（电力电子与电力传动专业论文）电压暂降源的定位与暂降经济性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 幽删 y 1 7 9 石j 岑拦 电压暂降已经成为最主要的电能质量问题之一。本文从实测和预估两个角度，分别 对暂降源的定位和暂降经济评估进行了研究。暂降源定位的研究中，本文提出用小波多 分辨率分析方法，提取并计算三相瞬时功率低频段信号能量的变化，以其变化的正负极 性判断暂降源相对于监测点的位置。文中对典型暂降事件应用该方法进行仿真验证，结 果证明方法简洁可靠。暂降经济性研究方面，分析了系统侧暂降传播性特点，和采用概 率方法计算用户对暂降的设备故障率，为解决将系统和用户设备情况相结合综合评估的 问题，提出了用暂降次数等指标来评估用户受到的暂降影响。在此基础上用净现值法选 择出对用户经济和技术效果俱佳的改善方案，提出在暂降损失不确定的情况下采用区间 最佳方案的评估方法。针对实例进行的技术经济评估结果表明本文的评估方法流程清 晰，可操作性强。最后提出了基于暂降经济评估的暂降改善措施新思路即敏感用户接入 点的选择。 关键词：电压暂降，小波变换，定位，经济技术评估，净现值法 a b s t r a c t v o l t a g es a gh a sb e e no n e o ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m so fp o w e rq u a l i t y i nt h i s p a p e r , v o l t a g es a gs o u r c el o c a t i o na n de c o n o m i ca s s e s s m e n ta r es t u d i e dr e s p e c t i v e l yi nv i e w o fm e a s u r e m e n ta n dp r e d i c t i o n i nt h ef i r s tp a r t , t h ec h a n g eo fl o w - f r e q u e n c ys i g n a le n e r g yo f t h r e e - p h a s ei n s t a n t a n e o u sp o w e ri se x t r a c t e da n dc a l c u l a t e db a s e do nw a v e l e t m u l t i r e s o l u t i o n m e t h o dt oc e r t a i nt h es a gs o u r c el o c a t i o nr e l a t i v et ot h em o n i t o r i n gp o i n t s 1 1 1 er e s u l t so f t y p i c a ls a ge v e n t sw h e nt e s t e du s i n gt h i sm e t h o d s h o w st h a tt h em e t h o di ss i m p l ea n dr e l i a b l e i nt h es e c o n dp a r t ，s a gt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ci s a n a l y z e di ns y s t e ms i d e a n dt h e e q u i p m e n tf a i l u r er a t ei sc a l c u l a t e di ns e n s i t i v ec u s t o m e rs i d e t h e nt h ec u s t o m e r s a c t u a l l y s a ge f f e c t sa r ea s s e s s e dc o m p r e h e n s i v e l yb ys a gf r e q u e n c yi n d i c a t o r sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e ra n dt h en p v ( n e tp r e s e n tv a l u e ) m e t h o di ss e l e c t e dt od e c i d et h em o s ta p p r o p r i a t e i m p r o v e m e n tp l a n t 1 1 ei n t e r v a l b e s tm e t h o di sp r o p o s e du n d e r t h es i t u a t i o no fu n c e r t a i n t ys a g l o s s 1 1 1 er e s u l to