（电力系统及其自动化专业论文）邢台电网电压暂降的统计分析与预测.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文邢台电网电压暂降的统计分析 与预测，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 i ， 学位论文作者签名；恤日 期：2 坐2 - 业 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印，缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝 j 一 导师签名： 栖像 日期：互生f ：f !日期：2 垒2 ：坦 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章引言 电能是一种经济实用、清洁方便并且容易传输、控制和转化的能源形式，在现代社 会日常生活和工业生产中有举足轻重的作用。近年来，随着电力行业深化改革，发电与 输配电体制分离，电能按质按量论价、电力网逐步实行商业化运营与市场交易已经是大 势所趋。电能已经成为一种走向市场的商品，是一种由电力部门向电力用户提供，并由 供、用双方共同保证质量的特殊商品。既然也是一种商品，那么电能也应该讲究质量。 随着现代科学技术的发展和工业规模的扩大，尤其是以信息技术为先导的知识经济 时代的到来，基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备( 如：变频 调速设备、机器人、自动化生产线、精密数控机床、高精度测量仪器、可编程控制器、 计算机信息管理系统等) 在电力系统中大量投入使用，这些新兴的电力负荷对电压短 时波动特别敏感，对供电质量的要求很高。 当电压下降到敏感电压门槛值以下，持续时间超过一定时间就会导致一些敏感 设备运行中断，造成巨大的经济损失。如：对于工业过程控制来说，p l c s 是非常 重要的装置，当电压低于o 9 p u 持续时间超过几个周期，远端i o 单元就可能跳闸； 对于机器人控制的精密加工器具，当电压低于o 9 p u 、持续时间达到4 0 6 0 m s ，就 会跳闸；对变频调速器，当电压低于o 7 p u持续时间超过1 2 0 m s 时，可能被退出 运行；计算机对现代生产生活的重要性是不言而喻的，而幅值下降大于1 0 ，持续 时间大于l o o m s 的电压暂降，便可引起一些计算机系统紊乱，数据丢失； 总体来说，随着电力敏感用户的增多，电压暂降造成的损失也显著增多。在国 外，关于电压暂降的投诉占电能质量投诉的8 0 ，电压暂降已经成为最重要的电能 质量问题。 电压暂降所引起的问题远远超出其它电能质量问题，这主要是由其自身的特点 决定的：( 1 ) 远距离的故障也可能会引起敏感负荷点电压暂降，如输电网中的短路故 障就会造成其连接的供配电网中的电压暂降；( 2 ) 同一母线的平行馈线故障或者是大 容量用电负荷的启动会造成相邻馈线电压暂降；( 3 ) 发生频率远高于其他电能质量问 题，并且其发生具有突然性和偶然性，常常使电力用户在瞬间造成重大的经济损失。 当前，我国经济飞速发展，对电压暂降的敏感电力用户越来越多，为他们提供 一套切实可行的解决方案，包括对电压暂降的预测和初步解决方案，有着重要的意 义。但是，关于电压暂降对敏感用户的影响，目前在我国还没有较为清晰和全面的 认识。在现实生产中，由于一些敏感的电力用户不断受到电压暂降的干扰，蒙受了 很大的经济损失，所以他们就向当地的供电公司反映，希望能够对电压暂降进行调 华北电力大学工程硕士学位论文 研和预测，并进一步给出治理方案。本文所研究的内容就是这样的一个相关课题。 电力系统总体上来说是动态的，而作为产生电压暂降的主要原因的短路故障更 是具有随机性，从供电部门的角度上来说，需要综合评价电压暂降的整体情况，以 便在电网的设计和运行中考虑系统接线，变压器接线，保护的整定等，而从电力用 户的角度来说，需要电压暂降出现的概率( 频次) ，电压幅值，持续时间等特征量， 以便采用治理手段( 如应用动态电压恢复器) 时有一个可靠的依据，达到经济和有 效的治理。所以，电压暂降预测评估具有重要意义，在敏感用户较多的地区，电压 暂降的评估结果是一个衡量供电服务的重要标准。 。 邢台供电局是河北省电力公司的重要企业，所辖电网的安全、可靠将直接影响 整个电网。由于近几年经济的快速发展，网内的敏感负荷越来越多，它们对供电质 量也提出了更高的要求，特别是一些生产精密仪器的新兴产业，对电压暂降的问题 十分敏感，这引起了邢台供电局的高度重视，也成为本文重要的选题依据。 1 2 课题的国内外研究现状 国外关于电压暂降的研究起步较早，但是敏感用户日益增多，其特性各自不同， 所以关于电压暂降的研究仍然处于不断发展之中。国际电工委员会在其颁布的i e c 6 1 0 0 0 2 8 标准中，给出了关于电压暂降的基本概念及量化指标。 由于现代电能质量问题影响关系重大，已引起世界各国的广泛重视，其中许多 发达国家已进行了多年的研究，取得了许多重要的理论和应用成果。如在系统中的 特殊地点装设专门的电能监视装置，及时准确地检测出电压暂降的发生情况，为抑 制和改善电压暂降获取直接的信息。 