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1、第五章 电压暂降与短时间中断 VOLTAGE SAGS AND SHORT INTERRUPTIONS,电压暂降(动态电压)检测与评估,动态电压质量的监测不同于诸如电压偏差等电气量的检测记录，其中最大的区别是要对这种随机性的动态事件做出快速准确的实时检测和科学的统计评估，以发现和找出内在规律，这对控制电能质量问题至关重要。是全面了解已知电网或规划电网各公共连接点电压暂降严重程度、特征参量及其分布特点（凹陷域）的必要手段。为敏感设备正常运行和具有电能质量扰动的设备接入给出评判的标准指标。对于电力企业、高新技术电力用户、设备制造商以及政府招商引资有重要的现实经济意义。,测量与评估方法,电压暂降与短
2、时间停电的测量是对其进行评估的基础工作，由测量提供的特征量（即残压和持续时间，暂降频次是它们的函数）检测数据为评估的基本依据。测量和评估应进行以下5个步骤：1、保证一定的采样率和分辨率通常取128/256点/周期为典型的采样率；电压采样应与系统频率同步。因此，采样频率并不表示为每秒的恒定采样量，而是每个周期的恒定采样量。,测量与评估方法,2、方均根值计算。IEC61000-4-30规定采用每半个周期更新的整周期电压方均根值计算，获得作为时间函数的电压值。3、计算单一事件指标。即计算一次电压暂降大小（残压），持续时间；用于故障排除和事件诊断。4、计算单站点指标。在规定周期时间内监测计算出持续时间
3、、暂降幅值、记录不同暂降阈值下的时间次数。获得电压暂降协调图。用于敏感设备和供电水平之间的兼容评估。为敏感负荷的站点选择、为当地用户了解电能质量信息提供帮助。,测量与评估方法,5、利用局域系统的全部站点指标计算系统指标。利用局域系统全部或部分站点指标加权求平均计算。该指标需要更长监测时间周期（至少一年）。用于用户比较所在接入端的水平和整个系统的供电性能水平；制造商选择设备对电压暂降的免疫力要求；为系统网架改造提供基础数据；,电压暂降测量结果报告,电压暂降特征量分析与检测算法,电压暂降特征量检测概述 电压暂降的幅值大小和持续时间是电压暂降分析与检测的主要特征量，而暂降次数只是以上检测结果的分类统
4、计量，相对要简单许多。虽然，电压暂降的完整特征描述还应包括跌落过程的高频成分和暂降恢复的电压瞬时过冲现象。但通常重点讨论这两个主要特征量。暂降幅值分析与检测算法 可以用多种方法来确定电压暂降的幅值大小。目前大多数电能质量监测仪是通过计算电压方均根值来获取实测暂降大小的，具体处理时可能利用求取电压基波分量或测取每周波或半周波内的峰值电压来确定暂降大小。 以下介绍几种暂降检测算法.,电压暂降特征量检测算法,1.方均根电压值(rms-voltage)测量与计算 当在时间轴上对电压暂降抽样记录时，电压幅值大小可通过时域定义的电压方均根计算求得：其中，N ：每周波的采样数， ：时间域被采样电压。 将上式
5、用于图5-35(a)波形计算，电压均方根值变化结果如图5-35(b) 所示。在5-35图中，均方根值是取一个周波窗采样点 N=256 计算得到的。,整周期RMS 计算结果波形比较,假设220V系统发生持续时间0.087s-0.163s骤降幅值为50%、相位跳变 电压暂降。暂降期间存在电压畸变且在暂降起始时电压出现高频振荡现象. 粉红色为瞬时值计算结果。瞬时计算结果均偏高。红色和深蓝色为d-q（平均值和LPF滤波）算法，绿色为单相电压法,浅蓝色为整周期RMS 计算结果可见，起始时间延迟1个周期，,电压均方根值滑动计算方法,图5-35 曲线上每一点是此前256个采样点计算的结果，有公式：式中，N=
