一種基于過程免疫時間的電壓暫降后果分級指標

林志超，羅步升，宋志堅

(廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000)

0 前言

典型敏感設備對電壓暫降的耐受能力，直接決定暫降期間的設備后果和用戶經濟損失。因此，準確合理和切合實際地刻畫敏感設備對電壓暫降的耐受能力，對于供用電雙方選擇敏感設備和制定電壓暫降治理方案都具有重要的意義。

為了刻畫典型敏感設備對電壓暫降的耐受能力，國內外對交流接觸器（AC contactor,ACC）、可調速驅動器（adjustable speed drive,ASD）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）、 計 算 機（personal computer, PC）等單個敏感設備進行了大量測試與研究，得到了對應的電壓耐受曲線（voltage tolerance curve，VTC），但從由敏感設備控制的生產過程的角度刻畫電壓暫降耐受能力的文獻較少。文獻[1-3]利用VTC刻畫了設備的電壓暫降耐受能力，其中，文獻[1]考慮了暫降特征量和典型暫降事件對4個主流廠家、相同型號的ACC進行了試驗，并通過VTC刻畫了其耐受能力。文獻[2]通過對5個PLC進行試驗，研究了暫降基本特征量和奇次諧波對PLC的影響。文獻[3]在矩形和非矩形的三相、兩相和單相電壓暫降對可調速驅動進行了試驗，得到了其VTC。但是敏感設備的暫時失效并不一定導致其控制的生產過程中斷，以及生產過程存在慣性和響應延時，以單個設備來刻畫遭受電壓暫降時的耐受能力可能存在過估計，所以應當考慮從敏感設備控制的整個生產過程或子過程來刻畫遭受電壓暫降時的耐受能力更加實際、可信和準確。

總體來說，現有文獻對電壓暫降耐受能力的研究與刻畫主要針對單個敏感設備，未能從敏感設備控制的實際生產過程出發。因此，本文提出了一種基于過程免疫時間（process immunity time，PIT）的電壓暫降耐受能力刻畫方法。將由敏感設備控制的生產環節視為敏感過程，并選取合適的物理參數，得到該過程遭不同電壓暫降時，物理參數隨時間變化的曲線；結合用戶的可接受閾值確定其過程免疫時間；同時對生產過程后果進行了劃分，通過PIT定義了相應的指標，從而實現定量地刻畫其耐受能力。通過在MATLAB/Simulink中對異步電機的變頻調速系統進行建模仿真分析，證明了所提方法的正確性和可行性。

1 電壓暫降耐受能力和刻畫方法

1.1 基于VTC的刻畫方法

在文獻[4]中利用VTC將設備暫降免疫力分為了A、B、C1、C2、D、E等6個等級進行刻畫；該種方法是通過不同等級下，免疫力區域的不同來對設備暫降耐受能力進行刻畫。在文獻[5]中提及了適用于信息技術工業的ITIC曲線以及適用于半導體行業的SEMI F47曲線來刻畫設備電壓暫降耐受能力，而這兩種曲線實質上是VTC。

對于傳統以VTC來刻畫敏感設備電壓暫降耐受能力的方法，國內外進行了大量的實驗研究，并證明了VTC具有不確定性區域。在考慮幅值和持續時間（Duration，D）等兩個基本特征時，對典型敏感設備（如ACC、PC、ASD）進行了大量測試，得到了工業界和學術界的廣泛認可的電壓暫降耐受能力，如表1所示。

該種刻畫方法通常只考慮幅值和持續時間，且僅僅從單個敏感設備的電氣狀態的角度出發對暫降耐受能力進行刻畫，未能從該敏感設備控制的生產子過程或全過程的整體角度出發，具有一定的局限性，不能更加切合實際地刻畫電壓暫降耐受能力。對于非矩形的VTC曲線則表示困難。

表1 典型敏感設備的電壓暫降耐受能力

1.2 基于過程免疫時間的刻畫方法

在實際的工業生產過程中，工業用戶對電壓暫降產生的影響最直接的感受是物理參數偏離了理想值，如溫度、轉速、壓力等；而敏感設備的短暫失效并不一定導致生產過程的中斷。故國際供電會議、國際大電網會議和國際電熱聯盟組成的C4.110工作小組在其研究報告中提出了PIT的概念[6]，用于刻畫敏感設備或生產過程的電壓暫降耐受能力，如圖1所示。

