岳昊，胡欣，李興源

（1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405;

2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

在電力系統(tǒng)研究過程中，軟件仿真是不可缺少的一個環(huán)節(jié)。PSCAD/EMTDC（electro－magnetic transient in DC system）軟件是目前世界上比較權(quán)威的電磁暫態(tài)仿真軟件之一，它具有十分完善的元件模型庫和功能，它能為用戶提供一個完全集合的圖形環(huán)境，以便用戶構(gòu)造仿真電路［1－2］。MATLAB軟件是目前使用最廣泛的數(shù)值計算軟件，它具有強大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的圖形功能，并且具有功能齊備的工具箱［3－5］。在進行電磁暫態(tài)仿真時，PSCAD軟件由于本身的局限性沒有提供計算復(fù)雜的模塊，如模糊控制模塊。MATLAB雖然具有強大的計算功能，但是MATLAB軟件中要自己搭建所需模型。將PSCAD軟件和MATLAB聯(lián)合編程，進行仿真，分析數(shù)據(jù)，可以充分利用兩個軟件的優(yōu)點。

PSCAD軟件提供了MATLAB串行接口，由于操作手冊是英文版，對于剛剛學(xué)習(xí)的人用起來十分不便，國內(nèi)的一些研究往往言之不詳，文獻［6］雖然給出PSCAD和MATLAB接口可以連接，但是并沒有給出具體的連接方法。文獻［7－8］雖然對PSCAD和MATLAB接口連接做了研究，但是在使用時要自己編譯所需的功能程序來實現(xiàn)MATLAB中各個工具箱的功能，增加了工作量。本文通過M文件直接調(diào)用MATLAB中的Fuzzy Logic工具箱，跳過模糊控制程序編譯，提出了一種新的MATLAB與PSCAD連接方法，來實現(xiàn)PSCAD軟件中的模糊控制，節(jié)省了工作量，擴展了PSCAD和MATLAB兩個軟的功能。

1PSCAD與MATLAB接口原理

PSCAD與外部數(shù)據(jù)的互換要通過自定義元件實現(xiàn)，PSCAD軟件內(nèi)部有一個Fortran文件DSDYN，通過它能夠調(diào)用外部的Fortran子程序，該子程序通過 Fortran的 API接口功能能夠啟動MATLAB數(shù)據(jù)引擎，同時，含有MATLAB命令的M文件也將傳送到MATLAB數(shù)據(jù)引擎中，這樣，PSCAD和MATLAB就能夠結(jié)合起來。用戶還可以通過編譯M文件來定義用戶所需要的元件模型，來實現(xiàn)所需要的仿真。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1PSCAD與MATLAB接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 Fuzzy Logic工具箱功能及應(yīng)用

Fuzzy Logic工具箱是MATLAB軟件中自帶的工具箱，能夠?qū)崿F(xiàn)模糊推理和模糊控制器的仿真。它集成了FIS編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、規(guī)則瀏覽器和輸出預(yù)覽瀏覽器等可視化工具，使得用戶能夠快速設(shè)計模糊控制器［9］。

3 仿真

本文采用PSCAD/EMTDC軟件里面CIGRE標準直流輸電模

圖2 CIGRE直流輸電模型

3.1 模糊控制器設(shè)計

3.1.1 定義輸入輸出變量及其隸屬函數(shù)

進入MATLAB變成環(huán)境后鍵入fuzzy就會彈出FIS（Fuzzy Inference System）編輯器，在FIS編輯器中設(shè)置模糊控制器的模糊算子、輸入輸出變量個數(shù)、模糊變量名稱和解模糊化的方法。

圖3 Δγ隸屬函數(shù)曲線

圖5 β角隸屬函數(shù)曲線

圖4·γ隸屬函數(shù)曲線

雙擊FIS編輯器中的輸入和輸出變量方框，就能夠進入隸屬函數(shù)編輯器界面，對模糊變量的隸屬函數(shù)編輯。通過隸屬函數(shù)編輯器我們能夠定義變量的論域、變量的模糊集、函數(shù)類型。文中選取逆變側(cè)熄弧角 γ的整定值 γref和測量值 γinv的差值Δγ以及其差值變化率Δ·γ作為模糊控制器的輸入量，Δγ的論域為［－4 4］，模糊集為［負大，負小，零，正小，正大］，Δ·γ 論域為［－4 4］，模糊集為［負大，負小，零，正小，正大］，將越前觸發(fā)角β的作為輸出，β的論域為［0 4］，模糊集為［零，正小，正中，正大］，輸入和輸出的隸屬函數(shù)如圖3－5所示。

