第２５卷第７期电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶ０１．２５Ｎｏ．７囝２００５年７月Ｊｕｌ．２００５基于Ｍａｔｌａｂ的电力系统动态仿真分析李安伏，赵建周，李晓红（安阳工学院，河南安阳４５５０００）摘要：利用Ｍａｔｌａｂ对热工自动调节控制系统和电器系统进行了仿真。总结了使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对连续时间系统动态仿真的步骤。并以典型的ＰＩＤ调节器∞ＴＬ一３３１为例，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块组的Ｃｏｎｔｉ—ｎｕｏｕｓ．Ｍａｔｈ以及Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ模块库中的模块，采用传递函数模块的方法建立系统模型，通过仿真确定了一组合适参数。另外，以电流变送器饱和仿真系统为例，介绍了如何使用ＰＳＢ对电器系统进行仿真，并归纳了其仿真步骤。提出仿真过程中须注意的两个问题：构建模型时要保持系统接地点数目的平衡：正确设定电机的初值。关键词：电力系统；动态仿真；Ｍａｔｌａｂ中图分类号：ＴＭ７４３文献标识码：Ａ文章编号：１００６—６０４７（２００５）０７一００３８—０３本文通过两个简单实例介绍了利用ＭａｔｌａｂｓｉｏｎＶｅｒ—６．１对电力系统进行仿真研究的方法．包括：热工自动调节控制系统的仿真分析和电力电器系统的仿真分析。１热工调节控制系统仿真分析图１ＤＴＬ一３３１型调节器的结构方框图ｓｔｍｃｔｕｒａｌｄｉａｇｒａｍ０ｆＤ，ＩＬ一３３１ｒｅｇｕｌａｔｏｒ对热工调节控制系统的性能分析包括静态特性和动态特性两个方面。这里主要介绍动态特性的分析方法。控制系统通常可分为连续时间系统和离散时间系统。在热工调节系统中多数属于连续时间系统，这里主要介绍在Ｍａｔｌａｂ中利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具对连续时间系统动态仿真分析的方法［１ｑ］。使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对控制系统进行仿真分析，主要包括以下几个步骤：ａ．根据系统的物理特性建立其数学模型，这是实现仿真的基础和关键：ｂ．对建立的系统模型给以适当激励，观察分析系统的输出：ｃ．根据对系统输出的分析，适当调整模型参数，从而达到要求的控制效果。下面以电力系统中典型的ＰＩＤ调节器ＤＴＬ一３３１为例，介绍如何使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ实现对调节系统仿真。在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立连续时间系统模型主要是利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块组的Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ，Ｍａｔｈ以及Ｎｏｎ．１ｉｎｅａｒ模块库中的模块建立。建立的方法主要有３种：利用积分模块直接构造微分方程求解模型：利用传递函数模块建立模型；利用状态方程模块建立模型。ＤＴＬ一３３１是典型的ＰＩＤ调节器，其结构如图１所示。收稿日期：２００４—１２—２２；修回日期：２００５—０３—１６Ｆｉｇ．１Ｔｈｅ在该系统中起主要调节作用的是ＰＩＤ反馈电路的ＰＩＤ调节，其原理如图２所示。图２ＤＴＬ一３３１调节器的反馈回路Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｆ音ｅｄｂａｃｋｃｉｒｃｕｉｔｏｆＤＴＬ一３３１Ｉ℃ｇｕｌａｔｏｒ该调节器的传递函数为…ｌ＋—ｏ＋ｒ：ｓＧＲ（ｓ）＝Ｋ：，＋昔ｓ＋击式中Ｋ：为比例增益的实际值，当放大倍数Ｋ很大时，Ｋ：＝ＦＫ。，Ｋ。为比例增益的刻度值；ｒｊ为积分时间的实际值，ｒｉ＝Ｆｒｉ，ｒｉ为积分时间的刻度值；ｒ：为微分时间的实际值，ｒ：＝ｆ。／Ｆ，ｒ。为微分时间的刻度值；Ｋ为积分增益；＆为微分增益；Ｆ为干扰系数，Ｆ＝１＋２ｒｄ／ｒｉ（当ｃｄ＝Ｃｉ时）。