圖1 過程免疫時間曲線

其中，Pnom、Plimit分別是過程物理參數的正常運行值和可接受限值；t1為暫降開始時刻；Δt是該過程響應延時；t2是過程物理參數達到限值的時刻；PIT則為t2與t1的差值。

2 耐受能力等級劃分及后果分級指標

2.1 過程耐受能力等級劃分

為了更好地刻畫暫降對實際生產過程所造成的影響，將過程耐受能力等級進行劃分是十分重要的。從暫降對工業過程造成的后果可恢復程度來看，在文獻[7]中將實際的生產過程的可接受后果狀態分為完全正常、自動恢復、人工恢復等三個等級。從工業過程的狀態標準來看，文獻[8]中認為過程遭受暫降時，過程可能為正常、過渡、危險。從工業過程的功能性結果來看，文獻[9]中推薦的對受試設備（Equipment Under Test，EUT）試驗結果評定的分類為：

1）在制造廠商或委托方或用戶規定的技術規范限值內性能正常；

2）功能暫時喪失或性能暫時降低，但在騷擾停止后EUT能自行恢復，無需操作者干預；

3）功能暫時喪失或性能暫時降低，但需操作者干預才能恢復正常；

4）因硬件或軟件損壞或數據丟失而造成不能自行恢復至正常狀態的功能降低或喪失。

綜合考慮2.1節所述，本文將過程的暫降耐受能力分為“正常運行、自動恢復、人工恢復”三個等級，如圖2所示。該種等級劃分還考慮了過程參數的慣性作用，即電壓恢復過程中，過程參數通常不會立即恢復，會在慣性作用下繼續變化一段時間然后再恢復，更接近實際情況。

圖2 過程耐受能力等級劃分

其中：I1、I2、I3分別對應于正常運行、自動恢復、人工恢復。

2.2 后果分級指標

在文獻[10]中定義了電壓暫降嚴重程度指標，即幅值嚴重性指標、持續時間嚴重性指標兩者的綜合嚴重性指標。該指標對于規則的VTC曲線很實用，但對于非規則的VTC則難以量化。故本文提出了在不同暫降幅值和持續時間情況下，利用PIT刻畫生產過程電壓暫降耐受能力的指標。即：

式中：D為暫降持續時間；PIT為敏感設備控制的某生產過程的PIT值。

由式（1）可知，當δ的值越大，由該敏感設備控制的過程對暫降的耐受能力就越弱。

對于正常運行的指標邊界為：

其中，Δt為圖2中的過程響應延時。此時，刻畫其暫降耐受能力所對應的子區間為δ∈(0,δ1)；當δ越接近δ1，其耐受能力就越弱。

對于自動恢復的指標邊界為：

此時，刻畫其暫降耐受能力對應的子區間為δ∈ (δ1,δ2)；當δ越接近δ2，其耐受能力也就越弱。

對于人工恢復，刻畫其暫降耐受能力所對應的子區間為δ∈(δ2,+∞)；當δ越遠離δ2時，其耐受能也就越弱。

綜上所述，由敏感設備控制的工業過程遭受電壓暫降時，刻畫其電壓暫降耐受能力等級和對應的指標量化區間的關系如圖3所示。

圖3 等級和指標量化區間對應圖

3 仿真驗證

3.1 變頻器的機理

變頻器的典型結構原理如圖4所示，通常由三相整流模塊、中間直流環節、三相逆變模塊和控制回路四部分構成。接入變頻器的三相交流電源經三相不可控橋式整流電路轉變為直流電壓，并通過濾波電路將直流電壓變得平滑，再通過逆變器將直流電壓變為幅值和頻率可變的交流電，以向負載供能。控制回路通過運算電路對反饋信號和輸入信號進行處理，從而得到PWM脈沖以驅動逆變器，并提供保護作用。

圖4 ASD的典型結構

3.2 仿真模型及結果

在MATLAB/Simulink中對矢量控制的異步電機調速系統進行建模，如圖5所示。因所建立的變頻器模型為三相設備，故考慮不同的暫降類型對模型進行仿真。由于選擇的過程物理參數不同，刻畫暫降耐受能力的區間可能會有所差異，故本文選擇了兩個過程參數，利用本文所提的等級劃分和指標對變頻器遭受電壓暫降時的耐受能力進行刻畫。模型參數設置見表2。

