LabVIEW与MATLAB混合编程在电力系统潮流计算中的应用

胡恒 汤允凤 张航

摘要：电力系统潮流分布计算是电网进行规划设计、电力系统稳定经济运行以及继电保护装置进行计算整定的重要依据。而MATLAB具有强大的数值计算能力以及包含大量的计算算法，非常适合进行电力网络复杂的运算，但其在设计用户界面却稍逊于LabVIEW图形化编程软件。本文介绍了一种利用MATLAB Script节点技术，实现LabVIEW与MATLAB混合编程并开发出具有良好用户操作界面的电力系统潮流计算软件的方法。

关键词：LabVIEW；MATLAB；混合编程；潮流计算；用户界面

中图分类号：TM769 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0100-03

1 引言

迄今为止，计算机在各个行业的运用已十分普遍，而在利用计算机计算、分析、研究电力系统并实现电网安全稳定运行与电能的经济调度时，往往离不开计算电力系统的潮流分布情况[1]。本文中所涉及到的潮流计算算法是在已知电力网络中各线路、变压器、发电机以及负荷等参数的情况下，对系统进行建模、编制计算程序进行求解、最后得出系统中各个节点的相关运行参数的程序[2]。

LabVIEW是美国NI公司创立的一种图形化编程软件，它在数据采集、数据处理显示存储等方面拥有着其他编程软件无可比拟的优势，广泛地被研究实验室、工业测控以及学术研究所接受。其突出的优势是采用了图形化的编程方式、提供了大量的功能函数库以及具有设计高级用户界面（UI）的功能[3]，但在复杂庞大的数值计算与分析方面却显得力不从心，这制约了它在开发大型应用程序方面的发展。由美国MathWorks公司开发的MATLAB具有强大的数值运算能力，在矩阵计算以及图形处理上有着丰富、高效的工具箱[4]。但其在界面设计开发方面的能力较差，且生成的.m文件只能在MATLAB环境中运行，程序的可移植性、拓展性、通用性较差[5]。因此，本文以LabVIEW作为界面设计开发工具[6]，利用MATLAB Script节点技术结合MATLAB强大的数值运算能力，将其应用于电力系统潮流计算，达到开发出具有良好用户操作界面的电力系统潮流计算软件的目的。

2 电力系统潮流计算算法

2.1 高斯-赛德尔迭代法

高斯—赛德尔迭代法[7]是在高斯迭代法的基础上利用上一次的迭代值形成的，其计算精度更高，收敛速度更快。在电力系统中，经常运用节点电压法求解线路运行参数，我们可假设系统有n个节点，将平衡节点编号为s，剩余的节点均为PQ节点，节点导纳设为Y，则可列出功率方程如下：

对系统中的每一个节点都列出相应的方程，共有n-1个方程。由于各节点的注入功率、各節点导纳以及平衡节点电压都是已知的，故只有n-1个节点的电压是待求的，从而方程式可能有唯一解。

采用牛顿-拉夫逊方法进行潮流计算时，具有平方收敛性，收敛速度快，但每一次迭代都要进行一次雅克比矩阵的更新，这将耗费大量的运行时间，实际计算过程中通常结合稀疏矩阵技术对节点导纳矩阵以及雅克比矩阵进行处理以加快运算速度。

2.3 PQ分解法

PQ分解法又称快速解耦法，是计及电力系统的特点后，对牛顿-拉夫逊方法进行改进的算法，它将牛顿-拉夫逊方法中形成的雅克比矩阵进行简化以及常数化，使算法在迭代的过程中可不再对雅克比矩阵进行更新，大大节省了计算机内存以及计算时间，但其只能适用于高压配电网。为不失代表性，本文将以全极坐标表示下的牛顿-拉夫逊方法为算例进行潮流计算。

3 仿真计算软件的实现

3.1 MATLAB Script节点技术

MATLAB Script节点是实现LabVIEW与MATLAB之间相互通信的桥梁纽带，其是由LabVIEW通过内置的ActiveX控件与MATLAB Server建立连接进行数据交互，通过调用MATLAB命令和函数以实现复杂庞大的数值计算与分析过程[9]。两者的参数传递示意图如图1所示。