ft h i sm e t h o dw h e na p p l i e di na np l a n te x a m p l es h o w st h ea s s e s s m e n t p r o c e s si sc l e a ra n df e a s i b l e f i n a l l y , t h en e wi d e ao fs a gi m p r o v e m e n tt h a ti st h ec h o i c eo f a c c e s sp o i n tf o rs e n s i t i v ec u s t o m e ri sp r o p o s e d z h a n gx u e m e n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db yp m f x uy o n g h a i k e yw o r d s ：v o l t a g es a g , w a v e l e tt r a n s f o r m ，l o c a t i o n , t e c h n i c a la n de c o n o m i c a s s e s s m e n t ，n p v l 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章引言1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 本课题研究意义2 1 2 国内外研究现状3 1 3 本文主要工作6 第二章基于小波多分辨率分析的电压暂降源定位研究7 2 1 电压暂降源定位方法概述7 2 2 小波多分辨率分析方法8 2 2 1 原理分析8 2 2 2 基于小波多分辨率分析的判断方法1 0 2 3 仿真研究1 0 2 3 1 仿真模型1 0 2 3 2 小波基函数的选择1 1 2 3 3 短路故障1 2 2 3 4 变压器投运1 4 2 3 5 感应电动机启动1 5 2 3 6 考虑干扰源的暂降源的判断1 5 2 4 小结1 6 第三章电压暂降经济评估1 7 3 1 系统侧暂降水平的评估1 7 3 1 1 随机预估1 7 3 1 2 暂降传播性1 8 3 2 用户侧受暂降影响水平评估2 1 3 2 1 典型电压暂降敏感设备2 1 3 2 2 敏感设备耐受曲线2 2 3 2 3 基于概率统计的用户设备故障率评估方法2 5 i 华北电力大学硕士学位论文 3 3 暂降的综合经济评估2 8 3 3 1 表征用户与系统暂降水平的相关指标2 8 3 3 2 相关经济指标3 0 3 4 流程图与实例研究3 2 3 4 1 流程图3 2 3 4 2 实例研究3 3 3 5 小结3 7 第四章暂降缓解措施的经济技术评估3 8 4 1 电压暂降的主要缓解措施3 8 4 1 1 电力系统侧的缓解措施3 8 4 1 2 用户接口处的缓解措施3 8 4 1 3 设备制造方的缓解措施4 0 4 2 电压暂降缓解方案的选择4 0 4 2 1 缓解方案的费用4 1 4 2 2 缓解方案的改善效果4 l 4 2 3 暂降缓解方案的技术经济评估方法4 2 4 3 实例分析4 4 4 4 电压暂降的缓解措施的新思路4 6 4 5 小结4 7 第五章结论和展望4 8 5 1 结论4 8 5 2 展望4 8 参考文献5 0 致谢5 4 在学期间发表论文和参加科研情况5 5 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 选题背景 第一章引言 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，也是一种 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产品。从普遍意义上 说，电能质量是指优质供电n 1 。电能质量问题主要分为稳态电能质量问题和暂态电能质 量问题两大类。稳态电能质量问题包括频率偏差、电压偏差、谐波等以波形畸变为特征 的扰动问题。近年来，随着计算机应用技术、自动化控制技术和大功率电力电子技术等 高新技术的迅速发展，暂态电能质量问题如电压暂降、电压暂升、短时断电等引发的事 故越来越多，在国内外受到了特别的关注。 一些高度自动化设备和各种电力电子设备在工业中得到了广泛应用，但由于它们和 传统设备相比，更容易受到电压暂降的影响，几个周期的电压暂降都会影响这些设备的 正常工作，甚至导致跳闸或生产停顿，造成巨大的经济损失。如上海一家生产硅晶片为 主的高科技企业，当电压跌至正常电压的8 0 ，持续时间超过2 0 m s 时，其内部的部分设备 就会停机。据该厂粗略估算，每发生一次类似事件，造成的直接经济损失在2 0 0 万元以上 乜1 。英国某造纸厂由于持续仅2 3 个周波0 9 p u 的电压暂降造成关键负荷可调速驱动装 置跳闸，生产线作业中断，一次事件的直接损失达1 4 万英镑。