煤矿高压供电系统安全仿真系统研发

[摘 要] 基于综合分析软件平台PSASP进行研发高压供电系统安全运行分析仿真系统，开发供电系统各元件仿真模型，完成网络系统建模与验证，建立能够模拟实际情况的煤矿电网仿真系统。利用建立的仿真系统，按各种电网结构与系统运行方式组合不同，分别分析电网抗故障能力及应急预案、系统故障后恢复保安负荷的供电能力、短路故障时设备的安全可靠性；分析研究煤矿供电系统供电能力冗余量、现有负荷正常运行情况下各节点的电压水平及线路的电压损失、系统的网络损耗、线路和变压器的过负荷情况；对各种运行方式下，该煤矿供电系统的网损、无功进行计算，对系统内部现有无功源进行无功优化仿真分析，通过各种运行方式下的网损和无功分析比较，选出系统最经济的运行方式。

[关键词] PSASP； 仿真系统； 安全可靠性； 过负荷情况； 最经济

1 引言

电力系统的安全分析一直是电力系统的重要课题之一。对电力系统来说，安全稳定和可靠都是电力系统正常运行所不可缺少的最基本条件。国内外关于电力系统终端用户的电网分析很少，尤其针对煤矿电网进行的针对性分析尤其欠缺。我国煤矿电网目前大量存在由于生产能力不断攀升，供电网络不断扩容，电网结构缺乏整体规划，继电保护系统整定困难。针对电网故障进行分析的传统方法是进行一系列测试，或根据一次系统图进行推演，这种分析方法针对特定故障可以进行定性分析，发现问题，但若对系统整体进行定量分析则不能达到所希望的效果。为解决以上不足，本论文采用专用仿真分析软计，构造系统模型，对系统进行定量仿真分析，不但可满足现有系统分析，同时也为系统进一步扩容改造仿真分析提供了可能。设计了高压供电系统安全运行分析仿真系统，深入地分析矿区电网事故发生的原因，有效地杜绝事故重演，进而优化电网运行方式，确保矿区电网的运行安全性、可靠性和经济性。

2 开发煤矿高压供电系统安全运行分析仿真系统

煤矿供电系统进行仿真建模，实现从系统整体角度对煤矿供电系统供电可靠性进行分析，项目总体技术路线如下图。

首先对煤矿供电系统进行参数收集（包括：上级进线的系统容量和阻抗、变压器型号和参数、线路型号和长度、保护开关的型号、各条线路负荷统计等）。其次，采用专业电力系统仿真平台，开发供电系统各元件仿真模型，完成网络系统建模与验证，建立能够模拟实际情况的煤矿电网仿真系统，基于建立的仿真系统，可进行以下计算及分析研究：

潮流计算：计算电网各条线路的负载率、变压器的负载率、主要节点的电压。分析电网现在的网络结构与供电能力；

供电能力的估算：其中供电能力的估算包括计算整个矿的电缆线路的负载率，整个矿的所有变压器的负载率。

供电故障影响面计算：在整个矿的供电系统中，当其中的某一条母线发生短路时，计算其他母线的残压值，以估算该短路母线对电网造成的影响范围。

一级负荷供电可靠性：根据《煤矿安全规程》排查整个矿的一级负荷的供电可靠性。

供电经济性：计算整个矿的有功损耗及无功损耗占总有功和总无功的比例。

根据供电系统实际情况再结合《煤炭安全规程》的要求对各种可能的网络拓扑结构进行分析，本项目将电网运行方式分以下五种。

主供运行方式

F1运行方式：马兴II进线带三段35kV母线，2#和3#主变运行，供矿井主要生产负荷，马兴I进线和1#主变备用。6kV三段母线正常情况下I、II段联络运行，III段母线由3#主变单独供电。

F2运行方式（带电抗器运行）：马兴II进线带三段35kV母线，2#和3#主变运行，供矿井主要生产负荷，马兴I进线和1#主变备用。6kV三段母线正常情况下I、II段联络运行，Ⅲ段母线由3#主变单独供电。（存在下井电抗器）。

