基于PSCAD調(diào)用MATLAB的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真

田汝冰，朱時雨，吉炫穎，樸永鑫

(1.國網(wǎng)通化供電公司，吉林 通化 134001；2. 國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180)

專 論

基于PSCAD調(diào)用MATLAB的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真

田汝冰1，朱時雨2，吉炫穎1，樸永鑫1

(1.國網(wǎng)通化供電公司，吉林 通化 134001；2. 國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180)

隨著社會的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為一個大規(guī)模、時變的復雜系統(tǒng)，因而對電力系統(tǒng)仿真分析軟件的要求也不斷提高。介紹了電磁暫態(tài)分析程序PSCAD/EMTDC與數(shù)學模型軟件包MATLAB的基本概況及優(yōu)點，鑒于PSCAD/EMTDC與MATLAB/Simulink的接口能綜合兩者的優(yōu)點，詳細闡述了兩者互聯(lián)的原理及實現(xiàn)方法。在PSCAD中建立了一個簡單的電力系統(tǒng)供電模型，根據(jù)PSCAD-MATLAB接口技術(shù)原理，實現(xiàn)了接口環(huán)境下的電磁暫態(tài)仿真研究。通過仿真結(jié)果比較，得出2種仿真環(huán)境下的仿真波形幾乎一致，說明了PSCAD-MATLAB接口仿真技術(shù)在電磁暫態(tài)分析中的有效性。

電力系統(tǒng)仿真；PSCAD/EMTDC；MATLAB/Simulink；接口

隨著社會的不斷進步及科技的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)也不斷擴大和網(wǎng)絡化，并逐漸發(fā)展成為一個大規(guī)模、時變的復雜系統(tǒng)，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著舉足輕重的作用。通過建立適當?shù)臄?shù)學模型來模擬實際電路進行分析變得越來越重要。掌握高效的模擬仿真技術(shù)對于電力系統(tǒng)工作者進行電力系統(tǒng)規(guī)劃、保護、調(diào)度及故障研究具有重要的實際意義[1-2]。

PSCAD/EMTDC是目前世界上被廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真分析程序。PSCAD是電磁暫態(tài)分析程序，在電力系統(tǒng)分析上能夠發(fā)揮強大的優(yōu)勢，科研工作者可以在集成的圖形環(huán)境中建立模型并進行仿真分析[3]。MATLAB是數(shù)學模型軟件包，具有強大的數(shù)據(jù)分析處理能力以及功能齊備的各種工具箱[4]。PSCAD仿真程序中提供了可供與MATLAB接口的功能，因此可將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，使得仿真過程靈活多變，增強電力系統(tǒng)仿真的實用性。國內(nèi)相關(guān)文獻對接口技術(shù)做了一定的研究。文獻[5]介紹了PSCAD與Simulink接口的實現(xiàn)方法。文獻[6]在PSCAD中建立接口模型，啟動MATLAB數(shù)學引擎調(diào)用M文件進行仿真分析，驗證了兩者互聯(lián)后進行仿真的有效性。文獻[7]聯(lián)合MATLAB與PSCAD提供的接口元件，搭建了SVC控制系統(tǒng)仿真模型，并將其應用到PSCAD/EMTDC仿真模型中，通過仿真證明了該方法的可行性和仿真模型的正確性。

本文主要介紹了PSCAD與MATLAB各自的仿真特點，并詳細分析了PSCAD與MATLAB/Simulink的接口原理及其實現(xiàn)方法。

最后通過仿真算例驗證了兩者接口的有效性和可行性。為接口功能的進一步發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)。

