淺析MATLAB/Simulink建模與仿真在電力系統(tǒng)分析教學中的應用

【摘要】隨著電力系統(tǒng)及相關技術領域的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)分析作為電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，其教學方式和方法已不能滿足社會對應用型人才的需要。本論文提出了以MATLAB/Simulink軟件輔助的教學方法。給出了Simulink在電力系統(tǒng)故障分析和穩(wěn)態(tài)運行中的應用系統(tǒng)運行，以及MATPOWER軟件包在潮流分析中的應用，最后介紹了MATLAB/Simulink軟件在電力系統(tǒng)分析的實驗教學中的相關應用。

【關鍵詞】電力系統(tǒng)分析 MATLAB 電氣工程及其自動化

【基金項目】金陵科技學院博士基金項目（jit-b-201418）。

【中圖分類號】G42【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）12-0218-02

電力系統(tǒng)分析課程作為電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)課程，是一門理論性、實踐性和專業(yè)技術性很強的課程，主要包括電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、電力系統(tǒng)暫態(tài)分析等內容。主要講授電力系統(tǒng)正常運行的基本概念、基本問題及基本計算；系統(tǒng)發(fā)生故障時的分析計算；電力系統(tǒng)運行中產生穩(wěn)定性問題的原理和改善穩(wěn)定性的方法。該課程也是其他專業(yè)課（如發(fā)電廠電氣部分、電力系統(tǒng)繼電保護等）的基礎。因此如何能讓學生在掌握重要的理論知識的同時，深刻理解該課程的整體與系統(tǒng)性，是從事該課程教育工作者們面臨的重要問題[1]。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析教學采用理論教學與實驗教學相結合的方式，但隨著電力工業(yè)相關領域的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大，普通電力實驗室已經不能完成相關的實驗與研究，其主要原因是受電力系統(tǒng)規(guī)模和復雜性的限制與系統(tǒng)安全的要求。如何尋找一種能夠模擬電力系統(tǒng)實際運行情況的數字仿真工具顯得十分重要。

基于以上因素，本論文重點闡述將MATLAB應用軟件運用到電力系統(tǒng)分析課程教學中，與傳統(tǒng)認知實驗相互補的教學模式。采用MATLAB中的MATPOWER軟件包來解決電力系統(tǒng)潮流分析計算，采用Simulink對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)問題進行仿真分析，實現(xiàn)以軟件輔助理論教學，以仿真模型與實驗室認知實驗相結合的實踐教學模式，為掌握電力系統(tǒng)精髓和專業(yè)技術知識打下堅實的基礎。

一、 MATLAB簡介

MATLAB軟件是當前國際較為認可的科技應用軟件之一，它以矩陣運算為基礎，把計算可視化程序設計融入到交互的工作環(huán)境中，可以實現(xiàn)工程計算、算法研究、系統(tǒng)建模和仿真、數據分析及工程繪圖、應用程序開發(fā)等功能。其中Simulink模塊不僅可以對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，而且也是一種結合了框圖界面和交互仿真功能的非線性動態(tài)系統(tǒng)仿真工具[2]。

目前國內比較常用的電力系統(tǒng)仿真工具是中國電力研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP，1998年，Mathworks公司推出電力系統(tǒng)模塊（Power System Block）后，該功能逐漸被電力系統(tǒng)研究人員所接收，使得MATLAB/Simulink在電力系統(tǒng)領域的應用日漸完善。

在高校的電氣工程及其自動化專業(yè)的教學中，將MATLAB與專業(yè)課內容相結合，不僅可以使學生很好的掌握專業(yè)理論知識，更能加深對專業(yè)領域的系統(tǒng)理解。目前，高校教學對MATLAB的使用多側重在軟件的通用基礎知識上，而針對電力系統(tǒng)分析課程上的應用相對較少。本論文對電力系統(tǒng)課程部分內容的教學與軟件教學相結合，提出了以軟件為輔助基礎的教學方式[3]。

二、 MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)仿真

Simulink是基于MATLAB的圖形化仿真設計環(huán)境，提供了對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。Simulink提供了圖形用戶界面（GUI），模型是由模塊來組成的框圖，Simulink的模塊庫包括基本功能的模塊和擴展模塊，這些功能模塊已覆蓋航空、航天、通信、控制、信號處理、電力系統(tǒng)、機電系統(tǒng)等領域。

利用MATLAB/Simulink在電力系統(tǒng)動態(tài)仿真過程中需要用到電力系統(tǒng)模型庫SimPowerSystems，該庫主要提供了系統(tǒng)電源、電力變壓器、輸電線路和負荷等原件模型，如圖1所示。

1.imulink模塊在系統(tǒng)故障分析的教學應用

電力系統(tǒng)故障分析主要研究電力系統(tǒng)中由于故障引起的電磁暫態(tài)過程，為防止電力系統(tǒng)故障或減小故障損失就必須要清楚的理解暫態(tài)發(fā)生的原因、發(fā)展過程及后果。電力系統(tǒng)短路故障問題是電力技術的基本問題，在發(fā)電廠、變配電站以及整個電力系統(tǒng)的設計運行過程中都需要進行短路計算和仿真，以此作為合理選擇電氣接線、電氣設備、確定限制短路電流措施、配置各種繼電保護裝置的重要依據。

