面向电压暂降的电网结构评估

马莉，刘健，周倩，张志华，翁望月，王晓路

（1.西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西电力科学研究院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054）

面向电压暂降的电网结构评估

马莉1，刘健2，周倩2，张志华2，翁望月2，王晓路3

（1.西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西电力科学研究院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054）

为了从缓解电压暂降的角度对电网结构提出评估指标并指导运行、规划和改造，针对母线发生4种故障引起的电压暂降分别建立各故障类型的凹陷域矩阵，提出了基于电压暂降的各故障类型的电网结构评估指标及综合考虑4种故障的电网结构平均评估指标。所提出的评估指标可作为评判电网结构优劣的指标之一。在IEEE30节点系统基础上，通过开关变换和电源接入点位置的变化构造了不同的电网结构，并利用所提的评估方法对其进行了分析与评估。验证了提出的评估指标是可行的，能有效地指导电网结构的优化、电网的安全运行、规划和改造。

电压暂降；电网结构；评估；开关变换；电源接入

随着敏感负荷在工业负荷中所占比重日益增多，电压暂降问题越来越严重，电压暂降已成为国内外用户投诉最多的电能质量问题。电压暂降会造成变频器失压保护误动作、可编程逻辑控制器失灵、接触器脱扣、计算机存储数据丢失、电机停机，甚至可能导致整个流水线、全厂作业的中断，给企业带来难以估计的经济损失。为避免电压暂降导致的生产事故，减少电压暂降对用户的经济损失，电压暂降的评 估[1-5]与治理[6]受到研究人 员的广泛关注。

在治理电压暂降方面，用户端可以选择和安装减缓电压暂降的装置，如不间断电源、飞轮储能装置[7]和超导电磁储能、动态电压恢复器[8]、SSC静态串联补偿装置[9]。这些方法比较适合受电压暂降影响比较严重的用户。供电方可以从优化电网结构的角度缓解电压暂降，电网结构不仅影响系统的静态安全稳定，还影响暂态安全稳定[10]。文献[11]结合网络重构和静止无功补偿器缓解电压暂降。文献[12]使用遗传算法优化网络重构达到减少电压暂降造成的经济损失。文献[13]提出了缓解电压暂降的一种有效的措施：配电网实施多分片多电源的闭环设计开环供电。文献[14]研究了系统中变压器中性点不同运行方式以及机组启停对电压暂降凹陷域的影响。因此需要从电压暂降的角度提出电网结构的评估指标，从而为缓解电压暂降优化电网结构提供依据。

本文从缓解电压暂降的角度，针对母线故障引起的电压暂降，利用电压暂降凹陷域矩阵，提出了各故障类型的电网结构评估指标及综合考虑4种故障的电网结构平均评估指标。在IEEE30节点系统基础上，通过开关变换和电源接入点的变化构造了不同的电网结构，并利用所提的评估方法对其进行了分析与评估。验证了提出的评估指标是可行的，从而有效地指导电网结构的优化。

1 母线故障引起的电网电压暂降分析

母线故障造成的电压暂降影响很大，并且电网运行人员更关注母线的电压暂降[15]。在某电网结构下，本文基于母线故障引起的电压暂降，利用故障点法[16]，假想电网中各条母线分别发生4种故障，计算电网母线的电压暂降值，分别建立反映全网母线发生相应故障时的母线电压暂降矩阵U（m）（m=1、2、3、4分别代表单相接地短路、两相相间短路、三相相间短路、两相接地短路）。

类似地，可建立不同的电网结构下，母线发生m类故障的电压暂降矩阵及其凹陷域矩阵。

2 基于电压暂降的电网结构评估方法

电压暂降凹陷域矩阵的第j列信息反映了母线j受其他母线故障发生电压暂降的情况。由列信息可得母线j受其他母线发生m类故障引起电压暂降的频次为

综合考虑母线发生4种故障类型，母线j受其他母线发生故障引起电压暂降的平均频次Xj为

式中：λm为母线发生m类故障的概率。

母线发生m类故障引起电压暂降的m类故障电网结构评估指标Y（m）为

综合考虑母线发生4种故障引起电压暂降的电网结构平均评估指标Y为

电网结构的评估指标Y（m）和Y均可反映在该电网结构下母线故障引起的电压暂降情况。指标数据越大，反映了该电网结构下电压暂降情况越严重。其可作为评判电网结构优劣的指标之一，采用指标Y（m）和Y，可对各种因素引起的变化的电网结构进行评估与分析，能有效地指导电网的安全运行、规划和改造。

3 不同电网结构电压暂降的分析与评估实例

为了验证所提的指标能对不同的电网结构进行评估与分析，在IEEE30节点系统基础上，通过开关变换和电源接入点位置的变化构造了不同的电网结构，并对其进行了分析与评估。

3.1 IEEE30节点系统及其参数

图1所示为IEEE30节点系统，系统参数见文献[17]。该系统含132 kV及33 kV 2个电压等级，由6台发电机组、30条母线、37条线路以及4台变压器组成。所有变压器为Y0/Y0接线方式。

