基于SimPowerSystems的电力系统仿真实践教学研究

高红亮，张先鹤，詹习生

(湖北师范学院 机电与控制工程学院， 湖北 黄石 435002)

基于SimPowerSystems的电力系统仿真实践教学研究

高红亮，张先鹤，詹习生

(湖北师范学院 机电与控制工程学院， 湖北 黄石 435002)

对电力系统仿真实践教学进行了研究，重点对基于SimPowerSystems工具的电力系统仿真过程进行了详细论述，首先介绍了电力系统仿真各部件模型，接着详细论述了基于SimPowerSystems的电力系统仿真模型建立过程，包括具体步骤和相关指标，最后通过某地区实际电力系统仿真模型的建立和运行分析，说明通过SimPowerSystems进行电力系统仿真实践教学和研究是十分有效的途径.

SimPowerSystems；电力系统；Simulink；实践教学

0 引言

电力系统仿真就是利用虚拟仿真技术真实再现电力系统各部件的操作环境，这种仿真环境具有高度的沉浸性，使进入仿真软件的人员从感觉上、操作上都和真实电力系统的环境高度一致，从而使接受实践教学的人员能接受有效的专业学习。目前，真正将软件仿真技术应用于电力系统实践教学课程的高校还很少，本文正是从基于SimPowerSystems平台的电力系统仿真入手，研究了借助于软件平台实现电力系统建立和运行的完整流程，有助于电气工程相关专业学生深刻理解电能从生产、传输、分配到使用的整个流程[1]。

1 电力系统仿真平台

1.1仿真软件

由于电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，因此对大型电网进行建模比较困难。目前国内外利用仿真软件进行复杂电力系统建模和仿真还处于探索阶段。针对电力系统分析国内外已有若干仿真软件。其中PSASP是中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序,具有潮流计算、暂态分析、小信号稳定分析等众多功能，是当前我国不可多得的小干扰分析工具[2]。另外还有邦纳维尔电力局开发的BPA程序和EMTP程序，曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的PSCAD/EMTDC程序，美国加州大学伯克利分校研制的PSPICE，美国PTI公司开发的PSS/E等[3，4，5]。在MathWorks公司开发的科学与工程计算软件MATLAB中有专门针对电力系统设计的SimPowerSystems库。这里面有大量电力系统常用元器件，包括变压器、发电机、线路和负载等，功能较为全面。SimPowerSystems库提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将仿真系统图变成状态方程描述的系统形式，然后在simulink下进行仿真分析[6]。

本文采用的仿真软件是MATLAB，使用了其中的SimPowerSystems工具。通过MATLAB的Simulink，可把实际的电力系统地理模型转换为仿真模型，并能模拟系统受扰动后各变量随时间变化的具体过程，更加直观方便。

1.2电力系统仿真各部件模型

电力系统在仿真过程中，涉及到的各部件模型包括同步发电机模型、线路模型、负荷模型、变压器模型[7]等。

其中，电力系统中的发电厂用同步发电机模型代替。MATLAB中的SimPowerSystems 库中提供的同步发电机模型，考虑了定子、励磁和阻尼绕组的动态行为。同步发电机的仿真模型如图1所示。

对于线路模型而言， π型线路限制了线路中的电压、电流的频率变化范围，对于研究基频下的电力系统与控制系统之间的相互关系 ，π型电路可达到足够的精度，但当分析线路的波过程以及进行更精确的分析时，这时应该使用分布参数线路模块。在实际仿真中，线路长度小于50km时用三相π

型线路模块，长度大于50km时用分布参数线路模型。 π型线路模型和分布参数线路模型分别如图2(a)和图2(b)所示。

图1 同步发电机的仿真模型

(a) 型线路模型 (b)分布参数线路模型

在电力系统中，所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和就是电力系统的负荷。负荷的有功功率和无功功率由三个部分组成，分别为恒阻抗消耗的功率，恒电流负荷相对应的功率，恒功率分量。在MATLAB中，三相串联和并联RLC负荷模块，在指定的频率下，负荷阻抗为常数，负荷吸收的有功和无功功率与电压的平方成正比。负荷模块模型如图3所示。

为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，必须把电压升高，变为高压电，到用户附近再按需要把电压降低，这种升降电压的工作需要靠变电站来完成。变电站采用变压器模型模拟。变压器模型如图4所示。

图3 负荷模型

图4 变压器模型

2 系统仿真模型的建立

2.1仿真模型的建立步骤

下面说明在SimPowerSystems平台中建立仿真模型的步骤，具体如下所述：

1)根据地理接线图在simulink中搭建模型。将发电厂、变电站、线路、负载分别用相应模型代替，依次连接。

2)对模型进行参数设定。根据实际的电网参数，在模型中设定参数。线路可以使用三相π型电路，也可以使用分布参数线路，这要根据输电线路实际长度来定，小于50km用三相π型电路，大于50km使用分布参数电路。

