一种混合结构矿井高压电网速断设置仿真检验方法与流程

本发明公开了一种混合结构矿井高压电网速断设置仿真检验方法，属于煤矿高压电网继电保护仿真校验领域。

背景技术：

35kV以上的电力网中存在多个电源，属于复杂闭式电网，故障计算及针对速断设置的仿真检验较为复杂；而矿井高压电网为6kV或10kV等级，两个电源应采用分列运行方式，或者是一路使用一路备用，属于单电源开式电网。

一般情况下，在矿井高压电网中，相邻的出线开关都是从进线开关后的母线引出，但采用这种接线方式会导致煤矿井下供电级数较多，当发生短路故障时容易导致越级跳闸现象，为了能够降低煤矿高压供电系统的供电级数，在某些煤矿中采用了包含T型结构和一般结构的混合结构煤矿高压供电系统，以便能够有效限制煤矿高压供电系统的供电级数。

文献“基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法”是针对一般情况下的煤矿高压供电系统完成速断设置仿真检验，针对包含T型结构的混合结构的矿井高压电网的速断设置仿真检验方法还未见报道。

本发明提出的一种混合结构矿井高压电网速断设置仿真检验方法能够依据混合结构矿井高压电网的供电系统特点构造混合结构矿井高压供电系统的网络拓扑模型，能够很方便地完成混合结构矿井高压供电系统供电网络的拓扑辨识, 并以此为基础获得因短路故障需要跳闸的开关集合，执行跳闸操作。最终，依据仿真得到的开关跳闸结果判断在此故障情况下，当前的速断设置是否满足可靠性和选择性要求，以达到速断设置仿真检验的目的。

技术实现要素：

针对矿井高压供电系统，设置矿井高压供电系统的电源支路节点，电源支路节点是指由上级供电部门直接供电的支路节点；针对所有支路节点对应的高压开关设置相应的瞬时速断定值，保存在瞬时速断定值矢量SD中，依据支路节点编号可以在SD中找到相应支路节点对应的高压开关设置的瞬时速断定值；针对所有干路节点对应的高压开关设置相应的瞬时速断定值，保存在瞬时速断定值矢量GSD中，依据干路节点编号可以在GSD中找到相应干路节点对应的高压开关设置的瞬时速断定值。

针对矿井高压供电系统，以进线开关连接的母线作为进线节点、以高压出线开关连接的支路作为支路节点，以干路高压开关连接的干路作为干路节点，如果进线节点有m个，支路节点有n个，干路节点有k个，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成干路节点与干路节点的关联矩阵A，干路节点与支路节点的关联矩阵B，进线节点与干路节点的关联矩阵D，支路节点与进线节点的关联矩阵E，进线节点与支路节点的关联矩阵TE；关联矩阵A为k行k列，关联矩阵A以干路节点顺序号为行号，以干路节点顺序号为列号；关联矩阵B为k行n列，关联矩阵B以干路节点顺序号为行号，以支路节点顺序号为列号；关联矩阵D为m行k列，关联矩阵D以进线节点顺序号为行号，以干路节点顺序号为列号；关联矩阵E为n行m列，关联矩阵E以支路节点顺序号为行号，以进线节点顺序号为列号；关联矩阵TE为m行n列，关联矩阵TE以进线节点顺序号为行号，以支路节点顺序号为列号；具体步骤如下：

（1）在生成关联矩阵A的过程中，A中第i行第j列的元素用表示；在i不等于j的情况下，如果第i行对应的干路节点由第j列对应的干路节点直接供电，且第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则，否则；在i等于j的情况下，如果第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则，否则；

（2）在生成关联矩阵B的过程中，B中第i行第j列的元素用表示，如果第i行对应的干路节点由第j列对应的支路节点直接供电，且第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的支路节点上高压开关状态为合闸，则；否则；

（3）在生成关联矩阵D的过程中，D中第i行第j列的元素用表示，如果第i行对应的进线节点由第j列对应的干路节点直接供电，且第i行对应的进线节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则；否则；

（4）在生成关联矩阵E的过程中，E中第i行第j列的元素用表示，如果第i行对应的支路节点由第j列对应的进线节点直接供电，且第i行对应的支路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的进线节点上高压开关状态为合闸，则；否则；

