零基础学习simulink--创建和搭建智能配电网模型

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项目实施步骤:创建和搭建智能配电网模型

1. 创建 Simulink 项目

1.2 创建新的 Simulink 项目文件夹

1.3 组织项目文件结构

2. 搭建电力系统模型

2.1 打开新的 Simulink 模型窗口

2.2 从 Simscape Electrical 和 Power System Toolbox 库中拖拽模块

2.2.1 配电网拓扑结构

2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)

2.2.3 负荷(Load)

2.2.4 智能电表(Smart Meters)

2.2.5 控制器(Controller)

3. 连接和配置模型

4. 运行仿真

5. 分析结果

6. 优化与改进

代码示例:

1. 创建 Simulink 项目

1.2 创建新的 Simulink 项目文件夹

1.3 组织项目文件结构

2. 搭建电力系统模型

2.1 新建 Simulink 模型

2.2 添加模块并连接

2.2.1 配电网拓扑结构

2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)

2.2.3 负荷(Load)

2.2.4 智能电表(Smart Meters)

2.2.5 控制器(Controller)

3. 连接和配置模型

4. 运行仿真

5. 分析结果

6. 优化与改进

总结


项目实施步骤:创建和搭建智能配电网模型

1. 创建 Simulink 项目
  • 启动 MATLAB:双击桌面上的 MATLAB 图标或通过命令行启动 MATLAB。
  • 启动 Simulink:在 MATLAB 命令窗口中输入 simulink 或点击 MATLAB 主界面中的 "Simulink" 按钮,启动 Simulink 库浏览器。
1.2 创建新的 Simulink 项目文件夹
  • 选择项目路径:在 MATLAB 主界面中,点击 "Home" 选项卡下的 "New > Project",选择 "Blank Project"。
  • 设置项目名称和路径:为项目命名(例如 SmartDistributionGrid_Project),并选择一个合适的文件夹路径用于存放项目文件。
  • 创建项目:点击 "Create" 按钮,MATLAB 将自动创建一个新的 Simulink 项目,并打开项目管理器窗口。
1.3 组织项目文件结构
  • 创建子文件夹:在项目管理器中,右键点击 "Project Files",选择 "New Folder",创建以下子文件夹:
    • Models:用于存放 Simulink 模型文件(.slx)。
    • Scripts:用于存放 MATLAB 脚本文件(.m),如仿真参数设置、数据导入等。
    • Data:用于存放外部数据文件,如负载曲线、天气数据、电价数据等。
    • Results:用于存放仿真结果文件,如图表、日志文件等。
2. 搭建电力系统模型
2.1 打开新的 Simulink 模型窗口
  • 新建模型:在 Simulink 库浏览器中,点击 "File > New > Model",或者直接点击库浏览器左下角的 "New Model" 按钮,创建一个新的空白模型窗口。
  • 保存模型:将模型保存到 Models 文件夹中,命名为 SmartDistributionGrid.slx
2.2 从 Simscape Electrical 和 Power System Toolbox 库中拖拽模块
2.2.1 配电网拓扑结构
  • 变电站(Substation)
    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements 中拖拽 Three-Phase Transformer 模块到模型窗口中,模拟变电站的变压器。
    • 设置变压器的参数,如额定功率、电压等级、短路阻抗等。
  • 馈线(Feeder)
    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements 中拖拽 Three-Phase Line 模块到模型窗口中,模拟馈线。
    • 设置馈线的长度、电阻、电感等参数。
  • 开关站(Switchgear)
    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements 中拖拽 Three-Phase Breaker 模块到模型窗口中,模拟开关站。
    • 设置开关的动作时间、过流保护阈值等参数。
2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)
  • 光伏发电系统(PV System)

    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Renewable Energy Sources 中拖拽 Photovoltaic (Phovoltaic) 模块到模型窗口中。
    • 设置光伏阵列的参数,如峰值功率、光照强度、温度系数等。
    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics 中拖拽 Three-Phase Inverter 模块,将光伏系统的直流输出转换为交流电,连接到配电网。
  • 风力发电系统(Wind Turbine System)

    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Renewable Energy Sources 中拖拽 Wind Turbine Generator 模块到模型窗口中。
    • 设置风力发电机的参数,如额定功率、风速特性等。
    • 直接将风力发电机的交流输出连接到配电网。
  • 储能系统(Battery Storage System)

