電壓驟降評估方法

電壓驟降評估方法是指用來衡量電壓驟降程度的方法。電壓驟降是由於電網電流的短時急劇增大產生的，大部分電壓驟降是由於雷擊和輸電線路短路故障引起的。由於電壓驟降頻率很低從而給對其監測並進行評估帶來困難，因而實測方法在其研究的時間段內，得到的指標可信度不高。由於實測方法的這種明顯缺陷，數字模擬是非常有效的替代方法。由於電力系統在本質上是一個隨機系統，因此通過機率模擬方法對電力系統進行機率建模及統計評價，能夠從整體上和巨觀上評價電力系統的性能。蒙特卡洛法就是一種典型的機率模擬方法。

基本介紹

• 中文名：電壓驟降評估方法
• 外文名：Voltage drop estimation method
• 類型：電能質量評估
• 方法：基於蒙特卡洛法的電壓驟降評估法
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

電能質量的概念

從廣義上講，電能質量是指優質供電。由於人們看問題的角度不盡相同，對電能質量含義存在不同的理解。電力部門把電能質量主要定義為電壓與頻率的合格率，並且用統計數字來說明電力系統99. 9%是安全可靠的。電力用戶則把電能質量簡單定義為向負荷正常供電。國際電工委員會(IEC)則提出電磁兼容(EMC)術語，指出和強調設備之間的相互作用和影響以及電源和設備之間的相互作用和影響。IEC還制定了電磁兼容一系列標準。 IEEE技術協調委員會給出的技術定義:“合格電能質量的概念是指給敏感設備提供的電力和接地系統都是適合該設備正常工作的。”採用的電能質量的定義為:“導致設備故障或誤動作以電壓、電流或頻率偏差為表現形式的一切電力問題。”這裡的偏差是廣義的，甚至包括供電可靠性。

在沒有明確的、為各方所認可的新的標準和規範出來之前，至少應該按照現有的國家標準來規範有關電能質量的問題。可能產生的電能質量問題有多種類型，主要有各種瞬態過程，長時期的電壓變化(過電壓、欠電壓、持續斷電)、短時間的電壓變化(斷電)、驟降(sags)、電壓不平衡、波形畸變、干擾。現有標準顯然不能全面描述電能質量，例如在國際上受到特別關注的電壓驟降的標準就還沒制定出來，應該儘快立項制定這一標準。

電壓驟降問題的提出

同其它電能質量問題一樣，電壓驟降並不是一個新問題，直到上世紀90年代隨著敏感電力電子設備在工業中的廣泛套用，電壓驟降才成為各方面關注的焦點，主要有以下幾個方面的原因:

(1)現代用電設備對電壓短時波動的要求比傳統設備要求要高。隨著高新技術尤其是信息技術的飛速發展，基於計算機、微處理器以及調速驅動的管理、分析、檢測、控制的用電設備和各種電力電子設備在電力系統中大量投入使用，它們對電壓波動比一般機電設備更加敏感，對供電質量的要求更苛刻:不論系統是處於正常穩態還是故障暫態，均需保證幅值偏差很小的基波正弦電力的可使用性，即高動態恆定特性，而哪怕幾個周期的電壓驟降都將影響這些設備的正常工作，造成巨大的經濟損失。因此以信息技術和其他高科技產業為代表的現代工業對傳統電力供應提出了新的挑戰，要求系統即使處於非穩態也要保證可靠、恆定的優質電力供應。

(2)電壓驟降所引起的問題遠遠超出其它電能質量問題，主要是由電壓驟降自身的特點決定:(1)遠距離的故障也可能會引起敏感負荷點電壓驟降;(2)同一母線的平行饋線故障會造成相鄰饋線電壓驟降;(3)發生頻率遠高於其他電能質量問題。據介紹，電壓驟降所引起用戶投訴占整個電能質量問題的80%}'.

