（电力系统及其自动化专业论文）电压凹陷预测与评估.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电压凹陷预测与评估，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；j l ：l 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。 学位论文作者签名盘i 耋：圈日期洲 、1 牛 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：壶i 薹：! 亟 日 期：趟! ：i ：! 导师签名： 日 期 扭莛夏 沙6 ；u - - 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章引言 随着现代工业及高科技产业的快速发展，一些新兴电力负荷如变频器供电的工 业设备等对电压短时波动比一般电气设备更加敏感，对供电质量的要求更加苛刻， 需要保证幅值偏差很小的基波正弦电力的可使用性。当电压下降到敏感电压门槛值 以下，持续时间超过一定时问就会导致一些敏感设备运行中断，造成巨大的经济损 失，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 幅值下降大于1 0 ，持续时间大于l o o m s 的电压凹陷，可引起一些计算 机系统紊乱，数据丢失； ( 2 ) 生产半导体器件的工厂，在发生电压凹陷时，会使制冷机停止工作，而 冷却装置是给芯片生产和检测设备提供水源的，其运行的中断使大量产品报废，造 成的经济损失可达数百万美元； ( 3 ) 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 ， 持续时间超过几个周期，远端i 0 单元就可能跳闸； ( 4 ) 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； ( 5 ) 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。 总体来说，随着电力敏感用户的增多，电压凹陷造成的损失也显著增多。在国 外，关于电压凹陷的投诉占电能质量投诉的8 0 ，电压凹陷已经成为最重要的电能 质量问题。 电压凹陷所引起的问题远远超出其它电能质量问题，主要是由电压凹陷自身的 特点决定1 2 】j 3 l ：( 1 ) 远距离的故障也可能会引起敏感负荷点电压凹陷，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凹陷：( 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凹陷；( 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。所以，其他电能质量问题( 供电电压偏差，电力谐波，三相电压不平衡度， 电力系统频率偏差和电压波动与闪变) 所使用的测量方法就不适合于电压凹陷，只 能采用统计手段，利用以往的历史数据，对电压凹陷进行预测和评估。 当前，我国经济飞速发展，电压凹陷的敏感用户越来越多，为其提供一套切实 可行的解决方案，包括对电压凹陷的预测评估和初步解决方案，有着重要的意义， 华北电力大学硕士学位论文 但是电压凹陷对敏感用户的影响，在我国还没有较为清晰和全面的了解，而对电压 凹陷的预测和评估更是滞后。在现实生产中，由于电力用户不断受到电压凹陷的干 扰，经济损失很大，所以一些有敏感负荷的电力用户向当地的供电公司反映，希望 能够对电压凹陷进行调研和预测评估，进一步给出解决方案。本论文所研究的内容 就是这样的一个相关课题。 电力系统总体上来说是动态的，而作为产生电压凹陷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，需要综合评价电压凹陷的整体情况，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，需要电压凹陷出现的概率( 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，电压凹陷预测评估具有重要意义，在敏感用户较多的地区，电压 凹陷的评估结果是一个衡量供电服务的重要标准。 本论文的目的在于借鉴以往电压凹陷预测评估方法，结台实际调研的结果和用 户的建议进行扩充和完善。在电压凹陷方面，本文采用了短路故障计算中的阻抗矩 阵的方法来解决电压分配器只用于辐射状电网的弊端，可以更加具体且方便的描述 电压凹陷域的范围；在电压凹陷评估方面，针对我国敏感负荷的抗干扰能力和国外 具有差异性的问题，采用更加灵活的电压凹陷评估方法，引入了电能质量中的电压 偏差指标和负荷运行时消耗的功率两个影响因素对设备的敏感曲线改进，以其更加 适用于实际情况。 1 2 电压凹陷预测评估的国内外研究现状 国外关于电压凹陷的研究起步较早，但是敏感用户日益增多，其特性各自不同， 所以关于电压凹陷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，给出了关于电压凹陷的基本概念及量化指标。 