海南電網電壓暫降監測數據特征分析

方 銘，李天楚

(1.海南電網有限責任公司電力科學研究院，海南 海口 570311； 2.海南省電網理化分析重點實驗室，海南 海口 570311)

0 引 言

海南自由貿易港建設總體方案的實施，必然帶基動大量高精尖工業用戶的投資入駐，供電質量是發展重要保障。微機、計算機、芯片、機器人等高端制造業以及自動化智能技術等高新產業對電壓暫降非常敏感，可能造成工業過程中斷導致用戶產生巨大的經濟損失[1-3]。以海南電網近三年來的監測數據為基礎，分析海南電網電壓暫降特征，是科學解決電壓暫降問題的前提。

電壓暫降被定義為電壓幅值在某一時刻開始減小，經過一定時間恢復到標稱電壓的暫態現象。國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)將電壓暫降事件定義為電壓有效值下降到正常工作電壓的1%～90%，持續時間為0.01 s～1 min的暫態現象[4]。電壓暫降是電力系統正常運行不可避免的電能質量現象，主要由電網短路故障、變壓器激磁和大電機啟動等原因造成，導致工業用戶敏感設備跳停，用戶抱怨嚴重。電壓暫降有幅值、持續時間、相位跳變、波形點等一系列單次事件特征。各特征偏離正常值，導致敏感設備不能在額定參數范圍內正常工作，進而發生設備跳停事故[5]。治理各地區電壓暫降現象，需要從數據源入手展開分析。

現有研究圍繞電壓暫降發生、危害等方面展開[6-7]。文獻[8-9]從統計描述的角度對暫降特征量進行了深度分析。CIGRE C4.110工作組對不同暫降源導致的電壓暫降波形進行了詳細劃分[10]，從波形特點映射出暫降原因，有助于對敏感用戶進行后果評價及責任劃分[11-12]。基于幅值和持續時間的電壓暫降耐受曲線(voltage tolerance curve，VTC)，是刻畫敏感電壓暫降設備耐受能力的主要手段。文獻[13-15]在進行敏感設備耐受能力測試時，考慮了相位跳變的影響，設置不同相位跳變參數進行耐受試驗，研究其對敏感設備的影響程度。電壓暫降類型以三相電壓幅值和相位進行刻畫，不同類型具有不同的幅值和相位特征，對敏感用戶的影響也不同。文獻[16]在進行敏感設備耐受力測試時，也考慮了暫降類型。對暫降特征量進行統計分析，有助于揭示暫降原因，了解地區暫降水平，為暫降治理及預防提供基本依據。

下面采用數據統計分析的思想，考慮幅值、持續時間、相位跳變和暫降類型4個特征量，對海南電網5個主要城市的電壓暫降監測數據進行特征計算和分析，揭示了各地區導致暫降的主要原因及其比例，以及暫降幅值和持續時間的分布情況。通過對相位跳變的統計分析，預測了該地區敏感設備受相位跳變影響情況；最后，計算和分析了各地區暫降類型情況，為電網側和用戶側的電壓暫降治理提供技術依據。

1 電壓暫降監測數據概況

目前，中國主流監測裝置的暫降觸發算法統一采用IEC 61000-4-30的標準[4]，記錄的波形包括了暫降開始前5個周期和暫降結束后5個周期。篩除電壓中斷、噪聲干擾較大、波形紊亂的數據，所采用的電壓暫降監測數據共2786條，來源于2018年1月16日至2020年3月30日海南省三亞供電局、海口供電局、文昌供電局、瓊海供電局和儋州供電局共5個地市局所屬的17個變電站監測平臺，包含110 kV和220 kV兩個電壓等級。

經統計，5個城市分別記錄到685次、858次、332次、234次、677次電壓暫降；兩個電壓等級分別監測到729次和2057次電壓暫降。基于已有監測數據，對該地區電壓暫降幅值、持續時間、相位跳變、電壓暫降類型等特征量進行分析，探明海南地區近兩年的電能質量擾動狀態，為電壓暫降治理及預防提供關鍵決策依據。

2 基于實測數據的電壓暫降源分析

2.1 電壓暫降原因

造成電壓暫降的原因包括短路故障、變壓器激磁、大電動機啟動等；如果在非有效接地系統發生短路故障，導致電壓暫降的同時，還會發生電壓暫升。不同電壓暫降源導致的電壓暫降波形不同，根據波形特征可推測某地區電壓暫降的主要原因，為暫降治理提供相關信息。

1)以三亞供電局監測平臺某條監測數據為例，三相電壓有效值波形呈矩形，如圖1所示。黑色、藍色和紅色曲線分別表示A、B、C相電壓有效值。本次暫降事件的B相電壓幅值在1個周期的時間內從額定電壓瞬間跌落至1.5 kV左右，并持續約53個周期，再恢復為額定電壓。而A、C相電壓沒有發生跌落，可以判斷此次暫降事件是由單相(B相)接地故障造成。