    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Electrical Sources 中拖拽 Battery 模块到模型窗口中。
    • 设置电池的参数,如容量、初始荷电状态(SOC)、充放电效率等。
    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics 中拖拽 Bidirectional DC-AC Converter 模块,实现电池与配电网之间的双向能量流动。
2.2.3 负荷(Load)
  • 恒定功率负荷(Constant Power Load, CPL)

    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements 中拖拽 Three-Phase Programmable Resistor 模块到模型窗口中,模拟恒定功率负荷。
    • 设置负荷的功率需求,可以使用 Step 或 Signal Builder 模块来模拟时变负荷。
  • 时变负荷(Time-Varying Load)

    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements 中拖拽 Three-Phase Dynamic Load 模块到模型窗口中,模拟时变负荷。
    • 使用 From Workspace 或 From File 模块导入实际的负荷曲线数据,控制负荷的动态变化。
2.2.4 智能电表(Smart Meters)
  • 电流和电压测量

    • 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Sensors and Measurements 中拖拽 Current Measurement 和 Voltage Measurement 模块到模型窗口中,实时监测用户的用电情况。
    • 将测量结果通过 To Workspace 或 Scope 模块输出,便于后续分析。
  • 通信接口

    • 使用 MATLAB Function 或 Stateflow 模块模拟智能电表与中央控制系统之间的通信,传输测量数据和控制指令。
2.2.5 控制器(Controller)
  • 需求响应控制器(Demand Response Controller)

    • 使用 Stateflow 或 MATLAB Function 模块设计需求响应逻辑,根据实时电价或电网状态,调整用户的用电行为。
    • 例如,当电网负荷过高时,可以通过提高电价或直接控制某些非关键负荷(如空调、热水器等),减少高峰时段的用电量。
  • 故障检测与恢复控制器(Fault Detection and Recovery Controller)

    • 使用 Relay 模块模拟继电保护装置,检测配电网中的短路、过载等故障。
    • 当检测到故障时,自动断开相关馈线段,隔离故障区域。
    • 使用 Optimization Toolbox 实现最优恢复策略,选择最短路径恢复供电,减少停电范围和时间。
  • 优化调度控制器(Optimization Scheduler)

    • 设计一个能量管理系统(EMS),负责协调分布式能源、储能系统和负荷之间的能量分配。
    • 优化目标可以是最大化可再生能源利用率、最小化购电成本、保持电压和频率稳定等。
    • 使用 Optimization Toolbox 或 Reinforcement Learning Toolbox 实现优化算法,动态调整各电源的输出功率和储能系统的充放电策略。
3. 连接和配置模型
  • 连接各个模块:使用 Simulink 的连线工具,将各个模块按照配电网的拓扑结构进行连接。确保电源、负荷、控制器之间的电气连接正确无误。

  • 设置仿真参数:在 Simulink 模型窗口中,点击 "Simulation > Model Configuration Parameters",设置仿真时间、采样时间、求解器类型等参数。

    • 仿真时间:设定为 24 小时,模拟一天内的电力供需变化。
    • 采样时间:根据系统的动态特性,选择合适的采样时间(如 0.001 秒)以确保仿真精度。
    • 求解器类型:选择 ode23tb 或 ode15s 等适合电力系统的 stiff 求解器,确保仿真稳定性。
  • 导入外部数据:使用 From WorkspaceFrom File 模块导入外部数据,如负载曲线、天气数据、电价数据等。确保数据格式正确,并与仿真时间同步。

4. 运行仿真
  • 启动仿真:点击 Simulink 模型窗口中的 "Run" 按钮,开始仿真。观察模型的运行情况,记录关键数据(如功率、电压、频率、电池 SOC、负荷曲线等)。
  • 保存仿真结果:使用 To Workspace 或 To File 模块将仿真结果保存到 Results 文件夹中,便于后续分析。
5. 分析结果
  • 绘制仿真结果图表:使用 MATLAB 的数据分析工具(如 plotsubplot 等)绘制仿真结果图表,直观展示配电网的运行状态。
  • 评估性能指标:分析配电网的功率平衡、电压和频率稳定性、故障恢复时间、需求响应效果、优化调度效果等指标,验证系统的性能是否符合预期。
  • 调整和优化:根据仿真结果,识别系统中的薄弱环节,提出改进建议。例如,可以增加储能系统的容量、优化控制器算法、引入更多的分布式能源等。重新运行仿真,验证改进措施的效果。
6. 优化与改进
  • 多代理系统(MAS):引入多代理系统技术,模拟多个智能电表、控制器和分布式能源之间的协同工作,实现更复杂的优化调度和故障恢复策略。
  • 电动汽车充电站(EV Charging Stations):在配电网中加入电动汽车充电站,模拟电动汽车的充电行为,并研究其对配电网的影响。通过智能充电管理,优化电动汽车的充电时间和功率,减少对配电网的冲击。
  • 微电网集成:将多个微电网集成到配电网中,形成一个更大规模的智能电网系统。研究微电网与配电网之间的互动,优化能量分配和故障恢复策略。
  • 硬件在环(HIL)仿真:使用 Simulink 的 HIL 功能,将仿真模型与实际硬件(如智能电表、控制器、逆变器等)连接起来,进行实时测试和验证。

