PSASP与Matlab/SimPowerSystems联合仿真接口方法研究

崔航，屠念念，张景明

(1.国网智能电网研究院，北京市102209；2.国网北京经济技术研究院，北京市102209；3.华北电力大学，北京市102206)



PSASP与Matlab/SimPowerSystems联合仿真接口方法研究

崔航1，屠念念2，张景明3

(1.国网智能电网研究院，北京市102209；2.国网北京经济技术研究院，北京市102209；3.华北电力大学，北京市102206)

针对单一仿真软件无法同时考虑复杂电力系统中传统元件、新型元件、复杂控制系统的问题，提出Matlab/SimPowerSystems与电力系统分析综合程序(power system analysis software package， PSASP)联合仿真接口的实现方法。采用多端口等值电路研究软件模型的连接问题，通过PSASP的用户程序接口(user program interface， UPI)，调用Matlab引擎API函数实现2个仿真程序的联合仿真；通过控制交互仿真过程，在Matlab/SimPowerSystems中以更精细的步长进行仿真，实现两者以混合步长进行仿真。最后通过搭建光伏并网算例，验证联合仿真接口的可行性与正确性，为电力系统新型元件和控制装置接入大系统后的暂态稳定计算提供了新的方法。

电力系统分析综合程序(PSASP)；联合仿真；接口技术；Matlab/SimPowerSystems；混合步长

0 引 言

电力系统是一个规模庞大的非线性系统，当电力系统中存在直流系统、电力电子设备或者复杂的控制系统时，仿真软件的选择比较困难，一方面必须考虑复杂的电力电子器件或者控制系统的详细建模，另一方面还要包含传统的电力系统软件如发电机、变压器等。现有的电力系统仿真软件中，电力系统分析综合程序(power system analysis software package， PSASP)与Matlab/SimPowerSystems应用比较多[1-4]。

PSASP是国内广泛使用的电力系统仿真软件，可以进行暂态稳定计算，适用于大规模电力系统的机电暂态仿真。通常，PSASP暂态稳定程序的仿真步长为10 ms，仿真数据中只包含基波相量。受限于功能框与建模环境，要在PSASP中对某些系统元件进行详细建模是比较困难的[3，5]。

Matlab作为科学计算软件，其中的SimPowerSystems包含了丰富的电力系统元件，如电机、三相元件库、电力电子器件、控制和测量环节等，可以搭建复杂的动态元件模型，尤其能够实现复杂控制系统的仿真计算。不同于PSASP，Matlab可以进行精确的电磁暂态仿真，其数据一般为三相瞬时值的形式，仿真步长可以达到50 ms甚至更小。然而，Matlab/SimPowerSystems适用于小规模系统，很难进行大系统的暂态稳定仿真计算[6-8]。

PSASP与Matlab/SimPowerSystems的联合仿真开发具有十分重要的实际意义。当系统中存在直流系统或电力电子设备时，如果直流系统或电力电子设备采用详细的Matlab模型，而与其相连的大系统采用PSASP传统模型，将2个软件中的模型平滑连接进行联合仿真，则不但可以研究大系统暂态稳定过程的动态特性，而且有助于分析某些特定元件的详细暂态变化过程。另一方面，二者的联合仿真实际上是将电磁暂态计算与机电暂态计算进行实时接口，在一次仿真过程中同时实现对大规模电力系统的机电暂态仿真和局部网络的电磁暂态仿真[9-14]。

现有的关于PSASP与Matlab模型仿真研究成果都是简单的模型调用。即采用PSASP现有用户自定义模块(user-defined，UD)实现对Matlab模型的调用，是通过配置RTW代码生成，将已搭建的Matlab模型转换成为动态链接库文件(dll)，进而在PSASP计算过程中调用，这种方式实际上是脱离了Matlab软件，并且2个软件的仿真步长必须保持一致，不能对其进行控制[1-3]。

本文提出PSASP暂态稳定程序与Matlab/SimPowerSystems进行联合仿真计算的原理与方法，并通过用户自定义程序接口(user program interface， UPI)设计2个软件联合仿真的接口程序，最后采用光伏并网的算例验证方法的可行性与正确性。