文献2 卜 7 】中主要研究了电压凹陷对敏感设备的影响。 文献 2 】介绍了可调速电机是一种对电压凹陷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凹陷中的情况，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【3 主要讨论了可调速电机因为受到 电压凹陷和电压短时中断的表现，特别指出了电压凹陷类型的影响远远大于电压凹 陷的形状，另外计算机的运行状态也决定了其抗干扰能力的不同。 文献【4 】主要讨 论了计算机因为受到电压凹陷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 5 】主要讨论电压凹陷的一般特 华北电力大学硕士学位论文 征量对可调速电机的影响，这其中主要包括电压凹陷的电压幅值和持续时间。另外， 文章也指出了电压凹陷的类型，如对称与否，这些都会明显影响可调速电机的抗干 扰能力。可调速电机的抗干扰能力主要由电容的储能能力和其运行时的消耗能力来 决定。文献 6 】指出电压凹陷往往是上一级电压水平的短路故障造成的，并对对称和 不对称的电压凹陷进行了理论计算和实际测量。 文献 7 l 介绍了感应电机和同步电 机在电压凹陷中的表现，指出了两者的运行状态会对电压凹陷的敏感度产生重要的 影响。 文献【8 】 9 】分别阐述了电压凹陷对a c 电机的影响以及感应电机对电压凹陷的 影响。文献8 1 中指出不但电压凹陷幅值和持续时间对a c 电机有影响，电压凹陷其 他特性如不对称性、相角偏移等对a c 的影响也有一定的影响。研究结果表明电机 对电压凹陷的承受能力与电机速度、惯性、负荷消耗的能量以及电机跳闸点的设置 有关系。文献【9 1 研究了感应电机故障后对电压凹陷的影响。由于故障后的重加速行 为增加了故障后电压凹陷。 文献【1 0 - 1 2 4 】主要是从系统、设备和补偿等方面讲到减少电压凹陷的方法。 文献 1 0 】中通过t c s c 在故障情况下高感抗限制短路电流而达到较小电压凹 陷。文献【1 1 中讲述了通过改变配电系统设计达到隔离电压凹陷影响的目的。文献 1 2 1 中提到设备的敏感曲线与能量守恒方程相似，根据这一点运用限流熔断丝来减 小电压凹陷的影响。文献 13 1 中提出在考虑经济效益的同时选择合适的电压凹陷减 少方法。并对各种方法所造成的经济效益进行了比较。文献 1 4 1 1 15 1 中提出多种关 于减少电压凹陷的措旌。文献 1 6 提到电压凹陷对半导体制造业的影响，研究了网 络拓扑结构和变电站变压器绕组接地情况对电压凹陷的影响，提出通过重构网络以 达到减少电压凹陷的目的。文献f 17 1 中通过仿真研究a s v c 在减小电压凹陷的作用， 同时分析了系统阻抗、d c 电容器容量以及起始工作点对a s v c 的影响。文献 18 提出一种基于快速有功无功串联补偿的电压凹陷补偿方法。文献 1 9 中在已有基于 对称分量算法的串联电压补偿器的基础上提出一种基于r l s 的对称分量评估方法。 该方法不但能够补偿零序和负序分量，而且可以调节正序分量，同时该控制系统具 有对参数不敏感的特点。文献 2 0 】中提出一种关于配电系统中关键负荷的新型电压 凹陷补偿器，在该补偿方法中运用了p w m a c a c 转换器。在电压凹陷发生时，该 装置补偿剩余电压，保持敏感负荷点电压的恒定性，并且该装置中没有用到能量储 存设备，具有快速响应特性。文献 2 l 】中针对低功率电压凹陷补偿器提出一种新变 换器拓扑结构。通过减少串联变压器数目和半导体开关数目实现新型变换器的设 计，并通过仿真研究这种补偿设备的特性。文献 2 2 】中讨论了动态电压恢复器( d v r ) 在电压凹陷的恢复过程中不同控制策略取得的效果。文献 2 3 中提出在低电压等级 电网中通过无能量储存电压控制器进行电压凹陷补偿，根据补偿所要期望结果可以 华北电力大学硕士学位论文 选择不同的补偿策略和半导体设备。文献2 4 】提出通过无储能设备的静止电压调压 器能够快速的调节电压凹陷的幅值。 文献 2 5 h 3 9 】主要研究电压凹陷的随机预测、监测以及统计分析。 文献【2 5 】中通过编制电压凹陷随机计算程序来预测电压凹陷的次数以及所受影 响的用户区域。文献【2 6 1 中运用故障点法进行电压凹陷频率计算，并通过用户数和 凹陷频率来估计由此造成的经济损失。文献 2 7 1 中在对电压凹陷进行分类的基础上 分析电压凹陷对大型a s d 的影响。文献1 2 8 1 中基于简单的电压分配模型建立起临界 电压与临界距离之间的关系，得出l 临界距离与电压等级之间的线性关系。通过临界 距离法可以评估敏感负荷所受电压凹陷的次数并将此方法推广到简单环网中压配 电系统中。文献【2 9 】中采用故障点和临界距离法进行电压凹陷的随机预测，并对同 一系统的预测结果进行了比较。