1 PSCAD/EMTDC與MATLAB概述

PSCAD/EMTDC程序廣泛應用于電力系統(tǒng)相關(guān)仿真分析中，具有非常完善的EMTDC元件模型庫和功能，能夠用以研究電力系統(tǒng)中交直流方面的問題，也可以進行電力電子器件仿真分析，具有非線性控制的多功能仿真工具。PSCAD是EMTDC的前置處理程序，具有較好的可視界面，用戶可以在該圖形界面上搭建所需電力系統(tǒng)方面的相關(guān)模型并配置各元件的參數(shù)值，PSCAD程序運行時通過FORTRAN編譯器進行編譯、連接，仿真結(jié)果隨著PSCAD程序運行的進度在PLOT中實時生成曲線，用戶可根據(jù)仿真曲線來驗證結(jié)果是否合理，因而使該軟件更加人性化，方便廣大用戶使用。PSCAD/EMTDC仿真程序能應用于電力系統(tǒng)時域和頻域方面的仿真, 在電網(wǎng)受到擾動或有關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時，計算和分析電網(wǎng)中相應參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，即交流系統(tǒng)的諧波研究、暫態(tài)扭矩的分析、直流系統(tǒng)的啟動、直流系統(tǒng)換相方法研究、串聯(lián)或并聯(lián)的多端輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真、同桿架設的交直流電路的相互影響等。

以數(shù)據(jù)計算和處理聞名的MATLAB是當前國際認可的優(yōu)秀科技應用軟件之一，包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是以矩陣運算為基礎，把計算機可視化程序設計融入到交互的工作環(huán)境中，可實現(xiàn)建模仿真、工程數(shù)據(jù)分析和計算、算法研究等功能；Simulink是MATLAB所提供的內(nèi)置仿真程序，用以對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，具有非線性控制的動態(tài)系統(tǒng)多功能仿真工具。它掛接在MATLAB環(huán)境上，以MATLAB強大的計算分析能力為基礎，利用直觀的仿真模型元件進行仿真分析和計算。另外，為了更加有利于仿真建模，Simulink提供了各種仿真工具箱，并不斷擴展和完善，自電力系統(tǒng)模塊集(Power System Block)推出后，使得Simulink在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應用日趨完善[8]。

2 PSCAD/EMTDC與MATLAB/Simulink接口原理分析

PSCAD/EMTDC主要應用于電力系統(tǒng)仿真，MATLAB數(shù)據(jù)分析能力強，兩者各具優(yōu)點且具有互補性，因而可考慮將兩者結(jié)合起來增強電力系統(tǒng)仿真的實用性。PSCAD/EMTDC與MATLAB/Simulink接口的實現(xiàn)方法主要有以下兩種。

a. 用戶可根據(jù)需要編寫M文件來定義所需元件模型，并通過MATLAB引擎調(diào)用M文件將這些自定義模型與PSCAD中的元件模型進行連接。

b. 用戶可根據(jù)需要利用Simulink中的數(shù)學和控制功能模塊搭建模型，通過在PSCAD中建立自定義接口元件實現(xiàn)與Simulink的互聯(lián)。

PSCAD/EMTDC與MATLAB的接口原理圖如圖1所示。利用PSCAD與MATLAB接口主要是兼顧兩者優(yōu)點，搭建相應模型并同時運行及完成它們之間數(shù)據(jù)、控制信息的交換，實現(xiàn)兩者協(xié)同仿真的目的。假設PSCAD中搭建的模型通過接口有m個輸入變量和n個輸出變量。將PSCAD中的m個數(shù)據(jù)通過外部接口傳輸?shù)組ATLAB中。充分發(fā)揮MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理及分析能力，經(jīng)過分析運算，將得到的n個運算結(jié)果反映到PSCAD中，最后得出所需的數(shù)據(jù)結(jié)果。因此，根據(jù)需要在PSCAD中搭建電力系統(tǒng)模型并利用MATLAB中的控制條件、分析算法就可以得到相應的仿真數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果。

圖1 PSCAD/EMTDC與MATLAB接口原理

在PSCAD界面中建立自定義元件模型，其通過該元件與外部數(shù)據(jù)進行交換。PSCAD內(nèi)包含DSDYN(數(shù)字仿真動態(tài)子程序)和DSOUT(數(shù)字仿真輸出子程序)2個Fortran文件，通過編寫DSDYN和DSOUT文件的代碼來實現(xiàn)自定義元件與 PSCAD 程序中的數(shù)據(jù)交換。

