（电力系统及其自动化专业论文）电力系统中的电压瞬间跌落研究.pdf

浙t l + 大学钡十学位论文 a b s t r a c t t h ev o l t a g e s a g ，o n e o ft h em o s t i m p o r t a n td y n a m i cp o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c e s ，m a y c a u s et h e m i s o p e r a t i o n o fa ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m s s e n s i t i v el o a d sa n dc o s tal o to fm o n e y v o l t a g es a gh a sb e e ng i v e ng r e a t i n t e r e s t sa l lo v e rt h e w o r l d , e s p e c i a l l y i nt h ei n d u s t r i a l i z e dc o u n t r i e s t h i st h e s i sp r e s e n t st h eb a s i cc o n c e p t s ，t h ec h a r a c t e r i z a t i o no f v o l t a g es a g ， w h i c hi n c l u d e sm a g n i t u d e ，d u r a t i o n , a n d p h a s e - a n g l ej u m p s t h eb a s i cv o l t a g e s a ga n a l y t i c a lt e c h n i q u e s b a s e do nc i r c u i t t h e o r y a n dr e l i a b i l i t y t h e o r yi s f o l l o w e d m e t h o d so ft h e i rm e a s u r e m e n t sa n dc a l c u l a t i o n sa r ca l s ob e e n d i s c u s s e d s t o c h a s t i ca s s e s s m e n ta n dh a r m f u l n e s s o f v o l t a g es a g s a l e g i v e no u t , t o o an e wm e t h o db a s e do i lf a u l t a n a l y s i s ( s h o r tc i r c u i ot h e o r y i sg i v e no u tt o e s t i m a t ev o l t a g es a gl e v e l sa n dt h en u m b e ro f v o l t a g e ss a g sa tap a r t i c u l a r c u s t o m e rl o c a t i o ni nad i s t r i b u t i o ns y s t e m a sa ne x a m p l e ，t h ei e e e3 0n o d e s s y s t e mh a sb e e nc a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sb e e na n a l y z e d i nt h ee n ds o m e c o u n t e r m e a s u r e s a g a i n s tv o l t a g es a g sa l eg i v e n o u t k e y w o r d s ：v o l t a g es a g ；s u s c e p t i b i l i t y ；v o l t a g et o l e r a n c e ；p h a s e - a n g l e j u m p s 浙江大学硕上学位论文绪论 第一章绪论 本世纪二次世界大战后，从计算机技术引发、催生了举世注目的“三c ”革命 ( c o m p u t e r ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ) ，使我们进入了一个前所未有但激动人心的时代 信息时代，我们的社会也进入了信息社会，或者称之为数字社会。相应的，我们 所处的信息社会对供电质量提出了严峻的挑战。正在悄然来临的以信息技术为先导的 知识经济时代所需求的电力供应，应当具有高可靠性、高动态特性、控制灵活、应用 方便等特点。随着国民经济和科学技术的发展，微电子器件与电力电子技术的广泛应 用，对电能质量的要求越来越高；同时，由于非线性、冲击性或不对称负荷等接入电 力系统或其他扰动源( 如系统短路故障) 存在，造成了大量的电能质量问题，不但影 响公用电网的安全运行，还对各种电力用户的用电过程造成直接或间接的危害。 