基于Matlab和LabVIEW技术的电力系统自动化仿真实验教学系统设计

吴 娜，徐慧然，于永进，卫永琴，孙秀娟，王文宇，姜 雨

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

1 研究背景

《电力系统自动化》是电气工程及自动化专业的一门重要专业课，既具有较强的理论性，又具有较强的工程实践性。在传统的实验教学模式中，一方面实验内容多为实验教材中的固定项目，且陈旧单一，多是验证性实验，缺乏综合性、开放性；另一方面随着我国电力系统中可再生能源发电技术的发展，我国电网已形成西电东送、南北互供的格局，进入了跨大区互联、超/特高压交直流混合输电的时期，传统电力系统自动化实验无法体现自动控制新技术、新理论在现代互联电力系统的应用，与电力工程现场的实际情况偏离较大。因此，将仿真分析引入实验教学中，可以有效帮助学生加强对课程的理解和应用。

目前，越来越多的电气工程相关课程将仿真技术引进日常教学中[1-4]。Matlab/Simulink作为一款集成式数学软件，包含科学计算、交互式程序设计等功能，具有适应面广、效率高等优点，被广泛运用于电气工程专业相关实验[5]。

LabVIEW作为一种通用的编程系统，使用图形化编辑语言G编写程序，尽可能利用技术人员、工程师所熟悉的术语、图标和概念，降低了编程难度。因此越来越多的仿真软件开始使用LabVIEW进行界面设计[6-7]。

电力系统自动化仿真实验教学系统通过Matlab/Simulink进行仿真，复现配电网的运行过程并实时提取系统各项参数。通过LabVIEW进行界面设计和数据呈现，方便学生简单直观的观测配电网实时运行情况。实验系统设计将吸引和激发学生的求知欲，促进学生开展自主性、研究性以及探索性的学习，对于培养学生综合把握和运用电气工程学科理论知识解决工程设计问题、提升其实践能力具有重要意义。

2 仿真实验系统介绍

2.1 仿真实验系统的搭建

本仿真实验系统的搭建包括以下三个步骤：

（1）通过Simulink软件搭建实验所需的电力系统模型，包括10kV辐射状配电网络、逆变型光伏电源、逆变型风电电源和IEEE33节点系统等。通过对测量结果的观测进行线路参数调整，完成仿真运行并输出仿真结果。

（2）利用Windows动态链接库技术（DLL），将搭建好的Simulink仿真格式转换成可执行程序或其他DLL调用来完成某项工作的函数。

（3）采用LabVIEW进行程序编写，绘制系统主要操作界面和数据观测界面，完成整个仿真系统的构建。

搭建的仿真实验系统结构如图1所示（P156）。

图1 仿真实验系统结构图

2.2 仿真实验系统的主要功能

2.2.1 用户界面功能

实验系统主要包含主界面和各实验子界面。系统的主界面可以自主选择想要进行的实验。各子界面则呈现配网运行的实验情况，同时可以图形化呈现观测数据结果，使观测结果清晰直观。

2.2.2 电路仿真实验功能

根据课程要求，本系统主要包含四个仿真实验：电网故障隔离与恢复仿真分析实验、分布式电源并网控制仿真分析实验、高比例分布式电源接入配电网的影响分析实验和交流微电网运行控制仿真实验，均依照课程规定的实验要求设置仿真参数并实时运行。

2.2.3 实验结果展示功能

配网仿真运行过程中，各线路的电压、电流、有功、无功状态都是观测系统运行情况的重要参数，上述数据在仿真过程中以图形化形式呈现在界面中，方便使用者进行数据采集和记录。

2.2.4 用户参数调节功能

为了方便学生更好的理解线路运行过程，可以对线路部分参数进行调整，例如光伏电源的日照程度、配网的负荷大小等，调整时需将仿真运行停止，待参数调节完毕后重新运行，即可观察线路的运行状态变化。

2.3 仿真实验系统设计

2.3.1 Simulink仿真电路设计与设置

Simulink仿真是实验系统的核心部分，在系统构建时需要针对不同的实验要求搭建不同的输配电线路，并给出合适的线路参数以保证系统的准确运行。由于实验要求不同，每项试验的数据端口也各不相同，下面逐一做简要的介绍。

