第五章电压暂降及短时间中断

第五章电压暂降与短时间中断VOLTAGESAGSANDSHORTINTERRUPTIONS电压暂降(Sags/Dips)的基本概念一、电压暂降概念与定义1）电压暂降并不是电力系统中的新现象，电网一运行就已经存在。它是由于系统发生短路故障或者重负荷启动引起的。2）电压暂降不同于电压偏差，是指电压有效值的大幅度、快速、短时间下降的突发事件。3）在电压暂降的分析中，通常将暂降时的电压有效值与额定电压有效值的比值定义为暂降的幅值，将暂降从发生到结束之间的时间定义为持续时间，将单位时间内发生电压暂降的次数定义为暂降频次。4）国际电工委员会（IEC）将其定义为下降到额定值的90%至1%，国际电气与电子工程师协会（IEEE）将其定义为下降到额定值的90%至10%，其典型持续时间为0.5～30周波。

电压RMS,BA短时间中断时间电压暂降图5-4重合闸时故障线路（实线）和非故障线路（虚线）电压均方根值A——故障切除时间B——重合闸重合时间暂降发生过程简要分析变电站重合闸主馈线1分支线路熔断器2图5-3带有熔断器和重合闸的架空线路配电系统故障切除电压恢复重合成功电压恢复12电压暂降和中断的发生过程1）由分支线路熔断器保护与主干线路重合闸的配合关系可以知道，电压暂降、短时电压中断和长时电压中断的出现是与故障发生点、保护方式的配合以及恢复供电时间相关联，并且三者可能相互转化。2）一次故障可能出现多次电压事件。以图为例说明，从一次短时间中断和一次电压暂降发展到二次短时间中断和二次电压暂降，直至长时供电中断。

事件型电能质量－电压暂降实测波形三相电压暂降的类型电压暂降现象的起因总结引起电压严重暂降的最主要原因是系统元件或线路的故障。(雷电等恶劣天气影响居多)

特征：暂降幅度大、近乎矩形曲线、持续时间短（即故障在线时间）引起电压暂降的另一主要原因是重型负荷的启动。特征：暂降幅度小、非规则矩形、持续时间长图a：线路短路图b：大型电机启动

就现象可见,电压暂降并不是新问题。但是,由于其危害和影响十分突出,它却成为近年来日益引起电工界关注的最重要的电能质量问题.电压暂降三特征量示意图

可采用三维图形展示电压暂降三特征量（即暂降幅值持续时间暂降次数的分布图）。这是完整描述电网发生电压暂降的图示化方法。

暂降幅值、持续时间和暂降频次是标称电压暂降严重度的最重要的三个特征量

电压的相位跳变是其次特征量

某工业用户端电压暂降幅值分布图

图所示为一家115kV工业用户电压暂降幅值的实测结果（监测期为1年）。可以看到，该工厂供电系统中电压暂降绝大多数处在低于额定值的10%-30%（或表示为0.9pu~0.7pu）范围内。电压暂降大于50％的几乎为0.（注：按照IEEE定义，低于额定值0-10%的电压变动不属于电压暂降）某工业用户端电压暂降幅值分布图

电压暂降特征量的统计规律美国EPRI-DPQ电压暂降统计调查分布结果▲暂降幅值为0.7p.u－0.9p.u的电压暂降占70%。;▲持续时间不超过1s的约占90%，不超过0.1s的约占60%;▲发生频次平均低于0.7p.u.的为18.422次/年，低于0.9p.u的为56.308次/年。

