LabVIEW與MATLAB混合編程在電力系統(tǒng)潮流計算中的應(yīng)用

胡恒 湯允鳳 張航

摘要：電力系統(tǒng)潮流分布計算是電網(wǎng)進行規(guī)劃設(shè)計、電力系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行以及繼電保護裝置進行計算整定的重要依據(jù)。而MATLAB具有強大的數(shù)值計算能力以及包含大量的計算算法，非常適合進行電力網(wǎng)絡(luò)復雜的運算，但其在設(shè)計用戶界面卻稍遜于LabVIEW圖形化編程軟件。本文介紹了一種利用MATLAB Script節(jié)點技術(shù)，實現(xiàn)LabVIEW與MATLAB混合編程并開發(fā)出具有良好用戶操作界面的電力系統(tǒng)潮流計算軟件的方法。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；MATLAB；混合編程；潮流計算；用戶界面

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0100-03

1 引言

迄今為止，計算機在各個行業(yè)的運用已十分普遍，而在利用計算機計算、分析、研究電力系統(tǒng)并實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行與電能的經(jīng)濟調(diào)度時，往往離不開計算電力系統(tǒng)的潮流分布情況[1]。本文中所涉及到的潮流計算算法是在已知電力網(wǎng)絡(luò)中各線路、變壓器、發(fā)電機以及負荷等參數(shù)的情況下，對系統(tǒng)進行建模、編制計算程序進行求解、最后得出系統(tǒng)中各個節(jié)點的相關(guān)運行參數(shù)的程序[2]。

LabVIEW是美國NI公司創(chuàng)立的一種圖形化編程軟件，它在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理顯示存儲等方面擁有著其他編程軟件無可比擬的優(yōu)勢，廣泛地被研究實驗室、工業(yè)測控以及學術(shù)研究所接受。其突出的優(yōu)勢是采用了圖形化的編程方式、提供了大量的功能函數(shù)庫以及具有設(shè)計高級用戶界面（UI）的功能[3]，但在復雜龐大的數(shù)值計算與分析方面卻顯得力不從心，這制約了它在開發(fā)大型應(yīng)用程序方面的發(fā)展。由美國MathWorks公司開發(fā)的MATLAB具有強大的數(shù)值運算能力，在矩陣計算以及圖形處理上有著豐富、高效的工具箱[4]。但其在界面設(shè)計開發(fā)方面的能力較差，且生成的.m文件只能在MATLAB環(huán)境中運行，程序的可移植性、拓展性、通用性較差[5]。因此，本文以LabVIEW作為界面設(shè)計開發(fā)工具[6]，利用MATLAB Script節(jié)點技術(shù)結(jié)合MATLAB強大的數(shù)值運算能力，將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)潮流計算，達到開發(fā)出具有良好用戶操作界面的電力系統(tǒng)潮流計算軟件的目的。

2 電力系統(tǒng)潮流計算算法

2.1 高斯-賽德爾迭代法

高斯—賽德爾迭代法[7]是在高斯迭代法的基礎(chǔ)上利用上一次的迭代值形成的，其計算精度更高，收斂速度更快。在電力系統(tǒng)中，經(jīng)常運用節(jié)點電壓法求解線路運行參數(shù)，我們可假設(shè)系統(tǒng)有n個節(jié)點，將平衡節(jié)點編號為s，剩余的節(jié)點均為PQ節(jié)點，節(jié)點導納設(shè)為Y，則可列出功率方程如下：

對系統(tǒng)中的每一個節(jié)點都列出相應(yīng)的方程，共有n-1個方程。由于各節(jié)點的注入功率、各節(jié)點導納以及平衡節(jié)點電壓都是已知的，故只有n-1個節(jié)點的電壓是待求的，從而方程式可能有唯一解。

采用牛頓-拉夫遜方法進行潮流計算時，具有平方收斂性，收斂速度快，但每一次迭代都要進行一次雅克比矩陣的更新，這將耗費大量的運行時間，實際計算過程中通常結(jié)合稀疏矩陣技術(shù)對節(jié)點導納矩陣以及雅克比矩陣進行處理以加快運算速度。

2.3 PQ分解法

PQ分解法又稱快速解耦法，是計及電力系統(tǒng)的特點后，對牛頓-拉夫遜方法進行改進的算法，它將牛頓-拉夫遜方法中形成的雅克比矩陣進行簡化以及常數(shù)化，使算法在迭代的過程中可不再對雅克比矩陣進行更新，大大節(jié)省了計算機內(nèi)存以及計算時間，但其只能適用于高壓配電網(wǎng)。為不失代表性，本文將以全極坐標表示下的牛頓-拉夫遜方法為算例進行潮流計算。

3 仿真計算軟件的實現(xiàn)

3.1 MATLAB Script節(jié)點技術(shù)

MATLAB Script節(jié)點是實現(xiàn)LabVIEW與MATLAB之間相互通信的橋梁紐帶，其是由LabVIEW通過內(nèi)置的ActiveX控件與MATLAB Server建立連接進行數(shù)據(jù)交互，通過調(diào)用MATLAB命令和函數(shù)以實現(xiàn)復雜龐大的數(shù)值計算與分析過程[9]。兩者的參數(shù)傳遞示意圖如圖1所示。

使用MATLAB Script節(jié)點方式如下：

在LabVIEW函數(shù)選板中選擇數(shù)學>>腳本與公式>>腳本節(jié)點>>MATLAB腳本，即可添加MATLAB Script節(jié)點進入到程序框圖，在MATLAB腳本節(jié)點的左側(cè)與右側(cè)可分別添加不同類型的輸入或輸出參數(shù)進行相關(guān)配置[10]。

