電壓暫降影響敏感負荷的評估測度研究進展

陳武，周學億，趙周芳，陳賓

（1.國網四川省電力公司成都供電公司，四川成都610041；2.國網四川省電力公司檢修公司，四川成都610065；3.國網四川省電力公司技培中心，四川成都611130；4.國網湖南省電力公司永州供電公司，湖南永州425900）

電壓暫降影響敏感負荷的評估測度研究進展

陳武1，周學億2，趙周芳3，陳賓4

（1.國網四川省電力公司成都供電公司，四川成都610041；2.國網四川省電力公司檢修公司，四川成都610065；3.國網四川省電力公司技培中心，四川成都611130；4.國網湖南省電力公司永州供電公司，湖南永州425900）

準確評估電壓暫降對敏感負荷的影響，不僅有利于供電部門采取合理的供電方案以提高用戶滿意度，還有助于人們研究出提高敏感負荷電壓耐受能力及降低電壓暫降對其影響的可行性方案，更有利于供用電部門根據電壓暫降的不同特性，制定出相應的電壓補償策略與方案，使負荷電壓暫降經濟損失降至最低.將敏感負荷電壓暫降敏感度評估方法分為實測統計法、動態模型法、模糊推理法、概率與數理統計法、多不確定性法，綜述分析各種評估方法的優缺點，提出構建負荷時變電壓耐受能力、電壓暫降強度與敏負荷電壓耐受能力綜合指標，應用不確定性理論，建立統一的敏感負荷電壓暫降敏感度評估模型與方法是今后的重點研究方向.

電能質量；電壓暫降；敏感負荷；評估測度

電能作為一種使用最為廣泛、高效、清潔的能源，其應用程度已經成為一個國家發展水平的主要標志之一.以計算機(PersonalComputer，PC)、可編程邏輯控制器(Program Logic Controller，PLC)、嵌入式處理器(Embedded Processor，EP)為核心的精密用電設備(統稱為敏感負荷)對電能質量提出了更高的要求[1-2]，它們對電能質量都極度敏感，電能質量直接關系到設備的運行效率與國民經濟的總體效益，供用電雙方對其的關注度與日俱增，在大量可再生能源并網和敏感負荷接入電網智能電網背景下，準確、定量評估電壓暫降對敏感負荷的影響尤為重要.

電能質量分為穩態電能質量和暫態電能質量兩大類.穩態電能質量包括諧波、電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡、電壓波動與閃變等；暫態電能質量包括電壓暫升、電壓暫降、電壓短時中斷等[2].電壓暫降是近年來暫態電能質量中最突出、最嚴重的電能質量問題，具有極強的不確定性屬性[3]，通常會給半導體制造、信息、計算機或電子通信等行業帶來巨大的經濟損失，并造成極大的社會影響，成為智能電網背景下用戶友好型電網規劃階段中重點考慮的問題[4-5].

不同類型的敏感負荷存在不同的電壓耐受能力變化范圍，其受電壓暫降影響的程度表現出極強的不確定性特征.本文從電壓暫降、敏感負荷電壓耐受能力及敏感負荷受電壓暫降影響的評估測度這一漸進層次出發，綜述分析各自的研究現狀，重點對電壓暫降及敏感負荷受其影響的評估測度體系領域研究進展進行闡述.

1 負荷受電壓暫降影響的評估過程

敏感負荷受電壓暫降影響的嚴重程度通常與電壓暫降及敏感負荷電壓耐受能力兩大因素密切相關，研究電壓暫降對敏感負荷的影響程度一般包含如下三個步驟[3]：

1）獲取系統側電壓暫降信息.如系統特定節點處的電壓暫降頻次(包含不同特征量).可從電力公司獲取或通過儀器監測、隨機估計法等方法獲得.

2）獲取敏感負荷電壓耐受能力數據.可通過設備制造商、實驗測試、典型賦值等方式獲得.

3）確定評估測度，定量評估電壓暫降對敏感負荷的影響.