6、256，k=256，257，。可以看出，上式为滑动计算公式。利用它可以在每个采样瞬间得到一个新的电压均方根值. 同样，滑动均方根计算方法也有一个周波的过渡时间（也称为延迟时间 ），由此暂降持续时间也有约1个周期的误差.（过渡时间是由于采样值中仍然保留近1个周期的“历史”数据所引起的。但是滑动算法几乎可以瞬时计算出结果。）,RMS半周波计算方法与结果,下页图所示为128个采样点（即半个周波）的有效值计算结果，所对应的过渡时间（延迟时间）为半个周波。尽管延迟时间被缩短，但其仍然存在着测不准的缺点.,RMS半周波计算方法的约束条件,须指出，窗宽必须是半个周波的整数倍，不能用少于半个周波的短窗来计算方
7、均根值，因为任何其他的窗宽都将给计算结果带来2倍基频的振荡。 练习题：证明正弦函数波形在求RMS时，积分周期应取被测波形函数半个周期的整数倍。否则将附加2倍基频的振荡分量。,RMS基频分量计算频域方法,2. 基频电压分量法（傅里叶变换） 利用基波电压分量计算暂降幅值有一个好处，就是可用它来确定相位角跳变值。以时间 t 为函数的基波电压可以由下式求得,式中 ，T 是基波周期。 注意到，该计算是以复数电压表示的。复数电压的绝对值是以时间t为函数的电压幅值，其幅角可以用来求取相位角。用类似的办法我们还可获得谐波分量的幅值和相角。,虚拟半周波基频分量（DFT,FFT）计算方法,采用方均根值计算法的好处
8、在于，可以简便的用半个周波采样点来处理。若从半个周波数据获取基波分量是相当复杂的事。一种可能的解决办法是，取半个周波数据，利用下式可以计算出下半个周波的数据（这在电力工程中的多数情况下是成立的），令 是半个周波的电压采样值，利用下半个周波的虚拟序列数据 进行付氏变换，可以得到基波电压。,用半个周波求取基波分量的方法对以前所示波形进行计算，其结果如下图所示。观察该图可以看到，从故障前到故障期间的电压变化比整周波图所示的要快，检测迅速。 应注意到，此方法假定电压中不含直流分量，否则，将导致基波电压误差增大。,整数倍周期计算结果,整周波与半周波基频分量法算例比较,半周期计算结果,电压暂降峰值计算方法
9、,3. 峰值电压法（假定电压为纯正弦波形） 变化的峰值电压是时间 t 的函数，可用以下表达式计算式中 是被采样电压波形。T 为半周波的整数倍。,电压暂降峰值计算例分析,图中粉红线为峰值电压计算结果，曲线上每一点为前半个周波电压最大瞬时值虽然我们后边会看到，图与实际暂降发生和暂降清除过程不很相符，但峰值电压曲线表现出很陡的下降沿和上升沿，这与均方根值电压法正好相反。（另外，用 其它方法获得的暂降波形出现了电压过冲，但这与时域过电压相一致）。,电压暂降持续时间测取方法,4. 电压暂降持续时间测量 暂降持续时间的定义为，电压有效值低于某一给定门槛值（即阈值）的电压周期数。每个电能质量监测仪器所设定的
10、门槛值可能并不相同，但通常设定为0.9pu，将暂降事件全部记录下来，并且在事后做进一步细划分类，这是很容易的. 需要注意到，多数电能质量监测仪采用一个周波计算一次均方根值的方法，因而给出的暂降持续时间就会出现超估情况 . 由于最短的 时间窗为半个周波，因此必须接受半个周波的时间误差量。 实时检测时，困难在于准确判断暂降的发生。,相位跳变角测量算法,5.相位跳变角测算 系统短路不仅引起电压幅值快速下降，而且还会改变电压相位角（正的过0点）。正弦电压可表示为有幅值和相位的复数量（或相量），当系统发生某种变化时，如短路故障，电压的变化并非仅限于幅值变化，也包括相位角的变化。 电压出现相位跳变是由于系
11、统和线路的XR值不同，或不平衡凹陷向低压系统传递引起的。在图5-16中，考虑系统与线路阻抗均为复数，忽略所有负荷电流，并假设Vs=1p.u.，可知公共连接点电压为,如果阻抗系数比值满足式子,则无相位跳变；反之则存在相位跳变.多数情况下，相位跳变角在060度之间。,相位跳变角测量算法,相位跳变角表现为瞬时出现的电压过点的位移。相位跳变对大多数设备无关紧要，但对利用相位角（或过零点）信息进行触发角控制的电力电子换流器来讲就会受到影响。 为了获得被测暂降电压的跳变相位角，必须对电压暂降期间和暂降前的相位角做比较。可从电压过0点或从电压基波分量求取跳变相位角。利用FFT算法对信号做变换得到复数基波分量