美国e p r i 对电压暂降进行了长期、广泛的实测，结果表明许多电压暂降的幅 值是变化的，且有的还伴随着相位的突变，不对称以及波形的畸变；另外，绝大多 数的电压暂降幅值小于4 0 额定值，且持续时间不足1 0 个周期。因此，如果能够 持续2 0 0 m s 补偿3 0 的负荷容量，则估计可以消除9 5 以上的电压暂降扰动。英 国1 9 9 5 年就电能质量问题对容量超过1 m w 的1 0 0 家用户做了调查。结果显示：在 监测的1 2 个月里，有6 9 用户的生产过程是因电能质量问题而受到破坏，其中4 5 的用户遭到过多次扰动，在事故原因调查结果统计中，8 3 的事故是电压暂降和短 时间断造成的。自1 9 9 1 年起，加拿大电气协会( c a i ) 开始了一项为期三年的电能质 量调查，调查的主要目的是了解加拿大电能质量的现有状况。共有2 2 个电力公司 参加了本次调查，在5 5 0 个地点( 工业，事业和民用单位) 进行了监测。其工业用户 组的调查结果表明：每个用户监测点每相每月平均发生3 8 次暂降，电源侧平均为4 次。用户侧8 5 的监测点每相每月平均发生过1 0 2 0 次电压暂降，电源侧为5 6 2 华北电力大学工程硕士学位论文 次。商业用户组的调查结果表明：用户侧7 0 的监测点每相每月平均发生过2 3 次电压暂降，电源侧为1 2 次。 国外的相关的研究主要包括分析电压暂降对敏感设备的影响、电压暂降的随机 预测、监测以及统计分析和减少电压暂降的方法等几方面。 文献【1 】介绍了可调速电机是一种对电压暂降十分敏感的用电设备，分析了三相 交流可调速电机在对称和不对称电压暂降中的情况，特别是重点研究了其中直流侧 电容电压下降对调速电机速度造成的影响。文献 2 】主要讨论了计算机因为受到电压 暂降和电压短时中断的表现，指出了计算机的运行状态决定了其抗干扰能力的不 同。文章还特别提出了电压偏差和电压谐波的影响，其中当电压偏差为正，则敏感 负荷的抗干扰能力会增强。 文献【3 】介绍了一种快速简单的电压暂降预测方法，即临界距离方法，主要用于 辐射状电网。当电网结构不是简单的辐射状时，需要更复杂的计算才能应用这种方 法。文献 4 仲运用故障点法进行电压暂降频率计算；并通过用户数和暂降频率来估 计由此造成的经济损失。文献【5 】中分别运用故障点法和临晃距离法对英格兰和威尔 士4 0 0 k v 电网的9 7 母线进行电压暂降随机预测，并对这两种预测方法进行了比较。 通过比较，文章指出故障点法适合计算机编程计算，并由此得出每条母线的暂降频 率及敏感区域，同时用不同的方式记录分析结果。临界距离法适合于计算量不是很 大的系统中的随机预测。 文献 6 q b 提出在考虑经济效益的同时选择合适的电压暂降减少方法。并对各种 方法所造成的经济效益进行了比较。文献 7 】中讨论了动态电压恢复器( d v r ) 在电压 暂降的恢复过程中不同控制策略取得的效果。 在国内，随着敏感用户的增多，电压暂降得到越来越多的重视，但是由于相关 研究刚刚起步，和国外相比还有一定的差距。国内目前相关研究的情况如下： 已经认识到电压暂降对敏感用户的干扰，但是还没有能够展开大规模的调查， 对国内电压暂降的实际情况和敏感负荷的抗扰能力还没有较为全面的了解。文献 8 】 在分析电压暂降问题的起因、相关标准、危害、衡量标准以及治理措施的基础上， 介绍了目前相关技术的研究情况，提出了配电系统电压暂降现象分析及控制策略的 研究方向。文献【2 0 】介绍了电压下凹和上凸的基本概念、危害及其预防措施，并对 中国今后在此方面的工作提出了建议。文献 1 5 】简要介绍电力系统中电压暂降和短 时断电的原因和危害、电压暂降和短时断电的统计分析和测量、减小电压暂降的技 术措施以及关于国家标准制定的考虑。通过国内外的研究表明，电压暂降目前在国 内刚刚开始引起关注，相关研究主要以概念性问题为主，缺乏深层次问题和应用技 术方面的深入研究，和国外有一定差距。虽然目前国外已经有较为成熟的电压暂降 的分析预测方法和相应的软件问世，但是由于我国的电网结构与特点和国外有较大 3 华北电力大学工程硕士学位论文 的差别，直接引进国外的软件并不是一个好方法。所以，结合我国电网实际的具体 情况，对当地的电压暂降数据进行统计分析并有效预测有着十分重要的意义。 1 3 课题的主要内容 通过上述对电压暂降预测的重要性的了解以及其相关研究在国内尚刚刚起步 的现状，本文拟从以下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 介绍电压暂降的基本概念并对描述电压暂降的特征量进行详细阐述； ( 2 ) 对目前在辐射状电网中应用的临界距离法进行阐述，针对其缺少持续时间 的预测的问题，根据短路故障中清除故障主要由继电保护来完成，加入了对电压暂 降持续时间的预测方法；为了解决目前电压暂降预测在环状电网中进行预测的问 题，探讨了采用短路故障计算中阻抗矩阵的方法，这个方法克服了临界距离法在应 用于环状电网计算复杂的弊端。 ( 3 ) 对邢台电网中存在的电压暂降进行了统计分析与预测。采用合理的方法对 电压暂降进行统计，给出邢台地区某企业的电压暂降统计结果：再利用本文提出的 方法对该企业的电压暂降进行预测，并与实测结果进行比较，结果能够令人满意。 