（5）在生成关联矩阵TE的过程中，TE中第i行第j列的元素用表示，如果第i行对应的进线节点由第j列对应的支路节点直接供电，且第i行对应的进线节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的支路节点上高压开关状态为合闸，则；否则。

依据关联矩阵A和B计算干路节点与支路节点最终供电关联矩阵，关联矩阵为k行n列，在矩阵中可以描述某干路节点是由哪些支路节点供电的，在完成矩阵运算时，将矩阵元素与矩阵元素乘法运算定义为二进制与运算，将矩阵元素与矩阵元素的加法运算定义为二进制或运算；具体计算步骤如下：

（1）依据支路节点上出线开关的分合闸状态，生成支路节点上高压开关开关状态矢量S，S包含n个元素；在S中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；

（2）依据干路节点上高压开关的分合闸状态，生成干路节点上高压开关开关状态矢量Q，Q包含k个元素；在Q中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；

（3）依据单向图的连通性，将关联矩阵A和关联矩阵B做乘法运算，得到原始的第1级干路节点与支路节点供电关联矩阵，；

（4）依据关联矩阵A和L得到关联矩阵，；

（5）如果和不相同，则将的数值赋予，重复执行步骤（4）；如果和相同，执行步骤（6）；

（6）将S中的每个元素和矩阵C中每行的n个元素进行与运算后得到矩阵V，将Q中的每个元素和矩阵V中每列的k个元素进行与运算后得到矩阵U。

依据单向图的连通性，计算直接通过进线节点连接的支路节点与支路节点的供电关联矩阵，关联矩阵为n行n列；在完成矩阵运算时，将矩阵元素与矩阵元素乘法运算定义为二进制与运算，将矩阵元素与矩阵元素的加法运算定义为二进制或运算；具体计算步骤如下：

（1）依据进线节点上高压开关的分合闸状态，生成进线节点上高压开关开关状态矢量W，W包含m个元素；在W中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；

（2）将W中的每个元素和矩阵D中每列的m个元素进行与运算后得到矩阵ND，将W中的每个元素和矩阵E中每行的m个元素进行与运算后得到矩阵NE；将W中的每个元素和矩阵TE中每列的m个元素进行与运算后得到矩阵NTE；

（3）依据单向图的连通性，依据关联矩阵NE和NTE计算直接通过进线节点连接的支路节点与支路节点的直接供电关联矩阵；；

（4）关联矩阵中第行第列的元素用表示，如果第个支路节点对应的高压开关为合闸状态，则将的数值修改为1，否则将的数值修改为0；其中；

（5）依据关联矩阵计算关联矩阵，，执行步骤（6）;

（6）如果矩阵和矩阵不同，则将矩阵的值赋予矩阵，重复执行步骤（5）；如果矩阵和矩阵相同，矩阵计算完成。

依据单向图的连通性，计算支路节点与支路节点供电关联矩阵和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵G，关联矩阵为n行n列，在矩阵中可以描述某支路节点是由哪些支路节点供电的；同时，在完成矩阵运算时，将矩阵元素与矩阵元素乘法运算定义为二进制与运算，将矩阵元素与矩阵元素的加法运算定义为二进制或运算；具体计算步骤如下：

（1）依据关联矩阵NE和ND得到关联矩阵，；表示矩阵F中第i行第j列的元素；如果，表示支路节点由干路节点供电；如果，表示支路节点不由干路节点供电；

（2）依据关联矩阵F和A计算支路节点与干路节点最终供电关联矩阵矩阵G,；

（3）如果和不相同，则将的数值赋予，重复执行步骤（2）；如果和相同，则继续执行步骤（4）；

（4）依据关联矩阵G、U和TH计算矩阵支路节点与支路节点供电关联矩阵，；表示矩阵H中第i行第j列的元素；

（5）因为采用的是单向图结构，支路节点i和支路节点i之间的供电关系未能得到正确反映，因此需要对关联矩阵进行修正，得到修正后的关联矩阵,表示矩阵中第i行第j列的元素；如果，则；如果，且支路节点i对应的高压开关状态为合闸，则；