代码示例:

以下是一个详细的代码实现示例,涵盖了从模型搭建到仿真的全过程。

1. 创建 Simulink 项目
1.1 打开 MATLAB 并启动 Simulink
 

matlab

深色版本

% 启动 MATLAB 和 Simulink
simulink; % 启动 Simulink 库浏览器
1.2 创建新的 Simulink 项目文件夹
 

matlab

深色版本

% 创建新的 Simulink 项目
projectName = 'SmartDistributionGrid_Project';
projectPath = 'C:\Your\Project\Path'; % 替换为你的项目路径
newProject(projectPath, projectName);
1.3 组织项目文件结构
 

matlab

深色版本

% 创建子文件夹
mkdir(fullfile(projectPath, 'Models'));
mkdir(fullfile(projectPath, 'Scripts'));
mkdir(fullfile(projectPath, 'Data'));
mkdir(fullfile(projectPath, 'Results'));
2. 搭建电力系统模型
2.1 新建 Simulink 模型
 

matlab

深色版本

% 新建 Simulink 模型并保存
modelName = 'SmartDistributionGrid';
new_system(modelName);
save_system(modelName, fullfile(projectPath, 'Models', [modelName '.slx']));
2.2 添加模块并连接
2.2.1 配电网拓扑结构
  • 变电站(Substation)
    • 添加 Three-Phase Transformer 模块。
    • 设置变压器参数。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Transformer', [modelName '/Transformer']);
set_param([modelName '/Transformer'], 'Power', '100e6', 'PrimaryVoltage', '110e3', 'SecondaryVoltage', '11e3', 'ShortCircuitZ', '0.1');
  • 馈线(Feeder)
    • 添加 Three-Phase Line 模块。
    • 设置馈线参数。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Line', [modelName '/Feeder']);
set_param([modelName '/Feeder'], 'Length', '5', 'R', '0.1', 'L', '0.5e-3', 'C', '10e-9');
  • 开关站(Switchgear)
    • 添加 Three-Phase Breaker 模块。
    • 设置开关参数。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Breaker', [modelName '/Breaker']);
set_param([modelName '/Breaker'], 'BreakTime', '0.1', 'MakeTime', '0.2', 'Threshold', '1.1');
2.2.2 分布式能源(Distributed Energy Resources, DERs)
  • 光伏发电系统(PV System)
    • 添加 Photovoltaic 模块。
    • 设置光伏参数。
    • 添加 Three-Phase Inverter 模块进行 DC-AC 转换。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Renewable Energy Sources/Photovoltaic', [modelName '/PV']);
set_param([modelName '/PV'], 'Pmpp', '10e3', 'Voc', '400', 'Isc', '25');

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Power Electronics/Three-Phase Inverter', [modelName '/Inverter']);
set_param([modelName '/Inverter'], 'ModulationIndex', '0.9', 'CarrierFrequency', '1e3');
  • 风力发电系统(Wind Turbine System)
    • 添加 Wind Turbine Generator 模块。
    • 设置风力发电机参数。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Renewable Energy Sources/Wind Turbine Generator', [modelName '/WindTurbine']);
set_param([modelName '/WindTurbine'], 'RatedPower', '500e3', 'CutInSpeed', '3', 'CutOutSpeed', '25');
  • 储能系统(Battery Storage System)
    • 添加 Battery 模块。
    • 设置电池参数。
    • 添加 Bidirectional DC-AC Converter 模块进行双向能量流动。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Electrical Sources/Battery', [modelName '/Battery']);
set_param([modelName '/Battery'], 'NominalCapacity', '100e3', 'InitialSOC', '0.5', 'Efficiency', '0.9');