文献【3 0 】中运用故障点法和临界距离法对英格兰和 威尔士4 0 0 k v 电网的9 7 母线进行电压凹陷随机预测，故障点法适合计算机编程计 算，并由此得出每条母线的凹陷频率及敏感区域，同时用不同的方式记录分析结果。 临界距离适合于计算量不是很大的系统中随机预测。文章对两种预测方法所得的结 果进行比较。文献( 3 l j 提出了一种用于电压凹陷预测的分析方法，主要用于输电网 络中。这种方法主要基于短路故障计算的阻抗矩阵，用于对称短路故障时产生的电 压凹陷预测。文献f 3 2 对电压凹陷进行了量化计算，引入了电网中三相故障的概率 密度函数的概念，另外文章还考虑了故障点位置和发电方式对电压凹陷的影响。文 献【3 3 】介绍了一种快速简单的电压凹陷预测方法，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 3 4 1 针对通常采用的电压凹陷预测方法一临界距离法，进行了扩展，使之更加 适用于不对称的电压凹陷。文献【3 5 1 对目前电压凹陷的计算进行了总结和归纳，并 把继电保护的影响考虑进去，给出了一般性的公式。文献 3 6 1 在已经明确电网结构 参数和电网故障历史参数的情况下，可以计算电压凹陷每年发生的次数，电压幅值 和持续时间。文章应用蒙特卡洛方法进行了仿真，并把仿真结果对实际中两年的测 量结果进行了比较。文献 3 7 1 主要讨论了在大型输电网络中不平衡电压凹陷的仿真 问题。文章 3 8 分析了当故障概率沿电力线路并不是均匀分布时对电压凹陷预测所 产生的影响，并进行了仿真计算，结果表明电压凹陷的数量和类型均有所变化。 在国内，随着敏感用户的增多，电压凹陷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： 文献 3 9 4 0 4 1 1 已经认识到电压凹陷对敏感用户的干扰，但是还没有能够展开 大规模的调查，对国内电压凹陷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 4 2 1 在分析电压凹陷问题的起因、相关标准、危害、衡量标准以及治理措施 4 华北电力大学硕士学位论文 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凹陷现象分析及 控制策略的研究方向。文献 4 3 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 4 4 】扼要介绍电力系统中电 压凹陷和短时断电的原因和危害、电压凹陷和短时断电的统计分析和测量、减小电 压凹陷的技术措施以及关于国家标准制定的考虑。文献 4 5 】首先对电压凹陷和电压 短时中各特征量及可能的影响因素进行了分析。在此基础上对临界距离法和故障点 法这两种凹陷域的评估方法作了比较和扩充，并提出将两种方法相结合的思想。文 献 4 6 】提出电力系统电压凹陷的概率评估指标体系和算法。利用电力系统可靠性数 据对每条可能发生故障的线路以一定步长逐段分析得到电压凹陷参数，应用频率与 持续时间法求得负荷点和系统的各项指标。文献f 4 7 】用e m t p 建立配电网电压凹陷 仿真系统，对线路故障引起的电压凹陷以及多级电压凹陷、变压器投运和感应电机 启动引起的电压凹陷进行了原理分析并给出相应的仿真结果。结果表明电压凹陷的 电压波形特征是和特定的干扰源相联系。 通过国内外的研究表明，电压凹陷目前在国内刚刚开始引起关注，但是研究水 平还和国外有一定差距。国外已经有相应的电压凹陷的预测和评估方法，甚至都已 经有相应的软件问世，但是由于我国的电网结构与特点和国外有较大的差别，所以， 引进软件并不是一个好方法。电压凹陷的预测评估作为解决问题的前提有着重要意 义。 1 3 课题的主要内容 通过上述对电压凹陷预测与评估的重要性的了解以及基于电压凹陷预测与评 估的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 ) 介绍电压凹陷的基本概念并对描述电压凹陷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，引入了对电压凹 陷持续时间的预测方法：为了解决目前电压凹陷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 ) 本文采用v c + + 分别编写了电压凹陷辐射网预测程序和环状电网的电压凹 陷预测程序，前者主要适用于辐射状配电网，具有可视性强的优点，后者主要适用 于输电网和一些复杂的配电网，具有较好的通用性： ( 4 ) 讨论了电压凹陷的评估方法，提出了一般评估和特定评估。目前电压凹陷 的评估主要是采用国际上通用的c b e m a 或者i t i c 敏感曲线的方法，但是这种方 华北电力大学硕士学位论文 法并不适合所有的敏感负荷，而且在不同的供电条件下会导致评估结果和实际情况 会有较大的偏差，针对这个问题，本文讨论了设备的敏感度以及在电压偏差情况和 负荷不同运行状态的影响，从而使评估结果更加贴近于实际情况。