电压暂降影响敏感负荷的评估测度研究进展

陈武，周学亿，赵周芳，陈宾

（1.国网四川省电力公司成都供电公司，四川成都610041；2.国网四川省电力公司检修公司，四川成都610065；3.国网四川省电力公司技培中心，四川成都611130；4.国网湖南省电力公司永州供电公司，湖南永州425900）

电压暂降影响敏感负荷的评估测度研究进展

陈武1，周学亿2，赵周芳3，陈宾4

（1.国网四川省电力公司成都供电公司，四川成都610041；2.国网四川省电力公司检修公司，四川成都610065；3.国网四川省电力公司技培中心，四川成都611130；4.国网湖南省电力公司永州供电公司，湖南永州425900）

准确评估电压暂降对敏感负荷的影响，不仅有利于供电部门采取合理的供电方案以提高用户满意度，还有助于人们研究出提高敏感负荷电压耐受能力及降低电压暂降对其影响的可行性方案，更有利于供用电部门根据电压暂降的不同特性，制定出相应的电压补偿策略与方案，使负荷电压暂降经济损失降至最低.将敏感负荷电压暂降敏感度评估方法分为实测统计法、动态模型法、模糊推理法、概率与数理统计法、多不确定性法，综述分析各种评估方法的优缺点，提出构建负荷时变电压耐受能力、电压暂降强度与敏负荷电压耐受能力综合指标，应用不确定性理论，建立统一的敏感负荷电压暂降敏感度评估模型与方法是今后的重点研究方向.

电能质量；电压暂降；敏感负荷；评估测度

电能作为一种使用最为广泛、高效、清洁的能源，其应用程度已经成为一个国家发展水平的主要标志之一.以计算机(PersonalComputer，PC)、可编程逻辑控制器(Program Logic Controller，PLC)、嵌入式处理器(Embedded Processor，EP)为核心的精密用电设备(统称为敏感负荷)对电能质量提出了更高的要求[1-2]，它们对电能质量都极度敏感，电能质量直接关系到设备的运行效率与国民经济的总体效益，供用电双方对其的关注度与日俱增，在大量可再生能源并网和敏感负荷接入电网智能电网背景下，准确、定量评估电压暂降对敏感负荷的影响尤为重要.

电能质量分为稳态电能质量和暂态电能质量两大类.稳态电能质量包括谐波、电压偏差、频率偏差、三相不平衡、电压波动与闪变等；暂态电能质量包括电压暂升、电压暂降、电压短时中断等[2].电压暂降是近年来暂态电能质量中最突出、最严重的电能质量问题，具有极强的不确定性属性[3]，通常会给半导体制造、信息、计算机或电子通信等行业带来巨大的经济损失，并造成极大的社会影响，成为智能电网背景下用户友好型电网规划阶段中重点考虑的问题[4-5].

不同类型的敏感负荷存在不同的电压耐受能力变化范围，其受电压暂降影响的程度表现出极强的不确定性特征.本文从电压暂降、敏感负荷电压耐受能力及敏感负荷受电压暂降影响的评估测度这一渐进层次出发，综述分析各自的研究现状，重点对电压暂降及敏感负荷受其影响的评估测度体系领域研究进展进行阐述.

1 负荷受电压暂降影响的评估过程

敏感负荷受电压暂降影响的严重程度通常与电压暂降及敏感负荷电压耐受能力两大因素密切相关，研究电压暂降对敏感负荷的影响程度一般包含如下三个步骤[3]：

1）获取系统侧电压暂降信息.如系统特定节点处的电压暂降频次(包含不同特征量).可从电力公司获取或通过仪器监测、随机估计法等方法获得.

2）获取敏感负荷电压耐受能力数据.可通过设备制造商、实验测试、典型赋值等方式获得.

3）确定评估测度，定量评估电压暂降对敏感负荷的影响.

2 系统侧电压暂降分析

2.1 仪器监测法

仪器监测法是获得电能质量信息的最为直接的方法，它通过系统关键节点实现对电压暂降的实时监测，通过相应的数据分析手段来考查电压暂降情况[6-7].电压暂降仪器监测法因其简单、便于实施，在一定时间内获得了广泛应用.

