1、 现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域的巨大的联合系统。电力系统事故具有突发性强、维持时间短、复杂程度高、破坏力大的特点, 因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。在这种情况下, 许多大型电力科研与教学实验一则是实际条件难以满足, 二则系统安全运行也不容许进行一些实验(如系统短路实验等)。1 引言计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段,目前已开发的主要仿真方法有状态变量法、节点分析法及修正节点分析法等。而这些方法已经用于开发不同的仿真软件,如: EMTP、SPICE、NE-TOMAC、PSASP 等。但每个仿真软件都具有自己的优缺点,即有较其它软
2、件更更适合解决某一特定问题的特点,如: EMTP很适合没有换流器的大型电力网络;而SPICE 适用于有电力电子系统的小型网络2 - 3 。由于 MATLAB 具有很良好的开发性、高效的数据仿真分析 ,特别是信号处理和直观的图形显示功能, 且MATLAB/ SIMULINK 环境下的PSB 模型库及SIMULINK 强大的二次开发功能和丰富的工具箱,能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算。因此,它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想的工具。本文介绍了MATLAB/ SIMULINK 的基本特点及应用MATLAB 进行电力系统仿真分
3、析的基本方法和步骤,探讨综合利用其SIMULINK环境、电力系统模块库和相关工具箱进行电力系统的控制设计和仿真分析,通过对具有同步发电机光控励磁系统的电力系统故障仿真分析,说明了MATLAB 在电力系统仿真中强大的、无可比拟的卓越功能。由于MATLAB具有很良好的开发性、高效的数据仿真分析，特别是信号处理和直观的图形显示功能，且MATLAB下的SimPowerSystems (SPS)工具箱及SIMULINK强大的二次开发功能和丰富的工具箱，能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算III.此外，MATLAB在优化领域也得到广泛的应用。因此，它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它
4、来进行电力系统有关问题的仿真分析、优化设计和辅助分析的理想的工具。本文 首 先 介绍了MATLAB/SIMULINK的基本特点及应用MATLAB进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤，探讨利用其电力系统仿真工具箱和相关工具箱进行电力系统的控制设计和仿真分析。其次介绍如何利用MATLAB优化工具箱提供的函数求解线性和非线性规划问题。利用IEEE标准测试系统校验求解优化问题的有效性。1 Matlab简介Matlab (Matrix laboratory ) 语言最初是在 1980年由美国的C leV eM oler 博士研制的, 其目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段。Ma thWo r
5、ks公司在80年代发行使之成为著名数值型计算软件。Mat lab具有编程效率高、程序设计灵活、图形处理功能强大等优点。为准确建立系统模型和进行仿真分析, M atlab提供了系统模型图形输入工具 Simulink工具箱。通过鼠标在模型窗口画出研究的系统的模型, 直接对系统进行仿真。 Simulink提供了用方框图进行建模的模型窗口, 与传统的用微分方程和积分方程建模相比, 更直接,更方便灵活。在M atlab中的电力系统模块库PSB以S imulink为运算环境, 涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成: 电源模块库、连接模块库
6、、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。在这6个基本模块库的基础上, 根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中, 为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。2 Simulink简 介Simulink 是 MATLAB 最 重 要 的 组 件 之 一 ， 它 提 供 一 个 动 态 系 统 建 模 、 仿 真 和 综 合 分 析 的 集 成 环境 。 在 该 环 境 中 ， 无 需 大 量 书 写 程 序 ， 而 只 需 要 通 过 简 单 直 观 的 鼠 标 操 作 ， 就 可 构 造 出 复 杂 的 系 统 。Simulink 具 有 适 应 面 广 、
7、结 构 和 流 程 清 晰 及 仿 真 精 细 、 贴 近 实 际 、 效 率 高 、 灵 活 等 优 点 ， 并 基 于 以上 优 点 Simulink 已 被 广 泛 应 用 于 控 制 理 论 和 数 字 信 号 处 理 的 复 杂 仿 真 和 设 计 。 同 时 有 大 量 的 第 三方 软 件 和 硬 件 可 应 用 于 或 被 要 求 应 用 于 Simulink。 功 能Simulink 是 MATLAB 中 的 一 种 可 视 化 仿 真 工 具 ， 是 一 种 基 于 MATLAB 的 框 图 设 计 环 境 ， 是实 现 动 态 系 统 建 模 、 仿 真 和 分 析 的
8、一 个 软 件 包 ， 被 广 泛 应 用 于 线 性 系 统 、 非 线 性 系 统 、 数 字 控 制及 数 字 信 号 处 理 的 建 模 和 仿 真 中 。 Simulink 可 以 用 连 续 采 样 时 间 、 离 散 采 样 时 间 或 两 种 混 合 的 采 样时 间 进 行 建 模 ， 它 也 支 持 多 速 率 系 统 ， 也 就 是 系 统 中 的 不 同 部 分 具 有 不 同 的 采 样 速 率 。 为 了 创 建 动 态系 统 模 型 ， Simulink 提 供 了 一 个 建 立 模 型 方 块 图 的 图 形 用 户 接 口 (GUI) ， 这 个 创 建 过