1 PSASP与Matlab/SimPowerSystems联合仿真的原理

PSASP与Matlab/SimPowerSystems的联合仿真，是将对象系统按照电气特性在特定的节点处分块，其中传统电力网络在PSASP中建立模型(称为子系统1)，而存在直流系统或电力电子设备的局部系统则要在Matlab/SimPowerSystems中详细建模(称为子系统2)，通过适当的方法实现2个子系统之间的衔接与数据交换，同时完成一次仿真。联合仿真的关键就是子系统的分割与2个跨平台子系统的衔接。以新能源发电系统为例，分割子系统的节点一般选择交流侧的并网点。

为了使仿真结果正确并具有实际意义，在PSASP与Matlab/SimPowerSystems中的2个子系统都必须包括所有的电力网络，即在两个仿真软件中各自进行仿真计算时，另一个软件中的子系统必须以特定的等值电路形式代替。

1.1 PSASP子系统在Matlab中的等值电路

进行Matlab/SimPowerSystems仿真时，PSASP网络必须用适当的等值电路代替。由于PSASP的仿真规模比较大，通常为有源系统，而且认为网络中的参数近似符合线性关系，所以相对外部系统来说可以直接用戴维南等值电路来代替[14-15]，如图1所示。因此，在Matlab/SimPowerSystems模型中，PSASP网络等值为一个理想电压源与阻抗串联的电路。

图1 PSASP网络多端口戴维南等值电路Fig.1 Multi-port Thevenin equivalent circuit of PSASP network

如图1(a)所示，假设PSASP网络中有N个节点(地节点为参考节点不包含在内)，m个端口的下标分别用α，β，…，m来表示，相应端口的节点对为(p，q)、(k，l)。每个端口的第1个节点的电流以流出为正，另一个节点的电流则以流入为正，二者在数值上相等，其中，第2个节点是参考节点。

以端口α为例，当其端口节点p、q都不是参考节点时，对应的节点-端口关联矢量

Mα=[0…1(p)…-1(q)…0]T

(1)

当节点q为参考节点时，

Mα=[0…1(p)…0(q)…0]T

(2)

式(1)、(2)中矢量的省略号代表0，即端口α与该节点不关联。

将所有的节点-端口关联矢量按列排在一起构成节点-端口关联矩阵ML，这是一个N×m的矩阵

ML=[Ma，Mb，…，Mm]

(3)

设PSASP系统的节点导纳矩阵为Y，则节点阻抗矩阵：

Z=Y-1

(4)

图1(b)中，多端口戴维南等值电路的等值阻抗矩阵(m×m)为

(5)

根据规定的端口电压、电流正方向，端口的电压矢量和电流矢量分别为

(6)

(7)

并且，令戴维南等值电动势

(8)

则有计算公式：

(9)

通常情况下，只对单端口的PSASP网络进行等值，且其中一个节点为参考节点，则

ML=Mα=[0…1(p)…0(q)…0]T

(10)

(11)

根据PSASP的网络参数和计算结果中的端口电压、电流列矢量，就可以计算其戴维南等值电路，如图2所示。

图2 PSASP网络单端口等值电路Fig.2 Single-port network equivalent circuit of PSASP

1.2 Matlab子系统在PSASP中的等值电路

同样，进行PSASP仿真时，Matlab模型也必须用合适的电路形式来代替。由于其元件和结构较为复杂，可能包含FACTS、HVDC以及其他的非线性电力电子元件，因而该侧的等值电路相对复杂。当Matlab中的模型是常规交流网络时，可采用类似PSASP的戴维南或者诺顿等值电路形式；当其中含有FACTS元件时，根据Matlab模型和系统元件的特性，一般可采用恒功率负荷、恒阻抗或者恒电流源等类似形式[16-17]，如图3所示；由于在进行PSASP等值时，接口电压与电流已经考虑的比较详细，而Matlab模型对系统的影响主要通过注入功率来体现，同时考虑到PSASP软件的特点，通常将Matlab模型等值为一个PQ节点进行计算比较方便。

