電壓暫降影響敏感負荷的評估測度研究進展

陳武，周學(xué)億，趙周芳，陳賓

（1.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川成都610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川成都610065；3.國網(wǎng)四川省電力公司技培中心，四川成都611130；4.國網(wǎng)湖南省電力公司永州供電公司，湖南永州425900）

電壓暫降影響敏感負荷的評估測度研究進展

陳武1，周學(xué)億2，趙周芳3，陳賓4

（1.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川成都610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川成都610065；3.國網(wǎng)四川省電力公司技培中心，四川成都611130；4.國網(wǎng)湖南省電力公司永州供電公司，湖南永州425900）

準確評估電壓暫降對敏感負荷的影響，不僅有利于供電部門采取合理的供電方案以提高用戶滿意度，還有助于人們研究出提高敏感負荷電壓耐受能力及降低電壓暫降對其影響的可行性方案，更有利于供用電部門根據(jù)電壓暫降的不同特性，制定出相應(yīng)的電壓補償策略與方案，使負荷電壓暫降經(jīng)濟損失降至最低.將敏感負荷電壓暫降敏感度評估方法分為實測統(tǒng)計法、動態(tài)模型法、模糊推理法、概率與數(shù)理統(tǒng)計法、多不確定性法，綜述分析各種評估方法的優(yōu)缺點，提出構(gòu)建負荷時變電壓耐受能力、電壓暫降強度與敏負荷電壓耐受能力綜合指標，應(yīng)用不確定性理論，建立統(tǒng)一的敏感負荷電壓暫降敏感度評估模型與方法是今后的重點研究方向.

電能質(zhì)量；電壓暫降；敏感負荷；評估測度

電能作為一種使用最為廣泛、高效、清潔的能源，其應(yīng)用程度已經(jīng)成為一個國家發(fā)展水平的主要標志之一.以計算機(PersonalComputer，PC)、可編程邏輯控制器(Program Logic Controller，PLC)、嵌入式處理器(Embedded Processor，EP)為核心的精密用電設(shè)備(統(tǒng)稱為敏感負荷)對電能質(zhì)量提出了更高的要求[1-2]，它們對電能質(zhì)量都極度敏感，電能質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的運行效率與國民經(jīng)濟的總體效益，供用電雙方對其的關(guān)注度與日俱增，在大量可再生能源并網(wǎng)和敏感負荷接入電網(wǎng)智能電網(wǎng)背景下，準確、定量評估電壓暫降對敏感負荷的影響尤為重要.

電能質(zhì)量分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和暫態(tài)電能質(zhì)量兩大類.穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量包括諧波、電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡、電壓波動與閃變等；暫態(tài)電能質(zhì)量包括電壓暫升、電壓暫降、電壓短時中斷等[2].電壓暫降是近年來暫態(tài)電能質(zhì)量中最突出、最嚴重的電能質(zhì)量問題，具有極強的不確定性屬性[3]，通常會給半導(dǎo)體制造、信息、計算機或電子通信等行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，并造成極大的社會影響，成為智能電網(wǎng)背景下用戶友好型電網(wǎng)規(guī)劃階段中重點考慮的問題[4-5].

不同類型的敏感負荷存在不同的電壓耐受能力變化范圍，其受電壓暫降影響的程度表現(xiàn)出極強的不確定性特征.本文從電壓暫降、敏感負荷電壓耐受能力及敏感負荷受電壓暫降影響的評估測度這一漸進層次出發(fā)，綜述分析各自的研究現(xiàn)狀，重點對電壓暫降及敏感負荷受其影響的評估測度體系領(lǐng)域研究進展進行闡述.

1 負荷受電壓暫降影響的評估過程

敏感負荷受電壓暫降影響的嚴重程度通常與電壓暫降及敏感負荷電壓耐受能力兩大因素密切相關(guān)，研究電壓暫降對敏感負荷的影響程度一般包含如下三個步驟[3]：

1）獲取系統(tǒng)側(cè)電壓暫降信息.如系統(tǒng)特定節(jié)點處的電壓暫降頻次(包含不同特征量).可從電力公司獲取或通過儀器監(jiān)測、隨機估計法等方法獲得.

2）獲取敏感負荷電壓耐受能力數(shù)據(jù).可通過設(shè)備制造商、實驗測試、典型賦值等方式獲得.

3）確定評估測度，定量評估電壓暫降對敏感負荷的影響.