2 系統側電壓暫降分析

2.1 儀器監測法

儀器監測法是獲得電能質量信息的最為直接的方法，它通過系統關鍵節點實現對電壓暫降的實時監測，通過相應的數據分析手段來考查電壓暫降情況[6-7].電壓暫降儀器監測法因其簡單、便于實施，在一定時間內獲得了廣泛應用.

2.2 隨機估計法

電壓暫降受多種不確定性因素影響，具有極強的隨機不確定性.目前廣泛應用的電壓暫降隨機估計法主要有臨界距離法和故障點法.臨界距離法[8]：由瑞典學者M.H.J.Bollen于1996年首次提出，應用臨界距離法，可確定出引起特定類型敏感負荷出現故障的系統短路故障點所在區域；故障點法[9]：在給定系統故障點的情況下，直接計算電力系統內公共節點處的電壓暫降幅值情況.

該方法僅研究了系統內故障點、繼電保護動作情況等部分不確定因素對電壓暫降的影響，研究工作還有待進一步完善.

2.3 電磁暫態仿真法

為進一步分析電壓暫降的暫態變化過程，J.A.Martinez、A.J.Martin等人于2006年提出用于電壓暫降暫態仿真的評估體系建立方法[10]，指出電壓暫降仿真分析軟件應滿足如圖1所示的幾個方面.

圖1 電壓暫降電磁暫態仿真軟件結構

這種方法將實際電力系統進行簡化、抽象與建模，實現了對電壓暫降暫態變化過程的分析.由于仿真時間和數據存儲容量的限制，該方法通常只能針對簡單系統進行研究，而對于大型電力網絡則不太適用.同時，在仿真過程中短路點的設置以及故障狀態變量的概率模型都將對評估結果產生重大影響.因而，關于各因素的客觀的數學模型還有待深入研究，以期進一步提高評估結果的可信度與準確度.

2.4 狀態估計法

限于電壓暫降儀器監測成本，不可能保證對實際系統中的每一個節點都進行實時監測與評價.文獻[11]于2005年提出了“電壓暫降幅值估算”的狀態估計方法，實現用有限的電壓暫降信息估計出未安裝電壓暫降監測裝置的節點處的電壓情況.然而，如何通過一定的優化算法，實現電壓暫降監測裝置的最優化配置成為當前急需解決的重要課題.

2007年，E.Espinosa-Juárez和A.Hernández[12]利用電壓暫降監測裝置矩陣與電壓暫降頻次矩陣之間存在的函數映射關系，結合最優化約束條件，對電壓暫降監測裝置的安裝數量及安裝位置等狀態變量進行了深入研究，提出了一套確定電壓暫降監測裝置安裝與配置的有效方法.

必須指出，狀態估計算法僅僅是對“電壓暫降幅值估算”這一研究方向的初步嘗試，還有大量問題仍須深入研究，如電動機負荷特性以及負荷電流、含有分布式發電的配電網絡結構復雜性等問題對評估結果精度的影響等.

2.5 暫降域分析法

電壓暫降域[13]，是指當系統發生故障引起電壓暫降時，使所關心的敏感負荷不能正常工作的各故障點所在區域.

研究電壓暫降域對于提出合理的電壓暫降抑制措施具有重要的指導意義，也為敏感負荷電網接入點的選取提供了理論依據，結合電壓暫降域，可快速確定特定區間的電壓暫降頻次及敏感負荷年故障次數，有助于指導電力系統運行人員的日常管理工作，能在一定程度上保證電網的電能質量及其安全運行水平.

3 負荷側電壓耐受能力分析

3.1 實驗測試

3.1.1 測試標準

敏感負荷電壓耐受能力測試標準[14-15]主要有：IEC 61000-4-11及IEEE Standard 1346-1998，推薦測試標準如表1所示.

