CN104377696A - 基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法 - Google Patents

基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法，包括如下步骤：依据电气设备之间的连接关系生成母线节点和支路节点的关联矩阵A和B；设置故障点和相应的故障类型，生成支路节点开关状态矢量S；由A、B和S计算支路节点与支路节点供电关系的关联矩阵E，依据E获得瞬时速断定值小于故障电流的支路节点集合T；依据A、B、S和T获得因短路故障需要跳闸的所有开关集合W，对其执行跳闸操作，完成速断设置仿真检验。本方法依据每个高压开关的速断设置、故障电流和支路节点和支路节点的关联矩阵得到所有开关跳闸情况。依据获得的仿真结果即可判断当前的速断设置是否满足可靠性和选择性要求，达到速断设置仿真检验的目的。

Description

基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法
技术领域
本发明公开了基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法。
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。
当前，故障计算和速断设置的仿真检验是针对复杂闭式电网进行的，在复杂闭式电网中，网络结构复杂，需要针对整个供电网络故障情况构造相应的数学模型完成故障计算，再对供电网络速断设置的可靠性和选择进行仿真检验。
本发明提出的基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法则主要是针对矿井高压电网（单电源开式电网）的网络结构特点，通过获得支路节点和支路节点的关联矩阵构造矿井高压电网的网络拓扑模型，能够很方便地完成矿井高压电网供电网络的拓扑辨识, 并在此基础上依据每个高压开关的瞬时速断设置、捕获到的故障电流，以及支路节点和支路节点的关联矩阵得到最终受该故障影响需要跳闸的所有开关，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。
发明内容
针对矿井高压电网，以变电所母线为母线节点、以高压出线开关连接的支路作为支路节点，如果母线节点有m个，支路节点有n个，则依据矿井高压电网图中电气设备之间的连接关系生成母线节点和支路节点的关联矩阵A（m行n列，以母线节点顺序号为行号，以支路节点顺序号为列号）和B（n行m列，以支路节点顺序号为行号，以母线节点顺序号为列号），具体步骤如下：
（1）在生成关联矩阵A的过程中，如果母线节点1是由支路节点(1)供电的，则母线节点1和支路节点(1)在关联矩阵A中相应的位置为1，否则为0；
（2）在生成关联矩阵B的过程中，如果支路节点(1)是由母线节点1供电的，则支路节点(1)和母线节点1在关联矩阵B中相应的位置为1，否则为0；
（3）附图1所示的矿井局部高压电网生成的关联矩阵A和B分别为：
，。
在矿井高压电网中，针对某支路节点直接供电的线路设置故障点，并对该故障点设置相应的故障类型（二相短路或三相短路），然后依据该故障点的故障类型计算其对应的最小两相短路电流或最大三相短路电流；针对所有支路节点对应的出线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出线开关设置的瞬时速断定值；依据支路节点上出线开关的开闭状态，生成支路节点开关状态矢量S，S包含n个元素；在S中，开关状态闭合，对应元素值为1；反之，则为0；设置矿井高压电网的电源支路节点，电源支路节点是指由上级供电部门直接供电的支路节点。附图1为某矿井局部高压电网图，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所示的矿井局部高压电网中，电源支路节点为(1)、(2)、(3)和(4)；所有支路节点对应的开关状态矢量 。
依据单向图的连通性，计算支路节点与支路节点供电关系的关联矩阵E（n行n列），在矩阵E中可以描述某支路节点是由哪些支路节点供电的，如果某支路节点i（该支路节点顺序号为行号）由支路节点j（该支路节点顺序号为列号）供电，则相应位置为1，反之则相应位置为0；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）将S中的每个元素和矩阵A中每行的n个元素进行与运算后得到母线节点和支路节点的关联矩阵NA（m行n列）；将S中的每个元素和矩阵B中每列的n个元素进行与运算后得到支路节点和母线节点的关联矩阵NB（n行m列）；则附图１所示的矿井局部高压电网的关联矩阵为NA和NB为：