目前，对电能质量这一术语尚未形成统一的定义。站在不同的角度看，关注电能质 量问题会有不同的观点。从供电角度看，电能质量是指供应电力的参数符合标准和供 电可靠性的程度：从用电设备的角度看，电能质量是指对设备所要求的电能特性；从 用户角度看，电能质量是指一切会引起用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、 电流及频率的异常扰动。通常电能质量问题主要反映为电压质量问题。i e e e 给出电能 质量问题的一般解释为【4 】：在供电过程中导致电器设备出现误动作或者故障损坏的任何 异常现象，比如电压瞬间跌落、过电压、谐波畸变和电气噪声等。i e e e 的这种解释将 电能质量界定在电压质量上。 目前威胁信息社会电能质量的主要问题不是谐波问题，也不是长期低( 或高) 电压， 而是近几年随着信息技术的飞速发展而暴露出来的另一类电能质量问题现代电能 质量问题。这类电能质量问题还未为人们所熟知，但其造成的经济损失却非常巨大。 在美国，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的国民经济损失高达3 0 0 亿美元【4 7 】。 现代电能质量问题主要是电压瞬间跌落( 或上升) 、谐波、电压不平衡以及闪变。 电压瞬间跌落对信息业的影响很大，据估计8 0 的服务器出现瘫痪以及用户端4 5 左 右的数据丢失和“出错”均与此相关h 酊。电压瞬问跌落所造成的实际损失远大于所能 计算出的直接损失。另据文献1 4 9 介绍，因电压瞬间跌落而引起的事故次数大约是完全 供电中断而引起的事故次数的l o 倍。这表明现代电能质量问题已成为目前影响供电可 靠性的主要干扰，是信息社会供电质量问题的主要特征。 一 l 浙江人学硕上学位论文绪论 1 1传统电能质量 传统的供电质量都是基于系统稳态而言。目前电力企业对电能质量的评估主要依据 国家技术监督局相继颁布的涉及电能质量六个方面的国家标准，即： g b1 2 3 2 51 9 9 0 供电电压允许偏差； g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 公用电网谐波； g b t1 4 5 4 3 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度； g b t1 4 5 4 5 1 9 9 3 电力系统频率允许偏差； g b1 2 3 2 62 0 0 0 电压波动与闪变； g b t1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 暂态过电压和瞬态过电压。 以上标准是我国公用电网正常运行应满足的条件，即针对供电系统稳态性能方面的 要求而制定。执行电能质量的国家标准是维护公用电网电能质量的基础。 传统电能质量的概念主要强调供电系统稳态的特征，如电力企业常统计供电电压和 频率的合格率百分数来说明供电对用户的可靠性，而不注重其暂态特征。目前电力企 业对电能质量的控制手段仍然主要依赖于对供电电压的调整，主要包括以下几种手段： 1 ) 调节变压器分接头开关进行调压。 投切固定电容器进行无功补偿调压。 3 ) 用户侧配备晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器等静止无功补偿设备。 1 2 现代电能质量新概念 近些年来，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，电子控制器、p l c 、精密机 械工具、微型电机、计算机装置等用电设备在电力系统中大量投入使用，他们泔系统 干扰比一般机电设备更加敏感，对供电质量提出了更全面更加苛刻的要求，即高动念 恒定特性，哪怕仅仅几个周期的供电中断或电压瞬间跌落都将影响这些设备的i 卜常t 作，造成巨大的经济损失。我们将这类电能质量问题称为现代电能质量问题。 现代电能质量问题主要包括暂念过电压、电压瞬间跌落、电压瞬问上升、供电瞬问 浙江人学硕上学位论文绪论 中断问题。这其中的许多电能质量问题目前还没有国际( 或国家) 标准，如电压瞬间 跌落( v o l t a g es a g ) 、电压瞬间上升( v o l t a g es w e l l ) 、短期与中期电压中断等等。没有 标准表明仍然有大量工作要做，但并不说明不重要。一些敏感负荷在用电申请与电能 质量投诉上很多涉及该类问题口0 】。 敏感的信息用电设备对于甚至是几个周波的供电中断或电压瞬间跌落都会受到影 响。因此现代电能质量的评估应该当以用户侧的需求为标准，而不是单单由一个或几 个行业来决定。 目前国际上普遍认为电压幅值低于o 1p u 或大于0 5 周期的供电中断对敏感负荷来 讲都是断电故障。这对于传统观点是一种挑战。过去的自动重合闸或自动切换装置， 其机械开关的操作至少需要几个周波才能恢复供电，难以适应信息社会对电能质量的 需求。电压瞬间跌落越来越成为危害用电设备的严重现代电能质量问题。 信息技术的发展，用电负荷性质的变化，使得现代电能质量出现了新的问题，短时 供电中断和电压跌落已成为困扰敏感的信息电力用户供电的主要问题。