1、第1章 概述 第1章 概述 前言前言1.1 电力系统常用仿真软件简介电力系统常用仿真软件简介 1.2 MATLAB/SIMULINK概述概述 1.3 简单电路演示简单电路演示 习题习题 第1章 概述 第1章 概述 动模实验室动模实验室第1章 概述 实时仿真装置实时仿真装置第1章 概述 1.1 电力系统常用仿真软件简介电力系统常用仿真软件简介 电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可或缺的工具，特别是电力系统新技术的开发研究、新装置的设计、参数的确定更是需要通过仿真来确认。目前常用的电力系统仿真软件有：第1章 概述(1)邦纳维尔电力局邦纳维尔电力局(Bonneville
2、 Power Administration,BPA)开发的开发的BPA 程序和程序和EMTP(Electromagnetic Transients Program)程序；程序；中国版的BPA程序是由中国电力科学院引进、消化、吸收美国BPA程序开发而成，是我国电力系统分析计算的重要工具之一。程序中包括详细的发电机模型和各种励磁模型，主要由潮流和暂态稳定程序构成，具有计算规模大、计算速度快、数值稳定性好、功能强等特点。EMTP是具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点,对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析，它的典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后感兴趣的变量随时间变化的规律
3、。ATP（The alternative Transients Program）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本。第1章 概述(2)曼尼托巴高压直流输电研究中心曼尼托巴高压直流输电研究中心(Manitoba HVDC Research Center)开发的开发的PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Program including Direct Current)程序；程序；是一种世 界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，P
4、SCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。第1章 概述(3)德国西门子公司研制的电力系统仿真软件德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC(Network Torsion Machine Control)；德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析软件，经过多年的发展，该软件不断完善，功能日益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的 FORTRAN语言子程序、数学表达式等，用户遍及世界各地。第1章 概述(4)中国电力科学研究院开发的电力系统分析综
5、合程序中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)；是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序,它具有我国自主知识产权，是资源共享，使用方便，高度集成和开放的大型软件包 PSASP是电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案的重要工具；是运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施的有效手段；是科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题的得力助手；是高等院校用于教学和研究的软件设施。PSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可进行电力系统(输
6、电、供电和配电系统)的各种计算分析。第1章 概述 第1章 概述 第1章 概述(5)MathWorks公司开发的科学与工程计算软件公司开发的科学与工程计算软件MATLAB(Matrix Laboratory，矩阵实验室，矩阵实验室)。第1章 概述 电力系统分析软件除了以上几种，还有美国加州大学伯克利分校研制的PSPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)、美国PTI公司开发的PSS/E、美国EPRI公司开发的ETMSP、ABB公司开发的SYMPOW 程序和美国EDSA公司开发的电力系统分析软件EDSA等。以上各个电力系统仿真
7、软件的结构和功能不同，它们各自的应用领域也有所侧重。EMTP主要用来进行电磁暂态过程数字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用来进行电磁暂态和控制环节的仿真，BPA、PSASP主要用来进行潮流和机电暂态数字仿真。第1章 概述 近年来，MATLAB由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，在多个领域都有广泛的应用。在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上(尤其是信息科学刊物)，都可以看到MATLAB的应用。在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MAT