2.Simulink模塊在系統(tǒng)穩(wěn)定性的教學應用

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指當系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下受到擾動后，能否經過一定的實踐后恢復到原來的運行狀態(tài)或者過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。一般將電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題分為兩大類，即靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性，由于運行過程不同，兩種穩(wěn)定的分析方法也不相同。當系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞后，將造成局部供電中斷、系統(tǒng)瓦解等，故保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)安全可靠運行具有非常重要的意義。在電力系統(tǒng)分析課程中，該部分的內容也是作為一個教學的重點內容。

結合MATLAB/Simulink的教學實例：假設無窮大功率電源供電系統(tǒng)如圖2所示，在0.02秒時刻變壓器低壓母線發(fā)生三相短路故障，要求學生采用Simulink搭建電路，并仿真其短路電流周期分量幅值和沖擊電流的大小。（線路的參數為L=50km；變壓器的額定容量SN=20MV·A，短路電壓US%=10.5，短路損耗△Ps=0.8，變比K=110/11，高低壓繞組均為Y形聯(lián)接，并設供電點電壓為110 kV）

首先根據已知條件要求學生能夠選擇正確合適的模塊。由于Simulink的SimPowerSystems中擁有相當豐富的電力系統(tǒng)元件模型，如發(fā)電機就有簡單同步發(fā)電機、標準同步發(fā)電機等；變壓器、線路、負荷、母線都有不同的模塊，因此對模塊的選擇很重要。

其次，根據原理圖搭建仿真電路。然后也是比較關鍵的一步，根據已知條件參數計算出各個模塊中的參數，如變壓器T采用“Three-phase transformer（Two Windings）”模型，根據給定數據計算出折算到110 kV側的參數。這一步的操作不僅能讓學生加深理論基礎，更能使學生靈活使用課程中相關的公式計算。

最后，通過模型窗口菜單中相關操作進行運行仿真，可得出變壓器低壓側的三相短路電流波形圖。同時讓學生根據已知的電力參數計算出變壓器低壓母線發(fā)生三相短路故障時的短路電流周期分量分量幅值和沖擊電流的大小，將計算結果和仿真結果相對比，教學經驗表明該中方法可以加深學生對結果形象化的認識，鞏固課堂的理論教學。

三、MATPOWER在潮流計算中的教學應用

電力系統(tǒng)潮流計算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一項基本運算，即根據給定系統(tǒng)的網格結構和運行條件來確定整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，主要是各個點電壓（幅值和相角）、網絡中功率的分布和功率損耗。潮流計算最初多是手算，結合數學中的不同算法來求解矩陣，這是學生學習這門課程時較為頭疼的部分。基于MATLAB語言的電力系統(tǒng)潮流計算軟件MATPOWER較其他功能強大且價格不菲的計算軟件相比，特點是簡單、易懂且代碼公開，這為電力系統(tǒng)專業(yè)學生深入學習和掌握潮流計算（如節(jié)點導納矩陣、算法和迭代過程）提供了有力的工具，因此非常適合在電力系統(tǒng)分析的教學過程中使用。

四、MATLAB/Simulink的實驗教學實施

將MATLAB/Simulink計算機輔助教學引入電力系統(tǒng)分析實驗中，區(qū)別于傳統(tǒng)的認知實驗不僅讓學生掌握軟件的使用技巧，而且也讓學生認識到信息化教學電力系統(tǒng)計算中重要作用。但在開始的教學中會發(fā)現(xiàn)，完成這種類型的實驗不僅需要熟練掌握計算機軟件的操作，還必須擁有扎實的專業(yè)知識。因此需要加大實驗課時的同時，教師還要開設軟件使用以及程序設計在電力系統(tǒng)計算中的應用相關的專題講座，使學生能夠將已學的計算機語言應用進來。

另外，可以根據教學對象的不同，選擇不同的實驗內容，充分調動學生的學習積極，避免出現(xiàn)學生知難而退的現(xiàn)象。鼓勵專業(yè)知識扎實的學生使用自己的計算機語言如C語言來進行編程。

最后，在加入MATLAB/Simulink計算機輔助教學的新的教學方式下，教師的教學思想和作用起到非常重要的角色。在教學內容的選取，理論知識和軟件的操作都對教師的自身的專業(yè)知識和能力提出更高的要求。

五、結束語

本論文闡述了以MATLAB/Simulink為輔助教學軟件在電力系統(tǒng)分析課程教學中的相關應用。經過幾年的教學經驗得出以下幾點體會：首先，專業(yè)知識和軟件（包括軟件語言）的使用很大程度上提高了的學生的綜合專業(yè)能力；其次，簡單直觀的系統(tǒng)仿真框圖和結果大大提高了學生對該課程的學習興趣；最后，在電力系統(tǒng)分析教學中，需要選擇難易適中的教學內容、安排合理的實驗項目，才能適合不同層次的教學對象。

參考文獻：

[1]王俊，紀建偉，孫國凱等.電力系統(tǒng)分析課程的教學改革 [J].高等農業(yè)教育，2011，12（12）：56-58.

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

[3]王世山，邢麗冬，湯麗等.專業(yè)化軟件導行“電力系統(tǒng)分析”課程教學研究[J].中國電力教育，2014，8（36）：76-77.