因此，电能质 量的内涵得以进一步扩展，除了供电系统的稳态性能，也对其暂态性能提出了新的理 解。低水平的现代电能质量可能对敏感负荷造成巨大损害。 随着电力电子技术的发展，电力电子设备已开始进入配电系统并为解决电能质量控 制提供了技术手段。近年来，国外提出了“定制电力”( c u s t o m p o w e r t e c h n o l o g y ，有人 也称之为用户电力技术) 的概念，即使用电力电子技术提高供电可靠性和实现电能质 量严格控制。定制电力正是根据信息电力时代产生的更加复杂的电能质量问题而提出 的一种为用户提供优质电力的新的方法和途径，要求供电方能够根据用户的要求提供 满足其特定需求的电能质量5 1 】。定制电力实现的基础是j 下在蓬勃发展的现代电力电子 技术及相关的监测和控制技术，这些技术应用于配电领域即d f a c t s ( 柔性配电技术) ， 其原理就是通过检测电能质量的相关参数，控制快速的电子开关( 动作时间在i n s 级) 进行相应的补偿，从而提供满足特定用户需求的电能质量。这些参数不但包括传统电 能质量的要求，也包括现代电能质量的要求。目前国际知名公司及研发机构对该领域 的研究进行了大规模的投入，已有多例在配电网和特殊用户端投入了运行。这些装置 既能对在稳态特性超到补偿的效果( 如提供快速的无功支撑，稳定电压波形，消除谐 波，抑制波动和闪变) ，又能进行动态补偿，平滑短时的供电电压中断和电压瞬间跌落， 浙江大学硕士学位论文 绪论 为敏感用户提供优质的电能。 用于改善电网电能质量的定制电力技术主要用到以下装置。 1 ) 静止调相机( s t a t c o m ) ，用以调节电压和系统功率因数，用于动态非线性负载， 如电弧炉等。 2 ) 固态电子转换开关( s s t s ) ，用于双回线路的切换，克服传统的机械开关反应慢 的弊端，保证对重要用户可靠供电。 3 ) 动态电压恢复器( d v r ) ，补偿电源电压波动和闪变等，用于敏感负荷，如半导 体生产厂家。 不间断稳压电源( u p s ) ，用于重要负荷，如银行、医院等。 5 ) 有源滤波器( a p f ) ，抑制非线性负载产生的电流谐波，消除其对电网造成的谐 波污染。 定制电力技术家族中的各种现代电能质量补偿控制设备的特点是可以快速、动态地 补偿配电网中各种电能质量问题，对电力系统运行的影响小。它们的协调配置可将配 电系统改造成无电压波动、无不对称以及无谐波的柔性化网络，满足电力负荷对电能 质量日益提高的需求。 当然，实现定制电力的前提是现代电力电子技术的发展和经济适用性。器件的发展 一方面使得器件本身的可靠性不断提高，这对于应用到电力系统而言是尤为重要的； 另一方面使得器件的控制策略更加灵活，控制速度更加快捷，应用到电力系统，彳能 做到真正的柔性输配电。从国外发达国家来看，d f a c t s 技术已经逐渐成为电力公司 和用户的最佳选择口”。 表1 1 是对电能质量各种指标的分类和描述1 4 。 4 浙江大学顾十学位论文绪论 表1 - 1电能质量各种指标的分类和描述 类别持续时间电压幅值 瞬 低频o 3 5 0 m s 0 - 4 p u 变 震 现 荡 中频 2 0 u s 0 - 8 p u 象 高频 5 u s 0 - 4 p u 中断 0 5 - 3 0 t o 1p u 瞬 凸起 o 5 3 0 tl - 1 - 1 8p u 短 间 跌落 o 5 3 0 t0 1 - 0 9p u 时 电 暂 中断3 0 1 弓s l m i n0 8 - 0 9p 1 l 过电压 l m i n1 1 - 1 2p 1 l 电压不平衡稳态 o 5 2 电压波动 z 5 h z间歇o 1 - 0 7 频率变化 l o s 直流偏移稳态0 一o 1 波 谐波0 1 0 0 次稳态 0 - 2 0 形 间歇波 o - 6 k h z稳态o - 2 畸 变 噪声宽带稳态o _ 1 波形下陷稳态 ( 注：t 为工频周期) 电能质量的内涵需要扩展，其暂态扰动现象需要做进一步的研究并形成新的规 范。目前我国正在对原有电能质量相关的标准进行进一步的修订，同时也在准备制定 有关电压瞬间跌落和短时供电中断等新的动态技术指标方面的标准，为现代电能质量 的评估提供依据。 1 3电压中断与电压瞬间跌落 短时电压变动，尤其是电压中断和电压瞬间跌落已经成为国际上关注的问题。这些 浙江人学硕上学位论文 绪论 现象往往由于供电线路遭雷击对地闪络，或系统发生短路故障产生的。短时的电压变 动对于有较强惯性矩的传统机电设备不会造成明显的影响，但会严重影响现代信息用 电设备的正常使用，成为现代电能质量的主要问题之一。 当供电电压降低至接近于零，则称发生了电压中断现象。下表是国际上被广泛采用 的几个标准欧洲标准( e n 标准，以后简称e n 标准) 、国际电气与电子一 程师协 会标准( i e e e 标准，以后简称i e e e 标准) 、国际电工委员会标准( c 标准，以后 简称i e c 标准) 对电压中断的命名和和对“供电电压降低至接近于零”的解释。 