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 电压凹陷定义 第二章电压凹陷的基本概念 电压凹陷在国内存在着多种不同的名称，如电压凹陷、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 ed i p ( i e c ) ，在本文中将统一使 用电压凹陷v o l t a g es a g ) 这个名词。 电压凹陷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0 e e e ) 将电压凹陷定义为：工频电压有效值降至0 1 - 0 9p 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o 0 1 - 0 ，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 中的电压凹陷定义，即幅值在o1 o 9 p u ，持续时间在o 5 周波到1 分钟之i f i j 。 2 2 电压凹陷产生的原因 电压凹陷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凹陷的主要原因。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i f i j ，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，将会因电压凹陷而被跳闸退出工作。另外，当保护动作后伴随重台闸时，由此 而引起的电压凹陷次数将成倍数增加，并造成连续电压凹陷。 配电系统 熔断丝 中中i中 主馈线 v 八 中中： 图2 - j 屯压凹陷的产生 华北电力大学硕士学位论文 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。假设重台闸装置在故障发生后o - 3 s 后开 始动作，那么在o 3 o 6 s 之问，分支线路1 和2 都将经历一次电压凹陷，其凹陷持 续时间为o 3s 。重合闸装置动作后，分支线路2 处电压恢复正常，而l 处将经历 次短时电压中断，持续时问为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凹陷，当系 统中分支线和平行馈线越多时，造成电压凹陷的次数就越多。 即 糟o ( p “- ) o o 图2 - 2 分支线i 和2 处电压有效值变化隋况 持续时间f s 电力系统中输电系统和配电系统故障引起的电压凹陷虽然原理是相同的，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， 所以电压凹陷范围大，常常会影响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凹陷。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凹陷的发生。 ( 3 ) 大型负荷( 如大型电动机) 启动时也会引起电压凹陷。电动机在启动时， 启动电流为正常时电流的l o 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凹陷而引起其他敏感设备 不正常工作。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 电压凹陷的特征量 在描述电压凹陷时主要使用电压凹陷幅值、电压凹陷持续时间以及电压凹陷频 率这三大特征量1 2 1 。 2 3 1 电压凹陷幅值 在电网发生电压凹陷过程中，一般是将凹陷时电压有效值与额定电压有效值的 比值定义为凹陷的幅值( 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，由于产生电压凹陷的原 因是多种多样的，电压凹陷的波形也具有很大的差异性。( 1 ) 从电压凹陷波形形 状上进行区分，电压凹陷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，电压凹陷的电压幅值就是定义为凹陷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凹陷的影响。所以，针对这 种情况，就把电压凹陷的电压幅值定义为引起敏感负荷跳闸的电压门槛值。( 2 ) 从 电压凹陷三相是否对称的情况来划分，可以分为对称的电压凹陷和非对称的电压凹 陷。对称的电压凹陷幅值的确定就可以借鉴上述( 1 ) 中的方法，但是对于非对称 的电压凹陷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凹陷的电压幅值；如果电网中的敏感负荷对三相电 压的平均值最为敏感，那么就定义凹陷过程中三相电压有效值的平均值为电压凹陷 的电压幅值；( 3 ) 在连续多个电压凹陷的情况中，把它们认为是一个电压凹陷，这 是因为敏感负荷在短时间连续受到干扰，其效果可以等同于个电压凹陷的干扰作 用。 