万方数据 这里可根据传递函数．利用ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的传递函数模块建立系统模型进行仿真，从而确定合适的系统参数。系统模型如图３所示［５１。￡／ｓ图４仿真结果Ｆｉｇ．４ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｃｌｏｃｋＴｏＷｏｒｋｓｐａｃｅ图３ＤＴＬ一３３ｌ仿真模型Ｆｉｇ．３７ｒｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＤＴＬ一３３１ｒｅｇｕｌａｔｏｒ中的情况和经验…ｚ．４］．ＤＴＬ一３３１型调节器较适合的系统参数选择为口＝１／Ｋ。＝３０％～７０％，ｒｉ＝１８—２４ｓ在研究系统的动态特性时，通常通过系统对单位阶跃的响应考察，这里同样采用单位阶跃作为系统的激励。同时采用ＴｏＷｏｒｋｓｐａｃｅ模块将仿真数据结果存储到工作空间，以便进一步对数据进行分析处理。Ｓｃｏｐｅ模块用波形显示仿真的结果，便于直观地对仿真情况进行观察。’ｒｒａｎｓｆｅｒＦｃｎ模块用于写入系统的传递函数，通过对传递函数中参数的设定，可以得到在不同情况下系统的输出，通过分析比较就可根据具体的需要确定一组合适的参数。图４中给出了其中一组参数的仿真结果，仿真时间为５０（Ｇ为传递函数）。通过对大量数据的仿真分析，并结合实际工作ｓ丁：＝１ｓ，凰＝５，Ｋ＝１２电器系统仿真与分析电力系统中经常要分析电力传输、电器元件以及各种电器电路应用系统。下面通过一个例子介绍如何使用Ｍａｎａｂ中Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的ＰＳＢ对电器系统仿真。在利用电流变送器ＴＡ测量电流时，由于其具有一定的饱和度．使用不当往往会造成测量结果失真．利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可对这一现象进行仿真分析。首先利用ＰＳＢ中的模块建立一个利用７ｒＡ进行电流测量的电路系统，如图５所示。图５电流互感器饱和仿真系统Ｆｉｇ．５ＴｈｅＣＴｓａｔｕｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ该电路中ＴＡ采用２０００Ａ／５Ａ，２５Ｖ・Ａ，其初级可发现前３个周期磁通量低于饱和阈值，ＴＡ的电压输出没有产生失真，３个周期后由于初级电流使变送器进入饱和状态，从而使ＴＡ的次级输出电压产生失真。在此重在讨论４Ｖ以内的特性，故只显示４以内的电压波形，如图６所示。总结以上仿真过程，对电器系统的仿真通常采取以下几步口．２＇６］：ａ．分析系统仿真要求；ｂ．利用ＰＳＢ中的仿真模块建立仿真电路系统；ｃ．设定仿真系统中各模块的仿真参数；ｄ．进行仿真，分析仿真结果。Ｖ绕组与１个６９．３Ｍｖａｒ，６９．３ｋＶ（１２０ｋＶ／ｓ叫（３）），１ｋＡ（有效值）的具有开关特性的电感线圈相串联，次级绕组的输出端通过开关（Ｓｗｉｔｃｈ）与１个１Ｑ的电阻相接。初级绕组电流及引起的次级绕组电压的变化送入示波器模块Ｓｃ叩ｅ的第１通道，ＴＡ的磁通量多通过Ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ测量送入示波器模块Ｓｃｏｐｅ的第２通道。１１和Ｖ２分别为电流测量模块和电压测量模块，电源为１２０ｋＶ／ｓｑｒｔ（３），５０Ｈｚ。图中Ｂｒｅａｋｅｒ的关闭时间定为０．０２５ｓ。它不会引起电流的不对称。仿真时设定仿真时间长度为０．２ｓ，Ｓｗｉｔｃｈ的开关时间设定为０．０２ｓ．然后观察仿真结果万方数据 电力自动化设备第２５卷４的ＰｏｗｅｒＧＵＩ模块进行潮流计算，然后将潮流计算之２得出的电机励磁电压及机械功率稳态值作为电机的≤ｏ《初始值输入，这样就能从稳定状态下开始进行动态≥一２仿真了。—４Ｏ０．０４Ｏ．０８Ｏ．１２０．１６Ｏ．２０∥ｓ参考文献：（ａ）电流、电压曲线［１］陆超，唐义良，谢小荣，等．仿真软件ＭａｔｌａｂＰＳＢ与１０ＰｓＡＳＢ模型及仿真分析［Ｊ］．电力系统自动化，２０００，２４５爿（９）：２３—２６．０ｏＬＵＣｈａｏ，７ｒＡＮＧＹｉ—ｌｉａｎｇ，ＸＩＥＸｉａｏ－ｒｏｎｇ，ｅ￡以．Ｅｍｕｌａｔｏｒｌｅ．