使用MATLAB Script节点方式如下：

在LabVIEW函数选板中选择数学>>脚本与公式>>脚本节点>>MATLAB脚本，即可添加MATLAB Script节点进入到程序框图，在MATLAB脚本节点的左侧与右侧可分别添加不同类型的输入或输出参数进行相关配置[10]。

3.2 MATLAB编程算法

利用MATLAB Script节点，使用牛顿-拉夫逊法求解电力系统潮流分布的MATLAB程序流程图见图2。

3.3 LabVIEW编程实例

LabVIEW计算潮流分布程序如图3所示，当开始计算按钮按下后，即会弹出选择文件对话框，在选择.dat文件后，路径转字符串.vi将文件路径转换为字符串传给MATLAB Script节点，同时为了提示用户程序正在计算，利用Set Busy.vi将鼠标指针设置为忙碌状态，而后MATLAB Script节点调用MATLAB Server进行运算，最后将计算出的各节点电压幅值与相角、注入功率、迭代次数、计算耗时等潮流分布情况进行输出，数据分析.vi将节点输出的参数进行处理以及显示在软件操作界面，当计算完毕后，即弹出计算完毕对话框，而同时利用Unset Busy.vi将鼠标指针取消设置为忙碌状态。当需要对所计算的数据进行保存时，可点击保存数据按钮，程序会将计算结果以Excel文档形式保存，相应的LabVIEW程序见图4。

4 仿真计算软件效果演示

4.1 软件界面

仿真实验软件界面如图5所示，实验软件提供了图形式的人机交互界面，操作界面分为三个部分，第一个部分包括了计算出的各节点的电压幅值与相角、注入功率、线路功率等潮流分布仿真计算结果，第二部分为各节点电压幅值与相角、节点注入功率图，可简要分析各个节点的潮流分布情况，第三部分为数据保存，可以对计算出的潮流数据进行数据的存储。

4.2 以IEEE—14BUS標准试验系统潮流计算为例的效果演示

按下开始计算按钮后，即会弹出潮流数据文件选择对话框，选择IEEE14.dat文件，计算完成后，系统各节点电压幅值与相角、注入功率、迭代次数、计算耗时等潮流分布情况将显示在主界面，同时软件还会绘制出各节点电压幅值与相角、节点注入功率图，可简要了解各个节点的潮流分布情况，计算结果界面同如图4所示。以下是软件计算保存的数据，与标准系统计算结果对比如表1所示。

对比标准潮流计算结果可知，软件计算结果完全正确。

5 结语

本文利用MATLAB Script节点技术，实现了LabVIEW与MATLAB混合编程，并开发出了具有良好用户操作界面的电力系统潮流计算软件。该软件操作简单、人机交互界面友好、计算速度快、潮流计算结果输出详尽，该软件已经开始应用于广西大学电力系统稳态实际教学中，充实了教学内容， 提高了教学效果，对当今电力系统潮流计算同时也具有较高的参考价值。

参考文献

[1]赵紫颖，童小鹏，师秀凤.基于MATLAB的电力系统潮流计算设计——用Simulink仿真进行潮流计算[J].价值工程，2016，35（21）：185-187.

[2]李佳泽，陈聪，张鹏. C#与MATLAB混合编程在简单潮流计算可视化窗体设计中的应用[J]. 数字技术与应用，2016，（04）：159+161.

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[8]薛小庆，刘婷，贾鑫.基于极坐标牛拉法的电力潮流计算[J].数字技术与应用，2015（03）：82.

[9]柴敬安，廖克俭，潘德辉，等. Labview和Matlab混合编程方法的研究与实现[J].计算机测量与控制，2008，（05）：737-739+745.

[10]张廷军.LabVIEW和Matlab在雷达系统仿真中的应用[J].数字技术与应用，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