高國章， 高志國 ， 楊雪帆

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院， b.理學院, 湖北 武漢 430073)

0 引 言

隨著船舶智能化的程度越來越高，船舶綜合電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性要求也越來越高。仿真[1]成為了許多研究人員常用的研究手段之一。

國內外電力系統(tǒng)仿真軟件有PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)、VTB(Virtual Test Bed)、SABER等[2]，但是這些軟件都是針對陸地電力系統(tǒng)仿真需求制作的，針對性不強。VTB是美國QSI集團開發(fā)的一款軟件，其中包含船舶綜合電力系統(tǒng)仿真的模型，因而對船舶電力系統(tǒng)的仿真針對性更強，但是VTB對外保密，沒有實現通用。哈爾濱工程大學在船舶電力系統(tǒng)仿真平臺的研究和開發(fā)方面已經有多年的積累，在理論、平臺搭建和仿真方面都取得了一定的成果，但由于各方面原因，仍未能實現通用。

目前，大多數研究工作者使用MATLAB/SIMULINK仿真，但在不間斷正在進行的仿真的情況下，系統(tǒng)無法根據需要實現參數修改，有一定的局限性。Visual C++面向對象編程[3]，在應用程序界面編制、圖元繪制和人機交互等方面具有較大的優(yōu)勢，MATLAB中有豐富的優(yōu)化、計算工具[4]。VC++與MATLAB相結合，將發(fā)揮VC++可視化編程和MATLAB數值計算的優(yōu)點，可提高軟件開發(fā)的效率，縮短開發(fā)周期[5]。本平臺針對船舶電力系統(tǒng)開發(fā)，利用VC++和MATLAB混合編程不僅便于系統(tǒng)繪制實現可視化[6]，且在不間斷正在運行的仿真的同時，根據實際情況改變設備參數或者網絡結構實現延續(xù)仿真，實現在不同工況下的比較分析。

1 平臺的需求分析

平臺的需求主要包括非功能性需求和功能性需求。非功能性需求主要包括：可擴展性、低耦合性、便捷性、易用性和高性能，其中高性能最為重要，它需要滿足復雜電力系統(tǒng)的快速構建與計算要求，并且進行延續(xù)仿真。仿真平臺的功能性需求按船舶電力系統(tǒng)構建流程可分為：(1)文件操作——新建、打開、保存、關閉；(2)設備圖元繪制——柴油機、發(fā)電機、匯流排母線、線路、變壓器、電動機、螺旋槳等；(3)設備圖元操作——復制粘貼、選中、移動、縮放、線寬、顏色、端點自動連接、刪除；(4)參數設定；(5)拓撲分析[7]；(6)VC++調用MATLAB。

2 仿真平臺的開發(fā)

2.1 平臺組成介紹

本平臺基于船舶電力系統(tǒng)開發(fā)使用。船舶綜合電力系統(tǒng)的主要組成包括：產生電能的原動機、發(fā)電機等，配電變電部分的匯流排、變壓器、整流器、逆變器等[8]，用電負載部分的推進電機、螺旋槳等。每個設備都有自己的模型，本仿真平臺用編程語言描述這些設備的數學模型，再將數學模型的編程與圖元封裝，實現圖模一體化。圖1為簡單的船舶電力系統(tǒng)框圖。

圖1 船舶電力系統(tǒng)簡化框圖

2.2 圖元繪制與操作的實現

船舶電力系統(tǒng)的設備眾多，為方便后期的封裝，平臺為船舶設備對應的每1個圖元定義1個類，可以利用類的繼承特性去實現每個圖元對共有屬性的繼承，而不必在每個圖元類中重復實現。本平臺采用面向對象編程，其定義類的基本流程為

(1) 從基類CObject中派生出繪圖類CDraw-Object，設備圖元對應的類從CDrawObject類中派生。

(2) 在CDrawObject類中添加圖元類的公共屬性，把CDrawObject類的各個子類的公共屬性放到父類中，并且將CDrawObject類中的成員函數設置為public，讓子類都可以使用父類的成員函數。

