吳 娜，徐慧然，于永進，衛(wèi)永琴，孫秀娟，王文宇，姜 雨

（山東科技大學，山東 青島 266590）

1 研究背景

《電力系統(tǒng)自動化》是電氣工程及自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，既具有較強的理論性，又具有較強的工程實踐性。在傳統(tǒng)的實驗教學模式中，一方面實驗內(nèi)容多為實驗教材中的固定項目，且陳舊單一，多是驗證性實驗，缺乏綜合性、開放性；另一方面隨著我國電力系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電技術的發(fā)展，我國電網(wǎng)已形成西電東送、南北互供的格局，進入了跨大區(qū)互聯(lián)、超/特高壓交直流混合輸電的時期，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)自動化實驗無法體現(xiàn)自動控制新技術、新理論在現(xiàn)代互聯(lián)電力系統(tǒng)的應用，與電力工程現(xiàn)場的實際情況偏離較大。因此，將仿真分析引入實驗教學中，可以有效幫助學生加強對課程的理解和應用。

目前，越來越多的電氣工程相關課程將仿真技術引進日常教學中[1-4]。Matlab/Simulink作為一款集成式數(shù)學軟件，包含科學計算、交互式程序設計等功能，具有適應面廣、效率高等優(yōu)點，被廣泛運用于電氣工程專業(yè)相關實驗[5]。

LabVIEW作為一種通用的編程系統(tǒng)，使用圖形化編輯語言G編寫程序，盡可能利用技術人員、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，降低了編程難度。因此越來越多的仿真軟件開始使用LabVIEW進行界面設計[6-7]。

電力系統(tǒng)自動化仿真實驗教學系統(tǒng)通過Matlab/Simulink進行仿真，復現(xiàn)配電網(wǎng)的運行過程并實時提取系統(tǒng)各項參數(shù)。通過LabVIEW進行界面設計和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，方便學生簡單直觀的觀測配電網(wǎng)實時運行情況。實驗系統(tǒng)設計將吸引和激發(fā)學生的求知欲，促進學生開展自主性、研究性以及探索性的學習，對于培養(yǎng)學生綜合把握和運用電氣工程學科理論知識解決工程設計問題、提升其實踐能力具有重要意義。

2 仿真實驗系統(tǒng)介紹

2.1 仿真實驗系統(tǒng)的搭建

本仿真實驗系統(tǒng)的搭建包括以下三個步驟：

（1）通過Simulink軟件搭建實驗所需的電力系統(tǒng)模型，包括10kV輻射狀配電網(wǎng)絡、逆變型光伏電源、逆變型風電電源和IEEE33節(jié)點系統(tǒng)等。通過對測量結果的觀測進行線路參數(shù)調整，完成仿真運行并輸出仿真結果。

（2）利用Windows動態(tài)鏈接庫技術（DLL），將搭建好的Simulink仿真格式轉換成可執(zhí)行程序或其他DLL調用來完成某項工作的函數(shù)。

（3）采用LabVIEW進行程序編寫，繪制系統(tǒng)主要操作界面和數(shù)據(jù)觀測界面，完成整個仿真系統(tǒng)的構建。

搭建的仿真實驗系統(tǒng)結構如圖1所示（P156）。

圖1 仿真實驗系統(tǒng)結構圖

2.2 仿真實驗系統(tǒng)的主要功能

2.2.1 用戶界面功能

實驗系統(tǒng)主要包含主界面和各實驗子界面。系統(tǒng)的主界面可以自主選擇想要進行的實驗。各子界面則呈現(xiàn)配網(wǎng)運行的實驗情況，同時可以圖形化呈現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)結果，使觀測結果清晰直觀。

2.2.2 電路仿真實驗功能

根據(jù)課程要求，本系統(tǒng)主要包含四個仿真實驗：電網(wǎng)故障隔離與恢復仿真分析實驗、分布式電源并網(wǎng)控制仿真分析實驗、高比例分布式電源接入配電網(wǎng)的影響分析實驗和交流微電網(wǎng)運行控制仿真實驗，均依照課程規(guī)定的實驗要求設置仿真參數(shù)并實時運行。