F3运行方式（自备发电机退出运行方式）：马兴II进线带三段35kV母线，2#和3#主变运行，供矿井主要生产负荷，马兴I进线和1#主变备用。6kV三段母线正常情况下I、II段联络运行，III段母线由3#主变单独供电。（1#发电机处吸收功率为0.3MW+j0.186MVar）。

检修运行方式

F4运行方式（3#主变检修）：马兴II进线带三段35kV母线，1#和2#主变运行，供矿井主要生产负荷，马兴I进线备用，3#主变检修。6kV三段母线并列运行。

分列运行方式

F5运行方式（6KV分裂运行方式）：马兴II进线带三段35kV母线，1#，2#和3#主变运行，供矿井主要生产负荷，马兴I进线备用，6kV三段母线分列运行。

高压供电系统安全运行分析仿真系统基电力系统综合分析软件平台PSASP进行研发，PSASP带有电网基础数据库，并支持用户自定义模型，因此非常适用于搭建仿真系统。该系统中主要包括：基础数据库、单线图以及实时数据库等内容。

在建立单线图的基础之上，利用该系统可以完成系统的潮流计算、短路计算、网损计算以及最优潮流计算等；该平台具备多文档界面（MDI，Multi Document Interface），可以方便地建立电网分析的各类数据，绘制所需要的各种图形（单线图、地理位置接线图、厂站主接线图等）。该平台服务于PSASP的各计算模块，在此之上可以进行各种分析计算，输出计算结果。

基于该仿真系统建立单线图，并对单线图输入相应的基础数据包括发电机出口电压、母线基准电压、交流线的等值电阻和电抗、变压器两侧抽头电压、无功补偿容量、负荷的额定有功和无功；对于自备电厂电机应填入相应发电机的发电量，外部进线基准电压标幺值为1，设定为平衡节点。并在该图模一体化平台上进行了不同运行方式下的潮流计算、短路计算和网损分析。

3 供电系统供电可靠性分析

利用建立的仿真系统，按各种电网结构与系统运行方式组合不同，分别分析电网抗故障能力及应急预案、系统故障后恢复保安负荷的供电能力、短路故障时设备的安全可靠性。从以下三个方面对煤矿供电系统进行安全可靠性评估：

从电网结构、系统各种运行方式角度分析电网抗故障能力；

在供电系统出现故障后，仿真评价系统能否迅速恢复供电能力，确保正常生产，若不能确保生产负荷，是否能保证保安负荷正常运转，确保安全；

分析评价在短路故障情况下，各种设备的安全可靠性。

《电力系统电压和无功电力技术导则》规定：35kV用户供电电压正负偏差绝对值之和不超过额定电压10%；6kV用户的电压允许偏差值，为系统额定电压的±7%，对设定的五种运行方式进行潮流计算，可以得出，母线电压偏差大部分都在允许的偏差范围内，越线的母线较少。

对设定的五种运行方式进行三相短路接地计算，并将整个系统进行分级计算，并认为在同一等级上的残压相等，其示意图见图2。

将其故障影响面和一级负荷的供电可靠性进行比较，得出下表。

该表分析如下，在F1运行方式下，有8.47%的母线短路将使的全网大部分母线电压降到基准电压的35%以下；有20.34%的母线短路将使的全网大部分母线电压降到基准电压的65%以下；因此全网约占28.81%的母线发生短路故障将引起全网的电压失压；同理在F2运行方式下全网约占20.34%的母线发生短路故障将引起全网的电压失压；在F3运行方式下全网约占30.51%的母线发生短路故障将引起全网的电压失压；在F4运行方式下全网约占11.86%的母线发生短路故障将引起全网的电压失压；在F5运行方式下全网约占28.81%的母线发生短路故障将引起全网的电压失压。

