[科普中国]-电压骤降评估方法

电能质量的概念

从广义上讲，电能质量是指优质供电。由于人们看问题的角度不尽相同，对电能质量含义存在不同的理解。电力部门把电能质量主要定义为电压与频率的合格率，并且用统计数字来说明电力系统99. 9%是安全可靠的。电力用户则把电能质量简单定义为向负荷正常供电。国际电工委员会(IEC)则提出电磁兼容(EMC)术语，指出和强调设备之间的相互作用和影响以及电源和设备之间的相互作用和影响。IEC还制定了电磁兼容一系列标准。 IEEE技术协调委员会给出的技术定义:“合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和接地系统都是适合该设备正常工作的。”采用的电能质量的定义为:“导致设备故障或误动作以电压、电流或频率偏差为表现形式的一切电力问题。”这里的偏差是广义的，甚至包括供电可靠性。

在没有明确的、为各方所认可的新的标准和规范出来之前，至少应该按照现有的国家标准来规范有关电能质量的问题。可能产生的电能质量问题有多种类型，主要有各种瞬态过程，长时期的电压变化(过电压、欠电压、持续断电)、短时间的电压变化(断电)、骤降(sags)、电压不平衡、波形畸变、干扰。现有标准显然不能全面描述电能质量，例如在国际上受到特别关注的电压骤降的标准就还没制定出来，应该尽快立项制定这一标准。

电压骤降问题的提出同其它电能质量问题一样，电压骤降并不是一个新问题，直到上世纪90年代随着敏感电力电子设备在工业中的广泛应用，电压骤降才成为各方面关注的焦点，主要有以下几个方面的原因:

(1)现代用电设备对电压短时波动的要求比传统设备要求要高。随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器以及调速驱动的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用，它们对电压波动比一般机电设备更加敏感，对供电质量的要求更苛刻:不论系统是处于正常稳态还是故障暂态，均需保证幅值偏差很小的基波正弦电力的可使用性，即高动态恒定特性，而哪怕几个周期的电压骤降都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。因此以信息技术和其他高科技产业为代表的现代工业对传统电力供应提出了新的挑战，要求系统即使处于非稳态也要保证可靠、恒定的优质电力供应。

(2)电压骤降所引起的问题远远超出其它电能质量问题，主要是由电压骤降自身的特点决定:(1)远距离的故障也可能会引起敏感负荷点电压骤降;(2)同一母线的平行馈线故障会造成相邻馈线电压骤降;(3)发生频率远高于其他电能质量问题。据介绍，电压骤降所引起用户投诉占整个电能质量问题的80%}'.

(3)机电设备误操作、中断等。这样会带来巨大的经济损失，严重的可能会造成意外伤亡。

(4)电压骤降给用户带来了非常不利的影响。由于可编程控制器(PLC)、调速电机(A SD)、计算机和接触器等敏感设备对短时电压波动极为敏感，如一次电压骤降可能使这些敏感设备跳闸或生产线重新启动。据文献〔3〕统计:对可编程控制器(PLC )，当电压低于81%时，PLC停止工作;一些I/0设备，当电压低于90%,持续时间仅几个周波，就会被切除;直流电机当电压低于80%时，立刻被跳闸。据介绍，由于一次电压骤降而使某生产线重新启动需花费50000美元;某玻璃制品厂工频5周波的电压中断，造成损失约200000美元;某计算中心2s的供电中断引起约600000美元的损失。每次事件的损失平均约为1万美元，而每个工厂每年约经历2025次电压骤降事件〔‘，。由此可知，电压骤降己成为影响许多设备尤其是电子类设备正常工作的严重因素。

(5)在人们的日常生活中也会受到电压骤降的影响。我们比较熟悉的，1998年香港由于电压骤降问题引起500套自动扶梯瞬时停止，造成多名顾客受伤，社会影响很坏。1999年11月9日，中国国际广播电台报道了美国《商业周刊》的一名编辑因被困在电梯长达40小时，以心理和身体严重伤害为由向办公大类的物业管理部门提出索赔2500万美元的要求。此次电梯故障的原因是由于供电系统突然降压is所造成的。