在配电网故障隔离与恢复仿真分析实验中，输入控制参数主要是故障类型和故障位置。学生可以在LabVIEW界面中对故障类型和故障位置进行调整，观测其对配电网保护所产生的影响；分布式电源并网控制仿真分析实验中，输入控制参数主要为风速的高低、日照辐射的大小，学生在LabVIEW界面中通过调整具体参数，即可得到不同环境状态下分布式电源的输出特性，如有功功率和无功功率的变化情况；在高比例分布式电源接入配电网的影响分析实验中，输入控制依然是分布式电源的控制参数，通过对分布式电源的各种参数调整，仿真分析高比例分布式电源接入对配电网频率、电压等参数的影响；在交流微电网运行控制仿真分析实验中，输入控制主要是分布式电源的参数和微电网的负荷，通过参数调整控制使学生掌握微电网动态运行的分析方法。

数据端口可以通过Simulink的Configuration选项卡来确定。端口确定完毕后，将Simulink中的powergui设置为离散状态，然后点击Simulink中的BuildModel按键，完成编译。

2.3.2 DLL文件的生成

本文通过VisualStudio2017生成DLL文件。首先新建一个项目，选择动态链接库，将上述编译生成的文件夹中的.c文件全部添加到项目中，在函数声明前面加上__declspec(dllexport)，实现函数的导入导出；新建头文件，在头文件中输入函数的声明，然后进行编译，在Debug文件夹内会自动生成DLL文件。

2.3.3 仿真系统界面设计

LabVIEW进行系统界面设计时，通过采用选项卡控件配合事件结构，实现不同实验子界面之间的切换；每个子界面相互独立，各自配置输入控件和显示控件进行参数设置和波形显示。用户可在主界面中自主选择切换至任意实验子系统。

3 电力系统自动化仿真实验

3.1 配电网故障隔离与恢复仿真分析实验

本模块分别搭建了配电辐射状网络和环网开环运行时两种结构形式下的实验模型，仿真分析了重合器与分段器配合、隔离故障区段、恢复正常线路供电的过程。该实验可以帮助学生掌握配电网故障隔离的含义、配电网一次系统的仿真设计方法。

下面以辐射状网络结构为例介绍本实验的子模块界面。实验界面如图2所示（P157）。

图2 故障隔离与重合闸实验模型及结果

子界面主要分为以下三部分：界面上方为辐射状配电网络的单线图，主要包含电源模块、负载模块、故障模块和保护判别及恢复模块；界面下方为仿真结果展示部分，通过波形图体现线路上各保护的动作情况，如图所示线路50%的位置处在0.1s时发生了单相接地故障，由于故障电流超过了整定值，保护模块迅速动作将故障切除，经过0.3s的延时之后保护重合闸恢复线路正常供电；其右侧为参数调整模块，可以对故障类型和故障位置进行调整，探究不同故障发生时线路的动作情况。

3.2 分布式电源并网控制仿真分析实验

本模块搭建了风能、光伏等类型分布式能源发电设备实验模型，仿真分析了各种类型分布式电源逆变器并网工作过程和并网控制系统的安全性、灵活性和可调度性。该实验可以帮助学生掌握分布式能源发电设备模型仿真搭建的方法、分布式电源并网控制仿真系统设计方法以及控制系统的仿真性能分析。仿真实验模型及仿真结果如图3所示。

图3 光伏电源并网实验模型及部分仿真波形

下面以光伏电源并网实验模型为例介绍本实验的子模块界面。

子界面主要分为三个部分：①界面左侧是光伏电源并网单线图。光伏电源为逆变器型分布式电源，采用低电压穿越的控制策略，在系统发生故障，并网点电压低于规定时，光伏电源将输出无功为系统提供支撑。光伏电源主要包含PV模块、最大功率点跟踪模块、逆变模块以及并网部分，配网界面如图3（a）所示。②界面下方为仿真结果数据展示部分，该部分主要将系统实时测量到的负荷侧电压、有功功率、无功功率等数据通过波形图的方式展现出来，部分数据结果如图3（b）所示。通过实验结果可以看出，光伏电源输出的有功受到其日照辐射度的影响，0.5s日照辐射度降低时，光伏电源输出功率明显减小，甚至接近于0，而当1s时，日照辐射度恢复，光伏电源的输出功率重新回到原来的状态。③界面右侧为参数调整模块，可以对光伏电源的日照辐射度进行调整，观测不同时间不同环境下光伏电源的输出特性。

