基于PSCAD调用MATLAB的电力系统电磁暂态仿真

田汝冰，朱时雨，吉炫颖，朴永鑫

(1.国网通化供电公司，吉林 通化 134001；2. 国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180)

专 论

基于PSCAD调用MATLAB的电力系统电磁暂态仿真

田汝冰1，朱时雨2，吉炫颖1，朴永鑫1

(1.国网通化供电公司，吉林 通化 134001；2. 国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180)

随着社会的不断发展，电力系统逐渐发展成为一个大规模、时变的复杂系统，因而对电力系统仿真分析软件的要求也不断提高。介绍了电磁暂态分析程序PSCAD/EMTDC与数学模型软件包MATLAB的基本概况及优点，鉴于PSCAD/EMTDC与MATLAB/Simulink的接口能综合两者的优点，详细阐述了两者互联的原理及实现方法。在PSCAD中建立了一个简单的电力系统供电模型，根据PSCAD-MATLAB接口技术原理，实现了接口环境下的电磁暂态仿真研究。通过仿真结果比较，得出2种仿真环境下的仿真波形几乎一致，说明了PSCAD-MATLAB接口仿真技术在电磁暂态分析中的有效性。

电力系统仿真；PSCAD/EMTDC；MATLAB/Simulink；接口

随着社会的不断进步及科技的不断发展，电力系统也不断扩大和网络化，并逐渐发展成为一个大规模、时变的复杂系统，在国民经济中发挥着举足轻重的作用。通过建立适当的数学模型来模拟实际电路进行分析变得越来越重要。掌握高效的模拟仿真技术对于电力系统工作者进行电力系统规划、保护、调度及故障研究具有重要的实际意义[1-2]。

PSCAD/EMTDC是目前世界上被广泛使用的电力系统仿真分析程序。PSCAD是电磁暂态分析程序，在电力系统分析上能够发挥强大的优势，科研工作者可以在集成的图形环境中建立模型并进行仿真分析[3]。MATLAB是数学模型软件包，具有强大的数据分析处理能力以及功能齐备的各种工具箱[4]。PSCAD仿真程序中提供了可供与MATLAB接口的功能，因此可将两者的优点结合起来，使得仿真过程灵活多变，增强电力系统仿真的实用性。国内相关文献对接口技术做了一定的研究。文献[5]介绍了PSCAD与Simulink接口的实现方法。文献[6]在PSCAD中建立接口模型，启动MATLAB数学引擎调用M文件进行仿真分析，验证了两者互联后进行仿真的有效性。文献[7]联合MATLAB与PSCAD提供的接口元件，搭建了SVC控制系统仿真模型，并将其应用到PSCAD/EMTDC仿真模型中，通过仿真证明了该方法的可行性和仿真模型的正确性。

本文主要介绍了PSCAD与MATLAB各自的仿真特点，并详细分析了PSCAD与MATLAB/Simulink的接口原理及其实现方法。

最后通过仿真算例验证了两者接口的有效性和可行性。为接口功能的进一步发展提供了一定的理论依据。

1 PSCAD/EMTDC与MATLAB概述

PSCAD/EMTDC程序广泛应用于电力系统相关仿真分析中，具有非常完善的EMTDC元件模型库和功能，能够用以研究电力系统中交直流方面的问题，也可以进行电力电子器件仿真分析，具有非线性控制的多功能仿真工具。PSCAD是EMTDC的前置处理程序，具有较好的可视界面，用户可以在该图形界面上搭建所需电力系统方面的相关模型并配置各元件的参数值，PSCAD程序运行时通过FORTRAN编译器进行编译、连接，仿真结果随着PSCAD程序运行的进度在PLOT中实时生成曲线，用户可根据仿真曲线来验证结果是否合理，因而使该软件更加人性化，方便广大用户使用。PSCAD/EMTDC仿真程序能应用于电力系统时域和频域方面的仿真, 在电网受到扰动或有关参数发生变化时，计算和分析电网中相应参数随时间变化的规律，即交流系统的谐波研究、暂态扭矩的分析、直流系统的启动、直流系统换相方法研究、串联或并联的多端输电系统的电磁暂态仿真、同杆架设的交直流电路的相互影响等。

以数据计算和处理闻名的MATLAB是当前国际认可的优秀科技应用软件之一，包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是以矩阵运算为基础，把计算机可视化程序设计融入到交互的工作环境中，可实现建模仿真、工程数据分析和计算、算法研究等功能；Simulink是MATLAB所提供的内置仿真程序，用以对动态系统进行建模、仿真和分析，具有非线性控制的动态系统多功能仿真工具。它挂接在MATLAB环境上，以MATLAB强大的计算分析能力为基础，利用直观的仿真模型元件进行仿真分析和计算。另外，为了更加有利于仿真建模，Simulink提供了各种仿真工具箱，并不断扩展和完善，自电力系统模块集(Power System Block)推出后，使得Simulink在电力系统领域的应用日趋完善[8]。