表1 2e n 标准、i e e e 标准、i e c 标准对电压中断的命名和解释 标准名字定义 e n5 0 1 6 0 s u p p l yi n t e r r u p t i o n e es t d 1 1 5 9 v o l t a g ei n t e r r u p t i o n 电压下降到额定值的1 0 以下 e es t d 1 2 5 0 i n t e r r u p t i o n m c i n t e n u p t i o n 电压下降到额定值的1 以下 表1 1 3 是国际上的几个标准根据中断时间长短对电压中断的分类。从表1 3 中可以 看出，各个标准对电压中断的定义并不一致，从一个侧面表明这个领域问题的研究还 不成熟。在这里，将持续时间为0 5 周波至3 0 周波称瞬时中断；持续时间为3 0 周波( 含 3 0 周波) 至3 秒称暂时中断；持续时间为3 秒( 含3 秒) 至1 分钟称短时中断；持续 时间大于1 分钟称为持续中断。 表1 _ 3 国际上的几个标准根据中断时间长短对电压中断的分类 标准名称说明 c和e n l o n gi n t e r r u p t i o n s 长时中断大于3 r a i n 5 0 1 6 0s h o r t i n t e r r u p t i o n s 短时中断小于3 m i n i e e e m o m e n t a r yi n t e r r u p t i o n s 瞬间中断o 5 t 一3s s u s t a i n e d i n t e r r u p t i o n s 持续中断大于3s s t d l l 5 9 1 9 9 5 t e m p o r a r yi n t e r r u p t i o n s 暂时中断3s l r a i n i e e ei n s t a n t a n e o u s i n t e r r u p t i o n 瞬时中断 0 5 t 一3 0 t s t d 1 2 5 0 - 1 9 9 5 m o m e n t a r yi n t e r r u p t i o n 瞬间中断3 0 t 一2s t e m p o r a r yi n t e r r u p t i o n 暂时中断2s 一2 m i l l s u s t a i n e di n t e r r u p t i o n持续中断大于2 m i n 根据国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 的定义 4 1 ，电压瞬间跌落指电力系统中工 频电压有效值迅速下降到额定值的1 0 一9 0 ，持续时间为1 0 m s 到几秒钟。而i e c 标 准对电压瞬间跌落的定义“则是：电力系统中工频电压有效值迅速下降到额定值的 6 浙 丁大学碗十学位论文绪论 1 一9 0 ，持续时间为1 0 m s 到1 分钟。 图1 1 是两个典型的电压瞬间跌落波形图。 n p - i 八n l i w 6 7 8 一 ( b ) 图1 1 电压瞬间跌落波形图 表1 4 是电压瞬间跌落和短时电压中断的详细比较。从某种意义上说，电压瞬间跌 落的危害程度比短时电压中断严重阳，这是由电压瞬间跌落自身的特点决定的： ( 1 ) 发生频次远高于短时电压中断。当保护装置跳闸切断给某一用户供电的线路时， 将出现电压中断，这种情况一般仅在该线路上发生故障时才会出现，而相邻的非故障 线路上将出现电压瞬间跌落。对于电力系统的许多故障，大多数用户在故障期间均将 发生电压瞬间跌落，故电压瞬间跌落的影响范围要比电压中断大。从统计角度来讲， 也就是电压瞬间跌落的发生频次远远高于电压中断。 ( 2 ) 电压瞬间跌落更具有全局性。电压中断一般是当地配电线路上的故障引起的 而负荷处的电压瞬间跌落，则可能是由数百公里外的输电系统的短路故障引起的。 ( 3 ) 为减小电压瞬问跌落频次，不仅要减少本馈电线的故障次数，同时也要提高平 行线路及输电线路的供电质量。 7 浙江大学硕1 学位论_ 盘= 绪论 表1 4 电压瞬间跌落与短时电压中断的详细比较 电压瞬间跌落短时电压中断 1 、丌关操作、变压器以及电容器组的投切l 、某些输电系统故障 2 、输电或配电系统故障2 、用户所在馈电线故障 起因 3 、大负荷的投切 3 、平行馈线故障时。保护误动 4 、大容量感应电动机的启动 1 、故障点与p c c 点( 公共连接点) 的距离无 影响幅值大 2 、故障点附近是否有充足的电源 3 、故障发生在变压器的原边还是副边 小的因素 4 、变压器的接线方式 5 、系统阻抗 影响持续时 l 、断路器动作或熔短丝熔断的时间 l 、保护及断路器动作或熔断丝熔断时间 2 、保护动作时间2 、将负荷从故障端转向正常电源端的时间 甸的因素 3 、电动机启动带负荷情况3 、自动重合闸的整定时间 影响发生频 l 、输电线、断路器和变压器的故障率1 、该系统的备用情况 次的因素 2 、自动重合闸的允许重合次数2 、是否有用于分隔的断路器或隔离开关 影响相移的 1 、变压器的接线方式无 2 、故障类型 因素 3 、故障点与电源点和p c c 点间的x r 比不同 影响三相不 1 、故障类型1 、故障类型 2 、变压器的接线方式2 、变压器的接线方式 平衡的因素 3 、负荷类型3 、负荷类型 图1 2 是电压中断和电压瞬间跌落在电压幅值和持续时间在坐标系内的分布情况， 在一定程度上也说明了电压瞬间跌落和瞬时电压中断的区别。 