區(qū)域電網電壓暫降分析及評估方法研究

， ，

(1.國網四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)、計算機的高速發(fā)展，近年來，國內外的學者越發(fā)認識到電能質量的重要性，其中，電壓暫降問題所造成的影響在所有電能質量問題中最為嚴重。例如電壓暫降會造成大型工業(yè)用戶設備停運、誤動作，從而造成巨大的經濟虧損[1- 2]。電壓暫降不僅會造成巨大的經濟損失，還會造成人員的意外傷亡，例如電梯運行故障、醫(yī)療故障等[3]。因此，研究電壓暫降具有重要的理論價值和現實意義。文獻[4]指出類別不同的電壓暫降情況會由不同類型的短路故障造成。文獻[5]指出可調速驅動器、雙饋異步風力發(fā)電機等敏感設備的運行狀態(tài)會受到類別不同的電壓暫降影響。文獻[6]指出在尋找故障點、檢查敏感設備工作狀態(tài)時，進行必要的電壓暫降記錄的作用。文獻[7]指出靜止同步補償器對于電壓暫降造成的影響可以隨著電壓暫降程度進行一定的補償。

針對電壓暫降的問題，國內外學者主要從幅值、持續(xù)時間和相位跳變3個特征量展開大量研究，但在方案設計中，若未能將暫降幅值、持續(xù)時間、電壓相位、相位跳變、相位不對稱、暫降幅值不對稱、波形畸變與暫態(tài)等特征量進行描述[5]，則難以準確評估電壓暫降的影響。因此，除了對電壓暫降基本的特征量進行準確描述，還需對暫降區(qū)段其余的特征量進行全面準確描述[8]。

如何緩解電壓暫降問題并采取有效的措施是一個難點。為了解決這些問題，下面以綿陽區(qū)域電網某220 kV配電系統(tǒng)為例，建立了仿真模型。通過與現場實測數據進行對比，分析了該區(qū)域電壓暫降的原因，提出了相應的緩解措施，對改善后的效果進行預估計，利用仿真結果在敏感設備曲線上繪圖，研究各類設備的敏感性以達到對該區(qū)域的電壓暫降評估分析的目的。

1 電壓暫降的相關理論

1.1 電壓暫降的概念

電壓暫降時間是指在很短的時間內，系統(tǒng)供電的電壓有效值的跌落現象。電壓暫降的重要指標包括暫降的持續(xù)時間、在跌落過程中幅值的變化、暫降前后電壓的相位變化。1)在整個暫降的過程中，定義跌落電壓有效值與額定電壓有效值的比值為電壓暫降的幅值。2)電壓暫降持續(xù)時間即電壓暫降起止時刻的差值[9-16]。電壓暫降的持續(xù)時間范圍一般在0.5～1 min之間。3)電壓暫降的相角跳變即電壓暫降前后相位角的變化大小[17-18]。此外，暫降頻次也是表征電壓暫降的重要指標。必須將電壓暫降持續(xù)過程的時間、電壓暫降發(fā)生的頻率以及暫降幅值大小等因素一同整體考慮。

1.2 電壓暫降的產生原因

在電能的輸送和分配的系統(tǒng)中，引起電壓暫降問題的主要原因有[19]：大型異步電動機驅動、雷電、通斷動作、線路短路[20]。其他原因包括：多個串、并聯(lián)的電容器組、變壓器組的使用等。

1.2.1 大型異步電機驅動帶來的電壓暫降

異步電動機及各局部電網的容量都會影響電壓暫降的程度。作為電網中的主要負荷，感應電動機占據的用電量超過60%，而過大的異步電動機的驅動電流(通常是額定電流的5～6倍)會造成持續(xù)時間較長、幅值超過0.85 p.u.的電壓暫降。但是用戶卻不會受到很大的影響[21]。

1.2.2 變壓器投切造成的電壓暫降

由于鐵心的非線性，引起電壓暫降的原因歸結為空載變壓器投切時產生很大的磁化電流[9，22]。因為不同的三相變壓器飽和程度不同，所以電壓暫降在每一相的幅值大小也不同。電壓暫降幅值與鐵心中的剩磁和網絡阻尼、電源強度、開關合閘時刻等因素有關。通常，由變壓器投切造成的電壓暫降在85%以上[9，20，23]。

1.2.3 短路故障造成的電壓暫降

通常單相、兩相、三相的接地短路故障涵蓋了輸配電線路的故障類別。對于三相短路故障而言[24]，會引起對稱的電壓暫降。但是對于不對稱故障，各相電壓幅值、相角跳變不相同。當系統(tǒng)發(fā)生了短路故障時，各母線會發(fā)生不同程度的電壓暫降，暫降程度和故障點間的距離長短相關，甚至鄰線用戶將再經受一次電壓暫降。而單相短路故障在各種電力系統(tǒng)的短路故障中發(fā)生的可能性最大[9，23，24]。各種敏感設備也會因此跳閘甚至產生誤動作。而三相短路故障雖然發(fā)生的可能性很小，但是其危害極其嚴重。