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Power Electronics/Bidirectional DC-AC Converter', [modelName '/DCACConverter']);
set_param([modelName '/DCACConverter'], 'ModulationIndex', '0.9', 'CarrierFrequency', '1e3');
2.2.3 负荷(Load)
  • 恒定功率负荷(Constant Power Load, CPL)
    • 添加 Three-Phase Programmable Resistor 模块。
    • 设置负荷参数。
 

matlab

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add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Programmable Resistor', [modelName '/Load']);
set_param([modelName '/Load'], 'Power', '50e3');
  • 时变负荷(Time-Varying Load)
    • 添加 Three-Phase Dynamic Load 模块。
    • 使用 From Workspace 模块导入实际的负荷曲线数据。
 

matlab

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add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Three-Phase Dynamic Load', [modelName '/DynamicLoad']);
set_param([modelName '/DynamicLoad'], 'Power', '50e3');

% 导入负荷曲线数据
loadCurve = timeseries(rand(1, 1000) * 50e3, (0:0.1:99.9)');
assignin('base', 'loadCurve', loadCurve);

add_block('simulink/Sources/From Workspace', [modelName '/LoadCurve']);
set_param([modelName '/LoadCurve'], 'VariableName', 'loadCurve', 'SampleTime', '0.1');
connect_blocks([modelName '/LoadCurve'], [modelName '/DynamicLoad']);
2.2.4 智能电表(Smart Meters)
  • 电流和电压测量
    • 添加 Current Measurement 和 Voltage Measurement 模块。
    • 将测量结果输出到工作区。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Sensors and Measurements/Current Measurement', [modelName '/CurrentMeasurement']);
add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Sensors and Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/VoltageMeasurement']);

add_block('simulink/Sinks/To Workspace', [modelName '/CurrentToWorkspace']);
set_param([modelName '/CurrentToWorkspace'], 'VariableName', 'currentData');

add_block('simulink/Sinks/To Workspace', [modelName '/VoltageToWorkspace']);
set_param([modelName '/VoltageToWorkspace'], 'VariableName', 'voltageData');

connect_blocks([modelName '/CurrentMeasurement'], [modelName '/CurrentToWorkspace']);
connect_blocks([modelName '/VoltageMeasurement'], [modelName '/VoltageToWorkspace']);
  • 通信接口
    • 使用 MATLAB Function 模块模拟智能电表与中央控制系统之间的通信。
 

matlab

深色版本

add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/SmartMeterComm']);
set_param([modelName '/SmartMeterComm'], 'Function', 'function output = SmartMeterComm(current, voltage)
    % 模拟智能电表与中央控制系统之间的通信
    output = [current, voltage];
end');

connect_blocks([modelName '/CurrentToWorkspace'], [modelName '/SmartMeterComm']);
connect_blocks([modelName '/VoltageToWorkspace'], [modelName '/SmartMeterComm']);
2.2.5 控制器(Controller)
  • 需求响应控制器(Demand Response Controller)
    • 使用 Stateflow 模块设计需求响应逻辑。
 

matlab

深色版本

add_block('stateflow/Chart', [modelName '/DemandResponseController']);
edit([modelName '/DemandResponseController']); % 打开 Stateflow 编辑器

% 在 Stateflow 中定义状态机
% 例如:根据实时电价调整负荷
% 状态1:正常运行
% 状态2:高电价时减少负荷
% 状态3:低电价时增加负荷
  • 故障检测与恢复控制器(Fault Detection and Recovery Controller)
    • 使用 Relay 模块检测故障。
    • 使用 Optimization Toolbox 实现最优恢复策略。
 

matlab

深色版本

add_block('powerlib/Specialized Power Systems/Elements/Relay', [modelName '/FaultDetector']);
set_param([modelName '/FaultDetector'], 'Threshold', '1.1', 'Delay', '0.1');

% 使用 Optimization Toolbox 实现最优恢复策略
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/FaultRecovery']);
set_param([modelName '/FaultRecovery'], 'Function', 'function output = FaultRecovery(faultSignal)
    % 实现最优恢复策略
    if faultSignal > 0
        % 执行恢复操作
        output = 1;
    else
        output = 0;
    end
end');

connect_blocks([modelName '/FaultDetector'], [modelName '/FaultRecovery']);
  • 优化调度控制器(Optimization Scheduler)
    • 使用 Optimization Toolbox 实现优化算法。
 

matlab

深色版本

add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/OptimizationScheduler']);
set_param([modelName '/OptimizationScheduler'], 'Function', 'function [pvPower, windPower, batteryPower] = OptimizationScheduler(load, pvAvailable, windAvailable, batterySOC)
    % 优化目标:最小化购电成本,最大化可再生能源利用率
    % 使用 fmincon 或其他优化函数
    options = optimoptions('fmincon', 'Display', 'off');
    [pvPower, windPower, batteryPower] = fmincon(@objectiveFunction, [0, 0, 0], [], [], [], [], [0, 0, 0], [pvAvailable, windAvailable, batterySOC], options, load);
    