影响电压凹陷幅值的因素主要包括故障点到公共连接点( p c c ) f a j 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 电压凹陷持续时间 一般由电网短路故障造成的电压凹陷，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1 e e e 标准中将电压凹陷的持续时间定义为从凹陷发生到凹陷结束所经历的时间1 3 。 在实际情况中，由于产生电压凹陷的原因是多种多样的，电压凹陷也呈现出不 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 波形为矩形波的凹陷来说是准确的，但对于非矩形波则不够精确。本文规定非矩形 凹陷的持续时间是指有效值超出指定的电压凹陷门槛值的一段时间。( 2 ) 对于连续 多个电压凹陷来说，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 积。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 电压凹陷频率 电压凹陷频率是影响电力用户生产的一个主要指标，对那些电压凹陷频繁的地 区，要考虑安装动态电压恢复器等补偿装置。电压凹陷频率是与电压凹陷幅值和持 续时间密切相关的特征量，孤立的谈电压凹陷频率是没有多大意义。因为不同的用 户对电压凹陷幅值和持续时间的敏感程度不同，有的用户对凹陷幅值比较敏感，如 机械装置通常在9 0 电压凹陷时就会跳闸，而计算机可承受幅值为5 0 的电压凹陷 但持续时间不能超过4 个周期。因此在描述凹陷频率时总是针对特定的凹陷幅值和 持续时间。 2 4 电压凹陷的分类 在具体讨论关于电压凹陷的预测方法之前，有必要将电压凹陷的分类进行描述， 研究电压凹陷特性对预防和减少电压凹陷对用户的影响重要作用。在研究电压凹陷 特性的时候通常忽略零序分量的影响，这是因为：1 p c c 点与敏感负荷间通常存在 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1 2 j i ”l 。 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凹陷 分成7 类。分类方法中部是以a 相作为参考相考虑的。 型 c 型 1 0 n 型 d 型 华北电力大学硕士学位论文 g 型 卜 f 型 幽2 - 3 电压巴l 陷的分类 a 型凹陷：三相短路引起的凹陷，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，电压凹陷在通过变压器时各相相量均不会发生变化。因此对于三 相故障只有一种凹陷类型。 b 型凹陷：中性点接地系统中单相短路引起的凹陷，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，但在进行凹陷分析时认 为非故障相幅值保持不变。 c 型凹陷：两相相问短路引起的凹陷，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 型凹陷：在中性点不接地系统中由单相接地故障所引起的凹陷，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 型凹陷：直接接地系统中两相短路接地故障引起的凹陷，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 型凹陷：e 类型凹陷经过一次绕组连接方式为a y ( 或y i n ) 的变压器时的凹陷类 型。 g 型凹陷：e 类型凹陷经过一次绕组连接方式为y y ( 或a a ) 的变压器时的凹陷类 犁。 囊7 华北电力大学硕士学位论文 2 5 本章小结 系统的阐述了电压凹陷的定义、产生原因，电压凹陷的三个特征量及影响因素， 并对提出了一些关于减小电压凹陷危害的方法。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电压凹陷的预测方法 由于电压凹陷的发生是个随机事件，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 凹陷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，给出电压凹 陷可能发生的概率，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。 对电压凹陷迸行预测的关键是确定电压凹陷域。凹陷域是指系统中发生故障引 起电压短时凹陷，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 压凹陷对敏感负荷的影响有重要的指导意义。凹陷域的确定是找出系统中发生会引 起所关心母线上电压凹陷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凹陷 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 路故障时的电压凹陷预测，在具有环状电网结构时这种方法的计算量和难度将大大 增加，并且通用性降低。