基于SimPowerSystems的電力系統仿真實踐教學研究

高紅亮，張先鶴，詹習生

(湖北師范學院 機電與控制工程學院， 湖北 黃石 435002)

基于SimPowerSystems的電力系統仿真實踐教學研究

高紅亮，張先鶴，詹習生

(湖北師范學院 機電與控制工程學院， 湖北 黃石 435002)

對電力系統仿真實踐教學進行了研究，重點對基于SimPowerSystems工具的電力系統仿真過程進行了詳細論述，首先介紹了電力系統仿真各部件模型，接著詳細論述了基于SimPowerSystems的電力系統仿真模型建立過程，包括具體步驟和相關指標，最后通過某地區實際電力系統仿真模型的建立和運行分析，說明通過SimPowerSystems進行電力系統仿真實踐教學和研究是十分有效的途徑.

SimPowerSystems；電力系統；Simulink；實踐教學

0 引言

電力系統仿真就是利用虛擬仿真技術真實再現電力系統各部件的操作環境，這種仿真環境具有高度的沉浸性，使進入仿真軟件的人員從感覺上、操作上都和真實電力系統的環境高度一致，從而使接受實踐教學的人員能接受有效的專業學習。目前，真正將軟件仿真技術應用于電力系統實踐教學課程的高校還很少，本文正是從基于SimPowerSystems平臺的電力系統仿真入手，研究了借助于軟件平臺實現電力系統建立和運行的完整流程，有助于電氣工程相關專業學生深刻理解電能從生產、傳輸、分配到使用的整個流程[1]。

1 電力系統仿真平臺

1.1仿真軟件

由于電力系統是一個大規模、時變的復雜系統，因此對大型電網進行建模比較困難。目前國內外利用仿真軟件進行復雜電力系統建模和仿真還處于探索階段。針對電力系統分析國內外已有若干仿真軟件。其中PSASP是中國電力科學研究院開發的電力系統分析綜合程序,具有潮流計算、暫態分析、小信號穩定分析等眾多功能，是當前我國不可多得的小干擾分析工具[2]。另外還有邦納維爾電力局開發的BPA程序和EMTP程序，曼尼托巴高壓直流輸電研究中心開發的PSCAD/EMTDC程序，美國加州大學伯克利分校研制的PSPICE，美國PTI公司開發的PSS/E等[3，4，5]。在MathWorks公司開發的科學與工程計算軟件MATLAB中有專門針對電力系統設計的SimPowerSystems庫。這里面有大量電力系統常用元器件，包括變壓器、發電機、線路和負載等，功能較為全面。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前自動將仿真系統圖變成狀態方程描述的系統形式，然后在simulink下進行仿真分析[6]。

本文采用的仿真軟件是MATLAB，使用了其中的SimPowerSystems工具。通過MATLAB的Simulink，可把實際的電力系統地理模型轉換為仿真模型，并能模擬系統受擾動后各變量隨時間變化的具體過程，更加直觀方便。

1.2電力系統仿真各部件模型

電力系統在仿真過程中，涉及到的各部件模型包括同步發電機模型、線路模型、負荷模型、變壓器模型[7]等。

其中，電力系統中的發電廠用同步發電機模型代替。MATLAB中的SimPowerSystems 庫中提供的同步發電機模型，考慮了定子、勵磁和阻尼繞組的動態行為。同步發電機的仿真模型如圖1所示。

對于線路模型而言， π型線路限制了線路中的電壓、電流的頻率變化范圍，對于研究基頻下的電力系統與控制系統之間的相互關系 ，π型電路可達到足夠的精度，但當分析線路的波過程以及進行更精確的分析時，這時應該使用分布參數線路模塊。在實際仿真中，線路長度小于50km時用三相π

型線路模塊，長度大于50km時用分布參數線路模型。 π型線路模型和分布參數線路模型分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 同步發電機的仿真模型

(a) 型線路模型 (b)分布參數線路模型

在電力系統中，所有電力用戶的用電設備所消耗的電功率總和就是電力系統的負荷。負荷的有功功率和無功功率由三個部分組成，分別為恒阻抗消耗的功率，恒電流負荷相對應的功率，恒功率分量。在MATLAB中，三相串聯和并聯RLC負荷模塊，在指定的頻率下，負荷阻抗為常數，負荷吸收的有功和無功功率與電壓的平方成正比。負荷模塊模型如圖3所示。

為了把發電廠發出來的電能輸送到較遠的地方，必須把電壓升高，變為高壓電，到用戶附近再按需要把電壓降低，這種升降電壓的工作需要靠變電站來完成。變電站采用變壓器模型模擬。變壓器模型如圖4所示。

圖3 負荷模型

圖4 變壓器模型

2 系統仿真模型的建立

2.1仿真模型的建立步驟

下面說明在SimPowerSystems平臺中建立仿真模型的步驟，具體如下所述：

1)根據地理接線圖在simulink中搭建模型。將發電廠、變電站、線路、負載分別用相應模型代替，依次連接。

2)對模型進行參數設定。根據實際的電網參數，在模型中設定參數。線路可以使用三相π型電路，也可以使用分布參數線路，這要根據輸電線路實際長度來定，小于50km用三相π型電路，大于50km使用分布參數電路。