电压暂降危害-发生频次统计

调查结果显示：美国电压暂降幅值低于0.7p.u.的典型值为18-20次/年，低于0.9p.u.的次数为50次/年。加拿大对工业用户的调查结果是每个用户侧监测点每相每月平均暂降38次。英国某造纸厂年电压暂降事件次数约36次。杭州东信通讯移动电话公司2003年上半年就发生了6-7次暂降事件。影响用户工作的故障点位置统计因内外对故障引起用户不能正常工作的故障点统计情况（图a）。从所显示的数据统计分析可知：非本线路故障引起电压暂降影响用户设备不正常工作所占比例可达46％＋31％＝77%。输电系统和配电系统故障引起暂降都会影响用户正常工作，且配电线路故障引起电压暂降的比例大于输电线路故障原因。由故障点位置统计结果（图b）。图a图b国际供电界关于电压暂降的新说法CIREDKL2002国际供电会议主席指出，把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要问题。而电能质量的首要问题是电压骤降，应该作为研究解决的重点（在用户电能质量问题投诉中，90%以上是电压骤降引起的。据统计和案例反映，造成用电设备异常运行或停电的绝大部分因素是电压骤降问题）。供电可靠性反映的是供电中断程度。一般只考虑持续时间5分钟以上，有的国家规定为小于1分钟的电压中断不予计算。电压骤降发生频率高，有统计数据表示，数十次或上千次/年，暂降深度多为40%（0.8-0.6p.u.)以内，持续时间多小于1秒钟。暂降是与短时间中断伴随发生，且暂降发生频度高，事故原因不易察觉。国际供电界关于电压暂降的新说法国际上还没有正式的电压骤降技术标准。也没有统一的标准来规定用电设备耐受或过渡（穿越）电压骤降的能力。但是有些行业组织制定了技术标准，例如CBEMA曲线。国际半导体生产商组织制定了SEMIF47标准。在我国，对电能质量问题的把握不够全面，主要集中在电压合格率和谐波方面，对电压骤降及电压短时间中断引起的电能质量问题、危害以及反措施认识不足。在电压暂降在线监测、统计评估方法和指标设定等多个方面我校已经领先开展研究。南非PQ标准（ESKOM）：NRS048-2，2004

智利的暂降、暂升PQ标准：DS327，1997

暂降幅值U%持续时间t20≤t<150ms150≤t<600ms0.6≤t<3s90>U%≥80Z180>U%≥70S70>U%≥60X1Z260>U%≥40X240>U%≥0T

：大部分用户设备需要有对此类事件的承受能力电压等级kV监测点的百分比年暂降频次限值X1X2TSZ1Z244<U%≤13250%13105742>lt;U%≤13295%353525404010>13230302020105电压短时间中断(ShortInterruption)

二、短时间中断的定义

1）当电压有效值降低到接近于零时，则称为中断。由于对电压暂降下降幅度定义的不同，对“接近于零”也有不同的定义

IEC定义“接近于零”为“低于额定电压的1%”；IEEE定义为“低于10%”[IEEEStd.1159-1995]。（之所以此时电压不为０，是系统储能元件电压反馈的原因）。2）中断可按其持续时间长短进一步分类，但分类原则也尚未统一。

IEC定义长时间中断持续时间最少为3分钟，小于3分钟的中断称为短时中断。IEEE标准[IEEEStd.1250-1995]中将大于2分钟的中断称为持续中断（而在[IEEEStd.1159-1995]中则将大于3秒钟的中断称为持续中断，见下表）。IEC/IEEE关于中断持续时间的标准（注意到，上表中各种电压中断现象的用语仍未统一。）

中断类型\标准名称EN-50160IEEE-std.1159-95IEEE-std.1250-95长时(long)>3分钟

短时(short)≤3分钟

短时(momentary)

3秒~1分钟2秒~2分钟暂时(temporary)

30周波~2秒瞬时(instantaneous)

0.5~30周波持续(sustained)

>３秒>２分钟0.5周波~3秒现象分类类别

典型持续时间典型电压幅值短时间电压变动瞬时暂降0.5~30Cy0.1~0.9p.u.暂时中断0.5Cy~3s<0.1p.u.暂降30Cy~3s0.1~0.9p.u.短时中断3s~1mim<0.1p.u.暂降3s~1mim0.1~0.9p.uIEEE1159-1995标准对电压暂降和短时间中断按持续时间特征进行分类。短时间与长时间中断的区别

虽然两者的起因相同，即多是由于短路故障清除、保护误动等引起的，但持续时间的长短是由于在技术处理上有区别，见下表，

能自动恢复的中断为短时间中断，需要手动才能恢复的中断为长时中断。中断类型短时间中断长时间中断故障恢复方法自动恢复手动恢复具体措施１.重合断路器，用于配电架空线；２.切换至正常供电母线，多用于工业用电系统。