最后对该地的电压暂降进行评估。 ( 4 ) 针对不同的电压暂降的预测结果，从实际角度出发，分别提出相应的解决 方法，以作为供电公司，电力用户和设备制造商共同协商解决电压暂降问题的参考 建议。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 电压暂降定义 第二章电压暂降的基本概念 电压暂降在国内存在着多种不同的名称，如电压暂降、电压下凹、电压跌落等； 国外也有不同的称呼v o l t a g es a g ( i e e e ) 和v o l t a g e d i p ( i e c ) ，在本文中将统一使 用电压暂降( v o l t a g es a g ) 这个名词。 电压暂降是指供电电压有效值在短时间突然下降的事件。国际电气与电子工程 师协会( i e e e ) 将电压暂降定义为：工频电压有效值降至o 1 0 9 p u ，持续时间在0 5 周波到1 分钟之间的电磁扰动；而国际电工委员会( i e c ) 标准中将其定义为工频电压 的有效值降至0 0 1 - 4 ) 9p u ，持续时间为o 5 周波到3 分钟。在本文中将采用i e e e 中的电压暂降定义，即幅值在o 1 0 9 p u ，持续时间在0 5 周波到1 分钟之间。 2 2 电压暂降产生的原因 电压暂降是由系统中某处电流突然增大造成的，其产生的原因主要包括以下几 个方面： ( 1 ) 系统故障是引起电压暂降的主要原因。对于配电系统而言，其线路主保护 是电流保护，线路大部分的故障不能无延时地予以切除，因此在故障期间，会造成 故障线路母线或附近区域电压降低，如果在故障线路及其附近线路上接有敏感负荷 时，将会因电压暂降而被跳闸退出工作。另外，当保护动作后伴随重合闸时，由此 而引起的电压暂降次数将成倍数增加，并造成连续电压暂降。 配电系统 了”士丰，占 熔断丝 、。 主馈线 八 一中中： 图2 1 电压暂降的产生 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 - 1 所示的为带有架空线的配电系统，在架空线路上多发生瞬时性故障。图 中的分支线路采用慢速熔断器保护，当主馈线重合闸装置清除瞬时性故障时，分支 熔断器不动作。当分支线路“1 ”在0 3 s 发生三相瞬时性故障时，分支线“1 ”和非 故障“2 ”处的电压有效值变化如图所示。假设重合闸装置在故障发生后o 3 s 后开 始动作，那么在0 3 0 6 s 之间，分支线路l 和2 都将经历一次电压暂降，其暂降持 续时间为o 3 s 。重合闸装置动作后，分支线路2 处电压恢复正常，而1 处将经历一 次短时电压中断，持续时间为2 s ，随后故障清除，电压恢复正常。当配电系统中某 处馈线或分支线发生瞬时性故障将会引起相邻分支线路和平行馈线电压暂降，当系 统中分支线和平行馈线越多时，造成电压暂降的次数就越多。 暂 降 幅 值 o u ) 图2 - 2 分支线1 和2 处电压有效值变化情况 电力系统中输电系统和配电系统故障引起的电压暂降虽然原理是相同的，但是 造成的影响有很大的差异。尽管输电系统线路故障次数较少，但是其影响的范围广， 所以电压暂降范围大，常常会影响一个地区甚至是几个地区，所以造成的损失十分 重大。 ( 2 ) 雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电也会造成系统电压暂降。由于电力 系统相当一部分暴露在大自然中，在雷雨季节的多雷地区，极易受到雷击干扰。雷 击对电力系统的影响与系统的绝缘水平、地区地质、季节有关，在多雷季节或杆塔 接地电阻高的地区其受到雷击的概率就大，因此提高系统的绝缘水平、减小杆塔的 接地电阻或在多雷地区沿线安装避雷线均可减小电压暂降的发生。 ( 3 ) 大型负荷( 如大型电动机) 启动时也会引起电压暂降。电动机在启动时， 启动电流为正常时电流的1 0 倍以上，其对电动机附近变电站母线的影响相当于正 常时6 台电动机在同时工作，因此会造成电动机附近电压暂降而引起其他敏感设备 不正常工作。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 电压暂降的特征量 在描述电压暂降时主要使用电压暂降幅值、电压暂降持续时间以及电压暂降频 率这三个特征量。 2 3 1 电压暂降幅值 在电网发生电压暂降过程中，一般是将暂降时电压有效值与额定电压有效值的 比值定义为暂降的幅值( 标么值) 。 但是在一些特殊情况下，电压幅值的确定还需要注意，由于产生电压暂降的原 因是多种多样的，电压暂降的波形也具有很大的差异性。( 1 ) 从电压暂降波形形状 上进行区分，电压暂降的波形主要分为两种，一种是矩形形状的，另一种是非矩形 形状的。对于前者，电压暂降的电压幅值就是定义为暂降过程中电压有效值的最小 值。但是对于后者，这种定义方法就明显夸大了电压暂降的影响。所以，针对这种 情况，就把电压暂降的电压幅值定义为引起敏感负荷跳闸的电压门槛值。( 2 ) 从电 压暂降三相是否对称的情况来划分，可以分为对称的电压暂降和非对称的电压暂 降。对称的电压暂降幅值的确定就可以借鉴上述( 1 ) 中的方法，但是对于非对称 的电压暂降其定义就要更加复杂一点。