9、 程 只 需 单 击和 拖 动 鼠 标 操 作 就 能 完 成 ， 它 提 供 了 一 种 更 快 捷 、 直 接 明 了 的 方 式 ， 而 且 用 户 可 以 立 即 看 到 系 统 的 仿真 结 果 。 Simulink是 用 于 动 态 系 统 和 嵌 入 式 系 统 的 多 领 域 仿 真 和 基 于 模 型 的 设 计 工 具 。对 各 种 时 变 系 统 ， 包 括 通 讯 、 控 制 、 信 号 处 理 、 视 频 处 理 和 图 像 处 理 系 统 ， Simulink 提 供 了 交 互式 图 形 化 环 境 和 可 定 制 模 块 库 来 对 其 进 行 设 计 、 仿
10、真 、 执 行 和 测 试 。 . 构 架 在 Simulink 基 础之 上 的 其 他 产 品 扩 展 了 Simulink 多 领 域 建 模 功 能 ， 也 提 供 了 用 于 设 计 、 执 行 、 验 证 和 确 认 任 务 的 相应 工 具 。 Simulink 与 MATLAB 紧 密 集 成 ， 可 以 直 接 访 问 MATLAB 大 量 的 工 具 来 进 行 算 法 研发 、 仿 真 的 分 析 和 可 视 化 、 批 处 理 脚 本 的 创 建 、 建 模 环 境 的 定 制 以 及 信 号 参 数 和 测 试 数 据 的 定 义 。 特 点丰 富 的 可 扩 充 的
11、 预 定 义 模 块 库 交 互 式 的 图 形 编 辑 器 来 组 合 和 管 理 直 观 的 模 块 图 以设 计 功 能 的 层 次 性 来 分 割 模 型 ， 实 现 对 复 杂 设 计 的 管 理 通 过 Model Explorer 导 航 、 创 建 、配 置 、 搜 索 模 型 中 的 任 意 信 号 、 参 数 、 属 性 ， 生 成 模 型 代 码 提 供 API 用 于 与 其 他 仿 真 程 序 的连 接 或 与 手 写 代 码 集 成 使 用 Embedded MATLAB 模 块 在 Simulink 和 嵌 入 式 系 统 执 行 中 调用 MATLAB 算 法
12、使 用 定 步 长 或 变 步 长 运 行 仿 真 ， 根 据 仿 真 模 式 (Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来 决 定 以 解 释 性 的 方 式 运 行 或 以 编 译 C 代 码 的 形 式 来 运 行 模 型 图 形 化 的 调 试 器和 剖 析 器 来 检 查 仿 真 结 果 ， 诊 断 设 计 的 性 能 和 异 常 行 为 可 访 问 MATLAB 从 而 对 结 果 进 行 分析 与 可 视 化 ， 定 制 建 模 环 境 ， 定 义 信 号 参 数 和 测 试 数 据 模 型 分 析 和 诊 断 工 具 来 保 证 模 型 的 一
13、致 性 ， 确 定 模 型 中 的 错 误系统MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB 和 Mathematica、M aple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数 值 计 算 方
14、面首屈一指。MATLAB 可以进行矩 阵 运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图 像 处 理 、信 号 检 测 、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点,使MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，F ORTRAN，C +，J AVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写
15、的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。3 应用MATLAB 进行电力系统仿真分析的基本方法3.1 SIMULINK环境下仿真工具PSB( Power system Blockset ) 是一个图编辑器工具, 在。SIMULINK 环境下能建立电力系统原理并进行仿真计算。PSB 库提供了电力系统仿真通用的元件和装置,包括RLC 支路和负载、变压器、传输线、避雷器、电机、电力电子装置等。只需通过点击和拖放PSB 库内的模型即可建立用户所需要的电力系统仿真原理图,并利用模型元件的对话框来设置相关
16、参数。使用SIMULINK 提供的示波器模型,可显示观测点处的仿真结果及其波形。3.2 模型库根据电力系统内电气设备特性,可将PSB 库内的模型分成电源、元件、电力电子器件、电机、连接器和测量等部分。元件包括单相RLC 支路和负载模块、变压器、互感器、型传输线、避雷器、断路器、n 相分布参数线路模型等。利用SIMULINK二次开发功能,可方便地编辑出更复杂的元件模型和集成参数对话框。电力电子包括通用的半导体元件,每个元件( 除二极管外) 都有SIMULINK门极控制输入端和Simulink 输出端,可显示开关的电压和电流值。电机集包括简化的和详细的同步电机、异步电机、励磁机、永磁同步电机和涡轮
17、机等。每个模块有一个SIMULINK输出来显示内部变量状态值。3.3 仿真方法步骤MATLAB 实现对电力系统的仿真和分析至少有二种独立的方法:一种是传统的编程方法,即通过大量的代码来实现电力系统的建模、稳态计算和暂态分析等等;但由于MATLAB提供了用户可以直接调用已有的高性能数值计算。如矩阵求差、数值微、积分等等,较使用C 或Fortran 语言开发其源程序却要简洁得多,可节省大量的内存空间和开发时间。另一种是在Simulink 平台上进行仿真分析,按建模方法分为器件级仿真(又称为物理建模) 和系统级仿真(又称为数学建模) 。其中器件级仿真是利用 MATLAB 的PSB 中固有元件模型构建新元件的物理模型,该方法一般适用于探讨元件的内部性能;系统仿真是利用MATLAB/ SIMULINK中的控制模块来构建新元件的数学模型,该方法是研究元件的外部特性。在MATLAB/ SIMULINK平台上,借助于鼠标点击和拖放以及一些必要的参数设置即可实现对电力系统的稳态和暂态分析,并可方便地研究各中先进的控制方法对电力系统的控制效果。在实际应用中,特别是对复杂电力系统的仿真分析,两种方法通常交替融合使用。应用MATLAB 进行电力系统仿真的主要步骤为: 系统模型的建立; 设置仿真参数和控制算法的实现; 进行动态仿真(包括稳态分析和暂态仿真 ) ; 结果分析