1 1 0 曾o 压 百 分 比 1 0 瞬间电压上升持续高压 正常运行电压 电压瞬问跌落持续低压 瞬时中断歹中断芦断 r| t ， 椿缉中断 图1 2 电压中断和电压瞬间跌落在电压幅值一时间坐标系内的分布情况 浙江人学硕上学位论文 绪论 1 4 电压瞬间跌落在现代电能质量中的重要地位 近几年来，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机和微处理器的管 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负荷中占的比例大 幅增加，它们对系统干扰比一般用电设备更加敏感，对供电质量的要求更加苛刻。在 许多国家，电压瞬问跌落已经上升为影响用电设备安全稳定运行的最重要电能质量问 题1 2 7 1 1 5 2 】。 在发达国家，对电能质量问题的调查表i 蝈1 5 2 ，对配电网终端的电力用户影响最大 的电能质量问题就是电压瞬间跌落或上升，其次才是谐波问题。排在第三位的是接地 或配线线路问题。这三种电能质量问题占到了总数的8 5 。图1 3 是各种电能质量问 题所占的比重【5 2 】。 图1 3 各种电能质量问题所占的比重 由图可见，电压瞬间跌落几乎占到了电能质量问题的一半( 4 8 ) ，在所有电能质 量问题中是比例最大的。它主要由短路、雷击、开关操作、变压器以及电容器组的投 切、大容量感应电机启动等原因造成。随着复杂电子设备在备用电部门的广泛应用， 它们对快速电压变化较为敏感，如电压瞬间跌落易引起计算机系统紊乱、调速设备跳 闸以及机电设备误操作等。电压瞬间跌落是使这些敏感设备不能正常工作的主要原冈 湖 9 浙江大学硕士学位论文电压瞬间跌落概述 第二章电压瞬间跌落概述 2 1电压瞬间跌落的特征量 电压瞬问跌落一般可以用三个量来描述：跌落幅值、持续时间和电压的相角跃变。 2 1 1跌落幅值 跌落幅值可以反映电压下降的程度，是描述电压瞬间跌落的一个非常重要的参数。 图2 1 便是图1 1 ( a ) 所示波形对应的电压瞬间跌落幅值示意图。 在电压瞬间跌落的分析中，通常将电压瞬间跌落后供电系统中的残留电压有效值与 额定电压有效值的比值定义为电压瞬间跌落的幅值，如图2 1 所示v 。，但在使用电 压幅值时容易出现混淆。例如，“3 0 跌落”可能是指结果电压为o 7 p u 或o 3 p u 。虽 然现在还没有特别规定说明，国内和国际标准多采用后者。“3 0 跌落”含义是“下降 为3 0 ”，即在此期间有效值降低了7 0 。 v l 0 5 o 2 l 卜_ t + l ， u v s a g 123 4567891 0 i 时问 图2 1电压瞬问跌落幅值示意图 由于电压的测量只能是对不同时刻的电压进行采样，因此必须计算这些采样值才能 得出结果。如果一个周波采样2 5 6 点，在某一时刻的计算值应该是和这一时刻前面的 2 5 5 点采样值进行计算： 1 0 浙江大学倾十学位论文电j t 瞬间跌落概述 删( 七) = ( 2 1 ) 式2 1 中n = 2 5 6 ，v i 是时域上的电压采样值。由此可以看出电压的均方根值并不是 立刻显示出电压的下降，由于前面2 5 5 个采样值的影响，电压的真实降落需要滞后一 段时间_ 才能显示出来。同理，电压的回升也是这样。从图2 1 中可以看到电压有效值的 降落比实际的电压瞬间跌落延迟了大约半个周波，电压的回升也比电压瞬间跌落的消 失延迟了半个周波。将计算窗宽改为半个周波或者四分之一周波可以减小这种误差。 经常用图2 2 所示模型来计算跌落幅值。图中z s 代表送电线路l l 的阻抗，z f 代表 馈电线路l 2 的阻抗。利用这个模型来可以计算当如图所示f 处发生故障时c 处感受 到的电压瞬间跌落。 做如下假设：l 、忽略负荷电流；2 、电源电压是额定电压l 。 图2 2电压瞬间跌落的计算模型 由于故障点f 发生故障引发c 处发生电压瞬间跌落的跌落幅值，可用式2 2 来计算 = 彘 ( 2 2 ) 如果用z 代表馈电线路单位距离的阻抗，表示馈电线路的长度( 也就是c 到故障 点的距离) ，那么上式也可以写作： 一= 矗 浙江大学硕+ 学位论文电压瞬间跌落概述 故障点和c 的距离越近，跌落幅值v s a g 越小，电压瞬间跌落越严重，负荷受到的 影响越大。 2 1 2 电压瞬间跌落持续时间 电压瞬问跌落持续时间是指从电压有效值下降到一定的阈值( 一般取9 0 ) 开始 到电压恢复到此阈值所经历的时间( 如图2 1 所示t ) 。如果电压瞬间跌落是由于系统 发生瞬时短路故障引起的，那么这段时间通常受重合闸时间的影响，比故障的恢复时 间要长一些。一般说来，由输电线路发生故障引起的电压瞬间跌落持续时间要短得多， 原因就是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。而配电线路的保护大部分都是过流保护，分段式过流保护更增加了故障切 除时间，导致电压瞬间跌落的持续时间增加。 通常，人们将电压瞬间跌落从发生到结束之间的时间定义为持续时间，这对矩形形 状的电压瞬间跌落来说是准确的，但对非矩形形状则不够精确。文献网指出，约有1 0 的电压瞬间跌落幅值是非矩形的，对于这种非矩形形状的幅值，其跌落持续时间的界 定是近似的，也是比较困难的。