目前环状电网的电压凹陷主要采用故障点方法。本文在分 析了故障点方法的优劣后，提出了结合短路故障计算中采用的节点阻抗矩阵，扩展 出电压凹陷矩阵的方法。 上述电压凹陷预测方法中，确定电压凹陷域仍然是问题的核心部分。今后，电 压凹陷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凹陷预测 3 1 1 电压凹陷域的确定 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) 电压凹陷幅 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 关敏感性负荷不能正常工作的故障点所在区域，即电压凹陷域。电压凹陷域是一个 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凹陷域内每年发生故障的可能次数，完 华北电力大学硕士学位论文 成电压凹陷的预测【3 3 1 1 3 4 l 【3 5 | 【3 叭。 幽3 一i 电压分配器模型 对于辐射状配电系统，可以采用图3 1 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 = 1 p u ，那么故障引起的p c c 点也就是负荷端的电压凹陷 幅值为 r - 毫 式中，_ 。p c c 点处的电压凹陷幅值： z ，一故障点与p c c 点之间的线路阻抗： z 。一p c c 点与电源之间的系统阻抗。 因为z = z l ( ，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 2 最 z ， 定义p c c 电压降低到临界电压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，那么临界距离的计算公式为， 。厂手南 ， 也就是说在临界距离t 。，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凹陷 华北电力大学硕士学位论文 幅值为， v 。2 者 ( 3 - 4 ) s z i + z i 1 其中，乙= r 。+ 。为p c c 点的系统阻抗，z ，= ( ，+ j x ) l 为故障点与p c c 点之 间的线路阻抗，为故障点与p c c 点之间的距离，手= r + 肛为单位长度线路阻抗。 则复阻抗时的临界距离0 ，为 _ = z z s 。i v ( u c o s a + + 1 ) ( 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o l 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： _ = 睾南【1 - v ( i - c o s 驯】 s ， 可以看出，电压凹陷幅值是一个距离的函数，电压凹陷幅值随着故障点和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凹陷门槛值的临界距离，再将这些 临界距离连接就得到电压凹陷域。 3 1 2 电压凹陷持续时间的确定 电压凹陷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l 3 5 i i 1 。 3 1 3 电压凹陷频度的确定 得到电压凹陷域以后，确定电压凹陷域一般有两种方法。一是把所有的临界距 离相加，这样得到电压凹陷中的总l 临界距离，再利用所有线路的平均故障概率得到 发生电压凹陷的频率，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，造成的电压凹陷的频率也很高。计算公式如下f ”i n k ( 一k + ) = 【2 ( ) d ( 3 7 ) 其中，n k ( 一+ 。) 一一线路k 上电压幅值在和+ 之间的电压凹陷的数目： ，+ - 一一电压凹陷幅值和k + ，分别对应的临界距离： 华北电力大学硕士学位论文 五一一根据历史数据统计得到的线路的故障概率。 如果再把电压凹陷的持续时间考虑进去，有下面的计算方法 m ( 一。，) = r ( 讲( 3 - 8 ) 其中，一一线路k 上继电保护为k 类型时的动作时间。 根据电压分配器模型方法进行电压凹陷预测评估的流程见图3 - 2 。 6 华北电力大学硕士学位论文 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， l 线路的故障概率分布参数 指定敏感负荷位置并设定其允许的最小的电压 图3 - 2 辐射状电网电压凹陷的预测评估 7 华北电力火学硕士学位论文 3 2 含有环状电网结构的电压凹陷预测 当进行电压凹陷预测的电网具有环状结构时，采用上述的电压分配器的方法， 就不适用了。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凹陷主 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凹陷矩阵结合故障点的方法。 