短时间与长时间中断的区别中断类型短时间中断长时间中断起因瞬时性故障清除前，故障相线路经历短时间电压中断；保护误动时，非故障相也会经历短时间电压中断；运行人员误操作。永久性故障；瞬时性故障时，重合闸拒动；线路检修。故障恢复方法自动恢复手动恢复具体措施重合断路器，主要用于配电架空线；自动切换至正常供电母线，多用于工业用电系统。手动切换至正常供电母线电压暂降与中断问题的不同点1）暂降造成的总损失要大于中断造成的损失

虽然看起来一次电压暂降对电力用户的危害不象一次长/短时间电压中断那么严重，但是由于供电系统中发生电压暂降的频次远比电压中断次数多的多，暂降造成的总损失要大于中断造成的损失。2）电压暂降问题比电压中断更具有全局性

短时间中断和长时间中断的起因一般都发生在当地的配电线路上，而设备端电源出现的电压暂降则可能是由于数百公里外的输电系统的短路故障引起的。因此上，电压暂降问题比电压中断更具有全局性（a“global”problem）。3）解决电压暂降问题更困难

在消除影响上，为减少发生的电压中断次数，一般仅仅需要改造一个馈电系统，而为减少电压暂降次数则往往需要改造多个馈电系统，甚至需改造远处的输电系统。引起电压暂降与短时间中断的主要责任方

当输配电线路发生短路故障、配电网中感应电机启动，用电设备内部故障、开关操作、变压器以及电容器组的投切等，均可引起电压暂降。其中，架空线路发生短路故障和大型感应电机启动是主要的两个原因。在对大量发生的事件统计分析后，许多学者认为，电压暂降的多数起因是电网故障引起的，并且其影响严重，这一质量的主要责任方应当是供电部门。电压暂降与短时间中断造成的危害与损失

二十世纪80年代以来数字式自动控制技术在工业生产中的大规模应用，如变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用，对供电系统的电压质量提出了更高的要求，该问题才引起各有关部门与研究人员的广泛关注。▲由于一次电压暂降而使某生产线重新启动需花费50,000美元；▲某玻璃制品厂工频5个周期的电压中断，造成损失约200,000美元；某计算机中心2秒的供电中断引起约600,000美元的损失。

电压暂降的危害---EPRI的调查

据美国电力科学研究院－EPRI的调查报告，美国每年因可靠性和电能质量问题造成工业的生产力和停工损失达1500-1900亿$。且据其DP项目Q研究发现，只有3%的事件是由于电力供应中断造成的，而其余大部分都是由于短时动态电力干扰引起的。电压暂降的危害－具体例子（1）某个主要生产光纤电缆的厂商监测7年的电能质量，虽然没有发生过一次停电，但每年要经受6-10次电压暂降，每次损失达15-50万$；（2）塑制品聚合加工业、造纸业、玻璃制造业等都是电力消耗大户，暂降导致现代化生产线突然停止意味着重启前需要数小时清除设备内的垃圾。某玻璃制品厂工频5个周期的电压间断，造成损失（含停工）约200,000$；电压暂降的危害－具体例子（3）英国某造纸厂由于持续仅2～3个周波0.9p.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14万英镑。对石化工业来说，生产线的连续性也是非常关键的，一次短时的电压暂降有可能造成整个生产线长时间停运，将会造成数百万美元的损失。短时间中断对设备的影响

▲显见的影响有：失电，无灯光，屏幕空白，电机减速等。更为严重的是破坏生产过程，计算机丢失内存信息，建筑体的火灾报警系统失灵，无控制启动造成的危险等。在大多数敏感设备中，暂降与中断的影响并无直接区别或分界，中断可以视为严重暂降。因此在谈危害时，两者可以同等看待。例如，调速驱动在１秒或甚至在１个周波的中断都会掉电。现代电气设备对电压暂降愈加敏感

当保护装置因该线路发生短路故障而跳闸，切断某一用户的供电时，将出现电压中断，而相邻的非故障线路上将出现不同程度的电压暂降。因此，电压暂降发生的次数远比电压中断发生次数多。如果用电设备对电压暂降也很敏感，则由此引发问题的次数将显著增加。一方面我们要了解系统故障的常见类型和特点，从而知道电压暂降的基本规律。另一方面，还需要了解电气设备对电压暂降的敏感程度（知己知彼，相互兼容）是十分重要的。计算机与电子设备对电压暂降的敏感度举例：一台计算机若在70％直流额定电压时掉电，且正常电压纹波为1％时，小于13个周期的电压暂降是可以容忍的。