2.2.3 實驗結果展示功能

配網(wǎng)仿真運行過程中，各線路的電壓、電流、有功、無功狀態(tài)都是觀測系統(tǒng)運行情況的重要參數(shù)，上述數(shù)據(jù)在仿真過程中以圖形化形式呈現(xiàn)在界面中，方便使用者進行數(shù)據(jù)采集和記錄。

2.2.4 用戶參數(shù)調節(jié)功能

為了方便學生更好的理解線路運行過程，可以對線路部分參數(shù)進行調整，例如光伏電源的日照程度、配網(wǎng)的負荷大小等，調整時需將仿真運行停止，待參數(shù)調節(jié)完畢后重新運行，即可觀察線路的運行狀態(tài)變化。

2.3 仿真實驗系統(tǒng)設計

2.3.1 Simulink仿真電路設計與設置

Simulink仿真是實驗系統(tǒng)的核心部分，在系統(tǒng)構建時需要針對不同的實驗要求搭建不同的輸配電線路，并給出合適的線路參數(shù)以保證系統(tǒng)的準確運行。由于實驗要求不同，每項試驗的數(shù)據(jù)端口也各不相同，下面逐一做簡要的介紹。

在配電網(wǎng)故障隔離與恢復仿真分析實驗中，輸入控制參數(shù)主要是故障類型和故障位置。學生可以在LabVIEW界面中對故障類型和故障位置進行調整，觀測其對配電網(wǎng)保護所產(chǎn)生的影響；分布式電源并網(wǎng)控制仿真分析實驗中，輸入控制參數(shù)主要為風速的高低、日照輻射的大小，學生在LabVIEW界面中通過調整具體參數(shù)，即可得到不同環(huán)境狀態(tài)下分布式電源的輸出特性，如有功功率和無功功率的變化情況；在高比例分布式電源接入配電網(wǎng)的影響分析實驗中，輸入控制依然是分布式電源的控制參數(shù)，通過對分布式電源的各種參數(shù)調整，仿真分析高比例分布式電源接入對配電網(wǎng)頻率、電壓等參數(shù)的影響；在交流微電網(wǎng)運行控制仿真分析實驗中，輸入控制主要是分布式電源的參數(shù)和微電網(wǎng)的負荷，通過參數(shù)調整控制使學生掌握微電網(wǎng)動態(tài)運行的分析方法。

數(shù)據(jù)端口可以通過Simulink的Configuration選項卡來確定。端口確定完畢后，將Simulink中的powergui設置為離散狀態(tài)，然后點擊Simulink中的BuildModel按鍵，完成編譯。

2.3.2 DLL文件的生成

本文通過VisualStudio2017生成DLL文件。首先新建一個項目，選擇動態(tài)鏈接庫，將上述編譯生成的文件夾中的.c文件全部添加到項目中，在函數(shù)聲明前面加上__declspec(dllexport)，實現(xiàn)函數(shù)的導入導出；新建頭文件，在頭文件中輸入函數(shù)的聲明，然后進行編譯，在Debug文件夾內(nèi)會自動生成DLL文件。

2.3.3 仿真系統(tǒng)界面設計

LabVIEW進行系統(tǒng)界面設計時，通過采用選項卡控件配合事件結構，實現(xiàn)不同實驗子界面之間的切換；每個子界面相互獨立，各自配置輸入控件和顯示控件進行參數(shù)設置和波形顯示。用戶可在主界面中自主選擇切換至任意實驗子系統(tǒng)。

3 電力系統(tǒng)自動化仿真實驗

3.1 配電網(wǎng)故障隔離與恢復仿真分析實驗

本模塊分別搭建了配電輻射狀網(wǎng)絡和環(huán)網(wǎng)開環(huán)運行時兩種結構形式下的實驗模型，仿真分析了重合器與分段器配合、隔離故障區(qū)段、恢復正常線路供電的過程。該實驗可以幫助學生掌握配電網(wǎng)故障隔離的含義、配電網(wǎng)一次系統(tǒng)的仿真設計方法。