表1 敏感負荷電壓耐受測試推薦標準

IEC 61000-4-11主要介紹了用于敏感設備電壓暫降、短時電壓中斷和電壓變化的電壓耐受能力測試技術.IEEEStandard 1346-1998進一步提出獲取敏感負荷電壓耐受能力的具體步驟，包括：(1)獲取設備側電壓暫降信息，(2)明確設備安裝規范，(3)熟悉電力電子裝置中的能量儲存模式，(4)分析保護動作對敏感負荷工作狀態的影響，(5)表征敏感負荷電壓耐受能力.敏感負荷電壓耐受能力測試系統框圖如圖2所示．

圖2 敏感負荷電壓耐受能力測試系統框圖

上述標準的提出為評價電器（電子）設備與電壓暫降、短時電壓中斷和電壓變化之間的電磁兼容水平提供了重要參考，指明了獲取負荷電壓耐受能力的一般性步驟.

3.1.2 實測研究

2005年，英國學者S.Z.Djokic等人[16]對連接在測試端的多臺PC機進行了測試，得出較為全面的PC機電壓耐受能力數據，這些測試結果反映了不同諧波成份與運行狀態下PC機的電壓耐受能力，通過對電壓暫降實際環境的模擬，得出了工程上較為可靠的結論，具有很好的推廣性.

2008年，一個由國際大電網組織、國際供電會議、國際電熱協會等國際性組織發起成立的研究小組通過分析實驗測試結果，對常見敏感負荷做了細致歸類[17]（表2），為敏感負荷電壓暫降敏感度的后續研究提供寶貴的參考資料.

表2 常見敏感負荷

3.2 仿真分析

文獻[18]重點研究了平衡及不平衡電壓暫降影響下三相ACASD的運行狀況，通過多次仿真試驗繪制出了該裝置的電壓耐受曲線.該方法的主要優點在于對電壓暫降特征量的選取可根據試驗需要任意設定，同時也便于對各類敏感負荷電壓耐受能力進行仿真測試.

4 負荷受電壓暫降影響的評估測度研究進展

4.1 基本概念

電壓暫降對敏感負荷造成影響是電力系統與用戶負荷之間電磁兼容問題的一種體現，屬敏感負荷電能質量敏感度的研究范疇[19]，它反映了當提供給負荷的電能質量不良時負荷能承受干擾仍正常工作的能力，這種承受能力還可用敏感負荷電壓耐受能力予以表征，該能力越低，其電壓暫降敏感度也就越高.一般用電壓暫降影響下敏感負荷的不同運行狀態[2,20]或負荷故障可能性[21,22]及故障概率[23-29]等方法作為其評估測度.

4.2 實測統計法

實測統計法以敏感負荷的工作狀態為考查對象，對敏感負荷電壓暫降敏感度作出定性評估[19-20].其顯著優點是評估結果可信性高，但卻存在工作量大、所需測試樣本多及試驗周期長、評估結果不具有預測性、無法推廣至工程應用等不足.

4.3 動態模型仿真法

采用動態模型仿真評估負荷電壓暫降敏感度的基本過程如圖3，該方法解決了實測統計法存在的諸多不足，文獻[2]提出敏感負荷電能質量敏感度測試系統概念，對其組成、用途、功能進行了定義和描述；以ACC為例，建立其數學模型，通過改變ACC線圈的輸入電壓的幅值及持續時間，對其進行了大量實驗，同時，通過仿真實驗還獲得了表征其電壓耐受能力的ITIC(Information Technology Industry Council，ITIC)曲線.但是，現有的研究仍處于起步階段，對敏感設備各關鍵部份進行建模仍需深入研究.圖3展現了負荷電壓降敏感度的評估過程．

圖3 負荷電壓暫降敏感度評估過程

4.4 模糊推理法

模糊推理法通過考慮設備運行狀態具有模糊性這一特點，將設備故障當作模糊事件，對電壓暫降影響下的敏感負荷工作狀態進行多值邏輯評估.

文獻[21]在分析敏感負荷電壓耐受能力及供電系統側電壓暫降強度的模糊性的基礎上，提出一種基于IF-THEN推理規則的模糊推理方法，用以評估敏感負荷電壓暫降敏感度，具體的模糊推理規則為：(1)如果電壓幅值正常，持續時間作用不計，那么設備運行正常；(2)如果電壓幅值低，持續時間非常短，那么設備可能故障；(3)如果電壓幅值非常低，持續時間長，那么設備將出現故障.

