基于VB平臺的Simulink電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真

趙曉楠，于 群

（山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東青島 266510）

1 引言

現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：大容量發(fā)電機(jī)組、超高壓或者特高壓的輸電電壓等級、遠(yuǎn)距離輸電、大規(guī)模的交直流混聯(lián)電網(wǎng)和較高的自動化運(yùn)行水平。在這種形勢下，對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障后的穩(wěn)定分析和保護(hù)裝置的研發(fā)制造都需要提前進(jìn)行仿真研究。Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供了一個動態(tài)的系統(tǒng)模型建立、模擬仿真以及綜合分析的集成環(huán)境。在這個環(huán)境下，不用大量編寫程序，而只需要通過非常簡單地鼠標(biāo)操作，就可以完整地繪制復(fù)雜的電力系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)性強(qiáng)、繪制過程清晰以及仿真精度高、相似度高、工作效率高、靈活性等優(yōu)點(diǎn)。基于以上優(yōu)點(diǎn)，Simulink已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜電力系統(tǒng)的仿真和計(jì)算之中。

雖然Simulink依托強(qiáng)大的Matlab使其擁有了強(qiáng)大的計(jì)算能力，對于復(fù)雜的電力系統(tǒng)仿真能輕而易舉地進(jìn)行動態(tài)仿真、波形顯示、各種故障的產(chǎn)生等一系列實(shí)際運(yùn)行情況，但是其界面較為復(fù)雜，編程比較困難，用戶界面不夠直觀以及將整個仿真環(huán)境暴露等一系列缺點(diǎn)也限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。

微軟開發(fā)的Visual Basic編程語言作為一種可視化程度高，界面友好的軟件，恰好可以彌補(bǔ)Matlab在這方面的缺陷，即使對于Matlab不夠熟悉的用戶，也能輕松的完成線路參數(shù)設(shè)置，仿真以及結(jié)果的查看。而且封裝后的VB程序看不出Simulink原本的仿真模型，增強(qiáng)了程序的保密性，因而這二者的結(jié)合，大大提高了Matlab在實(shí)際工程中的應(yīng)用。二者結(jié)合后，既可以作為繼電保護(hù)的平臺搭建的軟件基礎(chǔ)，也可作為繼電保護(hù)課程的教學(xué)演示，在電氣工程的教學(xué)中具有較高的應(yīng)用價值。

本文通過ActiveX技術(shù)將Matlab的Simulink與VB相聯(lián)接，并在聯(lián)接成功的基礎(chǔ)上完成了一個通過VB調(diào)用Simulink的繼電保護(hù)仿真實(shí)例。

2 Simulink與VB集成的方法

根據(jù)目前的研究情況，Simulink與VB集成主要有以下4種方法：運(yùn)用Microsoft ActiveX部件，借助動態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制（Dynamic Data Exchange，DDE），通過調(diào)用MatrixVB和通過Matlab的程序文件——M文件。在實(shí)際工程中這4種集成方法都可以使用，但要視具體的情況來選擇具體的方法。前兩種比較適合Client／Server模式，后兩種則應(yīng)該視實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行選擇。

2.1 借助動態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制技術(shù)

動態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制允許Microsoft Windows的應(yīng)用程序通過傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)幾者之間的通信。使用DDE通訊需要兩個Windows應(yīng)用程序，其中MATLAB程序作為服務(wù)器（Server）受理信息，而VB則可以作為客戶端（Client）發(fā)出控制信息。客戶端向服務(wù)器發(fā)送一條程序命令作為請求信息，服務(wù)器則依據(jù)該信息作出處理并返回信息，從而實(shí)現(xiàn)兩個程序之間的數(shù)據(jù)交換。

2.2 通過 Matlab的程序文件（通過 Shell（）函數(shù)）

Matlab產(chǎn)生的程序文件（M文件）不能直接在VB中調(diào)用，可以利用Matlab自帶命令mcc將M文件編譯成EXE文件，然后需要在VB中聲明三個API函數(shù)，最后使用Shell（）命令把VB和Matlab的集成起來。

2.3 通過 MatrixVB

MatrixVB是嵌入VB的矩陣函數(shù)庫。它提供了大量函數(shù)，可以強(qiáng)化VB本身較弱的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力和圖形圖像處理能力，使VB功能得到極大的擴(kuò)展。在VB編程過程中使用該工具包可以避免重復(fù)勞動從而減少編程人員實(shí)現(xiàn)算法和設(shè)計(jì)界面的困難。

下面主要介紹“運(yùn)用Microsoft ActiveX部件”的方法。

3 通過ActiveX技術(shù)將Simulink與VB聯(lián)接

微軟把所有以部件對象模型（Component Object Model，COM）作為基礎(chǔ)的技術(shù)，統(tǒng)稱為ActiveX技術(shù)。自動執(zhí)行是大部分ActiveX技術(shù)的特點(diǎn)。它使比較復(fù)雜的計(jì)算機(jī)語言能夠在不知道所控程序的具體內(nèi)容的情況下對需要控制的對象進(jìn)行操作。Matlab中還加入了對ActiveX控件的支持，在VB編程環(huán)境下通過與ActiveX的接入端口就可以將Simulink作為VB的一個ActiveX控件調(diào)用。

