利用过程免疫时间优化保护的电压暂降缓减方案

李丹丹，肖先勇，刘 阳，李铁牛，刘旭娜

（1.四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065；2.深圳市海亿达能源科技股份有限公司，广东 深圳 518057）

0 引言

电压暂降主要由系统故障等引起，是系统正常运行不可避免的现象，给敏感过程和设备（简称“过程”）造成了巨大影响[1-3]。低成本缓减电压暂降已成为当前的研究热点。配电网故障是导致暂降的主要原因，暂降深度、持续时间与供配电系统的保护、自动重合闸等装置的定值、配合有关，暂降影响程度还取决于过程免疫力、用户可接受后果状态。因此，研究过程暂降免疫力和用户可接受后果状态，寻找保护与暂降影响程度间的关系，研究电压暂降低成本缓减方案，具有重要理论价值和现实意义。

国内外对电压暂降评估、敏感度、电压耐受能力及其兼容性等开展了大量研究[4-6]。暂降评估方法有 故障点法[7]、临界距离 法[8]和暂降域 法[9]等 ，可评估故障引起的暂降频次，但不能确定暂降持续时间[10-11]。 文献[12-14]考虑电压耐受能力的不确定性，提出了设备敏感度模糊随机、随机模糊、多重不确定性评估方法，但未深入研究暂降与设备响应事件的映射关系。事实上，电压暂降问题是系统暂降与过程免疫力之间的兼容性问题，因此，研究电压暂降问题应同时考虑系统电压暂降确定因素、过程免疫力和用户可接受后果状态，其中，三者的联系桥梁是关键。

中低压供配电系统主要采用电流保护，保护电流和动作时间定值确定了被保护故障导致的暂降幅值和持续时间[15-16]。即保护动作时间与暂降持续时间之间存在对应关系，而在给定幅值的电压暂降作用下，过程受影响程度取决于暂降持续时间，与过程免疫时间相对应。因此，保护动作时间与过程免疫时间是判定过程是否会受暂降影响的关键。对于给定供配电系统和给定敏感过程，过程免疫时间是判定过程是否会受影响的依据。

国际大电网会议（GIGRE）、国际供电会议（CIRED）和欧洲电力联盟（UIE）于2006年成立了暂降免疫力联合工作组C4.110，提出了过程免疫时间PIT（Process Immunity Time）[4]概念。 本文基于过程免疫时间，考虑到用户可接受后果状态，将过程暂降免疫力划分为A、AA、AAA这3个等级，利用过程免疫力与保护动作时间的关系，提出通过保护定值优化与合理配合缓减电压暂降的方法。对IEEE 14节点配电系统、某实际系统和2类典型敏感过程进行了仿真，在常规三段式电流保护以及含有短线路只能通过增加Ⅰ段瞬时电流速断保护的时间来实现选择性的特殊情况验证了方法的正确性和可行性，并证明基于过程免疫时间的保护优化方法能在不影响保护选择性、速动性的同时，缓减电压暂降。

1 过程免疫时间与免疫力等级

过程免疫时间定义为：过程经受电压暂降后，过程参数（温度、压力、速度、加速度等）超过允许限制值的时间[4]，如图 1（a）所示[4]。 即过程免疫时间是给定幅值（剩余电压）电压暂降作用下，过程能抵御电压暂降的时间。其中，t1为暂降发生时刻，Δt为过程固有响应延时，t2为过程参数越过允许值Plimit的时刻，Pnom为过程额定运行参数。图1（b）为不同暂降幅值下的过程免疫时间，图中Usag为电压暂降幅值（标幺值）。可见，不同暂降幅值下的过程免疫时间不同。

其中，[t2－（t1+Δt）]为从过程响应到过程参数达到最小允许值的时间；[（t1+Δt）－t1]=Δt为过程响应延迟时间。同一过程对不同暂降幅值的Δt不同，取决于过程固有属性，如计算机（PC）的Δt取决于电源直流侧电容。

图1 过程免疫时间Fig.1 Process immunity time

过程受电压暂降影响的程度与暂降幅值、持续时间等暂降特征、过程免疫力有关。其中，暂降幅值特征取决于导致暂降的故障电流，暂降持续时间特征取决于故障清除时间，主要是保护时间定值（含机构动作时间）。因此，在给定故障下，供配电系统的保护与系统内发生的暂降之间的联系桥梁是保护电流和动作时间定值。过程受电压暂降影响的根本问题在于过程参数超过了最小允许值。大量研究证明，过程电压耐受能力具有不确定性[19]，取决于过程参数变化规律和用户可接受后果状态。可接受后果状态可分为完全正常、自动恢复和人工恢复等，利用过程免疫时间刻画如图2所示。

图2 考虑可接受后果状态的过程免疫力等级划分Fig.2 Process immunity level dividing considering acceptable outcome state

由图2可见，当暂降持续时间小于Δt时，过程完全正常；持续时间在[Δt，tPIT]间时，可自动恢复；大于tPIT时，过程中断，处于人工恢复状态。即过程可能出现的后果状态取决于暂降持续时间与过程免疫时间之间的关系。因此，从用户可接受的人工恢复、自动恢复、完全正常等状态出发，利用过程免疫时间，可将过程暂降免疫力分化为A级、AA级和AAA级。