2.1 PSCAD與MATLAB接口原理

同其它仿真工具的語言編碼相比，MATLAB語言具有語法簡單、容易調(diào)試、人機交互性強等優(yōu)點。因此，用戶可以方便根據(jù)研究需要來編寫MATLAB程序中的M文件定義元件模型。EMTDC庫文件中提供了與MATLAB的接口子程序MLAB_INT，通過它可以啟動 MATLAB數(shù)據(jù)引擎調(diào)用M文件。接口程序的相關(guān)參數(shù)包括M文件的名稱、保存路徑以及輸入變量格式定義。EMTDC程序運行時將在每個執(zhí)行周期由 DSDYN 直接調(diào)用接口程序， 以此來啟動MATLAB并運行相應的仿真程序，MATLAB運行期間實時將其運算結(jié)果通過接口元件送至PSCAD，并在PSCAD實時生成仿真曲線。這樣，PSCAD/EMTDC與MATLAB就緊密地結(jié)合起來，實現(xiàn)用戶所需的仿真目的。PSCAD與MATLAB的接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PSCAD與MATLAB接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 PSCAD與Simulink接口原理

為了更好發(fā)揮PSCAD與MATLAB語言的接口技術(shù)優(yōu)點，可以考慮將Simulink中的數(shù)學模塊和控制功能模型應用到PSCAD程序中。EMTDC庫文件中提供了與Simulink的接口子程序SIMULINK＿INT，這就為實現(xiàn)PSCAD與MATLAB語言的接口技術(shù)提供了條件。為了實現(xiàn)與Simulink的接口，可在PSCAD仿真程序中搭建自定義接口元件，通過該接口元件調(diào)用接口子程序SIMULINK＿INT，并利用Fortran的接口功能啟動MATLAB引擎而打開Simulink文件。然后把EMTDC里面的仿真數(shù)據(jù)通過Workspace I/O傳遞給Simulink。之后再把Simulink仿真后的運算結(jié)果返回到EMTDC中，并在PSCAD實時生成仿真曲線，這樣，PSCAD與Simulink就緊密地結(jié)合起來，實現(xiàn)用戶所需的仿真目的。PSCAD與Simulink的接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PSCAD與Simulink接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 接口元件設計

接口自定義元件包括Graphic、Parameters和Script 3個部分的設計，它們之間相輔相成。Graphic的功能是用戶可根據(jù)個人喜好來設計自定義元件的外觀，以及修改輸入輸出數(shù)列的名稱和維數(shù)。Parameters的作用是提供自定義元件的一些參數(shù)的設置。這里主要是對MATLAB/Simulink路徑和文件名以及調(diào)用Simulink文件的速度進行設置。腳本代碼主要由用戶根據(jù)需要來完成，自由度較大。需要注意的是，由于PSCAD仿真程序是根據(jù)每個變量的名稱來區(qū)分變量，因此，在設置相應參數(shù)時應確保同一變量的名稱保持前后一致。

3 仿真分析

單相接地短路、兩相短路以及三相短路是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行最常見的故障。其中三相短路的危害最大，但其出現(xiàn)的概率相對較低，而單相接地短路最常見，約占短路總故障的65%[9]。本文在PSCAD仿真軟件中搭建了一個簡單的供電網(wǎng)絡模型來模擬各種短路故障，用以驗證PSCAD與MATLAB接口技術(shù)在電力系統(tǒng)仿真分析中的有效性。

圖4所示為一簡單的供電系統(tǒng)電路圖，現(xiàn)在PSCAD中按接線圖搭建仿真模型并模擬各種短路故障，利用PSCAD與MATLAB接口對其線路發(fā)生故障情況下進行仿真。

圖4 系統(tǒng)接線圖

3.1 算例1

基于PSCAD 和MATLAB 的接口思想，實現(xiàn)PSCAD與MATLAB的聯(lián)合仿真，通過接口模塊調(diào)用MATLAB程序中的M 文件，實現(xiàn)MATLAB的相量圖繪制功能。以下就故障處發(fā)生短路故障的情形，繪制電流的相量圖，并且與PSCAD繪制的相量圖進行對比分析。為了實現(xiàn)接口的繪圖功能，需要先用傅里葉分解模塊FFT進行矢量分解，輸入的電流值可以分解為三相的幅值和相位分量。經(jīng)過分解之后，利用PSCAD自身的繪圖功能，實時實現(xiàn)相量圖的繪制；另外，PSCAD同時將定義的各分量輸入至PSCAD-MATLAB自定義的接口元件模塊，這樣待系統(tǒng)編譯運行后，便會出現(xiàn)MATLAB的繪圖框動態(tài)顯示相量圖的情況。故障處分別對單相接地短路、兩相接地短路、三相接地短路進行仿真，具體仿真結(jié)果如圖5所示。

