基于Matlab和LabVIEW技術的電力系統自動化仿真實驗教學系統設計

吳 娜，徐慧然，于永進，衛永琴，孫秀娟，王文宇，姜 雨

（山東科技大學，山東 青島 266590）

1 研究背景

《電力系統自動化》是電氣工程及自動化專業的一門重要專業課，既具有較強的理論性，又具有較強的工程實踐性。在傳統的實驗教學模式中，一方面實驗內容多為實驗教材中的固定項目，且陳舊單一，多是驗證性實驗，缺乏綜合性、開放性；另一方面隨著我國電力系統中可再生能源發電技術的發展，我國電網已形成西電東送、南北互供的格局，進入了跨大區互聯、超/特高壓交直流混合輸電的時期，傳統電力系統自動化實驗無法體現自動控制新技術、新理論在現代互聯電力系統的應用，與電力工程現場的實際情況偏離較大。因此，將仿真分析引入實驗教學中，可以有效幫助學生加強對課程的理解和應用。

目前，越來越多的電氣工程相關課程將仿真技術引進日常教學中[1-4]。Matlab/Simulink作為一款集成式數學軟件，包含科學計算、交互式程序設計等功能，具有適應面廣、效率高等優點，被廣泛運用于電氣工程專業相關實驗[5]。

LabVIEW作為一種通用的編程系統，使用圖形化編輯語言G編寫程序，盡可能利用技術人員、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，降低了編程難度。因此越來越多的仿真軟件開始使用LabVIEW進行界面設計[6-7]。

電力系統自動化仿真實驗教學系統通過Matlab/Simulink進行仿真，復現配電網的運行過程并實時提取系統各項參數。通過LabVIEW進行界面設計和數據呈現，方便學生簡單直觀的觀測配電網實時運行情況。實驗系統設計將吸引和激發學生的求知欲，促進學生開展自主性、研究性以及探索性的學習，對于培養學生綜合把握和運用電氣工程學科理論知識解決工程設計問題、提升其實踐能力具有重要意義。

2 仿真實驗系統介紹

2.1 仿真實驗系統的搭建

本仿真實驗系統的搭建包括以下三個步驟：

（1）通過Simulink軟件搭建實驗所需的電力系統模型，包括10kV輻射狀配電網絡、逆變型光伏電源、逆變型風電電源和IEEE33節點系統等。通過對測量結果的觀測進行線路參數調整，完成仿真運行并輸出仿真結果。

（2）利用Windows動態鏈接庫技術（DLL），將搭建好的Simulink仿真格式轉換成可執行程序或其他DLL調用來完成某項工作的函數。

（3）采用LabVIEW進行程序編寫，繪制系統主要操作界面和數據觀測界面，完成整個仿真系統的構建。

搭建的仿真實驗系統結構如圖1所示（P156）。

圖1 仿真實驗系統結構圖

2.2 仿真實驗系統的主要功能

2.2.1 用戶界面功能

實驗系統主要包含主界面和各實驗子界面。系統的主界面可以自主選擇想要進行的實驗。各子界面則呈現配網運行的實驗情況，同時可以圖形化呈現觀測數據結果，使觀測結果清晰直觀。

2.2.2 電路仿真實驗功能

根據課程要求，本系統主要包含四個仿真實驗：電網故障隔離與恢復仿真分析實驗、分布式電源并網控制仿真分析實驗、高比例分布式電源接入配電網的影響分析實驗和交流微電網運行控制仿真實驗，均依照課程規定的實驗要求設置仿真參數并實時運行。

2.2.3 實驗結果展示功能

配網仿真運行過程中，各線路的電壓、電流、有功、無功狀態都是觀測系統運行情況的重要參數，上述數據在仿真過程中以圖形化形式呈現在界面中，方便使用者進行數據采集和記錄。

2.2.4 用戶參數調節功能

為了方便學生更好的理解線路運行過程，可以對線路部分參數進行調整，例如光伏電源的日照程度、配網的負荷大小等，調整時需將仿真運行停止，待參數調節完畢后重新運行，即可觀察線路的運行狀態變化。

2.3 仿真實驗系統設計

2.3.1 Simulink仿真電路設計與設置

Simulink仿真是實驗系統的核心部分，在系統構建時需要針對不同的實驗要求搭建不同的輸配電線路，并給出合適的線路參數以保證系統的準確運行。由于實驗要求不同，每項試驗的數據端口也各不相同，下面逐一做簡要的介紹。

