LabVIEW與MATLAB混合編程在電力系統潮流計算中的應用

胡恒 湯允鳳 張航

摘要：電力系統潮流分布計算是電網進行規劃設計、電力系統穩定經濟運行以及繼電保護裝置進行計算整定的重要依據。而MATLAB具有強大的數值計算能力以及包含大量的計算算法，非常適合進行電力網絡復雜的運算，但其在設計用戶界面卻稍遜于LabVIEW圖形化編程軟件。本文介紹了一種利用MATLAB Script節點技術，實現LabVIEW與MATLAB混合編程并開發出具有良好用戶操作界面的電力系統潮流計算軟件的方法。

關鍵詞：LabVIEW；MATLAB；混合編程；潮流計算；用戶界面

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0100-03

1 引言

迄今為止，計算機在各個行業的運用已十分普遍，而在利用計算機計算、分析、研究電力系統并實現電網安全穩定運行與電能的經濟調度時，往往離不開計算電力系統的潮流分布情況[1]。本文中所涉及到的潮流計算算法是在已知電力網絡中各線路、變壓器、發電機以及負荷等參數的情況下，對系統進行建模、編制計算程序進行求解、最后得出系統中各個節點的相關運行參數的程序[2]。

LabVIEW是美國NI公司創立的一種圖形化編程軟件，它在數據采集、數據處理顯示存儲等方面擁有著其他編程軟件無可比擬的優勢，廣泛地被研究實驗室、工業測控以及學術研究所接受。其突出的優勢是采用了圖形化的編程方式、提供了大量的功能函數庫以及具有設計高級用戶界面（UI）的功能[3]，但在復雜龐大的數值計算與分析方面卻顯得力不從心，這制約了它在開發大型應用程序方面的發展。由美國MathWorks公司開發的MATLAB具有強大的數值運算能力，在矩陣計算以及圖形處理上有著豐富、高效的工具箱[4]。但其在界面設計開發方面的能力較差，且生成的.m文件只能在MATLAB環境中運行，程序的可移植性、拓展性、通用性較差[5]。因此，本文以LabVIEW作為界面設計開發工具[6]，利用MATLAB Script節點技術結合MATLAB強大的數值運算能力，將其應用于電力系統潮流計算，達到開發出具有良好用戶操作界面的電力系統潮流計算軟件的目的。

2 電力系統潮流計算算法

2.1 高斯-賽德爾迭代法

高斯—賽德爾迭代法[7]是在高斯迭代法的基礎上利用上一次的迭代值形成的，其計算精度更高，收斂速度更快。在電力系統中，經常運用節點電壓法求解線路運行參數，我們可假設系統有n個節點，將平衡節點編號為s，剩余的節點均為PQ節點，節點導納設為Y，則可列出功率方程如下：

對系統中的每一個節點都列出相應的方程，共有n-1個方程。由于各節點的注入功率、各節點導納以及平衡節點電壓都是已知的，故只有n-1個節點的電壓是待求的，從而方程式可能有唯一解。

采用牛頓-拉夫遜方法進行潮流計算時，具有平方收斂性，收斂速度快，但每一次迭代都要進行一次雅克比矩陣的更新，這將耗費大量的運行時間，實際計算過程中通常結合稀疏矩陣技術對節點導納矩陣以及雅克比矩陣進行處理以加快運算速度。

2.3 PQ分解法

PQ分解法又稱快速解耦法，是計及電力系統的特點后，對牛頓-拉夫遜方法進行改進的算法，它將牛頓-拉夫遜方法中形成的雅克比矩陣進行簡化以及常數化，使算法在迭代的過程中可不再對雅克比矩陣進行更新，大大節省了計算機內存以及計算時間，但其只能適用于高壓配電網。為不失代表性，本文將以全極坐標表示下的牛頓-拉夫遜方法為算例進行潮流計算。

