基于Matlab/Simulink與PSASP的潮流計(jì)算

李惜玉，陳俊坡，周可盈

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510060)

·計(jì)算機(jī)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)·

基于Matlab/Simulink與PSASP的潮流計(jì)算

李惜玉，陳俊坡，周可盈

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510060)

電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)仿真的常用軟件，而Simulink是Matlab中的一種可視化電力系統(tǒng)仿真組件，兩種軟件都具有強(qiáng)大的電力系統(tǒng)分析計(jì)算功能。該文對(duì)一個(gè)四節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分別采用兩種軟件對(duì)其進(jìn)行潮流仿真計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較及分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Matlab更適合于具體模型或精度要求高的仿真，但進(jìn)行潮流計(jì)算的操作較為繁瑣；而PSASP更適合于參數(shù)較少或理想狀況下的建模及穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析。

Matlab Simulink；電力系統(tǒng)分析綜合程序；電力系統(tǒng)；潮流計(jì)算

潮流計(jì)算是研究電力系統(tǒng)運(yùn)行和規(guī)劃方案最重要和最基本的手段，其任務(wù)是根據(jù)給定的發(fā)電運(yùn)行方式及系統(tǒng)接線方式求解電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況，包括各母線的電壓以及各元件中通過(guò)的功率[1]，是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和規(guī)劃，以及可靠性分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)[2]。

1 Matlab Simulink和 PSASP簡(jiǎn)介

Simulink是在Matlab上具有仿真鏈接的一個(gè)部件，幾乎能對(duì)所有可以用數(shù)學(xué)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、汽車動(dòng)力系統(tǒng)、航空航天動(dòng)力系統(tǒng)及船舶系統(tǒng)等，使用便利，有十分強(qiáng)大的功能。其中Simpowersystem庫(kù)能進(jìn)行電子、電力系統(tǒng)建模和仿真，建立在Hydro-Quebec電力系統(tǒng)測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，并由Hydro-Quebec和TECSIM International公司共同開發(fā)而成，其用電路建模方式進(jìn)行模型的搭建，將仿真系統(tǒng)圖變換成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在Simulink下進(jìn)行仿真分析，為發(fā)電和輸電系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電路和電力電子系統(tǒng)、配電計(jì)算提供了強(qiáng)有力的解決方法，特別擅長(zhǎng)于設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容關(guān)系到控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[3]。

PSASP是一款由中國(guó)電力科學(xué)院研發(fā)的能進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流、暫態(tài)穩(wěn)定和短路計(jì)算的仿真軟件。PSASP的結(jié)構(gòu)分為3層，即具有公用數(shù)據(jù)和模型的資源庫(kù)的第1層，在資源庫(kù)基礎(chǔ)之上的第2層，以及含有各種計(jì)算結(jié)果庫(kù)和分析工具的第3層[4]；擁有進(jìn)行包括短路計(jì)算、復(fù)雜故障計(jì)算及繼電保護(hù)整定計(jì)算的故障分析，包含潮流分析、網(wǎng)損分析、最優(yōu)潮流和無(wú)功優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)分析和具有暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算、電壓穩(wěn)定計(jì)算和控制參數(shù)優(yōu)化的機(jī)電暫態(tài)分析功能。它具有使用簡(jiǎn)單、功能齊全的特點(diǎn)[5]。

2 電力系統(tǒng)的建模及潮流計(jì)算

本次研究選取了一個(gè)雙機(jī)四節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)模型[6]，如圖1所示。該系統(tǒng)由1臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、1個(gè)無(wú)窮大系統(tǒng)、4個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、1臺(tái)雙繞組變壓器、2組負(fù)荷及三回三相無(wú)中線交流輸電線路組成。其中節(jié)點(diǎn)S4為平衡節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)S3為PV節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)S1、S2為負(fù)荷PQ節(jié)點(diǎn)。線路參數(shù)為：