2 系統(tǒng)側(cè)電壓暫降分析

2.1 儀器監(jiān)測法

儀器監(jiān)測法是獲得電能質(zhì)量信息的最為直接的方法，它通過系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點實現(xiàn)對電壓暫降的實時監(jiān)測，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析手段來考查電壓暫降情況[6-7].電壓暫降儀器監(jiān)測法因其簡單、便于實施，在一定時間內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用.

2.2 隨機估計法

電壓暫降受多種不確定性因素影響，具有極強的隨機不確定性.目前廣泛應(yīng)用的電壓暫降隨機估計法主要有臨界距離法和故障點法.臨界距離法[8]：由瑞典學(xué)者M.H.J.Bollen于1996年首次提出，應(yīng)用臨界距離法，可確定出引起特定類型敏感負荷出現(xiàn)故障的系統(tǒng)短路故障點所在區(qū)域；故障點法[9]：在給定系統(tǒng)故障點的情況下，直接計算電力系統(tǒng)內(nèi)公共節(jié)點處的電壓暫降幅值情況.

該方法僅研究了系統(tǒng)內(nèi)故障點、繼電保護動作情況等部分不確定因素對電壓暫降的影響，研究工作還有待進一步完善.

2.3 電磁暫態(tài)仿真法

為進一步分析電壓暫降的暫態(tài)變化過程，J.A.Martinez、A.J.Martin等人于2006年提出用于電壓暫降暫態(tài)仿真的評估體系建立方法[10]，指出電壓暫降仿真分析軟件應(yīng)滿足如圖1所示的幾個方面.

圖1 電壓暫降電磁暫態(tài)仿真軟件結(jié)構(gòu)

這種方法將實際電力系統(tǒng)進行簡化、抽象與建模，實現(xiàn)了對電壓暫降暫態(tài)變化過程的分析.由于仿真時間和數(shù)據(jù)存儲容量的限制，該方法通常只能針對簡單系統(tǒng)進行研究，而對于大型電力網(wǎng)絡(luò)則不太適用.同時，在仿真過程中短路點的設(shè)置以及故障狀態(tài)變量的概率模型都將對評估結(jié)果產(chǎn)生重大影響.因而，關(guān)于各因素的客觀的數(shù)學(xué)模型還有待深入研究，以期進一步提高評估結(jié)果的可信度與準確度.

2.4 狀態(tài)估計法

限于電壓暫降儀器監(jiān)測成本，不可能保證對實際系統(tǒng)中的每一個節(jié)點都進行實時監(jiān)測與評價.文獻[11]于2005年提出了“電壓暫降幅值估算”的狀態(tài)估計方法，實現(xiàn)用有限的電壓暫降信息估計出未安裝電壓暫降監(jiān)測裝置的節(jié)點處的電壓情況.然而，如何通過一定的優(yōu)化算法，實現(xiàn)電壓暫降監(jiān)測裝置的最優(yōu)化配置成為當前急需解決的重要課題.

2007年，E.Espinosa-Juárez和A.Hernández[12]利用電壓暫降監(jiān)測裝置矩陣與電壓暫降頻次矩陣之間存在的函數(shù)映射關(guān)系，結(jié)合最優(yōu)化約束條件，對電壓暫降監(jiān)測裝置的安裝數(shù)量及安裝位置等狀態(tài)變量進行了深入研究，提出了一套確定電壓暫降監(jiān)測裝置安裝與配置的有效方法.

必須指出，狀態(tài)估計算法僅僅是對“電壓暫降幅值估算”這一研究方向的初步嘗試，還有大量問題仍須深入研究，如電動機負荷特性以及負荷電流、含有分布式發(fā)電的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等問題對評估結(jié)果精度的影響等.

2.5 暫降域分析法

電壓暫降域[13]，是指當系統(tǒng)發(fā)生故障引起電壓暫降時，使所關(guān)心的敏感負荷不能正常工作的各故障點所在區(qū)域.

研究電壓暫降域?qū)τ谔岢龊侠淼碾妷簳航狄种拼胧┚哂兄匾闹笇?dǎo)意義，也為敏感負荷電網(wǎng)接入點的選取提供了理論依據(jù)，結(jié)合電壓暫降域，可快速確定特定區(qū)間的電壓暫降頻次及敏感負荷年故障次數(shù)，有助于指導(dǎo)電力系統(tǒng)運行人員的日常管理工作，能在一定程度上保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量及其安全運行水平.

3 負荷側(cè)電壓耐受能力分析

3.1 實驗測試

3.1.1 測試標準

敏感負荷電壓耐受能力測試標準[14-15]主要有：IEC 61000-4-11及IEEE Standard 1346-1998，推薦測試標準如表1所示.