模糊推理法的優點是規則簡單、明晰，便于評估，該方法的主要不足之處在于未考慮設備電壓耐受能力的不確定性特性.

4.5 概率與數理統計法

概率與數理統計法將設備故障當作隨機事件，將其故障概率(或類似定量指標)作為敏感負荷電壓暫降敏感度的評估測度，其評估結果具有直觀、可預測性和易于比較的顯著優點，為國際上應用最為廣泛的評估測度.

文獻[22]提出一種簡單、快速的數理統計方法用以評估敏感負荷電壓暫降敏感度.作者采用幅值強度指數(Magnitude Severity Index,MSI)、持續時間強度指數(Duration Severity Index,DSI)、復合幅值時間強度指數(Combined Magnitude Duration Severity Index,MDSI)等一系列指數，分別表示電壓暫降事件的幅值強度、持續時間強度及其綜合強度；結合四種典型的敏感負荷電壓耐受能力，利用所提指數對其相關參數進行轉換；根據MSI和DSI所屬區間的不同，將敏感負荷受電壓暫降影響的決定性因素及最終結果(由MDSI表征，其值越大，受影響越嚴重)分為5個類別用以判定敏感負荷電壓暫降敏感度.

2006年，英國曼徹斯特大學電氣與電子工程學院J.V.Milanovic教授[23]基于概率與數理統計理論，首次提出敏感負荷電壓暫降敏感度的概率評估方法.作者根據不同的設備電壓耐受能力特性，分別假設其服從均勻、正態、指數、反指數分布，用相應的概率密度函數表征設備電壓耐受曲線在電壓幅值－持續時間平面上的不確定區域內的分布規律，直接根據設備電壓耐受曲線的概率密度函數評估設備電壓暫降敏感度.

我國學者亦在此基礎上對敏感負荷故障條件做了深入細致的分析，對敏感負荷電壓暫降敏感度計算式進行了詳細的修正，使其物理意義更為明確，提出了適用性強的敏感負荷電壓暫降敏感度評估新方法[24-25].

從實際應用來看，概率與數理統計法存在大量主觀假設，無法反映電壓暫降與敏感負荷電壓耐受能力兩者真實的數理統計規律.

4.6 多不確定性評估方法

2007年，文獻[26]根據國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)相關標準，分別用概率密度函數來模擬系統擾動水平和敏感負荷的抗擾動能力的隨機特性，運用常規可靠性理論構造了敏感負荷電壓暫降敏感度的概率評估方法.值得一提的是，文中首次考慮了電力系統側電壓暫降的隨機不確定性，為敏感負荷電壓暫降敏感度的后續研究提供了全新視角.

文獻[27]在前述研究成果基礎上，計及電壓暫降的隨機性和敏感負荷電壓耐受能力的模糊性，采用概率作為敏感負荷電壓暫降敏感度的評估測度；對電壓暫降影響下敏感負荷實際運行狀態進行分析，根據模糊安全事件隸屬函數的確定原理和方法，構建敏感負荷故障狀態的數學模型，提出了能同時反映各影響因素的負荷電壓暫降敏感度評估方法.

在綜合考慮電壓暫降影響下負荷失效事件發生和后果嚴重程度的復雜不確定性后，文獻[28]、[29]分別運用云模型、隨機熵、模糊熵、交叉熵度量刻畫相應的不確定性，建立了負荷電壓暫降敏感度的云模型及最大混合熵評估方法.

上述方法解決了敏感負荷運行狀態難以描述的問題，對系統側與負荷側的不確定性問題進行了深入研究，所提方法不需專家經驗或主觀假設，能客觀地反映實際情況.

5 結論與展望

敏感負荷接入點的電壓暫降嚴重程度、負荷的電壓耐受能力及其自身運行狀態均是影響其電壓暫降敏感度的重要因素，敏感負荷電壓暫降敏感度的評估涉及到大量不確定性信息的處理，不確定性數學理論成為處理這類問題的有效工具.本文僅對上述不確定性影響因素及負荷電壓降敏感度評估方法進行了初步介紹，對有關研究方法的優、缺點進行了簡要評析，其研究深度和廣度有待進一步拓展：

1）敏感負荷電壓耐受能力的時變特性分析與建模.