风力发电模型为双馈异步发电机，包含绕线式转子异步发电机模块以及基于IGBT的交-直-交PWM 变频器，通过转速和机侧变流器控制实现最大功率点跟踪。风电并网实验模型与上述光伏电源并网子模块界面类似，在此不再赘述。

3.3 高比例分布式电源接入配电网的影响分析实验

本模块通过搭建风能、光伏等分布式能源发电设备仿真模型，分析了高比例分布式电源接入电力系统对电网频率和电压等参数的影响。

子界面也分为三个部分：①界面左侧为辐射状配电网络结构图，本实验采用IEEE33标准节点模型搭建该配电网络。由于系统结构复杂，此处采用节点简化的方法，将母线及分布式电源采用节点方式呈现，最大限度地节省了系统占用的空间及资源，使仿真模型结构更加简洁，更便于学生理解及使用。②界面下方为仿真结果数据展示部分。由于节点过多，只选择部分节点测量其电压、电流、有功功率和无功功率等电网参数，并通过波形图的形式予以展现，默认状态下呈现三相波形。仿真波形结果显示，大量分布式电源并网前，电力系统呈现稳定运行状态，而分布式电源并网则会对电力系统造成一定的扰动，扰动结束后，并网点的电压受到分布式电源运行状态的微小影响，整体电力系统依然可以稳定运行；另外，用户还可根据需求自行调整，单独查看某一相的运行状态。③界面下方为参数调整模块，用户可以根据实验要求，对任一分布式电源的参数，如光伏电源的日照辐射度、风能电源的风力大小等进行调节。

3.4 交流微电网运行控制仿真分析实验

本模块搭建了含光伏机组、风电机组、储能元件等装置的交流微电网实验系统，仿真分析了交流微电网孤岛与并网运行两种方式下动态运行特征，以及交流微电网运行的频率控制、电压控制策略。该实验可以帮助学生掌握交流微网系统仿真模型搭建的方法、微网在孤岛以及并网两种运行方式下动态运行特性分析的方法。

用户在进入交流微电网运行控制仿真分析实验系统后，首先需要选择微网运行方式，选择后进入子界面。本实验的子界面主要分为三个部分：①界面上方为系统单线图。当选择为孤岛运行时，主要包含光伏模块、风电模块、储能模块以及负载模块。其中光伏模块与储能模块采用逆变器控制，风电模块为双馈异步电机，储能模块在孤岛运行时采用恒压充放电模式，根据分布式电源输出功率与负载功率的关系，通过充放电实现功率的平衡，维持母线电压稳定。上述三个模块通过变压器连接至一个3kW的负载，负载与大电网无连接，只由分布式电源供电，这样即实现了孤岛运行状态下的仿真；当选择为并网运行方式时，除光伏、风电、储能及负载模块外，还包含模拟主系统的三相交流电压源模块，此时分布式电源与主系统同时为负载供电。②界面下方为仿真结果数据展示部分。该部分主要将系统实时测量到的负荷侧电压电流有名值，光伏机组、风电机组以及储能元件的有功功率、无功功率等数据通过波形图的方式展现出来。当线路孤岛运行时，负载状态受到分布式电源运行状态的影响，但由于储能模块的作用，供电电压与频率总体稳定；当线路并网运行时，由于主系统的投入，系统运行状态稳定。③界面下方为参数调整模块，可以调整微电网的负荷默认值，观测不同情况下的数据变化情况。

4 教学效果

本仿真系统利用Matlab/Simulink进行仿真程序编写，仿真系统具有科学性、严谨性，能准确完成实验要求，获得实验数据；利用LabVIEW进行界面设计，整体界面简约大方，界面功能一目了然。

目前该仿真实验已经投入山东科技大学2019级电气工程及其自动化专业本科生及专业硕士研究生的电力系统自动化课程教学中实际应用，通过课堂讲授与仿真实验相结合的方式，加深了学生对本学科的理解，提高了学生的应用实践能力，达成了预期的教学目标。

5 结语

本文介绍了电力系统自动化仿真教学系统的设计、制作过程。本系统作为辅助教学工具，克服了时间和空间的局限性，把繁杂的仿真分析用更利于学生操作的方法呈现出来，可以帮助学生更方便、灵活的应用课程相关知识，更全面、深入地去学习理解电力系统自动化的技术和原理。本系统为教师和学生提供了研究平台，目前已经取得了良好的教学效果。在今后的工作中，还可以对系统的整体性能做进一步的优化提高。