2 基于过程免疫时间的保护优化策略

以图2为例，假设可接受暂降持续时间为tPIT。当保护动作时间定值及其决定的暂降持续时间小于tPIT时，过程正常或自动恢复，为可接受状态；当暂降持续时间大于tPIT时为不可接受状态。因此，在保证保护选择性和速动性的前提下，如果保护动作时间小于tPIT，就可避免不可接受状态的出现。其他免疫力等级类似。为此，可利用过程免疫时间进行供配电系统保护优化。

中低压供配电系统主要采用三段式电流保护。保护启动和引起的暂降幅值均取决于故障电流，保护动作时间决定暂降持续时间。因此，利用过程免疫时间可优化保护动作时间。

典型35 kV和10 kV供配电线路的三段式电流保护为：Ⅰ段，瞬时电流速断保护；Ⅱ段，限时电流速断保护；Ⅲ段，定时限过电流保护。以图3线路WL1为例，电流、时间定值如式（2）—（4）所示。

其中，KⅠrel、KⅡrel、KⅢrel为可靠系数 ，一般分别取 1.2～1.3、1.1～1.2、1.15～1.25；I（3）kB.max、I（3）kC.max为母线B、C最大方式下的短路电流；Δt1为定时限保护延时，一般取0.3～0.5 s；TⅠB、TⅢB为WL2 的Ⅰ、Ⅲ段保护动作时间；ILmax为线路最大负荷电流；Kst为自起动系数，一般取1.5～3；Kre为返回系数，一般取 0.85～0.95[20]。

图3 配电线路三段电流保护Fig.3 Three-zone current protection for distribution line

可见，短路电流决定三段保护定值，进而确定暂降幅值和持续时间。以接入免疫力为A级的过程为例，保护与过程免疫时间的关系如图4所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护的电流定值递减，暂降幅值递增。各段保护动作时间定值决定暂降持续时间。图4中各段保护定值确定的暂降持续时间均大于tPIT，因此，过程暂降免疫力为A级。如果减小保护时间，使之小于tPIT，可避免过程出现不可接受状态。其他暂降免疫力等级类似，不再赘述。

图4 保护与过程免疫力之间的关系Fig.4 Relationship between protection and process immunity

3 考虑免疫力等级的保护优化

保护动作电流取决于故障水平和保护范围，动作时间决定了保护的选择性和速动性。电流定值决定暂降幅值，可用临界距离法或故障点法计算。结合第1节提出的免疫力等级划分方法，确定过程可接受过程免疫时间和过程响应时间Δt。比较保护定值和过程免疫时间，在不牺牲保护选择性、可靠性和速动性的前提下，利用过程免疫时间优化保护定值，可缓减暂降影响。优化方法如下。

a.根据故障水平和保护的选择性、速动性和可靠性等要求，用常规方法整定保护定值，获得初始保护电流和时间定值。

b.根据各段保护电流定值确定的暂降幅值和相应的过程参数变化规律，确定过程tPIT和暂降响应时间 Δt。

c.比较初始保护定值与 tPIT、Δt的大小，以 tPIT、Δt为优先级进行保护定值优化。如果tPIT、Δt小于初始保护时间定值且不影响保护的选择性，按tPIT或Δt整定保护时间定值；反之，采用初始定值。如果保护时间定值小于或等于Δt，过程免疫力为AAA级；如果保护时间定值在Δt与tPIT之间，过程免疫力为AA级；若大于或等于tPIT，过程免疫力为A级。以此进行保护优化，可低成本减缓暂降的影响。

4 基于过程免疫时间的保护配合与实际应用

以过程免疫时间和免疫力等级为依据，合理配合保护可缓减暂降的影响。根据用户可接受后果状态确定过程免疫时间，如果过程免疫时间大于暂降持续时间，过程始终处于可接受状态。因此，在允许范围内可优化保护配合方式。三段式电流保护配合如下。

I段保护范围较近，导致的暂降幅值低。保护时间定值一般为0 s，暂降持续时间最短，几乎为0 s（决定于机构动作时间）。增大I段保护范围，可增加暂降保护范围，但会牺牲保护的选择性，可改善空间不大，原因在于时间定值已为最小时间0 s。

Ⅱ段保护电流定值确定了其保护的暂降幅值，保护时间与暂降持续时间对应。若故障由Ⅱ段保护清除，在保证与I段有可靠时间级差的前提下，减小Ⅱ段时间定值，可缩短暂降持续时间，有改善空间。

Ⅲ段保护电流定值较小，但时间定值较大，对应的暂降持续时间较长。在保证定值级差的前提下，根据tPIT、Δt和过程免疫力等级确定保护时间，使之决定的暂降持续时间小于tPIT，过程可始终处于可自动恢复状态。