表1 敏感負荷電壓耐受測試推薦標準

IEC 61000-4-11主要介紹了用于敏感設(shè)備電壓暫降、短時電壓中斷和電壓變化的電壓耐受能力測試技術(shù).IEEEStandard 1346-1998進一步提出獲取敏感負荷電壓耐受能力的具體步驟，包括：(1)獲取設(shè)備側(cè)電壓暫降信息，(2)明確設(shè)備安裝規(guī)范，(3)熟悉電力電子裝置中的能量儲存模式，(4)分析保護動作對敏感負荷工作狀態(tài)的影響，(5)表征敏感負荷電壓耐受能力.敏感負荷電壓耐受能力測試系統(tǒng)框圖如圖2所示．

圖2 敏感負荷電壓耐受能力測試系統(tǒng)框圖

上述標準的提出為評價電器（電子）設(shè)備與電壓暫降、短時電壓中斷和電壓變化之間的電磁兼容水平提供了重要參考，指明了獲取負荷電壓耐受能力的一般性步驟.

3.1.2 實測研究

2005年，英國學(xué)者S.Z.Djokic等人[16]對連接在測試端的多臺PC機進行了測試，得出較為全面的PC機電壓耐受能力數(shù)據(jù)，這些測試結(jié)果反映了不同諧波成份與運行狀態(tài)下PC機的電壓耐受能力，通過對電壓暫降實際環(huán)境的模擬，得出了工程上較為可靠的結(jié)論，具有很好的推廣性.

2008年，一個由國際大電網(wǎng)組織、國際供電會議、國際電熱協(xié)會等國際性組織發(fā)起成立的研究小組通過分析實驗測試結(jié)果，對常見敏感負荷做了細致歸類[17]（表2），為敏感負荷電壓暫降敏感度的后續(xù)研究提供寶貴的參考資料.

表2 常見敏感負荷

3.2 仿真分析

文獻[18]重點研究了平衡及不平衡電壓暫降影響下三相ACASD的運行狀況，通過多次仿真試驗繪制出了該裝置的電壓耐受曲線.該方法的主要優(yōu)點在于對電壓暫降特征量的選取可根據(jù)試驗需要任意設(shè)定，同時也便于對各類敏感負荷電壓耐受能力進行仿真測試.

4 負荷受電壓暫降影響的評估測度研究進展

4.1 基本概念

電壓暫降對敏感負荷造成影響是電力系統(tǒng)與用戶負荷之間電磁兼容問題的一種體現(xiàn)，屬敏感負荷電能質(zhì)量敏感度的研究范疇[19]，它反映了當提供給負荷的電能質(zhì)量不良時負荷能承受干擾仍正常工作的能力，這種承受能力還可用敏感負荷電壓耐受能力予以表征，該能力越低，其電壓暫降敏感度也就越高.一般用電壓暫降影響下敏感負荷的不同運行狀態(tài)[2,20]或負荷故障可能性[21,22]及故障概率[23-29]等方法作為其評估測度.

4.2 實測統(tǒng)計法

實測統(tǒng)計法以敏感負荷的工作狀態(tài)為考查對象，對敏感負荷電壓暫降敏感度作出定性評估[19-20].其顯著優(yōu)點是評估結(jié)果可信性高，但卻存在工作量大、所需測試樣本多及試驗周期長、評估結(jié)果不具有預(yù)測性、無法推廣至工程應(yīng)用等不足.

4.3 動態(tài)模型仿真法

采用動態(tài)模型仿真評估負荷電壓暫降敏感度的基本過程如圖3，該方法解決了實測統(tǒng)計法存在的諸多不足，文獻[2]提出敏感負荷電能質(zhì)量敏感度測試系統(tǒng)概念，對其組成、用途、功能進行了定義和描述；以ACC為例，建立其數(shù)學(xué)模型，通過改變ACC線圈的輸入電壓的幅值及持續(xù)時間，對其進行了大量實驗，同時，通過仿真實驗還獲得了表征其電壓耐受能力的ITIC(Information Technology Industry Council，ITIC)曲線.但是，現(xiàn)有的研究仍處于起步階段，對敏感設(shè)備各關(guān)鍵部份進行建模仍需深入研究.圖3展現(xiàn)了負荷電壓降敏感度的評估過程．

圖3 負荷電壓暫降敏感度評估過程

4.4 模糊推理法

模糊推理法通過考慮設(shè)備運行狀態(tài)具有模糊性這一特點，將設(shè)備故障當作模糊事件，對電壓暫降影響下的敏感負荷工作狀態(tài)進行多值邏輯評估.