負荷本身在服役期間內，隨著使用年限的增加、工作環境等因素的影響，其故障率會發生一定的變化，在這一過程中，負荷的電壓耐受能力也必然會隨著其自身故障率的變化而發生改變，從而導致其電壓暫降敏感度也隨之發生變化.

2）提出合理的電壓暫降強度與敏感負荷電壓耐受能力綜合指標.

電壓暫降包含多種特征量，如電壓暫降幅值、持續時間、頻次、相位跳變、波形起始點、波形畸變率等.傳統評估方法通常對電壓暫降特征量進行簡化，僅取較為常見的幅值、持續時間、頻次等，導致各個特征量之間的聯系較少，未能形成一個統一的指標反映電壓暫降的嚴重程度.此外，敏感負荷電壓耐受能力作為影響其電壓暫降敏感度的內因，至今未能得到全面、合理的定義.現有的研究成果只考慮了敏感負荷對于電壓暫降幅值與持續時間的耐受能力，而對于其他電壓暫降特征量的耐受能力卻未進行深入研究.

3）基于不確定性理論，系統研究隨機性、模糊性、粗糙性、區間性等，建立統一、完備的負荷電壓暫降敏感度評估模型與方法.

[1]林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術,2001,25(10):5-12.

[2]趙劍鋒,王潯,潘詩鋒.用電設備電能質量敏感度測試系統研究[J].中國電機工程學報,2005,25(22):32-37.

[3]Bollen M H J.Understanding power quality problems:voltage sags and interruptions[M].Piscataway:Power Enginerring Press,2000.

[4]李娟娟.電網電壓驟降的分析評估及其抑制措施[D].福州:福州大學,2005.

[5]陳武,劉慧敏,陳賓.智能電網背景下電壓暫降監測裝置的最優布點方法[J].電力建設,2011,32(6):23-26.

[6]Wagner V E,Andreshak A A,Staniak JP.Power quality and factory automation[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1990,26(4):620-626.

[7]陳鵬良.基于GPRS的電壓暫降監測與分析系統研究[D].北京:華北電力大學,2007.

[8]Bollen M H J.Fastassessmentmethods for voltage sags in distribution system[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1996, 32(6):1480-1487.

[9]Qader M R,Bollen M H J.Stochastic prediction of voltage sags in a large transmission system[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1999,35(1):152-162.

[10]Martinez JA,Martin A J.Voltage sag studies in distribution networks:part I:System modeling[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(3):1670-1677.

[11]王賓,潘貞存,徐文遠.配電系統電壓跌落幅值估算分析[J].中國電機工程學報,2005,25(13):29-34.

[12]Espinosa-Juárez E,Hernández A.A method for voltage sag state estimation in power systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(4):2517-2526.

[13]Park C H,Jang G.Stochastic estimation of voltage sags in a large meshed network[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22 (3):1655-1664.

[14]IEC.IEC 61000-4-11,Electromagnetic compatibility(EMC)-Part 4:Testing and measuring techniques-Section 11:Voltage dips,short interruptions and voltage variations immunity tests[S]. Geneva:InternationalElectro TechnicalCommission,1994.

[15]IEEE.IEEE Standard 1346-1998,IEEE recommended practice for evaluating electric power system compatibility with electronic process equipment[S].New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.,1998.

[16]Djokic SZ,Desmet J,VanalmeG,etal.Sensitivity ofpersonal computers to voltage sags and short interruptions[J].IEEE Transactions on PowerDelivery,2005,20(1):375-383.

[17]Bollen M,McMichael I,Stephens M,et al.Cigre/cired/uie jwg c4. 110-voltage dip immunity of equipment in installations-status April 2008[C].Wollongong(Australia):13th International Conferenceon Harmonicsand Quality of Power,2008:1-8.

[18]Bollen M H J,Zhang L D.Analysis of voltage tolerance of AC adjustable-speed drives for three-phase balanced and unbalanced sags[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2000,36(3): 904-910.