3 仿真計算軟件的實現

3.1 MATLAB Script節點技術

MATLAB Script節點是實現LabVIEW與MATLAB之間相互通信的橋梁紐帶，其是由LabVIEW通過內置的ActiveX控件與MATLAB Server建立連接進行數據交互，通過調用MATLAB命令和函數以實現復雜龐大的數值計算與分析過程[9]。兩者的參數傳遞示意圖如圖1所示。

使用MATLAB Script節點方式如下：

在LabVIEW函數選板中選擇數學>>腳本與公式>>腳本節點>>MATLAB腳本，即可添加MATLAB Script節點進入到程序框圖，在MATLAB腳本節點的左側與右側可分別添加不同類型的輸入或輸出參數進行相關配置[10]。

3.2 MATLAB編程算法

利用MATLAB Script節點，使用牛頓-拉夫遜法求解電力系統潮流分布的MATLAB程序流程圖見圖2。

3.3 LabVIEW編程實例

LabVIEW計算潮流分布程序如圖3所示，當開始計算按鈕按下后，即會彈出選擇文件對話框，在選擇.dat文件后，路徑轉字符串.vi將文件路徑轉換為字符串傳給MATLAB Script節點，同時為了提示用戶程序正在計算，利用Set Busy.vi將鼠標指針設置為忙碌狀態，而后MATLAB Script節點調用MATLAB Server進行運算，最后將計算出的各節點電壓幅值與相角、注入功率、迭代次數、計算耗時等潮流分布情況進行輸出，數據分析.vi將節點輸出的參數進行處理以及顯示在軟件操作界面，當計算完畢后，即彈出計算完畢對話框，而同時利用Unset Busy.vi將鼠標指針取消設置為忙碌狀態。當需要對所計算的數據進行保存時，可點擊保存數據按鈕，程序會將計算結果以Excel文檔形式保存，相應的LabVIEW程序見圖4。

4 仿真計算軟件效果演示

4.1 軟件界面

仿真實驗軟件界面如圖5所示，實驗軟件提供了圖形式的人機交互界面，操作界面分為三個部分，第一個部分包括了計算出的各節點的電壓幅值與相角、注入功率、線路功率等潮流分布仿真計算結果，第二部分為各節點電壓幅值與相角、節點注入功率圖，可簡要分析各個節點的潮流分布情況，第三部分為數據保存，可以對計算出的潮流數據進行數據的存儲。

4.2 以IEEE—14BUS標準試驗系統潮流計算為例的效果演示

按下開始計算按鈕后，即會彈出潮流數據文件選擇對話框，選擇IEEE14.dat文件，計算完成后，系統各節點電壓幅值與相角、注入功率、迭代次數、計算耗時等潮流分布情況將顯示在主界面，同時軟件還會繪制出各節點電壓幅值與相角、節點注入功率圖，可簡要了解各個節點的潮流分布情況，計算結果界面同如圖4所示。以下是軟件計算保存的數據，與標準系統計算結果對比如表1所示。

對比標準潮流計算結果可知，軟件計算結果完全正確。

5 結語

本文利用MATLAB Script節點技術，實現了LabVIEW與MATLAB混合編程，并開發出了具有良好用戶操作界面的電力系統潮流計算軟件。該軟件操作簡單、人機交互界面友好、計算速度快、潮流計算結果輸出詳盡，該軟件已經開始應用于廣西大學電力系統穩態實際教學中，充實了教學內容， 提高了教學效果，對當今電力系統潮流計算同時也具有較高的參考價值。

參考文獻

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[10]張廷軍.LabVIEW和Matlab在雷達系統仿真中的應用[J].數字技術與應用，2016，（08）：55-56.

Abstract：The calculation of power flow distribution in power system is an important basis for the planning and design of power grid， the stable and economic operation of power system and the calculation and setting of relay protection devices. MATLAB has strong numerical calculation ability and contains a large number of calculation algorithms， which is very suitable for complex calculation of power network， but it is slightly inferior to LabVIEW graphical programming software in designing user interface. This paper introduces a method of using MATLAB script node technology to realize mixed programming of LabVIEW and MATLAB and develop power system power flow calculation software with good user interface.

Key words：LabVIEW； MATLAB； hybrid programming； power flow calculation； user interface