配电系统电压跌落问题的分析
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１ 电动 发电机组 由于转子的转动惯量
较大 在一定程度上可以克服瞬间电压降的影响
２ 飞轮蓄能系统 可以在较大范围内克服
电源质量问题对负荷的影响
３ 不间断电源 ＵＰＳ 将交流电整流后储
存在蓄电池或其他存储介质中 然后再通过逆变器
把直流变成交流向负荷供电 其基本结构如图 3 所
示 此外 还有动态跌落恢复器 DySC 统一电
2 电压跌落问题的本质及研究现状
电压跌落问题存在已久 但是真正对其有认 识 也就是近几年的事情 因此到目前为止还没有 统一的国际标准 其相关标准主要有 国际电气与 电子工程师协会 １３４６ 标准 ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １３４６－１９９８ 和欧洲的 ＥＮ５０１６０ 标准等 我国至今还无相关标准
一般来讲 电压短时中断 的定义为完全丧 失电力供应 持续时间至少为 １．５ 个工频周期 如 图 １ 电压跌落 的定义为供电电压有效值快速下 降到额定值的 ９０％~￣１０％ 持续时间为 １０ ｍｓ~￣１ ｍｉｎ
配电系统电压跌落传播过程分析主要包括两 方面内容
１ 变压器运行方式对电压跌落传播的影响 输电系统故障引起的电压跌落将会通过变压 器耦合到配电系统 因此运用变压器建模方法及故 障分析方法等 详细分析不同故障类型和不同变压 器接线方式下的电压跌落的传播特性 将有助于进 一步认识电压跌落的传播过程 目前国外在这方面已经做了大量研究［７，８］ 国内 的研究刚起步 但是我国的配电系统运行方式与国 外的运行方式有较大差别 因此结合我国配电系统 的实际运行方式 掌握变压器在电压跌落传播过程 中的作用 将是国内研究的方向
Electric Co. Ltd Zibo 255031, Shandong Province, China
ABSTRACT: Based on the detailed analysis of the cause, related standards, damage, yardstick and controlling measures of the voltage sag in distribution system, the present research situation and trend in this field is described. Besides, a new research topic, i.e., the analysis of voltage sags in distribution system and its control strategy, is proposed. It is pointed out that the network reconfiguration, in which the optimization of voltage sags for some section in distribution system is taken for the objective function, will be the inexorable trend in the development of substation automation. The relevant contents and its difficulties of the proposed research topic are analyzed in detail.
能质量补偿器 UPQC 和恒压变压器 CVT 等 现代电力电子装置[6]
万方数据
58
Power System Technology
Vol. 28 No. 2
供电系统
静态 开关
监测与 控制系统
重要用户
逆变 系统
充电 系统
能量存储系统 (电池 飞 轮 超导介质 电容器等)
图 3 电压跌落补偿系统基本结构图 Fig. 3 Structure of voltage sags compensation system
∑ SARFI x =
Ni NT
(1)
式中 Ni 为对于第 ｉ 次测量过程中 研究区域内
电压有效值低于阈值电压 ｘ 的用户数 NT 为研究
区域内的用户总数
此外 实际应用中还有在SARFIx基础上派生出 来的SIARFIx SMARFIx和STARFIx等系数
实际系统中 危害性较大的电压跌落主要是由
损失 在系统侧降低电压跌落危害程度的相关措施
主要与继电保护设置和网络结构有关[4,5] 比如
１ 增加继电保护的动作速度
２ 采用故障限流器 以降低故障电流
３ 增设线路中的自动开关
４ 采用不同来源的双支路结构供电
５ 修改馈线布局结构
在用户侧减少电压跌落危害的最佳的也是最
简单的方法是提高设备对暂态电压跌落的承受力
Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ 以及其他的一些 大公司普遍采用的有 ＩＴＩ （ＣＢＥＭＡ）曲线 ＳＥＭＩ Ｆ４７ 曲线等
图 2 ITI CBEMA 曲线统计图 Fig. 2 Statistical diagram of ITI CBEMA curve