（6）依据关联矩阵计算支路节点与支路节点供电关联矩阵, ，执行步骤（7）；

（7）如果和不同，则将矩阵的值赋予矩阵，执行步骤（6）；如果和相同，则矩阵计算完成。

依据支路节点与支路节点供电关联矩阵和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵G获得瞬时速断定值小于故障电流的支路节点集合T，具体步骤如下：

（1）假定所设置的某线路故障点是由支路节点z直接供电的，依据支路节点z在供电关联矩阵中对应的行号查找到相应的行，然后找到该行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的所有列号找到对应的支路节点集合Q1；Q1是受短路故障影响的支路节点集合，在支路节点集合Q1中所有元素的故障电流均为所设置故障点当前的短路电流；

（2）针对支路节点集合Q1中的每一个支路节点，在瞬时速断定值矢量SD中找到其相应的速断定值，然后将支路节点集合Q1中每个元素的故障电流和该元素所设置的瞬时速断定值进行比较，如果故障电流大于瞬时速断定值，则将该元素加入到节点集合T中，集合T表示获得的需要跳闸的部分支路节点和干路节点开关集合；

（3）依据支路节点z在供电关联矩阵G中对应的行号查找到相应的行，然后找到该行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的所有列号找到对应的干路节点集合Q2；Q2是受短路故障影响的干路节点集合，在干路节点集合Q2中所有元素的故障电流均为所设置故障点当前的短路电流；

（4）针对干路节点集合Q2中的每一个干路节点，在瞬时速断定值矢量GSD中找到其相应的速断定值，然后将干路节点集合Q2中每个元素的故障电流和该元素所设置的瞬时速断定值进行比较，如果故障电流大于瞬时速断定值，则将该元素加入到节点集合T中。

当T中节点开关跳闸时，为了能够准确地反映现场环境，由该开关供电的所有下级开关也要全部跳闸；因此需要依据开关状态矢量S和Q，以及节点集合T获得因短路故障需要跳闸的开关集合X1和X2，其中，X1是因短路故障需要跳闸的所有支路节点开关集合，X2是因短路故障需要跳闸的所有干路节点开关集合；具体步骤如下：

（1）针对T中存在的每一个支路节点，将其在支路节点开关状态矢量S中对应的元素值设置为0；针对T中存在的每一个干路节点，将其在干路节点开关状态矢量Q中对应的元素值设置为0；

（2）针对矿井高压供电系统，依据开关状态矢量S和Q上的高压开关状态生成关联矩阵A、B、D、E、TE;

（3）由关联矩阵A、B、D、E、TE及新的干路节点开关状态矢量Q和支路节点开关状态矢量S重新计算关联矩阵和；依据关联矩阵和，计算关联矩阵，矩阵；

（4）针对煤矿高压供电系统每一个支路节点i重复执行步骤（5）和步骤（6）；

（5）支路节点i直接给线路i供电，依据支路节点i在关联矩阵中对应的行号找到相应的行，然后找到该行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的每一个列号找到其对应的支路节点集合P1，P1是所有给线路i供电的支路节点集合；

（6）如果集合P1中不存在电源支路节点，则将支路节点i加入到X1中；X1是因短路故障需要跳闸的所有支路节点开关集合；

（7）针对煤矿高压供电系统每一个干路节点j重复执行步骤（8）和步骤（9）；

（8）依据干路节点j在关联矩阵中对应的行号找到相应的行，然后找到该行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的每一个列号找到其对应的支路节点集合P2，P2是所有给干路节点j供电的支路节点集合；

（9）如果集合P2中不存在电源支路节点，则将干路节点j加入到X2中；X2是因短路故障需要跳闸的所有干路节点开关集合。

依据开关状态矢量S和Q、开关集合X1和X2，获得因短路故障需要跳闸的所有开关集合X，依据获得的集合X将相应开关的状态修改为分闸，执行跳闸操作；具体步骤如下：

（1）集合X1中所有元素对应的支路节点，如果在S中对应元素的数值为1，则将S中该元素的数值修改为0；集合X2中所有元素对应的干路节点，如果在Q中对应元素的数值为1，则将Q中该元素的数值修改为0；

（2）依据开关状态矢量S和Q上的高压开关状态生成关联矩阵D和TE;