電壓暫降的嚴重程度主要由以下條件制約：各網絡節(jié)點和故障點的遠近、各種變壓器組的事故發(fā)生位置、連接方式、故障點周圍有無電源、整個線路的阻抗情況、電壓暫降前后故障點的電壓情況、斷路器通斷的快慢、保險絲的熔斷時間長短、各變壓器組的失效率，還有系統(tǒng)規(guī)定的自動重合閘的重置次數等。

1.3 ITIC(信息技術工業(yè)協(xié)會)曲線

敏感設備的敏感程度與電壓暫降的影響密切相關。不同的用電設備或負荷對于同一電壓暫降的耐受程度不同，因此不同的設備應當采用不同的敏感曲線。不同的敏感曲線由制造業(yè)的壟斷聯(lián)盟所規(guī)定，各大公司常采用的曲線有：ITIC曲線、SEMIF47曲線、接觸器類設備敏感曲線、變頻驅動類設備敏感曲線[12，25]。

ITIC曲線最早在1980年由美國的敏感設備生產組織提出。為了預防計算機等敏感設備受到電能質量問題的影響，ITIC曲線用于直觀地描述計算機設備承受電力系統(tǒng)的電壓變化持續(xù)時間和幅值的能力，而最早的ITIC曲線繪制參考了大量的實驗數據、計算機的記錄等。對于其他敏感設備曲線，可參照ITIC曲線并視實際情況制定[26，27]。

ITIC電壓容限曲線的橫坐標同時標示了系統(tǒng)的周波(c)單位和時間(s、ms、μs)單位[10]，該曲線是目前暫態(tài)電能質量事件評估的重要依據，如圖1所示。獲取設備敏感曲線最簡單的方法是通過試驗或評估的方法得到，也可以向設備制造商索取[10，28]。

電壓暫降發(fā)生的次數與敏感設備運行之間的聯(lián)系可以由記錄的電壓暫降的幅值、持續(xù)時間長短等特征繪成敏感曲線，從而很直觀地反映出來。

圖1 ITIC電壓容限曲線

1.4 蒙特卡洛故障概率估計

蒙特卡洛法是在數學概率的模型基礎上，通過統(tǒng)計學得出所需參數的近似解。蒙特卡洛法適用于非常復雜的系統(tǒng)，對于解決隨機性問題有著良好的效果。

在電壓暫降的短路故障中，蒙特卡洛法首先需要對故障進行概率描述，即對A、B、C三相短路情況加以描述，例如單相、兩相、三相的短路情況并加以組合；然后從現實概率分布抽樣，即借助隨機序列的思想對構造的故障抽樣；最后建立各種估計量，從而得到問題的解。隨機數i的概率模型用式(1)表示。

(1)

式中：P3L、PAB、PBG分別為各種故障發(fā)生的概率；i在(0,1)上服從均勻分布。

設Li為第i條線路的總長度，m為線路數，整個系統(tǒng)中第i條線路發(fā)生的故障概率為[4]

(2)

隨機數j的概率模型用式(3)表示。

(3)

式中：變量j在(0,1)上服從均勻分布；Pm為整個系統(tǒng)中第m條線路發(fā)生故障的概率。

可以將線路故障看作服從均勻概率分布，整個系統(tǒng)中線路發(fā)生故障的概率為[24]

(4)

式(5)表示在不同概率下隨機數j的故障類型[24]。

(5)

實際線路長度大于 10 km 時，可將整個線路分割為多個 10 km 的小線路段，即在式(4)中增加線路數，同時將該條線路中幾個點看作是故障點進行計算[24]。

2 某區(qū)域電網敏感負荷電壓暫降監(jiān)測與仿真分析

下面以綿陽某220 kV變電站為例進行介紹，其他站點分析類似。該變電站的用戶為某研究院，系統(tǒng)變電站的線路中包含1個220 kV變電站和2個110 kV站。其中，各邊電壓暫降監(jiān)測點部署方案為系統(tǒng)側安裝數量為1臺，用戶側安裝數量為3臺，無線模塊數量為2個。

監(jiān)測線路選擇在該變電站10 kV母線Ⅰ段和10 kV母線Ⅱ段。電壓暫降儀安裝于兩段母線電壓的端子排上。該變電站一次接線如圖2所示。

圖2 某220 kV變電站一次接線

在10 kV Ⅰ 母觀察電壓暫降發(fā)生情況，將仿真測試與現場測試記錄進行對比，來探討電壓暫降問題。

圖3為10 kVⅠ母監(jiān)測點在不同電壓暫降事件下對應時段的監(jiān)測電壓波形。

圖3 10 kVⅠ母電壓暫降記錄波形

圖4為按照220 kV變電站的一次接線圖在PLECS環(huán)境下模擬相應10 kVⅠ母電壓發(fā)生暫降的仿真波形。

圖4 10 kVⅠ母發(fā)生電壓暫降的仿真波形

可以看出，電壓暫降深度約為20%，持續(xù)時間約為2～15個周波，根據仿真分析及監(jiān)測數據可總結出短路故障引發(fā)電壓暫降的典型特征如下：

1)電壓暫降發(fā)生后恢復過程迅速，基波電壓有效值變化過程大致呈矩形；在整個故障期間，可能出現多次暫降；電壓暫降幅值在突變點之間基本保持不變，而只在開始與結束瞬間發(fā)生了突變[13-22]。