32 1 故障点法l j 刈 故障点法是通过计算所选故障的凹陷特征量来确定凹陷域。首先分析可能发生 的故障对敏感负荷产生的凹陷影响，将相同凹陷特征的部分由一个故障点代表，进 行仿真，得到凹陷幅值和持续时间等特征量，从而确定凹陷域。故障点的选取主要 取决于凹陷幅值、持续时问和频次这三个因素，故应从负荷点所经历凹陷的这三方 面来选择故障点。如果相邻两故障点对应的三个凹陷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l 8 线路长度，即认为在此段内故障，负荷点的凹陷特征相同。点2 、 3 、4 、5 凹陷持续时间相同，幅值不等，点6 、7 、8 凹陷幅值相等，但持续时f n 】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 电压凹陷矩阵的使用 ( 1 ) 短路故障计算中的节点阻抗矩阵 由于电压凹陷目前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，扩展出电压凹 陷矩阵的方法。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凹陷不 l r 华北电力大学硕士学位论文 需要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凹 陷，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 t 。 v = z ，( 3 9 ) 其中，v 一一各节点电压组成的电压向量； 一一各节点电流组成的电流向量； z 一一节点阻抗矩阵。 节点阻抗矩阵中的对角元素z 。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，z ，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z 。即节点i 和i 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i 上呈现的电压。由于网络 中各节点之间总是存在直接或问接的电磁联系，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z ， 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 ) 电压凹陷矩阵 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1 3 4 1 ： 圪= - z m ， ( 3 一1 0 ) 其中，一一母线m 上的电压凹陷； m 一一母线m 和母线k 之间的互阻抗； 。* 一一母线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 压凹陷。计算方法如下【3 2 i ： 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 1 1 ) 其中，故障电流i k 口 以通过f 式计算： 铲毒 c3 - 12 ) 其中，v 为母线k 上的故障前电压，z 艏是母线k 的自阻抗。那么，母线m 上的 电压凹陷幅值就为 忙k + _ ，= ：t 东v f ( 3 - 1 3 ) 这里，p ：一一母线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1 p _ u ，则上式可以表示为 纠一象 p 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1 p u 。 为了进一步明确电压凹陷产生的位置和短路故障的位置，本文提出了一种改进 酗i 申爪凹陷矩阵，可以方便的描述电网中的电压凹陷的情况。 0o，0：o 乙乙巯乙 磊历知；乙厶 知孙：细知：知磊乙乙互乙；乙乙乙 巧； 华北电力大学硕士学位论文 化简为 z z ( 3 15 ) ( 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 凹陷幅值，如0 ，v ，v 。l ，v ，v 小就代表着母线1 发生三相 短路故障时，在其他母线，如k m , j ，1 3 等上产生的电压凹陷幅值；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 凹陷幅值，如当母线k ，m ，i ，n 发生故障时，在母线l 上产生的电压凹陷分别为 v i k ，v i m ，v i j ，v 1 n 。 所以，如果考察某条母线故障对其他母线造成的电压凹陷，就只需考察电压凹 陷阻抗矩阵的行向量；如果要考察某条母线( 及以下对应的敏感负荷) 所对应的电 压凹陷域，只需考察电压凹陷阻抗矩阵的列向量即可。 但是也可以看到，使用电压凹陷矩阵只能够得到固定的节点电压凹陷域，如果 需要求某一条母线任意指定电压凹陷域，那么还需要进步的算法。 