基于MATLAB-GUI的電力系統實驗的仿真平臺

湖北民族學院 張 俊 完顏幸幸 邢潤國 陳坤燚 譚必燈

0 引言

隨著計算機技術的發展，數字仿真技術也逐漸發展起來，目前已經成為研究電力系統的有效手段之一，MATLAB/simul ink為電力系統數字仿真提供了便捷的平臺。迄今，有許多學者利用simul ink作了大量的電力系統仿真研究，然而，這些研究多是以解決某一特殊問題而設計的仿真模型，具有較強的針對性，不適合用于電力系統實驗教學。利用圖形用戶界面的直觀性、可調性、便捷性可以很好地向學生們展示電力系統實驗的實驗原理和過程。從以上分析來看，本文借助MATLAB/simul ink方便、快捷的電力系統數字仿真能力以及MATLAB/GUI的界面制作功能來研制具有通用性、直觀性、系統性的電力系統數字實驗平臺具有重要意義。

1 系統功能與結構設計

本仿真平臺的設計流程圖如圖1所示。用戶通過主界面選擇實驗項目，仿真平臺切換至相應的GUI實驗界面，在這個GUI界面上有一些實驗所要用到的模塊。編輯框用來儲存simul ink參數的值和顯示實驗結果的數據部分，坐標系則用來顯示實驗原理圖和實驗結果中的圖形部分，“電力系統實驗simul ink模型”和“電力電子實驗simul ink模型”用來儲存實驗所需要的simul ink模型，按鈕是運行整個界面的開始鍵，點擊按鈕，GUI界面首先會將編輯框內的數據賦給simul ink模型，然后調用并運行該模型，運行結束后的實驗結果將顯示在坐標系和編輯框內，其縮放比例可以通過修改用戶界面的編輯框內的值來進行調整。為便于對圖像進行更多的后期處理，本平臺還將自動創建了f igure處理框。

圖1 系統結構圖

2 基于MATLAB/GUI的實驗平臺界面設計

2.1 功能界面設計

在明確系統功能后，搭建完成主界面框圖。在這個界面中設計了兩個坐標系：上方坐標系用來顯示實驗的原理圖，下方坐標系用來顯示實驗的結果圖；設計了靜態文本框，用來顯示控件功能說明；設計了按鈕，用于開始運行simul ink模型；設計了編輯框，用于對simul ink模型中相應元件賦值和顯示實驗數據；建立一級菜單“電力系統實驗”、“電力電子實驗”，并在相應菜單下建立子菜單項，對應于兩類實驗的各個子實驗。由于每個實驗的控制參數和輸出結果都不同，一個界面難以滿足所有實驗需求，所以每一個實驗都需要搭建獨有的界面，這些界面可以通過點擊一級菜單下的子菜單來相互切換。

2.2 界面控件的功能實現

界面搭建完成后會生成相應的m文件，通過在m文件中編寫函數來給相應控件賦予相應的功能。

（1）電壓、電阻、電抗編輯框的功能實現。將simulink中的元件值賦成變量，例如為k，則用：k=str2num(get(handles.edit1,’string’));語句將GUI界面中編輯框中的的值賦值給k，這樣就可以隨意在GUI界面更改simulink模型里的各個元件參數值，也因此可以獲得不同參數值下的輸出結果。這里我們已經設定了其初始值。

（2）功率曲線結果圖，控制信號結果圖按鈕的功能實現。使用options = simset(‘SrcWorkspace’,

‘current’);sim(‘fengli’,[],options);會在按鈕激活時運行名為guangfu的simulink模型，并通過plot（tout，yout）和plot（tout，yout1）繪圖函數將所得結果顯示在相應的坐標系中。

（3）測量值編輯框功能實現。其功能是將莫一時刻運行的結果值顯示到編輯框內，回調函數為：

w=q/3.5591e-004;

e=round(w);

y=yout(e);

set(handles.edit4,’string’,y);