(3) 利用類的另一個特性多態(tài)性，實現同一函數的不同操作。將父類的成員函數設置成虛函數，聲明其類型為virtual，具體的功能在各個子類中去完成，對于不同的對象，程序會自己調用對應類中的成員函數去實現。

2.2.1 圖元繪制

實現圖模一體化后，將每個設備的圖元都放在工具欄或者菜單欄中，在繪制時直接點擊相應的圖標或者選項，然后在窗口通過鼠標拖曳完成圖元繪制，可簡化繪圖操作，提高繪圖效率。整個工具欄如圖2所示。工具欄中，設備對應圖標是可以浮動的，避免工具欄按鈕太多導致使用不方便。通過調用CToolBar類的Create或CreateEx成員函數，設置其參數DWORD dwstyle的值就可實現工具欄浮動。給工具欄各圖元命名相應的專業(yè)ID，經過類向導添加響應函數，實現相應的功能。

圖2 工具欄示例

在微軟基礎類庫(Microsoft Foundation Classes, MFC)中與圖形相關的類有：CDC(Create Device Contert)類和GDI(Graphics Devices Interface)類。CDC類主要可以實現繪圖功能和繪圖環(huán)境的設置，利用CDC類可以實現形狀的繪制和圖形顏色、畫筆線條寬度等設置。GDI對象類包括位圖類、畫刷類、字體類、畫筆類、區(qū)域類等。當獲取當前CDC類對象或者指向對象的指針后，在繪圖時，使用函數SelectObject()將畫筆、畫刷、字體等對象引入到函數CreatDC()中，實現特定的繪圖屬性。繪制圖元時，必須先在圖元類中添加繪圖函數，之后在視類View中的函數OnLBottonDown()中經由各自圖元對象調用繪圖函數完成繪圖。

按相對應關系將圖1所示簡單電力系統(tǒng)框圖繪制成圖元，界面如圖3所示。菜單欄中主要包括：文件、編輯、視圖、繪圖、分析等，工具欄呈現于菜單欄下方，使用者可在繪圖窗口區(qū)通過拖曳工具欄中的相應圖元實現系統(tǒng)繪制。

圖3 仿真平臺繪制界面

2.2.2 圖元操作

在系統(tǒng)建立過程中，為使系統(tǒng)圖元整潔、規(guī)范且繪制便利，不可避免地要求圖元能夠移動、復制粘貼、旋轉和刪除等，且通過雙擊圖元實現對相應設備參數的設定?；静僮鞯膶崿F方法如下：

(1) 移動。首先刪除原圖元，然后調用自定義函數MoveAt()實現圖元重新繪制，最后利用DeleteObject()釋放筆資源。

(2) 復制粘貼。通過圖元類中的一個構造函數，給該類的變量賦初值，這些變量都存入類中，當進行復制時，這些參數存入到結構體中，在粘貼時，把結構體中這些參數重新賦值給新的位置重新繪制成新的設備圖元。

(3)旋轉。利用一個for循環(huán)實現參數m_nSource的累加賦值，其不同賦值在繪圖函數選擇中執(zhí)行不同的繪制命令。對于只在水平和豎直方向繪制的圖元，則通過改變其狀態(tài)變量的取值來實現。參數m_bIsHor初始值為true，當旋轉操作時對變量m_bIsHor重新賦值為fasle。根據參數m_nSource、m_bIsHor的不同取值，繪圖函數執(zhí)行不同的操作，可實現圖元按順時針方向旋轉，每次旋轉90°。

(4) 刪除。調用OnDelete()函數，先選中圖標，遍歷圖元數據列表，找到需要刪除的圖元，然后將圖元刪除。

2.2.3 參數設定

雙擊圖元彈出對話框，彈出后在對話框中填寫參數具體數值并在窗口顯示，點擊保存之后保存到圖元類。彈出電動機的參數設置對話框如圖4所示。

圖4 電動機參數設置圖

圖元建模在完成繪制圖元和雙擊圖元設置對應系統(tǒng)各設備的參數后，再經過圖元封裝，將設備的模型封裝到設備對應的類中，使設備圖元和模型成為一個整體，進而實現編程的模塊化。