图1 IEEE30节点测试系统Fig.1 IEEE30 bus test system

算例中单相短路故障发生的概率为0.83，两相相间短路为0.08，三相相间短路为0.04，两相接地短路为0.05。电网电压暂降阈值Uthre为0.7。

3.2 开关变化引起电网结构变化对电压暂降的影响分析与评估

本文通过开关变化对IEEE30节点系统在电网结构上进行了改变，第一种改变为将33 kV母线16～17、10～20、23～24之间的线路开关断开，其余不变。第二种改变为将132 kV母线5～7、2～6、4～6之间的线路开关断开，其余不变。第三种改变为33 kV母线16～17、10～20、23～24、132 kV母线5～7、2～6、4～6之间的线路开关断开，其余不变。针对这4种网络结构，采用以上提出的评估方法，可计算出基于母线发生各种故障类型引起电压暂降的4种电网结构的评估指标，如表1所示。

表1 对开关变换引起的电网结构变化的评估结果Tab.1 Evaluation results of grid structure changes caused by switch transform

以上数据表明，针对每种电网结构，三相相间短路故障电网结构评估指标数据最大，说明三相相间短路故障引起的电压暂降最严重，两相相间短路故障电网结构评估指标数据最小，说明两相相间短路引起的电压暂降影响最小。

在这4种电网结构中，IEEE30节点电网的互联程度最大，其各故障类型下的电网结构评估指标和平均评估指标均大于其余3种电网结构的相应评估指标，说明IEEE30节点电网结构的电压暂降影响最严重。第三种改变的电网结构的互联程度最小，其各故障类型下的电网结构评估指标和平均评估指标均小于其余3种电网结构相应的评估指标，说明第三种改变的电网结构的电压暂降影响最小。由此可以看出，电网互联程度越高，虽然提高了电网的供电可靠性，但电压暂降问题会变得更严重。

假如母线21节点处接有电压敏感负荷，其在4种电网结构下受其他母线发生4种故障类型引起电压暂降的频次如表2所示，第一种改变和第三种改变的电网结构都在33 kV母线16～17、10～20、23～24之间的线路断开，由表2可知，这4种电网结构母线21受其他母线发生故障的频次明显减少。

表2 母线21受其他母线故障引起电压暂降的频次指标Tab.2 Voltage sag frequency index of Bus 21 caused by other bus faults

综合以上的评估与分析，可以得出第三种改变的电网结构下基于母线故障引起的电压暂降影响最小，在这4种电网结构下，优先选用第三种改变的电网结构。

3.3 电源接入点引起电网结构变化对电压暂降的影响分析与评估

为了分析电源接入点对电压暂降的影响，假设接入的电源有功为30 MW，电压为1.022（标幺值），Qmax=50 MV·A，Qmin=-15 MV·A。该电源为PV节点，把该电源分别接入到132 kV等级的4、6、28节点和33 kV等级的10、14、27节点。采用以上提出的电网结构评估指标，对这6种情况下的电网结构进行母线故障引起的电压暂降分析与评估，得到的评估数据如表3和表4所示。

以上数据表明，电源接入到33 kV等级的10节点的电网结构评估指标均小于电源接入到其余节点的相应指标。10节点接入该电源，由母线故障引起的电压暂降影响最小，因此选择10节点作为该电源的接入点。

表3 对电源接入132 kV等级节点引起的电网结构变化的评估结果Tab.3 Evaluation results of grid structure changes caused by power access to 132 kV bus

表4 对电源接入33 kV等级节点引起的电网结构变化的评估结果Tab.4 Evaluation results of grid structure changes caused by power access to 33 kV bus

4 结论

本文提出的评估方法可在考虑电压暂降的情况下对电网结构进行评估，在IEEE30节点系统基础上，通过开关变换和电源接入点的变化构造了不同的电网结构，并利用所提的评估方法对其进行了分析与评估。证明所提的评估指标可作为评估电网结构优劣的指标之一，为缓解电网的电压暂降选择最优的电网结构提供依据，能有效地指导电网的安全运行、规划和改造。

[1]NAIDU S R，GILVAN V，DE ANDRADE，et al.Voltage sag performance of a distribution system and its improvement[J].IEEE Trans on Industry Applications，2012，48（1）：218-224.

[2]李妍，余欣梅，熊信银，等.电力系统电压暂降分析计算方法综述[J].电网技术，2004，28（14）：74-78. LI Yan，YU Xinmei，XIONG Xinyin，et al.A survey on calculation and analysis methods of voltage sag[J].Power System Technology，2004，28（14）：74-78（in Chinese）.

[3]肖先勇，马超，李勇.线路故障引起电压凹陷的频次最大熵评估[J].中国电机工程学报，2009，29（1）：87-93. XIAO Xianyong，MA Chao，LI Yong.Voltage sag occurrence frequency assessment caused by 1ine faults using the maximum entropy method[J].Proceedings of the CSEE，2009，29（1）：87-93（in Chinese）.