最小直流侧电压最大暂降持续时间5%纹波1%纹波05个周期25个周期50%4个周期19个周期70%2.5个周期13个周期90%1个周期5个周期暂降敏感曲线–典型设备曲线耐受或过渡电压暂降的能力（voltagesagride-throughcapability，又称为电压暂降承受值或容忍值）是指确保设备正常运行所能容忍的最低电压值与承受时间。用户设备对电压暂降的容忍性表现为电压暂降敏感曲线（最小暂降承受值与持续时间的函数关系），如图所示，国际上最早称之为CBEMA曲线。设备电压暂降敏感曲线举例暂降记录分布图-ITIC_1997标准ITIC:InformationTechnologyIndustryCouncil（IT业委员会）暂降事件分布图-SEMIF47_1998标准SEMI:SemiconductorEquipmentandMaterialsInternationalgroup（半导体设备及材料国际组织）暂降敏感曲线与暂降特征分布图电压暂降事件次数=不正常工作区内发生频次之和亦可另外统计.将不计事件次数的系统电压暂降特征分布图与用户设备的电压暂降敏感曲线对应起来，就可得到用户设备因电压暂降而不能正常工作的完整描述。

设备不能正常工作的原由电压暂降往往引起用户电气设备不能正常工作,究其原因主要有：交流电压不足，供应电能不足，导致设备停运；如典型的桥式整流的电源电路。电压低引起设备电源监视回路跳闸，设备停运；电压低引起紧急关闭电路等的速动继电器动作切断电源；电压暂降恢复时上升脉冲引起设备的复位电路不正确动作，设备重启；电压相角跳变或不平衡电压暂降引起不平衡保护继电器动作，设备停运。整流滤波波形速动继电器复位电路平衡保护继电器电压暂降的危害-行业举例1。汽车制造业——灵活的自动控制和链式供应生产线管理由于无序断电和上电,暂降导致损坏部件或加工设备以及数字控制设备需重新设置控制流程；暂降影响机器人电焊工的焊接质量，甚至需要重新回炉或电焊程序的重启；暂降使得喷漆线突然停止，在火炉控制重启前，需要30min净化空气控制系统。暂降导致停产的更多时间是花费在整个生产线再启动上（有报道讲，由于4个周波的电压暂降，需要72min才能恢复生产线工作，造成损失可达700，000$）

暂降造成商业与民用建筑中的电梯、自动消防与报警系统中止工作……电压暂降危害-行业举例2塑制品聚合加工业、造纸业、玻璃制造业——电力消耗大户暂降导致现代化生产线突然停止意味着重启前需要数小时清除设备内的垃圾。

某玻璃制品厂工频5个周期的电压间断，造成损失约200,000$；IT、通讯业——高价值端客户需要超高可靠性

某计算机中心2秒的供电中断引起约600,000$的损失。杭州东信通讯移动电话公司一次暂降造成损失达3，000，000￥。医疗器械——暂降引起设备不正常工作影响诊断、治疗、手术进行，甚至危及到病人的生命。电压暂降危害-平均损失统计现象分类0.8p.u.0.5s电压暂降1-2s短时间中断受影响的用户百分比约50%约65%10%的高价值端用户的损失>23600$/次>41530$/次用户平均经济损失7694$/次11027$/次（夏季）

美国电力公司调查统计：加拿大电气协会对电能质量的调查报告

1991年起，加拿大电气协会（CEA）开始的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22个电力公司参加了本次调查，选择了550个地点（工业、商业和民用）进行了监测。工业用户组的调查结果：▲用户侧监测点每相每月平均发生38次暂降，电源侧为4次。▲用户侧85％的监测点每相每月平均发生过10～20次电压暂降，电源侧为5-6次。商业和民用用户组的调查结果：▲用户侧70％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。电压暂降与短时间中断已成为最重要的电能质量问题

据统计，在欧洲电力部门与用户对电压暂降的关注程度比其它有关电能质量问题的关注程度要强得多，其中一个重要的因素是在电能质量的诸多原因中，由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题的80%以上，而由谐波、开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉不到20%。