2.3 拓撲分析

完成上述操作后，為了解系統(tǒng)的連接關系必須對所繪制的系統(tǒng)進行拓撲分析。電網拓撲結構分析的主要作用是依據開關和設備圖元的狀態(tài)，確定每個圖元與其他圖元的連接關系，把電力系統(tǒng)網絡物理模型轉化為采用節(jié)點/支路描述的數學模型[9]。系統(tǒng)將設備與圖元對應，系統(tǒng)的接線圖可以理解為由圖元、線段組成的支路以及由這些支路組成的幾何圖形，通過確定節(jié)點-開關-節(jié)點和母線-支路的連接關系以及設備的數量，為后續(xù)計算提供依據。

拓撲分析即是根據設備圖元的ID號和圖元端口位置坐標，通過比較端口坐標是否相同來判斷圖元之間的連接關系[10]，確定與母線連接的設備圖元，從而將電力系統(tǒng)的接線圖轉換為計算機可識別的電路圖的過程。

拓撲分析的本質是分析圖元的端口坐標或者比較節(jié)點的參數值。每個圖元在繪制或移動過程中端口的坐標會保存到圖元類中，當兩個圖元端口的坐標值相同時就將圖元的ID號存入到數組中。拓撲分析可分為以下幾個步驟。

Step 1：判斷圖元是否與導線或者母線連接。這個通過端口到線的距離來判斷，當端口距離線的距離小于設定值時認為兩者相連。將每條線都當做是點集，端口與其中任一點相連都當做是相連接。端口與端口之間的坐標判斷是通過點到點的距離實現的，利用條件公式sqrt((x1-x)2+(y1-y)2)

Step 2：節(jié)點融合。通過圖元自身的端口坐標是否相等或者接近，如果滿足條件則將兩圖元的ID號保存到數組中，并將兩節(jié)點合并為同一節(jié)點。

Step 3：在系統(tǒng)中對開關的處理。當開關閉合時，當作導線對待，節(jié)點數減少1個；當開關斷開時，開關的節(jié)點數增加1個，節(jié)點數的變化對應開關的不同狀態(tài)。

Step 4：支路的判斷。具有相同的節(jié)點，兩設備圖元的其他端點的位置坐標不同，則認為是不同的支路，并按照不同的支路方向繼續(xù)搜索，直到終點。

經過上述幾個步驟，點擊菜單欄，系統(tǒng)能夠識別并存儲設備圖元的種類、節(jié)點和支路，從而確定各個圖元的連接關系，自動生成系統(tǒng)相應的拓撲關系。

船舶電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機接到匯流排，所有的負載從匯流排引出，然后通過開關的通斷決定發(fā)電機在網數目和負載大小[11]，系統(tǒng)結構相對簡單，只需識別圖元設備和支路即可，拓撲分析的難度降低。

在程序中約定，在匯流排左邊的開關對應著發(fā)電機組數目的增加，開關變量只有2種取值0和1,取值0代表開關斷開，取值1代表開關閉合。在匯流排右側的開關對應的是負載的增加，開關的取值仍為0和1。

拓撲分析的流程如下：

(1) 在繪制圖中，首先通過坐標比較實現節(jié)點融合，將相連通的節(jié)點等價為同一個節(jié)點；通過遍歷圖元，完成整個系統(tǒng)節(jié)點的融合，簡化連接關系。

(2) 通過圖元端點坐標比較，若界面中有無效模塊，則系統(tǒng)自動將對應圖元的數目從該類圖元總數目中減去。在判斷連接關系時，首先找出與母線相連接的設備，通過設備的另一個端點坐標和所有圖元的端點比較，根據相連判據找到與該設備相連接的下一個設備，如此循環(huán)，直到找不到下一個具有相同端點的設備，即可認為到達了支路的終點。每個圖元在繪制時端點坐標、圖元類型和端口數都已經保存，通過上述搜索，便可以找到設備的連接關系。