下面以輻射狀網(wǎng)絡結構為例介紹本實驗的子模塊界面。實驗界面如圖2所示（P157）。

圖2 故障隔離與重合閘實驗模型及結果

子界面主要分為以下三部分：界面上方為輻射狀配電網(wǎng)絡的單線圖，主要包含電源模塊、負載模塊、故障模塊和保護判別及恢復模塊；界面下方為仿真結果展示部分，通過波形圖體現(xiàn)線路上各保護的動作情況，如圖所示線路50%的位置處在0.1s時發(fā)生了單相接地故障，由于故障電流超過了整定值，保護模塊迅速動作將故障切除，經(jīng)過0.3s的延時之后保護重合閘恢復線路正常供電；其右側為參數(shù)調整模塊，可以對故障類型和故障位置進行調整，探究不同故障發(fā)生時線路的動作情況。

3.2 分布式電源并網(wǎng)控制仿真分析實驗

本模塊搭建了風能、光伏等類型分布式能源發(fā)電設備實驗模型，仿真分析了各種類型分布式電源逆變器并網(wǎng)工作過程和并網(wǎng)控制系統(tǒng)的安全性、靈活性和可調度性。該實驗可以幫助學生掌握分布式能源發(fā)電設備模型仿真搭建的方法、分布式電源并網(wǎng)控制仿真系統(tǒng)設計方法以及控制系統(tǒng)的仿真性能分析。仿真實驗模型及仿真結果如圖3所示。

圖3 光伏電源并網(wǎng)實驗模型及部分仿真波形

下面以光伏電源并網(wǎng)實驗模型為例介紹本實驗的子模塊界面。

子界面主要分為三個部分：①界面左側是光伏電源并網(wǎng)單線圖。光伏電源為逆變器型分布式電源，采用低電壓穿越的控制策略，在系統(tǒng)發(fā)生故障，并網(wǎng)點電壓低于規(guī)定時，光伏電源將輸出無功為系統(tǒng)提供支撐。光伏電源主要包含PV模塊、最大功率點跟蹤模塊、逆變模塊以及并網(wǎng)部分，配網(wǎng)界面如圖3（a）所示。②界面下方為仿真結果數(shù)據(jù)展示部分，該部分主要將系統(tǒng)實時測量到的負荷側電壓、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)通過波形圖的方式展現(xiàn)出來，部分數(shù)據(jù)結果如圖3（b）所示。通過實驗結果可以看出，光伏電源輸出的有功受到其日照輻射度的影響，0.5s日照輻射度降低時，光伏電源輸出功率明顯減小，甚至接近于0，而當1s時，日照輻射度恢復，光伏電源的輸出功率重新回到原來的狀態(tài)。③界面右側為參數(shù)調整模塊，可以對光伏電源的日照輻射度進行調整，觀測不同時間不同環(huán)境下光伏電源的輸出特性。

風力發(fā)電模型為雙饋異步發(fā)電機，包含繞線式轉子異步發(fā)電機模塊以及基于IGBT的交-直-交PWM 變頻器，通過轉速和機側變流器控制實現(xiàn)最大功率點跟蹤。風電并網(wǎng)實驗模型與上述光伏電源并網(wǎng)子模塊界面類似，在此不再贅述。

3.3 高比例分布式電源接入配電網(wǎng)的影響分析實驗

本模塊通過搭建風能、光伏等分布式能源發(fā)電設備仿真模型，分析了高比例分布式電源接入電力系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率和電壓等參數(shù)的影響。

子界面也分為三個部分：①界面左側為輻射狀配電網(wǎng)絡結構圖，本實驗采用IEEE33標準節(jié)點模型搭建該配電網(wǎng)絡。由于系統(tǒng)結構復雜，此處采用節(jié)點簡化的方法，將母線及分布式電源采用節(jié)點方式呈現(xiàn)，最大限度地節(jié)省了系統(tǒng)占用的空間及資源，使仿真模型結構更加簡潔，更便于學生理解及使用。②界面下方為仿真結果數(shù)據(jù)展示部分。由于節(jié)點過多，只選擇部分節(jié)點測量其電壓、電流、有功功率和無功功率等電網(wǎng)參數(shù)，并通過波形圖的形式予以展現(xiàn)，默認狀態(tài)下呈現(xiàn)三相波形。仿真波形結果顯示，大量分布式電源并網(wǎng)前，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)定運行狀態(tài)，而分布式電源并網(wǎng)則會對電力系統(tǒng)造成一定的擾動，擾動結束后，并網(wǎng)點的電壓受到分布式電源運行狀態(tài)的微小影響，整體電力系統(tǒng)依然可以穩(wěn)定運行；另外，用戶還可根據(jù)需求自行調整，單獨查看某一相的運行狀態(tài)。③界面下方為參數(shù)調整模塊，用戶可以根據(jù)實驗要求，對任一分布式電源的參數(shù)，如光伏電源的日照輻射度、風能電源的風力大小等進行調節(jié)。