12、。,单相电压变换算法,6. 单相电压变换（正交向量表示）平均值算法 以下介绍另外一种单相电压变换平均值算法。假设电压信号为式中 为基波角频率。假设 和 是与暂降前电压同相位的正、余弦信号，则可从上式得到两个新变量：,单相电压变换算法,代入后生成两个正交函数表达式对以上两个新信号取基波频率半个周期（或其整数倍）的平均值（将只保留常数项）,可得到正交矢量表达式换言之，通过以上推导, 则可由 、 的平均值求出 和 ，从而可以得到，暂降幅值:相位跳变角:,单相电压变换算法推导,单相电压变换算法推导,求取正交变量在一个周期的平均值,正交矢量的模值为欲检测的电压暂降幅值；由其比值可计算出相位跳变值,-,代
13、入原定义式,构造正交矢量（在周期区间上，该两函数内积结果为0），生成两个独立新变量,缺损电压计算方法,7.缺损电压计算方法(missing voltage technique) 其基本思路是，求取实际发生的电压瞬时值与期望值的差。由于该方法简单有效，是电压暂降补偿检测算法中较早和广泛采用的基本方法。 该方法的要点问题是，寻找到与被补偿系统电压同步的理想(期望)的瞬时电压。当PLL技术成熟后，该方法较容易实现了。,基于3-2变换的瞬时电压分解法,8. 瞬时电压分解（ 3-2变换）法 “缺损电压法”将期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之间的差值作为暂降缓解装置应补偿的电压，可较好地解决暂降检测的实时性
14、。但暂降缓解装置的补偿量超过其本身注入能力时，暂降的补偿应加以特殊考虑。为此，反映暂降电压特征的幅值和相位的瞬时确定，不仅对暂降的瞬时记录与评估，而且对暂降的实时补偿均具有非常重要的意义。采用该方法不可能作到对补偿装置补偿容量的动态控制。 除上述检测方法之外，新近提出了电压暂降幅值与相位跳变及其它特征量的实时（瞬时）检测方法。原理推导见 P158。 实际系统发生的电压暂降多为单相事件， 考虑到三相三线制电路的特点，以单相电源为参考电压可构造一个虚拟的三相系统。,虚拟三相系统与abc-dq变换,以 a 相为例，首先将 延时 得 ，然后由 推算获得 。借助3-2变换将三相电压变换到d-q轴：式中变
15、换阵 中 和 是与扰动前a相电压同相位的正、余弦同步信号。 将变换后d、q分量电压中的直流成分 和 提取出来，则可得：,虚拟三相系统与abc-dq变换,（中间推导过程见P158159）式中， 和 分别为暂降幅值和跳变相位角。其中， 和 经实测计算获得，然后由上两式可求出暂降电压的幅值和跳变相位角为：,问题1：直流成分与基波分量的关系；问题2：是否可瞬时求取电压均方根值？,电压暂降单相控制原理图,3-2变换,各种检测方法的仿真结果比较,10. 各种检测方法的仿真结果比较 利用MATLAB仿真对同一暂降电压采用不同方法进行检测的结果如图1- 图7所示。仿真中设定220V系统在0.087s-0.16
16、3s之间发生幅值50%、具有相位跳变、暂降期间存在电压畸变且在暂降起始时电压出现高频振荡现象的电压暂降，如图1所示。图1 具有相位跳变的系统电压暂降波形（单位：伏/秒）Fig.1 Voltage sag waveform with phase angle jump,电压暂降峰值计算与其他算法比较,下图对几种检测种方法作了比较。不难看出，除暂降较深的时间段之外，大多数时间里峰值电压结果都明显偏高。,均方根计算,峰值计算,单相电压计算（见后）,瞬时电压1计算,瞬时电压2计算,各种检测算法结果波形对比图,图2 半周期采样电压暂降幅值检测比较 图5 整周期采样电压暂降相位跳变检测比较 图3 半周期采样
