配电系统电压跌落问题的分析

摘  要：在分析电压跌落问题的起因、相关标准、危害、衡量指标以及治理措施的基础上，介绍了目前相关技术的研究状况，提出了配电系统电压跌落现象分析以及控制策略的研究方向，指出了以配电系统某一区域电压跌落安全最优为目标函数的网络重构问题，将是配电系统自动化发展的必然趋势。文中详细分析了此研究方向的相关内容及技术难点。
      关键词：电能质量；电压跌落；网络重构；网络优化；配电系统

1  引言
    电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、噪声和频率波动等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两类，主要包括电压跌落、电压骤升、短时断电和电容器充电暂态等。
    以前，由于谐波、电压和频率波动等问题引发的事故不断，给系统的安全运行带来了巨大的隐患和影响，因而国内外的电力工作者对于稳态电能质量问题已经有了足够的重视。
    随着现代电力工业的快速发展和系统中用电负荷结构的重大变化，暂态电能质量问题引发的事故越来越多，它有可能引起计算机系统紊乱（若电压幅值下降大于10%，持续时间超过0.1s）、调速设备跳闸（若电压幅值下降大于15%，持续时间为半个工频周期）以及机电设备误动作等，从而导致较大的工业损失和人身事故！
    比如，1998年香港由于暂态电能质量问题，引起500套自动扶梯瞬时停止，造成多名顾客受伤，社会影响很坏。暂态电能质量问题中的电压跌落（如凹陷、骤降）问题由于其发生的可能性远大于电压中断，即使几百km以外的故障也有可能引起本地的电压跌落，因此在工业化国家，电压跌落已上升为最重要的电能质量问题之一，在国际上受到特别关注[1~3]。
2  电压跌落问题的本质及研究现状
    电压跌落问题存在已久，但是真正对其有认识，也就是近几年的事情，因此到目前为止还没有统一的国际标准，其相关标准主要有：国际电气与电子工程师协会1346标准（IEEE Std 1346-1998）和欧洲的EN50160标准等。我国至今还无相关标准。
    一般来讲，“电压短时中断”的定义为完全丧失电力供应，持续时间至少为1.5个工频周期。如图1，“电压跌落”的定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90%~10%，持续时间为10ms~1min。如果持续时间超过1min，则认为是“电压偏低”。

    电压跌落的危害程度与设备的敏感程度密切相关，不同的设备对同一电压跌落的感受度是不同的，因此世界上不同的设备制造商联盟制定了不同的敏感曲线，比如SEMI F47－Semiconductor Equipment Manufacturers International（半导体设备制造商国际组织）、ITI (CBEMA)－Information Technology Industry （信息技术工业协会）以及FIPS－Federal Information Processing Standards Publica-tion（联邦信息处理标准出版物）等。图2即为ITI曲线图。当分析电压跌落的危害时，对于不同的设备或负荷，应当采用不同的敏感曲线。目前IEEE、美国商务部（U.S.Department of Commerce）以及其他的一些大公司普遍采用的有ITI (CBEMA)曲线、SEMI F47曲线等。

    表征电压跌落的特征量主要为有效值偏移及电压跌落持续时间，因此衡量电压跌落的指标主要采用SARFI指数（System Average RMS Variation Frequency Index）。它有两种形式：一种是针对某一阈值电压x的统计指数SARFIx，另一种是针对某一设备的敏感曲线的统计指数（SARFI（curve））。SARFI（curve）指数主要统计电压有效值低于相应的设备敏感曲线的概率。不同的敏感曲线对应不同的SARFI指数，比如SARFI（SEMI）、SARFI（ITIC）等。SARFIx指数主要统计电压有效值低于阈值电压x的概率。如

式中 Ni 为对于第 i 次测量过程中，研究区域内电压有效值低于阈值电压 x 的用户数；NT 为研究区域内的用户总数。
       此外，实际应用中还有在SARFIx基础上派生出来的SIARFIx、SMARFIx和STARFIx等系数。
       实际系统中，危害性较大的电压跌落主要是由系统短路故障引起的，它的传播距离远、跌落幅值大。输电线路短路故障将会影响相关配电系统的电压质量，即使是配电系统的短路故障也会引起相邻馈线的电压跌落。因此，一方面采取措施降低系统短路故障的发生率，以减少发生电压跌落；另一方面在短路故障发生后，合理地控制短路电流的大小及持续时间，这样也会大大减少因电压跌落造成的损失。在系统侧降低电压跌落危害程度的相关措施主要与继电保护设置和网络结构有关[4,5]。比如：
    （1）增加继电保护的动作速度；
    （2）采用故障限流器，以降低故障电流；
    （3）增设线路中的自动开关；
    （4）采用不同来源的双支路结构供电；
    （5）修改馈线布局结构。
       在用户侧减少电压跌落危害的最佳的也是最简单的方法是提高设备对暂态电压跌落的承受力。然而这与设备制造商密切相关。相关的标准、指标至今还没有规范化，而且不同设备对不同的电压跌落所表现出的承受特性也不同。因此尽快协调电力系统、设备制造商以及用户对电压跌落相关标准的认识是非常重要和急迫的工作。
       此外，在用户侧利用机械器件的转动惯性及大功率现代电力电子器件的快速投切特性，为治理电压跌落提供了新的途径。如
    （1）电动—发电机组。由于转子的转动惯量较大，在一定程度上可以克服瞬间电压降的影响。
       （2）飞轮蓄能系统。可以在较大范围内克服电源质量问题对负荷的影响。
       （3）不间断电源（UPS）。将交流电整流后储存在蓄电池或其他存储介质中，然后再通过逆变器把直流变成交流向负荷供电。其基本结构如图3所示。此外，还有动态跌落恢复器（DySC）、统一电能质量补偿器（UPQC）和恒压变压器（CVT）等现代电力电子装置[6]。