3.4 交流微電網(wǎng)運行控制仿真分析實驗

本模塊搭建了含光伏機組、風電機組、儲能元件等裝置的交流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)，仿真分析了交流微電網(wǎng)孤島與并網(wǎng)運行兩種方式下動態(tài)運行特征，以及交流微電網(wǎng)運行的頻率控制、電壓控制策略。該實驗可以幫助學生掌握交流微網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型搭建的方法、微網(wǎng)在孤島以及并網(wǎng)兩種運行方式下動態(tài)運行特性分析的方法。

用戶在進入交流微電網(wǎng)運行控制仿真分析實驗系統(tǒng)后，首先需要選擇微網(wǎng)運行方式，選擇后進入子界面。本實驗的子界面主要分為三個部分：①界面上方為系統(tǒng)單線圖。當選擇為孤島運行時，主要包含光伏模塊、風電模塊、儲能模塊以及負載模塊。其中光伏模塊與儲能模塊采用逆變器控制，風電模塊為雙饋異步電機，儲能模塊在孤島運行時采用恒壓充放電模式，根據(jù)分布式電源輸出功率與負載功率的關系，通過充放電實現(xiàn)功率的平衡，維持母線電壓穩(wěn)定。上述三個模塊通過變壓器連接至一個3kW的負載，負載與大電網(wǎng)無連接，只由分布式電源供電，這樣即實現(xiàn)了孤島運行狀態(tài)下的仿真；當選擇為并網(wǎng)運行方式時，除光伏、風電、儲能及負載模塊外，還包含模擬主系統(tǒng)的三相交流電壓源模塊，此時分布式電源與主系統(tǒng)同時為負載供電。②界面下方為仿真結果數(shù)據(jù)展示部分。該部分主要將系統(tǒng)實時測量到的負荷側電壓電流有名值，光伏機組、風電機組以及儲能元件的有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)通過波形圖的方式展現(xiàn)出來。當線路孤島運行時，負載狀態(tài)受到分布式電源運行狀態(tài)的影響，但由于儲能模塊的作用，供電電壓與頻率總體穩(wěn)定；當線路并網(wǎng)運行時，由于主系統(tǒng)的投入，系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定。③界面下方為參數(shù)調整模塊，可以調整微電網(wǎng)的負荷默認值，觀測不同情況下的數(shù)據(jù)變化情況。

4 教學效果

本仿真系統(tǒng)利用Matlab/Simulink進行仿真程序編寫，仿真系統(tǒng)具有科學性、嚴謹性，能準確完成實驗要求，獲得實驗數(shù)據(jù)；利用LabVIEW進行界面設計，整體界面簡約大方，界面功能一目了然。

目前該仿真實驗已經(jīng)投入山東科技大學2019級電氣工程及其自動化專業(yè)本科生及專業(yè)碩士研究生的電力系統(tǒng)自動化課程教學中實際應用，通過課堂講授與仿真實驗相結合的方式，加深了學生對本學科的理解，提高了學生的應用實踐能力，達成了預期的教學目標。

5 結語

本文介紹了電力系統(tǒng)自動化仿真教學系統(tǒng)的設計、制作過程。本系統(tǒng)作為輔助教學工具，克服了時間和空間的局限性，把繁雜的仿真分析用更利于學生操作的方法呈現(xiàn)出來，可以幫助學生更方便、靈活的應用課程相關知識，更全面、深入地去學習理解電力系統(tǒng)自動化的技術和原理。本系統(tǒng)為教師和學生提供了研究平臺，目前已經(jīng)取得了良好的教學效果。在今后的工作中，還可以對系統(tǒng)的整體性能做進一步的優(yōu)化提高。