基于MATLAB與VB混合編程的PSS測試系統(tǒng)

溫嘉斌， 滿 超， 張 羽

（哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱150080）

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展以及快速勵磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)低頻振蕩問題已成為影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一［1］；因而，在電力系統(tǒng)勵磁調(diào)節(jié)器上附加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer，PSS）的附加勵磁控制方案已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前，PSS設(shè)計與參數(shù)整定的各種方案層出不窮，但所設(shè)計的PSS較難放到發(fā)電機(jī)組上去驗證其工作的可靠性與穩(wěn)定性。本文利用PC機(jī)制作一套PSS性能測試系統(tǒng)，使電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的實(shí)驗和測試研究在實(shí)驗室里通過計算機(jī)完成，節(jié)省了大量現(xiàn)場調(diào)試時間，減少了對實(shí)際機(jī)組的依賴。該測試系統(tǒng)的特點(diǎn)在于界面友好、易于操作，在實(shí)現(xiàn)方法上大膽地運(yùn)用Matlab與VB混合編程技術(shù)進(jìn)行彼此之間的數(shù)據(jù)交換。Matlab是一套集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體的高性能數(shù)學(xué)軟件［2］，而VB可以制作出各種風(fēng)格的界面，雖然單純利用Matlab軟件便可以實(shí)現(xiàn)對PSS功能的測試，但是直接在model文件內(nèi)對模型參數(shù)進(jìn)行修改相當(dāng)復(fù)雜，不利于多次使用。該測試系統(tǒng)將二者的優(yōu)勢結(jié)合到一起，利用Matlab的Simulink平臺建立單機(jī)無窮大系統(tǒng)仿真模型，通過VB制作系統(tǒng)的前臺界面，可以反復(fù)操作和修改。與其他的混合編程更為不同的是，本文的混合編程打破了以往只有仿真結(jié)束后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的慣例，通過將仿真過程分成若干仿真單元的方法完成了數(shù)據(jù)的實(shí)時交換，實(shí)現(xiàn)單機(jī)無窮大系統(tǒng)、測試系統(tǒng)前臺界面和被測設(shè)備三者之間的即時通信，不僅美化了系統(tǒng)界面，更提高了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。該系統(tǒng)既可以對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的工作性能進(jìn)行測試，又可以對其參數(shù)進(jìn)行整定，運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠。

1 PSS對低頻振蕩的抑制

1.1 低頻振蕩

電力系統(tǒng)低頻振蕩是指發(fā)生在弱聯(lián)系的互聯(lián)網(wǎng)之間，或者發(fā)電機(jī)組和發(fā)電機(jī)組之間的、由于系統(tǒng)弱阻尼或負(fù)阻尼引起的一種功率振蕩，其頻率一般較低，位于0.1～2.5Hz內(nèi)，故稱之為低頻振蕩。產(chǎn)生低頻振蕩的原因主要有兩方面：① 遠(yuǎn)距離、重負(fù)荷輸電；② 大型發(fā)電機(jī)普遍采用集成電路和可控硅組成的勵磁調(diào)節(jié)器，加上晶閘管直接勵磁和快速勵磁系統(tǒng)的廣泛使用［3］。

1.2 PSS概述

PSS最早是由美國學(xué)者Demello和Concodri提出的。它采集發(fā)電機(jī)端的角速度、功率或頻率等參數(shù)，經(jīng)過放大、隔直、超前—滯后、限幅等環(huán)節(jié)后，將產(chǎn)生的附加勵磁控制信號和機(jī)端電壓一起作為勵磁系統(tǒng)的輸入。隔直環(huán)節(jié)使時間t→∞時，PSS的輸出為零，而過渡過程時該環(huán)節(jié)使得動態(tài)信號順利通過，從而使PSS只在動態(tài)過程中起作用。相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以使附加力矩與轉(zhuǎn)速偏差Δω同相位，一般由1～3個超前校正環(huán)節(jié)組成，即n＝1～3，一個超前環(huán)節(jié)最大可以校正電角度30°～40°［4］。限幅環(huán)節(jié)可以保證系統(tǒng)在受到大擾動時，不會造成發(fā)電機(jī)端的電壓劇烈變化。其基本原理是在自動電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，通過把Δω、功率偏差Δp、頻率偏差Δf中的一種或兩種信號作為附加控制信號，產(chǎn)生與輸入信號同向的附加力矩，PSS通過發(fā)電機(jī)勵磁控制來增強(qiáng)系統(tǒng)抑制振蕩的阻尼，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性［5］。數(shù)學(xué)模型如圖1所示，其中：K為放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)；T為隔直環(huán)節(jié)（微分環(huán)節(jié)）時間常數(shù)；S為時間變量t在復(fù)數(shù)域的表示；T1n，T2n，T1d，T2d均為超前滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；Vs為PSS輸出的控制信號。

