MATLAB電力系統工具箱介紹與應用

廖恩榮

（南京高精傳動設備制造集團有限公司，江蘇南京 210012）

0 概述

電力系統工具箱是MATLAB眾多工具箱中的一個，最早出現于MATLAB5.3中。由于其操作簡單、功能強大，一問世便受到電力系統科研工作者的青睞。該工具箱使用simulink環境，以MATLAB為計算引擎，幾乎囊括了電力系統絕大部分典型設備的模型，加之具備可與其他工具集（如simulink、control system toolbox等）配合使用的特點，使得原本復雜、費時的電力系統建模、仿真工作變得前所未有的簡單、快捷。

本文以介紹該工具箱的使用方法為目的，首先介紹其基本使用方法，繼而總結了若干條使用細節問題以及注意事項，然后進一步地解釋工具箱后臺運行過程的大致框架，以供加深理解之用。本文在最后以一個實際系統為例展示了該工具箱的使用方法，供讀者比照。

1 基本使用方法

使用電力系統工具箱進行分析、計算的第一步是建立模型。首先，需要打開模型窗口。我們既可以在命令窗口的File菜單中選新建模型（New/model）又可以在打開的simulink library browser中點擊工具欄的新建（New）鈕。該窗口中的模型將形成后綴為.mdl的文件。

在實際系統中，網絡由元件及聯絡線組成。相應的，在模型窗口中，網絡模型由現成的元件模塊相互連接而成。這些元件模塊是由程序開發者依據電力系統實際元件的數學模型構造、封裝而成，外觀一目了然，參數可由使用者自行調整。它們集中在電力系統工具集（power system blockset library）中，打開它有兩種方法:在命令窗口的工具欄中點擊simulink library browser，出現該窗口后右鍵點擊power system blocket或在命令窗口中直接鍵入powerlib命令。powerlib窗口以圖標形式表示各子工具集，點擊各圖標將進入到相應的子工具集中，此時列出的小圖標即是元件模型（附加工具集除外）。

Simulink環境下建立模型的過程是組合連接的過程。根據實際問題從工具集中選擇適當的元件模塊，按住鼠標左鍵拖拽到模型窗口中，打開各元件的參數窗口設置好參數，最后將各元件模塊正確連接就可完成簡單的建模工作。

模型建立好后便可進入仿真步驟。此時，先要依據實際需要設置仿真時間、所用算法、數據輸入輸出方式等等。待一切檢查無誤后，點擊simulation/start鍵便開始仿真計算，仿真進程可在屏幕下方的狀態欄中觀察。仿真結果既可以在scope中直接以圖形方式顯示，也可以用數組形式或結構數形式輸出到工作空間（workspace）中，同理，數據也可以從工作區間以數組、結構數的形式載入。

另外，構造仿真系統模型、設置模型參數還可以用專用命令編寫程序的方法來實現。應用起來雖不如上面介紹的方法那樣簡單、直觀，卻有其優勢:可以靈活的控制程序的流程，并且參數可以動態的修改等，具體方法可查閱資料［1］。

2 工具集元件介紹

電力系統子工具集分別是:電源集（electrical sources）、元件集（elements）、電力電子工具集（power electronics）、電機集（machines）、節點集（connectors）、測量工具集（measurements）、附加工具集（powerlib extras），另外還有powergui圖標和演示程序目錄（demo）。表1，表2分別列出了電力系統工具集所有元件模塊的詳細內容。

表2 電力系統附加工具箱

3 細節問題

電力系統工具箱的使用原理雖然很簡單，但要真正用好它、用活它則還需要注意一些細節問題并進一步掌握一些優化方法。以下是在使用中總結的一些經驗，供大家參考:

1）當斷路器串聯入電路時，如果有斷開的狀態，應在其上并聯一個大電阻，否則將在仿真時出錯。

2）電力系統工具箱中有兩種RLC阻抗模型:支路模型和負荷模型。之所以有這樣的區分是為了符合電力系統的習慣，即在描述負荷時通常以其吸收的有功功率、無功功率為量化基礎。而支路模型則是典型的RLC阻抗模型，以電阻值、電感值、電容值為參數。事實上，如果已知負荷模型的電阻值、電感和電容值，依然可以用支路模型來表示。

3）電力系統中的數據習慣使用標幺值。在電力系統工具箱中，所有數據均是以有名值形式輸入和計算的。要想使輸出的數據為標幺值，可以在輸出端之前加入一個增益模塊（gain），并將其增益值設為從有名值向標幺值換算的系數，從而使輸出結果在數值上與標幺值相同。

4）電力系統工具箱的使用者可以將powerGUI加入模型中，它是電力系統工具箱的用戶圖形界面，是函數power2sys的可視化工具。其中machine load flow項只有在模型中包含電機模型（machines）時方可以使用。

