目前，火電廠中電氣系統(tǒng)正開始納入分散控制系統(tǒng)（DCS）。電氣系統(tǒng)與熱工自動化系統(tǒng)聯(lián)合仿真的需求開始顯現(xiàn)。電氣系統(tǒng)與熱工系統(tǒng)相比在控制要求及運行過程中有著很多不同點，電氣的主要特點，如電氣設備保護自動裝置要求可靠性高，動作速度快；電氣設備操作機構復雜，操作頻率低等，都要求機組的電氣系統(tǒng)納入DCS控制后，控制系統(tǒng)具有很高的可靠性，除了能實現(xiàn)正常起停和運行操作外，尤其要求能夠實現(xiàn)實時顯示異常運行和事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并提供相應的操作指導和應急處理措施，保證電氣系統(tǒng)自動控制在最安全合理的工況下工作。電氣系統(tǒng)的特點使多年來電力系統(tǒng)的仿真研究采用專門的軟件，與電廠熱控系統(tǒng)的仿真是分別進行的。隨著計算機開放性技術的發(fā)展完善，采用通用仿真軟件實現(xiàn)各種不同類型過程仿真分析已成為可能，如MATLAB應用于電力系統(tǒng)的仿真早已受到了重視［1］。參考文獻［1］在1997年就介紹了將電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真的電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD／EMTDC向MATLAB的轉換，實現(xiàn)了通用開放可視的技術。 MATLAB憑借其強大的矩陣運算能力、簡便的繪圖功能，可視化的仿真以及豐富的算法工具箱，已成為科研和工程技術人員的有力開發(fā)工具［2］，如已廣泛應用于各種不同類型的電廠熱工控制系統(tǒng)。參考文獻［3］介紹了將MATLAB用于工業(yè)過程實現(xiàn)可視化仿真的技術。然而，對于電力系統(tǒng)工程技術人員來說，如何按照工程需求，準確而快速地對電路以及更復雜的電氣系統(tǒng)進行自定義的仿真研究，常規(guī)的仿真工具顯得力不從心，因為如果各環(huán)節(jié)用簡化傳遞函數(shù)來表示，則很多重要細節(jié)會被忽略；若用MATLAB中的Simulink提供的基本模塊（如開關和觸發(fā)器）來構造模型，則相當費時費力，雖然可以使用PSPICE來實現(xiàn)電子電路的仿真，但PSPICE主要適用于微電子領域，難于與電力系統(tǒng)設計所需要的復雜算法和先進控制理論相結合。至今大量的電氣系統(tǒng)的仿真分析仍然采用專用軟件包［4］。本文將結合MATLAB中的電氣系統(tǒng)模塊庫（PowerSystemBlockset），探討采用MATLAB實現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真分析與設計的方法。利用MATLAB與FOR－TRAN等高級語言的接口，還可以繼承多年來電力系統(tǒng)仿真分析的經驗。 1 電氣系統(tǒng)模塊庫介紹 MATLAB版本5．2以上提供了電氣系統(tǒng)模塊庫Powerlib。電氣系統(tǒng)模塊庫以Simulink為運行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，不僅可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)時域與頻域的計算仿真，如計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，而且可以廣泛應用于高壓直流輸電、FACTS控制器設計、電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領域的仿真分析計算等。 運行Simulink以后，打開Blocksets＆Tool－boxes，就能調出電氣系統(tǒng)模塊庫。也可以在MATLAB的命令窗口，直接鍵入Powerlib調出。電氣系統(tǒng)模塊庫Powerlib由如圖1所示的6個子模塊庫組成。 （1）電源模塊庫：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等。 （2）基本元件模塊庫：包括串聯(lián)RCL負載／支路、并聯(lián)RCL負載／支路、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N相分布參數(shù)線路、單相Ⅱ型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。 （3）電力電子模塊庫：包括二級管、晶閘管、GTO、MOSFET和理想開關等。為滿足不同目的的仿真要求并提高仿真速度，還有晶閘管簡化模型，如圖2所示。 （4）電機模塊庫：包括勵磁裝置、水輪機及其調節(jié)器、異步電動機、同步電動機及其簡化模型和永磁同步電動機等，圖3所示為簡化的同步電機模型。 （5）連接模塊庫：包括地、中性點和母線（公共點）。 （6）測量模塊庫：包括電流和電壓測量。 在6個基本子模塊庫的基礎上，按需要可組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到所需模塊庫中去。如圖4所示附加模塊庫（PowerlibEx－tras）中的三相電氣系統(tǒng)就是用6個基本子庫中的各模塊構造并封裝起來的。可以用“LookUnderMasy”命令打開其中的各模塊，查看其內部結構以了解構造方法和規(guī)律。附加模塊庫中還包括：均方根測算、有功與無功功率測算、傅立葉分析、可編程定時器和同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。 2 基本運行原理與使用 電氣系統(tǒng)模塊庫中的Powerlib模塊與常規(guī)的Simulink模塊兩者有一些區(qū)別，所以，在Simulink內部，進行仿真前有一個初始化的過程，把包含Powerlib模塊的系統(tǒng)轉化為Simulink能夠仿真的等效系數(shù)，具體操作如下： （1）調用Power2sys函數(shù)，把所有的模塊劃分為常規(guī)模塊和Powerlib模塊，其中的Powerlib模塊又分為線性模塊和非線性模塊。 （2）調用Power2sys函數(shù)求出模塊的網絡拓撲結構，得到其參數(shù)，并對每個電氣結點都賦予一個結點號。 （3）調用Circ2sys函數(shù)求出線性模塊的狀態(tài)空間模型（狀態(tài)變量為電感電流和電容電壓）。 （4）調用Power2sys函數(shù)，根據(jù)Simulink的內部預定義的模型求出非線性模塊的Simulink模型。 初始化完成后，Simulink開始對此系統(tǒng)仿真。 Power2sys和Circ2sys函數(shù)都能以命令行的形式在MATLAB命令窗口直接調用，而且使用上更為靈活，可以構造出Powerlib中所沒有的模塊（如具有3個以上繞組的互感器），此處不再贅述。 當然，上述復雜的預處理過程對用戶來說都是屏蔽的。電氣系統(tǒng)模塊庫中的模塊在使用上，與常規(guī)的Simulink模塊類似，將其拷貝到自己的模型中并設置合適的參數(shù)即可。但是，Powerlib模塊與常規(guī)的Simulink模塊畢竟是兩類不同的模塊。所以，對于同時使用兩類模塊的仿真模型，必然會有兩類模塊之間的信號流動，這就需要中間接口模塊。具體地說，當Simulink模塊的信號送Powerlib模塊時，應根據(jù)其性質，采用可控電壓源或可控電流源模塊作為中間環(huán)節(jié)；反之，當Powerlib模塊中的信號反饋給Simulink模塊構造的控制系統(tǒng)時，應采用電流或電壓測量模塊。 由于在仿真初始化過程中，Power2sys函數(shù)將逐個檢查模型中的各個模塊是否為電氣系統(tǒng)模塊，所以，對于大規(guī)模的系統(tǒng)，在一定程度上會降低仿真的速度。為避免這種負面影響，可以人為地迫使Power2sys不去檢查那些常規(guī)模塊，方法是在常規(guī)模塊以及包含常規(guī)模塊的子系統(tǒng)的模塊名前加1個“＄”符號，如“＄PID”，但必須確保子系統(tǒng)內的模塊皆為常規(guī)模塊。 Powergui是電氣系統(tǒng)模塊庫提供的1個有力的工具。通過它，能以圖形用戶界面（GUI）的方式來方便地計算和顯示出系統(tǒng)中各狀態(tài)變量和測量變量的穩(wěn)態(tài)值；可以修改系統(tǒng)的初始狀態(tài)來實現(xiàn)從任一初始條件開始仿真，能避免較長的過渡過程；還可以實現(xiàn)對包含電機的三相電網潮流的計算和初始化。使用Powergui只需將其拷貝到模型中，打開即可進行查看和設置。 3 于TLAB的電力電子仿真舉例 從DEMO中可以了解到許多電氣系統(tǒng)的仿真實例。如電力濾波器、HVDC、分布參數(shù)線路、變壓器、暫態(tài)分析、三相二極管整流等。本文采用電氣系統(tǒng)模塊庫建立的晶閘管（Thyristor）整流電路如圖5。系統(tǒng)通過單項單脈沖晶閘管整流電路供電給RL負載。晶閘管門極觸發(fā)脈沖由定時器Timerl提供。仿真時的設定參數(shù)為：整流器負載R＝0．5Ω，L＝6．5mH。晶閘管模塊導通電阻R＝0．001Ω，電感L＝le－5H，正向電壓U＝0．8V，旁路電阻R＝20Ω，電容C＝4e－6F。線路負載也可以采用電抗形式表示。將Powerlib中晶閘管模塊的信號反饋給Simulink的濾波顯示模塊（Ufilter）時，采用了電流及電壓測量模塊。圖6為示波器Ufilter顯示的電壓和電流仿真波形。該曲線與理論分析實驗波形完全一致。