2.2 随机估计法

电压暂降受多种不确定性因素影响，具有极强的随机不确定性.目前广泛应用的电压暂降随机估计法主要有临界距离法和故障点法.临界距离法[8]：由瑞典学者M.H.J.Bollen于1996年首次提出，应用临界距离法，可确定出引起特定类型敏感负荷出现故障的系统短路故障点所在区域；故障点法[9]：在给定系统故障点的情况下，直接计算电力系统内公共节点处的电压暂降幅值情况.

该方法仅研究了系统内故障点、继电保护动作情况等部分不确定因素对电压暂降的影响，研究工作还有待进一步完善.

2.3 电磁暂态仿真法

为进一步分析电压暂降的暂态变化过程，J.A.Martinez、A.J.Martin等人于2006年提出用于电压暂降暂态仿真的评估体系建立方法[10]，指出电压暂降仿真分析软件应满足如图1所示的几个方面.

图1 电压暂降电磁暂态仿真软件结构

这种方法将实际电力系统进行简化、抽象与建模，实现了对电压暂降暂态变化过程的分析.由于仿真时间和数据存储容量的限制，该方法通常只能针对简单系统进行研究，而对于大型电力网络则不太适用.同时，在仿真过程中短路点的设置以及故障状态变量的概率模型都将对评估结果产生重大影响.因而，关于各因素的客观的数学模型还有待深入研究，以期进一步提高评估结果的可信度与准确度.

2.4 状态估计法

限于电压暂降仪器监测成本，不可能保证对实际系统中的每一个节点都进行实时监测与评价.文献[11]于2005年提出了“电压暂降幅值估算”的状态估计方法，实现用有限的电压暂降信息估计出未安装电压暂降监测装置的节点处的电压情况.然而，如何通过一定的优化算法，实现电压暂降监测装置的最优化配置成为当前急需解决的重要课题.

2007年，E.Espinosa-Juárez和A.Hernández[12]利用电压暂降监测装置矩阵与电压暂降频次矩阵之间存在的函数映射关系，结合最优化约束条件，对电压暂降监测装置的安装数量及安装位置等状态变量进行了深入研究，提出了一套确定电压暂降监测装置安装与配置的有效方法.

必须指出，状态估计算法仅仅是对“电压暂降幅值估算”这一研究方向的初步尝试，还有大量问题仍须深入研究，如电动机负荷特性以及负荷电流、含有分布式发电的配电网络结构复杂性等问题对评估结果精度的影响等.

2.5 暂降域分析法

电压暂降域[13]，是指当系统发生故障引起电压暂降时，使所关心的敏感负荷不能正常工作的各故障点所在区域.

研究电压暂降域对于提出合理的电压暂降抑制措施具有重要的指导意义，也为敏感负荷电网接入点的选取提供了理论依据，结合电压暂降域，可快速确定特定区间的电压暂降频次及敏感负荷年故障次数，有助于指导电力系统运行人员的日常管理工作，能在一定程度上保证电网的电能质量及其安全运行水平.

3 负荷侧电压耐受能力分析

3.1 实验测试

3.1.1 测试标准

敏感负荷电压耐受能力测试标准[14-15]主要有：IEC 61000-4-11及IEEE Standard 1346-1998，推荐测试标准如表1所示.

表1 敏感负荷电压耐受测试推荐标准

IEC 61000-4-11主要介绍了用于敏感设备电压暂降、短时电压中断和电压变化的电压耐受能力测试技术.IEEEStandard 1346-1998进一步提出获取敏感负荷电压耐受能力的具体步骤，包括：(1)获取设备侧电压暂降信息，(2)明确设备安装规范，(3)熟悉电力电子装置中的能量储存模式，(4)分析保护动作对敏感负荷工作状态的影响，(5)表征敏感负荷电压耐受能力.敏感负荷电压耐受能力测试系统框图如图2所示．

图2 敏感负荷电压耐受能力测试系统框图

上述标准的提出为评价电器（电子）设备与电压暂降、短时电压中断和电压变化之间的电磁兼容水平提供了重要参考，指明了获取负荷电压耐受能力的一般性步骤.

3.1.2 实测研究

2005年，英国学者S.Z.Djokic等人[16]对连接在测试端的多台PC机进行了测试，得出较为全面的PC机电压耐受能力数据，这些测试结果反映了不同谐波成份与运行状态下PC机的电压耐受能力，通过对电压暂降实际环境的模拟，得出了工程上较为可靠的结论，具有很好的推广性.