5）暫時不用的輸出端不能懸空，而應選用simulink中的terminator元件與之相連。

6）仿真結果的輸出方式是一個很關鍵的問題，將直接影響結果分析的進行。最直觀的方法是從scope中觀察，但這樣并不精確，且不利于進一步的分析計算。另一種方法是將結果輸出到工作空間中，從而可以利用MATLAB強大的分析計算功能實現仿真結果分析。在菜單命令simulation的parameters中有工作空間I/O卡（workspace I/O），正確設置save to workspace各項，便可以將指定端口的結果輸出到狀態空間中，并且可以選擇矩陣、包含時間數據的結構、一般結構三種輸出格式。需要注意的是，這樣的輸出方法的前提是模型中包含有output模塊。對于各scope紀錄的數據，可以在其觀察窗口中properties的data history卡中指定保存到工作空間（save data to workspace）。另外，在simulink集中有一個模塊可以實現將輸出結果保存到工作空間中，即to workspace模塊，該模塊可以將其輸入端的數據輸出到工作空間中去。特別的是，無論用戶是否要求，simulink會自動將時間數組保存到工作空間中去，變量名為tout。

7）模塊間的連接在simulink環境中十分方便，只需要從一個模塊的輸出端按左鍵拖動鼠標倒下一個模塊的輸入端即可。在某些情況下，我們可以利用連線來反映信息。對于向量，選擇菜單命令中的format/wide vector line。即可將傳輸向量的連線變成粗線。對于不同的數據類型，選擇菜單命令format/port data types即可自動在連線上標出前一個模塊輸出的數據類型。

8）封裝子系統是模型優化的重要方法之一。可從simulink集中拷貝subsystem模塊到模型中，打開它，在subsystem窗口里建立子系統;也可以在已經建好的模型中，選取需要組合的模塊用菜單命令edit/creat subsystem來封裝。值得一提的是，Simulink有強大的子系統編輯功能，可以由用戶自己來定做子系統的對話框，以實現說明系統功能、輸入參數的功能，這在菜單命令edit/edit subsystem下可以實現。

9）為了使建好的模型更容易被別人理解，需要在模型中加入盡可能詳細的說明。除了在模型窗口中以文本形式輸入模型名稱之外，還可以利用subsystem模塊來構造一個信息窗口。依照simulink的習慣，以“?”作為其圖標，以more info作為其模型名稱，在窗口中輸入該模型的詳細描述。

10）MATLAB的m文件靈活而功能強大。按照固定格式編寫的m文件也可以實現成模塊，參與到仿真計算中去，這樣一來，用戶便有了更大的自由度從事創造性的工作。將simulink集的s-function模塊拷貝到模型窗口中，在其對話框中填入m文件的文件名即可。

以上介紹的這些要點僅僅是電力系統仿真計算中常見問題的一小部分，simulink的強大功能是非一言兩語道得清、說得明的，需要使用者在實踐中不斷摸索、體會。MATLAB自帶的說明也非常詳細，提別是FPD格式的說明書包羅萬象，值得仔細研讀。

4 電力系統工具箱運行過程

電力系統工具箱的運行框架可由圖1所示流程來說明。

圖1 電力系統工具箱工作流程

5 電力系統工具箱使用實例

圖2是已經建立好的高壓直流輸電系統的簡化模型。無窮大系統由一個串聯RL的電源來表示的。該模型只有一側整流裝置，交流電流整流為直流后經過Π型傳輸線再由一個控制電壓源模擬逆變側及其后的無窮大系統，而整流側模型完整，包括極控制的所有詳細結構。從該模型我們可以看到:用電力系統工具箱進行仿真計算的模型是根據實際情況從電力系統工具箱以及simulink、控制工具箱等工具集中選用的適當元件模型組合連接而成的。包括六脈波脈沖發生器在內的極控制部分封裝成一個明為"極控制"的子系統，從而使構圖一目了然。

在高壓直流輸電中，直流電流值為:

整流側終端功率是:P=VdrId

圖2 高壓直流輸電系統模型

該模型仿真計算結果被輸出到工作空間中，由plot命令作圖（圖3）。可以看到，用電力系統工具箱建立的高壓直流輸電系統模型真實的模擬了實際系統的工作情況，如交流側的電流含有大量的諧波分量，而直流側電流則有波動。基于仿真計算的這一特點，對于暫態過程的模擬分析更是突現優點。

圖3 仿真結果（交、直流側電流）

6 結語

MATLAB power systemblockset是電力系統仿真計算的有力輔助工具，使用簡單、計算準確，界面友好而且可擴展性強。本文從該工具箱的基本使用方法入手，著重就一些細節問題及注意事項進行了闡述，然后進一步地解釋工具箱后臺運行過程的大致框架。本文在最后以一個實際系統為例展示了該工具箱的使用方法，使讀者能夠有更清晰的印象。自從有了該工具箱使得原本復雜、費時的電力系統建模、仿真工作變得前所未有的簡單、快捷。

［1］程衛國 ，馮峰，等.MATLAB 5.3應用指南［M］.北京:人民郵電出版社，1999.

［2］李興源.高壓直流輸電系統的運行和控制［M］.北京:科學出版社，1998.

［3］Stott B，Alsac O.Fast decoupled load flow.IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1974，93（3）:859-869.

［4］Monticelli A et al.Fast decoupled load flow:hypothesis，derivations and testing.IEEE Trans on Power Systems，1990，5（4）:1425-1431.