ＳＰＳ與ＶＢ無縫集成的電力系統功角穩定仿真研究

摘要：運用MATLAB電力系統仿真模塊集SPS構建了單機—無窮大系統Simulink模型，對電力系統穩定器（PSS）抑制電力系統小擾動低頻振蕩的效果進行了仿真；對提高電力系統大擾動功角穩定性的措施，如自動電壓調節器（AVR）及電力系統穩定器（PSS）、快速切除故障、故障限流器（FCL）、自動重合閘等手段的使用效果進行了仿真驗證；并結合單機—無窮大系統的Simulink模型運用ActiveX 技術實現SPS與VB的無縫集成，將SPS的仿真結果用VB界面顯示，較好地彌補了MATLAB用戶界面不友善的缺陷，為《電力系統分析》課程進行CAI設計提供了思路。

關鍵詞：SPS；VB；無縫集成；功角穩定性；仿真

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)36-2989-04

Simulation Study of Rotor Angle Stability of Power System Based on SPS and VB Seamless Integration Method

WANG Jia-hua1， WANG Xun2

(1.Nanjing Sifang Epower Automation Co Ltd， Nanjing 211101， China; 2.School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China)

Abstract: MATLAB SPS is used to build a simulink model of single-machine infinite-bus system， and based on the simulink model， simulation on effect of PSS suppressing small disturbances low frequency oscillation is carried on， and some methods of improving power system transient stability are simulated， including AVR and PSS， short circuit cleared rapidly， fault current limiter and single-phase auto reclose. The study unifies the simulink model to realize MATLAB and VB seamless integration using the ActiveX technology， and demonstrated the MATLAB simulation result with the VB contact surface. This method of MATLAB and VB integration can make up the MATLAB contact surface unfriendly flaw and offers a reference for the design for CAI of Power System Analysis course.

Key words: SPS; VB; seamless integration; rotor angle stability; simulation;

1 引言

VB（Visual Basic）是在Windows操作平臺下面向對象的可視化編程工具，可用于開發和創建具有圖形用戶界面的應用程序，其優點是編程簡單、界面友好，然而用VB語言實現復雜算法的工作量非常龐大。MATLAB 中包含Simulink及電力系統仿真模塊集SimPowerSystems Blockset（以下簡稱SPS），可利用它構建簡單電力系統（如單機—無窮大系統）的Simulink模型對功角穩定性問題及提高功角穩定性的措施進行仿真分析。但一方面限于MATLAB軟件自身缺陷，利用SPS所搭建的仿真模型不能脫離MATLAB集成環境運行，用戶界面不夠友好；另一方面SPS采用三線圖法構建Simulink模型，較為繁瑣復雜，不符合國內研究習慣。因此可將MATLAB強大的計算功能和VB強大的圖形用戶界面功能結合起來，實現二者的無縫集成，可使仿真分析過程操作簡單、更加靈活方便。

2 單機—無窮大系統功角穩定性的MATLAB動態仿真

由于電力系統穩定性問題最初出現在遠距離輸電線路上，故可用單臺發電機經過線路與無窮大功率母線相連的單機—無窮大系統來進行研究。另一方面單機—無窮大系統不存在電壓穩定性問題，是一個純功角穩定性問題。

運用MATLAB SPS提供的元件模塊構建一個單機—無窮大系統的Simulink仿真模型，如圖1所示，系統頻率取60Hz，各元件參數詳見文獻[1]；自動電壓調節器AVR（IEEE 1型）采用MATLAB提供的默認值（其中調節器放大倍數Ka=300，時間常數Ta=0.001s），電力系統穩定器PSS的參數亦采用默認值。由于研究的是電力系統穩定性問題，動態仿真時采用只考慮機電暫態過程的相量法（Phasors），并將單機—無窮大系統中的發電機G設為PV節點。

運用圖1所示的Simulink模型可進行單機—無窮大系統的小擾動和大擾動下的功角穩定性動態仿真研究，現說明對電力系統功角穩定性有影響的包括擾動及自動裝置動作在內的各類事件的具體設置情況。

2.1 小擾動功角穩定性仿真

分別設置以下兩種小擾動功角穩定性仿真情況：

1) 設置穩態運行時發電機有功出力為0.75pu，機端電壓參考值Vref在1s時發生一個3%的正階躍，即從1pu階躍至1.03pu；分別對不帶PSS的AVR和帶PSS的AVR的使用效果進行仿真。

2) 設置穩態運行時發電機有功出力為0.85pu，機端電壓參考值Vref保持1.05pu，設置發電機機械功率Pm在1s時發生一個約1%的正階躍，即從擾動前的0.8517pu階躍至0.86pu；分別對不帶PSS的AVR和帶PSS的AVR的使用效果進行仿真。