（3）针对每一个进线节点e重复执行步骤（4）；

（4）依据进线节点e在关联矩阵D中对应的行号找到相应的行，然后找到该行中数值为1的元素对应的列号e1；依据进线节点e在关联矩阵TE中对应的行号找到相应的行，然后找到该行中数值为1的元素对应的列号e2；如果列号e1和e2都不存在，则将进线节点e加入到集合X3中；

（5）将集合X1，X2，X3合并后得到集合X；将集合X中所有节点对应的高压开关状态修改为分闸状态；最终，依据仿真得到的开关跳闸结果判断在此故障情况下，当前的速断设置是否满足可靠性和选择性要求，以达到速断设置仿真检验的目的。

附图说明

图1是发生短路故障前的矿井高压供电系统图； 图2是发生短路故障后的矿井高压供电系统图。

具体实施方式

附图1和附图2中用黑色填充的支路节点为分闸状态，未填充的支路节点为合闸状态；在附图1和附图2的矿井高压供电系统中，电源支路节点为(1)、(2)、(3)和(4)。

针对附图1的矿井高压供电系统，生成关联矩阵A，关联矩阵B，关联矩阵D，关联矩阵E和关联矩阵TE；具体步骤如下：

（1）生成关联矩阵A，；

（2）生成关联矩阵B，；

（3）生成关联矩阵D，；.

（4）生成关联矩阵E，；

（5）生成关联矩阵TE，。

依据关联矩阵A和B计算干路节点与支路节点最终供电关联矩阵，具体计算步骤如下：

（1）依据支路节点上高压开关的分合闸状态，生成支路节点上高压开关开关状态矢量S，S包含n个元素；在S中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；

；

（2）依据干路节点上高压开关的分合闸状态，生成干路节点上高压开关开关状态矢量Q，Q包含k个元素；在Q中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；；

（3）依据单向图的连通性，将关联矩阵A和关联矩阵B做乘法运算，得到原始的第1级干路节点与支路节点供电关联矩阵，；

;

（4）依据关联矩阵A和L得到关联矩阵，；

（5）如果和不相同，则将的数值赋予，重复执行步骤（4）；如果和相同，执行步骤（6）；

（6）将S中的每个元素和矩阵C中每行的n个元素进行与运算后得到矩阵V，将Q中的每个元素和矩阵V中每列的k个元素进行与运算后得到矩阵U;

。

依据单向图的连通性，计算直接通过进线节点连接的支路节点与支路节点的供电关联矩阵，具体计算步骤如下：

（1）依据进线节点上高压开关的分合闸状态，生成进线节点上高压开关开关状态矢量W，；W包含m个元素；在W中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；

（2）将W中的每个元素和矩阵D中每列的m个元素进行与运算后得到矩阵ND，将W中的每个元素和矩阵E中每行的m个元素进行与运算后得到矩阵NE；将W中的每个元素和矩阵TE中每列的m个元素进行与运算后得到矩阵NTE；

（3）依据单向图的连通性，计算关联矩阵，

。

依据单向图的连通性，计算支路节点与支路节点供电关联矩阵和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵G，具体计算步骤如下：

（1）依据关联矩阵NE和ND得到关联矩阵，；表示矩阵F中第i行第j列的元素；如果，表示支路节点由干路节点供电；如果，表示支路节点不由干路节点供电；；

（2）依据关联矩阵F和A计算支路节点与干路节点最终供电关联矩阵矩阵G,；；

（3）如果和不相同，则将的数值赋予，重复执行步骤（2）；如果和相同，则继续执行步骤（4）；

（4）计算关联矩阵，。

依据支路节点与支路节点供电关联矩阵和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵G获得瞬时速断定值小于故障电流的支路节点集合T，具体步骤如下：

（1）假定所设置的某线路故障点是由支路节点z直接供电的，依据支路节点z在供电关联矩阵中对应的行号查找到相应的行，然后找到该行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的所有列号找到对应的支路节点集合Q1；Q1是受短路故障影响的支路节点集合，在支路节点集合Q1中所有元素的故障电流均为所设置故障点当前的短路电流；在附图1所示的矿井高压电网中，如果设置的线路故障点是由支路节点21直接供电的，则Q1={1，5，21}；如果支路节点21线路末端发生的短路故障对应的短路电流为I，则Q1序列中支路节点1，5和21对应的故障电流均为I；