Z12=0.10+j0.40,Y120=X210=j0.015 28；

Z14=0.12+j0.50，Y140=Y410=j0.019 20；

Z24=0.08+j0.40，Y240=Y420=j0.014 13；

PQ節(jié)點(diǎn)參數(shù)為：PS1+jQS1=-0.3-j0.18；PS2+jQS2=-0.55-j0.13； PV節(jié)點(diǎn)S3參數(shù)：PS3=0.5，VS3=1.10；平衡節(jié)點(diǎn)S4參數(shù)：VS4=1.05+j0；變壓器參數(shù)：K=1.1，Z13=j0.3。

圖1 電力系統(tǒng)接線圖

2.1 PSASP 6.22的建模

建模分為以下3個(gè)步驟：1)根據(jù)仿真模型在編輯模式中進(jìn)行繪圖和參數(shù)的錄入；2)進(jìn)入運(yùn)行模式定義作業(yè)方案；3)執(zhí)行潮流計(jì)算，選擇需要輸出的數(shù)據(jù)輸出報(bào)表[7]。其仿真模型圖如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)PSASP仿真模型圖

2.2 Matlab 7.0的建模2.2.1 Matlab元件選取及參數(shù)

在Matlab7.0中，各元件線路的參數(shù)取用有名值，取額定容量為100 MVA，額定線電壓為380 kV，額定頻率為50 Hz。

本次建模使用到的模型有簡(jiǎn)化電機(jī)模塊、Π形電路模塊、RLC串聯(lián)負(fù)載模塊、雙繞組變壓器模塊、powergui模塊和三相電壓電流測(cè)量表。

2.2.2 Matlab仿真

在Simulink模塊庫(kù)與Simpowersystem模塊庫(kù)中選取相應(yīng)的模塊并按圖搭建好模型。通過(guò)powergui模塊進(jìn)行潮流計(jì)算和電機(jī)初始化[8]：對(duì)電機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置節(jié)點(diǎn)類型及相應(yīng)的電壓相角或功率，再更新潮流分布，得到相應(yīng)的電機(jī)節(jié)點(diǎn)潮流結(jié)果；其他的節(jié)點(diǎn)潮流數(shù)據(jù)則可以通過(guò)powergui的穩(wěn)態(tài)電壓電流分析功能獲得[9]。其模型接線如圖3所示。

2.2.3 Matlab仿真過(guò)程中的注意事項(xiàng)

Matlab對(duì)仿真模型的精確度要求較高，在Matlab軟件的仿真環(huán)境中并不允許發(fā)電機(jī)與變壓器直接相連，因此在這之間加入了僅僅1 km的三相無(wú)中線交流輸電線路模型，另外設(shè)定線路參數(shù)時(shí)令數(shù)量級(jí)小一些，這樣對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。在進(jìn)行更新潮流分布前，對(duì)于平衡節(jié)點(diǎn)要輸入估計(jì)的有功功率的值[10]，否則可能因?yàn)槌跏贾档腻e(cuò)誤而造成無(wú)解，所以應(yīng)先手算或通過(guò)其他軟件得出解的合適范圍，再輸入求得的大致功率。對(duì)于變壓器的一二次側(cè)繞組電抗，由于在其中輸入的均為標(biāo)幺值，取r=0，一二次側(cè)的電抗和為0.3即可。Matlab與PSASP結(jié)果對(duì)比如表1所示。

由表1可看出，在一定的誤差范圍內(nèi)(模型誤差)，分別基于PSASP與Matlab建模進(jìn)行潮流計(jì)算輸出結(jié)果十分接近，均能對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析并得到較為準(zhǔn)確的解。

2.3 對(duì)比分析

1)處理數(shù)據(jù)的精度的差異。Matlab/Simulink可輸入數(shù)據(jù)的精度要比PSASP高；PSASP輸入的精度最高只能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后4位，有著自身的局限性，而Matlab是通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)及傳遞函數(shù)表達(dá)進(jìn)行仿真，輸入處理數(shù)據(jù)的精度理論上要比PSASP高得多。