文獻[21]在分析敏感負荷電壓耐受能力及供電系統(tǒng)側(cè)電壓暫降強度的模糊性的基礎(chǔ)上，提出一種基于IF-THEN推理規(guī)則的模糊推理方法，用以評估敏感負荷電壓暫降敏感度，具體的模糊推理規(guī)則為：(1)如果電壓幅值正常，持續(xù)時間作用不計，那么設(shè)備運行正常；(2)如果電壓幅值低，持續(xù)時間非常短，那么設(shè)備可能故障；(3)如果電壓幅值非常低，持續(xù)時間長，那么設(shè)備將出現(xiàn)故障.

模糊推理法的優(yōu)點是規(guī)則簡單、明晰，便于評估，該方法的主要不足之處在于未考慮設(shè)備電壓耐受能力的不確定性特性.

4.5 概率與數(shù)理統(tǒng)計法

概率與數(shù)理統(tǒng)計法將設(shè)備故障當作隨機事件，將其故障概率(或類似定量指標)作為敏感負荷電壓暫降敏感度的評估測度，其評估結(jié)果具有直觀、可預(yù)測性和易于比較的顯著優(yōu)點，為國際上應(yīng)用最為廣泛的評估測度.

文獻[22]提出一種簡單、快速的數(shù)理統(tǒng)計方法用以評估敏感負荷電壓暫降敏感度.作者采用幅值強度指數(shù)(Magnitude Severity Index,MSI)、持續(xù)時間強度指數(shù)(Duration Severity Index,DSI)、復(fù)合幅值時間強度指數(shù)(Combined Magnitude Duration Severity Index,MDSI)等一系列指數(shù)，分別表示電壓暫降事件的幅值強度、持續(xù)時間強度及其綜合強度；結(jié)合四種典型的敏感負荷電壓耐受能力，利用所提指數(shù)對其相關(guān)參數(shù)進行轉(zhuǎn)換；根據(jù)MSI和DSI所屬區(qū)間的不同，將敏感負荷受電壓暫降影響的決定性因素及最終結(jié)果(由MDSI表征，其值越大，受影響越嚴重)分為5個類別用以判定敏感負荷電壓暫降敏感度.

2006年，英國曼徹斯特大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院J.V.Milanovic教授[23]基于概率與數(shù)理統(tǒng)計理論，首次提出敏感負荷電壓暫降敏感度的概率評估方法.作者根據(jù)不同的設(shè)備電壓耐受能力特性，分別假設(shè)其服從均勻、正態(tài)、指數(shù)、反指數(shù)分布，用相應(yīng)的概率密度函數(shù)表征設(shè)備電壓耐受曲線在電壓幅值－持續(xù)時間平面上的不確定區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律，直接根據(jù)設(shè)備電壓耐受曲線的概率密度函數(shù)評估設(shè)備電壓暫降敏感度.

我國學(xué)者亦在此基礎(chǔ)上對敏感負荷故障條件做了深入細致的分析，對敏感負荷電壓暫降敏感度計算式進行了詳細的修正，使其物理意義更為明確，提出了適用性強的敏感負荷電壓暫降敏感度評估新方法[24-25].

從實際應(yīng)用來看，概率與數(shù)理統(tǒng)計法存在大量主觀假設(shè)，無法反映電壓暫降與敏感負荷電壓耐受能力兩者真實的數(shù)理統(tǒng)計規(guī)律.

4.6 多不確定性評估方法

2007年，文獻[26]根據(jù)國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)相關(guān)標準，分別用概率密度函數(shù)來模擬系統(tǒng)擾動水平和敏感負荷的抗擾動能力的隨機特性，運用常規(guī)可靠性理論構(gòu)造了敏感負荷電壓暫降敏感度的概率評估方法.值得一提的是，文中首次考慮了電力系統(tǒng)側(cè)電壓暫降的隨機不確定性，為敏感負荷電壓暫降敏感度的后續(xù)研究提供了全新視角.

文獻[27]在前述研究成果基礎(chǔ)上，計及電壓暫降的隨機性和敏感負荷電壓耐受能力的模糊性，采用概率作為敏感負荷電壓暫降敏感度的評估測度；對電壓暫降影響下敏感負荷實際運行狀態(tài)進行分析，根據(jù)模糊安全事件隸屬函數(shù)的確定原理和方法，構(gòu)建敏感負荷故障狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，提出了能同時反映各影響因素的負荷電壓暫降敏感度評估方法.

在綜合考慮電壓暫降影響下負荷失效事件發(fā)生和后果嚴重程度的復(fù)雜不確定性后，文獻[28]、[29]分別運用云模型、隨機熵、模糊熵、交叉熵度量刻畫相應(yīng)的不確定性，建立了負荷電壓暫降敏感度的云模型及最大混合熵評估方法.