表征电压跌落的特征量主要为有效值偏移及 电压跌落持续时间 因此衡量电压跌落的指标主要 采用ＳＡＲＦＩ 指数 System Average RMS Variation Frequency Index 它有两种形式 一种是针对某一 阈值电压ｘ的统计指数SARFIx 另一种是针对某一 设备的敏感曲线的统计指数 SARFI curve SARFI curve 指数主要统计电压有效值低于相应 的设备敏感曲线的概率 不同的敏感曲线对应不同 的ＳＡＲＦＩ指数 比如SARFI SEMI SARFI ITIC 等 SARFIx指数主要统计电压有效值低于阈值电压 ｘ的概率 如
第 28 卷 第 2 期 2004 年 1 月
文章编号 1000-3673 2004 02-0056-04
电网技术 Power System Technology
中图分类号 TM60; TM727
文献标识码 A
Vol. 28 No. 2 Jan. 2004
配电系统电压跌落问题的分析
王 宾 1 潘贞存 1 徐丙垠 2
上述几种装置中 ＵＰＳ 的应用较多 其他技术 在国外也有应用案例 国内相关的研究也在积极进 行
3 配电系统电压跌落的现象分析与控制策 略研究
3.1 配电系统电压跌落起因分析 电压跌落问题同时存在于输电系统与配电系
统 输电系统可靠性较高 发生故障的概率较低 即使输电系统发生故障 引起的电压跌落也主要是 影响配电系统中的用户 大部分的电能质量问题存 在于配电系统 因此研究分析配电系统中的电压跌 落问题更有实际意义
然而这与设备制造商密切相关 相关的标准 指标
至今还没有规范化 而且不同设备对不同的电压跌
落所表现出的承受特性也不同 因此尽快协调电力
系统 设备制造商以及用户对电压跌落相关标准的
认识是非常重要和急迫的工作
此外 在用户侧利用机械器件的转动惯性及大
功率现代电力电子器件的快速投切特性 为治理电
压跌落提供了新的途径 如
配电系统中的电压跌落问题 既可由用户侧解 决也可由系统侧解决 目前 在用户侧主要采取的 措施是安装不间断电源（ＵＰＳ） 避雷器和静止无功 补偿器等 但分析和实践表明 这类措施由于用户 很多 总的投资和损耗将很大 而且电能质量的改 善也有限 因而在系统侧 即供电方 统一解决为 最好
电压跌落主要由系统短路故障 变压器充电 电容器组的投切 大容量感应电动机的起动和系统 自动装置动作等原因造成 一般来讲 大负荷投切 感应电动机启动等引起的电压跌落幅值较小 持续 时间较长 一般不会带来较大的事故和损失 实际 系统中 危害性较大的电压跌落主要是由系统短路 故障引起的 其传播距离远 跌落幅值大 然而这 种描述仅是一种定性的分析 没有量化的概念
KEY WORDS: Power quality PQ Voltage sag Network reconfiguration Network optimization Distribution system
摘要 在分析电压跌落问题的起因 相关标准 危害 衡量 指标以及治理措施的基础上 介绍了目前相关技术的研究状 况 提出了配电系统电压跌落现象分析以及控制策略的研究 方向 指出了以配电系统某一区域电压跌落安全最优为目标 函数的网络重构问题 将是配电系统自动化发展的必然趋 势 文中详细分析了此研究方向的相关内容及技术难点
比如 １９９８ 年香港由于暂态电能质量问题 引 起 ５００ 套自动扶梯瞬时停止 造成多名顾客受伤 社会影响很坏 暂态电能质量问题中的电压跌落
如凹陷 骤降 问题由于其发生的可能性远大于 电压中断 即使几百 km 以外的故障也有可能引起 本地的电压跌落 因此在工业化国家 电压跌落已 上升为最重要的电能质量问题之一 在国际上受到 特别关注[1~3]
以前 由于谐波 电压和频率波动等问题引发 的事故不断 给系统的安全运行带来了巨大的隐患 和影响 因而国内外的电力工作者对于稳态电能质 量问题已经有了足够的重视
随着现代电力工业的快速发展和系统中用电 负荷结构的重大变化 暂态电能质量问题引发的事 故越来越多 它有可能引起计算机系统紊乱 若电 压幅值下降大于 10% 持续时间超过 0.1 s 调速 设备跳闸 若电压幅值下降大于 15% 持续时间为 半个工频周期 以及机电设备误动作等 从而导致 较大的工业损失和人身事故
因此选取 建立相关的负荷模型 如典型电动 机模型 整流器模型 和系统模型 如变压器模型 线路模型等 仿真各种类型的电压跌落事故 如 对各种故障类型 不同的故障地点 不同的电压等 级引起的故障电压跌落以及电动机启动 变压器充 电等问题引起的电压跌落现象 量化分析它们之间
的联系与区别 将对电压跌落监测数据的分析辨 识 负荷敏感曲线的测试以及电压跌落事故起因分 析等方面都会有很大帮助 3.2 配电系统电压跌落传播过程分析
万方数据
第 28 卷 第 2 期
电网技术
57
如果持续时间超过 １ ｍｉｎ 则认为是 电压偏低
图 1 电压跌落示意图 Fig. 1 Diagram of voltage sag
电压跌落的危害程度与设备的敏感程度密切 相关 不同的设备对同一电压跌落的感受度是不同 的 因此世界上不同的设备制造商联盟制定了不同 的 敏 感 曲 线 比 如 ＳＥＭＩ Ｆ４７ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 半导 体 设 备 制 造 商 国 际 组 织 ＩＴＩ （ＣＢＥＭＡ） Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 信息技术工 业 协 会 以 及 ＦＩＰＳ Ｆｅｄｅｒａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｐｕｂｌｉｃａ－ｔｉｏｎ 联邦信息 处理标准出版物 等 图 ２ 即为 ＩＴＩ 曲线图 当分 析电压跌落的危害时 对于不同的设备或负荷 应 当采用不同的敏感曲线 目前 ＩＥＥＥ 美国商务部