从以上几条可以看出，电压骤降对我们的影响不可忽略，必须对它加以重视。电压骤降己被认为是影响许多用电设备正常、安全运行和工业用户正常生产的最主要的电能质量问题之一为目前影响供电可靠性的主要干扰，而且不同类型、甚至同类型但不同品牌的用电设备对电压骤降的敏感度差异很大，这表明电压骤降所造成的危害与设备自身的特性以及用户的要求密切相关，因此如何消除或抑制电压骤降的影响，需要供电方、设备制造方以及用户的协力合作，共同解决。在工业发达国家己经受到广泛的关注。因此如何改善电压骤降问题将是提高供电质量至一个全新水平的关键1。

我国至今还没有电压骤降的标准，无论是从设备的抗干扰能力，电磁兼容还是干扰测量方面都缺乏标准。所以正确地认识和理解电压骤降这类电能质量问题，增强提高电能质量的竞争意识，并且根据我国的实际情况，给出一个统一科学的定义和评价，是目前的一项迫切任务。

国内外研究现状欧美日等国对电压骤降的研究始于90年代初，其研究工作已经相当深入，主要包括理论研究和实际应用两个方面。理论方面的研究工作主要是从以下几个方面:电压骤降指标体系的建立;电压骤降标准的确定:电压骤降产生的机理、电压骤降对用户设备的影响以及减小电压骤降的技术措施;电压骤降的监测技术、随机预测和统计分析;不平衡电压骤降的特性、分类以及电压骤降在不同电压等级间的传播;电压骤降域的研究以及电压骤降过程的仿真计算;电压骤降对配电系统可靠性的影响;新型补偿装置对电压骤降的影响等。实际应用方面包括产品研制和软件开发。国际上比较知名的几家大公司都己经生产出了自己的电压骤降控制装置。

电压骤降产生的原因电压骤降是由于电网电流的短时急剧增大产生的，大部分电压骤降是由于雷击和输电线路短路故障引起的。也就是供电系统或用户内部的短路故障，各种电弧放电以及各种计性的甩负荷和电容器的投切造成的电流急剧增加2。

雷击引起的绝缘子闪络和线路对地放电是造成系统电压骤降的主要原因。由于电力系统设备是暴露在外面的，在雨季或多雷的地区，露天的设备很容易受到雷电的干扰。由雷击引起的电压骤降约占总数的60%左右，并且这种骤降影响范围大，持续时间长，超过5个周期。

另外大型电动机的起停、故障后电动机的恢复运行以及各种冲击性负荷的投运也会引起电压骤降，但这种电压骤降一般不太严重。电机全电压启动时，需要从电源汲取的电流值为满负荷时的500%--800%，这一大电流流过系统阻抗时，将会引起电压突然下降。这种骤降的持续时间较长，但骤降程度较小，不会对用户造成严重的影响。通过采取适当的措施，可有效消除电机启动所引起的骤降的不利影响。

再就是系统故障，目前配电系统中的线路主保护一般是分段式电流保护，该保护的最大缺陷就是在线路故障时不能做到无延时地切除故障。即使是无延时保护，其固有动作时间也要3-6个周期，因此在故障期间，线路上的敏感负荷将被迫退出工作。若线路上装有重合闸系统，则由此引起的电压骤降将成倍增加。故障引起的电压骤降幅值在30%以下。

电压骤降特征量电压跌落的幅值电压发生突然下降后的电压幅值大小，常用电压幅值跌落深度来表示，即电压跌落时的有效值除以电压跌落前的电压有效值，发生不对称电压跌落时，是电压基波正序分量的有效值;在分析电压骤降过程中，通常将骤降时电压有效值与额定电压有效值的比值定义为骤降的幅值(标么值或百分比)，但在使用过程中容易出现混淆。例如“20%骤降”可能指剩余电压为0. 8p . u.或0. 2 p . u.。在国际标准中也存在不同的理解，本文采用工EEE标准中使用的方法，即“80%骤降”表示剩余电压0. 8p . u.