（2）针对支路节点集合Q1中的每一个支路节点，在瞬时速断定值矢量SD中找到其相应的速断定值，然后将支路节点集合Q1中每个元素的故障电流和该元素所设置的瞬时速断定值进行比较，如果故障电流大于瞬时速断定值，则将该元素加入到节点集合T中，集合T表示获得的需要跳闸的部分支路节点和干路节点开关集合；假定支路节点5和支路节点21所对应的高压开关故障电流均大于其设置的瞬时速断定值，则T={5，21}。

（3）依据支路节点z在供电关联矩阵G中对应的行号查找到相应的行，然后找到该行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的所有列号找到对应的干路节点集合Q2；Q2是受短路故障影响的干路节点集合，在干路节点集合Q2中所有元素的故障电流均为所设置故障点当前的短路电流；在附图1所示的矿井高压电网中， Q2={<1>，<3>}，则Q2序列中干路节点<1>和<3>对应的故障电流均为I；

（4）针对干路节点集合Q2中的每一个干路节点，在瞬时速断定值矢量GSD中找到其相应的速断定值，然后将干路节点集合Q2中每个元素的故障电流和该元素所设置的瞬时速断定值进行比较，如果故障电流大于瞬时速断定值，则将该元素加入到节点集合T中；假定支路节点5、干路节点<1>和干路节点<3>所对应的高压开关故障电流均大于其设置的瞬时速断定值，则T={<1>，<3>，5，21}。

当T中节点开关跳闸时，为了能够准确地反映现场环境，由该开关供电的所有下级开关也要全部跳闸；因此需要依据开关状态矢量S和Q，以及节点集合T获得因短路故障需要跳闸的开关集合X1和X2；具体步骤如下：

（1）针对T中存在的每一个支路节点，将其在支路节点开关状态矢量S中对应的元素值设置为0；则;

（2）针对T中存在的每一个干路节点，将其在干路节点开关状态矢量Q中对应的元素值设置为0，则；

（3）针对煤矿高压供电系统，依据开关状态矢量S和Q上的高压开关状态生成关联矩阵A、B、D、E、TE；

（4）由关联矩阵A、B、D、E、TE及新的干路节点开关状态矢量Q和支路节点开关状态矢量S重新计算关联矩阵和；依据关联矩阵和，计算关联矩阵，矩阵；则,，；

（5）计算需要跳闸的支路节点开关集合X1，则X1={5，9，10，11，15，16，17，21，22，23}；

（6）计算需要跳闸的干路节点开关集合X2，则X2={<1>，<3>}。

依据开关状态矢量S和Q、开关集合X1和X2，获得因短路故障需要跳闸的所有开关集合X，依据获得的集合X将相应开关的状态修改为分闸，执行跳闸操作，具体步骤如下：

（1）集合X1中所有元素对应的支路节点，如果在S中对应元素的数值为1，则将S中该元素的数值修改为0；集合X2中所有元素对应的干路节点，如果在Q中对应元素的数值为1，则将Q中该元素的数值修改为0；由此可得：

，；

（2）依据开关状态矢量S和Q上的高压开关状态生成关联矩阵A、B、D、E、TE；

（3）由关联矩阵A、B、D、E、TE及新的干路节点开关状态矢量Q和支路节点开关状态矢量S重新计算关联矩阵和；则，

；

（4）针对每一个进线节点e重复执行步骤（5）；

（5）依据进线节点e在关联矩阵D中对应的行号找到相应的行，然后找到该行中数值为1的元素对应的列号e1；依据进线节点e在关联矩阵TE中对应的行号找到相应的行，然后找到该行中数值为1的元素对应的列号e2；如果列号e1和e2都不存在，则将进线节点e加入到集合X3中；在附图1所示的矿井高压电网中，X3={Z3，Z5，Z7}；

（6）将集合X1，X2，X3合并后得到集合X；将集合X中所有节点对应的高压开关状态修改为分闸状态，跳闸后的矿井高压电网如附图2所示；最终，依据仿真得到的开关跳闸结果判断在此故障情况下，当前的速断设置是否满足可靠性和选择性要求，以达到速断设置仿真检验的目的。