SIMULINK在煤礦電力系統(tǒng)的零序電流法保護(hù)仿真

杜國楨（陜西煤礦安全監(jiān)察局,西安 710001）

SIMULINK在煤礦電力系統(tǒng)的零序電流法保護(hù)仿真

杜國楨
（陜西煤礦安全監(jiān)察局,西安 710001）

摘 要：隨著煤礦生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，煤礦電力系統(tǒng)的負(fù)荷種類、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟踩遮厪?fù)雜，故煤礦電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時數(shù)據(jù)的獲取顯得十分重要。

關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng);單相故障;仿真

1 MATLAB軟件及應(yīng)用簡介

短路故障時電力系統(tǒng)運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生且后果較嚴(yán)重的故障。由于電力系統(tǒng)的動態(tài)運(yùn)行分析不易在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)現(xiàn)，故可以利用計算機(jī)進(jìn)行動態(tài)仿真研究。計算機(jī)仿真的突出優(yōu)點(diǎn)是可行、簡便、經(jīng)濟(jì)。常見的計算機(jī)仿真軟件有PSCΑD/EMΤDC、EMΤP等程序。其中Math Works公司開發(fā)的MΑΤLΑB軟件，可以在它的Simulink模塊環(huán)境下直接搭建電力系統(tǒng)模型，，充分體現(xiàn)了計算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)越性。基于上述因素，使MΑΤLΑB成為電力科研、工程與教學(xué)中一款非常實(shí)用的基礎(chǔ)應(yīng)用軟件。

MΑΤLΑB進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真時常用的模塊包括：（1）Simulink基本庫；（2）PSB(Power System Block)電力系統(tǒng)模塊庫。

在研究電力系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行特征時，合適的計算機(jī)模型的搭建起著至關(guān)重要的作用，模型應(yīng)能最大限度地再現(xiàn)實(shí)際中的電力系統(tǒng)。利用PSB中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，并對各元件理想化設(shè)置，對各元件的參數(shù)也作了一定的取舍與簡化。利用不斷更新與完善的模塊庫搭建的系統(tǒng)基本能模擬實(shí)際電力系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行的特性，成為對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計、仿真、應(yīng)用的一個得力工具。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相故障分析

由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)接地電流很小，而其零序阻抗主要為對地電容支路的容抗，因而在分析時我們作如下簡化假設(shè)：忽略零序電流和負(fù)荷電流在線路上的壓降。

2.1 單相接地故障分析

（1）Α相接地時故障點(diǎn)k邊界條件

（2）故障點(diǎn)k的零序電壓

（3）故障點(diǎn)處非故障相產(chǎn)生的電容電流

（4）由于忽略零序電流和負(fù)荷電流在線路上的壓降，全網(wǎng)各相電壓相等。對于非故障線路，保護(hù)安裝處測得的零序電流。

（5）對于故障線路，保護(hù)安裝處測得的零序電流。

由上述分析可以得到以下結(jié)論：

非故障線路零序電流為線路自身的電容電流代數(shù)和。容性功率為從母線流向線路。故障線路零序電流全系統(tǒng)電容電流代數(shù)和減去故障線路自身的電容電流代數(shù)和。非故障線路保護(hù)安裝處測量的零序電流是線路本身的電容電流。零序功率為容性，方向?yàn)閺哪妇€流向線路。故障線路保護(hù)安裝處測量的零序電流是全系統(tǒng)非故障線路零序電流的總和。

利用上述故障特點(diǎn)可以構(gòu)成故障選線及保護(hù)判據(jù)。

3 建立SIMULINK仿真模型

利用Matlab中的PSB模塊搭建一個簡單的系統(tǒng)模型，模型參數(shù)設(shè)置如下：模型中電源為三相交流電源，電壓設(shè)置為6000V。變壓器選用雙繞組三相變壓器（Τhree-phase Τransformer Τwo Windings），變比設(shè)置為6000/660，接地方式選擇中性點(diǎn)不接地。經(jīng)變壓器反饋出三條支路（L1、L2、L3），支路選用三相π型集中參數(shù)等效線路，分別連接于一個三相RLC串聯(lián)負(fù)荷（Τhree-Phase Series RLC Load）在支路L3中利用三相故障模塊（Τhree-Phase Fault），將其中故障相設(shè)置為Α相，以便實(shí)現(xiàn)單相故障模擬，故障時間參數(shù)設(shè)置為0.2s-0.4s。在各支路前設(shè)置三相電壓/電流測量模（Τhree-PhaseV-I Measurement），從電壓電流引線出接示波器模塊（Scope），其中連接電流示波器模塊前添加一個增益模塊（Gain），增益設(shè)置為1/3，以反映出線路零序電流與正相電流之間的數(shù)值關(guān)系。

在simulation中設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)行開始時間（start time）：0.0s；運(yùn)行結(jié)束時間（stop time）：0.5s；算法（slover）：ode23tb（stiff/ ΤR-BDF2）；最大步長（Max step size）：auto； 最小步長（Min step size）：auto。

4 仿真結(jié)果

完成上述工作后，點(diǎn)擊start simulation，從各支路電流示波器（scope）中得到一下結(jié)論，系統(tǒng)在初始時刻至故障開始時間（0.00s-0.04s）時，運(yùn)行正常，三條支路中無零序電流出現(xiàn)。0.04s開始發(fā)生故障，直至仿真結(jié)束時間，故障依舊存在。在這段時間內(nèi)，三條支路出現(xiàn)了零序電流，，支路1、2的零序電流的代數(shù)和等于支路3的零序電流值，且支路1、2零序電流的方向與支路3零序電流的方向相反。

根據(jù)零序電流保護(hù)原理易知，故障支路零序電流大小為非故障支路零序電流之和，且方向相反，可以獲知支路3為故障支路。

從以上易知，在故障發(fā)生之前（0.00s-0.04s），三相電壓對稱運(yùn)行，故障發(fā)生至仿真結(jié)束（0.04s-0.5s），Α相得電壓變?yōu)?，B、C相的電壓較之前升高，從數(shù)值看，恰為該系統(tǒng)正常時的線電壓。由此，可以得出，該故障支路中，故障相為Α相。

綜上所述，通過觀察仿真中的零序電流波形，可以判斷出故障支路，然后從故障支路電壓波形中判斷出故障相。

5 結(jié)語

電力系統(tǒng)單相故障占電力事故發(fā)生幾率的65%，如果對發(fā)生的各類單相故障不能及時排除，就有可能使故障擴(kuò)大。因此，在工程、科研與教學(xué)中，對單相故障的研究有著十分重要的意義。利用MΑΤLΑB仿真軟件中的SIMULINK環(huán)境，可以使負(fù)載的運(yùn)行分析過程直觀、形象，對深入掌握電力系統(tǒng)故障問題的理論以及計算方法有著積極的作用。

參考文獻(xiàn):

[1]楊淑英.電力系統(tǒng)概論[M].中國電力出版社,2007.

作者簡介：杜國楨(1976-)，男，陜西蒲城人，本科。