SIMULINK在煤矿电力系统的零序电流法保护仿真

杜国桢（陕西煤矿安全监察局,西安 710001）

SIMULINK在煤矿电力系统的零序电流法保护仿真

杜国桢
（陕西煤矿安全监察局,西安 710001）

摘 要：随着煤矿生产机械化程度的提高，煤矿电力系统的负荷种类、网络拓扑也日趋复杂，故煤矿电力系统运行的实时数据的获取显得十分重要。

关键词：中性点不接地系统;单相故障;仿真

1 MATLAB软件及应用简介

短路故障时电力系统运行中经常发生且后果较严重的故障。由于电力系统的动态运行分析不易在实验室条件下模拟实现，故可以利用计算机进行动态仿真研究。计算机仿真的突出优点是可行、简便、经济。常见的计算机仿真软件有PSCΑD/EMΤDC、EMΤP等程序。其中Math Works公司开发的MΑΤLΑB软件，可以在它的Simulink模块环境下直接搭建电力系统模型，，充分体现了计算机仿真技术的优越性。基于上述因素，使MΑΤLΑB成为电力科研、工程与教学中一款非常实用的基础应用软件。

MΑΤLΑB进行电力系统仿真时常用的模块包括：（1）Simulink基本库；（2）PSB(Power System Block)电力系统模块库。

在研究电力系统动态运行特征时，合适的计算机模型的搭建起着至关重要的作用，模型应能最大限度地再现实际中的电力系统。利用PSB中封装好的模块搭建系统，并对各元件理想化设置，对各元件的参数也作了一定的取舍与简化。利用不断更新与完善的模块库搭建的系统基本能模拟实际电力系统动态运行的特性，成为对电力系统进行分析、设计、仿真、应用的一个得力工具。

2 中性点不接地系统单相故障分析

由于中性点不接地系统接地电流很小，而其零序阻抗主要为对地电容支路的容抗，因而在分析时我们作如下简化假设：忽略零序电流和负荷电流在线路上的压降。

2.1 单相接地故障分析

（1）Α相接地时故障点k边界条件

（2）故障点k的零序电压

（3）故障点处非故障相产生的电容电流

（4）由于忽略零序电流和负荷电流在线路上的压降，全网各相电压相等。对于非故障线路，保护安装处测得的零序电流。

（5）对于故障线路，保护安装处测得的零序电流。

由上述分析可以得到以下结论：

非故障线路零序电流为线路自身的电容电流代数和。容性功率为从母线流向线路。故障线路零序电流全系统电容电流代数和减去故障线路自身的电容电流代数和。非故障线路保护安装处测量的零序电流是线路本身的电容电流。零序功率为容性，方向为从母线流向线路。故障线路保护安装处测量的零序电流是全系统非故障线路零序电流的总和。

利用上述故障特点可以构成故障选线及保护判据。

3 建立SIMULINK仿真模型

利用Matlab中的PSB模块搭建一个简单的系统模型，模型参数设置如下：模型中电源为三相交流电源，电压设置为6000V。变压器选用双绕组三相变压器（Τhree-phase Τransformer Τwo Windings），变比设置为6000/660，接地方式选择中性点不接地。经变压器反馈出三条支路（L1、L2、L3），支路选用三相π型集中参数等效线路，分别连接于一个三相RLC串联负荷（Τhree-Phase Series RLC Load）在支路L3中利用三相故障模块（Τhree-Phase Fault），将其中故障相设置为Α相，以便实现单相故障模拟，故障时间参数设置为0.2s-0.4s。在各支路前设置三相电压/电流测量模（Τhree-PhaseV-I Measurement），从电压电流引线出接示波器模块（Scope），其中连接电流示波器模块前添加一个增益模块（Gain），增益设置为1/3，以反映出线路零序电流与正相电流之间的数值关系。

在simulation中设置运行参数，运行开始时间（start time）：0.0s；运行结束时间（stop time）：0.5s；算法（slover）：ode23tb（stiff/ ΤR-BDF2）；最大步长（Max step size）：auto； 最小步长（Min step size）：auto。

4 仿真结果

完成上述工作后，点击start simulation，从各支路电流示波器（scope）中得到一下结论，系统在初始时刻至故障开始时间（0.00s-0.04s）时，运行正常，三条支路中无零序电流出现。0.04s开始发生故障，直至仿真结束时间，故障依旧存在。在这段时间内，三条支路出现了零序电流，，支路1、2的零序电流的代数和等于支路3的零序电流值，且支路1、2零序电流的方向与支路3零序电流的方向相反。

根据零序电流保护原理易知，故障支路零序电流大小为非故障支路零序电流之和，且方向相反，可以获知支路3为故障支路。

从以上易知，在故障发生之前（0.00s-0.04s），三相电压对称运行，故障发生至仿真结束（0.04s-0.5s），Α相得电压变为0，B、C相的电压较之前升高，从数值看，恰为该系统正常时的线电压。由此，可以得出，该故障支路中，故障相为Α相。

综上所述，通过观察仿真中的零序电流波形，可以判断出故障支路，然后从故障支路电压波形中判断出故障相。

5 结语

电力系统单相故障占电力事故发生几率的65%，如果对发生的各类单相故障不能及时排除，就有可能使故障扩大。因此，在工程、科研与教学中，对单相故障的研究有着十分重要的意义。利用MΑΤLΑB仿真软件中的SIMULINK环境，可以使负载的运行分析过程直观、形象，对深入掌握电力系统故障问题的理论以及计算方法有着积极的作用。

参考文献:

[1]杨淑英.电力系统概论[M].中国电力出版社,2007.

作者简介：杜国桢(1976-)，男，陕西蒲城人，本科。