17、电压暂降相位跳变检测比较 图6 半周期采样电压暂降幅值检测下降速度比较 图4 整周期采样电压暂降幅值监测比较 图7 半周期采样电压暂降幅值检测上升速度比较,瞬时电压d-q分解平均值法（红色）：方法一瞬时电压d-q分解LPF法（深兰色）：方法二Bollen d-q分解法（绿色）：方法三电压有效值检测方法（浅兰色）：方法四电压峰值检测方法（粉红色）：方法五（不同显示器，色彩会发生变化）瞬时电压3-2变换算法应用于电压暂降补偿（DVR-）的仿真示例将在第五章中介绍。以上内容可参见已发表论文电压暂降特征量检测算法研究。,动态电压事件记录仪硬件构成与检测结果,硬件结构图,分析结果,电压凹陷域的基本概念,
18、当系统发生故障引起电压暂降，使在此阈值下所关心的敏感负荷不能正常工作的故障点所在区域称为凹陷域。当用户已知自身设备的敏感曲线并决定接入电网某PCC处，其凹陷域就已确定。求取凹陷域的方法有：故障点仿真法;故障点逐段短路计算法; 临界距离法等。,采用故障点仿真法，求取的IEEE-230kV6母线输电系统的BUS3的暂降幅值80，70和50的单相短路凹陷域,电压凹陷域与设备敏感度的关系,设备的凹陷域反映了设备受影响的电网故障范围；设备对电压暂降的敏感度不同，其凹陷域不同；当系统接线及阻抗一致，设备凹陷域越大，其电压暂降承受值要求越高，对暂降的敏感度越高，因暂降造成非正常工作可能性越大。 配电网中用户
19、的电压暂降由凹陷域内输电侧和配电侧的故障决定。,对暂降幅值90%的敏感变频驱动设备和敏感值50%的接触器在系统内的三相短路凹陷域图,预知电压凹陷域的必要性,凹陷域可作为辅助服务决策系统供调度员在满足电网输配电合理调配的前提下选择合适的运行方式以缓解用户发生暂降事件，实现电网的动态安全防御和可靠优质经济运行；可利用凹陷域内故障发生的历史记录来评估用户设备年电压暂降期望次数和年电压暂降经济损失。这是电力市场条件下将要掌握的系统运行可靠性与经济性评价的重要基础数据;凹陷域可作为系统设计(如防雷设备和绝缘加强点的选择)和区域配电系统电压暂降缓解措施科学布局的依据之一;凹陷域可作为在故障条件下敏感设备是
20、否发生暂降事件的判断条件，以及敏感(重要)用户选厂择址的依据.国际上电力专家认为，电压暂降的预估分析以及电压凹陷域的程序计算如同电力系统潮流计算、短路计算等将成为系统必备的常用计算。,统计分析方法电压凹陷域,凹陷域用来显示，当系统中的一些区域发生三相短路故障时电网中的观察点感受到的残压水平。例如，图中所表示的是，在浅灰色区域内发生三相短路故障时，观察点（塑胶公司）电压暂降（残压）将为50-70%；在深灰色区域内的三相故障残压为25-50%；,电压凹陷域与设备敏感度的关系,设备的凹陷域反映了设备受影响的电网故障范围；设备对电压暂降的敏感度不同，其凹陷域不同；当系统接线及阻抗一致，设备凹陷域越大，
21、其电压暂降承受值要求越高，对暂降的敏感度越高，因暂降造成非正常工作可能性越大。 配电网中用户的电压暂降由凹陷域内输电侧和配电侧的故障决定。,对暂降幅值90%的敏感变频驱动设备和敏感值50%的接触器在系统内的三相短路凹陷域图,预知电压凹陷域的必要性,凹陷域可作为辅助服务决策系统供调度员在满足电网输配电合理调配的前提下选择合适的运行方式以缓解用户发生暂降事件，实现电网的动态安全防御和可靠优质经济运行；可利用凹陷域内故障发生的历史记录来评估用户设备年电压暂降期望次数和年电压暂降经济损失。这是电力市场条件下将要掌握的系统运行可靠性与经济性评价的重要基础数据;凹陷域可作为系统设计(如防雷设备和绝缘加强点的选择)和区域配电系统电压暂降缓解措施科学布局的依据之一;凹陷域可作为在故障条件下敏感设备是否发生暂降事件的判断条件，以及敏感(重要)用户选厂择址的依据.国际上电力专家认为，电压暂降的预估分析以及电压凹陷域的程序计算如同电力系统潮流计算、短路计算等将成为系统必备的常用计算。,