专家们认为，电压暂降与中断已上升为最重要的电能质量问题之一，已成为信息社会对供电质量提出的新挑战。短时间中断的随机预估

分支D：3km为了随机预估某一馈电用户所承受的短时电压中断次数，需要以下输入数据：不同主馈线或分支线路每年米馈线故障率。

主馈线和分支导线长度。

重合成功率，多次重合的第一次成功率和第二次成功率。

重合开关和熔断器安装位置。数据表主馈线故障率：0.1次/年*km分支线路故障率：0.25次/年*km第一次重合成功率：75%，第二次重合机率：25%，第二次成功率是故障数的10%，因此，故障数的15%二次重合没有成功，即属于永久性故障，导致长时间中断。

图为一个假想系统例，介绍随机预估的各项步骤。

分支C：7km分支B：4km分支A：8km主馈线：11km熔断器系统重合闸短时间中断的随机预估—事件过程重合闸动作过程：1）由于发生短路故障，过电流使线路保护动作，断路器瞬时打开。2）开关打开1秒，期间75%故障会被消除。3）重合闸动作，断路器闭合。如果故障仍然存在，过电流使开关再次瞬时打开，这种情况占25%(如前所述，第一次重合成功率75％）。4）此次短路器打开时间为5秒，期间10%总故障数被消除。5）短路器闭合约1秒时间后，如果故障仍然存在，开关保持闭合直到分支线路熔断器动作。6）熔断器熔断后，故障仍然没有消失，短路器第三次打开，并保持断路状态，直到人为操作恢复供电。此时整个馈线将承受长时间电压中断。短时间中断的随机预估—故障总次数主馈线与分支线故障总次数计算：11km*0.1/年*km+22km*0.25/年*km=6.6次/年每次故障都将引起电压幅值事件，并且可能存在4种不同的情况：１）

1秒持续时间的短时间电压中断。２）

二次短时间中断，一次为1秒，一次为5秒持续时间。３）

二次短时间中断，随之出现一次电压暂降。４）

二次短时间中断，随之出现一次长时中断。短时间中断的随机预估—年次数由于预估该馈线上每年发生6.6次事件，所以其中，１）每年6.6次*75%=5.0次为所有用户一次短时间中断电。２）每年6.6次*10%=0.7次为所有用户二次短时间中断电。３）每年6.6次*15%=1.0次为永久性故障，即用户将承受二次短时断电和随之发生的二次电压暂降，或随之出现的长时中断电。由该馈线供电的每一个用户所承受的短时电压中断次数是相等的，即，1秒持续时间的为5.0次/年，1+5秒持续时间的为0.7次/年。短时间中断的随机预估—永久性故障次数长时间中断次数则取决与在馈线上的不同位置。当主馈线发生永久性故障时，所有用户都将承受长时间中断；当分支线路发生永久性故障，则仅仅是由该分支线馈电的用户承受长时中断。不同馈线，永久性故障的次数为：１）

分支A：8km*0.25次/年*km*0.15=0.30次/年２）

分支B：4km*0.25次/年*km*0.15=0.15次/年３）

分支C：7km*0.25次/年*km*0.15=0.26次/年４）

分支D：3km*0.25次/年*km*0.15=0.11次/年短时间中断的随机预估—长时中断次数馈线上不同的连接处，经受长时间中断的次数为：１）主馈线：0.17次/年２）分支A：0.17+0.30=0.47次/年３）分支B：0.17+0.15=0.32次/年４）分支C：0.17+0.26=0.43次/年５）分支D：0.17+0.11=0.28次/年不设置重合闸动作，而仅靠熔断器清除分支线上的所有故障，将只可能存在长时间电压中断，其次数为（线路长度×故障率）：１）

主馈线：11km×（0.1次/年*km）=1.1次/年２）

分支A：1.1次/年+8km×(0.25次/年*km)=3.1次/年３）

分支B：2.1次/年４）

分支C：2.9次/年５）

分支D：1.9次/年短时间中断的随机预估—数据比较表所示为有重合动作和无重合动作条件下，长时间电压中断和短时间电压中断次数的比较结果。

长时间中断

所有中断有重合闸无重合闸有重合闸无重合闸主馈线0.21.16.61.1分支A0.53.16.63.1分支B0.32.16.62.1分支C0.42.96.62.9分支D0.31.96.61.9

