目前，火電廠中電氣系統正開始納入分散控制系統（DCS）。電氣系統與熱工自動化系統聯合仿真的需求開始顯現。電氣系統與熱工系統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納入DCS控制后，控制系統具有很高的可靠性，除了能實現正常起停和運行操作外，尤其要求能夠實現實時顯示異常運行和事故狀態下的各種數據和狀態，并提供相應的操作指導和應急處理措施，保證電氣系統自動控制在最安全合理的工況下工作。電氣系統的特點使多年來電力系統的仿真研究采用專門的軟件，與電廠熱控系統的仿真是分別進行的。隨著計算機開放性技術的發展完善，采用通用仿真軟件實現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實時數字仿真的電磁暫態分析軟件包PSCAD／EMTDC向MATLAB的轉換，實現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。參考文獻［3］介紹了將MATLAB用于工業過程實現可視化仿真的技術。然而，對于電力系統工程技術人員來說，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進行自定義的仿真研究，常規的仿真工具顯得力不從心，因為如果各環節用簡化傳遞函數來表示，則很多重要細節會被忽略；若用MATLAB中的Simulink提供的基本模塊（如開關和觸發器）來構造模型，則相當費時費力，雖然可以使用PSPICE來實現電子電路的仿真，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中的電氣系統模塊庫（PowerSystemBlockset），探討采用MATLAB實現電力系統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仿真分析的經驗。 1 電氣系統模塊庫介紹 MATLAB版本5．2以上提供了電氣系統模塊庫Powerlib。電氣系統模塊庫以Simulink為運行環境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統等電工學科中常用的基本元件和系統的仿真模型，不僅可以實現電力系統時域與頻域的計算仿真，如計算電力系統遭受擾動或參數變化時電參數隨時間變化的規律，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，就能調出電氣系統模塊庫。也可以在MATLAB的命令窗口，直接鍵入Powerlib調出。電氣系統模塊庫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RCL負載／支路、并聯RCL負載／支路、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N相分布參數線路、單相Ⅱ型集中參數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脈沖發生器等。 2 基本運行原理與使用 電氣系統模塊庫中的Powerlib模塊與常規的Simulink模塊兩者有一些區別，所以，在Simulink內部，進行仿真前有一個初始化的過程，把包含Powerlib模塊的系統轉化為Simulink能夠仿真的等效系數，具體操作如下： （1）調用Power2sys函數，把所有的模塊劃分為常規模塊和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函數求出模塊的網絡拓撲結構，得到其參數，并對每個電氣結點都賦予一個結點號。 （3）調用Circ2sys函數求出線性模塊的狀態空間模型（狀態變量為電感電流和電容電壓）。 （4）調用Power2sys函數，根據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開始對此系統仿真。 Power2sys和Circ2sys函數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。電氣系統模塊庫中的模塊在使用上，與常規的Simulink模塊類似，將其拷貝到自己的模型中并設置合適的參數即可。但是，Powerlib模塊與常規的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，應根據其性質，采用可控電壓源或可控電流源模塊作為中間環節；反之，當Powerlib模塊中的信號反饋給Simulink模塊構造的控制系統時，應采用電流或電壓測量模塊。 由于在仿真初始化過程中，Power2sys函數將逐個檢查模型中的各個模塊是否為電氣系統模塊，所以，對于大規模的系統，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不去檢查那些常規模塊，方法是在常規模塊以及包含常規模塊的子系統的模塊名前加1個“＄”符號，如“＄PID”，但必須確保子系統內的模塊皆為常規模塊。 Powergui是電氣系統模塊庫提供的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中各狀態變量和測量變量的穩態值；可以修改系統的初始狀態來實現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的仿真實例。如電力濾波器、HVDC、分布參數線路、變壓器、暫態分析、三相二極管整流等。本文采用電氣系統模塊庫建立的晶閘管（Thyristor）整流電路如圖5。系統通過單項單脈沖晶閘管整流電路供電給RL負載。晶閘管門極觸發脈沖由定時器Timerl提供。仿真時的設定參數為：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。