    上述几种装置中，UPS的应用较多，其他技术在国外也有应用案例，国内相关的研究也在积极进行。
3  配电系统电压跌落的现象分析与控制策略研究
3.1  配电系统电压跌落起因分析
       电压跌落问题同时存在于输电系统与配电系统。输电系统可靠性较高、发生故障的概率较低，即使输电系统发生故障，引起的电压跌落也主要是影响配电系统中的用户。大部分的电能质量问题存在于配电系统，因此研究分析配电系统中的电压跌落问题更有实际意义。
      配电系统中的电压跌落问题，既可由用户侧解决也可由系统侧解决。目前，在用户侧主要采取的措施是安装不间断电源(UPS)、避雷器和静止无功补偿器等。但分析和实践表明，这类措施由于用户很多，总的投资和损耗将很大，而且电能质量的改善也有限，因而在系统侧（即供电方）统一解决为最好。
       电压跌落主要由系统短路故障、变压器充电、电容器组的投切、大容量感应电动机的起动和系统自动装置动作等原因造成。一般来讲，大负荷投切、感应电动机启动等引起的电压跌落幅值较小，持续时间较长，一般不会带来较大的事故和损失。实际系统中，危害性较大的电压跌落主要是由系统短路故障引起的，其传播距离远、跌落幅值大。然而这种描述仅是一种定性的分析，没有量化的概念。
       因此选取、建立相关的负荷模型（如典型电动机模型、整流器模型）和系统模型（如变压器模型、线路模型等），仿真各种类型的电压跌落事故，如对各种故障类型、不同的故障地点、不同的电压等级引起的故障电压跌落以及电动机启动、变压器充电等问题引起的电压跌落现象，量化分析它们之间的联系与区别，将对电压跌落监测数据的分析辨识、负荷敏感曲线的测试以及电压跌落事故起因分析等方面都会有很大帮助。
3.2  配电系统电压跌落传播过程分析
       配电系统电压跌落传播过程分析主要包括两方面内容：
       （1）变压器运行方式对电压跌落传播的影响。
       输电系统故障引起的电压跌落将会通过变压器耦合到配电系统，因此运用变压器建模方法及故障分析方法等，详细分析不同故障类型和不同变压器接线方式下的电压跌落的传播特性，将有助于进一步认识电压跌落的传播过程。
       目前国外在这方面已经做了大量研究[7,8]，国内的研究刚起步，但是我国的配电系统运行方式与国外的运行方式有较大差别，因此结合我国配电系统的实际运行方式，掌握变压器在电压跌落传播过程中的作用，将是国内研究的方向。
       （2）对某一点电压跌落凹陷域的分析。主要是在已知系统结构的情况下，运用故障分析方法，实现对某一点电压跌落凹陷域的分析。故障若发生在凹陷域内，电压跌落则会影响本点的工作；凹陷域以外的故障，电压跌落则不会影响本点的正常运行。
       目前主要应用的分析方法[9~11]有：临界距离法和故障点法。临界距离法通过确定当母线电压降低到所设定的临界电压时故障点与所关心母线之间的距离，从而得到该母线的临界域，若故障发生在此临界域内，则对敏感负荷有不良影响。故障点法先粗略分析各种可能发生的故障对敏感负荷产生的跌落影响，然后对各种故障类型进行仿真或短路计算，得到跌落幅值、相移和持续时间等特征量，再据此准确地判断可能带给所关心负荷不良影响的故障所在区域，即凹陷域。
       临界距离法原理简单明确，但没有计及跌落持续时间对敏感负荷的影响。故障点法可考虑各种故障情况及各个特征量对凹陷域的影响，但较复杂，计算量大。因此研究一种快速、有效的确定电压跌落域的分析方法，将十分重要。
3.3  配电系统电压跌落控制策略
       配电系统结构是一种环状结构，为便于控制潮流和简化继电保护方式，一般在正常情况下采用树状方式运行。配电系统在馈线上装设有分段开关，在馈线间装设有联络开关。系统调度人员可根据系统运行目标的要求进行网络重构。
       正常情况下，通过网络重构，既可降低网损、改善电压质量，又可消除某些线路过载、平衡系统负荷和改善配电系统运行条件。故障情况下，网络重构可迅速隔离故障，恢复对非故障区用户的供电。因此，网络重构是在满足一定约束条件下，通过网络开关的组合，以使系统网损和负荷平衡等目标达到最优解的问题。它实际上是一有约束、多目标和不可微的组合优化问题 [12]。
       由于社会对电能质量的关注逐渐增多，特别是对以电压跌落为代表的暂态电能质量的要求越来越高，仅以降低网损和无功优化等为目标函数的网络重构，已经不能满足社会对电能供应的要求。因此，根据电压跌落的传播特性，增加以‘配电系统某一区域电压跌落安全最优’为目标函数的网络重构问题将成为配电系统发展的必然趋势。如图4所示，这实际上也是面向电力用户的保证电能质量的网络优化问题。

同时，在网络重构还不能满足电压跌落安全域要求的情况下，应当根据系统结构特点及用户负荷敏感曲线的要求，提出相应的系统规划方案或规划原则，以作为配电网络重构的补充和完善。
4  结论
       随着现代电力系统中用电负荷结构的重大变化，开放和鼓励竞争的电力市场运行机制的实施，暂态电能质量问题，特别是电压跌落问题越来越严重，越来越引起国内外电力工作者和相关用户的关注。本文提出了解决电压跌落问题的最有效、成本最低的方式是从系统侧解决的观点，并指出以配电系统某一区域电压跌落安全最优为目标函数的网络重构问题，是暂态电能质量分析的一发展方向，也是配电系统自动化发展的必然趋势。

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