如果电网中存在单相敏感负荷，那么就定义 三相中有效值最小的电压为电压暂降的电压幅值；如果电网中的敏感负荷对三相电 压的平均值最为敏感，那么就定义暂降过程中三相电压有效值的平均值为电压暂降 的电压幅值；( 3 ) 在连续多个电压暂降的情况中，把它们认为是一个电压暂降，这 是因为敏感负荷在短时间连续受到干扰，其效果可以等同于一个电压暂降的干扰作 用。 影响电压暂降幅值的因素主要包括故障点到公共连接点( p c c ) 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。 2 3 2 电压暂降持续时间 一般由电网短路故障造成的电压暂降，其持续时间为系统中线路继电保护装置 允许故障电流通过时间，主要由保护装置的延迟时间和故障清除时间决定。在i e e e 标准中将电压暂降的持续时间定义为从暂降发生到暂降结束所经历的时间【”】。 在实际情况中，由于产生电压暂降的原因是多种多样的，电压暂降也呈现出不 同的特点，所以在一些情况中上述定义就不再适合了。( 1 ) 上述定义对于电压幅值 波形为矩形波的暂降来说是准确的，但对于非矩形波则不够精确。本文规定非矩形 暂降的持续时间是指有效值超出指定的电压暂降门槛值的一段时间。( 2 ) 对于连续 多个电压暂降来说，其持续时间定义为所有电压有效值低于电压门槛值时间的累 7 华北电力大学工程硕士学位论文 积。 2 3 3 电压暂降频率 电压暂降频率是影响电力用户生产的一个主要指标，对那些电压暂降频繁的地 区，要考虑安装动态电压恢复器等补偿装置。电压暂降频率是与电压暂降幅值和持 续时间密切相关的特征量，孤立的谈电压暂降频率是没有多大意义。因为不同的用 户对电压暂降幅值和持续时间的敏感程度不同，有的用户对暂降幅值比较敏感，如 机械装置通常在9 0 电压暂降时就会跳闸，而计算机可承受幅值为5 0 的电压暂降 但持续时间不能超过4 个周期。因此在描述暂降频率时总是针对特定的暂降幅值和 持续时间。 2 4 电压暂降的分类 在具体讨论关于电压暂降的预测方法之前，有必要将电压暂降的分类进行描述， 研究电压暂降特性对预防和减少电压暂降对用户的影响重要作用。在研究电压暂降 特性的时候通常忽略零序分量的影响，这是因为：1 p c c 点与敏感负荷问通常存在 着变压器以起电气连接作用，而变压器绕组连接方式通常为y n ( 或a y ) ；2 三相负 荷通常是y ( 或) 连接【2 】【3 9 1 。 根据三相短路、单相短路、两相短路和两相短路接地四种故障类型将电压暂降 分成7 类，如下图2 3 所示。分类方法中都是以a 相作为参考相考虑的。 型 d 型 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 - 3 电压暂降的分类 a 型暂降：三相短路引起的暂降，三相电压幅值下降大致相同且相角不发生变化。 由于三相对称相，电压暂降在通过变压器时各相相量均不会发生变化。因此对于三 相故障只有一种暂降类型。 b 型暂降：中性点接地系统中单相短路引起的暂降，故障相电压幅值下降，且由于 零序阻抗与正序阻抗的不同导致非故障相电压也受到影响，但在进行暂降分析时认 为非故障相幅值保持不变。 c 型暂降：两相相间短路引起的暂降，非故障相电压幅值保持和相角不变，两故障 相电压幅值降低且发生相角变化，且同时向远离非故障相偏移。 d 型暂降：在中性点不接地系统中由单相接地故障所引起的暂降，故障相电压幅值 下降较大但相角不变，而两非故障相电压幅值下降很小但伴随着相角的变化，且同 时向故障相偏移。 e 型暂降：直接接地系统中两相短路接地故障引起的暂降，两故障相电压幅值下降 但相角不发生变化，非故障相电压幅值和相角都不发生变化。 f 型暂降：e 类型暂降经过一次绕组连接方式为a y ( 或y r n ) 的变压器时的暂降类型。 g 型暂降：e 类型暂降经过一次绕组连接方式为y y ( 或a a ) 的变压器时的暂降类 型。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 2 5 本章小结 系统的阐述了电压暂降的定义、产生原因，电压暂降的三个特征量及影响因素， 并对提出了一些关于减小电压暂降危害的方法。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章电压暂降的预测 由于电压暂降的发生是一个随机事件，所以电能质量其他指标，如电力谐波等 通常采用的现场测量方法就不再适用了。一个解决的方法是根据以往发生的电压暂 降概率统计等历史资料，将其作为输入参数，结合一定的预测方法，给出电压暂降 可能发生的概率，以及各个特征量，使电力用户可以采取相应的预防手段或者是治 理手段。 对电压暂降进行预测的关键是确定电压暂降域。暂降域是指系统中发生故障引 起电压短时暂降，使相关敏感负荷不能正常工作的故障点区域。研究它，对减小电 压暂降对敏感负荷的影响有重要的指导意义。暂降域的确定是找出系统中发生会引 起所关心母线上电压暂降幅值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来确定暂降 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，但它更加适用配电网中线 路故障时的电压暂降预测，不能将变电站、母线等故障情况加以考虑，同时它没有 计及暂降持续时间对敏感负荷的影响，并且应用这种方法对具有环状电网结构进行 电压暂降预测时，计算量和难度将大大增加，通用性降低。