由于Matlab對ActiveX技術(shù)的支持。Matlab的Simulink部件可通過ActiveX技術(shù)接受其它應(yīng)用程序的調(diào)用。Matlab提供了一個外部名稱為Matlab.Application的對象，它可以支持COM技術(shù)，其他的應(yīng)用程序可以通過COM技術(shù)提供的函數(shù)獲得操作控制對象的接口地址，通過調(diào)用接口地址的函數(shù)便可直接控制和使用被操控的對象了。VB支持ActiveX被控端協(xié)議，而Matlab支持作為ActiveX服務(wù)器端的協(xié)議，所以理論上VB通過ActiveX技術(shù)完全可以調(diào)用Matlab進(jìn)行仿真。

以下代碼可以在VB中啟動Matlab的服務(wù)器功能：

這樣就創(chuàng)建好了ActiveX對象，接下來可以在VB中對Matlab進(jìn)行操作了。

3.1 通過ActiveX對Matlab進(jìn)行操作

Matlab中集成了一些可以在VB中使用的函數(shù)，可以在VB中使用作為被控服務(wù)器端。

（1）Matlab.Execute

這條命令可以調(diào)用Matlab來執(zhí)行一條Matlab命令，然后返回一個命令完成情況字符串。它的具體格式為：Matlab.Execute（［in］Bstr Command），″Bstr″是指字符串類型，″Command″是指所有在Matlab中可以執(zhí)行的命令，輸入的參數(shù)可以是任何可以在Matlab中執(zhí)行的命令，并將執(zhí)行結(jié)果以字符串的形式返回VB。

（2）Matlab.GetFullMatrix

這條命令可以將Matlab中的一個矩陣放到VB程序里的一個數(shù)組中。格式為：Matlab.Get-FullMatrix（［in］BSTR Name，［in］BSTR Workspace，［in，out］SAFEARRAY（double）＊pr＆pi）。

″BSTR″指字符串格式類型，″Name″是矩陣的名稱；″Workspace″指的是MATLAB中矩陣的工作空間；pr和pi則分別是VB里數(shù)組的實(shí)部和虛部，數(shù)據(jù)類型是雙精度。

（3）Matlab.PutFullMatrix

可以將VB程序中的一個數(shù)組傳送到Matlab的一個矩陣中。其格式和使用方法與GetFullMatrix類似。

（4）Matlab.MaximizeCommandWindow

可以將Matlab的命令窗口最大化，使用方法為：Call MaximizeCommandWindow（）。

（5）Matlab.MinimizeCommandWindow

用來將Matlab的命令窗口最小化，使用方法為：Call MinimizeCommandWindow（）。

4 繼電保護(hù)仿真實(shí)例

4.1 距離保護(hù)原理

距離保護(hù)是反應(yīng)線路發(fā)生故障的地方到保護(hù)安裝處之間的距離（或阻抗），并根據(jù)測算出的距離遠(yuǎn)近來確定保護(hù)動作的時間的一種繼電保護(hù)裝置。該裝置的主要部件就是阻抗繼電器，它可根據(jù)在它采集端上所施加的電壓和電流來測知保護(hù)安裝處至短路點(diǎn)間的阻抗值，此阻抗便是繼電器的測量阻抗。距離保護(hù)裝置就是對采集到得測量阻抗與事先確定的整定阻抗值進(jìn)行比較從而確定保護(hù)是否動作的一種保護(hù)裝置。

4.2 阻抗繼電器

由于ZJ可以寫成R+jX的形式，于是就可以利用復(fù)平面來分析繼電器的動作特性，最終可以用一個坐標(biāo)軸上的幾何圖形把它的動作特性表示出來。

方向阻抗繼電器是以整定阻抗Zset為直徑而通過坐標(biāo)原點(diǎn)的一個圓，動作特性如圖1所示，整定圓內(nèi)為動作區(qū)，圓外為不動作區(qū)。

圖1 方向阻抗繼電器的特性

圖2 系統(tǒng)仿真線路圖

繼電器能夠動作（即測量阻抗ZJ位于圓內(nèi)）的條件是：

4.3 BC相阻抗繼電器仿真

BC相阻抗繼電器的Simulink仿真模型如圖2所示，采用的是500kV單側(cè)電源系統(tǒng)，輸電線路采用分布式線路。每條線路首末端均將采集到得電壓、電流值傳入WorkSpace中；仿真時間設(shè)定為0.2s，在 0.1s時發(fā)生三相故障。通過 M 文件，調(diào)用保護(hù)1處的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否有故障發(fā)生并在故障發(fā)生后及時切斷線路。

VB界面如圖3所示，其中，線路圖為實(shí)際線路模型，故障點(diǎn)已在圖中標(biāo)出，雙擊線路還可以更改線路參數(shù)，如圖4所示。

圖3 VB前臺運(yùn)行界面

圖4 VB前臺運(yùn)行界面（線路參數(shù)修改）

主要程序部分代碼如下：

點(diǎn)擊開始仿真按鈕后，執(zhí)行結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 VB前臺運(yùn)行結(jié)果界面1

圖6 VB前臺運(yùn)行結(jié)果界面2

BC相阻抗繼電器的VB程序運(yùn)行結(jié)果表明，當(dāng)0.1s發(fā)生三相故障時，保護(hù)1處BC相阻抗繼電器的測量阻抗軌跡落在阻抗圓中，保護(hù)動作；而當(dāng)沒有故障發(fā)生時，測量阻抗沒有落在阻抗圓中，因此保護(hù)不會動作。

5 結(jié)論

通過VB調(diào)用Simulink實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，用這種方法，不僅能夠直觀地看到線路的構(gòu)成，而且能實(shí)時修改相應(yīng)仿真模型的參數(shù)，并且將仿真結(jié)果實(shí)時顯示出來；并且能夠?qū)⒄鎸?shí)模型隱藏，達(dá)到保密程序的作用。

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