据国外调查：电能质量问 题中电压暂降已成为主要的投诉原因，甚至占到投诉比重的8 0 口1 。暂降问题已经成为最 为普遍、危害最大的一类电能质量问题。 随着电力市场的发展，一定质量和数量的电能成为供用双边交易的商品，电能质量 也已成为价格制定中要考虑的重要因素。电力企业之间的市场竞争理念得到加强，与此 同时也极大促进了电力用户开始关注和认识电能质量问题。越来越多的电力用户根据自 身需要向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至有选择的通过签定供用电合同和质量 协议加以保证。供用电双方在达成电力买卖后，用电方受到的任何电力干扰而影响其正 常生产都可以通过经济或法律的手段来解决。如美国底特律的电力公司就与三大汽车制 造厂签定了含电压暂降协议的供电合同，用电压暂降监控数据决定的暂降分指标作为暂 降赔付的依据h 1 。而供电方将会更加重视其质量的提高，低质的电能不但难以满足用户 需求，而且可能会给用户以及社会带来巨大的经济损失。 供电方在做出改善电能质量的投资决策之前，要衡量出现电能质量问题事故后带给 用户的损失和电能质量问题的治理成本，选择最为经济有效的治理措施达到改善电能质 量的目的踊1 。另一方面，在导致电能质量下降的责任上，供用电双方往往因为缺少对电 1 华北电力大学硕士学位论文 能质量下降原因的判断而存在分歧甚至陷入经济纠纷。如在配电系统遇到的变压器和电 容器组投切操作，有可能引起电压暂降而损坏用户设备，此时用电方会简单的抱怨供电 质量太差，以至于投诉。引起电能质量问题的原因有时是来自电力系统内部的，有时来 自于外部连接设备，亦或是两者共同作用的结果。因此深入分析研究电能质量问题，深 入探求一定条件下电能质量问题发生原因，明确责任和义务，同样也是电力工业适应市 场竞争和可持续发展所必须的。 综上所述，暂降作为电能质量的重要方面，如何定量分析电网电压暂降情况、评估 用户所受影响以及带来的经济损失和对暂降源发生位置进行判断来作为暂降发生原因 分析的依据，成为现代电能质量问题中的重要课题之一。暂降源位置的确定，能有助于 辨识暂降发生在系统侧还是用户侧，有助于暂降责任的区分和选择合理的治理措旌。暂 降问题和用户设备敏感度关系密切，不同的用户对电压暂降的感受程度不同，较好的评 估用户暂降影响水平和经济损失也是未来定制电力的要求之一，用电方可以根据自身需 要和供电方签订供用电质量的合同。对于改善电能质量的暂降缓解措施方面，不同的可 选方案有不同的费用支出和相应的效益，因此如何对这些方案进行评估和经济比较的研 究也是电力工业适应市场竞争的要求。 1 1 2 本课题研究意义 暂降的研究工作，就其研究时获取的信息不同，可主要分为实测法和预估法两个方 面。 其中，实测法是基于电网实际监控数据的方法，对这些数据进行合理的分析、总结 可以得到非常有用的信息，如对暂降进行定位、辨识等。电力市场的改革要求电能能成 为真正意义上的商品，暂降造成的用户损失若需要考虑赔付问题，赔偿的责任明确和金 额应基于实测法的分析才令人信服。 另一方面，暂降和其他电能质量问题相比有以下特殊性，即暂降是随机且非经常发 生事件，评估所需要的暂降数据若仅通过实测数据，则需要很长的监测周期才能得到较 高的精度1 。另外在实际工作中，由于监测手段和成本的限制，实测数据往往不完整， 因此需要用统计分析的预估方法来补充。预估的方法在过去监测数据和系统模型参数、 扰动历史资料的基础上，建立系统模型，分析扰动信号的传播特性，从短路分析中估计 暂降幅值，确定暂降持续时间，对系统暂降情况进行分析和预测。 综上所述，本文研究的课题为基于实测法的暂降源定位研究和基于预估法的暂降经 济性研究。电压暂降源的定位，就是确定引发电压暂降的扰动发生在监测装置的哪- t 受1 1 。 暂降源位置的确定，对于暂降故障检测、诊断和缓和措施的制定以及经济纠纷的调解是 十分必要的。暂降的经济性研究无论对供电部门还是用户，都具有重要意义。从供电部 门来看，需要对供电区域的电网有宏观的认识，了解本地区的暂降和短时间中断水平， 2 华北电力大学硕士学位论文 是改善电网设计的依据和招商引资、确定电力用户厂址和设备的基础。从用户角度看， 若用户需要改善暂降水平，在改善措施的决策中需要以用户的暂降的经济性评估为基 础。因此，本文将这两方面作为研究的主要内容。 1 2 国内外研究现状 近年来，国内外很多学者对电压暂降问题进行了深入研究。在电压暂降源的定位方 面，提出的主要方法有： ( 1 ) 采用监测点的扰动功率和扰动能量来判断暂降源的相对位置 系统中发生暂态扰动故障时，可看作是能量的一种流动。故障中，能量总是从其他负 载流向故障点。因此，通过研究电网中瞬时能量的流动可达到对扰动故障源定位的目的。 扰动能量有按扰动功率积分计算口卅、根据小波变换计算m 和基于h i l b e r t 变换的瞬时有 功功率、无功功率计算n 们等。该类方法的优点是直接利用监测点的电压电流波形计算， 方法简单易行且受系统不同网架结构影响小，具有普遍适应性。但是在目前的研究中， 未考虑监测点的信号受到干扰时该类方法的适用性。 ( 2 ) 通过线路上安装的继电器获得暂降前后的阻抗和相角变化判断暂降源的位置3 很多输电线路上会安装继电器，因此可以从继电器上获得的暂降前后的电压、电流 及相角的信息来计算与系统很多因素相关的阻抗( s e e ni m p e d a n c e ) 从而进行判断。该 方法的局限性有故障发生的位置等因素影响判断，如若故障发生在电源和继电器之间， 阻抗不会发生变化，从而无法从继电器处得到正确的结论。 o ( 3 ) 根据暂降发生前后的等效阻抗实部和虚部的正负情况判断暂降源的位置n 纠3 1 通过对线性系统的理论分析，可以得出监测点的暂降前后的电压基频正序电压、电 流的变化值的比值，即为所定义的等效阻抗，其实部虚部符号，与暂降源相对于监测点 的位置有关，因此可用于判断暂降源的位置。对于非线性系统，通过仿真和试验证明了 该判据的有效性。该方法可行性在于只要有监测点电压电流的波形即可分析，难点在于 对暂降前后的测量周期的选择会影响结果的正确性，另外在辐射型网络中，该方法的准 确性较高，而在非辐射型环状网络中，该方法值得进一步研究。 ( 4 ) 通过表征电压和电流的关系的斜率判断暂降源的位置n 4 1 考虑到暂降发生时，电压幅值和功率因数相对于电流幅值之间的关系随着暂降源的 发生点不同而不同，用最小二乘法对暂降期间的基频电压幅值与功率因数的乘积 u c o s o l 和基频电流幅值，数据拟合成一条直线，通过直线的斜率正负判断暂降源的位置。该方 法的最大特点是不需要确定暂降的发生时间，但该方法在对于由不对称故障引起的暂 降位置判别上准确性不高h 钔。 ( 5 ) 先分类，再判断u 3 华北电力大学硕士学位论文 对暂降的发生原因先分类，针对不同原因的特点用不同的准则判断。如线路故障时， 采用暂降事件发生前后电流基频分量的比率与阈值比较来判断；感应电动机启动时用暂 降事件前后的有功功率的变化值与阈值比较判断；变压器投运的判断和故障时的准则类 似，只是阈值有所不同。但该方法中阈值的选择对判据影响较大。 国内外对电压暂降经济性评估的不同方面如暂降的随机预估、暂降的传播性、敏感 设备受暂降的影响情况、表征暂降的指标以及暂降的经济技术评估都有研究，主要工作 如下： 在暂降的随机预估方面，i e e es t d4 9 3 在1 9 9 7 年新增了第九章，专门介绍暂降特征 预估的分析方法n 。造成电压暂降的系统原因主要是短路，尤其是线路故障，因此标准 推荐通过短路计算和保护装置的动作时间来分别确定暂降幅值和持续时间。文献 1 8 讨 论了2 种暂降预估的方法，分别是故障点法和临界距离法，并分析了各自的优缺点。文 献 1 9 采用蒙特卡罗随机模拟方法对节点电压暂降进行评估。蒙特卡罗法的优点在于便 于处理负荷的随机变化特性，且采样次数与系统的规模无关，所以在进行复杂系统的可 靠性评估时具有很大的优越性，适于元件故障和修复时间不服从指数分布，故障检修和 计划维修之间存在较复杂的关系的情况。 系统某处发生暂降会通过输电网向各个电压等级传播，分析电压暂降的传播特性对 于用户的暂降综合评估具有重要意义。在文献 2 0 中b o l l e n 首先进行了变压器接线方 式对电压跌落的传播影响特性的分析，并且根据变压器转换后暂降幅值和相移的不同， 作者将电压暂降分为四种类型。但是作者的着眼点主要是分析电压暂降对三相调速电机 的影响，而不是从供电系统的角度来分析电压暂降的传播问题。文献 2 1 对电力系统中 的暂降传播进行了研究，文献 2 2 用对称分量法分析电力系统短路故障的基础上，给出 一种反映暂降类型变化的映射函数并提出了表征暂降传播特性的指标。文献 2 3 针对英 国的某配网系统建立了仿真模型，研究不同的变压器绕组接线形式对暂降的影响。在文 献 2 4 作者研究了我国标准变压器在不同绕组联结方式下对线电压和相电压的暂降传 播规律。 但上述文献仅仅是系统供电关键节点的暂降情况，未考虑用户暂降敏感设备对暂降 的敏感度问题，设备的暂降敏感度和用户的暂降损失有直接的关系，国内外也有文献对 这类问题做了较深入和广泛的研究。i e e es t d1 3 4 6 介绍设备暂降敏感度水平，提供了 p l c 、p l c 输入设备、p c 机、a s d 、继电器、起动器等设备暂降敏感曲线的取样值乜钔。 文献 2 6 提出一种基于s c b e m a 曲线判断敏感负荷是否停运的判据，反应的是一个平 均的概念，通过对每一类用户的各类用电负荷的统计( 根据c b e m a 曲线的容限值和组 成比率) ，得出一个平均的停电幅值和停电时间的判据来作为暂降发生时停电用户数的 统计。文献 2 7 2 9 考虑设备的敏感度受设备类型、生产工艺和负载水平等因素的影响 具有很大的不确定性，用概率的方法计算设备的故障率继而计算经济损失。文献 3 0 结 4 华北电力大学硕士学位论文 合南非电网电压暂降标准和1 t i c 、s e m if 4 7 曲线建立输入隶属度函数，基于专家经验 建立模糊规则进行敏感度评估，考虑到了敏感设备从正常状态到故障状态之间模糊性特 征。