而故障点法可考虑各种 故障情况及各个特征量对暂降域的影响，但它相对复杂，计算量较大。不过，目前 环状电网的电压暂降预测主要采用故障点法。 上述电压暂降预测方法中，确定电压暂降域是问题的核心部分。今后，电压暂 降域的分析可能象潮流计算和短路计算一样，是电力系统分析中不可缺少的一部 分。 3 1 简单辐射状配电网中的电压暂降预测 3 1 1 临界距离法确定电压暂降域 临界距离的含义为：母线电压降低到所设定的l 晦界电压v 时，故障点与所关心 母线之间的距离，在此范围内发生故障，对敏感负荷有不良影响。 电力系统中出现短路故障时，可通过对p c c 点( 公共连接点) 电压暂降幅值的 计算，然后与允许给定电压作比较，从而判断是否对p c c 点上某一敏感性用电负荷 产生不利影响。另外，如果在已知允许给定电压的情况下，也可以确定系统中何处 发生故障时会引起p c c 点电压降低到超过该允许电压值，并进而确定使相关敏感性 华北电力大学工程硕士学位论文 负荷不能正常工作的故障点所在区域，即电压暂降域。电压暂降域是一个包括众多 线路的区域，根据历史数据，每一条线路都有发生故障的可能，可以确定其发生故 障的概率，从而进一步计算出电压暂降域内每年发生故障的可能次数，完成电压暂 降的预测。 图3 1 电压分配器模型 对于辐射状配电系统，可以采用图3 i 的所示的电压分配器电路进行描述。在 忽略负荷电流的情况下和假设短路故障阻抗为零的情况下，有下面的推论。 如果假设电源电压v s = l p u ，那么故障引起的p c c 点也就是负荷端的电压暂降 幅值为 。者 1 ) 式中，呻c c 点处的电压暂降幅值； 乙故障点与p c c 点之问的线路阻抗； z 。p c c 点与电源之间的系统阻抗。 因为z ，= z ( ，为故障点与p c c 点之间的距离；z 为单位长度线路阻抗) ，则有 k 一：堑 ( 3 2 ) ” z l + z 。 定义p c c 电压降低到l 临界电压v 时，故障点与p c c 点之间的距离为临界距离。 假设线路阻抗与系统阻抗的x r 的值相等，那么临晃距离k 的计算公式为， = 争南( 3 - 3 ) 也就是说在临界距离。内发生的相关故障将使p c c 的敏感性负荷非正常工作。 严格的说，上面的计算公式只适用于单相系统。对于三相系统的三相故障，如 果z s 和z 采用正序阻抗，仍然可以使用这个公式；对于单相故障，应采用正序、负 序和零序阻抗之和，式中的电压为故障相的相对地电压；对于两相故障，应采用正 华北电力大学工程硕士学位论文 序和负序阻抗之和，式中电压为故障相之间的电压。 如果系统和线路的阻抗为复数时，故障引起的p c c 点也就是负荷端的电压暂降 幅值为， 吃。= 兰l ( 3 - 4 ) j ”z f + z s 其中，乙= b + 为p c c 点的系统阻抗，z ，= ( ，+ 脚，为故障点与p c c 点之 间的线路阻抗，f 为故障点与p c c 点之间的距离，三一j r + 豇为单位长度线路阻抗。 则复阻抗时的临界距离为 丑z 专( 塑嘭半坐) ( 3 - 5 ) 其中，口为系统阻抗与线路阻抗在复平面上的夹角，即阻抗角。 在口较小的情况下，应用( 4 ) 式也可以得到较为精确的数值，如果口较大，会 有较大的偏差，可以采用下式计算： = 誓专【- 一川伽叫 ( ，6 ) 可以看出，电压暂降幅值是一个距离的函数，电压暂降幅值随着故障点和p c c 点之间的线路距离增加而增加。 通过上面的计算，得到线路上对应某一电压暂降门槛值的临界距离，再将这些 临界距离连接就得到电压暂降域。 3 1 2 电压暂降持续时间的确定 电压暂降的持续时间和故障线路上所应用的保护整定参数直接相关，可以认为 其大小等于保护动作清除故障的时间。 3 1 3 电压暂降频度的确定 得到电压暂降域以后，确定电压暂降域一般有两种方法。一是把所有的临界距 离相加，这样得到电压暂降中的总临界距离，再利用所有线路的平均故障概率得到 发生电压暂降的频率，但是这样的计算结果是不精确的，因为在实际情况中并不能 保证每一条线路的故障概率和线路上的故障分布概率相同。二是针对每条线路分别 计算的算法。在某些情况下，一些线路的故障概率明显高于其他线路，所以发生在 它上面的故障次数更多，造成的电压暂降的频率也很高。计算公式如下 j l ( k 一珞，) = f “五( ) 讲 ( 3 - 7 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 其中，以( 一一巧+ 。) 一一线路k 上电压幅值在k 和+ 。之间的电压暂降的数目； ，m 一一电压暂降幅值和+ 。分别对应的临界距离； 丑根据历史数据统计得到的线路的故障概率。 如果再把电压暂降的持续时间考虑进去，有下面的计算方法 帆( 一k + 。， ，) = f “五( ，) d l ( 3 - 8 ) q 其中，t ，线路k 上继电保护为k 类型时的动作时间。 采用临界距离法进行电压暂降预测方案的流程见图3 2 。