(3)機電設備誤操作、中斷等。這樣會帶來巨大的經濟損失，嚴重的可能會造成意外傷亡。

(4)電壓驟降給用戶帶來了非常不利的影響。由於可程式控制器(PLC)、調速電機(A SD)、計算機和接觸器等敏感設備對短時電壓波動極為敏感，如一次電壓驟降可能使這些敏感設備跳閘或生產線重新啟動。據文獻〔3〕統計:對可程式控制器(PLC )，當電壓低於81%時，PLC停止工作;一些I/0設備，當電壓低於90%,持續時間僅幾個周波，就會被切除;直流電機當電壓低於80%時，立刻被跳閘。據介紹，由於一次電壓驟降而使某生產線重新啟動需花費50000美元;某玻璃製品廠工頻5周波的電壓中斷，造成損失約200000美元;某計算中心2s的供電中斷引起約600000美元的損失。每次事件的損失平均約為1萬美元，而每個工廠每年約經歷2025次電壓驟降事件〔‘，。由此可知，電壓驟降己成為影響許多設備尤其是電子類設備正常工作的嚴重因素。

(5)在人們的日常生活中也會受到電壓驟降的影響。我們比較熟悉的，1998年香港由於電壓驟降問題引起500套自動扶梯瞬時停止，造成多名顧客受傷，社會影響很壞。1999年11月9日，中國國際廣播電台報導了美國《商業周刊》的一名編輯因被困在電梯長達40小時，以心理和身體嚴重傷害為由向辦公大類的物業管理部門提出索賠2500萬美元的要求。此次電梯故障的原因是由於供電系統突然降壓is所造成的。

從以上幾條可以看出，電壓驟降對我們的影響不可忽略，必須對它加以重視。電壓驟降己被認為是影響許多用電設備正常、安全運行和工業用戶正常生產的最主要的電能質量問題之一為目前影響供電可靠性的主要干擾，而且不同類型、甚至同類型但不同品牌的用電設備對電壓驟降的敏感度差異很大，這表明電壓驟降所造成的危害與設備自身的特性以及用戶的要求密切相關，因此如何消除或抑制電壓驟降的影響，需要供電方、設備製造方以及用戶的協力合作，共同解決。在工業已開發國家己經受到廣泛的關注。因此如何改善電壓驟降問題將是提高供電質量至一個全新水平的關鍵。

我國至今還沒有電壓驟降的標準，無論是從設備的抗干擾能力，電磁兼容還是干擾測量方面都缺乏標準。所以正確地認識和理解電壓驟降這類電能質量問題，增強提高電能質量的競爭意識，並且根據我國的實際情況，給出一個統一科學的定義和評價，是目前的一項迫切任務。

國內外研究現狀

歐美日等國對電壓驟降的研究始於90年代初，其研究工作已經相當深入，主要包括理論研究和實際套用兩個方面。理論方面的研究工作主要是從以下幾個方面:電壓驟降指標體系的建立;電壓驟降標準的確定:電壓驟降產生的機理、電壓驟降對用戶設備的影響以及減小電壓驟降的技術措施;電壓驟降的監測技術、隨機預測和統計分析;不平衡電壓驟降的特性、分類以及電壓驟降在不同電壓等級間的傳播;電壓驟降域的研究以及電壓驟降過程的仿真計算;電壓驟降對配電系統可靠性的影響;新型補償裝置對電壓驟降的影響等。實際套用方面包括產品研製和軟體開發。國際上比較知名的幾家大公司都己經生產出了自己的電壓驟降控制裝置。

電壓驟降產生的原因

電壓驟降是由於電網電流的短時急劇增大產生的，大部分電壓驟降是由於雷擊和輸電線路短路故障引起的。也就是供電系統或用戶內部的短路故障，各種電弧放電以及各種計性的甩負荷和電容器的投切造成的電流急劇增加。