但上述大部分文献都未明确结合系统侧的情况综合评估用户影响。 电压暂降经济评估中一项重要工作是相关评估指标的确定，近年来国内外学者在此 方面进行了大量的研究。文献 3 1 中介绍的s a r f i 指数指标反映的是电力公司在电压 r m s 值变动方面的供电服务质量，表示为发生在评估期间每个用户特定均方根值变化测 量事件的平均次数。在对单个节点指标的计算中，可用表格形式来表征电压暂降情况。 常用的有u n i p e d e ( 欧洲供电国际联盟) 表。副、i e c 6 1 0 0 0 - 2 - 8 啪1 以及南非n r s 0 4 8 - 2 ：1 9 9 6 年推荐的表格m 1 。其中u n i p e d e 表格在ls 3m i n 时间的时间列数占总列数的比重太 大，而实际的暂降次数很少。而i e c 6 1 0 0 0 - 2 - 8 较u n i p e d e 推荐的表格而言，1 0 0 5 0 0m s 的区间被合理分解，且暂降幅值上做了更细致的划分。南非n r s 0 4 8 - 2 的表格考虑到了 设备的敏感性，但在南非之外很少应用。除此之外，还有一些指标，如文献 3 5 中基于 某一暂降事件严重性的指标s e ，以及用m s i 、d s i 表示的严重性指标啪1 等。 暂降的技术经济评估若考察用户受到的暂降的影响，需了解用户的暂降经济损失。 文献 3 7 研究了用户暂降损失的主要三种调查方法：具体停电事故统计分析、间接分析 评估、用户问卷调查。文献 3 8 提出的调查法将用户分为七类：大用户、工业用户、商 业用户、农业用户、居民用户、政府部门和写字楼。文献 3 9 将一个高科技工业园区分 为六大类，分别为s c ( 半导体) 、c p ( 计算机及其配件) 、t c ( 电信业) 、o e ( 电子 工业) 、p m ( 精密仪器) 、b t ( 生物工业) 来评估其短时间中断和暂降的损失。在综合 评估方面，目前研究不多，主要的方法如下：i e e es t d4 9 3 为生产线设备和电力系统之 间的电压暂降兼容推荐技术和经济分析方法，将两者的性能参数在同一个图中对比分析 来确定兼容与否的事件次数，提出用回报期进行选择改善暂降措施的兼容经济性分析。 文献 5 提出了对用户进行暂降的经济评估步骤和实施改善措施费用的权衡过程，提出 用s a r f i 指标评估相关损失，用年度费用( 综合电能质量费用和解决方案费用) 最小来评 估改善方案。文献 4 0 提出了电压暂降经济评估方法的4 个步骤：确定系统电能质量的 状况；评估电能质量问题带来的成本；确定治理方案的费用和效益；经济对比分析。其 中在评估暂降损失情况时采用了s e m if 4 7 敏感曲线。文献 4 1 采用概率矩阵分析的方 法对暂降进行经济性分析，按电压暂降幅值、持续时间和不同类别的暂降损失分别形成 三个类别的矩阵，将这3 个矩阵相乘计算年暂降损失费用。文献 4 2 将质量工程理论中 的质量损失函数和信噪比应用到电压暂降的经济评估中，提出一种描述暂降幅值和经济 损失之间的函数用于评估暂降带来的经济损失，将质量成本理论用于改善电压暂降方案 的选择。 s 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作 本文的主要工作如下： ( 1 ) 在暂降源定位方面，分析暂降发生原因，对目前暂降源定位各种方法进行了 分析和比较，提出了基于小波多分辨率分析方法，分析暂降期间监测点三相瞬时功率信 号，提取并计算低频段信号能量的变化，以其变化的正负极性判断暂降源相对于监测点 的位置的方法。 ( 2 ) 用p s c a d 建立了暂降仿真模型，对如线路故障、感应电动机启动、变压器投 运三种典型引起电压暂降的事件分别应用本文的方法进行仿真验证，并对监测点受到干 扰源影响的情况做进行了仿真，证明所提的用小波多分辨率判断暂降源位置的方法的正 确性和可行性。 ( 3 ) 暂降经济性研究方面，将系统的暂降水平和用户的敏感设备情况相结合综合 评估用户的暂降水平和经济损失。具体来说，系统的暂降水平评估包括用随机预估的方 法得到系统公共点的暂降特征值，结合变压器和负荷连接的特点探讨了暂降从高压侧到 用户接入点低压侧的传播特性；用户侧敏感设备的评估方面，结合用户设备类型和组成 情况，建立随机模型，用概率的方法评估用户敏感设备的敏感度，从而得到用户在统计 范围内的设备故障率，在此基础上将系统情况和用户设备情况相结合，选择合适的暂降 指标表征用户的暂降水平。结合实例，应用本文的评估方法进行了分析。 ( 4 ) 分析了电压暂降的主要缓解措施，基于用户的暂降评估情况，对可采用的缓 解措施的改善效果和费用进行经济技术评估，用净现值法选择出最优方案。针对某制造 工厂实例，进行技术经济评估，选出最优改善方案并在单位暂降损失不确定的情况下， 给出区间最优方案。最后基于暂降的经济性评估，提出了暂降缓解措施的新思路即敏感 用户接入点的选择。