2.2 大擾動功角穩定性仿真

由于發生大擾動后發電機機械功率和電磁功率的差額（即加速功率Pm-Pe）是導致系統暫態穩定破壞的主要原因，因此減少大擾動后發電機的加速功率是首先考慮的措施[2]。提高電力系統暫態穩定性的措施是多樣的，現在圖1的基礎上對提高電力系統暫態穩定性的一些有效措施進行仿真分析，包括快速切除故障、AVR及PSS、故障限流器、自動重合閘等。現設置線路L2出口處發生短路故障作為對系統的大擾動事件，短路故障的類型和發生及切除時間可由短路故障發生器（Three-Phase Fault）模塊進行設置。分別設置以下四種大擾動功角穩定性仿真情況（發電機機端電壓保持1.05pu）：

1) AVR和PSS使用效果仿真

設置穩態運行時發電機有功出力為0.75pu，設在1s時線路L2出口處發生三相短路，在1.07s時切除故障（快切除故障），對恒定勵磁電壓Efd、不帶PSS的AVR和附加PSS的AVR三種勵磁控制型式下的運行效果分別進行仿真。

2) 切除故障時間對穩定性的影響仿真

設置穩態運行時發電機有功出力為0.75pu，設在1s時線路L2出口處發生三相短路，在1.3s時切除故障（慢切除故障），對恒定勵磁電壓Efd、不帶PSS的AVR和附加PSS的AVR三種勵磁控制型式下的運行效果分別進行仿真。

3) FCL使用效果仿真

設置穩態運行時發電機有功出力為0.75pu，故障限流器FCL（Fault Current Limiter）可快速限制短路電流、提高系統的暫態穩定性。現在線路L2首端裝設FCL，采用文獻[3]提出的FCL的機電暫態模型，令XL=20Ohms。

設在1s時線路L2出口處發生三相短路， 1.3s時切除故障（慢切除故障），分別對無FCL和投入FCL時的效果進行仿真，FCL的投入時間為1.005s。仿真時投入AVR和PSS。

4) 自動重合閘使用效果仿真

采用自動重合閘不但可以提高供電可靠性，也能有效地提高暫態穩定性。高壓架空線路以發生瞬時性單相接地短路故障居多（占線路故障的70%~80%），因此往往使用單相重合閘。和三相重合閘相比，單相重合閘只切除故障相而非三相，因此在從切除故障相到重合閘前的一段時間內，送電端的發電機與受電端并未完全失去聯系，故可提高系統的暫態穩定性。單相重合閘特別適于僅有一回主干線將兩系統相連或將一個發電廠與系統其他部分相連的情況[4]。

現在圖1所示系統的基礎上，切除輸電線路L1，僅剩L2單回線路運行，設置穩態運行時發電機有功出力為0.3pu。設在1s時線路L2出口處發生A相接地短路，分別對無重合閘、投入三相重合閘和投入單相重合閘的效果進行仿真。設1.07s時切除L2的三相（或A相），2.07s時重合三相（或A相），仿真時投入AVR，不投入PSS。線路的切除和重合通過對斷路器Breaker的開斷和閉合時間的設置來實現。

動態仿真時可通過示波器（Scope）得到發電機功角、轉速、電磁功率、機端電壓等擾動響應曲線，但在不同的事件設置下進行仿真時，需要手動重新設置Simulink模型中有關元件的參數，較為不便；同時不同情況下的擾動響應曲線不能在同一個示波器中同時出現，不便于進行比較研究。

3 MATLAB和VB無縫集成的功角穩定仿真研究

MATLAB與VB的集成方法有多種，本文采用借助ActiveX 部件進行集成的方法。ActiveX自動化協議是一種允許一個應用程序（控制端）去控制另一個應用程序（服務器端）的協議。MATLAB提供了一個自動化對象，其外部名稱為“Matlab.Application”，它支持COM技術。由于VB支持ActiveX自動化控制端協議，MATLAB支持ActiveX自動化服務器端協議，因此如果已經建立了一個VB應用程序和MATLAB之間的Active X自動化連接，那么這個VB應用程序就可以調用MATLAB的命令、從MATLAB Workspace存取矩陣等 [5]。本文采用ActiveX 部件的方法，從VB中傳遞仿真命令給MATLAB執行；然后借助動態數據交換DDE技術繪制出不同情況下的擾動響應曲線。VB界面見圖2所示，由兩個PictureBox來顯示圖形，其中一個顯示電力系統原理接線單線圖；另一個顯示MATLAB動態仿真結果曲線（發電機功角響應曲線）。7個Command按鈕中前6個是執行鍵，分別對應前述的小擾動和大擾動下的6種仿真情況，第7個是結束仿真鍵（系統退出鍵）。按下某個執行鍵時，會彈出一個事件設置提示窗口，以告之單機—無窮大系統發生事件的具體設置情況。

3.1 程序代碼

現以機端電壓參考值Vref產生一個3%的正階躍，即從1pu階躍至1.03pu的第1種小擾動為例，給出MATLAB與VB的接口程序代碼。

在Command1 的單擊事件中加入下列代碼：

MsgBox \"機端電壓參考值Vref產生一個3%的正階躍，即從1pu階躍至1.03pu，分別對不帶PSS和帶PSS的AVR的使用效果進行仿真\"， 64 + vbOKOnly， \"事件設置\"