短时间中断的随机预估分析结果分析结果对于长时间电压中断敏感的设备或生产过程，显然应当采取有重合闸设置的系统。因为这会使长时间中断减少85%。如果当设备或生产过程对短时间电压中断和长时间电压中断都敏感，最好是取消重合闸设置，这样在每次故障发生时总是断电，可能会更好些。根据设备负荷在馈线上的不同位置，断电的次数比有重合闸时可减少1/2－1/5。但是这仍要看具体用户而定，实际上，有些用户更愿意接受短时间中断而不愿长时中断电。电压暂降幅值与临界距离对于辐射形系统，可用图3.8所示的电压分配器电路描述。假设PCC点故障前电压等于电源电压且等于1，则可用下式计算故障点与负荷之间，PCC的电压暂降幅值：图3.8辐射状系统式中为故障点与PCC点之间的阻抗，为PCC点看进去的系统阻抗。令，为故障点与PCC点之间的距离，为单位长度线路阻抗。则：

ELoadPCC

～临界距离定义与计算临界距离定义：PCC电压降低到等于临界电压时，故障点与PCC之间的距离。假设系统与线路均为纯感性，则由上式推导可得临界距离计算公式为：▲上式适用于单相系统。对于三相系统，上式仍可使用的条件：1）三相故障，采用正序阻抗；2）单相故障，应采用正序、负序和零序阻抗之和，式中电压为故障相的相对地电压；3）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。

▲辐射状系统临界距离计算当系统与线路参数以复阻抗表示，则临界距离为：式中为系统阻抗与线路阻抗在复平面上的夹角，即阻抗角：假设系统和线路的阻抗参数比值相等，则，=0，上式可简化为单相系统计算式。尽管上述假设并不总是成立，但在多数情况下，用简化式计算即可得到较满意的结果，特别是在没有足够数据计算阻抗角的情况下非辐射状系统—双回路供电假设和为两条线路的阻抗，为系统阻抗，线路1在距电源处发生故障，则负荷母线暂降电压由下式决定：

采用双回线供电结构可减少

1

Load电压中断发生的次数，但通常会使严重电压暂降的次数增加。

2

图3.11同一电源双回路供电系统等值电路

当=0或=1时，电压暂降幅值为0。通过合理的假设，也可对临界距离进行描述。（作业：推证上式，并给出临界点与临界电压之间的关系式）。～三相不平衡电压暂降电力系统的多数故障是单相或两相故障。而配电系统的多数故障为单相接地故障，该故障是发生电压暂降的最主要原因。单相直接接地故障（假定a相故障）假设电源电压为单位1，可知各相对中线的电压为：

不难知道，此时由于中性线接地系统的三相独立性，接地故障相发生电压中断，其它两相电压不变，由其供电的单相电源用户不受影响。以上单相金属性接地故障现象与单相跳闸相似。

单相接地故障分析由于中低压用户设备许多是△接线，或者经由△接线变压器降压、向单相负荷供电，此时用户将承受电压暂降的影响。若负荷为△形连接，用电设备的端电压应为线电压，可表示为：但由于以相电压为标幺值，且定义为1，则线电压单位值需除以，并且为仍保持A相电压为坐标实轴方向，则各相同乘以旋转因子。从而得到接线负荷端相电压表达式：

此时△形连接的负荷端出现了一相两相电压保持不变，而另外两相电压幅值和相位角都发生了变化。即出现电压暂降。

动态电压监测与评估的意义动态电压质量的监测不同于诸如电压偏差等电气量的检测记录，其中最大的区别是要对这种随机性的动态事件做出科学的统计评估，以发现和找出内在规律，这对控制电能质量问题是至关重要的。是全面了解已知电网或规划电网各公共连接点电压暂降严重程度、特征参量及其分布特点（凹陷域）的必要手段。对于电力企业、高新技术电力用户、设备制造商以及政府招商引资有重要的现实意义。电压暂降特征量分析与检测算法

电压暂降特征量检测概述电压暂降的幅值大小和持续时间是电压暂降分析与检测的主要特征量，而暂降次数只是以上检测结果的分类统计量，相对要简单许多。虽然，电压暂降的完整特征描述还应包括跌落过程的高频成分和暂降恢复的电压瞬时过冲现象。但通常重点讨论这两个主要特征量。暂降幅值分析与检测算法

可以用多种方法来确定电压暂降的幅值大小。目前大多数电能质量监测仪是通过计算电压方均根值来获取实测暂降大小的，具体处理时可能利用求取电压基波分量或测取每周波或半周波内的峰值电压来确定暂降大小。

以下介绍几种暂降检测算法.