2008年，一个由国际大电网组织、国际供电会议、国际电热协会等国际性组织发起成立的研究小组通过分析实验测试结果，对常见敏感负荷做了细致归类[17]（表2），为敏感负荷电压暂降敏感度的后续研究提供宝贵的参考资料.

表2 常见敏感负荷

3.2 仿真分析

文献[18]重点研究了平衡及不平衡电压暂降影响下三相ACASD的运行状况，通过多次仿真试验绘制出了该装置的电压耐受曲线.该方法的主要优点在于对电压暂降特征量的选取可根据试验需要任意设定，同时也便于对各类敏感负荷电压耐受能力进行仿真测试.

4 负荷受电压暂降影响的评估测度研究进展

4.1 基本概念

电压暂降对敏感负荷造成影响是电力系统与用户负荷之间电磁兼容问题的一种体现，属敏感负荷电能质量敏感度的研究范畴[19]，它反映了当提供给负荷的电能质量不良时负荷能承受干扰仍正常工作的能力，这种承受能力还可用敏感负荷电压耐受能力予以表征，该能力越低，其电压暂降敏感度也就越高.一般用电压暂降影响下敏感负荷的不同运行状态[2,20]或负荷故障可能性[21,22]及故障概率[23-29]等方法作为其评估测度.

4.2 实测统计法

实测统计法以敏感负荷的工作状态为考查对象，对敏感负荷电压暂降敏感度作出定性评估[19-20].其显著优点是评估结果可信性高，但却存在工作量大、所需测试样本多及试验周期长、评估结果不具有预测性、无法推广至工程应用等不足.

4.3 动态模型仿真法

采用动态模型仿真评估负荷电压暂降敏感度的基本过程如图3，该方法解决了实测统计法存在的诸多不足，文献[2]提出敏感负荷电能质量敏感度测试系统概念，对其组成、用途、功能进行了定义和描述；以ACC为例，建立其数学模型，通过改变ACC线圈的输入电压的幅值及持续时间，对其进行了大量实验，同时，通过仿真实验还获得了表征其电压耐受能力的ITIC(Information Technology Industry Council，ITIC)曲线.但是，现有的研究仍处于起步阶段，对敏感设备各关键部份进行建模仍需深入研究.图3展现了负荷电压降敏感度的评估过程．

图3 负荷电压暂降敏感度评估过程

4.4 模糊推理法

模糊推理法通过考虑设备运行状态具有模糊性这一特点，将设备故障当作模糊事件，对电压暂降影响下的敏感负荷工作状态进行多值逻辑评估.

文献[21]在分析敏感负荷电压耐受能力及供电系统侧电压暂降强度的模糊性的基础上，提出一种基于IF-THEN推理规则的模糊推理方法，用以评估敏感负荷电压暂降敏感度，具体的模糊推理规则为：(1)如果电压幅值正常，持续时间作用不计，那么设备运行正常；(2)如果电压幅值低，持续时间非常短，那么设备可能故障；(3)如果电压幅值非常低，持续时间长，那么设备将出现故障.

模糊推理法的优点是规则简单、明晰，便于评估，该方法的主要不足之处在于未考虑设备电压耐受能力的不确定性特性.

4.5 概率与数理统计法

概率与数理统计法将设备故障当作随机事件，将其故障概率(或类似定量指标)作为敏感负荷电压暂降敏感度的评估测度，其评估结果具有直观、可预测性和易于比较的显著优点，为国际上应用最为广泛的评估测度.

文献[22]提出一种简单、快速的数理统计方法用以评估敏感负荷电压暂降敏感度.作者采用幅值强度指数(Magnitude Severity Index,MSI)、持续时间强度指数(Duration Severity Index,DSI)、复合幅值时间强度指数(Combined Magnitude Duration Severity Index,MDSI)等一系列指数，分别表示电压暂降事件的幅值强度、持续时间强度及其综合强度；结合四种典型的敏感负荷电压耐受能力，利用所提指数对其相关参数进行转换；根据MSI和DSI所属区间的不同，将敏感负荷受电压暂降影响的决定性因素及最终结果(由MDSI表征，其值越大，受影响越严重)分为5个类别用以判定敏感负荷电压暂降敏感度.