另外，实际仿真中涉及的模型种类较多，采用这样的通用模型计算是一定程度的简化，可以根据仿真需要对不同模型等值电路做详细研究。

图3 Matlab模型等值电路Fig.3 Equivalent circuit of Matlab model

2 联合仿真接口设计

在对象系统分割、等值电路计算与数据转换的基础上，联合仿真接口可以使PSASP与Matlab仿真程序平滑连接，通过控制仿真过程，解决中间变量的存储与传输，从而实现二者的跨平台联合仿真计算。

联合仿真接口的设计可以借助PSASP的UPI与Matlab的引擎调用API函数。PSASP的用户程序(UP)提供了C语言编写的功能，同时Matlab模型可以通过C语言API函数调用引擎的方式进行仿真，因此，通过C语言开发的用户程序就能够使PSASP与Matlab以更加清晰的层次连接在一起。

2.1 PSASP/UPI原理

在PSASP中的暂态稳定计算程序，其数学模型可以总结为3个部分，分别是电网的数学模型，发电机、负荷等一次设备和二次自动装置的数学模型，扰动方式和稳定措施的模拟[4]：

X=F(X，Y)

(12)

式中F、X为要求解的变量。

Y=G(X，Y)

(13)

式中G、Y为微分方程求解的变量。

考虑用户程序在内的数学模型如下：

U=H(X，Y，U)

(14)

式中H、U为用户方程需要求解的变量。

在暂态稳定的计算中，采用梯形隐式积分方法进行分步计算，则迭代公式为

(15)

2.2 联合仿真接口的框架

PSASP开发的UPI，使PSASP和UP通过接口文件传递数据，交替计算，共同完成一个计算任务。同时，PSASP还提供了一些接口变量，可以用于用户程序与PSASP之间的装配组合。这里的用户程序可以是一个或者多个，使得仿真对象系统的分割组合更加灵活方便。

UP采用C语言编写，实现PSASP与Matlab模型的交互功能，UP完成的功能主要有2个：(1)调用Matlab模型；(2)储存、交换中间变量。

PSASP暂态稳定程序与Matlab模型进行联合仿真的运行框图过程如图4所示。一次完整的联合仿真是2个软件相互独立又紧密关联的仿真过程，而接口的在其中起着十分关键的作用。

图4 PSASP与Matlab模型的联合仿真过程Fig.4 Co-simulation between PSASP and Matlab model

2.3 接口的时序

联合仿真中PSASP与Matlab的相互协调与配合也是通过接口来实现的。联合仿真接口的一个关键点是解决PSASP与Matlab接口时序问题。值得注意的是接口时序规定了2个仿真程序步长之间必须是倍数关系(假设为n)。一般由于Matlab的仿真步长更精细，PSASP的每一步运算在时间上应该对应Matlab的n步仿真。采用串行接口时序的混合步长仿真比较适宜PSASP与Matlab的联合仿真接口。在PSASP程序进行到t时刻时，将其计算得到的中间变量通过数据转换以及必要的计算传给Matlab仿真程序，而此时PSASP处于停滞状态，等待Matlab计算值的返回；在Matlab接收到传递的计算值时，会进行多步的迭代计算，n步计算结束后，将计算值返回给接口再经过转换与计算传递给等待状态中的PSASP，PSASP则继续进行t+dt时刻的计算，如图5所示。计算的收敛性可以靠2个仿真软件综合进行判定。

图5 联合仿真时序Fig.5 Co-simulation timings

2.4 混合步长机制

联合仿真采用混合步长仿真，即PSASP暂态稳定程序计算一个步长(0.01 s)时Matlab模型计算多个步长(如100个，0.000 1 s)。联合仿真接口采用的是串行计算的原理，在一个步长内完成暂态稳定程序计算和Matlab程序计算。PSASP暂态稳定程序与Matlab模型联合仿真计算流程如图6所示。

PSASP用户程序每次迭代计算调用Matlab模型时，联合仿真接口都会对每次的输入变量以及时间序列进行记录。

3 仿真测试

本文采用修改后的IEEE-14节点算例，并将其中的母线3的发电机用光伏电站来替代，修改后的算例系统如图7所示。光伏并网模型[18-20]接入PSASP中进行联合仿真时，需对系统进行分割，划分出在Matlab与PSASP 2个仿真软件中建模的子系统。由于光伏电站与电网的相互影响都是通过实际连接点发生，因此以交流侧并网节点即母线3来分割系统，光伏电池、逆变器以及控制模型组成子系统1，在Matlab/SimPowerSystems中建立模型，电网中的其余节点组成子系统2，在PSASP中建立。