2)不同類型的短路故障會導致不同程度的三相電壓暫降。三相對稱短路故障會造成各相電壓暫降同時開始，并且每相暫降幅值相等；其他類型的短路故障造成的電壓暫降有時還伴隨有電壓暫升現象，并且三相幅值不相等。

3)電壓暫降幅值一般不大于0.7 p.u.，暫降持續(xù)時間與開啟保護動作的時間相關。

上述典型特征與仿真模型的結果相符，驗證了理論分析的結果。

3 電壓暫降改善方案與評估結果

3.1 電壓暫降的緩解措施

目前抑制電壓暫降的方法主要是在電力系統(tǒng)與用戶設備之間的接口處加裝補償裝置，通過注入有功功率和無功功率來對系統(tǒng)的有功功率和無功進行補償。常見的補償裝置有：動態(tài)電壓恢復器(dynamic voltage restorer，DVR)、不間斷電源(uninterrapted power suppy，UPS)、固態(tài)切換開關(solid state transfer switch，SSTS)、磁諧振變壓器等。

其中，UPS可以起到抑制電壓暫降、電壓中斷的作用。當供電系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降故障時，轉換開關會自行轉換至UPS進行供電，從而抑制了電壓暫降的影響。在實際的應用中，UPS的電池容量決定了其保護時間，一般的UPS電池容量為1 kW～1 MW。

DVR可以對電壓暫降故障在短時間內進行補償，對提高大型綜合工業(yè)敏感設備的供電質量效果顯著。SSTS用于串聯(lián)在電壓敏感負荷和主、備用電源之間。當電壓暫降故障發(fā)生時，SSTS的切換指令由控制系統(tǒng)發(fā)出，此時敏感負荷自動切換至備用電源，從而抑制了電壓暫降的影響[30]。SSTS適用于高壓、中壓和低壓系統(tǒng)的電壓暫降以及長期過電壓和低電壓的情況[30-31]。

由于UPS的高昂售價，而SSTS以及磁諧振變壓器僅能在部分的電壓暫降幅值區(qū)段起到緩解作用，因此選用DVR對電壓暫降問題進行緩解。

圖5 10 kVⅠ母線經過改善后電壓暫降三維分布[12]

圖5對加裝DVR之后在最大運行方式下的電壓暫降幅值和時間分布情況進行了量化評估。可以看出，在最大運行方式下暫降事件發(fā)生在0.05～0.1 s的頻次較為集中；電壓幅值為80%～90%的暫降事件頻次也很集中：因此，需要對該變電站發(fā)生電壓少量、長時間的暫降情況加以治理。

3.2 電壓暫降事件在敏感區(qū)線上的分布

根據第2節(jié)所得到的仿真結果可以將電壓暫降幅值與持續(xù)時間在敏感曲線上描點繪制分布圖，以便直觀地顯示出敏感設備曲線與電壓暫降頻次的關系。圖6至圖9結合不同的敏感設備耐受曲線(包括ITIC曲線、SEMIF 47曲線、接觸器類設備典型敏感曲線)，分別形成了635次暫降事件在不同耐受曲線上的分布情況。在635次電壓暫降事件中，ITIC曲線反映的事件次數達到了218次，占整個事件的34.33%；SEMIF 47 曲線反映的事件次數達到了298次，占整個事件的46.93%；接觸器類設備典型敏感曲線反映的事件次數達到了501次，占整個事件的78.89%；變頻驅動類設備典型敏感曲線反映的事件次數達到了0次，占整個事件的0%。

圖6 ITIC曲線

圖7 SEMIF 47曲線

圖8 接觸器類設備典型敏感曲線

若設備對電壓質量要求沒有那么高，發(fā)生電壓暫降事件的次數就越少，則事件發(fā)生率也越低[12]，如圖8所示的接觸器類設備。因此用戶在選擇敏感設備時，該設備需要對電壓暫降具備一定抗干擾的能力。

圖9 變頻驅動類設備典型敏感曲線

除此之外，在各個系統(tǒng)的運行方式中，電壓暫降對于不同的敏感設備的影響不同。尤其當暫降次數超過一定的限值時，對于敏感設備的要求變得更高了，要求其必須能承受更高密度的暫降，而不具備這種要求的設備應少投入使用，如圖9所示的變頻驅動類設備。

4 結 語

前面從綿陽某區(qū)域電網的電壓暫降實際問題出發(fā)，以綿陽地區(qū)某220 kV變電站為例，首先建立了該變電站的電路模型，對電壓暫降事件進行了深入研究，并結合現場數據實測分析得出電壓暫降事件的發(fā)生原因。進而對于電壓暫降問題提出了緩解方案，對該變電站改善后的電壓暫降事件進行了預估計。最后，討論了敏感設備曲線上電壓暫降事件的分布情況，為用戶選擇敏感設備提出了建議。