2006年，英国曼彻斯特大学电气与电子工程学院J.V.Milanovic教授[23]基于概率与数理统计理论，首次提出敏感负荷电压暂降敏感度的概率评估方法.作者根据不同的设备电压耐受能力特性，分别假设其服从均匀、正态、指数、反指数分布，用相应的概率密度函数表征设备电压耐受曲线在电压幅值－持续时间平面上的不确定区域内的分布规律，直接根据设备电压耐受曲线的概率密度函数评估设备电压暂降敏感度.

我国学者亦在此基础上对敏感负荷故障条件做了深入细致的分析，对敏感负荷电压暂降敏感度计算式进行了详细的修正，使其物理意义更为明确，提出了适用性强的敏感负荷电压暂降敏感度评估新方法[24-25].

从实际应用来看，概率与数理统计法存在大量主观假设，无法反映电压暂降与敏感负荷电压耐受能力两者真实的数理统计规律.

4.6 多不确定性评估方法

2007年，文献[26]根据国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)相关标准，分别用概率密度函数来模拟系统扰动水平和敏感负荷的抗扰动能力的随机特性，运用常规可靠性理论构造了敏感负荷电压暂降敏感度的概率评估方法.值得一提的是，文中首次考虑了电力系统侧电压暂降的随机不确定性，为敏感负荷电压暂降敏感度的后续研究提供了全新视角.

文献[27]在前述研究成果基础上，计及电压暂降的随机性和敏感负荷电压耐受能力的模糊性，采用概率作为敏感负荷电压暂降敏感度的评估测度；对电压暂降影响下敏感负荷实际运行状态进行分析，根据模糊安全事件隶属函数的确定原理和方法，构建敏感负荷故障状态的数学模型，提出了能同时反映各影响因素的负荷电压暂降敏感度评估方法.

在综合考虑电压暂降影响下负荷失效事件发生和后果严重程度的复杂不确定性后，文献[28]、[29]分别运用云模型、随机熵、模糊熵、交叉熵度量刻画相应的不确定性，建立了负荷电压暂降敏感度的云模型及最大混合熵评估方法.

上述方法解决了敏感负荷运行状态难以描述的问题，对系统侧与负荷侧的不确定性问题进行了深入研究，所提方法不需专家经验或主观假设，能客观地反映实际情况.

5 结论与展望

敏感负荷接入点的电压暂降严重程度、负荷的电压耐受能力及其自身运行状态均是影响其电压暂降敏感度的重要因素，敏感负荷电压暂降敏感度的评估涉及到大量不确定性信息的处理，不确定性数学理论成为处理这类问题的有效工具.本文仅对上述不确定性影响因素及负荷电压降敏感度评估方法进行了初步介绍，对有关研究方法的优、缺点进行了简要评析，其研究深度和广度有待进一步拓展：

1）敏感负荷电压耐受能力的时变特性分析与建模.

负荷本身在服役期间内，随着使用年限的增加、工作环境等因素的影响，其故障率会发生一定的变化，在这一过程中，负荷的电压耐受能力也必然会随着其自身故障率的变化而发生改变，从而导致其电压暂降敏感度也随之发生变化.

2）提出合理的电压暂降强度与敏感负荷电压耐受能力综合指标.

电压暂降包含多种特征量，如电压暂降幅值、持续时间、频次、相位跳变、波形起始点、波形畸变率等.传统评估方法通常对电压暂降特征量进行简化，仅取较为常见的幅值、持续时间、频次等，导致各个特征量之间的联系较少，未能形成一个统一的指标反映电压暂降的严重程度.此外，敏感负荷电压耐受能力作为影响其电压暂降敏感度的内因，至今未能得到全面、合理的定义.现有的研究成果只考虑了敏感负荷对于电压暂降幅值与持续时间的耐受能力，而对于其他电压暂降特征量的耐受能力却未进行深入研究.

3）基于不确定性理论，系统研究随机性、模糊性、粗糙性、区间性等，建立统一、完备的负荷电压暂降敏感度评估模型与方法.

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【编校：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

陈武（1984-），男，硕士，工程师，研究方向为电能质量分析与控制

时间：2014-08-22 15:23

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