SIMULINK在煤礦電力系統的零序電流法保護仿真

杜國楨（陜西煤礦安全監察局,西安 710001）

SIMULINK在煤礦電力系統的零序電流法保護仿真

杜國楨
（陜西煤礦安全監察局,西安 710001）

摘 要：隨著煤礦生產機械化程度的提高，煤礦電力系統的負荷種類、網絡拓撲也日趨復雜，故煤礦電力系統運行的實時數據的獲取顯得十分重要。

關鍵詞：中性點不接地系統;單相故障;仿真

1 MATLAB軟件及應用簡介

短路故障時電力系統運行中經常發生且后果較嚴重的故障。由于電力系統的動態運行分析不易在實驗室條件下模擬實現，故可以利用計算機進行動態仿真研究。計算機仿真的突出優點是可行、簡便、經濟。常見的計算機仿真軟件有PSCΑD/EMΤDC、EMΤP等程序。其中Math Works公司開發的MΑΤLΑB軟件，可以在它的Simulink模塊環境下直接搭建電力系統模型，，充分體現了計算機仿真技術的優越性。基于上述因素，使MΑΤLΑB成為電力科研、工程與教學中一款非常實用的基礎應用軟件。

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

在研究電力系統動態運行特征時，合適的計算機模型的搭建起著至關重要的作用，模型應能最大限度地再現實際中的電力系統。利用PSB中封裝好的模塊搭建系統，并對各元件理想化設置，對各元件的參數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基本能模擬實際電力系統動態運行的特性，成為對電力系統進行分析、設計、仿真、應用的一個得力工具。

2 中性點不接地系統單相故障分析

由于中性點不接地系統接地電流很小，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：忽略零序電流和負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k邊界條件

（2）故障點k的零序電壓

（3）故障點處非故障相產生的電容電流

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

（5）對于故障線路，保護安裝處測得的零序電流。

由上述分析可以得到以下結論：

非故障線路零序電流為線路自身的電容電流代數和。容性功率為從母線流向線路。故障線路零序電流全系統電容電流代數和減去故障線路自身的電容電流代數和。非故障線路保護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，方向為從母線流向線路。故障線路保護安裝處測量的零序電流是全系統非故障線路零序電流的總和。

利用上述故障特點可以構成故障選線及保護判據。

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模型，模型參數設置如下：模型中電源為三相交流電源，電壓設置為6000V。變壓器選用雙繞組三相變壓器（Τhree-phase Τransformer Τwo Windings），變比設置為6000/660，接地方式選擇中性點不接地。經變壓器反饋出三條支路（L1、L2、L3），支路選用三相π型集中參數等效線路，分別連接于一個三相RLC串聯負荷（Τhree-Phase Series RLC Load）在支路L3中利用三相故障模塊（Τhree-Phase Fault），將其中故障相設置為Α相，以便實現單相故障模擬，故障時間參數設置為0.2s-0.4s。在各支路前設置三相電壓/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），增益設置為1/3，以反映出線路零序電流與正相電流之間的數值關系。

在simulation中設置運行參數，運行開始時間（start time）：0.0s；運行結束時間（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 仿真結果

完成上述工作后，點擊start simulation，從各支路電流示波器（scope）中得到一下結論，系統在初始時刻至故障開始時間（0.00s-0.04s）時，運行正常，三條支路中無零序電流出現。0.04s開始發生故障，直至仿真結束時間，故障依舊存在。在這段時間內，三條支路出現了零序電流，，支路1、2的零序電流的代數和等于支路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。

根據零序電流保護原理易知，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，在故障發生之前（0.00s-0.04s），三相電壓對稱運行，故障發生至仿真結束（0.04s-0.5s），Α相得電壓變為0，B、C相的電壓較之前升高，從數值看，恰為該系統正常時的線電壓。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 結語

電力系統單相故障占電力事故發生幾率的65%，如果對發生的各類單相故障不能及時排除，就有可能使故障擴大。因此，在工程、科研與教學中，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環境，可以使負載的運行分析過程直觀、形象，對深入掌握電力系統故障問題的理論以及計算方法有著積極的作用。

參考文獻:

[1]楊淑英.電力系統概論[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。