圖1 PSS數(shù)學(xué)模型

2 Matlab與VB混合編程

Matlab提供了與C＋＋，F(xiàn)ortran的程序接口，但并沒有提供直接與VB的接口。實(shí)現(xiàn)Matlab與VB的對接，可以使用一般動態(tài)鏈接庫、動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，DDE）及 ActiveX組件等多種方法。動態(tài)鏈接庫技術(shù)通常是用Matlab編譯器將m文件編譯成動態(tài)鏈接庫文件，然后在VB環(huán)境中聲明以后調(diào)用庫中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)一定的功能。當(dāng)庫函數(shù)有輸入和返回值時常出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型不兼容等情況；而DDE雖然允許應(yīng)用程序之間共享數(shù)據(jù)，但其實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)交換功能的函數(shù)也較復(fù)雜，故本文采用了ActiveX技術(shù)。

Microsoft把所有以COM為基礎(chǔ)的技術(shù)統(tǒng)稱為ActiveX技術(shù)，它既不是一種程序語言，也不是一種操作系統(tǒng)，而是一種協(xié)議。其允許應(yīng)用程序或組件控制另一個應(yīng)用程序或組件的運(yùn)行，可以使VB能夠在不了解應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)細(xì)節(jié)的情況下控制自動化對象。Matlab實(shí)現(xiàn)了ActiveX自動化服務(wù)支持，在VB下通過ActiveX自動化接口可將Matlab作為VB語言的一個ActiveX組件調(diào)用?？梢哉J(rèn)為，Matlab是自動化服務(wù)器，VB為自動化控制器，可由VB編程驅(qū)動Matlab。

Matlab ActiveX自動化服務(wù)的主要功能包括在Matlab工作空間執(zhí)行Matlab命令，以及直接從Matlab工作空間存取矩陣等。Matlab提供了一個自動化對象，其外部名為Matlab Application，支持COM技術(shù)，其他程序（如VB）通過COM技術(shù)提供的函數(shù)，得到自動化服務(wù)器對象支持的指針，并通過調(diào)用接口函數(shù)控制和使用自動化對象。在VB中創(chuàng)建Matlab ActiveX對象后，就可以使用該對象所包含的各種方法實(shí)現(xiàn)對Matlab的調(diào)用。對Matlab自動化服務(wù)器的使用必須通過服務(wù)器提供的3種方法：①Execute方法。該方法接收字符串命令并在Matlab中執(zhí)行，將結(jié)果以字符串形式返回。②GutFullMatrix方法。該方法從指定的工作空間檢索一個完整的一維或二維的實(shí)型或虛型mxArray，其實(shí)步和虛步分別存放到兩個單獨(dú)的double型數(shù)組中。③PutFullMatrix方法。該方法將一個mxArray放入指定的工作空間［6］。與DDE技術(shù)相比，ActiveX技術(shù)在運(yùn)行時不需要先啟動 Matlab，較為方便［7］。

3 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

該測試系統(tǒng)由2個m文件、2個Model模型文件、1個VB界面以及1個PCI插槽數(shù)據(jù)采集卡組成。2個 m 文件分別命名為“ceshi.m”和“chushihua.m”，其作用是把Simulink中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)讀到Matlab工作空間，供VB讀取和把Matlab工作空間里的控制信號送給Model模型文件；2個Model文件利用Matlab的Simulink建立，分別命名為“ceshi.mdl”和“chushihua.mdl”，主體由單機(jī)無窮大系統(tǒng)組成，可以對電力系統(tǒng)的故障進(jìn)行模擬，檢驗以Δω為輸入信號的PSS對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)單機(jī)無窮大仿真系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)PSS設(shè)備之間的通信，進(jìn)行數(shù)字信號與模擬信號的互相轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的信號流程圖由圖2所示。