对于所谓的“故障后电压瞬间跌落”事件，就存在这 种问题。当线路故障被清除时，电压还未立即恢复，这时若公共母线上接有大容量电 动机负荷，电动机在电压上升时，重新加速启动，导致母线电压下降，从而形成“故 障后电压瞬间跌落”，对于这种电压瞬间跌落事件，电压瞬间跌落持续时间的界定是困 难的。 文献【7 】给出了确定电压瞬间跌落持续时间的另一种方法：“对周期为t 的单相电压， 当在一个时间窗口( 其宽度是t 2 的倍数) 内计算的r m s 值小于9 0 标称电压时， 就发生了电压瞬间跌落。它开始于上述条件被确认的窗口中第一个窗口的起点，结束 于最后一个窗口的终点”。 图2 1 3 是电压瞬间跌落的持续时间和幅值的统计图嘲。其中：l 一输电系统故障，2 一 限流熔断器，3 一当地配电网故障，4 一远方配电网故障，5 一大型电机启动，6 一短时供电中 断。这张图大体显示了不同深度、不同持续时间的电压瞬问跌落分布情况。 浙t l 大学坝十学位论文电压瞬问跌落概述 1 电 压 百 分 比 2 1 3相角跃变 图2 3电压瞬间跌落深度和持续时间的统计 电压瞬间跌落不仅造成电压的降落，同时还会造成相角的跃变。近年来，人们己认 识到电压瞬间跌落所伴随的相角跃变对用电设备的影响，并将其作为衡量电压瞬间跌 落的特征量之一。但如何对三相系统中任一相发生电压瞬间跌落的相位跳变及其它特 症量进行实时检测仍是人们探讨的问题。文献 5 3 】给出了“瞬时电压d - q 变换法”，可 对任一相所发生电压瞬间跌落的相位跳变、幅值和起止时刻进行实时检测。 仍然可以利用图2 2 所示的模型来计算相角跃变，其中z s 和z f 都是复数， z 删) ( s ，z f r 州x f 。 c 处电压相位的变化值可以由下式计算： 批鹕一鹕 等 这个跃变角受线路l l 和l 2 参数的影响。如果线路l l 的阻抗z s 和线路l 2 的阻抗 z ，的复角相等，相角跃变问题就不存在。可以利用锁相环技术获取这个跃变角。 并不是所有的用电设备都会受到电压相角跃变的影响，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。 浙江大学硕士学位论文电压瞬间跌落概述 2 2电压瞬间跌落发生的频度 某地区电压瞬间跌落发生的频率也是评价该地区供电质量的一个重要的指标。在某 固定的时间段内，发生多少次电压瞬间跌落，这些电压瞬间跌落的跌落幅值、持续 时间等等参数的分布范围对电力用户设备状态有不同的影响。 2 3电压瞬间跌落发生的原因 系统发生瞬时短路故障是电压瞬间跌落发生的主要原因。目前从监测出故障到隔离 故障最快也需要3 个6 个周波。变电站某条出线若发生短路故障，保护装置动作将其 隔离，与此变电站相连的其他线路将经受一次电压瞬问跌落。这种电压瞬间跌落占到 总数的7 0 以上 1 1 1 。排除瞬时故障的快速重合闸装置动作也会使相邻线路遭受电压瞬 间跌落。另外，重合闸动作不成功时，电压瞬间跌落将增加一次。 雷击引起的线路对地放电或绝缘子闪络是造成系统电压瞬间跌落的另一主要原因。 这在落雷较多的地区尤为明显。 大功率用电器( 例如电动机) 启动或者重负荷出力迅速增加时也会导致附近区域电 压的短时间降低。这种电压瞬间跌落一般下降幅度不大，但是持续时间比较长。 和停电不同，电压瞬间跌落是不可预测的随机事件，通常引起工业用户生产中断或 者生产报废品，造成巨大的经济损失。 2 4电压瞬间跌落造成的危害 电压瞬间跌落能够对计算机、复杂电子设备、精密仪器、可编程控制器、变频调速 电机等许多用电设备造成不利影响。利用芯片来工作的设备如复印机、电梯、银行自 动取款机等会因电压瞬间跌落出现故障。表2 1 给出了电压瞬间跌落对常见电子设备的 影响，图2 3 给出了一次电压瞬间跌落对发达国家各种工业造成的损失估计【2 3 1 。从图 中可以看出，越是高新技术产业，受到的影响越大。 1 4 浙江大学硕士学位论文 屯压瞬问跌落概述 表2 1电压瞬问跌落刘电子设备的影响1 2 】 s l 设备名称电压瞬间跌落描述造成的影响 计算机电压低于6 0 、持续时间超过1 2 个周计算机程序紊乱，数据丢失 波 程序失控需要很长时问才能重新 计算机控制系统 启动 研究表明当电压低于5 0 、持续时间接触器被脱扣；而有的研究表明， 交流接触器超过1 个周期当电压低于8 0 、甚至更高，接触 器就会脱扣 电压低于7 0 、持续时间超过6 个周v s d 被切除 调速电机( v s d ) 期时 电压低于8 0 直流电机被跳闸，每次损失数量级 直流电机 达l 万美元 一些精细加工业中电压低于9 0 、持续时间超过3 个周电机就会被跳闸而退出运行 的电机期 变频调速设备非常容易受到影响被迫退出运行 测试仪内部电子电路主板故障，芯 芯片测试仪电压低于8 5 片被毁 电机减速，减速程度和降落幅值、 电动机只要发生电压瞬间跌落 持续时间有关 电压低于5 0 p l c 停止工作 p l c 可编程控制器 电压低于9 0 9 6 ，持续仅仅几个周波i o 设备被切除 电压低于9 0 ，持续时间超过2 3 个 精密机械工具切断电源 周波 制冷电子控制器电压低于8 0 9 6控制器动作将制冷电机切除 芯片烧毁，测试仪停止工作，其内 芯片测试仪电压低于8 5 部电子电路主板故障 j 函d 11 01 0 01 0 0 0 单位：万美元 图2 3 一次电压瞬间跌落对各种工业造成的损失估计 2 5 用电设备对电压瞬间跌落的承受能力 不同的用电设备对电压瞬间跌落的承受能力不同，所造成的危害与用电设备自身的 1 5 删嬲警然嚣嚣鬻篙纛 仫耐么警黧慧嚣慧慧篡罢嚣篱兹茹泛蝴 删裟掣慧纛鬻嘉黑嚣焉磊失。 