8、LAB作为授课内容。这几乎成了20世纪90年代教科书与旧版教科书的标志性区别。在这些学校里，MATLAB是攻读学位的本科生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。第1章 概述 在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认为是进行高效研究和开发的首选软件工具。如美国National Instruments公司的信号测量、分析软件LabVIEW，Cadence公司的信号和通信分析设计软件SPW等，它们直接建筑在MATLAB之上，或者以MATLAB为主要支撑。又如HP公司的VXI硬件，TM公司的DSP，Gage公司的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。MATLAB在全球现在有超过50万的企业用户和上
9、千万的个人用户，广泛地分布在航空航天、金融财务、机械化工、电信、教育等各个行业。第1章 概述 1998年MathWorks公司推出了MATLAB 5.2版本，针对电力系统设计了电力系统模块集(Power System Block，PSB)。该模块集包含大量电力系统的常用元器件，如变压器、线路、电机和电力电子等，功能也比较全面，逐渐被电力系统的研究者接受，并将它作为高效的仿真分析软件。第1章 概述 1.2 MATLAB/SIMULINK概述概述 1.2.1 MATLAB/SIMULINK 1.MATLAB第1章 概述 2.SIMULINKSIMULINK是MathWorks公司开发的又一个产生重
10、大影响的软件产品。起初是为了准确地分析控制系统的复杂模型，包括仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统。该软件有两个特别明显的功能：仿真与链接。也就是说，可以直接利用鼠标在模型窗口中画出所需要的控制系统模型，然后再利用该软件提供的功能来对控制系统直接进行模拟。SIMULINK的出现，使得MATLAB在控制系统仿真以及电脑辅助设计(CAD)中的应用开创了崭新的一页。第1章 概述 第1章 概述 第1章 概述 第1章 概述 MATLAB/SIMULINK的主要产品及其相互关系第1章 概述 3.SimPowerSystems库发展简史库发展简史SimPowerSyst
11、ems库是SIMULINK下面的一个专用模块库，是在SIMULINK环境下进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。SimPowerSystems库提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将仿真系统图变化成状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真分析。它为电路、电力电子系统、电机系统、发电、输变电系统和配电计算提供了强有力的解决方法，尤其是当设计开发内容涉及控制系统设计时，优势更为突出。第1章 概述 SimPowerSystems 4.0中含有130 多个模块，分布在7个可用子库中。这7个子库分别为“应用子库(Application Libraries)”、“电源子
12、库(Electrical Sources)”、“元件子库(Elements)”、“附加子库(Extra Library)”、“电机子库(Machines)”、“测量子库(Measure-ments)”“电力电子子库(Power Electronics)”。第1章 概述 此外，SimPowerSystems 4.0中还含有一个功能强大的图形用户分析工具Powergui和一个废弃的“相量子库”(Phasor Elements)。这些模块可以与标准的SIMULINK模块一起，建立包含电气系统和控制回路的模型，并且可以用附加的测量模块对电路进行信号提取、傅里叶分析和三相序分析。第1章 概述 应用子库中
13、含有适合于普通风能发电系统的分布式能源模型、特种电机模型和FACTS模型。注：柔性交流输电系统（FACTS）的英文表达为：Flexible Alternative Current Transmission Systems，是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。第1章 概述 电源子库中含有交流电压源、直流电压源、受控电压源和受控电流源模型。第1章 概述 测量子库中含有电压、电流、电抗测量模块，以及万用表测量模块。第1章 概述 元件子库中含有RLC支路和负载、线性和饱和变压器、断路器、传输线模型、物理端口模型。第1章 概述 电机子库中包
14、含详细或简化形式的异步电机、同步电机、永磁同步电机、直流电机、励磁系统、水力与蒸汽涡轮调速系统模型。第1章 概述 电力电子子库中含有二极管、简化/复杂晶闸管、GTO、开关、MOSFET、IGBT和通用桥式电路模型。第1章 概述 附加子库中包含内容较多，主要和系统离散化、控制、计算和测量有关，包括RMS测量、有效和无功功率计算、傅里叶分析、HVDC 控制、轴系变换、三相V-I测量、三相脉冲和信号发生、三相序列分析、三相 PLL 和连续/离散同步6/12脉冲发生器等。这些模块，有些将在后面几章中进行介绍，但是大多数模块还需要读者对照MATLAB提供的帮助文件进行学习。第1章 概述 1.2.2 MA