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于小波多分辨率分析的电压暂降源定位研究 目前国内外对暂降源定位进行了很多研究，根据前面的分析，鉴于能量分析法能直 接利用监测点的电压电流波形计算，受系统不同结构影响小，具有普遍适应性，本文从 暂降期间监测点能量的流动方面进行研究。值得注意的是，电力系统在线监测中的监测 信号含有大量的现场背景噪声，另一方面随着非线性用电负荷的增多，向系统注入谐波 电流使得公共连接点的波形畸变情况严重，并产生很强的电磁干扰，这些都会影响用监 测点数据对暂降源定位所做判断的正确性，而以往的文献没有考虑到这一点。本文基于 以时频局部化见长的小波多分辨率分析方法，计算暂降期间三相瞬时功率信号能量相 对于相同时间下稳态情况下的变化，考虑到干扰源对监测点信号的影响，以低频能量在 暂降期间的变化极性来判断暂降源相对于监测点的位置。最后，本文用p s c a d 建立了暂 降仿真模型，对线路故障、感应电动机启动、变压器投运引发的三种典型暂降事件分别 应用本文的方法进行了仿真验证。 ? 2 1 电压暂降源定位方法概述 电压暂降产生的原因若按电力系统和用户分，系统方面的原因包括各种短路故障、 雷击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等；用户的原因包括用户内部短路以及大 型电机的启动、电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等。若将短路故障细分，低压用户 感受到的电压暂降有可能是由不同电压等级、不同区域的故障引起的，分别可能为：高 压输电线路故障、中低压配电线路故障和相邻配电线路故障等【4 3 l 。 当输配电系统中发生短路故障、感应电动机启动以及变压器投运等事件时，均可引 起电压暂降。发生短路时，由于电源供电回路阻抗的减小以及突然短路时的暂态过程， 使短路回路中短路电流值大大增加，从而引起电网中电压下降：感应电动机启动需要从 电源汲取的电流值为满负荷时的5 0 0 一8 0 0 ，这一大电流流过系统阻抗时，会引起电压 下降；变压器投运，铁心饱和特性，会在送电端产生数倍于额定电流的涌流，导致投运 前后系统电压短时跌涔州。 基于上述特点，当系统发生暂降时，可以将暂降源看做是从系统吸收能量。暂降发 生时，有能量流向暂降源处，因此，可以通过研究电网中瞬时能量的流动达到定位目标。 一般来说，电能质量的监测是用户与电力部门的共同需要，监测点的数据可以向双 方提供客观真实的资料。监测点往往是公共连接点，如变电站母线、系统和用户连接点 处等，通过监测点记录的瞬时三相电压电流波形可计算出三相瞬时功率p ，如式( 2 1 ) 。 p ( t ) = u a ( f ) ( f ) - 1 - u b ( f ) ( f ) + u c ( f ) f c ( f )( 2 1 ) 7 华北电力大学硕士学位论文 具体来说，如图2 1 所示，可以参照基波有功潮流的方向，如果故障发生在监测装 置的后方，称为上游方向；如果故障发生在监测装置的前方，称为下游方向。当监测点 暂降期间的能量与相同时间稳态下的能量比较，若有减少说明暂降源在监测点上游方 向，反之则在下游方向。 a b 图2 1 电压暂降源定位示意图 2 2 小波多分辨率分析方法 2 2 1 原理分析 小波变换分析法由于其具有良好的时一频局部化特性，能够很好的处理微弱或突变 信号，适合用于暂态电能质量的分析【4 翻。小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状可 改变，时间窗和频率窗都可改变的时频局域化分析方法，即在低频部分具有较高的频率 和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，所以被 称为数学显微镜。 多分辨率概念由s m a l l a t 和y m e y e r 于1 9 8 6 年提出，将此前所有的正交小波基的 构造统一起来，并给出了正交小波的快速算法即m a l l a t 算法1 4 6 - 4 8 1 。多分辨率分析是建立 在函数空间概念上的理论，即将信号空间划分到不同的尺度空间，每个空间对应着不同 的频率空间。平方可积函数可以看成某一逐级逼近的极限情况，每级逼近都是用某一低 通平滑函数c a ( o 对函数做平滑结果，在逐级逼近时平滑函数c a ( t ) 也做逐级伸缩，这就是 “多分辨率 ，即用不同分辨率分析函数。这里以三层多分辨率分解为例，其小波分解 如下图：其中s 表示信号，a 表示低频，d 表示高频。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 三层多分辨率树结构 从图2 2 中可以看出，多分辨率分析只是对低频部分进行进一步分解，而高频部分不 予考虑。分解具有关系：s - - a 3 + d 3 + d 2 + d 1 。如果要进行下一步的分解，则可以把低频 部分a 3 分解为低频部分a 4 和高频部分d 4 。 若把原始信号占据的总频带( 0 兀) 定义为空间，经第一级分解后被划分为两 个子空间：低频的均( 频带0 兀2 ) 和高频的所( 频带r 9 2 - 吨) 。