3.1.2 定義模糊規(guī)則

選擇FIS編輯器或隸屬函數(shù)編輯器中的View菜單下的Edit Rule…子菜單，或雙擊FIS編輯器中流程圖里的規(guī)則方框即可進入模糊規(guī)則編輯器主界面，按照規(guī)定的模糊規(guī)則格式編寫模糊規(guī)則，計算機便可根據(jù)模糊推理合成規(guī)則進行模糊矩陣計算。本文采用的模糊規(guī)則如表1所示。

模糊規(guī)則設(shè)定好以后，點擊FIS編輯器主菜單中的View子菜單，可以看到經(jīng)模糊決策矩陣運算并解模糊化后得到的三維做

表1 模糊規(guī)則表

圖6 輸出的三維坐標圖

3.2 PSCAD和Fuzzy Logic工具箱接口實現(xiàn)

接口自定義元件包括Graphic、Parameters、Script和M文件四部分設(shè)計，這四部分相輔相成的。PSCAD是根據(jù)變量名來區(qū)分變量，所以在設(shè)置變量的時候要注意保持變量名的一致。

在Circuit畫布界面，選擇Create New Component，會彈出元件自定義導(dǎo)向。根據(jù)所需仿真所需填入輸入輸出類型、數(shù)據(jù)類型、維數(shù)。根據(jù)圖2所示，本文的輸入數(shù)列名設(shè)置為INPUT、2維;輸出設(shè)置為OUTPUT、1維。

通過Parameters界面設(shè)置自定義元件的參數(shù)。其中Text Field用來設(shè)置MATLAB路徑和文件名，后者用來改變調(diào)用Fuzzy Logic工具箱的速度。其中Text Field中文件名與在Circuit界面中創(chuàng)建的元件名稱一致，路徑設(shè)置必須同M文件的文件夾名稱一致。

Script的作用主要是編寫腳本代碼，本文所要完成的是PSCAD同MATLAB接口的連接，接口所要完成的代碼要在DSDYN文件中添加。本文腳本代碼編寫如圖7所示。

圖7 腳本代碼程序

通過編寫M文件完成對Fuzzy Logic工具箱的調(diào)用。M文件的編寫如圖8所示。

圖8 M文件程序編寫

3.3 仿真結(jié)果

將設(shè)計好的模糊控制器作為自定義模塊在PSCAD/EMTDC軟件中實現(xiàn)。本文仿真所用的系統(tǒng)為CIGRE標準直流輸電模型，系統(tǒng)逆變側(cè)的最小熄弧角為10°，當系統(tǒng)逆變側(cè)熄弧角小于10°時認為系統(tǒng)逆變側(cè)發(fā)生換相失敗。分別在單相接地故障和三相接地故障情況下，對模糊控制器和傳統(tǒng)的PI控制器在換相失敗恢復(fù)性能方面，進行了仿真比較。

在0.7 s時在CIGRE系統(tǒng)的逆變側(cè)設(shè)置三相接地故障，并在0.1 s后將故障切除。系統(tǒng)逆變側(cè)熄弧角和直流電流波形如圖9～12所示。

圖9 PI控制下逆變側(cè)熄弧角曲線

圖10 模糊控制下逆變側(cè)熄弧角曲線

由以上幾張圖形可以看到在MATLAB中設(shè)計的模糊控制器能夠在PSCAD軟件中應(yīng)用，并取得了良好的效果，驗證了本文接口方法的正確性，實現(xiàn)了兩個軟件的互聯(lián)，拓展了兩個軟件的功能。

圖11 PI控制下逆變側(cè)直流電流曲線

圖12 模糊控制下直流電流曲線

4 結(jié)束語

本文通過分析PSCAD和MATLAB接口原理，提出一種新的調(diào)用接口方式，不需要在M文件中編寫模糊控制器的程序，而是通過M文件直接調(diào)用MATLAB中的Fuzzy Logic工具箱，節(jié)省了大量的時間，拓展了兩個軟件的功能。但是，采用 PSCAD和MATLAB聯(lián)合仿真需要更多的時間，可以通過增加時間步長的方法來提高仿真的速度。

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