，；
（2）依据单向图的连通性，将关联矩阵NB和关联矩阵NA做乘法运算，得到原始的第1级支路节点与支路节点供电关联矩阵C；则附图1所示的矿井局部高压电网的关联矩阵
 ； 
（3）因为采用的是单向图结构，所以在计算获得的供电关联矩阵C中，支路节点i与支路节点i之间的供电关系未能得到正确反映；因此对获得的供电关联矩阵C需要使用修正矩阵M进行修正，支路节点和支路节点的修正矩阵M表示每一个支路节点i都可由支路节点i供电，即，
将S中的每个元素和修正矩阵M中每行的n个元素进行与运算后得到支路节点和支路节点的修正矩阵；
（4）依据矩阵C和修正矩阵NM得到第1级的支路节点与支路节点供电关联矩阵为NC；则附图1所示的矿井局部高压电网关联矩阵
；
（5）将矩阵NC和自身做矩阵乘法运算，得到一个新的矩阵D；则附图1所示的矿井局部高压电网的关联矩阵
；
（6）比较矩阵D和矩阵NC是否发生变化，如果发生变化，则将矩阵D的值赋予矩阵NC，重复执行步骤（5）；反之，如果D和NC相同，则计算所得的矩阵D即是支路节点与支路节点供电关联矩阵E；则附图1所示的矿井局部高压电网的关联矩阵
。
依据支路节点与支路节点供电关联矩阵E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k直接供电的，依据支路节点k在供电关联矩阵E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Q；Q是受短路故障影响的支路节点序列，在支路节点序列Q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所示的矿井局部高压电网中，如果设置的线路故障点是由支路节点(13)直接供电的，则Q={(2)，(8)，(13)}；如果支路节点(13)线路末端发生的短路故障对应的短路电流为I，则Q序列中支路节点(2)，(8)和(13)对应的故障电流均为I；
（2）针对支路节点序列Q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，然后将支路节点序列Q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，则将该元素加入到支路节点集合T中，T表示获得的需要跳闸的部分支路节点开关集合；假定支路节点(8)和支路节点(13)所对应的出线开关故障电流均大于其设置的瞬时速断定值，则T={(8)，(13) }。
当T中某支路节点开关跳闸时，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；因此需要依据关联矩阵A、B、开关闭合状态S和T获得因短路故障需要跳闸的所有开关集合W，依据获得的集合W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）针对T中存在的每一个支路节点，在开关状态矢量S中将对其相应的开关状态数值修改为0，获得一个新的开关状态矢量NS，则；
（2）由关联矩阵A、B及新的开关闭合状态NS重新计算支路节点与支路节点供电关系的关联矩阵E；E即是T中的支路节点跳闸后，支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵F；则；
（3）针对每一个支路节点重复如下过程：支路节点i直接给线路i供电，依据支路节点i在最终供电关联矩阵F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P，P是所有给线路i供电的支路节点集合；如果集合P中不存在电源支路节点，则将支路节点i加入到W中；W是因短路故障需要跳闸的所有支路节点开关集合；
（4）集合W中所有元素对应的支路节点，如果在S中的状态为1，则需要将该支路节点的开关状态修改为分闸，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；在附图1所示的矿井局部高压电网中，W={(8)，(13)，(14)}，则针对支路节点(8)、支路节点(13)和支路节点(14)对应的开关执行跳闸操作，仿真结果如附图2所示；按照速断设置的选择性要求，支路节点(13)直接供电的线路发生短路故障，应该是支路节点(13)对应的开关跳闸，而仿真结果表明跳闸范围偏大，说明目前附图1所示的矿井局部高压电网中采用的速断设置方案选择性较差。