圖2 信號流程圖

3.2 測試系統(tǒng)界面組成

測試系統(tǒng)充分考慮面向?qū)ο蟮男枨螅瑸榱朔奖阌脩舨僮骱筒榭礈y試結(jié)果，利用VB制作了面向用戶的系統(tǒng)界面。系統(tǒng)界面有2個命令按鈕、1個圖片框、2個文本框和2組單選按鈕。2個命令按鈕分別控制測試程序的啟動和退出；2個文本框分別進(jìn)行測試結(jié)果的數(shù)字輸出；圖片框進(jìn)行結(jié)果的圖形輸出；4個單選按鈕對用戶關(guān)心的參數(shù)輸出進(jìn)行選擇，還可以進(jìn)行投入PSS和不投入PSS的對比測試；另有3個單選按鈕對系統(tǒng)故障模式進(jìn)行設(shè)置。測試結(jié)果可同時進(jìn)行數(shù)字輸出和圖形顯示，既直觀，又便于對結(jié)果進(jìn)行細(xì)致分析。

3.3 單機(jī)無窮大系統(tǒng)

單機(jī)無窮大系統(tǒng)作為測試PSS的直接載體，其組成是否合理關(guān)系到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文所建立的單機(jī)無窮大系統(tǒng)由同步發(fā)電機(jī)、廠用負(fù)荷、變壓器、雙回路輸電線和無窮大系統(tǒng)等組成。其中，發(fā)電機(jī)帶有快速勵磁系統(tǒng)；變壓器為Yd11接法，高壓側(cè)星接可以接地，低壓側(cè)角接對系統(tǒng)運(yùn)行有利；雙回路輸電線為“π”型輸電線路；無窮大系統(tǒng)由三相無窮大電源和負(fù)載組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單機(jī)無窮大系統(tǒng)示意圖

3.4 發(fā)電機(jī)參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定功率Pn＝200MW，額定電壓Un＝13.8kV，額定頻率fn＝50Hz，其余參數(shù)均由 Matlab的powergui模塊自動生成。其中：直軸同步電抗Xd＝1.305p.u；直軸暫態(tài)電抗X′d＝0.296p.u；直軸次暫態(tài)電抗X″d＝ 0.252p.u；交軸同步電抗Xq＝0.474p.u；交軸次暫態(tài)電抗X″q＝ 0.243p.u；漏抗XL＝0.184p.u；直 軸 暫 態(tài) 開 路 時 間 常 數(shù)T′d0＝4.49S；直軸次暫態(tài)開路時間常數(shù)T″d0＝0.068 1S；交軸次暫態(tài)短路時間常數(shù)T″q＝0.051 3S。

3.5 勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)

主調(diào)節(jié)器一階系統(tǒng)增益Ka＝300，主調(diào)節(jié)器一階系統(tǒng)時間常數(shù)Ta＝0.003，勵磁機(jī)一階系統(tǒng)增益Ke＝1，勵磁機(jī)一階系統(tǒng)時間常數(shù)Te＝0，一階導(dǎo)數(shù)反饋系統(tǒng)增益Kf＝0.001，一階導(dǎo)數(shù)反饋系統(tǒng)時間常數(shù)Tf＝0.1。

3.6 數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)

型號：PCI8320；

模擬輸入部分：單端8路輸入通道，0～5V信號輸入范圍，8位A／D轉(zhuǎn)換分辨率，系統(tǒng)綜合誤差≤0.4%F.S，其中，F(xiàn).S為滿量程誤差。

模擬輸出部分：4路輸出通道，支持電壓輸出或電流輸出，D／A轉(zhuǎn)換器件為DAC0832，8位D／A轉(zhuǎn)換分辨率，D／A轉(zhuǎn)換綜合建立時間不超過5μs，D／A轉(zhuǎn)換綜合誤差為電壓方式≤0.4%F.S、電流方式≤1%F.S。

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗

4.1 模擬被測設(shè)備

根據(jù)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基本模型，結(jié)合模擬電路用電阻、電容和運(yùn)算放大器等器件制作了一個簡易的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，其傳遞函數(shù)

模擬電路如圖4所示，其中，R1＝30kΩ，R2＝1Ω，R3＝100kΩ，R4＝10kΩ；電容C1＝1μF，C2＝10μF，C3＝8μF，C4＝5μF；接地電阻Rf＝1kΩ。

