺值。

2.2系統(tǒng)穩(wěn)定時的相關(guān)指標

運行系統(tǒng)，當仿真系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，相關(guān)指標應(yīng)具有如下特點：1)轉(zhuǎn)速ω為1pu;2)機端電壓Vt為1pu；3)功角δ達到一個穩(wěn)定值。其中，功角δ隨時間的變化描述了各發(fā)電機轉(zhuǎn)子間的相對運動，而發(fā)電機轉(zhuǎn)子間的相對運動性質(zhì)，恰好是判斷各發(fā)電機之間是否同步運行的依據(jù)。4)系統(tǒng)穩(wěn)定時，功率偏差Pa在0附近波動。功率偏差表示發(fā)電機輸入機械功率Pm與輸出電磁功率Pe之差。

根據(jù)以上參數(shù)相關(guān)指標，若不滿足，則需修改相關(guān)參數(shù)或結(jié)構(gòu)來完善系統(tǒng)，直至符合指標。

3 實例研究

利用SimPowerSystems仿真平臺，本文建立了某地區(qū)實際的電力系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 電力系統(tǒng)仿真模型

在該模型中，發(fā)電廠用同步發(fā)電機模擬，其中同步發(fā)電機由調(diào)速系統(tǒng)控制機械功率輸入，由勵磁控制系統(tǒng)控制勵磁電壓。發(fā)電廠出口處使用了一個22kV/500kV的升壓變壓器，一段14.1km的輸電線路用三相π型電路模擬，使用了三相接地故障模塊模擬系統(tǒng)中的線路接地故障，到達用電區(qū)后，使用了一個500kV/220kV的降壓變壓器。連接其他電網(wǎng)部分為具體的用電網(wǎng)絡(luò)，此處采用了封裝技術(shù)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡潔清晰。

通過潮流計算后，使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定時的相關(guān)參數(shù)，主要包括輸入給發(fā)電機的機械功率和勵磁電壓等，本模型采用了ode23tb算法，仿真時間設(shè)置為50s，運行仿真模型后，系統(tǒng)很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，各參數(shù)符合相關(guān)指標，這說明所建立的仿真模型是合理的，如圖6所示。此處，為了更全面反映系統(tǒng)的運行情況，在20s處，加入了三相接地故障，設(shè)定故障在20.1s處消失，從圖6的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在故障消失后很快又恢復(fù)了穩(wěn)定，這說明所建立的仿真系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。在圖6中，ω為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，Vt為機端電壓， delta為發(fā)電機功角，Pa為功率偏差。

圖6 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文對基于SimPowerSystems工具的電力系統(tǒng)仿真過程進行了研究，首先對各部件仿真模型進行了分析和描述，接著對電力系統(tǒng)仿真模型的建立過程進行了論述，給出了建立電力系統(tǒng)仿真模型的具體步驟和系統(tǒng)穩(wěn)定時的相關(guān)指標情況，最后，對某地區(qū)實際的電力系統(tǒng)建立了對應(yīng)的仿真模型，并通過潮流計算和仿真運行，得到了該系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 本文通過仿真技術(shù)，將實際的電力系統(tǒng)建立起對應(yīng)的仿真模型，從而為電力系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)和科研提供了一個很好的軟件平臺。

[1]諶 莉,李勤剛,安英會.談仿真教學(xué)在電力職業(yè)教育中的作用[J].中國電力教育,2008, 340～342.

[2]周耀顯.基于PSASP的工礦企業(yè)電網(wǎng)頻率動態(tài)特性分析[J].天津理工大學(xué)學(xué)報,2013，29(3):20～23.

[3]張寶珍，張 堯.基于BPA 的“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)方法[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013，35(1):112～114.

[4]張 晗,伍 衡,李勝利.基于PSPICE的兩級磁脈沖壓縮系統(tǒng)建模與仿真[J].磁性材料及器件,2013,44(2):61～65.

[5]李 娜,徐 政.PSS/E中風(fēng)電機組的低電壓穿越模擬方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013，41(8):23～29.

[6]張紅斌.基于SimPowerSystems的三相異步電動機的仿真分析[J].科技通報,2013,29(4):183～185.

[7]韓英鐸,高景德. 電力系統(tǒng)最優(yōu)分散協(xié)調(diào)控制[M].北京：清華大學(xué)出版社,1997.

ResearchonpracticeteachingofpowersystemsimulationbasedonSimPowerSystems

GAO Hong-liang, ZHANG Xian-he, ZHAN Xi-sheng

(College of Mechatronics and Control Engineering, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

The practice teaching of power system is researched in this paper, and the simulation process of power system based on SimPowerSystems is mainly discussed in detail. All component models of power system simulation are introduced first, and then the building process of power system simulation model based on SimPowerSystems is discussed in detail, including concrete steps and related indicators. Finally, through building and run analysis of actual power system simulation model of an area, it shows that using SimPowerSysmtems for practice teaching of power system simulation and research is a very effective way.

SimPowerSystems;power system;simulink;practice teaching

2013—08—25

本文系“2011年度湖北師范學(xué)院教學(xué)研究項目”(項目編號：ZD201130)的研究成果。

高紅亮(1979— )，男，湖北蘄春人，講師，博士，主要研究方向為電氣工程及其自動化的教學(xué)與科研.

G64

A

1009-2714(2014)01- 0087- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.01.018