（山东科技大学(青岛)山东青岛266590）13
（南京理工大学江苏南京210000）2
摘要：电力是矿山生产中最主要、使用最广的能源。在研究电力系统继电保护的方法里，最重要的方法就是利用软件来仿真。基于此，本文结合继电保护的特点，在深入了解煤矿国内外现状的基础上，利用Matlab/simulink对35kV大型煤矿供电网系统，进行了短路、继电保护（主要介绍三段式电流保护）的仿真分析。研究结果表明，在煤矿网中加入了继电保护装置，可以保护系统。当故障发生时，可以快速动作切除故障，防止对企业和用电用户造成更大的经济损失。对于社会和煤矿企业，煤矿继电保护分析具有很重要的意义。
关键词：继电保护；煤矿供电；MATLAB
1.引言
继电保护，对于我们防止电网长时间、大面积处于停电状态，保证电力设备安全。许多实践证实，如果在电力系统中不装设继电保护置，快速切除故障的要求就不能满足，切除故障的时速性就得不到保证，如若继保装置不正常工作，就会令小事故发展为大事故，造成不可预料到的严重后果。所以，在电力系统这个大体系里面，继电保护极其重要、又不可缺少的组成部分[10]，保证电网安全、稳定运行，前提是完善继电保护的设计和整定。毋庸置疑，继电保护在电力系统中，起着决定性的作用。
在电力系统中，不仅需要采取有效措施来消除或减少故障发生的可能性，而且还必须能够保证，当出现故障的时候，继保装置可以快速有选择性地，切除故障的部分。为满足电力网对继保提出的这四性要求，充分发挥继保装置的作用，必须准确计算并合理选择继电保护装置，以确保各保护能够相互配合。因此，为了让电力系统安全稳定的运行，就必须做好继电保护的整定与仿真分析。
2电力系统基本原理
2.1短路概述
在电力系统所有的故障里面，最为常见的、影响最严重的故障，莫过于短路。短路之后，一定会不同程度的损坏设备，更为严重的可能还会引起火灾，造成很大的经济损失。
如上所述，短路的后果特别严重，为了减少危害，缩小影响范围，在本文中的煤矿供电网系统运行中，进行了必须的短路电流的计算。在电力系统中，出现的故障会有很多的类型。应特别注意的是，虽然相比较之下，三相短路发生的少，但是它所带来的后果最为严重，我们应该给予足够的重视。计算短路电流，对于电力系统设计来说，还有以下的用处：
（1）在我们选择电气设备时，需要进行继电保护整定，就需要我们提前计算好短路电流，用它来进行热稳定性、动稳定性的校验。
（2）利用短路电流来确定可靠地、合理的、适合于系统的运行方式，并可以根据短路电流来选择合适的限流措施，还可以用它来选择合理的主接线方案。
2.2继电保护概述
2.2.1继电保护简介
继电保护对保证供电网络的：安全、稳定、经济的运行，起着非常重要的作用。伴随着现代科技的进步与发展，人们对于供电安全的要求越来越高，所以，对继保装置的要求也就越来越高。为了保证在故障发生的时候，继保装置能够可靠的动作，切除故障保证系统的安全，对电力系统在发生在故障的时候，预先进行继电保护在软件上的仿真分析，是十分重要和有必要的。继电保护作用是：
（1）当电力系统发生故障的时,快速有选择性地将移除故障设备和线路。可以保护电网中的电气设备及线路，还能保证故障时，系统可以在最短时间内恢复正常、稳定的工作,总之，就是尽量减少由于故障造成的煤矿供电系统的负面影响。
（2）方便实时了解系统运行情况,在故障或异常时，能自动将发生故障的部分及时隔离，从而预防故障扩大，保障整个电网系统的安全与稳定。
（3）可以实现远程控制电网系统,有利于实现自动化的煤矿网供电网。
为了提供更加安全的电力供应，人们对继保提出了如下的要求:
（1）可靠性。即按照人们的设计，为了生产安全保证不误动，为了人们对继保装置的信赖不拒动。
（2）速动性。也就是说，当发生故障时，故障部分可以被快速移除,可以尽可能减小经济损失，并且减小故障部分的损害程度，从而提高系统运行的稳定性。
（3）灵敏度。即在规定的范围内，当故障发生的时候，它不应拒绝动作；而在不应该动作的时候，不会误动作。
（4）选择性。在发生故障时，保护装置将起作用，但是只把故障部分从系统中移除，对于没有关联的线路，保证其正常运行，努力做到有选择、快速地令停电面积减小。
2.2.2三段式电流保护
之所以称为三段式的保护，是因为它的动作特性是阶梯型、阶段式的，为了保证三段式电流保护动作的选择性，我们一般需要计算出上下级的保护整定值，除此之外，还要依据上下级的动作时间一起来配合动作。一般来说，它被分为三段，其中，电流Ⅰ段，也称为瞬时电流速断保护，它的动作时间最短，一般为0.5s；电流Ⅱ段，即自适应电流速断保护，通常情况下，电流Ⅰ、Ⅱ段是共同存在、相互配合的，并且二者一起，作为线路的主保护Ⅱ段的动作时间，一般在Ⅰ段的基础上再加一些；电流Ⅲ段，被用作线路的后备保护，应保证它也被称为过电流保护，在电流Ⅰ、Ⅱ没有动作的时候，它不应拒绝动作。
2.2.3母线保护