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 i 输入系统结构，系统阻抗，线路长度，线路阻抗系数，线路的保护整定参数， i 线路的故障概率分布参数 l 指定敏感负荷位置，并设定其允许的最小的电压 将临界距离连接成为电压暂降域，并计算 其中线路的总长度 上 利用线路保护动作的平均时间计算电压 暂降的持续时间 士 利用线路的平均故障概率得到电压暂降 的频率 根据每条线路的保护整定时间分别计算 电压暂降的持续时间 根据每条线路的故障概率分布情况计算 电压暂降的频率 统计所有电压暂降的特征量 得到电压暂降的特征量和预测结果 图3 - 2 辐射状电网电压暂降的预测方案 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 含有环状电网结构的电压暂降预测 当进行电压暂降预测的电网具有环状结构时，采用上述的临界距离法就不再适 用了。有的文献中对电压分配器方法进行扩展，可应用于含有简单网状结构的辐射 状电网，但是计算复杂，而且通用性很低。目前针对环状电网的电压暂降主要采用 故障点法，它是针对环状电网提出来的，需要对所研究的电网结构进行建立数学模 型，并对各个不同的故障点进行仿真。仿真计算量大，且故障点的选取没有一定的 准则，所以本文提出了节点电压暂降矩阵结合故障点的方法。 3 2 1 故障点法 故障点法是通过计算所选故障的暂降特征量来确定暂降域。首先分析可能发生 的故障对敏感负荷产生的暂降影响，将相同暂降特征的部分由一个故障点代表，进 行仿真，得到暂降幅值和持续时间等特征量，从而确定暂降域。故障点的选取主要 取决于暂降幅值、持续时间和频次这三个因素，故应从负荷点所经历暂降的这三方 面来选择故障点。如果相邻两故障点对应的三个暂降特征量之一相差较大，则将它 们视为不同的故障点，各代表一定的故障区域，如点2 为与本地变电站相邻的线路 故障，它代表1 8 线路长度，即认为在此段内故障，负荷点的暂降特征相同。点2 、 3 、4 、5 暂降持续时间相同，幅值不等，点6 、7 、8 暂降幅值相等，但持续时间和 频次不同，故均设为不同的故障点。 2 图3 - 3 故障点法 从以上的叙述中可以看出，因为这种方法在确定故障点时没有明确的原则，所 以，如果要得到准确的结果，故障点法需要采用大量的仿真。当电网结构复杂时， 故障点法的计算量增加很快，仿真的难度很大。另外，由于故障点法只是针对某一 个具体的电网结构建立模型和仿真，所以通用性也比较低。 3 2 2 电压暂降矩阵的使用 ( 1 ) 短路故障计算中的节点阻抗矩阵 由于电压暂降主要是由电网中的短路故障造成的，所以本文结合国外提出的一 些算法进行了探讨，采用了基于短路故障计算的节点阻抗矩阵，扩展出电压暂降矩 阵的方法。这种方法主要是针对三相短路故障的。对于指定位置的电压暂降不需要 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 进行复杂的故障仿真，而是通过故障计算中通用的节点阻抗矩阵来预测电压暂降， 这在很大程度上简化了电网中环状结构对计算量的影响。 节点阻抗矩阵在短路故障计算中得到了广泛的应用【3 2 1 。 矿= z ，( 3 - 9 ) 其中，y 各节点电压组成的电压向量； j 各节点电流组成的电流向量； z 节点阻抗矩阵。 节点阻抗矩阵中的对角元素z j 。，就是节点的自阻抗，在数值上等于在节点i 注 入单位电流，其它节点注入电流均为零时，节点i 的电压。因此，从电路参数角度 上来看，磊是节点i 与地之间的等值阻抗，也即所谓戴维南等值阻抗。所以只要节 点i 与带有接地支路的网络有通路存在，则z 。必为一非零的有限数值。 节点阻抗矩阵的非对角元乙，即节点i 和j 之间的互阻抗，在数值上等于由节 点i 注入单位电流，其它电流的电流源均为零的时候，节点j 上呈现的电压。由于 网络中各节点之间总是存在直接或间接的电磁联系，因此当节点上i 注入单位电流 时，虽然其它节点电流源都在开路状态，但网络所有节点对地电压一般都不为零， 即乙都是非零元，所以节点阻抗矩阵中都没有零元素，它是一个对称的满矩阵。 ( 2 ) 电压暂降矩阵 本文提出的方法就是从三相短路故障计算中使用的节点阻抗矩阵开始的。 已知某一个电网结构和其他各项参数，在忽略故障阻抗的情况下，如果某一条 母线k 发生了短路故障，那么在母线上将产生电压降落，用公式表示为3 4 】： 圪= 五k 厶 ( 3 - 1 0 ) 其中，吒母线m 上的电压暂降； m i 母线e l i 和母线k 之间的互阻抗； 1 k 母线k 上的短路电流。 如果采用矩阵的形式，则可以计算因为母线k 短路故障造成的所有其他母线电 压暂降。计算方法如下： 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 k ： a t , ； 圪 ； a 巧 ： k ( 3 1 1 ) 兵中，故障电流i k 司以通过f 式计算： = 乏( 3 - 1 2 ) 其中，v 7 为母线k 上的故障前电压，z 0 是母线k 的自阻抗。那么，母线m 上 的电压暂降幅值就为 圪：圪+ a 圪：屹一z 册。