3)對仿真模型進行潮流計算。潮流計算的任務是根據給定的網絡接線和其它已知條件，計算網絡中的功率分布、功率損耗和節點電壓。

4)選擇合適的仿真算法。MATLAB提供給用戶兩種仿真算法：定步長算法和變步長算法。定步長求解器使用固定步長求解，有Discrete、ode5、ode4、ode3、ode2和ode1；變步長求解器可根據用戶指定積分誤差自動調整仿真步長，有Discrete、ode45、ode23、ode13、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb。仿真算法是否合理將影響到仿真的結果和速度。一般可采用ode23tb算法，這是MATLAB針對系統特征值相差大，既有快變特性又有慢變特性的系統專門提供的算法之一。

5)運行仿真模型。運行仿真模型，觀察各參數是否符合指標。所需要用到的參數主要有發電機轉速、機端電壓、功角和功率偏差。其中，轉速、電壓均采用標幺值。

2.2系統穩定時的相關指標

運行系統，當仿真系統達到穩態時，相關指標應具有如下特點：1)轉速ω為1pu;2)機端電壓Vt為1pu；3)功角δ達到一個穩定值。其中，功角δ隨時間的變化描述了各發電機轉子間的相對運動，而發電機轉子間的相對運動性質，恰好是判斷各發電機之間是否同步運行的依據。4)系統穩定時，功率偏差Pa在0附近波動。功率偏差表示發電機輸入機械功率Pm與輸出電磁功率Pe之差。

根據以上參數相關指標，若不滿足，則需修改相關參數或結構來完善系統，直至符合指標。

3 實例研究

利用SimPowerSystems仿真平臺，本文建立了某地區實際的電力系統仿真模型，如圖5所示。

圖5 電力系統仿真模型

在該模型中，發電廠用同步發電機模擬，其中同步發電機由調速系統控制機械功率輸入，由勵磁控制系統控制勵磁電壓。發電廠出口處使用了一個22kV/500kV的升壓變壓器，一段14.1km的輸電線路用三相π型電路模擬，使用了三相接地故障模塊模擬系統中的線路接地故障，到達用電區后，使用了一個500kV/220kV的降壓變壓器。連接其他電網部分為具體的用電網絡，此處采用了封裝技術，使系統結構更為簡潔清晰。

通過潮流計算后，使系統獲得穩定時的相關參數，主要包括輸入給發電機的機械功率和勵磁電壓等，本模型采用了ode23tb算法，仿真時間設置為50s，運行仿真模型后，系統很快達到穩定狀態，各參數符合相關指標，這說明所建立的仿真模型是合理的，如圖6所示。此處，為了更全面反映系統的運行情況，在20s處，加入了三相接地故障，設定故障在20.1s處消失，從圖6的仿真結果可以看出，系統在故障消失后很快又恢復了穩定，這說明所建立的仿真系統具有較好的穩定性。在圖6中，ω為發電機轉速，Vt為機端電壓， delta為發電機功角，Pa為功率偏差。

圖6 仿真結果

4 結論

本文對基于SimPowerSystems工具的電力系統仿真過程進行了研究，首先對各部件仿真模型進行了分析和描述，接著對電力系統仿真模型的建立過程進行了論述，給出了建立電力系統仿真模型的具體步驟和系統穩定時的相關指標情況，最后，對某地區實際的電力系統建立了對應的仿真模型，并通過潮流計算和仿真運行，得到了該系統的仿真結果。 本文通過仿真技術，將實際的電力系統建立起對應的仿真模型，從而為電力系統相關專業的實踐教學和科研提供了一個很好的軟件平臺。

[1]諶 莉,李勤剛,安英會.談仿真教學在電力職業教育中的作用[J].中國電力教育,2008, 340～342.

[2]周耀顯.基于PSASP的工礦企業電網頻率動態特性分析[J].天津理工大學學報,2013，29(3):20～23.

[3]張寶珍，張 堯.基于BPA 的“電力工程基礎”課程教學方法[J].電氣電子教學學報,2013，35(1):112～114.

[4]張 晗,伍 衡,李勝利.基于PSPICE的兩級磁脈沖壓縮系統建模與仿真[J].磁性材料及器件,2013,44(2):61～65.

[5]李 娜,徐 政.PSS/E中風電機組的低電壓穿越模擬方法[J].電力系統保護與控制,2013，41(8):23～29.

[6]張紅斌.基于SimPowerSystems的三相異步電動機的仿真分析[J].科技通報,2013,29(4):183～185.

[7]韓英鐸,高景德. 電力系統最優分散協調控制[M].北京：清華大學出版社,1997.

ResearchonpracticeteachingofpowersystemsimulationbasedonSimPowerSystems

GAO Hong-liang, ZHANG Xian-he, ZHAN Xi-sheng

(College of Mechatronics and Control Engineering, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

The practice teaching of power system is researched in this paper, and the simulation process of power system based on SimPowerSystems is mainly discussed in detail. All component models of power system simulation are introduced first, and then the building process of power system simulation model based on SimPowerSystems is discussed in detail, including concrete steps and related indicators. Finally, through building and run analysis of actual power system simulation model of an area, it shows that using SimPowerSysmtems for practice teaching of power system simulation and research is a very effective way.

SimPowerSystems;power system;simulink;practice teaching

2013—08—25

本文系“2011年度湖北師范學院教學研究項目”(項目編號：ZD201130)的研究成果。

高紅亮(1979— )，男，湖北蘄春人，講師，博士，主要研究方向為電氣工程及其自動化的教學與科研.

G64

A

1009-2714(2014)01- 0087- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.01.018