1 山东大学电气工程学院 山东省 济南市 250061 2 科汇电气有限公司 山东省 淄博市 255031
ANALYSIS OF VOLTAGE SAGS IN DISTRIBUTION SYSTEM
WANG Bin1 PAN Zhen-cun1 XU Bing-yin2 1. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China; 2. Kehui
系统短路故障引起的 它的传播距离远 跌落幅值
大 输电线路短路故障将会影响相关配电系统的电
压质量 即使是配电系统的短路故障也会引起相邻
馈线的电压跌落 因此 一方面采取措施降低系统
短路故障的发生率 以减少发生电压跌落 另一方
面在短路故障发生后 合理地控制短路电流的大小
及持续时间 这样也会大大减少因电压跌落造成的
关键词 电能质量 电压跌落 网络重构 网络优化 配电
系统
1 引言
电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主 要可分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题 两大类 稳态电能质量问题以波形畸变为特征 主 要包括谐波 间谐波 噪声和频率波动等 暂态电 能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征 可分为脉冲暂态和振荡暂态两类 主要包括电压跌 落 电压骤升 短时断电和电容器充电暂态等
１ 电动 发电机组 由于转子的转动惯量
较大 在一定程度上可以克服瞬间电压降的影响
２ 飞轮蓄能系统 可以在较大范围内克服
电源质量问题对负荷的影响
３ 不间断电源 ＵＰＳ 将交流电整流后储
存在蓄电池或其他存储介质中 然后再通过逆变器
把直流变成交流向负荷供电 其基本结构如图 3 所
示 此外 还有动态跌落恢复器 DySC 统一电
2 电压跌落问题的本质及研究现状
电压跌落问题存在已久 但是真正对其有认 识 也就是近几年的事情 因此到目前为止还没有 统一的国际标准 其相关标准主要有 国际电气与 电子工程师协会 １３４６ 标准 ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １３４６－１９９８ 和欧洲的 ＥＮ５０１６０ 标准等 我国至今还无相关标准
一般来讲 电压短时中断 的定义为完全丧 失电力供应 持续时间至少为 １．５ 个工频周期 如 图 １ 电压跌落 的定义为供电电压有效值快速下 降到额定值的 ９０％~￣１０％ 持续时间为 １０ ｍｓ~￣１ ｍｉｎ
配电系统电压跌落传播过程分析主要包括两 方面内容
１ 变压器运行方式对电压跌落传播的影响 输电系统故障引起的电压跌落将会通过变压 器耦合到配电系统 因此运用变压器建模方法及故 障分析方法等 详细分析不同故障类型和不同变压 器接线方式下的电压跌落的传播特性 将有助于进 一步认识电压跌落的传播过程 目前国外在这方面已经做了大量研究［７，８］ 国内 的研究刚起步 但是我国的配电系统运行方式与国 外的运行方式有较大差别 因此结合我国配电系统 的实际运行方式 掌握变压器在电压跌落传播过程 中的作用 将是国内研究的方向
Electric Co. Ltd Zibo 255031, Shandong Province, China
ABSTRACT: Based on the detailed analysis of the cause, related standards, damage, yardstick and controlling measures of the voltage sag in distribution system, the present research situation and trend in this field is described. Besides, a new research topic, i.e., the analysis of voltage sags in distribution system and its control strategy, is proposed. It is pointed out that the network reconfiguration, in which the optimization of voltage sags for some section in distribution system is taken for the objective function, will be the inexorable trend in the development of substation automation. The relevant contents and its difficulties of the proposed research topic are analyzed in detail.