乙乙乙：乙k；乙乙乙一乙 一 一 一 一 一 l 1 l l 1 生乙：生乙；生k；互乙；生乙 一 一 一 一 一 1 1 i l 1 盈乙；玉巯：一乙盈 一 一 一 一 瓦乙；一；互乙；乙乙 一 一 一 一 一乙：一乙；巯一k；毛一乙乙一毛 一 一 一 一 一 1 1 i l 1 ；：o ；o； ；o：；o；：o； 华北电力大学硕士学位论文 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 如= ( 1 一 ) z h + a z n ( 3 1 7 ) 其中，五，一一在母线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：上loz1(3-1 8 ) ， l r p , 一一分别为母线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 胛= ( 1 一五) 2z ，+ 兄2 z “+ 2 丑( 1 一 ) z j + 2 ( 1 - 2 ) z o ( 3 - 1 9 ) 其中， 7 m 一一在母线i 和母线j 之间的线路上的故障点p 的自阻抗： 一母线i 的自阻抗： 7 ，一母线i 的自阻抗： u _ 一连接母线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： = 1 _ 正万百万( 1 再- 2 面) z k , f + , z 砸z k s 了丽( 3 - 2 0 ) 其中，k 。一一当电网中p 点发生三相短路故障时在母线k 造成的电压凹陷。 方法具体如下，首先指定母线k 上的电压凹陷门槛值，那么就可以根据上式解 一元二次方程，求得五值；第二步，根据求得的五值把各个故障点连接起来，就可 以得到k 。对应的电压凹陷域了。 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凹陷矩阵，但是由于这些电压凹陷全是由某一条线路形成 的，所以本文将其称为线路电压凹陷矩阵。线路电压凹陷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 电压凹陷矩阵如下： 华北电力大学硕士学位论文 ( 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凹陷的节 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。 确定电压凹陷域后，就可计算电压凹陷发生的概率，和辐射状电网的情况类似。 根据电压凹陷矩阵进行电压凹陷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凹陷预测，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。 ； ； ； ：； 华北电力大学硕士学位论文 输入系统结构，系统m 抗，线路长度，线路阻抗系数，线路的保护整定参数 线路的故障概率分布参数等 形成电压凹陷矩陴 指定敏感负荷位置。并设定其允许的最小的电压幅值 结台故障点法，确定临界距离和电压凹陷域 是j r 今否 将临界距离连接成为l 乜压凹陷域并计算根据每条线路的保护整定时问分别计算电 l 其中线路的总长度胨叫陷的持续时间 上上 利用线路保护动作的平均时间计算i b 压根据每条线路的故障概率分布晴况计算电 陷的持续时间压p 1 陷的频率 00 利用线路的平均故障概率得到电f 1 u l 陷的统计所有电压凹陷的特征量 i 频率 f 降裟嚣叫 根据评估结果计算经济损失预估，采取相 应治理措施 图3 - 4 环状电网电压凹陷的预测评估 2 4 华北电力大学硕士学位论文 第四章电压凹陷预测结果的评估 根据上述的电压凹陷预测方法，可以得到电压凹陷的三个特征量，即电压凹陷 幅值，电压凹陷持续时间和电压凹陷频率，将这些电压凹陷特征量和敏感负荷的抗 于扰能力进行对比，就可以得到敏感负荷是否跳闸等信息，这个过程就是电压凹陷 的评估过程。 从上面的叙述中可以看出。电压凹陷的评估需要明确敏感负荷的抗干扰能力， 或者说是必须知道敏感负荷的敏感曲线。迄今为止，国外发达国家对电气设备电压 凹陷敏感度问题的研究己比较广泛和深入，内容涉及对发生电压凹陷时设备行为的 分析、对不同类型设备电压凹陷敏感度的理论分析和试验研究、进行敏感度试验所 需试验装置的研究开发、对敏感曲线的研究以及降低敏感度的措施等方面。但是必 须看到的是，首先电气设备的制造水平在不断进步，其敏感度也随之不同，另外， 随着电气设备的自动化程度越来越高，其对电压凹陷的敏感度也越来越高，最后， 我国的电气设备制造水平和国外发达国家水平相比，仍然有很大的差异，这就导致 了虽然国际上提出的负荷敏感度曲线有一定的通用性，但是并一定完全适合我国国 情。本文将从敏感负荷的敏感度进行讨论，通过对典型敏感负荷的抗干扰能力进行 分析，提出针对一般敏感曲线和特定敏感负荷的评估方法。因为影响敏感曲线的因 素很多，除了负荷本身的特定属性是决定性因素以