2 PSCAD/EMTDC与MATLAB/Simulink接口原理分析

PSCAD/EMTDC主要应用于电力系统仿真，MATLAB数据分析能力强，两者各具优点且具有互补性，因而可考虑将两者结合起来增强电力系统仿真的实用性。PSCAD/EMTDC与MATLAB/Simulink接口的实现方法主要有以下两种。

a. 用户可根据需要编写M文件来定义所需元件模型，并通过MATLAB引擎调用M文件将这些自定义模型与PSCAD中的元件模型进行连接。

b. 用户可根据需要利用Simulink中的数学和控制功能模块搭建模型，通过在PSCAD中建立自定义接口元件实现与Simulink的互联。

PSCAD/EMTDC与MATLAB的接口原理图如图1所示。利用PSCAD与MATLAB接口主要是兼顾两者优点，搭建相应模型并同时运行及完成它们之间数据、控制信息的交换，实现两者协同仿真的目的。假设PSCAD中搭建的模型通过接口有m个输入变量和n个输出变量。将PSCAD中的m个数据通过外部接口传输到MATLAB中。充分发挥MATLAB强大的数据处理及分析能力，经过分析运算，将得到的n个运算结果反映到PSCAD中，最后得出所需的数据结果。因此，根据需要在PSCAD中搭建电力系统模型并利用MATLAB中的控制条件、分析算法就可以得到相应的仿真数据及其分析结果。

图1 PSCAD/EMTDC与MATLAB接口原理

在PSCAD界面中建立自定义元件模型，其通过该元件与外部数据进行交换。PSCAD内包含DSDYN(数字仿真动态子程序)和DSOUT(数字仿真输出子程序)2个Fortran文件，通过编写DSDYN和DSOUT文件的代码来实现自定义元件与 PSCAD 程序中的数据交换。

2.1 PSCAD与MATLAB接口原理

同其它仿真工具的语言编码相比，MATLAB语言具有语法简单、容易调试、人机交互性强等优点。因此，用户可以方便根据研究需要来编写MATLAB程序中的M文件定义元件模型。EMTDC库文件中提供了与MATLAB的接口子程序MLAB_INT，通过它可以启动 MATLAB数据引擎调用M文件。接口程序的相关参数包括M文件的名称、保存路径以及输入变量格式定义。EMTDC程序运行时将在每个执行周期由 DSDYN 直接调用接口程序， 以此来启动MATLAB并运行相应的仿真程序，MATLAB运行期间实时将其运算结果通过接口元件送至PSCAD，并在PSCAD实时生成仿真曲线。这样，PSCAD/EMTDC与MATLAB就紧密地结合起来，实现用户所需的仿真目的。PSCAD与MATLAB的接口内部结构如图2所示。

图2 PSCAD与MATLAB接口内部结构

2.2 PSCAD与Simulink接口原理

为了更好发挥PSCAD与MATLAB语言的接口技术优点，可以考虑将Simulink中的数学模块和控制功能模型应用到PSCAD程序中。EMTDC库文件中提供了与Simulink的接口子程序SIMULINK＿INT，这就为实现PSCAD与MATLAB语言的接口技术提供了条件。为了实现与Simulink的接口，可在PSCAD仿真程序中搭建自定义接口元件，通过该接口元件调用接口子程序SIMULINK＿INT，并利用Fortran的接口功能启动MATLAB引擎而打开Simulink文件。然后把EMTDC里面的仿真数据通过Workspace I/O传递给Simulink。之后再把Simulink仿真后的运算结果返回到EMTDC中，并在PSCAD实时生成仿真曲线，这样，PSCAD与Simulink就紧密地结合起来，实现用户所需的仿真目的。PSCAD与Simulink的接口内部结构如图3所示。

图3 PSCAD与Simulink接口内部结构

2.3 接口元件设计

接口自定义元件包括Graphic、Parameters和Script 3个部分的设计，它们之间相辅相成。Graphic的功能是用户可根据个人喜好来设计自定义元件的外观，以及修改输入输出数列的名称和维数。Parameters的作用是提供自定义元件的一些参数的设置。这里主要是对MATLAB/Simulink路径和文件名以及调用Simulink文件的速度进行设置。脚本代码主要由用户根据需要来完成，自由度较大。需要注意的是，由于PSCAD仿真程序是根据每个变量的名称来区分变量，因此，在设置相应参数时应确保同一变量的名称保持前后一致。

3 仿真分析

单相接地短路、两相短路以及三相短路是影响电力系统安全稳定运行最常见的故障。其中三相短路的危害最大，但其出现的概率相对较低，而单相接地短路最常见，约占短路总故障的65%[9]。本文在PSCAD仿真软件中搭建了一个简单的供电网络模型来模拟各种短路故障，用以验证PSCAD与MATLAB接口技术在电力系统仿真分析中的有效性。