其中q值我們所需測量的時間值。由于y=yout(e)語句是取第e步的輸出值，所以需要將q值轉換為步長，既w=q/3.5591e-004 ，通過assignin(‘base’,’valueX’,tout);函數將基本工作空間里的tout值以valueX名字保存到workspace空間，進而可以獲得每步的時間3.5591e-004。此外還要對其取整e=round(w)；注意的是，由于simulink取得是變步長，所以得到的y值并不為十分精確的值。

(4)“可更改坐標軸”編輯框的功能實現。有時候我們只需要研究某一段時間內的結果圖，因此就需要根據我們的要求限定返回圖形的x、y軸的坐標上下限。因為坐標限定函數axis[k1，k2，k3，k4]中k的值必須都為有效值，不能為空，當只需限定x軸或者y軸時該函數就會報錯。而xlim和ylim函數只允許單獨對x、y坐標的限定，當我們沒有給出有效值時，該函數會出錯。因此在這里可以將xlim、ylim和axis函數相結合，使用try——catch——end結構可以使其功能得以兼顧優化，既:

try

axis([k1,k2,k3,k4]);

catch

try

xlim([k1 k2]);

catch

ylim([k3 k4]);

end

2.3 錯誤提示框、關閉提醒框的設計

當坐標軸的范圍值超出仿真時長或者編輯框輸入格式不正確時，GUI界面就不會運行，此時就需要顯示錯誤類型并提醒用戶更改參數，將顯示錯誤輸入框。一般的GUI界面關閉時沒有任何提示，為了防止錯誤關閉設計了提醒框，關閉時會提醒是否關閉當前界面，避免了錯誤關閉。

2.4 實驗結果分析界面設計

當需要對結果圖進行保存或者對圖形做更多的處理時，可以在仿真按鈕函數下添加h=fi gure;plot(tout,yout)語句，運行時會自動彈出fi gure處理框，在這里面可以對圖形做更多的處理。

2.5 simulink模型的搭建

GUI界面運行時會調用運行“電力系統實驗simulink模型”和“電力電子實驗simulink模型”中的模型，其運行結果將會顯示在GUI界面中，每個實驗對應一個simulink模型。以“電力電子實驗simulink模型”中的太陽能發電最大功率點的simulink模型為例，此模型意在用采用爬山法實現光伏系統的MPPT自動控制（為簡化過程，光伏電池可用電壓源+內阻模型代替），并將輸出功率穩定在最大功率點附近，最終搭建完成總模型。

圖2 沒有使用爬山算法時的功率輸出圖

3 實驗平臺運行效果分析

在進行用爬山法實現太陽能發電最大功率點跟蹤這一實驗時，當系統沒有使用爬山算法模型時，其功率輸出如圖2所示。橫坐標顯示時間，縱坐標顯示系統輸出功率的大小。根據實驗原理，輸出功率曲線隨時間表現為一條先上升后下降的曲線，最終功率不能穩定在最大功率點附近。由圖可知，此系統的輸出功率不能穩定在最大發電功率下。在使用爬山法模型后的功率輸出結果如圖3所示。此系統的輸出功率就可以穩定在最大功率點的附近。綜上所述，此平臺的輸出結果與實驗本身結果一致。

圖3 使用爬山法模型后的功率輸出圖

4 結束語

這個平臺擁有較為完善的電力系統實驗和電力電子實驗仿真模型，在使用時可以直接調用，并且參數修改方便，所得結果也很清晰明確，節省了大量時間，有很好的教學實用性，直觀的結果圖還方便大家理解。后期還可以進一步擴展開發其他的實驗功能和添加工程實例，增加實驗的多樣性有效性。

此界面可生成獨立于MATLAB之外的可執行程序，使其運行可以不依賴于MATLAB軟件的有無，使其具有的功能滿足了大部分情況下的教學要求。

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