圖1 短路故障的電壓波形

2)變壓器投切是電網公司運行方式改變、設備檢修等不可避免的生產安排。當某臺變壓器投入時，產生較大勵磁電流，導致臨近的正常供電母線發生電壓暫降，其有效值波形示例如圖2所示。當變壓器投運時，瞬間汲取大電流，導致電壓突然跌落，而后隨著電流的緩慢衰減，電壓逐漸恢復。變壓器激磁導致的電壓暫降嚴重程度低于絕大多數的短路故障造成的后果，電壓有效值跌落一般不會低于80%，基本不會導致變頻器、中控電腦等敏感設備跳停。

圖2 變壓器的激磁波形

3)用戶的大型感應電動機在啟動的時候，電動機汲取大電流，轉子轉速從0升速至額定值，整個升速過程約持續十幾秒至幾十秒，感應電動機所接母線的電壓會在電動機啟動瞬間有大幅的跌落。隨著轉子轉速提升，電壓緩慢恢復至額定值或接近額定值，恢復過程較為平緩，三相電壓有效值的幅值基本相同。如圖3所示為大型感應電動機啟動導致的電壓暫降，明顯可見陡峭的發生過程和較平緩的恢復過程。

圖3 大型感應電動機啟動導致的電壓暫降波形

4)非有效接地系統中發生短路故障時，非故障相發生電壓暫升現象。實際工程中往往直接稱伴隨暫升的暫降現象為電壓暫升，一般默認電壓暫升發生時，必定有一相或兩相發生暫降。某實測電壓暫升波形如圖4所示。C相電壓幅值在第6個周期時上升至大約1.1 pu，B相電壓上升至1.03 pu，而A相電壓跌落至0.87 pu，推測該事件是由較遠端發生A相接地故障導致。

圖4 電壓暫降期間伴隨暫升的波形

2.2 實測數據統計

剔除較混亂、不易判別暫降原因的波形，分不同供區對海南電網實測的2455條電壓暫降監測數據進行分析，結果如表1所示。統計短路故障時沒有考慮電壓暫升，將電壓暫升進行單獨劃分。變壓器激磁和電動機啟動造成的暫降事件較多，占78%以上。因為監測點主要安裝在110 kV、220 kV變電站，系統接地方式多為有效接地，故記錄的電壓暫升事件非常少。供電局需要重點關注變壓器激磁和電機啟動造成的暫降及其影響。

表1 不同電壓暫降特征頻次統計 單位：次

3 電壓暫降特征量計算與分析

電壓暫降特征量是多維度刻畫暫降事件的物理量，包括幅值、持續時間、相位跳變、暫降類型、暫降頻次等。對海南電網電壓暫降監測數據進行特征量計算和分析，明確近幾年海南電網的電壓暫降信息，為后續暫降事件評估和治理決策提供有力的數據支撐。

3.1 幅值和持續時間計算與分析

監測到的暫降數據為三相瞬時電壓，根據監測終端的品牌、型號和設置的不同，實測數據每周期的采樣率包括128點、256點和512點3種。應用式(1)計算各相電壓有效值，三相波形最低的電壓幅值即為該事件的暫降幅值。

(1)

式中：N為每周期的采樣點數；V(i)為采樣的瞬時電壓。

2786組數據的電壓等級包括110 kV和220 kV，本節將電壓幅值區間[0，0.9]分為9個子區間，并考慮幅值大于1.1 pu的電壓暫升，分不同電壓等級對三相電壓幅值進行統計分析，結果見表2。110 kV和220 kV電網各相暫降幅值分布規律大致相同，超過70%的暫降事件的幅值高于0.7 pu。一般來講，幅值高于0.8 pu時，不會對敏感負荷造成影響；但是，某些低壓脫扣器、變頻器的保護設置在0.7～0.8 pu，所以這個區間的電壓暫降需要重點關注。低于0.7 pu的電壓暫降一般都會導致敏感設備跳停，需要重點關注敏感負荷接入處低于0.7 pu的暫降頻次，研究針對性的治理方案。110 kV電網發生電壓暫升的頻次非常少，基本上都集中在220 kV電網，需要進一步明確具體的變電站及發生原因。

表2 電壓暫降幅值分區間的暫降頻次統計 單位：次

實測數據中，暫降持續時間最長為54 s，最短為0.01 s，將[0.01，60] s分為6個區間，統計各區間的暫降事件數量，見表3。

從表3可知，兩個電壓等級的絕大多數暫降持續時間都集中在0.01～0.10 s的時間范圍內，超過0.50 s的暫降發生次數較少，這與電力公司的保護裝置動作時間設置有關，一般越高電壓等級的電網，保護動作就越迅速。快速切除故障從而減小暫降持續時間，是降低電壓暫降危害的一種直接方式。

表3 電壓暫降持續時間分區間的暫降頻次統計

對2786組監測數據分不同幅值和持續時間區間進行統計，結果如圖5所示。很明顯，暫降幅值越高，持續時間越短，暫降頻次越密集，且絕大多數暫降幅值介于0.8～0.9 pu，持續時間介于0.01～0.1 s，這些暫降都不會對敏感工業用戶造成影響。需要關注的是幅值較低、持續時間較長的電壓暫降事件。