在配電網故障隔離與恢復仿真分析實驗中，輸入控制參數主要是故障類型和故障位置。學生可以在LabVIEW界面中對故障類型和故障位置進行調整，觀測其對配電網保護所產生的影響；分布式電源并網控制仿真分析實驗中，輸入控制參數主要為風速的高低、日照輻射的大小，學生在LabVIEW界面中通過調整具體參數，即可得到不同環境狀態下分布式電源的輸出特性，如有功功率和無功功率的變化情況；在高比例分布式電源接入配電網的影響分析實驗中，輸入控制依然是分布式電源的控制參數，通過對分布式電源的各種參數調整，仿真分析高比例分布式電源接入對配電網頻率、電壓等參數的影響；在交流微電網運行控制仿真分析實驗中，輸入控制主要是分布式電源的參數和微電網的負荷，通過參數調整控制使學生掌握微電網動態運行的分析方法。

數據端口可以通過Simulink的Configuration選項卡來確定。端口確定完畢后，將Simulink中的powergui設置為離散狀態，然后點擊Simulink中的BuildModel按鍵，完成編譯。

2.3.2 DLL文件的生成

本文通過VisualStudio2017生成DLL文件。首先新建一個項目，選擇動態鏈接庫，將上述編譯生成的文件夾中的.c文件全部添加到項目中，在函數聲明前面加上__declspec(dllexport)，實現函數的導入導出；新建頭文件，在頭文件中輸入函數的聲明，然后進行編譯，在Debug文件夾內會自動生成DLL文件。

2.3.3 仿真系統界面設計

LabVIEW進行系統界面設計時，通過采用選項卡控件配合事件結構，實現不同實驗子界面之間的切換；每個子界面相互獨立，各自配置輸入控件和顯示控件進行參數設置和波形顯示。用戶可在主界面中自主選擇切換至任意實驗子系統。

3 電力系統自動化仿真實驗

3.1 配電網故障隔離與恢復仿真分析實驗

本模塊分別搭建了配電輻射狀網絡和環網開環運行時兩種結構形式下的實驗模型，仿真分析了重合器與分段器配合、隔離故障區段、恢復正常線路供電的過程。該實驗可以幫助學生掌握配電網故障隔離的含義、配電網一次系統的仿真設計方法。

下面以輻射狀網絡結構為例介紹本實驗的子模塊界面。實驗界面如圖2所示（P157）。

圖2 故障隔離與重合閘實驗模型及結果

子界面主要分為以下三部分：界面上方為輻射狀配電網絡的單線圖，主要包含電源模塊、負載模塊、故障模塊和保護判別及恢復模塊；界面下方為仿真結果展示部分，通過波形圖體現線路上各保護的動作情況，如圖所示線路50%的位置處在0.1s時發生了單相接地故障，由于故障電流超過了整定值，保護模塊迅速動作將故障切除，經過0.3s的延時之后保護重合閘恢復線路正常供電；其右側為參數調整模塊，可以對故障類型和故障位置進行調整，探究不同故障發生時線路的動作情況。

3.2 分布式電源并網控制仿真分析實驗

本模塊搭建了風能、光伏等類型分布式能源發電設備實驗模型，仿真分析了各種類型分布式電源逆變器并網工作過程和并網控制系統的安全性、靈活性和可調度性。該實驗可以幫助學生掌握分布式能源發電設備模型仿真搭建的方法、分布式電源并網控制仿真系統設計方法以及控制系統的仿真性能分析。仿真實驗模型及仿真結果如圖3所示。

圖3 光伏電源并網實驗模型及部分仿真波形

下面以光伏電源并網實驗模型為例介紹本實驗的子模塊界面。

子界面主要分為三個部分：①界面左側是光伏電源并網單線圖。光伏電源為逆變器型分布式電源，采用低電壓穿越的控制策略，在系統發生故障，并網點電壓低于規定時，光伏電源將輸出無功為系統提供支撐。光伏電源主要包含PV模塊、最大功率點跟蹤模塊、逆變模塊以及并網部分，配網界面如圖3（a）所示。②界面下方為仿真結果數據展示部分，該部分主要將系統實時測量到的負荷側電壓、有功功率、無功功率等數據通過波形圖的方式展現出來，部分數據結果如圖3（b）所示。通過實驗結果可以看出，光伏電源輸出的有功受到其日照輻射度的影響，0.5s日照輻射度降低時，光伏電源輸出功率明顯減小，甚至接近于0，而當1s時，日照輻射度恢復，光伏電源的輸出功率重新回到原來的狀態。③界面右側為參數調整模塊，可以對光伏電源的日照輻射度進行調整，觀測不同時間不同環境下光伏電源的輸出特性。