水线、甚至整个工厂作业中断或者产生大量废品、伙州“”一 。 美黧慧篡裟淼茹霎主嚣篇篮毫 描述计：冀鬟篡翟篓慧鬈兰篡嚣罢霪淼磊：豪。麓主未述设备 成为度量各种设备特性的实用标准和电压敏感馒龠怀征m 蚪”“ 持续时间( 秒) 腓篓黑然荔：烹喜篇嚣篓霎 描述设备对瞬椭岖研觥耥般n c i l 黝) ) 。6 翟蔷搿薹茹苫线c m c 曲 (information口techn世olo蔷gy瑶i茸nd种ust幅ry窿cou持nc续il时间：主茹和电压瞬时上升的能力。 线) ，描述了用电设备承受某种幅度、持续时i 田的电j 直l 辫h 跃”1 。“8 。 1 6 浙江大学硕十学位论殳电压瞬间跌落概述 l 电一l 匪望鬯攀 l7 i e l 苎鹄m r 一 0 ”0 x “”“1 1 ”“日f 衙( 秒) 图2 51 t i c 电压可接受度曲线 7 咖 娜 瑚 o 哪 电压变化值百分比_) 浙江大学砍上学位论文 电压瞬间跌落的测量统计评估 第三章电压瞬间跌落的测量统计评估 电压瞬间跌落的测量统计在现实中有着重要的意义。在发达国家，电力部门和电力 用户相互配合进行调研已长达数年之久。调研结果可以为分析电压瞬问跌落的起因、 减少事故次数提供数据，同时为设备制造商提高设备对电压瞬间跌落的承受能力提供 第一手资料。对于电压瞬间跌落来说应该至少测量3 个指标，即电压瞬间跌落的深度、 持续时间和电压瞬间跌落的发生时刻。测量电压瞬间跌落的深度时，精度要求较高的 场合误差不应超过o 5 ，一般场合不应超过2 。电压瞬间跌落的持续时间的测量， 误差一般不应超过1 0 m s 。当然还要求测量仪器能长时间可靠的运行。 电能质量的概念正在不断的深化和量化，传统的检测和分析方法已难以适用于现代 化电能质量的评估依据，所以采用技术先进和成熟的产品来全面可靠的分析电网的电 能质量具有及其重要的意义。 国际电力生产与配电组织( i n t e r n a t i o n a lu n i o no f p r o d u c e r sa n dd i s t r i b u t o r so f e l e c t r i c a le n e r g y - - u n i p e d e ) 推荐用表3 1 的格式来统计某地区一定时间段内( 例如 年) 不同跌落幅值、不同持续时间的电压瞬间跌落的发生次数。表3 1 的数据便是某地 区平均每年的统计数字嗍。例如，此地区一年内发生深度5 0 - , - 6 0 。o 、持续时间0 2 0 0 m s 的电压瞬间跌落的平均次数为2 3 次。 表3 1电压瞬时跌落统计表 持续时问 铃弋之 0 2o0200 400400 6006oo 一800) 800 80 90 l8 02 8 1 2o 52 1 7o 8o 7 7o 70 40 2o 5 60 70 3 90 6 0 2o 10 2 5o 一6o 2 3o 4 o 10 1o 1 4o 一5o 1 40 2o 1o 1o 1 30 40 1 o0 20 10 00 1 20 30 o 40 10 10 o0 0 1o 一2o o 4o 1 0 10 o0 1 0 一l0 1 o0 30 1o 02 1 浙江大学硕士学位论文 电压瞬间跌落的测量统计评估 电压瞬间跌落的发生频率受系统结构、观测位置的影响，一般说来高压电网发生的 频率低一些，中低压电网发生的频率高一些。美国等工业发达国家电力系统和电力用 户通过数年的协作监测，已经建立了包括电压瞬间跌落统计数字在内的全国电能质量 数据库。我国也应该尽快建立起类似的数据库，这对于解决已经出现和将要出现的电 能质量问题有积极意义。 消除电压瞬间跌落需要电力公司、电力用户( 尤其是工业、商业用户) 甚至设备制 造厂商都作出较大的努力。作为电力生产和供应部门，首先要对电力系统进行故障计 算，然后考虑系统各部分由于故障受到电压瞬间跌落的影响，并对其做出相应的评估。 在这个基础上就可以作出减少电压瞬间跌落的种种改进措施。为了进行这个工作，需 要开发专门的电压瞬间跌落分析软件。软件应能够根据现有的电网数据、运行状况以 及电压瞬间跌落的统计数字，对系统进行故障计算，分析系统的薄弱环节，必要时给 出合理的改进建议。这可以帮助电力公司进行利益得失分析，从而作出最经济的系统 改进的决定。 电压瞬间跌落评估软件至少需要完成以下任务： 1 ) 计算电网每一条线路的各种瞬时短路故障。对于较长的线路要分成几段，对每 一段都进行各种故障的计算。短路故障发生时用户处的电压跌落幅值、持续时 间和相位跳变都要记录下来，以便于以后进行分析计算。 2 1 计算分析不同故障地点、不同故障类型对周围用户电压瞬间跌落造成的不同影 响。 3 1 统计计算所有用户处各种电压瞬间跌落( 不同的跌落幅值、不同的持续时间) 的发生率。