2)在穩(wěn)態(tài)分析及暫態(tài)分析上的差異。相比于Matlab中的Simulink，在電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析的時(shí)間效益上，PSASP要明顯高于前者，Matlab是通過(guò)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)函數(shù)及傳遞函數(shù)在時(shí)域上的處理而得出結(jié)果，而PSASP是通過(guò)各個(gè)模型數(shù)據(jù)庫(kù)間的計(jì)算聯(lián)系得出結(jié)果，同樣的一個(gè)電力系統(tǒng)模型，5 s的穩(wěn)態(tài)分析，在Matlab上仿真需要幾分鐘，而PSASP則可以立刻得到結(jié)果；相對(duì)地，由于上述原因，在小擾動(dòng)細(xì)節(jié)上的體現(xiàn)，Matlab要更細(xì)致，明顯地優(yōu)于PSASP；理論上Matlab更適合做暫態(tài)分析。

圖3 電力系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真模型圖

仿真軟件節(jié)點(diǎn)MatlabPSASP電壓幅值/p.u.電壓相角/(°)有功功率/p.u.無(wú)功功率/p.u.電壓幅值/p.u.電壓相角/(°)有功功率/p.u.無(wú)功功率/p.u.10.98437-1.01-0.30-0.180.98468-0.50000.30-0.1820.96902-6.30-0.55-0.130.9648-6.4503-0.55-0.1331.16.810.500.0971.16.730.50.09341.0500.37870.25211.0500.367880.26469

3)在模型元件上的差異：在同樣的電力系統(tǒng)模型下，PSASP可有選擇性地不填入發(fā)電機(jī)電抗電阻、交直軸電抗等參數(shù)，變壓器可不填入勵(lì)磁電抗電阻等；而在Matlab上，即便是最簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化電機(jī)模型，也要填入勵(lì)磁阻抗值。也就是說(shuō)，PSASP可以做相對(duì)理想狀況下的電力系統(tǒng)仿真，也可以設(shè)置具體參數(shù)值，模型相對(duì)簡(jiǎn)單；而Matlab則需要較為具體及詳細(xì)的參數(shù)，較貼合實(shí)際，但模型更復(fù)雜。

3 結(jié)束語(yǔ)

Matlab/Simulink與PSASP均能對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的仿真分析及計(jì)算，且其結(jié)果差異不大；相對(duì)來(lái)說(shuō)，Matlab的輸入精度和細(xì)節(jié)性更好，更適合于詳細(xì)參數(shù)的模型，理論上在暫態(tài)分析上更適合于具體模型或要求高精度的仿真，但進(jìn)行潮流計(jì)算的操作較為繁瑣；而PSASP模型簡(jiǎn)單，仿真步驟簡(jiǎn)單，而且由于其基于模型數(shù)據(jù)庫(kù)的算法在穩(wěn)態(tài)分析上的效率高得多，更適合于參數(shù)較少或理想狀況下的建模及穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析。

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Flow Calculation Based on Matlab/Simulink and PSASP

LI Xiyu, CHEN Junpo, ZHOU Keying

(College of automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510060, China)

Power System Analysis Software Package (PSASP)is a software commonly used in simulation of electricity power system, and Simulink is a visible power system simulation tool of Matlab.Both softwares have a strong power system analysis and calculation functions.In this paper, a four node system is used to simulated calculate by two softwares respectively, and the results are compared and analyzed.The experimental results show that Matlab is more suitable for the specific models or high precision simulation, but the operation of Matlab for power flow calculation is more complicated.PSASP is more suitable for the modeling and steady state calculation under the condition of less parameters or ideal conditions.

Matlab Simulink;PSASP;electricity power system;flow calculation

2015-06-18；修改日期:2015-09-07

2013年廣東省廣東工業(yè)大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(1184513164)；2014年廣東省廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(yj201411845041)； “工程教育背景下大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索”廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(粵財(cái)教[2012]361號(hào))；2012廣東工業(yè)大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(2012Z010)。

李惜玉(1971-)，女，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化電力方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)工作和電力系統(tǒng)安全與運(yùn)行的研究工作。

TM743

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.013