15、TLAB/SIMULINK的特点的特点1.MATLAB的特点的特点自从MathWorks公司推出MATLAB后，MATLAB以其优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力很快在数学软件中脱颖而出。随着版本的不断升级，它在数值计算及符号计算功能上得到了进一步完善。MATLAB的特点可概括为以下七点：(1)提供了便利的开发环境。MATLAB提供了一组可供用户操作函数和文件的具有图形用户界面的工具，包括MATLAB主界面、命令窗口、历史命令、编辑和调试、在线浏览帮助、工作空间、搜索路径设置等可视化工具窗口。第1章 概述(2)提供了强大的数学应用功能。MATLAB可进行包括基本函数、复杂算法、更高级的矩
16、阵运算等非常丰富的数学应用功能，特别适合矩阵代数领域。它还具有许多高性能数值计算的高级算法，库函数极其丰富，使用方便灵活。(3)编程语言简易高效。MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。MATLAB既具有结构化的控制语句(如for循环、while循环、break语句和if语句)，又有面向对象编程的特性。MATLAB程序书写形式自由，利用丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。程序限制不严格，程序设计自由度大，并且有很强的用户自定义函数的能力。第1章 概述(4)图形功能强大。在如FORTRAN和C等一般编程语言里，
17、绘图都很不容易。但MATLAB提供了丰富的绘图函数命令，使得用户数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力，用户可方便地在可视化环境下进行个性化图形编辑和设置。第1章 概述(5)提供了功能强大的工具箱。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。学科性工具箱专业性比较强，如control、signal processing、commumnication、powersy
18、s toolbox等。这些工具箱都是由相关领域内的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，直接可以进行高、精、尖的研究。第1章 概述(6)应用程序接口功能强大。MATLAB提供了方便的应用程序接口，用户可以使用C或FORTRAN等语言编程，实现与MATLAB程序的混合编程调用。(7)MATLAB的缺点。和其它高级程序相比，MATLAB程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，因此速度较慢。第1章 概述 2.SIMULINK的特点的特点SIMULINK是一种强有力的仿真工具，它能让使用者在图形方式下以最小的代价来模拟真实动态系统
19、的运行。SIMULINK准备有数百种预定义系统环节模型、最先进有效的积分算法和直观的图示化工具。依托SIMULINK强健的仿真能力，用户在原型机制造之前就可建立系统的模型，从而评估设计并修补瑕疵。SIMULINK具有如下特点：(1)建立动态系统的模型并进行仿真。SIMULINK是一种图形化的仿真工具，用于对动态系统建模和控制规律的研究制定。由于支持线性、非线性、连续、离散、多变量和混合式系统结构，SIMULINK几乎可分析任何一种类型的真实动态系统。第1章 概述(2)以直观的方式建模。利用SIMULINK可视化的建模方式，可迅速地建立动态系统的框图模型。只需在SIMULINK元件库中选出合适的
20、模块并拖放到SIMULINK建模窗口，鼠标点击连接就可以了。SIMULINK标准库拥有的模块超过150种，可用于构成各种不同种类的动态系统。模块包括输入信号源、动力学元件、代数函数和非线性函数、数据显示模块等。SIMULINK模块可以被设定为触发和使能的，能用于模拟大模型系统中存在条件作用的子模型的行为。第1章 概述(3)增添定制模块元件和用户代码。SIMULINK模块库是可定制的，能够扩展以包容用户自定义的系统环节模块。用户也可以修改已有模块的图标，重新设定对话框，甚至换用其它形式的弹出菜单和复选框。SIMULINK允许用户把自己编写的C、FORTRAN、Ada代码直接植入SIMULINK模
21、型中。第1章 概述(4)快速、准确地进行设计模拟。SIMULINK优秀的积分算法给非线性系统仿真带来了极高的精度。先进的常微分方程求解器可用于求解刚性的和非刚性的系统、具有事件触发或不连续状态的系统和具有代数环的系统。SIMULINK的求解器能确保连续系统或离散系统的仿真高速、准确的进行。同时，SIMULINK还为用户准备了一个图形化的调试工具，以辅助用户进行系统开发。第1章 概述(5)分层次地表达复杂系统。SIMULINK的分级建模能力使得体积庞大、结构复杂的模型构建也简便易行。根据需要，各种模块可以组织成若干子系统。在此基础上，整个系统可以按照自顶向下或自底向上的方式搭建。子模型的层次数量
22、完全取决于所构建的系统，不受软件本身的限制。为方便大型复杂结构系统的操作，SIMULINK还提供了模型结构浏览的功能。第1章 概述(6)交互式的仿真分析。SIMULINK的示波器可以动画和图形显示数据，运行中可调整模型参数进行What-if分析，能够在仿真运算进行时监视仿真结果。这种交互式的特征可帮助用户快速评估不同的算法，进行参数优化。由于SIMULINK完全集成于MATLAB，在SIMULINK下计算的结果可保存到MATLAB的工作空间中，因而就能使用MATLAB所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操作数据。第1章 概述 3.SimPowerSystems库的特点库的特点SimPowerS