上述方法解決了敏感負荷運行狀態(tài)難以描述的問題，對系統(tǒng)側(cè)與負荷側(cè)的不確定性問題進行了深入研究，所提方法不需專家經(jīng)驗或主觀假設(shè)，能客觀地反映實際情況.

5 結(jié)論與展望

敏感負荷接入點的電壓暫降嚴重程度、負荷的電壓耐受能力及其自身運行狀態(tài)均是影響其電壓暫降敏感度的重要因素，敏感負荷電壓暫降敏感度的評估涉及到大量不確定性信息的處理，不確定性數(shù)學(xué)理論成為處理這類問題的有效工具.本文僅對上述不確定性影響因素及負荷電壓降敏感度評估方法進行了初步介紹，對有關(guān)研究方法的優(yōu)、缺點進行了簡要評析，其研究深度和廣度有待進一步拓展：

1）敏感負荷電壓耐受能力的時變特性分析與建模.

負荷本身在服役期間內(nèi)，隨著使用年限的增加、工作環(huán)境等因素的影響，其故障率會發(fā)生一定的變化，在這一過程中，負荷的電壓耐受能力也必然會隨著其自身故障率的變化而發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其電壓暫降敏感度也隨之發(fā)生變化.

2）提出合理的電壓暫降強度與敏感負荷電壓耐受能力綜合指標.

電壓暫降包含多種特征量，如電壓暫降幅值、持續(xù)時間、頻次、相位跳變、波形起始點、波形畸變率等.傳統(tǒng)評估方法通常對電壓暫降特征量進行簡化，僅取較為常見的幅值、持續(xù)時間、頻次等，導(dǎo)致各個特征量之間的聯(lián)系較少，未能形成一個統(tǒng)一的指標反映電壓暫降的嚴重程度.此外，敏感負荷電壓耐受能力作為影響其電壓暫降敏感度的內(nèi)因，至今未能得到全面、合理的定義.現(xiàn)有的研究成果只考慮了敏感負荷對于電壓暫降幅值與持續(xù)時間的耐受能力，而對于其他電壓暫降特征量的耐受能力卻未進行深入研究.

3）基于不確定性理論，系統(tǒng)研究隨機性、模糊性、粗糙性、區(qū)間性等，建立統(tǒng)一、完備的負荷電壓暫降敏感度評估模型與方法.

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【編校：王露】

Overview of Evaluation Measure System of Vo ltage Sag Im pact on Sensitive Load

CHENWu1,ZHOU Xueyi2,ZHAO Zhoufang3,CHEN Bin4
(1.Chengdu PowerSupply Bureau,Sichuan Electric PowerCorporation,Chengdu,Sichuan 610041,China;2.Sichuan Electric PowerCorporation Extra(Ultra)High VoltageOperation&Maintenance Company,Chengdu,Sichuan 610065,China; 3.Technical Skills Training Center,Sichuan Electric Power Corporation,Chengdu,Sichuan 611130,China;4.Yongzhou PowerSupply Bureau,Hunan Electric PowerCorporation,Yongzhou,Hunan 425900,China)

An accurate evaluation of the impactof voltage sag on sensitive load is notonly conducive for utilities to take reasonable power supply programs and improve customer satisfaction,but also helps to come up with feasibility program which can increase the voltage tolerance capability of sensitive load,and reduce their sensitivity to voltage sags.The assessment isalso beneficial to theutilitiesand customers in that itcan help them take reasonable solutionsof power supply and formulate corresponding voltage compensation strategies and programs according to the different characteristics of voltage sag soas tominimize the economic losses.The evaluationmethodsof load sensitivity to voltage sag are divided into statisticalmethod,dynamic modelmethod,fuzzy reasoningmethod,probability and mathematical statisticsmethod, multi-uncertaintymethod,advantages and disadvantages of these evaluationmethods are analyzed and compared in detail.Finally,this paper proposes thathow to use uncertainty theory to establish a unified sensitive load voltage sag sensitivity evaluationmodelandmethod which containsvarying voltage tolerance capability and the integrated index of voltage sag intensity and voltage tolerance capability are the focusof future research interest.

powerquality;voltage sag;sensitive load;evaluationmeasure

TM714

A

1671-5365(2014)12-0068-05

2014-07-18修回：2014-08-02

陳武（1984-），男，碩士，工程師，研究方向為電能質(zhì)量分析與控制

時間：2014-08-22 15:23

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140822.1523.004.htm l