经第二级分解后又 被剖分为低频的乃( 频带o r d 4 ) 和高频的( 频带耐僦) ，这种频率子空间的剖分 过程可以记作： g o = ko ，k = o ，。巧一。= 巧o j g o = o o 呢o o o 巧 其中各砀是反映琢j 空间信号细节的高频子空间，巧是反映珞，空间信号概貌的低 频子空间，也可以说砀+ ，为咯j 在巧的正交补空间，巧和砀分别称为尺度j 的尺度空 间和小波空间。若尺度函数力，。( f ) = 2 - s 2 矽( 2 一夕- k ) 和d 、波函数吵m ( f ) 分别为巧和彬的标 准正交基，则任意信号x ( t ) l 2 ( r ) 可用多分辨率公式分解为： j z ( f ) = 勺( 七) 办，七( f ) + 嘭( 后) 吩j ( f ) 七 - ，= l j ( 2 2 ) 右边第一部分是信号x 在尺度空间的投影，它是信号的平滑逼近，分解系数叫矽 称为离散平滑逼近，丸七以夕称为尺度函数；第二部分是信号在小波空间的投影，反映 了邻近尺度两个平滑逼近的细节差异，也就是对信号所做的细节补充，分解系数西阳 称为离散细节信号最i j d , 波变换系数，慨俐是具有带通性质的小波函数，将小波变换与 多分辨率分级联系起来。 二尺度方程是多分辨率分析赋予尺度函数咖倒和小波函数删的最基本特征，根据相 9 华北电力大学硕士学位论文 邻二尺度空间的尺度函数和小波函数的基本关系得到小波分解快速算法，如下式： c j + l ( 忌) = h o ( m - 2 k ) c j ( m ) ( 2 3 ) 乃+ l ( k ) = zl 气( m - 2 k ) c j ( m ) ( 2 4 ) 此式即为著 的m a l l a t 算法，式 h o c k ) 和j i l ，内分别为低通数字滤波器单位取样响应 和高通数字滤波器取样响应。 2 2 2 基于小波多分辨率分析的判断方法 多分辨率分析的主要特征之一是不同分辨率的小波系数能量代表不同频带的原信号 能量。 根据p a r s e v a l 定理，利用尺度函数和小波函数的正交性质，原信号能量可分为各尺 度下子频带的能量之和，由各个分解尺度上的高频、低频系数计算 4 9 - , 5 0 1 ，如下式所示： | f ( t ) j 2 d t = l 勺( j j ) | 2 + z z i 乃( k ) 1 2 k ， ( 2 5 ) 上式右边第一部分是低频信号能量，即频= i 勺( 后) 1 2 。 本文对暂降前后几个周期监测点监测到的三相瞬时功率信号，进行多分辨率小波分 析，计算其低频信号能量，并与相同时间内扰动前三相瞬时功率的低频能量对比，作为 判断的依据。对大多数信号来说，低频部分更重要，它包含信号特征和变化趋势，采用 低频信号能量作为判据可以消除噪声和高频谐波对判断的干扰。 设暂降期间的信号低频能量为e ，稳态时相同时间的低频能量为e o ，a e = e - e o ，z j e 反映了暂降期间能量相对于稳态时的变化值，判据为：若暂降期间z l e 为负，则暂降源 在该监测点后方；反之，则在监测点前方。 2 3 仿真研究 2 3 1 仿真模型 下图2 3 给出了本文所用的电压暂降源定位的仿真系统结构图。 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 电压暂降仿真的系统结构图 这是一个包含1 1 0 k v 输电、l o k v 配电和0 4 k v 用电系统的辐射型系统。各变压器的 参数设置如表2 1 所示。l l o k v 侧系统的等值电抗的标幺值为0 0 7 5 8 ，1 1 0 k v 架空线路， 的零序、正序、负序阻抗和电容为： z o = 0 5 3 0 1 + j 0 9 1 8 5 刚k m ；z t = z 2 = o 9 1 4 5 + j 0 3 6 0 7 q k m ；c o = 0 0 0 6 3 3 p f k m ；c 1 = c 2 = 0 0 0 9 8 1 p f k m 。 l o k v 架空线路1 和2 的零序、正序、负序阻抗和电容为：z 0 = 1 2 7 6 4 + j 1 6 1 7 1q k m ； z z = z 2 = 1 1 3 1 + j 0 3 1 2 6 q k m ：c o = 0 0 0 3 9 9 p f k m ；c l = c 2 = 0 0 1 1 2 8 p f k m 。 表2 1 变压器参数设置 电压等级( k v )接法额定容量损耗( k w )空载电流( )阻抗电压( ) ( k v a ) 空载负载 1 1 0 1 ly - d l l2 5 0 0 03 5 51 2 31 11 0 5 1 0 0 4 y y 0 1 6 0 0 2 4 51 4 01 o4 5 其中m 1 m 5 是设置的监测点，电动机仿真模型只在感应电动机引起的暂降仿真中 应用。本文采用p s c d ) 对典型暂降源如短路故障、变压器投运和感应电动机启动仿真， 得到各监测点的电压电流波形。 