[4]李渊博.敏感设备电压暂降敏感度的正态云模型评估[J].电网与清洁能源，2011，27（10）：36-42. LI Yuanbo.Normal cloud model based sensitivity assessment method for sensitive equipment due to voltage sags[J]. Power System and clean Energy，2011，27（10）：36-42（in Chinese）.

[5]SU Chunlin，CHEN Chingjin，LEE Chingcheng.Fast evaluation methods for voltage sags in ship electrical power systems[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49（1）：233-241.

[6]AMBRA SANNINO，MICHELLE GHANS MILLER，MATH H J BOLLEN.Overview of voltage sag mitigation[C]//IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，Singapord，2000：2872-2878.

[7]RUBENS DE ANDRADE，JR，ANTONIO C.FERREIRA，GUILHERME G.SOTELO，et al.Voltage sags compensation using a superconducting flywheel energy storage system[J].IEEE Trans on Applied Superconductivity，2005，15（2）：2265-2268.

[8]MAHINDA VILATHGAMUWA D，WIJEKOON H M，CHOI S S.A novel technique to compensate voltage sags in multiline distribution system the interline dynamic voltage restorer[J].IEEE Transactions on Power electronics，2006，53（5）：1603-1611.

[9]FEDERICO DELFINO，GIO BATTISTA DENEGRI，MARCO INVERNIZZI，et al.The use of a static series compensator（SSC）for the mitigation of voltage sags in a radial distribution network[C]//IEEE Power and Tech，Lausanne，Switzerland，2007：1492-1497.

[10]康春雷.电网结构变化对电力系统暂态稳定影响的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，2005.

[11]NESRALLH KHELEF，AZAH MOHAMED，HUSSAIN SHAREEF.Practical mitigation of voltage sag in distribution networks by combining network reconfiguration and DSTATCOM[C]//2010 IEEE International Conference on Power and Energy，Kuala Lumpur，Malaisia，2010，29（1）：264-269.

[12]SANJAY BAHADOORSINGH，JOVICA V.MILANOVIC′，ZHANG YAN，et al.Minimization of voltage sag costs by optimalreconfiguration ofdistribution network using genetic algorithms[J].IEEE Trans on Power Delivery，2007，22（4）：2271-2278.

[13]陶顺，肖湘宁，檀跃亭.多运行方式多网络结构系统电压暂降的随机预估及缓解措施[J].中国电力，2008，41，（4）：30-34. TAO Shun，XIAO Xiangning，TAN Yueting.Stochastic assessment of voltage sags in distribution system with differentoperation modes and network configures[J]. electric Power，2008，41（4）：30-34（in Chinese）.

[14]陈伟，赵锦苹.复杂电网中电压跌落凹陷域的仿真分析[J].电网技术，2014，38（5）：1322-1327. CHEN Wei，ZHAO Jinping.Simulation analysis on vulnerability area of voltage dip in complex power grid[J].Power System Technology，2014，38（5）：1322-1327（in Chinese）.

[15]马莉.基于母线故障引起电压暂降的关键母线和脆弱母线辨识[J].科学技术与工程，2014，14（21）：98-103. MA Li.Key busbars and vulnerable busbars identification based on voltage sag caused by busbar fault[J].Science Technology and Engineering，2014，14（21）：98-103（in Chinese）.

[16]BECKER C，BRAUN W.Proposed chapter 9 for pre-

Grid Structure Evaluation Based on Voltage Sag

MA Li1，LIU Jian2，ZHOU Qian2，ZHANG Zhihua2，WENG Wangyue2，WANG Xiaolu3
（1.School of electrical Engineering，Xi’an University of Science&Technology，Xi’an 710054，Shaanxi，China；2.Shaanxi electric Power Research Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China；3.School of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science&Technology，Xi’an 710054，Shaanxi，China）

To evaluate the grid structure and offer guidance for the operation，planning and transformation of the grid from the angle of voltage sag，vulnerability area matrices of voltage sag caused by four types of bus faults are established respectively in this paper，and the evaluation index of the grid structure is proposed.The proposed index can be used as one of indexes to evaluate the grid structure for relieving voltage sag. On the basis of the IEEE30 bus system，the grid structures changed by switch transform and power access are evaluated by the proposed index.It is proved that the proposed evaluation approach is feasible and effective in guiding the optimization for the grid structure，safe operation，planning and transformation of the grid.

陕西省教育厅资助项目（2013Jkl156）；陕西省科学技术研究发展计划项目（2012K06-13）；校级科研培育基金项目（201320）；西安科技大学博士启动金项目（2013QDJ022）。

Project Supported by Education Department of Shaanxi Province（2013Jkl156）；Science and Technology Research and Development Project of Shaanxi Province（2012K06-13）；School Scientific Research Cultivation foundation（201320）；PhD Research Start-up Foundation of Xiˊan University of Science&Technology（2013QDJ022）.

1674-3814（2015）08-0021-0 5

TM732

A

KEY W0RDS：voltage sag；grid structure；evaluation；switch transform；power access