实际中，可能存在供电半径较小的配电线路，如图3所示，假设WL2线路很短，其线路阻抗很小，其末端与上级WL1线路末端之间的短路电流水平差异很小，按常规保护整定规则整定各段线路电流定值，由于WL1、WL2线路I段电流保护的电流定值相差很小，当WL2故障时，WL1线路保护易误动，即电流定值难以实现保护的选择性，此时，WL2线路的保护定值按常规方法整定，而WL1线路通常通过I段电流保护延时来实现保护的配合，Ⅱ段、Ⅲ段保护整定时间相应增加，这样暂降持续时间增长，暂降严重程度增加。对于这类情况，WL1线路可先按常规方法整定保护电流和时间延时定值，再根据保护电流定值确定暂降幅值，从而确定可接受的tPIT和Δt，用tPIT与Δt对时间定值在允许范围内进行修定，Ⅲ段保护的时间定值按级差增加，WL1线路的I段、Ⅱ段电流保护的时间定值的优化与本文方法中Ⅱ段、Ⅲ段保护的时间定值的优化方法类似，因此，对于含短线路的配网系统，本文方法同样有一定适用性。

可见，通过保护合理配合，可缓减由Ⅱ段和Ⅲ段电流保护以及含短线路的系统中有延时的电流保护清除的故障所引起的电压暂降的影响。保护方案的优化可采用粒子群算法等，流程如图5所示。也可采用其他算法，本文不再赘述。

图5 程序流程图Fig.5 Flowchart of program

5 仿真与讨论

用PSCAD对图6、图7给出的IEEE 14节点配电系统和某实际系统进行仿真，实际系统中的线路7－8为短线路。比较线路1－4和线路1－7在不同的保护整定与配合方式下，母线1接入敏感过程的后果状态。

图6 IEEE 14节点测试系统Fig.6 IEEE 14-bus test system

图7 实际测试系统Fig.7 Actual test system

母线1接入由文献[4]给出的某化学反应过程中氧气测量装置和冷却控制器。元件过程免疫时间分别为1 s和3 s，并假设响应时间Δt分别为0.4 s和1 s。在相同故障水平下，传统方法和本文方法所得保护方案如表1所示。当接入过程的暂降免疫力等级不同时，进行20次仿真，满足要求的次数如表2、3所示，电压暂降特征如图8、9所示，图中电压暂降剩余幅值为标幺值。

表1 保护整定方案Tab.1 Protection setting schemes

表2 满足氧气测量装置不同免疫力等级要求的次数Tab.2 Number required by different immunity levels of oxygen measuring equipment

表3 满足冷却控制器不同免疫力等级要求的次数Tab.3 Number required by different immunity levels of cooling controller

由表2可见，过程免疫时间较小的过程（氧气测量装置，tPIT=1 s），常规的保护整定方式在本文确定的保护方案下，后果状态全部达到AA级和AAA级，出现A级后果状态的次数为0，明显地缓减了暂降影响；而实际系统中因短线路的存在，暂降严重程度增加，本文方法可改善设备免疫力。

由表3可见，过程免疫时间较大的过程（冷却控制器，tPIT=3 s），常规保护整定方式采用本文保护方案，过程免疫力全部达到AAA级，元件不受任何影响；含短线路时AAA级次数也极大增加。

图8 IEEE 14节点系统传统方法与最优方法的暂降特征Fig.8 Comparison of sag characteristics between traditional and optimal schemes for IEEE 14-bus system

图9 实际系统传统方法与最优方法的暂降特征Fig.9 Comparison of sag characteristics between traditional and optimal schemes for actual system

结果证明，本文方法适合于配网中常规与短线路等特殊情况的保护优化，对不同过程免疫时间的过程均能缓减暂降影响，过程免疫时间越长，缓减效果越明显。因此，对于抗风险能力较低、对生产过程要求高的用户，应就tPIT和Δt对设备制造商提出具体要求，并根据过程免疫时间确定工厂内部配电系统的保护方案，并根据公用电网的保护方式确定过程接入点和自身设备保护方式，对于已投入运行的过程，可通过技术改造或生产工业改进等方式，提高过程免疫时间，实现敏感过程与系统保护之间的最优配合，低成本缓减电压暂降的影响。

6 结论与展望

a.过程免疫时间是度量过程暂降免疫力的统一测度，利用过程免疫时间和用户可接受后果状态进行供配电系统保护优化和配合，可低成本缓减暂降的影响。

b.保护整定与配合主要取决于系统要求，本文方法对供配电系统的保护无任何不利影响，尤其适用于工厂供电系统的保护配置。

c.基于过程免疫时间优化保护的方法，对于缓减由Ⅱ段和Ⅲ段保护清除的故障所引起的电压暂降的影响效果明显，并且对含短线路系统中有延时的电流保护切除的故障也能明显改善设备免疫力等级。

d.本文提出的过程免疫时间和过程免疫力等级概念还可用于设备选型、供电方案制定和优化过程运行方式等，为解决电压暂降问题提供了一种有效途径。

电压暂降问题涉及过程设计者、设备制造商、供电企业和用户抗风险能力等，在实际中，还需研究通用的过程免疫时间确定方法，进一步研究保护可靠性、选择性、速动性与过程免疫时间之间的协调关系等。