电压暂降特征量检测算法1.方均根电压值(rms---voltage)测量与计算当在时间轴上对电压暂降抽样记录时，电压幅值大小可通过时域定义的电压均方根计算求得：其中，N：每周波的采样数，：时间域被采样电压。将上式用于图5-35(a)波形计算，电压均方根值变化结果如图5-35(b)所示。在5-35图中，均方根值是取一个周波窗采样点N=256计算得到的。

整周期RMS计算结果波形比较★220V系统发生持续时间0.087s-0.163s骤降幅值为50%、相位跳变电压暂降。暂降期间存在电压畸变且在暂降起始时电压出现高频振荡现象.粉红色为瞬时值计算结果。瞬时计算结果均偏高。红色和深蓝色为d-q（平均值和LPF滤波）算法，绿色为单相电压法浅蓝色为整周期RMS计算结果可见，起始时间延迟1个周期，电压均方根值滑动计算方法图5-35曲线上每一点是此前256个采样点计算的结果，有公式：式中，N=256，k=256，257，…。可以看出，上式为滑动计算公式。利用它可以在每个采样瞬间得到一个新的电压均方根值.同样，滑动均方根计算方法也有一个周波的过渡时间（也称为延迟时间），由此暂降持续时间也有约1个周期的误差.（过渡时间是由于采样值中仍然保留近1个周期的“历史”数据所引起的。但是滑动算法几乎可以瞬时计算出结果。）

RMS半周波计算方法与结果下页图所示为128个采样点（即半个周波）的有效值计算结果，所对应的过渡时间（延迟时间）为半个周波。尽管延迟时间被缩短，但其仍然存在着测不准的缺点.

RMS半周波计算方法的约束条件须指出，窗宽必须是半个周波的整数倍，不能用少于半个周波的短窗来计算有效值，因为任何其他的窗宽都将给计算结果带来2倍基频的振荡。练习题：证明正弦函数波形在求RMS时，积分周期应取函数半个周期的整数倍。否则将附加2倍基频的振荡分量。RMS基频分量计算－频域方法

2.

基频电压分量法

利用基波电压分量计算暂降幅值有一个好处，就是可用它来确定相位角跳变值。以时间t为函数的基波电压可以由下式求得,式中，T是基波周期。注意到，该计算是以复数电压表示的。复数电压的绝对值是以时间t为函数的电压幅值，其幅角可以用来求取相位角。用类似的办法我们还可获得谐波分量的幅值和相角。

虚拟半周波基频分量计算方法采用有效值计算法的好处在于，可以简便的用半个周波采样点来处理。若从半个周波数据获取基波分量是相当复杂的事。一种可能的解决办法是，取半个周波数据，利用下式可以计算出下半个周波的数据，

令是半个周波的电压采样值，利用下半个周波的虚拟序列数据进行付氏变换，可以得到基波电压。

用半个周波求取基波分量的方法对以前所示波形进行计算，其结果如下图所示。观察该图可以看到，从故障前到故障期间的电压变化比整周波图所示的要快，检测迅速。应注意到，此方法假定电压中不含直流分量，如果不是这样，将导致基波电压误差增大。

整数倍周期计算结果整周波与半周波基频分量法算例比较半周期计算结果电压暂降峰值计算方法3.峰值电压法（假定电压为纯正弦波形）峰值电压是时间t的函数，可用以下表达式计算式中是采样电压波形。T为半周波的整数倍。电压暂降峰值计算例分析