Dim Matlab As Object ’創建ActiveX對象

Dim result As String ’定義變量為String

Set Matlab = CreateObject(\"Matlab.Application\")

result = Matlab.Execute(\"sim('smibxr1_avr')\") ’運行Simulink模型

result = Matlab.Execute(\"sim('smibxr1_avr_pss')\")

Clipboard.Clear’清空剪貼板

result=Matlab.Execute(\"figure(1);plot(xr1_avr(:，1)，xr1_avr(:，2)，'k'，xr1_avr_pss(:，1)，xr1_avr_pss(:，2)，'r:');xlabel('時間/s')，ylabel('功角/deg');title('Vref產生3%的正階躍');legend('不帶PSS的AVR'，'帶PSS的AVR');print -dmeta\") ’繪制仿真波形并將它粘貼到系統的剪貼板上

Picture1.Picture = Clipboard.GetData()’從系統的剪貼板上獲取波形

Call Matlab.Quit’退出MATLAB

其中smibxr1_avr和smibxr1_avr_pss分別是第1種小擾動下不帶PSS的AVR和帶PSS的AVR的Simulink模型名，xr1_avr和xr1_avr_pss分別是不帶PSS的AVR和帶PSS的AVR時的發電機功角仿真數據存于Workspace的矩陣名。在編程時考慮了將不同情況下的仿真曲線進行比較研究的需要。

3.2 仿真結果分析

不必打開MATLAB和VB，直接運行VB生成的EXE文件，即可打開圖2所示的仿真界面。依次按下圖2中的前6個Command按鈕，即可依次獲得6種事件設置情況下的發電機功角響應曲線，見圖3所示。現對仿真結果分析如下：

1) 由圖3（a）、（b）可知，由于系統輸電線路處于重載運行且發電機采用高頂值電壓的快速勵磁系統，在小擾動下極易發生低頻振蕩。勵磁系統（AVR）雖可增加發電機的穩定極限，但其控制效果是有限的；甚至當系統呈現負阻尼特性時，高放大倍數的快速勵磁系統通常會增大負阻尼，從而惡化系統的運行情況，如圖3（b）所示；而通過給高放大倍數的快速勵磁系統引入PSS信號能夠使系統的阻尼得到加強，可有效抑制小擾動引發的低頻振蕩[6]。

2) 由圖3（c）可知，在系統發生大擾動后快速切除故障時，對于恒定Efd，系統暫態穩定，但振蕩阻尼水平較低；高放大倍數的快速勵磁系統（不帶PSS的AVR）能大大降低轉子角的第一擺，但后續搖擺呈負阻尼；附加了PSS后，系統在降低第一擺的同時振蕩阻尼水平也顯著提高。可見采用高頂值電壓的快速勵磁系統和安裝PSS對于提高全系統的穩定性是有益的[4]。由圖3（d）可知，當慢切除故障時，不論在何種勵磁控制型式下轉子角都將逐步增大（不帶PSS和帶PSS的AVR時的仿真曲線在仿真時間內相重合），并迅速超過180°，系統失去穩定。對比圖3（c）和（d），可見快速切除故障對于提高電力系統暫態穩定性有著決定性的作用[2]。

3) 由圖3（e）可知，在系統發生大擾動后，在采用FCL的情況下，即使慢切除故障，系統仍能保持暫態穩定性。可見采用故障限流器對于提高系統的暫態穩定性是非常有益的。

4) 由圖3（f）可知，在發電機采用不帶PSS的AVR的情況下，發生大擾動后，未采用自動重合閘和采用三相重合閘時發電機功角曲線在仿真時間內相重合，由于功角超過了180°，系統失去穩定；而采用單相重合閘時系統能很快進入穩定狀態，可見僅斷開和重合線路故障相時的暫態穩定性比斷開和重合三相時要高。

（a）Vref發生3%正階躍時的功角響應 （b）Pm發生約1%正階躍時的功角響應

（c）三相短路時的功角響應（快切除故障）（d）三相短路時的功角響應（慢切除故障）

（e）三相短路時的功角響應（慢切除故障）（f）單相接地短路時的功角響應（快切除故障）

圖3 動態仿真結果

4 結束語

本文運用MATLAB SPS和VB建立了單機—無窮大系統的小擾動和大擾動功角穩定性無縫集成仿真系統，并對仿真的結果進行了簡要分析。運用MATLAB和VB混合編程的方法，結合了MATLAB電力系統仿真模塊集SPS的專業性和VB強大的圖形用戶界面的優勢，為開發高水平的《電力系統分析》課程的CAI提供了強有力的手段。

參考文獻：

[1] 李升.MATLAB和ETAP的電力系統仿真比較研究[J].南京工程學院學報:自然科學版，2006，4(2):50-55.

[2] 李光琦.電力系統暫態分析[M].2版.北京:中國電力出版社，1995.

[3] 趙彩宏.FCL對電力系統暫態穩定性影響的機理分析與仿真[J].電力自動化設備，2001，21(2):14-17.

[4] PRABHA KUNDUR.電力系統穩定與控制[M].北京:中國電力出版社，2002.

[5] 劉志儉.Matlab應用程序接口指南[M].北京:科學出版社，2000.

[6] 王錫凡.現代電力系統分析[M].北京:科學出版社，2003.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”