孚 ( 3 1 3 ) 厶艋 这里，圪母线m 在母线k 故障前的电压水平 如果假设故障前电压各条母线的电压均为l p u ，则上式可以表示为 纠一乏 ( 3 1 4 ) 这里假设：1 阻抗矩阵的元素有相同的相角： 2 故障母线故障前电压为l p u 。 为了进一步明确电压暂降产生的位置和短路故障的位置，本文提出了一种改进 的电压暂降矩阵，可以方便的描述电网中的电压暂降的情况。 o；o；o；o 乙；乙；乙i乙 一 乙；乃；乃；乃 瓦；瓦；乙 乙；乙；乙 一 ；乙；乙； 华北电力大学工程硕士学位论文 化简为 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 上述矩阵的行元素对应的是某一条母线发生短路故障时，其他母线出现的电压 暂降幅值，如0 ，v k l ，v 。l ，v i l ，v 。i ，就代表着母线1 发生三相 短路故障时，在其他母线，如k 。m , j ，n 等上产生的电压暂降幅值；矩阵的列向量元素 代表着某一条母线，当其他母线发生三相短路故障的时候，在它上面产生的电压暂 降幅值，如当母线k ，m ，j ，i 1 发生故障时，在母线l 上产生的电压暂降分别为v l k ， v i m ，v 1 j ，v l n 。 所以，如果考察某条母线故障对其他母线造成的电压暂降，就只需考察电压暂 降阻抗矩阵的行向量；如果要考察某条母线( 及以下对应的敏感负荷) 所对应的电 压暂降域，只需考察电压暂降阻抗矩阵的列向量即可。 但是也可以看到，使用电压暂降矩阵只能够得到固定的节点电压暂降域，如果 需要求某一条母线任意指定电压暂降域，那么还需要进一步的算法。 1 9 乙一磊；乙一瓦；生乙；乙一乃：盈乙 一 一 一 一 一 一乙；互瓦；生乙；互乃；生乙 卜 卜 卜 卜 卜 盈乙；生乙；玉乙；一乙；红乙 一 盈乙；盔瓦；互；一乙；一乙 卜 卜 卜 卜 卜 盈乙；鱼乙；红；乙一乃；红乙 ；o “ 一 一 ；o； 一 ；o；k 一 一 一 一 ；o；巧； o； 华北电力大学工程硕士学位论文 假设母线i 和母线j 之间有线路相连，那么对于这条线路上的某一点p 和母线k 之间的互阻抗可以表示为 3 1 】【3 4 】： z 肇= ( 1 一五) z 0 + a z 0 ( 3 1 7 ) 其中，乙在母线i 和母线j 之间线路上的故障点p 与母线k 之间的互阻抗； 五：蔓o五1(3-18) 0 ，分别为母线i 到线路上p 点的距离，母线i 和母线j 之间的线路长度； 而线路上故障点p 的自阻抗为 z n , = ( 1 一a ) 2 乙+ 五2 2 0 + 2 z ( 1 一五) z ；+ 2 ( 1 - a ) z o ( 3 - 1 9 ) 其中， 5 一在母线i 和母线j 之间的线路上的故障点p 的自阻抗； “母线i 的自阻抗； 6 母线j 的自阻抗； f 连接母线i 和母线j 的线路的阻抗。 经过上面的处理以后，就可以更加准确地确定某一条母线所要求的电压域了， 计算方法如下： 纠一两丽等桨 2 其中，当电网中p 点发生三相短路故障时在母线k 造成的电压暂降。 方法具体如下，首先指定母线k 上的电压暂降门槛值，那么就可以根据上式解 一元二次方程，求得旯值；第二步，根据求得的a 值把各个故障点连接起来，就可 以得到吃对应的电压暂降域了。 进一步，如果在某一条连接线路上取更多的故障点，再利用上面的方法，就可 以形成一个全新的电压暂降矩阵，但是由于这些电压暂降全是由某一条线路形成 的，所以本文将其称为线路电压暂降矩阵。线路电压暂降矩阵和前面提到的故障点 方法有类似的作用，但是这种方法不需要复杂的数学建模和故障仿真。形成的线路 电压暂降矩阵如下： 2 0 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 3 - 2 1 ) 特别需要说明的是，上述矩阵中的元素的下标，第一个代表遭受电压暂降的节 点，第二个代表线路上故障点，另外，由于故障点的选择是任意的，所以数目不一 定等于电网中的节点数目，所以应当对元素下标进行区分。 确定电压暂降域后，就可计算电压暂降发生的概率，和辐射状电网的情况类似。 根据电压暂降矩阵进行电压暂降预测评估的流程见图3 - 4 。 3 3 本章小结 介绍了针对于辐射状电网和环状电网的电压暂降预测，为了简化故障点方法的 使用，应用了短路故障计算中的节点阻抗矩阵，减少了计算量。 2 1 ；吃； ； ； 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 4 环状电网电压暂降的预测评估 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章邢台电网电压暂降的统计分析与预测 4 1 邢台电网概况 邢台供电公司是隶属于河北省电力公司的国家一流供电企业。担负着向邢台市区及 所辖1 8 个县( 市) 区的供电任务。供电区域1 2 4 8 6 平方公里，覆盖人口6 7 0 万。受省公 司委托管理大曹庄供电有限责任公司，同时代管1 7 个县( 市) 电力局。 截止到2 0 0 6 年底，2 2 0 k v 变电站总共1 3 座，变压器2 6 台，总容量3 6 9 0 m v a 。1 1 0 k v 变电站6 3 座，变压器1 2 0 台，总容量4 2 0 3 m v a 。