李惜玉，陳俊坡，周可盈

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510060)

·計算機科學(xué)與實驗·

基于Matlab/Simulink與PSASP的潮流計算

李惜玉，陳俊坡，周可盈

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510060)

電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是當(dāng)前國內(nèi)電力系統(tǒng)仿真的常用軟件，而Simulink是Matlab中的一種可視化電力系統(tǒng)仿真組件，兩種軟件都具有強大的電力系統(tǒng)分析計算功能。該文對一個四節(jié)點系統(tǒng)分別采用兩種軟件對其進行潮流仿真計算，并對結(jié)果進行了比較及分析。實驗結(jié)果表明，Matlab更適合于具體模型或精度要求高的仿真，但進行潮流計算的操作較為繁瑣；而PSASP更適合于參數(shù)較少或理想狀況下的建模及穩(wěn)態(tài)計算分析。

Matlab Simulink；電力系統(tǒng)分析綜合程序；電力系統(tǒng)；潮流計算

潮流計算是研究電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃方案最重要和最基本的手段，其任務(wù)是根據(jù)給定的發(fā)電運行方式及系統(tǒng)接線方式求解電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行狀況，包括各母線的電壓以及各元件中通過的功率[1]，是電力系統(tǒng)安全運行和規(guī)劃，以及可靠性分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)[2]。

1 Matlab Simulink和 PSASP簡介

Simulink是在Matlab上具有仿真鏈接的一個部件，幾乎能對所有可以用數(shù)學(xué)描述的系統(tǒng)進行建模，例如通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、汽車動力系統(tǒng)、航空航天動力系統(tǒng)及船舶系統(tǒng)等，使用便利，有十分強大的功能。其中Simpowersystem庫能進行電子、電力系統(tǒng)建模和仿真，建立在Hydro-Quebec電力系統(tǒng)測試和仿真實驗室的實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，并由Hydro-Quebec和TECSIM International公司共同開發(fā)而成，其用電路建模方式進行模型的搭建，將仿真系統(tǒng)圖變換成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在Simulink下進行仿真分析，為發(fā)電和輸電系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電路和電力電子系統(tǒng)、配電計算提供了強有力的解決方法，特別擅長于設(shè)計開發(fā)內(nèi)容關(guān)系到控制系統(tǒng)的設(shè)計[3]。

PSASP是一款由中國電力科學(xué)院研發(fā)的能進行電力系統(tǒng)潮流、暫態(tài)穩(wěn)定和短路計算的仿真軟件。PSASP的結(jié)構(gòu)分為3層，即具有公用數(shù)據(jù)和模型的資源庫的第1層，在資源庫基礎(chǔ)之上的第2層，以及含有各種計算結(jié)果庫和分析工具的第3層[4]；擁有進行包括短路計算、復(fù)雜故障計算及繼電保護整定計算的故障分析，包含潮流分析、網(wǎng)損分析、最優(yōu)潮流和無功優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)分析和具有暫態(tài)穩(wěn)定計算、電壓穩(wěn)定計算和控制參數(shù)優(yōu)化的機電暫態(tài)分析功能。它具有使用簡單、功能齊全的特點[5]。

2 電力系統(tǒng)的建模及潮流計算

本次研究選取了一個雙機四節(jié)點電力系統(tǒng)模型[6]，如圖1所示。該系統(tǒng)由1臺同步發(fā)電機、1個無窮大系統(tǒng)、4個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、1臺雙繞組變壓器、2組負(fù)荷及三回三相無中線交流輸電線路組成。其中節(jié)點S4為平衡節(jié)點，節(jié)點S3為PV節(jié)點，節(jié)點S1、S2為負(fù)荷PQ節(jié)點。線路參數(shù)為：

Z12=0.10+j0.40,Y120=X210=j0.015 28；

Z14=0.12+j0.50，Y140=Y410=j0.019 20；

Z24=0.08+j0.40，Y240=Y420=j0.014 13；

PQ節(jié)點參數(shù)為：PS1+jQS1=-0.3-j0.18；PS2+jQS2=-0.55-j0.13； PV節(jié)點S3參數(shù)：PS3=0.5，VS3=1.10；平衡節(jié)點S4參數(shù)：VS4=1.05+j0；變壓器參數(shù)：K=1.1，Z13=j0.3。

圖1 電力系統(tǒng)接線圖

2.1 PSASP 6.22的建模

建模分為以下3個步驟：1)根據(jù)仿真模型在編輯模式中進行繪圖和參數(shù)的錄入；2)進入運行模式定義作業(yè)方案；3)執(zhí)行潮流計算，選擇需要輸出的數(shù)據(jù)輸出報表[7]。其仿真模型圖如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)PSASP仿真模型圖

2.2 Matlab 7.0的建模2.2.1 Matlab元件選取及參數(shù)

在Matlab7.0中，各元件線路的參數(shù)取用有名值，取額定容量為100 MVA，額定線電壓為380 kV，額定頻率為50 Hz。

本次建模使用到的模型有簡化電機模塊、Π形電路模塊、RLC串聯(lián)負(fù)載模塊、雙繞組變壓器模塊、powergui模塊和三相電壓電流測量表。

2.2.2 Matlab仿真

在Simulink模塊庫與Simpowersystem模塊庫中選取相應(yīng)的模塊并按圖搭建好模型。通過powergui模塊進行潮流計算和電機初始化[8]：對電機節(jié)點進行設(shè)置節(jié)點類型及相應(yīng)的電壓相角或功率，再更新潮流分布，得到相應(yīng)的電機節(jié)點潮流結(jié)果；其他的節(jié)點潮流數(shù)據(jù)則可以通過powergui的穩(wěn)態(tài)電壓電流分析功能獲得[9]。其模型接線如圖3所示。