2 3 2 小波基函数的选择 华北电力大学硕士学位论文 小波基函数的选择是小波应用的关键，选择小波基时，考虑时频两域的紧支撑性尤 为重要，d b 小波具有正交、时频紧支撑、高正规性等特点，因此在电力系统中推荐用 d b 小波【s ，d b 4 小波相对于其他小波，具有最短的时窗，具有更好的时间分辨率。本文 采用d b 4 正交小波对信号进行6 层分解，取采样频率五= 6 4 k h z 。信号的多分辨率分析及 信号能量的计算用m a t l a b 软件完成。 2 3 3 短路故障 ( 1 ) 1 1 0 k v 架空线路，上分别设置三相对称故障和不对称故障( 论文中的不对称故障采 用的是b 、c 相的相间故障) ，图2 4 、图2 5 分别是监测点m 5 在暂降期间的三相瞬时功 率变化。从图中可以看出，若仅仅靠功率的方向来判断暂降源，如果不能精确定位暂降 的发生时间，有可能判断错误。如图2 5 ，若定位暂降开始时间在瞬时功率向上变化阶 段，根据文献 8 】中瞬时功率的判断方法，即若初始扰动功率为正，表明监测点有能量流 迸，暂降源位于监测点的前方，从而得出暂降源位于m 5 之前，与仿真设置情况不符。 应用本文方法计算，观察各监测点能量变化情况，如图2 6 、图2 7 所示。 图2 4 暂降期间m 5 三相瞬时功率的变化( 三相对称故障) 0 9 5 01j 0 0 01 0 5 01 1 0 0 1 1 s 01 姗 1 2 5 01 3 0 01 3 5 0 图2 5 暂降期间m 5 三相瞬时功率的变化( 三相不对称故障) 1 2 华北电力大学硕士学位论文 低 频 营 里 ( j ) 图2 6 暂降与稳态期间各监测点能量比较情况一1 ( 对称故障) 图2 7 暂降与稳态期间各监测点能量比较情况一2 ( 非对称故障) 从计算结果可以看出，与稳态相比彳e 均减小，根据本文方法判断，故障发生在各监 测点后方即上游方向，与仿真设置情况即在m 5 的后方架空线路f 上设置故障致。 ( 2 ) l o k v 架空线路以上分别设置三相对称故障和不对称故障，表2 2 是暂降期间 各监测点能量与稳态对比时的变化量a e ，根据表2 1 数据，m 1 与3 4 5 有能量流进，其 余点能量均减少，用本文方法判断，暂降源在m 1 前方，m 2 后方，与仿真设置的故障 位置一致。 华北电力大学硕士学位论文 表2 2 监测点暂降期间能量变化情况一1 二n 竺 三相对称故障 不对称故障 监测点 m 17 4 5 4 5 5 52 0 4 0 3 5 5 m 2- 1 5 0 7 0 7 - 8 3 8 4 4 m 3- 6 3 8 3 1 1 m 4- 4 4 8 2 1 8 m 59 8 9 5 6 3 2 4 2 8 ( 3 ) 0 4 k v 负载1 的配电线路上分别设置三相对称故障和不对称故障，图2 8 、图2 9 是各监测点能量流动情况，两幅图的各点变化趋势相似。从图中可以看出，m 1 、m 2 、 m 5 能量有增加，m 3 和m 4 能量几乎不变化，判断暂降源在m 2 的前方，与仿真设置的 故障位置符合。 低 频 管 互 0 ) 图2 8 暂降与稳态期间各监测点能量比较情况- 3 ( 对称故障) 图2 9 暂降与稳态期间各监测点能量比较情况- 4 ( 非对称故障) 2 3 4 变压器投运 变压器t 3 投运，图2 1 0 是各监测点暂降与稳态能量比较图。从图2 1 0 的结果判断， 暂降源在m 5 前方，m 1 ，m 2 后方，与仿真设置的故障位置一致。 1 4 低频能量d 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 0 暂降与稳态期间各监测点能量比较情况一5 2 3 5 感应电动机启动 感应电动机启动的能量变化如图2 1 1 所示： 图2 1 l 暂降与稳态期间各监测点能量比较情况一6 从上图的结果可看出，从图中可看出，m 3 ，m 5 能量有增加，说明暂降源在它们前方， m 1 ，m 4 能量减小，说明暂降源在其后方，综合考虑暂降源位于m 3 与m 4 之间，与仿真 中设置的电动机的位置一致。 2 3 6 考虑干扰源的暂降源的判断 为了考察本文方法在监测点受到干扰源影响时的准确性，在上述的仿真实验中的相 同位置设置暂降源( 短路故障只考察不平衡故障) 的条件下，在k 点l l o k v 母线处加入 谐波源( 含3 次和5 次谐波，注入系统谐波电流为：3 次谐波0 1 6 p u ，5 次谐波0 1 p u ) ， 各监测点信号发生畸变，表2 3 为各种情况下4 的变化，结果均能正确判断暂降源位 置。 对比文献【7 8 】中对扰动功率积分计算能量的方法，本文也用该方法进行了计算，在 有高次谐波的变压器投切情况中，积分方法对m 5 的扰动能量如图2 1 2 所示，监测点有 】s 低频畿量d 低频篚量d 华北电力大学硕士学位论文 能量流失，说明暂降源在m 5 的后方，与仿真时投切的变压器t 3 在m 5 之前不一致，不 能正确反映暂降源的位置。