一５ｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＭａｔｌａｂＰＳＢａｎｄＰＳＡＳＢｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｉｒｅｍｕｌａｔｏｒ一ｌＯａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａ廿ｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓ＿ｔｅｍｓ，２０００，２４（９）：２３—２６．￡／ｓ［２］郑三保，程时杰．ＵＰＦＣ动态特性仿真研究［Ｊ］．电力系统（ｂ）磁通量曲线自动化，２０００，２４（７）：２６—２９．图６仿真结果ＺＨＥＮＧＳａｎ＿ｂａｏ，ＣＨＥＮＧＳｈｉ－ｊｉｅ．ＥｍｕｌａｔｏｒｓｔｕｄｙｏｆＵＰＦＣＦｉｇ．６．ｎｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｓａｎｉｍａｌｃｈ唧ｃｔｅｒ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓ－ｔｅｍｓ，２０００，２４（７）：２６—２９．３结语［３］ＲＡＨＭＡＮＭ，ＡＨＭＥＤＭ，ＧＵＴＭＡＮＲ，ｅｆ以．ＵＰＦＣＡｐｐｌｉ—ｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＡＥＰｓｙｓｔｅｍ：Ｐｌａｎｎｉｎｇｃｏｎｓｉｄｅｍｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭａｔｌａｂＶｅｒｓｉｏｎ６．１中的ＰＳＢ是一种专门应用于ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＰＷＲＳ，１９９７，１２（４）：３５０—３５８．电力系统动态仿真的工具箱，其中电力系统元件模［４］罗万金．电厂热工过程自动调节［Ｍ］．北京：水利电力出型相当丰富。用户还可以利用Ｍａｔｌａｂ本身的一些工版社．１９９１．具建立自定义模型，在本文中笔者总结了２种系统［５］ＡＩＮＳＷＯＲＴＨＪＤ，ＤＡＶＩＥＳＭ，ＪｎＴＺＰ，ｅｆｎ２．ＳｔａｔｉｃＶＡＲｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ＳＴＡＴＣＯＭ）ｂａｓｅｄｏｎ的仿真建模方法，并通过２个实例介绍了仿真的一ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅｃｈａｉｎｃｉ卜ｃｕｉｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ｍＥＰｒ∞．．Ｇｅｍｒ．Ｔｍ吣ｍ．Ｄｉｓｔｒｉｂ．，般步骤。１９９８，１４５（４）：３８１—３８６．利用Ｍａｔｌａｂ可以方便地进行电力系统潮流计［６］黄文梅，杨勇，熊桂林，等．系统分析与仿真［Ｍ］．长沙：算、稳定分析、新元件的设计及测定。但是在仿真过国防科技大学出版社．１９９９．程中，有两个问题必须引起注意嘶，７］。［７］贺仁睦．电力系统动态仿真准确度的探究［Ｊ］．电网技ａ．构建模型时要保持系统接地点数目的平衡。术，２０００，２４（１２）：１—４．即每增加一个非线性元件（增加一个状态变量）时，就ＨＥＲｅｎ—ｍｕ．Ｐｍｂｅｉｎｔｏｔｈｅａｎｉｍａｔｅｄｅｍｕｌａｔｏｒａｃｃｕｍｙｆｏｒ应该增加相应的接地负荷。因为Ｍａｔｌａｂ在进行仿真ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙＳｔｅｍＴｅｃｌＩＩｌｏＩｏ留，２０００，２４（１２）：ｌ一４．时是通过微分方程和电路方程实现的．因此每增加［８］ＨＡＮＢＭ，ＫＡＲＡＤＹＧＧ，ＰＡＲＫＪＫ，ｅｔ缸．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ一个状态变量时，相应的微分方程阶数也将增加，系ａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｔａｔｉｃｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｗｉｔｈ数矩阵的行数与列数也应该相应增加。