    function cost = objectiveFunction(x)
        % 定义优化目标函数
        cost = -x(1) - x(2) + 0.1 * (batterySOC - x(3))^2;
    end
end');

connect_blocks([modelName '/Load'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
connect_blocks([modelName '/PV'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
connect_blocks([modelName '/WindTurbine'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
connect_blocks([modelName '/Battery'], [modelName '/OptimizationScheduler']);
3. 连接和配置模型
  • 连接各个模块
    • 使用 connect_blocks 函数连接各个模块。
 

matlab

深色版本

connect_blocks([modelName '/Transformer'], [modelName '/Feeder']);
connect_blocks([modelName '/Feeder'], [modelName '/Breaker']);
connect_blocks([modelName '/Breaker'], [modelName '/Load']);
connect_blocks([modelName '/Breaker'], [modelName '/DynamicLoad']);
connect_blocks([modelName '/Inverter'], [modelName '/Feeder']);
connect_blocks([modelName '/WindTurbine'], [modelName '/Feeder']);
connect_blocks([modelName '/DCACConverter'], [modelName '/Feeder']);
  • 设置仿真参数
    • 设置仿真时间、采样时间、求解器类型等。
 

matlab

深色版本

set_param(modelName, 'StopTime', '86400'); % 24小时
set_param(modelName, 'Solver', 'ode23tb'); % 选择适合电力系统的 stiff 求解器
set_param(modelName, 'FixedStep', '0.001'); % 设置固定步长
4. 运行仿真
  • 启动仿真
    • 运行仿真并保存结果。
 

matlab

深色版本

sim(modelName); % 启动仿真
  • 保存仿真结果
    • 将仿真结果保存到 Results 文件夹中。
 

matlab

深色版本

save(fullfile(projectPath, 'Results', 'SimulationResults.mat'), 'currentData', 'voltageData');
5. 分析结果
  • 绘制仿真结果图表
    • 使用 MATLAB 的绘图工具绘制仿真结果。
 

matlab

深色版本

figure;
subplot(2, 1, 1);
plot(currentData.Time, currentData.Data);
title('Current Data');
xlabel('Time (s)');
ylabel('Current (A)');

subplot(2, 1, 2);
plot(voltageData.Time, voltageData.Data);
title('Voltage Data');
xlabel('Time (s)');
ylabel('Voltage (V)');
  • 评估性能指标
    • 计算功率平衡、电压和频率稳定性、故障恢复时间等性能指标。
 

matlab

深色版本

% 计算功率平衡
totalPower = sum(currentData.Data .* voltageData.Data, 2);

% 计算电压波动范围
voltageRange = max(voltageData.Data) - min(voltageData.Data);

% 计算故障恢复时间
faultRecoveryTime = find(diff(faultSignal) == -1, 1) * 0.001;

disp(['Total Power: ', num2str(mean(totalPower))]);
disp(['Voltage Range: ', num2str(voltageRange)]);
disp(['Fault Recovery Time: ', num2str(faultRecoveryTime), ' seconds']);
6. 优化与改进
  • 多代理系统(MAS)

    • 引入多代理系统技术,模拟多个智能电表、控制器和分布式能源之间的协同工作。
    • 使用 MATLAB Function 或 Stateflow 实现多代理系统的逻辑。
  • 电动汽车充电站(EV Charging Stations)

    • 在配电网中加入电动汽车充电站,模拟电动汽车的充电行为。
    • 使用 From Workspace 模块导入电动汽车的充电需求数据。
    • 通过智能充电管理,优化电动汽车的充电时间和功率。
  • 微电网集成

    • 将多个微电网集成到配电网中,形成一个更大规模的智能电网系统。
    • 研究微电网与配电网之间的互动,优化能量分配和故障恢复策略。
  • 硬件在环(HIL)仿真

    • 使用 Simulink 的 HIL 功能,将仿真模型与实际硬件(如智能电表、控制器、逆变器等)连接起来,进行实时测试和验证。

总结

通过上述步骤,您可以逐步创建和搭建一个完整的智能配电网模型,并对其进行仿真和优化。Simulink 提供了强大的建模和仿真工具,使得电力系统工程师能够快速构建复杂的配电网模型,进行各种工况下的仿真分析,从而为实际工程应用提供有力支持。智能配电网的建设不仅有助于提高电力系统的可靠性和效率,还能促进可再生能源的广泛应用,推动能源转型和可持续发展。

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