(a)單相接地短路

(b)兩相接地短路

(c)三相接地短路圖5 MATLAB與PSCAD在不同故障下繪制的各相電流相量圖

基于PSACD-MATLAB的接口仿真在3種故障條件下的仿真結(jié)果可知，由MATLAB繪制的相量圖與PSCAD的仿真結(jié)果幾乎一致。因此，上述基于2種仿真環(huán)境下的接口技術(shù)可以有效應用于電磁暫態(tài)的仿真分析中。

3.2 算例2

用戶可根據(jù)實際需要利用Simulink中的數(shù)學和控制功能模塊搭建模型，通過在PSCAD/EMTDC中建立自定義接口元件實現(xiàn)與Simulink互聯(lián)。本文利用上述電力系統(tǒng)電路圖在沒有發(fā)生故障的情況下進行仿真。仿真時分別對B1和B2處的電壓進行測量，并將兩者的值通過PSCAD和MATLAB接口模塊輸送到Simulink中進行仿真運算。在Simulink中搭建模型對兩處的電壓進行取正后再相加，之后將結(jié)果回饋到PSCAD中進行輸出，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 PSCAD與Simulink接口仿真結(jié)果

從圖6中可以得出，PSCAD經(jīng)過仿真運算后輸出的波形與經(jīng)過自定義接口元件到達Simulink經(jīng)過仿真運算輸出的圖形幾乎一致，這說明了 PSCAD 和 Simulink 的接口連接成功，證明了接口模塊的有效性。

4 結(jié)束語

本文詳細闡述了PSCAD/EMTDC與MATLAB/Simulink接口的基本原理，并在PSCAD中搭建了簡單的供電網(wǎng)絡模型，利用PSCAD與MATLAB的接口技術(shù)進行仿真分析。仿真結(jié)果表明接口技術(shù)在電磁暫態(tài)分析中的有效性。但將MATLAB/Simulink中的各種算法應用到接口技術(shù)中進行仿真建模還需要進一步研究。

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[4] 姚 偉，文勁宇，程時杰，等．基于Matlab/Simulink 的電力系統(tǒng)仿真工具箱的開發(fā)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012,36(6)：95-101.

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[9] 熊信銀，張步涵．電力系統(tǒng)工程基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2003:156-157.

Electromagnetic Transient Simulation Based on MATLAB Calls PSCAD in Power System

TIAN Rubing1,ZHU Shiyu2, JI Xuanying1, PIAO Yongxin1

(1.State Grid Tonghua Power Supply Company, Tonghua，Jilin 134001,China; 2. Northeast Branch of State Grid Corporation of China,Shenyang,Liaoning 110180,China)

With the development of society, the power system gradually developed into a large-scale and time-varying complex grid.The requirement of power system simulation analysis software should has been improved. This paper discusses the basic profile and advantages of the electromagnetic transient analysis program PSCAD/EMTDC and the math model software package MATLAB. The interface between PSCAD/EMTDC and MATLAB is able to take full advantage of their merits, thus paper analyzes the principle and the implementation of the interface. Finally, a simple model of the power system is built using PSCAD and it presented the implementation of the simulation study for electromagnetic transient with the basis of the principle of PSCAD-MATLAB interface. Simulation result shows the waveforms under two kinds of simulation environment does almost unanimously which has shown that the effectiveness of PSCAD-MATLAB interface techniques in the study of electromagnetic transients.

power system simulation; PSCAD/EMTDC; MATLAB/Simulink; interface

TM743

A

1004-7913(2017)10-0001-04

田汝冰(1987)，男，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事繼電保護及智能電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域仿真分析工作。

2017-07-10)