圖4 PSS模擬電路

4.2 測試系統(tǒng)設(shè)置

為使PSS運(yùn)行在一個更為接近實(shí)際情況的環(huán)境中，測試系統(tǒng)由Simulink搭建了2個單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型。該模型包括同步發(fā)電機(jī)、信號分離器、勵磁調(diào)節(jié)器、廠用負(fù)荷、變壓器、斷路器、雙回路輸電線路、無窮大系統(tǒng)、三相故障模塊以及勵磁調(diào)節(jié)器擾動輸入等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

測試系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)被測設(shè)備與Simulink模型文件之間數(shù)據(jù)的實(shí)時交換，要先把模型文件中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差參數(shù)離散化并存儲到Matlab工作空間，而Simulink的模型文件在仿真運(yùn)行期間又不能把數(shù)據(jù)存儲到Matlab工作空間，只有在仿真停止或暫停的情況下才能把數(shù)據(jù)存到Matlab工作空間供外部文件使用［9］。然而將仿真程序停止顯然是無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳遞數(shù)據(jù)的。雖然Matlab自身可以通過break方法暫停仿真程序，但是，VB通過AxtiveX控件調(diào)用Matlab程序時不支持break方法，故本系統(tǒng)采用了將20s的仿真過程分成2 000個小的仿真單元的方法，每一小步仿真作為一個獨(dú)立的仿真單元，仿真時間為0.01s。為了能形成一個持續(xù)的仿真過程，每一個仿真單元運(yùn)行結(jié)束時都自動記錄模型的最終狀態(tài)，并且在下一次仿真開始時重新讀入該狀態(tài)作為本次仿真的初始狀態(tài)。這樣，每一個仿真單元結(jié)束運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速偏差信號都可以存儲到工作空間，從而實(shí)現(xiàn)被測設(shè)備與模型文件的通信，而且當(dāng)2 000個仿真單元運(yùn)行完，便可近似地認(rèn)為是20s的連續(xù)仿真實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時交換。單機(jī)無窮大系統(tǒng)仿真時用變步長ode23tb算法，仿真時間設(shè)置為0.01s，因為該模型會被VB調(diào)用2 000次，所以測試系統(tǒng)結(jié)束后相當(dāng)于該模型連續(xù)仿真20s。

圖5 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 單相對地短路試驗

本次試驗以0.5s時發(fā)生A相對地短路故障，且斷路器在該時間點(diǎn)跳閘，0.6s時故障排除，斷路器重合閘為例，得到如圖6、7所示的測試結(jié)果。

圖6 投入PSS的測試結(jié)果

圖7 未投入PSS的測試結(jié)果

圖6中以投入PSS運(yùn)行時的功率角δ和Δω為觀察對象。系統(tǒng)在發(fā)生A相斷路故障后短路故障后，在PSS的作用下，Δω迅速恢復(fù)穩(wěn)定，用時不到2s，且δ波動較小；而圖7中以未投入PSS作用的δ和Δω為觀察對象，在這一組試驗中頻率約1Hz的震蕩次數(shù)明顯增加，發(fā)電機(jī)Δω經(jīng)過大約15s才趨于零，而且最終導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)的δ發(fā)生偏移，并且在短路故障發(fā)生的一瞬間δ幅值波動約120°，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電磁功率劇烈震蕩，對電力系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。從實(shí)驗結(jié)果可以看出，所測試的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能有效地抑制系統(tǒng)低頻振蕩，從而證實(shí)該測試系統(tǒng)可以測試PSS對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制，并能對所給PSS參數(shù)的合理性進(jìn)行驗證。

5 結(jié) 語

本文分析了電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制措施以及PSS對低頻振蕩的抑制作用。建立了較為合理的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型和面向用戶的系統(tǒng)界面，在VB與Matlab混合編程的基礎(chǔ)上，嘗試了將仿真過程分成若干小的仿真單元的方法，實(shí)現(xiàn)了VB與Matlab之間的實(shí)時數(shù)據(jù)交換。對該測試系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗，實(shí)驗結(jié)果證實(shí)：該測試系統(tǒng)界面友好、性能穩(wěn)定，可以測試PSS對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制作用，并能進(jìn)行PSS的參數(shù)整定，有很好的實(shí)用價值。

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