能质量补偿器 UPQC 和恒压变压器 CVT 等 现代电力电子装置[6]
万方数据
58
Power System Technology
Vol. 28 No. 2
供电系统
静态 开关
监测与 控制系统
重要用户
逆变 系统
充电 系统
能量存储系统 (电池 飞 轮 超导介质 电容器等)
图 3 电压跌落补偿系统基本结构图 Fig. 3 Structure of voltage sags compensation system
∑ SARFI x =
Ni NT
(1)
式中 Ni 为对于第 ｉ 次测量过程中 研究区域内
电压有效值低于阈值电压 ｘ 的用户数 NT 为研究
区域内的用户总数
此外 实际应用中还有在SARFIx基础上派生出 来的SIARFIx SMARFIx和STARFIx等系数
实际系统中 危害性较大的电压跌落主要是由
损失 在系统侧降低电压跌落危害程度的相关措施
主要与继电保护设置和网络结构有关[4,5] 比如
１ 增加继电保护的动作速度
２ 采用故障限流器 以降低故障电流
３ 增设线路中的自动开关
４ 采用不同来源的双支路结构供电
５ 修改馈线布局结构
在用户侧减少电压跌落危害的最佳的也是最
简单的方法是提高设备对暂态电压跌落的承受力
Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ 以及其他的一些 大公司普遍采用的有 ＩＴＩ （ＣＢＥＭＡ）曲线 ＳＥＭＩ Ｆ４７ 曲线等
图 2 ITI CBEMA 曲线统计图 Fig. 2 Statistical diagram of ITI CBEMA curve
表征电压跌落的特征量主要为有效值偏移及 电压跌落持续时间 因此衡量电压跌落的指标主要 采用ＳＡＲＦＩ 指数 System Average RMS Variation Frequency Index 它有两种形式 一种是针对某一 阈值电压ｘ的统计指数SARFIx 另一种是针对某一 设备的敏感曲线的统计指数 SARFI curve SARFI curve 指数主要统计电压有效值低于相应 的设备敏感曲线的概率 不同的敏感曲线对应不同 的ＳＡＲＦＩ指数 比如SARFI SEMI SARFI ITIC 等 SARFIx指数主要统计电压有效值低于阈值电压 ｘ的概率 如
第 28 卷 第 2 期 2004 年 1 月
文章编号 1000-3673 2004 02-0056-04
电网技术 Power System Technology
中图分类号 TM60; TM727
文献标识码 A
Vol. 28 No. 2 Jan. 2004
配电系统电压跌落问题的分析
王 宾 1 潘贞存 1 徐丙垠 2
上述几种装置中 ＵＰＳ 的应用较多 其他技术 在国外也有应用案例 国内相关的研究也在积极进 行
3 配电系统电压跌落的现象分析与控制策 略研究
3.1 配电系统电压跌落起因分析 电压跌落问题同时存在于输电系统与配电系
统 输电系统可靠性较高 发生故障的概率较低 即使输电系统发生故障 引起的电压跌落也主要是 影响配电系统中的用户 大部分的电能质量问题存 在于配电系统 因此研究分析配电系统中的电压跌 落问题更有实际意义
然而这与设备制造商密切相关 相关的标准 指标
至今还没有规范化 而且不同设备对不同的电压跌
落所表现出的承受特性也不同 因此尽快协调电力
系统 设备制造商以及用户对电压跌落相关标准的
认识是非常重要和急迫的工作
此外 在用户侧利用机械器件的转动惯性及大
功率现代电力电子器件的快速投切特性 为治理电
压跌落提供了新的途径 如
配电系统中的电压跌落问题 既可由用户侧解 决也可由系统侧解决 目前 在用户侧主要采取的 措施是安装不间断电源（ＵＰＳ） 避雷器和静止无功 补偿器等 但分析和实践表明 这类措施由于用户 很多 总的投资和损耗将很大 而且电能质量的改 善也有限 因而在系统侧 即供电方 统一解决为 最好
电压跌落主要由系统短路故障 变压器充电 电容器组的投切 大容量感应电动机的起动和系统 自动装置动作等原因造成 一般来讲 大负荷投切 感应电动机启动等引起的电压跌落幅值较小 持续 时间较长 一般不会带来较大的事故和损失 实际 系统中 危害性较大的电压跌落主要是由系统短路 故障引起的 其传播距离远 跌落幅值大 然而这 种描述仅是一种定性的分析 没有量化的概念
KEY WORDS: Power quality PQ Voltage sag Network reconfiguration Network optimization Distribution system