風力發電模型為雙饋異步發電機，包含繞線式轉子異步發電機模塊以及基于IGBT的交-直-交PWM 變頻器，通過轉速和機側變流器控制實現最大功率點跟蹤。風電并網實驗模型與上述光伏電源并網子模塊界面類似，在此不再贅述。

3.3 高比例分布式電源接入配電網的影響分析實驗

本模塊通過搭建風能、光伏等分布式能源發電設備仿真模型，分析了高比例分布式電源接入電力系統對電網頻率和電壓等參數的影響。

子界面也分為三個部分：①界面左側為輻射狀配電網絡結構圖，本實驗采用IEEE33標準節點模型搭建該配電網絡。由于系統結構復雜，此處采用節點簡化的方法，將母線及分布式電源采用節點方式呈現，最大限度地節省了系統占用的空間及資源，使仿真模型結構更加簡潔，更便于學生理解及使用。②界面下方為仿真結果數據展示部分。由于節點過多，只選擇部分節點測量其電壓、電流、有功功率和無功功率等電網參數，并通過波形圖的形式予以展現，默認狀態下呈現三相波形。仿真波形結果顯示，大量分布式電源并網前，電力系統呈現穩定運行狀態，而分布式電源并網則會對電力系統造成一定的擾動，擾動結束后，并網點的電壓受到分布式電源運行狀態的微小影響，整體電力系統依然可以穩定運行；另外，用戶還可根據需求自行調整，單獨查看某一相的運行狀態。③界面下方為參數調整模塊，用戶可以根據實驗要求，對任一分布式電源的參數，如光伏電源的日照輻射度、風能電源的風力大小等進行調節。

3.4 交流微電網運行控制仿真分析實驗

本模塊搭建了含光伏機組、風電機組、儲能元件等裝置的交流微電網實驗系統，仿真分析了交流微電網孤島與并網運行兩種方式下動態運行特征，以及交流微電網運行的頻率控制、電壓控制策略。該實驗可以幫助學生掌握交流微網系統仿真模型搭建的方法、微網在孤島以及并網兩種運行方式下動態運行特性分析的方法。

用戶在進入交流微電網運行控制仿真分析實驗系統后，首先需要選擇微網運行方式，選擇后進入子界面。本實驗的子界面主要分為三個部分：①界面上方為系統單線圖。當選擇為孤島運行時，主要包含光伏模塊、風電模塊、儲能模塊以及負載模塊。其中光伏模塊與儲能模塊采用逆變器控制，風電模塊為雙饋異步電機，儲能模塊在孤島運行時采用恒壓充放電模式，根據分布式電源輸出功率與負載功率的關系，通過充放電實現功率的平衡，維持母線電壓穩定。上述三個模塊通過變壓器連接至一個3kW的負載，負載與大電網無連接，只由分布式電源供電，這樣即實現了孤島運行狀態下的仿真；當選擇為并網運行方式時，除光伏、風電、儲能及負載模塊外，還包含模擬主系統的三相交流電壓源模塊，此時分布式電源與主系統同時為負載供電。②界面下方為仿真結果數據展示部分。該部分主要將系統實時測量到的負荷側電壓電流有名值，光伏機組、風電機組以及儲能元件的有功功率、無功功率等數據通過波形圖的方式展現出來。當線路孤島運行時，負載狀態受到分布式電源運行狀態的影響，但由于儲能模塊的作用，供電電壓與頻率總體穩定；當線路并網運行時，由于主系統的投入，系統運行狀態穩定。③界面下方為參數調整模塊，可以調整微電網的負荷默認值，觀測不同情況下的數據變化情況。

4 教學效果

本仿真系統利用Matlab/Simulink進行仿真程序編寫，仿真系統具有科學性、嚴謹性，能準確完成實驗要求，獲得實驗數據；利用LabVIEW進行界面設計，整體界面簡約大方，界面功能一目了然。

目前該仿真實驗已經投入山東科技大學2019級電氣工程及其自動化專業本科生及專業碩士研究生的電力系統自動化課程教學中實際應用，通過課堂講授與仿真實驗相結合的方式，加深了學生對本學科的理解，提高了學生的應用實踐能力，達成了預期的教學目標。

5 結語

本文介紹了電力系統自動化仿真教學系統的設計、制作過程。本系統作為輔助教學工具，克服了時間和空間的局限性，把繁雜的仿真分析用更利于學生操作的方法呈現出來，可以幫助學生更方便、靈活的應用課程相關知識，更全面、深入地去學習理解電力系統自動化的技術和原理。本系統為教師和學生提供了研究平臺，目前已經取得了良好的教學效果。在今后的工作中，還可以對系統的整體性能做進一步的優化提高。