MATPOWER在电力系统教学中的应用研究
总第278期
DOI编码：10.3969/j.in.1007-0079.2022.19.031
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摘要：MATPOWER是MATLAB中用于电力系统潮流计算的一个仿真工具箱。它的建模方法简单易学；输出结果简洁直观，特别适合小型电力系统的潮流计算，包括经典潮流计算、最优潮流计算、电力市场中潮流计算等，是高等院校的教育从业者、学生以及科研人员开展潮流计算研究的一个实用辅助工具。
关键词：MATPOWER；潮流计算；最优潮流；电力市场
在国内常用的电力系统分析软件有中国电力科学研究院的PASAP、美国Bonneville电力局的BPA等，这些软件功能强大并且求解数据结果精准，多应用于实际仿真计算和大规模电力系
统的科学研究。而MATPOWER的优势是在小型电力系统的潮流分析应用中，它操作简单，输出结果界面的数据全面、直观，运行稳定，计算速度快，准确度高。MATPOWER比上述软件更适合在高校进行科研和仿真教学。
一、MATPOWER软件介绍
MATPOWER软件是基于MATLAB语言编写的电力系统潮流计算软件，它可以在MATLAB5.1或以上版本的软件环境中使用和运行。目前它的最新版本是4.0b2。MATPOWER安装便捷，只需要将MATPOWER4.0b2文件夹设置在MATLAB软件的path路径下即可。
MATPOWER3.0版本综合了MATLAB中的优化算法，如OPF解法是基于包含在MATLAB早期版本最优工具箱中的contr函数，这使得它可以利用牛顿法等经典算法求解潮流和最优潮流。MATPOWER4.0b2版本在3.0的基础上增加线性规划、内点法等方法，使得它能灵活地解决在不同环境下的潮流计算。同时它具有面向用户的输入、输出界面，这使得它避开了其他仿真软件的反复输入与输出不直观的缺点。
二、电力系统潮流计算
潮流计算是电力系统分析的一项最基本计算，运行MATPOWER的潮流计算程序可以求出电网中各节点电压、电流和功率分布，这些数据为检查各元件是否过负荷、各点电压是否满足要求、功率分布和功率损耗是否合理等电力系统稳态分析提供了可信度高的基础数据。
1.建立模型
对于建立电力系统模型，MATPOWER有三种方式。第一种是标准库方式，用于对电力科学研究院的节点标准测试系统的原始数据进行潮流计算的仿真与验证。在MATPOWER文件夹中，带有“cae某”字符串的文件均为电力科学研究院的节点标准测试系统的原始数据（某代表节点数）。在MATLAB的conmandwindow窗口输入“runpf（‘cae某’）”，即可运行标准节点为某的电力系统潮流计算程序。
第二种是非标准节点转化标准节点方式。在实际教学与科研中，遇到的电力系统往往不是标准节点系统。对于这类实际系统可以先利用等值简化等手段将所研究电力系统变成标准节点系统，然后将相应的节点、发电机、线路、并联电容器、变压器数据输入到相应cae某数据文件中，再运行此文件，可得到等值简化后的系统潮流计算结果。但此种方案输出的
结果需要再经过运算才能还原到原始系统中。
综上所述，在建立电力系统模型方面MATPOWER避免了SIMLINK仿真工具先指定元件画图后再输入数据的繁琐工序，实现了建立模型的方便、简单、快速。
2.计算实例
下面以14节点为例，说明MATPOWER潮流计算结果。输入命令：
runpf（‘cae14’）
这是运行基于牛顿法的潮流计算程序，潮流计算结果如图1与图2所示。图1中显示的数据为系统总结与数据总结。图2中显示的数据为节点数据与支路数据。数据总结包括系统节点数、各元件数量、支路数、装机容量、电源输出、负荷容量、总线损等数据。节点数据提供了各点节点电压、幅值及发电机发出的有功功率与无功功率、负荷的有功功率与无功功率等数据。支路数据给出了各支路潮流功率流向、支路线损等数据。
相比之下，MATPOWER的表格数据不如POWERWORLD的图形化数据清晰明了。
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3.结果优化
在实际电力系统分析中往往对潮流算法的运算速度和计算精度的要求很高。为此，MATPOWER提供了一种选择向量来实现对算法选项的控制。它类似于MATLAB最优化工具箱早期版本中由foption函数提供的现象向量。这两者最重要的区别在于MATPOWER不用记住每一个选项的索引，只需要根据选项的名称就可以对算法选项的值作出修改。MATPOWER的默认选择向量是通过调用无参数mpoption来获得的。
图1潮流计算结果（1）
下面对MATPOWER的四个比较重要的选项加以说明。（1）算法的切换选项。电力系统潮流计算方法很多，其中牛顿法是求解非线性方程组的有效方法，突出优点是收敛速度快，但是它必须反复形成修正方程并迭代求解，因此对大规模电力系统进行潮流计算时计算量较大，计算速度与初值选取的好坏关系较大。快速解耦法在进行交流高压输电网潮流计算时具有良好的收敛可靠性，但是有时会因为R/某比值大的支路的出66
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图2潮流计算结果（2）
现导致潮流计算迭代次数大大增加甚至迭代不收敛。高斯算法在PV节点转化为PQ节点时存在计算收敛缓慢的缺点。
为满足实际需要，需选择最合适的算法进行潮流计算。MATPOWER提供了实现快速切换算法的功能。
例如，在conmandwindow窗口，输入命令：opt=mpoption（'PF_ALG',2）;runpf（'cae14',opt）
此时，运行的是以快速解耦算法为基础的潮流计算。（2）中止条件选项。MATPOWER可以按照用户实际需要来延长、缩短迭代次数，使得结果更加符合实际要求。如果迭代次数超过设计上限，MATPOWER潮流计算程序即被中止。例如，牛顿法潮流计算中修正方程迭代次数限制在10次及以下，在MATLAB的conmandwindow窗口输入命令：
opt=mpoption（'PF_MA某_IT',10）;runpf（'cae14',opt）
即可在修正方程迭代求解10次以内结束潮流计算，输出计算结果。
（3）越界处理选项。潮流计算中当PQ节点的无功功率越界，则将其转化为PV节点后需要更新修正方程，重新对系统进
行潮流计算。类似地，可处理PV节点电压越界问题。
在MATLAB的conmandwindow窗口，输入命令：opt=mpoption（'ENFORCE_Q_LIMS',1）;runpf（'cae14',opt）
运行的是考虑越界情况下的潮流计算程序。