雷擊引起的絕緣子閃絡和線路對地放電是造成系統電壓驟降的主要原因。由於電力系統設備是暴露在外面的，在雨季或多雷的地區，露天的設備很容易受到雷電的干擾。由雷擊引起的電壓驟降約占總數的60%左右，並且這種驟降影響範圍大，持續時間長，超過5個周期。

另外大型電動機的起停、故障後電動機的恢復運行以及各種衝擊性負荷的投運也會引起電壓驟降，但這種電壓驟降一般不太嚴重。電機全電壓啟動時，需要從電源汲取的電流值為滿負荷時的500%--800%，這一大電流流過系統阻抗時，將會引起電壓突然下降。這種驟降的持續時間較長，但驟降程度較小，不會對用戶造成嚴重的影響。通過採取適當的措施，可有效消除電機啟動所引起的驟降的不利影響。

再就是系統故障，目前配電系統中的線路主保護一般是分段式電流保護，該保護的最大缺陷就是線上路故障時不能做到無延時地切除故障。即使是無延時保護，其固有動作時間也要3-6個周期，因此在故障期間，線路上的敏感負荷將被迫退出工作。若線路上裝有重合閘系統，則由此引起的電壓驟降將成倍增加。故障引起的電壓驟降幅值在30%以下。

電壓驟降特徵量

電壓跌落的幅值

電壓發生突然下降後的電壓幅值大小，常用電壓幅值跌落深度來表示，即電壓跌落時的有效值除以電壓跌落前的電壓有效值，發生不對稱電壓跌落時，是電壓基波正序分量的有效值;在分析電壓驟降過程中，通常將驟降時電壓有效值與額定電壓有效值的比值定義為驟降的幅值(標么值或百分比)，但在使用過程中容易出現混淆。例如“20%驟降”可能指剩餘電壓為0. 8p . u.或0. 2 p . u.。在國際標準中也存在不同的理解，本文採用工EEE標準中使用的方法，即“80%驟降”表示剩餘電壓0. 8p . u.

電壓驟降幅值大小主要受到故障點到公共連線點(PCC)間的電氣距離、系統阻抗、饋線阻抗、變壓器繞組的連線方式、故障點附近是否有充足的電源等影響。

電壓驟降時的相角跳變

指電壓驟降前後相位角的變化，不對稱電壓驟降時，指電壓基波正序分量的相角變化;以△W來表示相角偏移，並規定逆時針偏移為正，順時針偏移為負。通常僅僅由系統阻抗和饋線阻抗的X/R通常僅僅由系統阻抗和饋線阻抗的端的相角偏移可能不同於初始相角偏移。近年來，人們己經認識到電壓驟降所帶來的相角躍變對用電設備的影響，並將其作為衡量電壓驟降的特徵量之一。

通過相角跳變能夠知道故障發生地點、故障類型以及故障由高壓向低壓系統的傳播特性。但不是所有的用電設備都會受到電壓相角跳變的影響，只有那些利用電壓的相位來工作的設備容易受到干擾，例如利用電壓的特定相位來發出觸發脈衝的電力電子裝置等，所以電壓驟降特徵量檢測方法一定要具有相位檢測功能。

影響相角偏移的主要因素有變壓器繞組的連線方式、故障類型以及系統阻抗和饋線阻抗的X/R值。

電壓驟降持續時間

通常，人們將驟降從發生到結束之間的時間定義為持續時間，這對矩形形狀的電壓驟降來說是準確的，但對非矩形形狀則不夠精確。文獻【40]提出一種“特定電壓法”來描述驟降的持續時間。該方法指出，持續時間指有效值超出指定電壓門檻值的一段時間。因此，一個給定的非矩形事件可能有不同的持續時間，其值隨所關心電壓有效值的不同而變化。

