Simulink模型导出至电力仿真软件的工程实践

引言

随着新能源并网规模持续扩大，电力系统中电力电子设备占比显著提高，系统动态特性呈现出多时间尺度并存的特点。相较以同步机为主的传统电力系统，新能源并网系统同时包含快速控制、电磁暂态以及较慢的系统响应过程，对仿真模型的准确性和适用性提出了更高要求。

在实际工程中，不同研究目标对应不同仿真侧重点[1]。电磁暂态仿真基于瞬时值建模，适用于电力电子控制及快速暂态问题分析，常用工具包括PSCAD/EMTDC、DIgSILENT、MATLAB/Simulink 等；机电暂态仿真基于基频相量建模，更适合系统层面的动态特性分析，典型软件有PSASP、PSS/E；此外，数模混合仿真（硬件在环）广泛应用于控制与保护系统的实时验证，常见平台包括ADPSS、RTDS、RT-LAB。

由于不同仿真方法在建模精度、计算效率和适用场景方面各有侧重，单一仿真工具往往难以满足工程分析的全部需求。如何在不同仿真工具间复用同一套控制与保护模型，保证模型行为一致并降低维护成本，成为电力系统仿真中的关键问题[2]。

关于 IEEE/CIGRE 标准

跨仿真平台应用中，模型复用的核心挑战在于算法一致性、接口统一性以及知识产权保护。相比直接移植源代码，基于动态链接库（ DLL） 的模型封装方式在工程中更具可行性。

EEE/CIGRE 建模标准正是在这一背景下提出[3]。该标准通过定义统一的 DLL 接口，使控制与保护算法能够被封装为标准化模块，并在不同仿真工具和平台中调用。仿真工具仅通过标准接口与 DLL 交互，而无需关心其内部实现，从而显著提升了模型的可移植性与复用性。下图给出了 IEEE/CIGRE DLL 在仿真工具中的典型调用方式[4]。。

图1：IEEE/CIGRE DLL 接口示意图

在工程实践中，常见做法是将现场控制与保护装置的“真实代码”封装为符合 CIGRE 规范的 DLL，使仿真模型在算法逻辑、参数设置和保护策略等方面与现场设备保持一致。

需要指出的是，IEEE/CIGRE 标准的工程价值不仅体现在接口统一，还体现在对复杂仿真需求的支持能力。例如，模型需支持状态快照的保存与恢复，以适应不同仿真运行方式；同时还需支持多实例并行运行，要求模型在参数与状态管理上保持严格隔离，避免使用全局变量。这些能力在新能源场站和电力电子装置等应用场景中尤为关键。

基于 Simulink 的 DLL 导出方案

针对上述需求，MathWorks 咨询服务团队开发了 Simulink 到 IEEE/CIGRE DLL 的导出工具。该工具支持按照 CIGRE 标准，将 Simulink 算法模型自动生成标准化 DLL。使得同一套算法模型可以在不同仿真环境中复用。

图2：Simulink导出CIGRE工具箱

算法模型搭建

控制与保护逻辑首先在 Simulink 中完成建模。模型应尽量模块化，便于后续在不同仿真场景中复用，并避免与具体仿真平台强耦合。

图3：Simulink算法模型示意图

参数定义

为支持 DLL 的多实例并行运行，必须避免在生成的 C 代码中使用全局变量。所有可调参数应定义为 Simulink.Parameter 对象，并存储在顶层模型的模型工作区中，存储类别设置为“模型默认”。下图展示了参数在模型工作区的定义方式。

图4：参数定义示意图

在工程应用中，参数通常采用结构体形式进行定义。结构体中各成员可在 CIGRE DLL 中作为独立参数访问。在模型引用层级中，应通过模型参数方式将参数逐级传递至下层模型。相关参数传递方式如下图所示：

图5：参数传递示意图

顶层模型封装

为生成符合 CIGRE 接口规范的代码，需要构建一个专用的顶层模型，用于包裹实际的算法模型。该顶层模型负责定义 DLL 的输入输出接口，并统一管理模型实例。下图用于DLL导出的顶层模型封装示例。

图6：顶层模型示意图

在模型配置中，需要启用可重入函数和结构化 I/O，并将“每个顶层模型允许的实例数”设置为 Multiple，以确保模型能够支持多实例并行运行。相关配置选项如下图所示。

图7：模型配置示意图

DLL 生成

在完成模型封装与配置后，即可进入 DLL 生成阶段。在顶层模型中，将系统目标文件设置为 cigre.tlc，并选择相应的 CIGRE DLL 工具链，即可生成符合 IEEE/CIGRE 标准的 DLL。生成结果通常包括 DLL 文件及对应的接口头文件。

图8：DLL生成配置示意图

验证与应用

生成的 DLL 可导入 PSCAD 等电力系统仿真软件中进行功能与动态特性验证。在PSCAD侧，通常需要通过Fortran Wrapper 调用 DLL，实现模型与仿真系统的接口集成。通过对比仿真结果，可验证DLL模型在不同平台下的功能一致性。

图9：DLL验证示意图

结论

MATLAB/Simulink 在算法开发与控制设计方面具有广泛应用基础。通过将 Simulink 模型导出为符合 IEEE/CIGRE 标准的 DLL，可有效实现模型在多种电力系统仿真平台之间的复用，显著降低跨工具建模和维护成本。该方法为新能源并网、电力电子控制以及多时间尺度仿真提供了一种工程化、可扩展的解决方案，有助于提升电力系统分析效率和模型一致性。

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本文内容主要基于实际项目经验整理，围绕 Simulink 模型跨平台复用这一工程需求，总结了基于 IEEE/CIGRE 标准的 DLL 建模思路与关键实现要点。受限于篇幅，文中未对所有实现细节展开说明，欢迎读者结合自身应用场景在评论区留言讨论与交流。