3)对仿真模型进行潮流计算。潮流计算的任务是根据给定的网络接线和其它已知条件，计算网络中的功率分布、功率损耗和节点电压。

4)选择合适的仿真算法。MATLAB提供给用户两种仿真算法：定步长算法和变步长算法。定步长求解器使用固定步长求解，有Discrete、ode5、ode4、ode3、ode2和ode1；变步长求解器可根据用户指定积分误差自动调整仿真步长，有Discrete、ode45、ode23、ode13、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb。仿真算法是否合理将影响到仿真的结果和速度。一般可采用ode23tb算法，这是MATLAB针对系统特征值相差大，既有快变特性又有慢变特性的系统专门提供的算法之一。

5)运行仿真模型。运行仿真模型，观察各参数是否符合指标。所需要用到的参数主要有发电机转速、机端电压、功角和功率偏差。其中，转速、电压均采用标幺值。

2.2系统稳定时的相关指标

运行系统，当仿真系统达到稳态时，相关指标应具有如下特点：1)转速ω为1pu;2)机端电压Vt为1pu；3)功角δ达到一个稳定值。其中，功角δ随时间的变化描述了各发电机转子间的相对运动，而发电机转子间的相对运动性质，恰好是判断各发电机之间是否同步运行的依据。4)系统稳定时，功率偏差Pa在0附近波动。功率偏差表示发电机输入机械功率Pm与输出电磁功率Pe之差。

根据以上参数相关指标，若不满足，则需修改相关参数或结构来完善系统，直至符合指标。

3 实例研究

利用SimPowerSystems仿真平台，本文建立了某地区实际的电力系统仿真模型，如图5所示。

图5 电力系统仿真模型

在该模型中，发电厂用同步发电机模拟，其中同步发电机由调速系统控制机械功率输入，由励磁控制系统控制励磁电压。发电厂出口处使用了一个22kV/500kV的升压变压器，一段14.1km的输电线路用三相π型电路模拟，使用了三相接地故障模块模拟系统中的线路接地故障，到达用电区后，使用了一个500kV/220kV的降压变压器。连接其他电网部分为具体的用电网络，此处采用了封装技术，使系统结构更为简洁清晰。

通过潮流计算后，使系统获得稳定时的相关参数，主要包括输入给发电机的机械功率和励磁电压等，本模型采用了ode23tb算法，仿真时间设置为50s，运行仿真模型后，系统很快达到稳定状态，各参数符合相关指标，这说明所建立的仿真模型是合理的，如图6所示。此处，为了更全面反映系统的运行情况，在20s处，加入了三相接地故障，设定故障在20.1s处消失，从图6的仿真结果可以看出，系统在故障消失后很快又恢复了稳定，这说明所建立的仿真系统具有较好的稳定性。在图6中，ω为发电机转速，Vt为机端电压， delta为发电机功角，Pa为功率偏差。

图6 仿真结果

4 结论

本文对基于SimPowerSystems工具的电力系统仿真过程进行了研究，首先对各部件仿真模型进行了分析和描述，接着对电力系统仿真模型的建立过程进行了论述，给出了建立电力系统仿真模型的具体步骤和系统稳定时的相关指标情况，最后，对某地区实际的电力系统建立了对应的仿真模型，并通过潮流计算和仿真运行，得到了该系统的仿真结果。 本文通过仿真技术，将实际的电力系统建立起对应的仿真模型，从而为电力系统相关专业的实践教学和科研提供了一个很好的软件平台。

[1]谌 莉,李勤刚,安英会.谈仿真教学在电力职业教育中的作用[J].中国电力教育,2008, 340～342.

[2]周耀显.基于PSASP的工矿企业电网频率动态特性分析[J].天津理工大学学报,2013，29(3):20～23.

[3]张宝珍，张 尧.基于BPA 的“电力工程基础”课程教学方法[J].电气电子教学学报,2013，35(1):112～114.

[4]张 晗,伍 衡,李胜利.基于PSPICE的两级磁脉冲压缩系统建模与仿真[J].磁性材料及器件,2013,44(2):61～65.

[5]李 娜,徐 政.PSS/E中风电机组的低电压穿越模拟方法[J].电力系统保护与控制,2013，41(8):23～29.

[6]张红斌.基于SimPowerSystems的三相异步电动机的仿真分析[J].科技通报,2013,29(4):183～185.

[7]韩英铎,高景德. 电力系统最优分散协调控制[M].北京：清华大学出版社,1997.

ResearchonpracticeteachingofpowersystemsimulationbasedonSimPowerSystems

GAO Hong-liang, ZHANG Xian-he, ZHAN Xi-sheng

(College of Mechatronics and Control Engineering, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

The practice teaching of power system is researched in this paper, and the simulation process of power system based on SimPowerSystems is mainly discussed in detail. All component models of power system simulation are introduced first, and then the building process of power system simulation model based on SimPowerSystems is discussed in detail, including concrete steps and related indicators. Finally, through building and run analysis of actual power system simulation model of an area, it shows that using SimPowerSysmtems for practice teaching of power system simulation and research is a very effective way.

SimPowerSystems;power system;simulink;practice teaching

2013—08—25

本文系“2011年度湖北师范学院教学研究项目”(项目编号：ZD201130)的研究成果。

高红亮(1979— )，男，湖北蕲春人，讲师，博士，主要研究方向为电气工程及其自动化的教学与科研.

G64

A

1009-2714(2014)01- 0087- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.01.018