驟降持續時間的大小主要取決於故障地點、類型和保護裝置的性能。典型的電壓驟降持續時間一般是0. 5-30個周波(10ms-600ms )。如果是由於系統瞬時短路故障引起的，則其持續時間受重合閘時間的影響，比故障的恢復時間要長一點。輸電線路發生故障引起電壓驟降時，由於輸電線路上距離保護和差動保護用得比較多，保護動作時間和斷路器的動作時間都短，從而驟降持續時間比較短。配電線路的保護大部分是過流保護，分段式過流保護，這樣增加了故障切除時間，從而導致電壓驟降的持續時間增加。

電壓驟降頻率

電壓驟降頻率是表征電壓驟降對敏感電力用戶影響頻繁程度的重要指標，也是評價一個地區供電質量的一個重要的指標。它是與電壓驟降幅值和持續時間密切相關的特徵量，孤立的談電壓驟降頻率是沒有多大意義。因為不同的用戶對電壓驟降幅值和持續時間的敏感程度不同，有的用戶對驟降幅值比較敏感，如機械裝置通常在90%電壓驟降時就會跳閘;而計算機可承受幅值為50%的電壓驟降但持續時間不能超過4個周期。因此在描述驟降頻率時總是與電壓驟降幅值和持續時間一起考慮，考察在某一固定的時間段內，發生電壓驟降的幅值，次數和持續時間等參數的分布範圍對電力用戶設備狀態的影響。

反映電壓驟降頻率的主要量化指標是SARFI (x) (System Average rms Varia-tion Frequency Index).對於一個系統中選定的供電點來說，SARFI (x)是指一年中發生的電壓有效值(RMS值)在X%以下的電壓驟降的次數，驟降對於敏感用戶造成的危害顯然隨著電壓驟降頻率的增加而加重。

電壓驟降域的分析

電壓驟降域是指系統中發生故障引起電壓短時驟降，使相關敏感負荷不能正常工作的故障點區域。電壓驟降域的分析有助於指導敏感負荷的最佳安裝位置，有助於在實際運行中如何減小電壓驟降的影響，對減小電壓凹陷對敏感負荷的影響有重要的指導意義。例如可以將敏感負荷安裝在電源點附近，從而降低電壓驟降次數和持續時間。

電壓驟降域的確定是找出系統中發生會引起所關心母線上電壓驟降到低於所設定電壓的故障所在範圍。我們可選擇電力系統的部分站點進行電能質量實地監測，通過對所採集數據的統計處理確定驟降域，也可對系統進行隨機預估。相比而言，前者更準確，但受到所需費用高和監測周期長的限制。而隨機預估可很好地解決這兩個問題，它又可分為臨界距離法和故障點法。前者簡單，在系統結構未知的情況下也可計算，但它只能計算線路故障時的驟降幅值，不能將變電站、母線等故障情況加以考慮，同時它沒有計及驟降持續時間對敏感負荷的影響; 而故障點法可考慮各種故障情況及各個特徵量對驟降域的影響，但它相對復買且計算量大。

電壓驟降評估

由於電壓驟降頻率很低從而給對其監測並進行評估帶來困難，因而實測方法在其研究的時間段內，得到的指標可信度不高。由於實測方法的這種明顯缺陷，數字模擬是非常有效的替代方法。由於電力系統在本質上是一個隨機系統，因此通過機率模擬方法對電力系統進行機率建模及統計評價，能夠從整體上和巨觀上評價電力系統的性能。蒙特卡洛法就是一種典型的機率模擬方法。

蒙特卡洛仿真方法的分析介紹

蒙特卡洛仿真方法又稱為隨機抽樣技巧或統計實驗方法，在目前結構可靠度計算中，它被認為是一種相對精確法。它是二十世紀四十年代中期由於科學技術的發展和電子計算機的發明，而被提出的一種以機率統計理論為指導的一類非常重要的數值計算方法。是指使用隨機數(或更常見的偽隨機數)來解決很多計算問題的方法。蒙特卡洛方法作為一種獨立的方法被提出來，並首先套用在核武器的研製中，後來在金融工程學，總量經濟學，計算物理學(如粒子輸運計算、量子熱力學計算、空氣動力學計算)等領域套用廣泛。不過蒙特卡洛方法的基本思想並不新穎，早在十七世紀伯努力在他的著作中就提出了頻率決定機率的思想。