圖5 仿真模型

表2 模型參數設置

在文獻[4]中，將三相電壓暫降分為I、II、III類電壓暫降，分別指單相跌落、兩相跌落和三相跌落的電壓暫降。本文考慮了暫降幅值、持續時間和暫降類型的變化對工業過程暫降后果的影響。

根據生產運行經驗，發生I類電壓暫降時，變頻器的運行狀態不會發生變化，因此主要對II、III類電壓暫降導致的后果狀態進行分析。選取直流側電壓和電機轉速兩個參數，對變頻器的工作特性及后果狀態進行評價。直流側電壓會在暫降期間下降，可能導致欠壓保護動作，工業過程中斷；電機轉速下降到不可接受范圍，可能導致生產環節出現殘次品，例如某卷紙企業的卷紙環節的卷紙速度和密度都由電機轉速控制，轉速下降會導致卷紙密度不足，出現次品，造成成本和工時的損失。

發生電壓暫降時，直流側電壓和電機轉速隨時間變化[11]，本文對這兩個過程參數分別進行分析和討論。在暫降跌落相為0.5 p.u.，正常相為1.0 p.u.條件下，進行仿真。如圖6所示，在II類暫降下，設定不同暫降持續時間，進行多次仿真，（a）中列出暫降持續時間為50、150、250、350、400 ms時的直流側電壓隨時間變化趨勢。未發生暫降時，直流側電壓工作在額定值（約445 V）附近，欠壓保護設置到345 V。以持續時間50 ms的暫降為例，電源在0.975 s時發生電壓暫降，暫降最初階段，直流側電壓能穩定在額定值附近，穩定時間約26.67 ms，之后直流側電壓出現大幅跌落，在1.025 s時暫降結束，此時直流側電壓約435 V，但是由于慣性，直流側電壓不會立即恢復，會持續下降，在1.052 s時直流側電壓開始恢復，直至恢復到額定值。當發生II類暫降時（跌落相為0.5 p.u.），該工業過程的PIT為382 ms。

圖6 II類電壓暫降時過程參數的變化情況

圖6（b）中列出暫降持續時間與圖6（a）對應時的電動機轉速隨時間變化的趨勢。未發生暫降時，電動機轉速工作在額定值（約120 rpm）附近，轉速可接受閾值為105 rpm。以持續時間150 ms的暫降為例，在電源在0.975s時發生電壓暫降，暫降最初階段，電動機轉速能穩定在額定值附近，穩定時間約39.17 ms，之后轉速出現大幅跌落，在1.125 s時暫降結束，此時轉速約為117 rpm，但是由于慣性，轉速不會立即恢復，會持續下降，在1.164 s時轉速開始恢復，直至超過額定值并在控制回路的作用下恢復到額定值。當發生III類暫降時（跌落相為 0.5 p.u.），該工業過程的 PIT 為 415 ms。

圖7 III類電壓暫降時過程參數變化情況

圖7所示為III類暫降下的直流側電壓和電動機轉速隨時間變化的情況，詳細分析與II類暫降下的參數變化分析類似，此處不贅述。

表3 選擇直流側電壓刻畫耐受能力

表4 選擇轉速刻畫耐受能力

表3和表4為分別采用直流側電壓和電動機轉速時的后果分級指標及其區間范圍。該項指標的提出，利用了PIT的概念，將電壓暫降的幅值、持續時間等電源側因素，與過程工程師們熟悉的、有過程參數監測數據支撐的工業過程后果狀態聯系起來。利用該項指標，能夠通過電壓暫降的幅值和持續時間，對工業過程的后果狀態進行直觀的判斷和評價。為工業用戶進行敏感設備選型和電壓暫降治理工作提供了依據。

4 結束語

本文利用PIT將過程的暫降耐受能力分為“正常運行、自動恢復、人工恢復”三個等級，并提出了后果分級指標，利用其刻畫電壓暫降的耐受能力。使用MATLAB/Simulink對變頻器帶電機負載系統進行建模驗證，得到了利用后果分級指標對電壓暫降耐受能力刻畫的區間范圍。結果表明利用該種指標對電壓暫降的耐受能力進行刻畫，簡潔、直觀，實用性強。同時從生產過程可監測的物理參數的角度考慮，可信度高。