对于煤矿安全规程规定，煤矿一级负荷主要包括副绞、排水泵以及风机；结合这类负荷主要分布在下列母线上：工广压风机房、西风井扇风机房、东风井扇风机房、东风井压风机房、副绞配电室、井下中央变电所、十采泵房配电点、七采上部泵房配电点、七采下部泵房配电点；上表体现了该类负荷的受影响程度；F1运行方式下，全网占25.42%的母线发生故障将会波及工广压风机房；全网占27.12%的母线发生故障将会波及西风井扇风机房；全网占45.76%的母线发生故障将会波及东风井压风机房；全网占23.73%的母线发生故障将会波及副绞配电室；全网占42.37%的母线发生故障将会波及井下中央变电所；全网占47.46%的母线发生故障将会波及十采泵房配电点；全网占54.24%的母线发生故障将会波及七采上部泵房配电点；全网占54.24%的母线发生故障将会波及七采下部泵房配电点。其它运行方式分析同F1运行方式。

通过上述分析可以看出F4运行方式和F5运行方式较其它运行方式的优越性。

4 供电系统供电能力分析

利用建立的仿真系统，分析研究煤矿供电系统供电能力冗余量、现有负荷正常运行情况下各节点的电压水平及线路的电压损失、系统的网络损耗、线路和变压器的过负荷情况。主要有以下几个方面的内容：

供电能力是否满足现有负荷的需要；

供电能力是否适应负荷增长的程度；

正常运行时各节点的电压水平及线路的电压损失；系统的网络损耗；线路和变压器的过负荷情况。

通过分析各运行方式下的电源情况，该煤矿外部进线和自备电机，符合《煤矿安全规程》中矿井地面变电所电源相关规定。

该煤矿电网井下中央变电所进线有四条，分别来自6KV变电所25#盘、27#盘（6kV VI段）和28#盘32#盘（6kV II段）。符合《煤矿安全规程》中矿井井下变电所电源的相关规定。

电网井下东翼采区（一采石门）变电所进线有两条，分别来自东风井变电所10#盘（6kV II段）和9#盘（6kV I段）符合《煤矿安全规程》中矿井井下变电所电源的相关规定。

由分析可知，五种运行方式下的电源都满足相应煤矿安全规程。

通过分析主变的负载率，F1运行方式、F2运行方式以及F3运行方式下，2#主变的负载率已经超过100%，因此应当更改相应的运行方式（同时投运三台主变或者投运两台容量较大的变压器，另外一台容量较小的变压器作为备用）；或者更换较大容量的变压器；同时也应该调整负荷分配。

通过分析进线的负载率，各运行方式下进线负载率均低于50%，符合相关规定，但是都存在地面线路和井下线路负载率超过50%的情况，因此必须调整负荷或者更换更大截面积的线路。

5 供电系统供电经济性评估

利用建立的仿真系统，对各种运行方式下，该煤矿供电系统的网损、无功进行计算，对系统内部现有无功源进行无功优化仿真分析，通过各种运行方式下的网损和无功分析比较，选出系统最经济的运行方式。

通过比较五种运行方式下的发出的有功和无功以及系统的有功损耗和无功损耗，系统有功均在28MW左右，无功在15MVar左右，其网损率约占3.5%，在带下井电抗器运行的F2运行方式下，其网损率达到3.55%，因此提出：去除下井电抗器，不仅可以提高电压的合格率而且可以降低网损。

对五种运行方式其进行供电能力和供电经济性比较，可以得出下表。

通过对五种运行方式的供电可靠性、供电经济性和供电能力的分析，得出各运行方式下供电能力均满足要求，但均存在个别线路及变压器负载率超标情况，应针对性采取措施进行负荷调配。另外通过对其供电经济性的对比分析，F4运行方式和F5运行方式都较好；通过供电可靠性对比分析，F5运行方式可靠性最高，故障影响面最小。因此推荐大分列去下井电抗器的运行方式（F5运行方式），也即采用6kV分列运行方式。

[参考文献]

[1] 吕向阳，煤矿高压电网继电保护整定计算软件的开发，煤炭技术2006，10

[2] 要焕年、曹梅月，电力系统谐振接地，中国电力出版社，2001。

[3] 电力系统继电保护实用技术问答（第二版），中国电力出版社，2003

[4] 黄庆模、胡天禄等，矿井高压电网三级选择性漏电保护系统，煤炭科学技术，1994，（4），P15