母线保护，是基于基尔霍夫定律构成的。当母线正常运行或区外故障时，母线上所有支路流入电流和流出电流相等，流入差动继电器的电流应该为零，但在实际运行中，用于测量的TA都存在一定的误差，因此差动继电器会有一些不平衡电流；而当母线区内故障时，所有与母线相连的电源支路都会向短路点提供短路电流，当流入差动继电器的电流超出动作电流时，继电器就会动作，跳开连接于母线的所有支路断路器。
3.基于Matlab/Simulink的建模与仿真分析
3.1短路的建模与仿真分析
在发电厂、变电站设计和运行时，都必须提前计算短路电流和进行短路仿真，只有这样，才能合理选择电气接线，选用符合热、动稳定性要求的电气设备，合理整定继保装置的重要参数，配置合适的各种继保装置等。下面就对35kV大型煤矿供电网，搭建模型进行短路故障仿真分析。
运行仿真，因为本文用的Matlab版本为MatlabR2014a，在波形出来之后，示波器的目录不完全，所以，在窗口输入了如下程序，令隐藏目录出来了，然后在插入的地方，设置了x、y轴的名称及单位，也在此进行了波形标题的输入：
set(0,'ShowHiddenHandles','on');
set(gcf,'menubar','figure');
之后调整波形大小进行截图，本文后面所有的波形截图，都按照此方法进行设置标题、横纵坐标及单位。可得到VI1、VI3处的波形如下图1、2所示：
图2VI1处三相接地短路故障时，VI3处的电流波形
由图1可知，故障位置设置处，故障发生之前，三相电流为正常的正弦波形，在0.05-0.1s之间发生故障时，故障点到电源处的电流波形突然变到很大，而0.1s之后波形就恢复到了正常波形。由图2可知，远离故障位置处，故障发生之前，波形也为正常的正弦波形，而在0.05-0.1s故障之间，故障点到负荷处的电流波形变到了0，而0.1s之后又恢复到正常波形。
3.2继电保护的建模与仿真分析
三段式电流保护的仿真模型如下图3所示，图中的动作信号经逻辑信号判断后输出到示波器模块进行显示。左侧为三相电流获取模块，图中将“增益”设为0.707，是为了把电流的幅值转换为有效值。
图3继电保护仿真模型
电流保护Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段的仿真模型构成基本是相同的，由比较、逻辑判断、延时、数据转换等元件构成。将图4.000000000027作为一个子系统进行了封装。通过手动更改整定电流值和动作时间，就可以得到电流Ⅱ段和Ⅲ段保护。
（1）电流Ⅰ段
距离母线2Ω处在t=0.2s时发生三相短路故障时的仿真。在仿真模型中，将Line1的阻值设为2Ω，Line2的阻值设为8Ω，仿真时间设置为1.5s，故障模块设置为在t=0.2-1.5s时段发生三相短路。运行仿真，得到流经保护1处的保护的动作及电流情况如图4（a）、4（b）所示。从图中可见，流经保护1处的电流值，大于电流I段的整定值，即故障发生在电流I段保护范围内，继电器瞬时动作切除故障，即在0.26s时动作由1变到0，切除了故障。
图5AB线路末端发生AB两相短路故障时的保护及电流的动作情况
（3）电流Ⅲ段
在母线BC间发生三相短路故障时的仿真。Line1和Line2的阻值不用改变，二者的和为10Ω，故障模块设置在变压器T1的位置处，设置故障模块在0.2-1.5s之间发生三相短路。运行仿真，得到流经保护1处的电流及保护的动作情况，如图6（a）、6（b）所示。从图中可见，流经保护1处的电流仿真值，大于电流Ⅲ段的整定值，及故障发生在电流Ⅲ段保护范围内，继电器延时1.5s后动作由1变到0，切除了故障，即在1.7s时动作切除故障。
（a）保护的动作情况（b）短路电流幅值
图6在母线BC间发生三相短路故障时的保护及电流的动作情况
4.总结
电力系统一直在发展和进步。一个安全稳定运行的电力系统离不开多次的模拟仿真，计算和分析。利用Matlab对电力系统搭建模型并进行短路、继电保护发生故障时的动作行为与仿真分析，在很大程度上，它有助于工作人员的研究和分析，并可以减少不必要的工作和计算，还可以在波形上直观、简洁的看出数据的的变化趋势。
参考文献
[1]贺家李,李永丽.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2010.8.
[2]于群.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2011.5.
[3]于群,曹娜.电力系统继电保护原理及仿真[M].北京:机械工业出版社,2015.6.
[4]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京:水利电力出版社,1994.6.
[5]李起.基于定值比较法的电力变压器继电保护仿真研究[D].三峡大学硕士论文,2013.5.
[6]邓琳.输电线路继电保护动作行为仿真分析系统[D].湖南大学硕士论文,2012.4.20.
[7]施晓红,周佳.精通GUI图形界面编程[M].北京:北京大学出版社,2003:214-224.