图中粉红线为峰值电压计算结果，曲线上每一点为前半个周波电压最大瞬时值（也采取滑动算法）。虽然我们后边会看到，图与实际暂降发生和暂降清除过程不很相符，但峰值电压曲线表现出很陡的下降沿和上升沿，这与均方根值电压法正好相反。（另外，下图中的暂降波形出现了电压过冲，但这与时域过电压相一致）。电压暂降持续时间测取方法4.电压暂降持续时间测量暂降持续时间的定义为，电压有效值低于某一给定门槛值的电压周期数。每个电能质量监测仪器所设定的门槛值可能并不相同，但通常设定为0.9pu，将暂降事件全部记录下来，并且在事后做进一步细划分类，这是很容易的.需要注意到，电能质量监测仪多数采用一个周波计算一次均方根值的方法，因而给出的暂降持续时间就会出现超估情况.由于最短的时间窗为半个周波，因此必须接受半个周波的时间误差量。

实时检测时，困难在于准确判断暂降的发生。相位跳变角测量算法

5.相位跳变角测算系统短路不仅引起电压幅值快速下降，而且还会改变电压相位角。正弦电压可表示为有幅值和相位的复数量（或相量）。当系统发生某种变化时，如短路故障，电压的变化并非仅限于幅值变化，也包括相位角的变化。电压出现相位跳变是由于系统和线路的X／R值不同，或不平衡凹陷向低压系统传递引起的。在图5-16中，考虑系统与线路阻抗均为复数，忽略所有负荷电流，并假设Vs=1p.u.，可知公共连接点电压为如果阻抗系数比值满足式子,则无相位跳变；反之则存在相位跳变.多数情况下，相位跳变角在0－－60度之间。相位跳变角测量算法相位跳变角表现为瞬时出现的电压过０点的位移。相位跳变对大多数设备无关紧要，但对利用相位角（或过零点）信息进行触发角控制的电力电子换流器来讲就会受到影响。

为了获得被测暂降电压的跳变相位角，必须对电压暂降期间和暂降前的相位角做比较。可从电压过0点或从电压基波分量求取跳变相位角。利用FFT算法对信号做变换得到复数基波分量。

单相电压变换算法6.单相电压变换（正交向量表示）平均值算法以下介绍另外一种单相电压变换平均值算法。假设电压信号为式中为基波角频率。假设和是与暂降前电压同相位的正、余弦信号，则可从上式得到两个新信号：单相电压变换算法还可以写成对以上两个新信号取基波频率半个周期（或其整数倍）的平均值（将只保留常数项）,可得到正交矢量表达式换言之,通过以上推导,则可由、的平均值求出和，从而可以得到，暂降幅值:跳变相位角:单相电压变换算法推导电压余弦函数普遍表达式}数学推证\注意到,若电压正弦函数表达式结果与上不同.影响到对正交函数的表达,见162,形式上是不合适的.单相电压变换算法推导}构造正交矢量求取正交变量在一个周期的平均值正交矢量的模值为欲检测的电压暂降幅值---}代入原定义式[缺损电压计算方法7.缺损电压计算方法(missingvoltagetechnique)是求取实际发生的电压瞬时值与期望值的差。由于该方法简单有效,是电压暂降补偿检测算法中较早和广泛采用的基本方法。

该方法的要点问题是，寻找到与被补偿系统电压同步的理想(期望)的瞬时电压。当PLL技术成熟后，该方法较容易实现了。m(t)t(s)0.150.100.050.500.250.20-0.5图5-36缺损电压波形基于3-2变换的瞬时电压分解法8.瞬时电压分解（3-2变换）法

“缺损电压法”将期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之间的差值作为暂降补偿装置应补偿的电压，可较好解决暂降的实时补偿问题。但暂降补偿装置的补偿量超过其本身注入能力时，暂降的补偿应加以特殊考虑。为此，反映暂降电压特征的幅值和相位的瞬时确定不仅对暂降的瞬时记录与评估，而且对暂降的实时补偿均具有非常重要的意义。采用该方法不可能作到对补偿装置补偿容量的动态控制。除上述检测方法之外，新近提出了电压暂降幅值与相位跳变及其它特征量的实时（瞬时）检测方法。原理推导见P158。

实际系统发生的电压暂降多为单相事件，考虑到三相三线制电路的特点，以单相电源为参考电压可构造一个虚拟的三相系统。虚拟三相系统与abc---dq变换