2.2.3 Matlab仿真過程中的注意事項

Matlab對仿真模型的精確度要求較高，在Matlab軟件的仿真環(huán)境中并不允許發(fā)電機與變壓器直接相連，因此在這之間加入了僅僅1 km的三相無中線交流輸電線路模型，另外設(shè)定線路參數(shù)時令數(shù)量級小一些，這樣對結(jié)果的影響可忽略不計。在進行更新潮流分布前，對于平衡節(jié)點要輸入估計的有功功率的值[10]，否則可能因為初始值的錯誤而造成無解，所以應(yīng)先手算或通過其他軟件得出解的合適范圍，再輸入求得的大致功率。對于變壓器的一二次側(cè)繞組電抗，由于在其中輸入的均為標(biāo)幺值，取r=0，一二次側(cè)的電抗和為0.3即可。Matlab與PSASP結(jié)果對比如表1所示。

由表1可看出，在一定的誤差范圍內(nèi)(模型誤差)，分別基于PSASP與Matlab建模進行潮流計算輸出結(jié)果十分接近，均能對電力系統(tǒng)進行仿真分析并得到較為準(zhǔn)確的解。

2.3 對比分析

1)處理數(shù)據(jù)的精度的差異。Matlab/Simulink可輸入數(shù)據(jù)的精度要比PSASP高；PSASP輸入的精度最高只能達到小數(shù)點后4位，有著自身的局限性，而Matlab是通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)及傳遞函數(shù)表達進行仿真，輸入處理數(shù)據(jù)的精度理論上要比PSASP高得多。

2)在穩(wěn)態(tài)分析及暫態(tài)分析上的差異。相比于Matlab中的Simulink，在電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析的時間效益上，PSASP要明顯高于前者，Matlab是通過轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)函數(shù)及傳遞函數(shù)在時域上的處理而得出結(jié)果，而PSASP是通過各個模型數(shù)據(jù)庫間的計算聯(lián)系得出結(jié)果，同樣的一個電力系統(tǒng)模型，5 s的穩(wěn)態(tài)分析，在Matlab上仿真需要幾分鐘，而PSASP則可以立刻得到結(jié)果；相對地，由于上述原因，在小擾動細(xì)節(jié)上的體現(xiàn)，Matlab要更細(xì)致，明顯地優(yōu)于PSASP；理論上Matlab更適合做暫態(tài)分析。

圖3 電力系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真模型圖

仿真軟件節(jié)點MatlabPSASP電壓幅值/p.u.電壓相角/(°)有功功率/p.u.無功功率/p.u.電壓幅值/p.u.電壓相角/(°)有功功率/p.u.無功功率/p.u.10.98437-1.01-0.30-0.180.98468-0.50000.30-0.1820.96902-6.30-0.55-0.130.9648-6.4503-0.55-0.1331.16.810.500.0971.16.730.50.09341.0500.37870.25211.0500.367880.26469

3)在模型元件上的差異：在同樣的電力系統(tǒng)模型下，PSASP可有選擇性地不填入發(fā)電機電抗電阻、交直軸電抗等參數(shù)，變壓器可不填入勵磁電抗電阻等；而在Matlab上，即便是最簡單的簡化電機模型，也要填入勵磁阻抗值。也就是說，PSASP可以做相對理想狀況下的電力系統(tǒng)仿真，也可以設(shè)置具體參數(shù)值，模型相對簡單；而Matlab則需要較為具體及詳細(xì)的參數(shù)，較貼合實際，但模型更復(fù)雜。

3 結(jié)束語

Matlab/Simulink與PSASP均能對電力系統(tǒng)進行較為準(zhǔn)確的仿真分析及計算，且其結(jié)果差異不大；相對來說，Matlab的輸入精度和細(xì)節(jié)性更好，更適合于詳細(xì)參數(shù)的模型，理論上在暫態(tài)分析上更適合于具體模型或要求高精度的仿真，但進行潮流計算的操作較為繁瑣；而PSASP模型簡單，仿真步驟簡單，而且由于其基于模型數(shù)據(jù)庫的算法在穩(wěn)態(tài)分析上的效率高得多，更適合于參數(shù)較少或理想狀況下的建模及穩(wěn)態(tài)計算分析。

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Flow Calculation Based on Matlab/Simulink and PSASP

LI Xiyu, CHEN Junpo, ZHOU Keying

(College of automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510060, China)

Power System Analysis Software Package (PSASP)is a software commonly used in simulation of electricity power system, and Simulink is a visible power system simulation tool of Matlab.Both softwares have a strong power system analysis and calculation functions.In this paper, a four node system is used to simulated calculate by two softwares respectively, and the results are compared and analyzed.The experimental results show that Matlab is more suitable for the specific models or high precision simulation, but the operation of Matlab for power flow calculation is more complicated.PSASP is more suitable for the modeling and steady state calculation under the condition of less parameters or ideal conditions.

Matlab Simulink;PSASP;electricity power system;flow calculation

2015-06-18；修改日期:2015-09-07

2013年廣東省廣東工業(yè)大學(xué)省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(1184513164)；2014年廣東省廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(yj201411845041)； “工程教育背景下大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的研究性實驗教學(xué)改革與探索”廣東省高等教育教學(xué)改革項目(粵財教[2012]361號)；2012廣東工業(yè)大學(xué)校級重點項目(2012Z010)。

李惜玉(1971-)，女，碩士，高級實驗師，主要從事電氣工程及其自動化電力方向?qū)嶒灲虒W(xué)工作和電力系統(tǒng)安全與運行的研究工作。

TM743

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10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.013