利用每一条线路发生故障的频率、电网接线结构、潮流分布，就可 以计算任意用户处由于系统故障发生不同跌落幅值、不同持续时间的电压瞬间 跌落的频率。 钔显示计算结果。电压瞬间跌落的计算结果可以按照电压瞬间跌落的幅值、持续 时间、故障类型、故障地点等进行分类汇总制成表格，或者用比较直观的图形 方式显现出来。图3 1 为故障点f 引发的不同跌落幅值的电压瞬间跌落的影响 范围示意图。 1 9 浙江人学硕士学位沦文电压瞬间跌落的测量统计评估 图3 1 电压瞬间跌落影响范围示意图 目前市场上还没有一个比较完整的、专门的电压瞬间跌落评估程序。因此，电压瞬 间跌落研究还被限制在一个较小的区域内。基于电压瞬间跌落在电能质量中的重要地 位，开发电压瞬间跌落分析软件非常有必要，可以使电压瞬间跌落分析变得迅速而简 单。真观的表示可以很容易呈现计算结果，从而方便决策者对系统做出合适的改进。 3 1 电压瞬间跌落的测量统计方法 3 1 1 电压瞬间跌落检测方法 目前有以下几种电压瞬间跌落的检测方法：有效值计算法，傅立叶法，缺损电压法， 瞬时电压p - - q 分解法等。这几种方法依据的原理不同，从而有各自的特点。下面分别 进行说明。 3 1 1 1有效值计算方法【4 】 电压瞬问跌落是指供电电压有效值在短时间突然下降的变化情况，显然，采用有效 值计算的方法可衡量电压的瞬间跌落程度。 已知，连续电压周期信号v ( o 的有效值定义为 2 0 浙江大学硕士学位论文电压瞬问跌落的测量统t l 评仙 郴=骶百 式3 1 中t 为信号的周期。 ( 3 1 ) 如果周期t 不存在或t 小于被测量信号的半个周期，则采用上式的计算不再具有 有效值的含义。对信号进行数字化处理后，积分运算可采用下面的求和运算实现。 懈= 式3 2 中n 为一个或半个周期中的总的采样点数。 ( 3 2 ) 有效值计算中常采用滑动平均值法。当采集到新的样本点时，顺序将最早采集的样 本点去除，然后用一个周期的滑动平均值法进行方根运算即可求出一个新的有效值， 这样，在每个采样瞬间都可得到一个新的有效值。图3 2 给出了电压过零点发生电压 瞬间跌落的电压波形。 r ， 饥 7 一 d 1 23 45 6 7 8 周期 、?一一。 0 1 23 45 6 7 8 周期 3 一 5 6 7 8 周期 图3 2 上图：理想电压瞬间跌落 中图：数据窗为一个周波的方根均值 下图：数据窗为半个周波的方根均值 浙江大学硕士学位论文 电压瞬间跌落的测量统计评估 从图中可以清楚地看到，假定的电压瞬间跌落持续时间为两个周波，瞬间跌落幅值 为5 0 ，瞬间跌落的发生和中止是瞬时的。分别采取数据窗为一个周波和半个周波进 行计算，求得的电压幅值如图3 2 的中图和下图。设瞬间跌落前电压幅值以标么值1 表示，则有效值为0 7 0 7 ，利用一个周波数据窗的有效值计算结果表明，在瞬间跌落幅 值达到o 3 5 3 之前，有一个周波的过渡时间，同样在瞬间跌落中止前也有一个周波的过 渡时间。过渡时间是由于滑动平均值法中近一个周期的“历史”数据引起的。当采用 半个周波的数据窗进行方根均值计算，从图中可以看出，过渡时间只有半个周波，这 同样是由于计算中有近半个周波的“历史”数据引起的。从图2 1 中可以看出，如果仅 仅从有效值判断，瞬间跌落持续时间约为三个周波或两个半周波，与实际相比约有一 个周波或半个周波的误差。同时有效值计算也不能很明确地给出瞬间跌落起止时刻。 如果信号的周期t 不存在或t 小于被测量信号的半个周期，采用计算不再具有有效值 的含义，因此采用方根均值计算电压幅值至少有半个周波的延迟。 有效值计算法的实时性较差，不能很明确的给出跌落发生的起止时刻。 3 1 1 2 傅立叶算法1 4 】 采用电压基波分量幅值也能监视系统中是否发生了瞬间跌落。傅立叶算法不但能算 出系统电压幅值，而且能算出相角，当系统中电压瞬间跌落有相移时。 此种算法能表明发生了相移，但不能及时准确地给出相移大小，因为傅立叶算法同 样要受“历史”数据的影响。根据采样定理，为了防止频谱混叠和频谱泄漏，傅立叶 算法所用的数据窗长度为信号周期的整数倍。同时，计算得到的幅值也有一个周波的 延迟，不能准确界定瞬问跌落持续时间。 3 1 1 3缺损电压法网 美国学者t u n a b o y l u 提出了一种缺损电压计算技术( m i s s i n g v o l t a g e t e c h n i q u e ) 。卜i 面介绍一下他的这种方法。 缺损电压定义为期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之间的差值。期颦的瞬时电压可 采用对事件发生前电压的外推法得到，这类似于锁相环( p l l ) 法。因此，可将期望的 浙江人学硕士学位论文 电j 土瞬间跌落的测量统计评估 瞬时电压波形称为“p l l 波形”v p i 工( 0 。被扰动的波形称为v 龃g ( t ) ，任瞬时的缺损电 压m ( t ) 为 m ( t ) = 0 ) 一( f ) ( 3 3 ) 由三角函数的特性可知，只要两个正弦波的频率相同，则它们之间的和或差为 另一个可能具有不同相位的正弦波，因此，只要瞬间跌落电压波形为正弦波，则缺损 电压也将为正弦波。 舍7 m o ) 2 a s m ( c a 一九) v 艟( 0 = b s m ( c o t 一