蒙特卡洛方法的基本原理:由機率定義知某事件的機率可以用大量試驗中該事件發生的頻率來估算，當樣本容量足夠大時，可以認為該事件的發生頻率即為其機率。因此，可以先對影響其可靠度的隨機變數進行大量的隨機抽樣，然後把這些抽樣值一組一組地代入功能函式式，確定結構是否失效，最後從中求得結構的失效機率。從蒙特卡洛方法的思路可看出，該方法迴避了結構可靠度分析中的數學困難，不管狀態函式是否非線性、隨機變數是否非正態，只要模擬的次數足夠多，就可得到一個比較精確的失效機率和可靠度指標，結果精確，並且由於思路簡單易於編製程序。

從上可以看出。蒙特卡洛方法解題是以機率模型為基礎，按照這個模型所描繪的過程，通過模擬試驗而得到的結果作為問題的近似解。當用蒙特卡洛方法研究電壓驟降時，首先需要建立故障狀態變數的機率分布模型，根據這些數學模型產生這些變數的隨機抽樣值，模擬短路過程的發生，從而得到負荷處的電壓驟降特徵。

仿真首先要建立機率模型，機率模型可以是簡單的直觀的，也可以是複雜抽象的，這主要是取決於所要解決的問題，機率模型的複雜程度決定了蒙特卡洛計算的複雜程度。在構造機率模型的同時也要正確描述這個機率過程。由於各種機率模型都可以看作是由各種各樣的機率分布構成的，因此產生已知機率分布的隨機變數就成為實現蒙特卡洛方法模擬試驗的基本手段。最基本的一個機率分散式區間(o} 1 >上的均勻分布，隨機數就是具有這種均勻分布的隨機變數，所謂隨機數就是從這個分布中抽樣問題。本次仿真中用的機率模型就多次用到這個基本的機率分布。隨機數是實現蒙特卡洛模擬方法的基本工具。

構造了機率模型並能從中抽樣後就能實現模擬試驗，這時就需要確定一個隨機變數作為所要求問題的解的估計量。如果這個隨機變數的期望值正好是所求問題的解，稱為無偏估計，在蒙特卡洛計算中，使用最多的就是無偏估計，建立估計量相當於對模擬試驗的結果進行統計分析並從中得到問題的解。

故障狀態變t數學模型

按照蒙特卡洛法解題的基本步驟，首先建立評估電壓驟降可靠性所需要的故障機率模型。故障過程所涉及的隨機變數主要包括故障類型、故障線路、故障位置、故障持續時間、故障發生起始時刻等。

故障類型

故障類型主要包括單相接地、兩相接地、兩相故障和三相故障四種情況。每類短路發生的機率與電壓等級和天氣等有關。依靠現場的統計規律，它們各自發生的機率如下表所示:。

電壓驟降機率指標

電能作為一種比較特殊的商品，同樣也具有商品的很多特徵，如可被測量、其質量可用各種指標描述等。但是電能這種特殊的商品與一般產品的質量又有特殊之處，有如下特點:是一不完全取決於電力生產企業，甚至有的質量指標(如諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度)往往由用戶干擾決定:還有一部分是由難以預測的事故和外力破壞引起;二是電能質量在空間和時間上均處於動態變化之中的。電能質量的這些特點說明電能質量的這些特點說明電能質量指標適合用機率統計指標來衡量。本研究是在蒙特卡洛仿真的基礎上，通過故障計算，得到系統和敏感負荷點的一系列電壓驟降機率指標。對各負荷點和整個系統給出定量的電能質量機率指標，不僅能發現整個電網中存在的薄弱點，而且也為是否採取適當的改善電能質量的措施提供了依據。