Claims (6)

1.基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法，其特征在于，所描述的速断设置仿真检验方法包括如下步骤：
步骤11，以变电所母线为母线节点、以高压出线开关连接的支路作为支路节点，如果母线节点有m个，支路节点有n个，则依据矿井高压电网图中电气设备之间的连接关系生成母线节点和支路节点的关联矩阵A（m行n列，以母线节点顺序号为行号，以支路节点顺序号为列号）和B（n行m列，以支路节点顺序号为行号，以母线节点顺序号为列号）；
步骤12，在矿井高压电网中，选择故障点，针对故障点设置相应的故障类型，生成支路节点开关状态矢量S和瞬时速断定值矢量SD，完成电源支路节点的设置；
步骤13，依据单向图的连通性，由关联矩阵A和B及开关闭合状态S计算支路节点与支路节点供电关系的关联矩阵E（n行n列）；
步骤14，依据支路节点与支路节点供电关联矩阵E获得瞬时速断定值小于故障电流的支路节点集合T；
步骤15，依据关联矩阵A、B、开关闭合状态S和T获得因短路故障需要跳闸的所有开关集合W，依据获得的集合W将相应开关的状态修改为分闸，执行跳闸操作，完成矿井高压电网速断设置的仿真检验。
2.根据权利要求1所述的基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法，其特征在于，生成母线节点和支路节点的关联矩阵A和B，在步骤11中，主要进行如下步骤：
步骤21、在生成关联矩阵A的过程中，如果母线节点1是由支路节点(1)供电的，则母线节点1和支路节点(1)在关联矩阵A中相应的位置为1，否则为0；
步骤22、在生成关联矩阵B的过程中，如果支路节点(1)是由母线节点1供电的，则支路节点(1)和母线节点1在关联矩阵B中相应的位置为1，否则为0。
3.根据权利要求1所述的基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法，其特征在于，在步骤12中，主要进行如下步骤：
步骤31、在矿井高压电网中，针对某支路节点直接供电的线路设置故障点，并对该故障点设置相应的故障类型（二相短路或三相短路），然后依据该故障点的故障类型计算其对应的最小两相短路电流或最大三相短路电流；
步骤32、依据支路节点上出线开关的开闭状态，生成支路节点开关状态矢量S，S包含n个元素；在S中，开关状态闭合，对应元素值为1；反之，则为0；
步骤33、针对所有支路节点对应的出线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出线开关设置的瞬时速断定值；
步骤34、设置矿井高压电网的电源支路节点，电源支路节点是指由上级供电部门直接供电的支路节点。
4.根据权利要求1所述的基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法，其特征在于，依据单向图的连通性，由关联矩阵A和B及开关闭合状态S计算支路节点与支路节点供电关系的关联矩阵E，在步骤13中，主要进行如下步骤：
步骤41、将S中的每个元素和矩阵A中每行的n个元素进行与运算后得到母线节点和支路节点的关联矩阵NA（m行n列）；将S中的每个元素和矩阵B中每列的n个元素进行与运算后得到支路节点和母线节点的关联矩阵NB（n行m列）；
步骤42、依据单向图的连通性，将关联矩阵NB和关联矩阵NA做乘法运算，得到原始的第1级支路节点与支路节点供电关联矩阵C；
步骤43、依据矩阵C和修正矩阵NM得到第1级的支路节点与支路节点供电关联矩阵NC；
步骤44、将矩阵NC和自身做矩阵乘法运算，得到一个新的矩阵D；
步骤45、比较矩阵D和矩阵NC是否发生变化，如果发生变化，则将矩阵D的值赋予矩阵NC，重复执行步骤（44）；反之，如果D和NC相同，则计算所得的矩阵D即是支路节点与支路节点供电关联矩阵E。
5.根据权利要求1所述的基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法，其特征在于，依据支路节点与支路节点供电关联矩阵E获得瞬时速断定值小于故障电流的支路节点集合T，在步骤14中，主要进行如下步骤：
步骤51、假定所设置的某线路故障点是由支路节点k直接供电的，依据支路节点k在供电关联矩阵E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Q；Q是受短路故障影响的支路节点序列，在支路节点序列Q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；
步骤52、针对支路节点序列Q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，然后将支路节点序列Q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，则将该元素加入到支路节点集合T中，T表示获得的需要跳闸的部分支路节点开关集合。
6.根据权利要求1所述的基于关联矩阵的矿井高压电网速断设置仿真检验方法，其特征在于，依据关联矩阵A、B、开关闭合状态S和T获得因短路故障需要跳闸的所有开关集合W，并将相应开关的状态修改为分闸，执行跳闸操作；在步骤15中，主要进行如下步骤：
步骤61、针对T中存在的每一个支路节点，在开关状态矢量S中将对其相应的开关状态数值修改为0，获得一个新的开关状态矢量NS；
步骤62、由关联矩阵A、B及新的开关闭合状态NS重新计算支路节点与支路节点供电关系的关联矩阵E；E即是T中的支路节点跳闸后，支路节点与支路节点的最终供电关联矩阵F；
步骤63、针对每一个支路节点重复如下过程：支路节点i直接给线路i供电，依据支路节点i在最终供电关联矩阵F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P，P是所有给线路i供电的支路节点集合；如果集合P中不存在电源支路节点，则将支路节点i加入到W中；W是因短路故障需要跳闸的所有支路节点开关集合；
步骤64、集合W中所有元素对应的支路节点，如果在S中的状态为1，则需要将该支路节点的开关状态修改为分闸，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。
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