圖5 不同幅值和持續時間的電壓暫降頻次實際統計

3.2 相位跳變計算與分析

理想情況下，以A相相位為參考量，A、B、C三相電壓相位分別為0°、-120°、120°，當發生電壓暫降時，往往伴隨著不同程度的相位跳變[17]。電壓暫降期間相位跳變產生的根本原因是公共連接點到故障位置之間的饋線阻抗與系統阻抗比不同。根據經驗，電力系統相位跳變值一般在[-10°，60°]的范圍內，極個別暫降波形的相位跳變值可能超過該范圍。

暫降期間相角的變化可能導致某些受角度控制的設備發生誤動，如變流器、逆變器等[18-19]；對其他類型的敏感設備，沒有重大的影響。明確某區域電壓暫降時相位跳變的范圍，是治理電壓暫降影響和危害的重要信息。

暫降期間的相位跳變存在一定波動，這里計算暫降期間三相相位跳變的絕對值最大值[20]。將相位跳變范圍[-30°，70°]分為8個子區間，統計每相電壓波形相位跳變情況，如表4所示。可見，各相的相位跳變值基本上都集中在[-10°，10°]的區間內，占90%以上，并呈現出相位跳變越大，樣本數量越少的規律。如果該地區敏感設備的相位跳變耐受范圍在[-10°，10°]時，便可以躲過絕大多數因相位跳變而導致設備故障的暫降事件。

表4 電壓暫降相位跳變值分區間頻次統計

3.3 暫降/暫升類型計算與分析

電壓暫降/暫升因其跌落、升高相不同，有不同的分類方法，采用文獻[21]提出的包含A、C、D、H、I的分類方法。該方法將電壓暫降/暫升分為三相對稱暫降、兩相暫降、單相暫降、兩相暫升、單相暫升，其三相電壓矢量圖如圖6所示。

圖6 電壓暫降/暫升類型

電壓暫降/暫升的類型是進行電網側和用戶側電能質量治理的關鍵信息。電壓暫降和暫升類型與短路故障類型密切相關，例如，A類型暫降由三相對稱短路故障造成，C類型暫降由相間短路故障造成，非有效接地系統中，非故障相電壓發生暫升。開展電壓暫降和暫升類型計算和分析，不僅有助于明確該地區短路故障情況，有針對性制定暫降預防及治理決策方案，還能為用戶側電壓暫降治理提供信息。在用戶側，主要采用動態電壓恢復器、不間斷電源等補償措施進行電壓暫降治理，明確暫降類型，有助于敏感用戶配置補償裝置的容量和相關技術參數。例如，當接入點的大多數暫降是B類或者D類時，說明有兩相電壓未發生明顯跌落，補償容量可考慮按被補償設備容量的三分之一或更小來進行設計。

由于電壓暫降類型是基于短路故障進行刻畫，本次分析不包括由變壓器激磁、電動機啟動等非短路故障導致的實測電壓暫降數據。應用文獻[21]提出的歐式距離法計算電壓暫降和暫升類型，分不同地區對528組短路故障數據進行類型計算與分析，結果如表5所示。

表5 電壓暫降和暫升類型統計

由表5可知：各城市發生的D型暫降頻次最高，共計占60%，表明該地區單相接地故障發生概率最大；三相對稱故障導致的A型暫降最少，僅占3.79%。這一結果符合短路故障的基本特性。相比之下，海口供電局發生的電壓暫升頻次較高，需要排查相關原因。雖然A類型的三相對稱暫降發生頻次低，但是由于其危害嚴重，電力公司應加強線路運行維護，降低三相短路的故障率。

4 結 論

依托海南電網電能質量監測平臺在5個城市的電壓暫降監測數據，對其波形特征進行統計分析，同時從電壓暫降特征量中的幅值、持續時間和相位跳變、暫降類型幾個方面進行特征計算與分析，得到以下結論：

1)接短路故障、電動機啟動、變壓器激磁和電壓暫升進行暫降源分析，各城市由變壓器激磁和電動機啟動導致的暫降事件最多，共占樣本數量的78%左右，而短路故障和電壓暫升事件較少。建議電力公司重點關注大電動機用戶的開機方式、調度合理安排變壓器投入的作業時間和頻次等。

2)按不同電壓暫降幅值和持續時間進行分析，70%的實測數據幅值大于0.7 pu，持續時間在[0.01，0.1]s的數據大約占90%，幅值越小持續時間越長，樣本數量呈遞減趨勢。

3)相位跳變在[-10°,10°]范圍內的樣本數據大約占90%，處于大多數敏感設備的耐受范圍，可推測該地區受暫降相位跳變影響，發生設備跳停的事故較少。

4)計算和分析528組短路故障導致的暫降類型，結果表明D型暫降頻次最高，推測各地區單相接地故障發生頻繁，相間故障導致的C型暫降次之。