3.2 MATLAB編程算法

利用MATLAB Script節(jié)點，使用牛頓-拉夫遜法求解電力系統(tǒng)潮流分布的MATLAB程序流程圖見圖2。

3.3 LabVIEW編程實例

LabVIEW計算潮流分布程序如圖3所示，當開始計算按鈕按下后，即會彈出選擇文件對話框，在選擇.dat文件后，路徑轉(zhuǎn)字符串.vi將文件路徑轉(zhuǎn)換為字符串傳給MATLAB Script節(jié)點，同時為了提示用戶程序正在計算，利用Set Busy.vi將鼠標指針設(shè)置為忙碌狀態(tài)，而后MATLAB Script節(jié)點調(diào)用MATLAB Server進行運算，最后將計算出的各節(jié)點電壓幅值與相角、注入功率、迭代次數(shù)、計算耗時等潮流分布情況進行輸出，數(shù)據(jù)分析.vi將節(jié)點輸出的參數(shù)進行處理以及顯示在軟件操作界面，當計算完畢后，即彈出計算完畢對話框，而同時利用Unset Busy.vi將鼠標指針取消設(shè)置為忙碌狀態(tài)。當需要對所計算的數(shù)據(jù)進行保存時，可點擊保存數(shù)據(jù)按鈕，程序會將計算結(jié)果以Excel文檔形式保存，相應(yīng)的LabVIEW程序見圖4。

4 仿真計算軟件效果演示

4.1 軟件界面

仿真實驗軟件界面如圖5所示，實驗軟件提供了圖形式的人機交互界面，操作界面分為三個部分，第一個部分包括了計算出的各節(jié)點的電壓幅值與相角、注入功率、線路功率等潮流分布仿真計算結(jié)果，第二部分為各節(jié)點電壓幅值與相角、節(jié)點注入功率圖，可簡要分析各個節(jié)點的潮流分布情況，第三部分為數(shù)據(jù)保存，可以對計算出的潮流數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的存儲。

4.2 以IEEE—14BUS標準試驗系統(tǒng)潮流計算為例的效果演示

按下開始計算按鈕后，即會彈出潮流數(shù)據(jù)文件選擇對話框，選擇IEEE14.dat文件，計算完成后，系統(tǒng)各節(jié)點電壓幅值與相角、注入功率、迭代次數(shù)、計算耗時等潮流分布情況將顯示在主界面，同時軟件還會繪制出各節(jié)點電壓幅值與相角、節(jié)點注入功率圖，可簡要了解各個節(jié)點的潮流分布情況，計算結(jié)果界面同如圖4所示。以下是軟件計算保存的數(shù)據(jù)，與標準系統(tǒng)計算結(jié)果對比如表1所示。

對比標準潮流計算結(jié)果可知，軟件計算結(jié)果完全正確。

5 結(jié)語

本文利用MATLAB Script節(jié)點技術(shù)，實現(xiàn)了LabVIEW與MATLAB混合編程，并開發(fā)出了具有良好用戶操作界面的電力系統(tǒng)潮流計算軟件。該軟件操作簡單、人機交互界面友好、計算速度快、潮流計算結(jié)果輸出詳盡，該軟件已經(jīng)開始應(yīng)用于廣西大學電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)實際教學中，充實了教學內(nèi)容， 提高了教學效果，對當今電力系統(tǒng)潮流計算同時也具有較高的參考價值。

參考文獻

[1]趙紫穎，童小鵬，師秀鳳.基于MATLAB的電力系統(tǒng)潮流計算設(shè)計——用Simulink仿真進行潮流計算[J].價值工程，2016，35（21）：185-187.

[2]李佳澤，陳聰，張鵬. C#與MATLAB混合編程在簡單潮流計算可視化窗體設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016，（04）：159+161.

[3]聶輝，秦實宏.基于LabVIEW的虛擬電子稱設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（01）：168-169.

[4]龍全貞，丁小星，劉偉. MATLAB在計算機輔助幾何設(shè)計中的應(yīng)用初探[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017，（07）：233-236.

[5]覃楊森，郭世偉，劉語.Matlab混合編程方法研究[J].電子設(shè)計工程，2017，25（17）：107-110.

[6]彭高志，吳健章，孔德銳，等.基于LabVIEW控制的桌面四軸機器人設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017，（12）：14-16.

[7]裴志堅.基于高斯-賽德爾迭代法及MATLAB軟件的電路方程組求解方法[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2017，16（03）：22-25.

[8]薛小慶，劉婷，賈鑫.基于極坐標牛拉法的電力潮流計算[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（03）：82.

[9]柴敬安，廖克儉，潘德輝，等. Labview和Matlab混合編程方法的研究與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2008，（05）：737-739+745.

[10]張廷軍.LabVIEW和Matlab在雷達系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016，（08）：55-56.

Abstract：The calculation of power flow distribution in power system is an important basis for the planning and design of power grid， the stable and economic operation of power system and the calculation and setting of relay protection devices. MATLAB has strong numerical calculation ability and contains a large number of calculation algorithms， which is very suitable for complex calculation of power network， but it is slightly inferior to LabVIEW graphical programming software in designing user interface. This paper introduces a method of using MATLAB script node technology to realize mixed programming of LabVIEW and MATLAB and develop power system power flow calculation software with good user interface.

Key words：LabVIEW； MATLAB； hybrid programming； power flow calculation； user interface