其中：局属变电站5 4 座，变压器1 0 0 台，总容量3 4 5 5 5 m v a ，用户变电站9 座，变压器2 0 台，总容量7 4 7 5 m v a 。地方电 厂和企业自备电厂共1 2 座、装机2 7 台，总容量3 1 2 m w 。公司所属2 2 0 k v 输电线路3 6 条，线路总长度为1 0 7 9 9 8 8 k m 。1 1 0 k v 输电线路1 0 9 条，总长度1 3 2 5 k m 。全网公司所 属变电站无功补偿容量1 0 4 9 1 1 8 m v a r , 其中2 2 0 k v 变电站无功补偿容量 5 7 9 1 6 8 m v a r , 1 1 0 k v 变电站无功补偿容量4 6 9 9 5 m v a r 。 近几年，邢台供电公司步入了快速发展的新阶段，电网建设实现跨越式发展，安全 生产创历史最好水平。但是，在快速发展的同时，又产生了新的问题。由于近几年经济 的加速发展，网内的敏感负荷明显增多，其中既包括一些生产精密仪器的新型产业，又 包括一些原有企业为扩大生产而引入先进的流水线，他们对邢台供电公司的供电质量提 出了更高的要求。如在邢台市宁晋县的单晶硅厂，曾多次提出要求改善供电质量；还有 邢台德龙钢厂曾因为遭受电压暂降等电能质量问题的影响而造成较大经济损失，多次向 向供电部门投诉；还有邢台轧辊厂和邢台钢铁集团也都因类似问题通过不同渠道向供电 部门反映。这些问题直接影响供电部门在用户中的良好形象，必须引起相关部门的足够 重视。 一 4 2 邢台电网电压暂降的统计 考虑到电网中存在的电压暂降随机性强、不好统计的特点，本文从实际情况出发， 先从整体入手，再逐步深入，最终给出较为准确可靠的统计结果。 因为在装有保护装置的地方，电压暂降主要是由保护动作产生的，所以在这个前提 下，就可以认为保护装置发生动作就产生了电压暂降。这样，我们可以先根据邢台电网 保护装置的动作情况从宏观上统计电压暂降，再根据统计的总体情况，在保护装置频繁 动作的地区或其影响较大的地区加装相关的电能质量监测装置，对邢台电网中存在的电 压暂降进行具体统计，并给出故障实录波形。 兰! ! 皇垄查堂三矍堡主堂垡丝茎 4 2 1 邢台电网保护动作情况 首先给出邢台电网2 0 0 1 年2 0 0 6 年，历年保护动作的情况统计： 表4 - 1 邢台电网2 0 0 1 2 0 0 6 历年保护动作情况统计 时间 2 2 0 k v l l m 及以下 2 0 0 l 9 l 7 7 8 2 0 0 28 5 6 3 7 2 0 0 37 25 3 2 2 0 0 41 0 39 4 4 2 0 0 51 29 5 3 2 0 0 62 67 7 2 下面分别给出邢台电网2 0 0 1 年2 0 0 6 年中某些月份的电力系统继电保护和安全自 动装置动作记录统计月度报表： 表4 22 0 0 2 年8 月邢台电网保护动作统计报表 时间保护安装 电压等级故障及保护装置动作情被保护设备名称 地点况简述 2 0 0 2 8 1 9 柏乡 2 2 0 k v 范柏线2 7 3 区内b 相瞬范柏线 8 ：5 9 时接地故障，动作出口，重 2 7 3 合成功 l w j ：1 0 l c k , o p 几c k j z k j c k c h c k 2 、j ：d z ，d + + ，仉+ z i , c h c k 2 0 0 2 8 1 9 羊范 2 2 0 k v 范柏线2 9 2 区内b 相瞬范柏线 8 ：5 9 时接地故障，动作出口，重 2 9 2 合成功 1 w j ：1 0 1 c k , g p j u ：k 1 z i o c k , c h c k 2 w j ：d z ，口件，叶+ ，z 1 ，c h c k 2 0 0 2 8 2 9羊范2 2 0 k v 范万线区内c 相瞬时接范万线 2 3 ：5 4 地故障，保护出口，重合成 2 9 3 功 i w j ：g b l 0 c k c h c k 2 w j ：g b f x c k , c h c k 华北电力大学工程硕士学位论文 表4 32 0 0 6 年1 0 月邢台电网保护动作统计报表 时间保护安装 电压等级故障及保护装置动作情被保护设备名称 地点况简述 2 0 0 6 1 0 5中曹站1 1 0 k v 值班员进行倒闸操作，在i i # 主变 1 7 ：加 合3 5 4 - 2 刀闸时刀闸瓷 瓶断裂，3 5 4 a 相母线侧 引线在刀闸口脱落接地， 引起母线三相短路。i 、 n # 微机型主变保护装 置动作，3 0 1 及3 1 2 开关 跳闸。 2 0 0 6 1 0 2 3 羊范站 2 2 0 k v 范万线2 9 3 b 相瞬时接地范万线 7 ：1 9 故障。i w j ：2 1 m s 距离 2 9 3 1 段出口，2 3 m s 高闭出 口，8 7 2 m s 重合闸动作， i m r j ：2 1 m s 距离l 段出 口，2 6 m s 高频方向出 口，8 7 2 m s 重合闸动作， 赦障测距2 9 k m ，保护动 作正确，保护重合出口， 开关由于合闸线圈接触 不良未合闸成功。 2 0 0 7 1 0 2 7 羊范站 2 2 0 k v 范万线2 9 3 a 相瞬时接地范万线 1 7 ：4 7故障。刑了：2 1 m s 距离2 9 3 1 段出口，2 3 m s 高闭出 口