(3) 在(2)中剔除沒有實際作用的圖元后，判斷開關的通斷狀態(tài)和位置，根據所得到的信息確定所繪制電力系統(tǒng)中的發(fā)電機數、電動機數等，進一步確定系統(tǒng)的設備類型、數目和在網設備。

(4) 根據不同的分析結果調用模型完成計算。

下面舉例說明拓撲分析的情況。繪制的船舶電力系統(tǒng)圖如圖5所示，相對應的拓撲分析結果如圖6所示。

圖5 船舶電力系統(tǒng)模型圖示例

圖6 拓撲分析結果圖

3 調用MATLAB實現仿真

在VC++程序中通過MATLAB引擎調用MATLAB, MATLAB引擎主要提供給用戶1組引擎函數，通過這些函數可以實現MATLAB與VC++之間的數據傳遞[12],其具體的過程和操作如下：

(1) 打開一個MATLAB引擎。在VC++應用程序中通過調用engOpen()函數能夠方便地打開一個MATLAB進程。應用程序在使用引擎之前，須在應用程序中包含“engine.h”頭文件。

(2) 將VC++應用程序中數組形式的數據轉換為MATLAB中的使用形式。通過調用函數庫中的函數mxCreateDoubleMatrix()來創(chuàng)建mxArray陣列；然后再通過拷貝函數memcpy()將一個自定義數據結構復制到mxArray中，但是需要注意到主句存儲形式不同。

(3) 將設備需要設置的參數保存到mxArray陣列中，然后把mxArray陣列傳輸至MATLAB引擎的工作空間中，可通過調用函數engPutVariable()實現這一操作，數據傳輸到MATLAB工作空間后就在MATLAB計算中被相應的變量使用。

(4) 在VC++應用程序中，使用函數向MATLAB引擎發(fā)送所要執(zhí)行的命令字符串，命令字符串的使用形式與在MATLAB命令窗口中直接使用的形式是相同的。在應用程序中執(zhí)行函數engEvalString()后，MATLAB命令窗口將自動被打開，MATLAB會話期窗口是否可見可自行設計。打開MATLAB后完成命令語句中的數值計算和分析等操作，并將命令字符串的處理結果顯示出來。

(5) 由預先定義的輸出緩沖來獲取MATLAB引擎的輸出結果，此步操作是(4)的補充，能夠實現獲取任意想要的結果。

(6) 調用engClose()函數關閉引擎，釋放內存空間并退出。

整個工作流程是在VC++的圖形界面上繪制出電力系統(tǒng)的連接圖，并將每個圖元的變量名顯示在對應的位置，電網經過拓撲分析之后顯示節(jié)點，系統(tǒng)自動記錄輸入的設備類型和連接關系。在彈出的參數設置窗口中給定對應參數值或者使用程序中的默認值，保存后點擊運行，系統(tǒng)根據設備類型、數量和連接關系等信息，結合開關的狀態(tài)，自動啟動MATLAB引擎執(zhí)行數學模型的計算，最后利用繪圖函數將結果顯示，計算結果返回到VC++中。

4 結 語

本文基于船舶電力系統(tǒng)模型，結合VC++和MATLAB兩者的優(yōu)勢，采用圖元的思想，實現船舶綜合電力系統(tǒng)的可視化界面繪制、拓撲分析和動態(tài)仿真等功能，充分利用拓撲分析實現系統(tǒng)拓撲結構的自動辨識，利用動態(tài)仿真實現MATLAB在執(zhí)行已經賦予參數的仿真的同時，又時刻訪問VC++端口傳入的參數。若系統(tǒng)檢測到其結構或設備參數被修改，本平臺將可以在不中止上一個仿真的條件下延續(xù)進行，達到參數變化或結構變化時不中斷仿真的目的。