为保证仿真ＥＭ７ＩＰ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ－ｏｎＰｏｗｅｒＤｅＨｖｅｒ了，１９９８，１３计算的正确性，必须相应增加接地回路数。（４）：１２９７—１３０２．ｂ．要正确设定电机的初值。在利用Ｍａｔｌａｂ进行（责任编辑：李育燕）电力系统动态仿真时，若系统中有电机等动力元件，作者简介：为保证仿真从稳定状态下开始进行．必须正确设定李安伏（１９６６一），男，河南林州人，高级工程师，主要从事电机的初始参数。因此首先应该利用ＭａｔｌａｂＰｓＢ中控制理论方面的研究（Ｅ－ｍａｉｌ：ａｙｌａｆ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ）。Ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ啪ｔｈＭａｔｌａｂＬＩＡｎ—ｆｕ，ＺＨＡ０Ｊｉａｎ．ｚｈｏｕ，ＬＩＸｉａｏ—ｈｏｎｇ（ＡｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ７ｒｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｙａｎｇ４５５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｈｅａｔ．ｐｏｗｅｒａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｍｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｐｐｌｉａｎｃｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈ】Ⅵａｔｌａｂ．ＴｈｅｓｔｅｐｓｏｆｄｖｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｉｍｅｓｖｓｔｅｍｗｉｔｈＳｉｍｕｌｉｎｋａｒｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．ＷｉｔｈａｔｙｐｉｃａｌＰＩＤｒｅｇｕｌａｔｏｒＤＴＬ一３３１ａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｉｓｓｅｔｕｐｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｒａｎｓｆｂｒｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ，ＭａｔｈａｎｄＮｏｎｌｉｎｅａｒｍｏｄｕｌｅｓ．Ａｓｅｔｏｆｐｍｐｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｈｅｎｃｅｄｅｃｉｄｅｄ．ＡｃｕⅡ．ｅｎｔｔｒａｎｓｆｂ咖ｅｒｓａｔｕｍｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｔａｋｅｎｔｏｉｌｌｕ．ｍｉｎａｔｅｔｈｅｗａｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｐｐｌｉａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＰＳＢ，ａｎｄｉｔｓｓｔｅｐｓａｒｅａｌｓｏｓｕｍｍｅｄｕｐ．Ｔｗｏｐｏｉｎｔｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｃａｕｔｉｏｎ：ｋｅｅｐｂａｌａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｇｒｏｕｎｄｉｎｇｐｏｉｎｔｎｕｍｂｅｒｄｕｒｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｓｅｔｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｖａｌｕｅｓｏｆｍｏｔｏｒｓｃｏｒｒｅｃｔｌｖ．万 方数据Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｍａｔｌａｂ
