PSCAD/EMTDC調(diào)用MATLAB的方法研究

張雷，羅興锜，李輝，白亮，李煒華

（1.西安電力高等專科學校，陜西西安 710032；2.西安理工大學，陜西西安 710048；3.商洛供電局，陜西商洛 726000）

電力系統(tǒng)是目前世界上最大的人造復雜系統(tǒng)工程，電力系統(tǒng)的研究工作是以大量的仿真分析為基礎(chǔ)的，電力系統(tǒng)仿真軟件被廣大電力系統(tǒng)的科研工作者所使用[1-2]，其中EMTDC/PSCAD（Electro-Magnetic Transient in DC System，PSCAD）是目前世界上被使用和國內(nèi)高度認可的專業(yè)電力系統(tǒng)仿真軟件，該軟件是由Dennis Woodford提出，在曼尼托巴大學的高壓直流輸電中心（Manitoba HVDC Research Center）完成的，尤其是隨著使用者的增多，軟件研發(fā)人員為它開發(fā)了方便用戶的可視化PSCAD圖像操作界面，支持電子電子仿真和非線性控制，它具有精確而完整的元件庫和仿真模型[3]，但是在大量計算和智能控制方面有所欠缺[4]。

以數(shù)據(jù)計算及處理聞名的MATLAB軟件，是美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高級計算環(huán)境，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，包括MATLAB和Simulink兩大部分，它具有諸多優(yōu)點：人機交互性強，操作簡單；程序語言易學易用；數(shù)據(jù)處理功能非常強大；圖形處理也令人滿意；功能齊全的工具箱；程序接口實用方便等，它為科學研究、工程設(shè)計和數(shù)值計算等領(lǐng)域提供了全面的解決方案[5-8]。

PSCAD/EMTDC軟件是得到廣泛的國際認可的專業(yè)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析仿真軟件，具有模型精確和高品質(zhì)仿真的優(yōu)點，將MATLAB的強大計算能力和PSCAD軟件的精確仿真結(jié)合起來，將會完美的實現(xiàn)兩個軟件的優(yōu)勢互補[9-12]。

在理論上PSCAD調(diào)用MATLAB是可行的，但是沒有論著對具體的實現(xiàn)技術(shù)進行闡述，而PSCAD的英文使用手冊里對具體調(diào)用方法也未作詳細說明，使得科研工作者在探討兩個軟件互聯(lián)方面，付出一定的時間和精力，本文就具體實現(xiàn)方法給出詳細說明，以期使仿真研究人員能節(jié)省大量時間，將精力放在仿真內(nèi)容的研究上。

1 軟件的接口原理

PSCAD里調(diào)用MATLAB的原理如圖1所示，對MATLAB模塊而言，假設(shè)有m個輸入變量、n個輸出變量。

圖1 PSCAD調(diào)用MATLAB示意圖Fig.1 The diagram of PSCAD call MATLAB

一般而言，仿真模型是在PSCAD軟件里搭建的，而大量的計算工作需要在MATLAB里進行。

PSCAD/EMTDC軟件里有一個Fortran文件DSDYN，通過它可以調(diào)用Fortran子程序，而這個Fortran子程序可以啟動MATLAB程序并使M文件在MATLAB里運行，從而實現(xiàn)PSCAD與MATLAB之間的數(shù)據(jù)通信，用戶可以根據(jù)仿真需要編寫MATLAB環(huán)境下實現(xiàn)特定計算功能的M文件，數(shù)據(jù)傳輸原理見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)的內(nèi)部傳輸原理Fig.2 Data internal transmission principle

本文研究中以可在WINDOWS XP系統(tǒng)運行的較新版本PSCAD 4.2.0 professional為例進行研究，該軟件自身配備的是EGCS/GUN Fortran 77編譯器，而軟件接口需要在VISIO Fortran 90及以上標準下編譯運行，因此需要在安裝PSCAD 4.2.0 professional軟件的時候不選中自帶GUN Fortran 77編譯器，可以使用Compaq Vision Fortran 6.6及MATLAB7.0版本。

2 具體實現(xiàn)方法

在PSCAD軟件里，需要設(shè)置一些參數(shù)，使得子程序可以正確讀取MATLAB的安裝路徑和使用Vision Fortran 6.6編譯器。選擇PSCAD里Edit菜單下的Workspace Settings，在Fortran一欄，選擇已經(jīng)安裝的Compaq Visual Fortran Standard Edition 6.6，在MATLAB一欄里，選擇Version 6 or higher，在Library Path里打開MATLAB安裝的路徑。完成以上設(shè)置，可以打開PSCAD里自帶的例程，選擇matlab文件夾里的例程運行，如果可無錯誤運行，則說明PSCAD與MATLAB軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信。

用戶可根據(jù)自己的需要在PSCAD里設(shè)計接口元件，自定義接口元件的設(shè)計有固定的格式和步驟，主要有3個方面：接口元件模塊創(chuàng)建，接口模塊參數(shù)設(shè)置，M文件的編輯。

創(chuàng)建接口元件的過程，按以下步驟操作即可，單擊PSCAD軟件工具欄的New Component，彈出PSCAD Component Wizard-step 1，在Name一欄對接口模塊命名，在Connections一欄，根據(jù)模塊輸入、輸出變量的個數(shù)，確定模塊上下左右4個方向上的接線個數(shù)。如果需要在該接口模塊里有下一層頁面，勾選Page Module即可，在該模塊右鍵的Edit Definision下的script無法書寫程序，需要雙擊該模塊，在進入模塊頁面之后，右鍵單擊輸入和輸出變量的Edit Definision然后在script中書寫代碼。在Component Wizard-step 1階段，需要設(shè)置的是輸入或輸出變量名和確定數(shù)據(jù)類型，Dimension在默認狀態(tài)下是未勾選的，數(shù)值是1，它表示的是輸入或輸出變量的維數(shù)為1，如果勾選并改數(shù)值為2，則表示該變量是2維數(shù)組。接連下一步，接口模塊創(chuàng)建完畢。

接口模塊參數(shù)的設(shè)置，選中該模塊，右鍵選擇Edit Definision，需要編輯的部分是Graphic（圖形）、Parameters（參數(shù)）、Script（腳本）。

Graphic的編輯，包括圖形的外觀，標簽注釋，雙擊輸入輸出參數(shù)可修改其名稱、類型及其維數(shù)。

Parameters（分類）的編輯，單擊New Category，根據(jù)需要單擊工具菜單按鈕ab（New Text Label）、re（New Input Field）和New Choice Box等，可以在Category Properties欄目下更改分類的名稱和作用條件（Enabled When）。一般可以創(chuàng)建兩個Text Label，雙擊創(chuàng)建好的Text Label，在Text Field Properties里Symbol里對它命名，在Default里要寫上待調(diào)用的MATLAB程序的M文件名，在另一個Text Label里設(shè)置路徑和缺省M文件類型。

在Script編輯部分，需要敲入以下代碼：

#STORAGE數(shù)據(jù)類型:N

IF($Enable.GT.0.9)THEN

STORF(NSTORF)=$input

CALL MLAB_INT(“$Path”，“M文件名”，“數(shù)據(jù)類型”，“數(shù)據(jù)類型”)

$output=STORF（NSTORF+1）

END IF

NSTORF=NSTORF+N-1

其中“數(shù)據(jù)類型”可以是Real（R）、Integer（I）、Logical（L），N表示這種類型的變量的個數(shù)。

至于M文件的編輯，用戶可根據(jù)需要實現(xiàn)的功能在記事本下編輯，也可以再MATLAB軟件里進行編輯，但必須經(jīng)過MATLAB軟件輸出為.M的文件格式。

3 仿真研究

為了驗證該方法的正確有效性，編寫可以產(chǎn)生正弦波函數(shù)的M文件，在PSCAD/EMTDC軟件里搭建簡易的仿真模型如圖3所示，限于篇幅在此不給出M文件代碼。

圖3所示的仿真模型由受控電壓源和8個負荷組成，負荷參數(shù)設(shè)置為：負荷1~負荷5額定有功100MW，額定無功100 Mvar，負荷6~負荷8額定有功100 MW，額定無功-100 Mvar，電源功率100 MV·A，各個負荷的受控電壓源的輸入是頻率f和電壓v，在變化的f和v的激勵下，各個負荷的有功、無功和電流值會隨之變化，仿真結(jié)果見圖4~圖7所示，而這個變化的激勵是由接口模塊調(diào)用M文件實現(xiàn)的。

圖3 仿真模型圖Fig.3 Simulation model drawing

由圖4、圖5分析可知：在PSCAD中搭建的驗證接口正確與否的模型，為簡單易見，頻率值直接取自M文件所產(chǎn)生的波形，電壓值經(jīng)過30°延遲。對比圖4與圖5，發(fā)現(xiàn)圖5中的頻率和電壓波形符合M文件程序原意。

圖4 MATLAB環(huán)境里M文件產(chǎn)生的正弦波Fig.4 Sine wave produced by M-file in the context of MATLAB

圖5 PSCAD環(huán)境里的電壓及頻率曲線Fig.5 Curve of voltage and frequency in the context of PSCAD

由圖6、圖7分析可知：有功曲線波形跟隨頻率波形變化，無功曲線跟隨電壓波形變化，負荷電力系統(tǒng)有功功率—頻率特性和無功功率—電壓特性曲線；圖7中無功曲線反轉(zhuǎn)，對應(yīng)了負荷6~負荷8設(shè)置的無功功率為負值。圖6和圖7中所有負荷的有功和無功數(shù)值之和接近于100 MV·A，與電源出力基本一致。

圖6 負荷1~負荷4的有功和無功曲線Fig.6 Active and reactive powers of load 1 to load 4

圖7 負荷5~負荷8的有功和無功曲線Fig.7 Active and reactive powers oflLoad 5 to load 8

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明：該方法可實現(xiàn)PSCAD/EMTDC調(diào)用MATLAB軟件進行電力系統(tǒng)仿真研究，它融合了兩者的優(yōu)點，仿真結(jié)果精確并彌補了PSCAD/EMTDC環(huán)境里不易實現(xiàn)智能控制的缺點，該調(diào)用方法是可行和有效的，簡易明了，便于讀者操作。

[1] 盧強，梅生偉，孫元章.電力系統(tǒng)非線性控制[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 林良真，葉林.電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD/EMTDC[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（1）：65-66.LIN Liang-zhen，YE Lin.An introduction to pscad/emtdc[J].PowerSystemTechnology，2000，24（1）：65-66（in Chinese）.

[4] 朱桂萍，陳建業(yè).電力電子電路的計算機仿真[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5] 尚濤，謝龍漢，杜如虛.MATLAB工程計算及分析[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6] 王中鮮.MATLAB建模與仿真應(yīng)用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[7] 吳天明，趙新力，劉建存.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[8] 張德豐.MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[9] 楊健維，麥瑞坤，何正友.PSCAD/EMTDC與MATLAB接口研究[J].電力自動化設(shè)備，2007，27（11）：83-86.YANG Jian-wei，MAI Rui-kun，HE Zheng-you.Interface between PSCAD/EMTDC and MATLAB[J].Electric Power Automation Equipment，2007，27（11）：83-87（in Chinese）.

[10]鐘波，趙華軍.PSCAD/EMTDC程序與MATLAB語言接口的研究[J].廣東電力，2005，18（8）：28-30.ZHONG Bo，ZHAO Hua-jun.Study on pscad/emtdc-matlab inerface[J].Guangdong Electric Power，2005，18（8）：28-30（in Chinese）.

[11]袁欣.PSCAD/EMTDC與MATLAB接口技術(shù)在繼電保護仿真中的運用[J].電力學報，2010，25（3）：214-217.YUAN Xin.The appl ication of the interface technique between PSCAD/EMTDC and Matlab in power system simulation[J].Journal of Electric Power，2005，18（8）：28-30 （in Chinese）.

[12]董振海.MATLAB編譯程序和外部接口[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.