23、ystem库具有如下特点：(1)使用标准电气符号进行电力系统的拓扑图形建模和仿真。(2)标准的AC和DC电机模型模块、变压器、输电线路、信号和脉冲发生器、HVDC 控制、IGBT 模块和大量设备模型。(3)使用SIMULINK强有力的变步长积分器和零点穿越检测功能，给出高度精确的电力系统仿真计算结果。第1章 概述(4)利用定步长梯形积分算法进行离散仿真计算，为快速仿真和实时仿真提供模型离散化方法。这一特性能够显著提高仿真计算的速度尤其是那些带有电力电子设备的模型。另外，由于模型被离散化，因此可用Real-Time Workshop生成模型的代码，进一步提高仿真的速度。(5)利用Powergui
24、交互式工具模块可以修改模型的初始状态，从任何起始条件开始进行仿真分析，例如计算电路的状态空间表达、计算电流和电压的稳态解、设定或恢复初始电流/电压状态、电力系统的潮流计算等。第1章 概述(6)提供了扩展的电力系统设备模块，如电力机械、功率电子元件、控制测量模块和三相元器件。(7)提供大量功能演示模型，可直接运行仿真或进行案例学习。第1章 概述 1.3 简单电路演示简单电路演示下面用一个简单的例子，说明利用SIMULINK进行电力系统仿真的最基本方法。对于初入门的读者而言，可以按本节步骤搭建系统，也可以不进行搭建，仅了解过程和仿真结果，因为详细的建模过程将在以后章节中一一说明。【例【例1.1】在
25、图1-3所示电路中，已知电阻R=1 k，电容C=2 F，电感L=2.5 H，电压源vs=5sin(100t+/6)。试建立电路，并观察电路中电流及R、L、C中电压。第1章 概述 图1-3 例1.1仿真系统图第1章 概述 解：解：(1)搭建仿真系统图。运行MATLAB，得到命令窗口如图1-4所示。图1-4 MATLAB主窗口第1章 概述 单击图1-4 MATLAB工具栏中的Simulink图标，打开SIMULINK模块库浏览器主窗口，如图1-5所示。图1-5 SIMULINK模块库浏览器主窗口第1章 概述 点击图1-5菜单栏中的菜单项FileNewModel(如图1-6所示)，打开一个名为unt
26、itled的空模型窗口，以文件名example1_1存盘(如图1-7所示)。图1-6 用于创建新模型文件的菜单项第1章 概述 图1-7 创建的新模型文件第1章 概述 电力系统模块库在SIMULINK模块库浏览器窗口树状结构图中名为SimPowerSystems，双击该图标，得到如图1-8所示窗口。第1章 概述 图1-8 SimPowerSystems目录窗口第1章 概述 双击“电源子库”图标，打开该模块库，选中交流电压源模块(AC Voltage Source)，鼠标左键按下，拖曳到文件example1_1中，鼠标左键松开。这样，文件example1_1中就有一个电压源模块，操作步骤如图1-9
27、所示。图1-9 复制交流电压源到文件example1_1中第1章 概述 双击图1-9中交流电压源模块，打开图1-10所示对话框，输入电压幅值、相角和频率，单击确定键后回到文件example1_1窗口中。注意，该电压源要求输入电压幅值。第1章 概述 图1-10 例1.1电压源参数设置对话框 第1章 概述 在该交流电压源模块的标签位置双击，则模块标签呈现编辑状态，输入新标签vs，电压源模块的名称将变为vs。双击“元件子库”图标，打开该模块库，选中串联RLC支路(Series RLC Branch)，拖曳到文件example1_1中；双击该元件，设置参数并将元件标签更改为Z_eq。如图1-11和图1
28、-12所示。第1章 概述 图1-11 复制串联RLC支路到文件example1_1中第1章 概述 图1-12 例1.1串联RLC支路参数设置对话框第1章 概述 从“元件子库”中选择接地元件(Ground block)，拖曳到example1_1 窗口中；整理各模块的位置，将鼠标移动到电压源附近，鼠标光标由“”变为“”时，按下鼠标左键，拖动到串联 RLC 支路的端口处，松开鼠标左键，即可连接电源模块和串联 RLC 支路模块。依次连接各模块，得到仿真电路如图 1-13 所示。第1章 概述 图1-13 例1.1的仿真电路连接第1章 概述 为了观测到电流的波形，还需要在图 1-13 中添加两个元件：电
29、流表和示波器。双击“测量子库”图标，打开该模块库，选中 电 流表 模 块(Current Measur-ement)，拖 曳 到 文件example1_1 中，如图 1-14 所示。第1章 概述 图1-14 复制电流表模块到文件example1_1中第1章 概述 示波器模块在标准 SIMULINK 模块库(Simulink)的接收器模块子库(Sinks)中，具体位置如图 1-15 所示。选中示波器(Scope)，拖曳到文件 example1_1 中，重新排列各模块位置并连接，新电路如图 1-16 所示。(2)电路仿真。单击图 1-15 中的仿真图标进行仿真。仿真结束后，双击示波器，观察电流波形，如图 1-17 所示。第1章 概述 图1-15 复制示波器到文件example1_1中第1章 概述 图1-16 例1.1完整的仿真系统 第1章 概述 图1-17 仿真结果 第1章 概述 第1章 概述 习习 题题1-1 电力系统常用仿真软件有哪些，各有什么特点？1-2 MATLAB/SIMULINK具有什么特点，版本号中各符号有什么含义？尝试从互联网上获取最新的版本信息。1-3 SimPowerSystems库中含有什么模块，具有什么特点？尝试从互联网上获取最新的功能和产品更新信息。