3.1 光照改变

固定温度参数T=25 ℃，光照强度初始值为800 W/m2，研究光照变化对各参数的影响。光照由800 W/m2升至到1 000 W/m2再降至600 W/m2的情况下，采用Matlab仿真与联合仿真2种方式下的直流电容电压对比波形，交流母线B4的电流、电压有效值对比曲线，如图8所示。

图6 联合仿真1个步长内的计算流程Fig.6 Calculation flow in one step of co-simulation

图7 修改后的IEEE-14节点系统单线图Fig.7 Single-line diagram of modified IEEE-14 system

2组曲线分别是Matlab仿真与联合仿真的运行结果，通过对比可以发现随着光照的变化，2种仿真方法的结果曲线变化趋势一致且偏差很小，仿真结果验证了联合仿真方式的正确性。另外，交流电压也会随着光照变化产生波动，但电压在正常运行允许范围之内，可以通过无功补偿设备改善交流电压的波动；交流电流的波形则相对波动较大，可以通过添加滤波装置加以改善。

3.2 系统侧故障

在交流母线B2线路上设置网络故障，设置故障为三相短路接地，故障持续时间为0.1 s。分别采用2种仿真方式进行仿真对比。光伏侧直流母线电压，并网点交流电流、电压的有效值如图9所示。

分析仿真结果可以看出，当系统侧发生三相短路故障时，直流电压迅速升高，光伏有功出力下降明显，光伏发电效率降低。故障切除后，交流母线电压恢复正常，直流电压逐渐下降到正常值，系统逐渐恢复稳态运行。采用2种仿真方式的运行结果也大体相同，说明采用联合仿真的方式进行仿真是可行的。

图8 光照改变仿真结果Fig.8 Simulation results of light intensity changes

图9 系统侧故障仿真结果Fig.9 Simulation results of system fault

4 结 论

(1)研究PSASP网络与Matlab模型的等值电路，得到了各自的等值电路模型与等值电路的计算方法。

(2)提出了利用PSASP的用户程序接口，在用户程序中调用Matlab引擎，通过API函数实现PSASP暂态稳定程序与Matlab/SimPowerSystems联合仿真的接口方法；采用串行接口以提高计算精度，采用对仿真过程进行控制的方法，解决了变量交互的问题，并能够在Matlab/SimPowerSystems中以更加精细的步长进行仿真，实现了混合步长仿真。

(3)搭建光伏并网的仿真算例，证明了该仿真接口的可行性与正确性，给PSASP暂态稳定接口开发提供了新的思路，同时为电力系统新型元件和复杂控制装置接入大系统的暂态稳定计算提供了新的方法。

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(编辑：张小飞)

Co-Simulation and Interface Technology of PSASP and Matlab/SimPowerSystems

CUI Hang1， TU Niannian2， ZHANG Jingming3

(1. State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing 102209, China;2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 3. North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Single simulation software was difficult for complex power system containing traditional elements, new element and complex control system, so the interface technology of co-simulation of Matlab/SimPowerSystems and power system analysis software package (PSASP) was proposed. This paper used multi-port equivalent circuit to study the interface of software models, and called the Matlab engine API function to implement the co-simulation between these two simulation programs, through the user program interface (UPI) of PSASP. Through controlling the co-simulation process, the simulation with finer step was carried out in Matlab/SimPowerSystems to realize the simulation with mixed-step. Finally, PV simulation example was built to prove the feasibility and correctness of the co-simulation method, which could provide a new approach for the transient stability calculation after new components and the control devices of power system connected into large-scale systems.

power system analysis software package; co-simulation; interface technology; Matlab/SimPowerSystems; mixed-step

TM 713

A

1000-7229(2015)06-0089-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.015

2015-03-26

2015-05-08

崔航(1985)，男，硕士，主要研究方向为高压直流输电及直流仿真技术研究；

屠念念(1985)，女，硕士，主要研究方向为高压直流输电及直流仿真技术研究；

张景明(1990)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析、运行与控制。