基于MATLAB的《電力系統分析》教學研究

摘要：利用MATLAB軟件的編程及建模、仿真功能，對《電力系統分析》課程中潮流計算、短路電流計算等實例進行了計算和仿真分析，結果證明了應用MATLAB輔助《電力系統分析》課程教學的有效性。

關鍵詞：電力系統分析；教學研究；仿真；編程

1 引言

《電力系統分析》主要研究電力系統在正常及故障情況下的運行狀態，包含電力系統穩態分析、電力系統暫態分析和電力系統穩定性分析三部分內容，是電氣工程及其自動化專業重要的專業基礎課，對培養學生運用所學理論解決工程實際問題的能力起著非常重要的作用。由于該課程具有理論性強、工程性強、涉及面廣的特點，學習難度大，學生的學習興趣不高。近年來，將多媒體技術引入課堂教學已成為一種趨勢，采用多媒體課件配合板書的教學方法，使得教學更加具體化、形象化，在一定程度上提高了課堂教學效果。

隨著計算機科學的不斷發展，各種仿真軟件的日益廣泛應用給專業課的教學提供了現代化的教學手段，MATLAB就是其中之一。自上世紀80年代問世以來，MATLAB以其高性能的數值計算和可視化的圖形繪制功能以及簡單易學的編程方式迅速成為應用于多學科的大型軟件。將MATLAB的數值分析功能、矩陣計算功能和可視化的Simulink仿真功能應用于《電力系統分析》課程的潮流計算和短路分析教學中，已成為《電力系統分析》課程教學改革的一個重要方面。

2 MATLAB在《電力系統分析》教學中的應用

2.1基于MATLAB的電力系統潮流計算——節點導納矩陣的形成

潮流計算是電力系統穩態分析的重要內容，也是計算系統動態穩定和靜態穩定的基礎。潮流計算的方法有很多，其本質都是對一組多元非線性方程進行求解，其解法都離不開迭代。潮流計算中需要先形成網絡的節點導納（阻抗）矩陣，如果采用手工計算，即使節點數不多的系統也仍然有相當大的工作量，只有應用計算機才能快速而準確地完成這些計算任務。下面為潮流計算中節點導納矩陣的形成程序：

n=input（'請輸入節點數：n='）；

n1=input（'請輸入支路數：n1='）；

B=input（'請輸入由支路參數形成的矩陣：B='）；

X=input（'請輸入由節點號及其對地阻抗形成的矩陣：X='）；

Y=zeros（n）；

for i=1：n

if X（i，2）=～0；

p=X（i，1）；

Y（p，p）=1./X（i，2）；

end

end

for i=1：n1

if B（i，6）==0

p=B（i，1）；q=B（i，2）；

else

p=B（i，2）；q=B（i，1）；

end

Y（p，q）=Y（p，q）-1./（B（i，3）*B（i，5））；

Y（q，p）=Y（p，q）；

Y（q，q）=Y（q，q）+1./（B（i，3）*B（i，5）^2）+B（i，4）./2；

Y（p，p）=Y（p，p）+1./B（i，3）+B（i，4）./2；

end

disp（Y）

根據所給系統圖，輸入網絡節點數、支路數及參數矩陣B和X之后，即可形成應用于潮流計算程序的節點導納矩陣。

2.2采用Simulink/PSB進行電力系統短路仿真分析

1998年推出的MATLAB5.2在Simulink中增加了電力系統模塊庫PSB（Power System Block）。PSB主要由六個子模塊庫組成，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統等學科中常用的基本元件，可以對非線性、剛性和非連續系統進行非常精確的仿真。

如圖為某恒壓源系統突然短路的仿真模型。

將故障發生器設置為三相短路，故障時間為（0.01-0.05）s，得到如下仿真波形：

可見，無窮大電源系統短路時，電源端電壓只有一些波動，沒有發生顯著變化。短路點三相電流有效值相等，為對稱短路。

類似地建立同步電機三相短路模型，仿真后將結果與上例進行比較，可使學生更加深刻地理解這兩種系統發生三相短路時的電磁暫態過程。

改變短路故障發生器的選項設置，可以得到兩相短路、單相接地等不同類型短路故障時的電壓、電流波形。

3 結論

在《電力系統分析》課程教學中引入MATLAB/PSB對潮流計算、短路故障等重要內容進行輔助分析，具有形象直觀、交互性能好等優點，彌補了傳統電力系統分析教學的不足，使學生加強了對理論知識的理解，激發了學習興趣，很好地提高了教學效果。

參考文獻：

[1]孟祥萍.電力系統分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]吳天明.MATLAB電力系統設計與分析[M].北京：國防工業出版社，2004.

[3]徐敏.MATLAB在《電力系統分析》教學中的應用[J].電力系統及其自動化學報，2010，22（3）：152-155.

[4]李維波.MATLAB在電氣工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介：馮宇（1976-），女，講師，碩士，主要從事電路分析、電力系統分析方面的教學和科研工作。