摘要 在分析电压跌落问题的起因 相关标准 危害 衡量 指标以及治理措施的基础上 介绍了目前相关技术的研究状 况 提出了配电系统电压跌落现象分析以及控制策略的研究 方向 指出了以配电系统某一区域电压跌落安全最优为目标 函数的网络重构问题 将是配电系统自动化发展的必然趋 势 文中详细分析了此研究方向的相关内容及技术难点
比如 １９９８ 年香港由于暂态电能质量问题 引 起 ５００ 套自动扶梯瞬时停止 造成多名顾客受伤 社会影响很坏 暂态电能质量问题中的电压跌落
如凹陷 骤降 问题由于其发生的可能性远大于 电压中断 即使几百 km 以外的故障也有可能引起 本地的电压跌落 因此在工业化国家 电压跌落已 上升为最重要的电能质量问题之一 在国际上受到 特别关注[1~3]
以前 由于谐波 电压和频率波动等问题引发 的事故不断 给系统的安全运行带来了巨大的隐患 和影响 因而国内外的电力工作者对于稳态电能质 量问题已经有了足够的重视
随着现代电力工业的快速发展和系统中用电 负荷结构的重大变化 暂态电能质量问题引发的事 故越来越多 它有可能引起计算机系统紊乱 若电 压幅值下降大于 10% 持续时间超过 0.1 s 调速 设备跳闸 若电压幅值下降大于 15% 持续时间为 半个工频周期 以及机电设备误动作等 从而导致 较大的工业损失和人身事故
因此选取 建立相关的负荷模型 如典型电动 机模型 整流器模型 和系统模型 如变压器模型 线路模型等 仿真各种类型的电压跌落事故 如 对各种故障类型 不同的故障地点 不同的电压等 级引起的故障电压跌落以及电动机启动 变压器充 电等问题引起的电压跌落现象 量化分析它们之间
的联系与区别 将对电压跌落监测数据的分析辨 识 负荷敏感曲线的测试以及电压跌落事故起因分 析等方面都会有很大帮助 3.2 配电系统电压跌落传播过程分析
万方数据
第 28 卷 第 2 期
电网技术
57
如果持续时间超过 １ ｍｉｎ 则认为是 电压偏低
图 1 电压跌落示意图 Fig. 1 Diagram of voltage sag
电压跌落的危害程度与设备的敏感程度密切 相关 不同的设备对同一电压跌落的感受度是不同 的 因此世界上不同的设备制造商联盟制定了不同 的 敏 感 曲 线 比 如 ＳＥＭＩ Ｆ４７ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 半导 体 设 备 制 造 商 国 际 组 织 ＩＴＩ （ＣＢＥＭＡ） Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 信息技术工 业 协 会 以 及 ＦＩＰＳ Ｆｅｄｅｒａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｐｕｂｌｉｃａ－ｔｉｏｎ 联邦信息 处理标准出版物 等 图 ２ 即为 ＩＴＩ 曲线图 当分 析电压跌落的危害时 对于不同的设备或负荷 应 当采用不同的敏感曲线 目前 ＩＥＥＥ 美国商务部
1 山东大学电气工程学院 山东省 济南市 250061 2 科汇电气有限公司 山东省 淄博市 255031
ANALYSIS OF VOLTAGE SAGS IN DISTRIBUTION SYSTEM
WANG Bin1 PAN Zhen-cun1 XU Bing-yin2 1. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China; 2. Kehui
系统短路故障引起的 它的传播距离远 跌落幅值
大 输电线路短路故障将会影响相关配电系统的电
压质量 即使是配电系统的短路故障也会引起相邻
馈线的电压跌落 因此 一方面采取措施降低系统
短路故障的发生率 以减少发生电压跌落 另一方
面在短路故障发生后 合理地控制短路电流的大小
及持续时间 这样也会大大减少因电压跌落造成的
关键词 电能质量 电压跌落 网络重构 网络优化 配电
系统
1 引言
电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主 要可分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题 两大类 稳态电能质量问题以波形畸变为特征 主 要包括谐波 间谐波 噪声和频率波动等 暂态电 能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征 可分为脉冲暂态和振荡暂态两类 主要包括电压跌 落 电压骤升 短时断电和电容器充电暂态等