[19]王成然.典型電氣設備對電壓暫降的敏感度問題研究[D].北京:華北電力大學,2004.

[20]Collins,E R,Zapardiel F.Experimental assessment of AC contactor behavior during voltage sags[C].Guimaraes(Portugal):IEEE International Symposium on IndustrialElectronics,1997:439-444.

[21]Bonatto BD,Niimura T,Dommel HW.A fuzzy logic application to represent load sensitivity to voltage sags[C].Athena(Greece):8th International Conference on Harmonics and Quality of Power,1998: 60-64.

[22]Chan JY,Milanovic JV.Severity indices for assessment of equip ment sensitivity to voltage sags and short interruptions[C].Tampa (United States):IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2007:1-7.

[23]Gupta CP,Milanovic JV.Probabilisticmethods for countingequipment trips due to voltage sags[C].Stockholm(Sweden):9th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems,2006:1-8.

[24]Xiao X Y,Liu X N,Yang H G.Stochastic estimation trip frequency of sensitive equipment due to voltage sag[C].Macao(China):IEEE Asia Pacific Conferenceon Circuitsand Systems,2008:364-367.

[25]歐陽森,石怡理,潘維,等.一種新的敏感負荷電壓暫降敏感度評估方法[J].華南理工大學學報:自然科學版,2013,41(8):9-14.

[26]Lu C N,Shen C C.Estimation of sensitive equipment disruptions due to voltage sags[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007, 22(2):1132-1137.

[27]肖先勇,陳武,楊洪耕.敏感設備電壓暫降故障水平多不確定性評估[J].中國電機工程學報,2010,30(10):36-42.

[28]孫曉璐,馬靜,李淵博,等.基于云模型的電壓暫降設備敏感度評估[J].電力系統保護與控制,2011,39(4):100-104.

[29]楊達,肖先勇,汪穎.計及失效事件和嚴重程度不確定性的設備電壓暫降失效率評估[J].電力自動化設備,2013,33(10):107-111.

【編校：王露】

Overview of Evaluation Measure System of Vo ltage Sag Im pact on Sensitive Load

CHENWu1,ZHOU Xueyi2,ZHAO Zhoufang3,CHEN Bin4
(1.Chengdu PowerSupply Bureau,Sichuan Electric PowerCorporation,Chengdu,Sichuan 610041,China;2.Sichuan Electric PowerCorporation Extra(Ultra)High VoltageOperation&Maintenance Company,Chengdu,Sichuan 610065,China; 3.Technical Skills Training Center,Sichuan Electric Power Corporation,Chengdu,Sichuan 611130,China;4.Yongzhou PowerSupply Bureau,Hunan Electric PowerCorporation,Yongzhou,Hunan 425900,China)

An accurate evaluation of the impactof voltage sag on sensitive load is notonly conducive for utilities to take reasonable power supply programs and improve customer satisfaction,but also helps to come up with feasibility program which can increase the voltage tolerance capability of sensitive load,and reduce their sensitivity to voltage sags.The assessment isalso beneficial to theutilitiesand customers in that itcan help them take reasonable solutionsof power supply and formulate corresponding voltage compensation strategies and programs according to the different characteristics of voltage sag soas tominimize the economic losses.The evaluationmethodsof load sensitivity to voltage sag are divided into statisticalmethod,dynamic modelmethod,fuzzy reasoningmethod,probability and mathematical statisticsmethod, multi-uncertaintymethod,advantages and disadvantages of these evaluationmethods are analyzed and compared in detail.Finally,this paper proposes thathow to use uncertainty theory to establish a unified sensitive load voltage sag sensitivity evaluationmodelandmethod which containsvarying voltage tolerance capability and the integrated index of voltage sag intensity and voltage tolerance capability are the focusof future research interest.

powerquality;voltage sag;sensitive load;evaluationmeasure

TM714

A

1671-5365(2014)12-0068-05

2014-07-18修回：2014-08-02

陳武（1984-），男，碩士，工程師，研究方向為電能質量分析與控制

時間：2014-08-22 15:23

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140822.1523.004.htm l