图4所示为一简单的供电系统电路图，现在PSCAD中按接线图搭建仿真模型并模拟各种短路故障，利用PSCAD与MATLAB接口对其线路发生故障情况下进行仿真。

图4 系统接线图

3.1 算例1

基于PSCAD 和MATLAB 的接口思想，实现PSCAD与MATLAB的联合仿真，通过接口模块调用MATLAB程序中的M 文件，实现MATLAB的相量图绘制功能。以下就故障处发生短路故障的情形，绘制电流的相量图，并且与PSCAD绘制的相量图进行对比分析。为了实现接口的绘图功能，需要先用傅里叶分解模块FFT进行矢量分解，输入的电流值可以分解为三相的幅值和相位分量。经过分解之后，利用PSCAD自身的绘图功能，实时实现相量图的绘制；另外，PSCAD同时将定义的各分量输入至PSCAD-MATLAB自定义的接口元件模块，这样待系统编译运行后，便会出现MATLAB的绘图框动态显示相量图的情况。故障处分别对单相接地短路、两相接地短路、三相接地短路进行仿真，具体仿真结果如图5所示。

(a)单相接地短路

(b)两相接地短路

(c)三相接地短路图5 MATLAB与PSCAD在不同故障下绘制的各相电流相量图

基于PSACD-MATLAB的接口仿真在3种故障条件下的仿真结果可知，由MATLAB绘制的相量图与PSCAD的仿真结果几乎一致。因此，上述基于2种仿真环境下的接口技术可以有效应用于电磁暂态的仿真分析中。

3.2 算例2

用户可根据实际需要利用Simulink中的数学和控制功能模块搭建模型，通过在PSCAD/EMTDC中建立自定义接口元件实现与Simulink互联。本文利用上述电力系统电路图在没有发生故障的情况下进行仿真。仿真时分别对B1和B2处的电压进行测量，并将两者的值通过PSCAD和MATLAB接口模块输送到Simulink中进行仿真运算。在Simulink中搭建模型对两处的电压进行取正后再相加，之后将结果回馈到PSCAD中进行输出，仿真结果如图6所示。

图6 PSCAD与Simulink接口仿真结果

从图6中可以得出，PSCAD经过仿真运算后输出的波形与经过自定义接口元件到达Simulink经过仿真运算输出的图形几乎一致，这说明了 PSCAD 和 Simulink 的接口连接成功，证明了接口模块的有效性。

4 结束语

本文详细阐述了PSCAD/EMTDC与MATLAB/Simulink接口的基本原理，并在PSCAD中搭建了简单的供电网络模型，利用PSCAD与MATLAB的接口技术进行仿真分析。仿真结果表明接口技术在电磁暂态分析中的有效性。但将MATLAB/Simulink中的各种算法应用到接口技术中进行仿真建模还需要进一步研究。

[1] 李广凯，李庚银．电力系统仿真软件综述[J].电气电子教学学报，2005，27(3)：61-65.

[2] 钱 鑫，李 琥，施 围．电力系统仿真计算软件介绍[J].继电器，2001，30(1)：43-46.

[3] 林良真，叶 林．电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术，2000，24(1)：65-66.

[4] 姚 伟，文劲宇，程时杰，等．基于Matlab/Simulink 的电力系统仿真工具箱的开发[J].电网技术，2012,36(6)：95-101.

[5] 乐丽琴，杨小品．PSCAD 与 Simulink 接口的工程实现[J].工业控制计算机，2009，22(2)：33-34.

[6] 杨健维，麦瑞坤，何正友．PSCAD/EMTDC 与 Matlab 接口研究[J].电力自动化设备，2007，27(11)：83-87.

[7] 邹 宁，方存洋，刘育鑫，等．PSCAD/EMTDC-MATLAB联合仿真技术在 SVC 控制系统仿真建模中的应用[J].江苏电机工程，2012,31(5):40-44.

[8] 于 群，曹 娜．MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011:28-31.

[9] 熊信银，张步涵．电力系统工程基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2003:156-157.

Electromagnetic Transient Simulation Based on MATLAB Calls PSCAD in Power System

TIAN Rubing1,ZHU Shiyu2, JI Xuanying1, PIAO Yongxin1

(1.State Grid Tonghua Power Supply Company, Tonghua，Jilin 134001,China; 2. Northeast Branch of State Grid Corporation of China,Shenyang,Liaoning 110180,China)

With the development of society, the power system gradually developed into a large-scale and time-varying complex grid.The requirement of power system simulation analysis software should has been improved. This paper discusses the basic profile and advantages of the electromagnetic transient analysis program PSCAD/EMTDC and the math model software package MATLAB. The interface between PSCAD/EMTDC and MATLAB is able to take full advantage of their merits, thus paper analyzes the principle and the implementation of the interface. Finally, a simple model of the power system is built using PSCAD and it presented the implementation of the simulation study for electromagnetic transient with the basis of the principle of PSCAD-MATLAB interface. Simulation result shows the waveforms under two kinds of simulation environment does almost unanimously which has shown that the effectiveness of PSCAD-MATLAB interface techniques in the study of electromagnetic transients.

power system simulation; PSCAD/EMTDC; MATLAB/Simulink; interface

TM743

A

1004-7913(2017)10-0001-04

田汝冰(1987)，男，硕士，助理工程师，现从事继电保护及智能电网相关领域仿真分析工作。

2017-07-10)