电压骤降幅值大小主要受到故障点到公共连接点(PCC)间的电气距离、系统阻抗、馈线阻抗、变压器绕组的连接方式、故障点附近是否有充足的电源等影响。

电压骤降时的相角跳变指电压骤降前后相位角的变化，不对称电压骤降时，指电压基波正序分量的相角变化;以△W来表示相角偏移，并规定逆时针偏移为正，顺时针偏移为负。通常仅仅由系统阻抗和馈线阻抗的X/R通常仅仅由系统阻抗和馈线阻抗的端的相角偏移可能不同于初始相角偏移。近年来，人们己经认识到电压骤降所带来的相角跃变对用电设备的影响，并将其作为衡量电压骤降的特征量之一。

通过相角跳变能够知道故障发生地点、故障类型以及故障由高压向低压系统的传播特性。但不是所有的用电设备都会受到电压相角跳变的影响，只有那些利用电压的相位来工作的设备容易受到干扰，例如利用电压的特定相位来发出触发脉冲的电力电子装置等，所以电压骤降特征量检测方法一定要具有相位检测功能1。

影响相角偏移的主要因素有变压器绕组的连接方式、故障类型以及系统阻抗和馈线阻抗的X/R值。

电压骤降持续时间通常，人们将骤降从发生到结束之间的时间定义为持续时间，这对矩形形状的电压骤降来说是准确的，但对非矩形形状则不够精确。文献【40]提出一种“特定电压法”来描述骤降的持续时间。该方法指出，持续时间指有效值超出指定电压门槛值的一段时间。因此，一个给定的非矩形事件可能有不同的持续时间，其值随所关心电压有效值的不同而变化。

骤降持续时间的大小主要取决于故障地点、类型和保护装置的性能。典型的电压骤降持续时间一般是0. 5-30个周波(10ms-600ms )。如果是由于系统瞬时短路故障引起的，则其持续时间受重合闸时间的影响，比故障的恢复时间要长一点。输电线路发生故障引起电压骤降时，由于输电线路上距离保护和差动保护用得比较多，保护动作时间和断路器的动作时间都短，从而骤降持续时间比较短。配电线路的保护大部分是过流保护，分段式过流保护，这样增加了故障切除时间，从而导致电压骤降的持续时间增加。

电压骤降频率电压骤降频率是表征电压骤降对敏感电力用户影响频繁程度的重要指标，也是评价一个地区供电质量的一个重要的指标。它是与电压骤降幅值和持续时间密切相关的特征量，孤立的谈电压骤降频率是没有多大意义。因为不同的用户对电压骤降幅值和持续时间的敏感程度不同，有的用户对骤降幅值比较敏感，如机械装置通常在90%电压骤降时就会跳闸;而计算机可承受幅值为50%的电压骤降但持续时间不能超过4个周期。因此在描述骤降频率时总是与电压骤降幅值和持续时间一起考虑，考察在某一固定的时间段内，发生电压骤降的幅值，次数和持续时间等参数的分布范围对电力用户设备状态的影响。

反映电压骤降频率的主要量化指标是SARFI (x) (System Average rms Varia-tion Frequency Index).对于一个系统中选定的供电点来说，SARFI (x)是指一年中发生的电压有效值(RMS值)在X%以下的电压骤降的次数，骤降对于敏感用户造成的危害显然随着电压骤降频率的增加而加重。

电压骤降域的分析电压骤降域是指系统中发生故障引起电压短时骤降，使相关敏感负荷不能正常工作的故障点区域。电压骤降域的分析有助于指导敏感负荷的最佳安装位置，有助于在实际运行中如何减小电压骤降的影响，对减小电压凹陷对敏感负荷的影响有重要的指导意义。例如可以将敏感负荷安装在电源点附近，从而降低电压骤降次数和持续时间。

电压骤降域的确定是找出系统中发生会引起所关心母线上电压骤降到低于所设定电压的故障所在范围。我们可选择电力系统的部分站点进行电能质量实地监测，通过对所采集数据的统计处理确定骤降域，也可对系统进行随机预估。相比而言，前者更准确，但受到所需费用高和监测周期长的限制。而随机预估可很好地解决这两个问题，它又可分为临界距离法和故障点法。前者简单，在系统结构未知的情况下也可计算，但它只能计算线路故障时的骤降幅值，不能将变电站、母线等故障情况加以考虑，同时它没有计及骤降持续时间对敏感负荷的影响; 而故障点法可考虑各种故障情况及各个特征量对骤降域的影响，但它相对复买且计算量大。

电压骤降评估由于电压骤降频率很低从而给对其监测并进行评估带来困难，因而实测方法在其研究的时间段内，得到的指标可信度不高。由于实测方法的这种明显缺陷，数字模拟是非常有效的替代方法。由于电力系统在本质上是一个随机系统，因此通过概率模拟方法对电力系统进行概率建模及统计评价，能够从整体上和宏观上评价电力系统的性能。蒙特卡洛法就是一种典型的概率模拟方法2。

蒙特卡洛仿真方法的分析介绍蒙特卡洛仿真方法又称为随机抽样技巧或统计实验方法，在目前结构可靠度计算中，它被认为是一种相对精确法。它是二十世纪四十年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而被提出的一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。是指使用随机数(或更常见的伪随机数)来解决很多计算问题的方法。蒙特卡洛方法作为一种独立的方法被提出来，并首先应用在核武器的研制中，后来在金融工程学，宏观经济学，计算物理学(如粒子输运计算、量子热力学计算、空气动力学计算)等领域应用广泛。不过蒙特卡洛方法的基本思想并不新颖，早在十七世纪伯努力在他的著作中就提出了频率决定概率的思想。

蒙特卡洛方法的基本原理:由概率定义知某事件的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算，当样本容量足够大时，可以认为该事件的发生频率即为其概率。因此，可以先对影响其可靠度的随机变量进行大量的随机抽样，然后把这些抽样值一组一组地代入功能函数式，确定结构是否失效，最后从中求得结构的失效概率。从蒙特卡洛方法的思路可看出，该方法回避了结构可靠度分析中的数学困难，不管状态函数是否非线性、随机变量是否非正态，只要模拟的次数足够多，就可得到一个比较精确的失效概率和可靠度指标，结果精确，并且由于思路简单易于编制程序。

从上可以看出。蒙特卡洛方法解题是以概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，通过模拟试验而得到的结果作为问题的近似解。当用蒙特卡洛方法研究电压骤降时，首先需要建立故障状态变量的概率分布模型，根据这些数学模型产生这些变量的随机抽样值，模拟短路过程的发生，从而得到负荷处的电压骤降特征。

仿真首先要建立概率模型，概率模型可以是简单的直观的，也可以是复杂抽象的，这主要是取决于所要解决的问题，概率模型的复杂程度决定了蒙特卡洛计算的复杂程度。在构造概率模型的同时也要正确描述这个概率过程。由于各种概率模型都可以看作是由各种各样的概率分布构成的，因此产生已知概率分布的随机变量就成为实现蒙特卡洛方法模拟试验的基本手段。最基本的一个概率分布式区间(o} 1 >上的均匀分布，随机数就是具有这种均匀分布的随机变量，所谓随机数就是从这个分布中抽样问题。本次仿真中用的概率模型就多次用到这个基本的概率分布。随机数是实现蒙特卡洛模拟方法的基本工具。

构造了概率模型并能从中抽样后就能实现模拟试验，这时就需要确定一个随机变量作为所要求问题的解的估计量。如果这个随机变量的期望值正好是所求问题的解，称为无偏估计，在蒙特卡洛计算中，使用最多的就是无偏估计，建立估计量相当于对模拟试验的结果进行统计分析并从中得到问题的解。

故障状态变t数学模型按照蒙特卡洛法解题的基本步骤，首先建立评估电压骤降可靠性所需要的故障概率模型。故障过程所涉及的随机变量主要包括故障类型、故障线路、故障位置、故障持续时间、故障发生起始时刻等。

故障类型故障类型主要包括单相接地、两相接地、两相故障和三相故障四种情况。每类短路发生的概率与电压等级和天气等有关。依靠现场的统计规律，它们各自发生的概率如下表所示:。

电压骤降概率指标电能作为一种比较特殊的商品，同样也具有商品的很多特征，如可被测量、其质量可用各种指标描述等。但是电能这种特殊的商品与一般产品的质量又有特殊之处，有如下特点:是一不完全取决于电力生产企业，甚至有的质量指标(如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度)往往由用户干扰决定:还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏引起;二是电能质量在空间和时间上均处于动态变化之中的。电能质量的这些特点说明电能质量的这些特点说明电能质量指标适合用概率统计指标来衡量。本研究是在蒙特卡洛仿真的基础上，通过故障计算，得到系统和敏感负荷点的一系列电压骤降概率指标。对各负荷点和整个系统给出定量的电能质量概率指标，不仅能发现整个电网中存在的薄弱点，而且也为是否采取适当的改善电能质量的措施提供了依据。