利用過程免疫時間優(yōu)化保護的電壓暫降緩減方案

李丹丹，肖先勇，劉 陽，李鐵牛，劉旭娜

（1.四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065；2.深圳市海億達能源科技股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

電壓暫降主要由系統(tǒng)故障等引起，是系統(tǒng)正常運行不可避免的現(xiàn)象，給敏感過程和設(shè)備（簡稱“過程”）造成了巨大影響[1-3]。低成本緩減電壓暫降已成為當前的研究熱點。配電網(wǎng)故障是導致暫降的主要原因，暫降深度、持續(xù)時間與供配電系統(tǒng)的保護、自動重合閘等裝置的定值、配合有關(guān)，暫降影響程度還取決于過程免疫力、用戶可接受后果狀態(tài)。因此，研究過程暫降免疫力和用戶可接受后果狀態(tài)，尋找保護與暫降影響程度間的關(guān)系，研究電壓暫降低成本緩減方案，具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外對電壓暫降評估、敏感度、電壓耐受能力及其兼容性等開展了大量研究[4-6]。暫降評估方法有 故障點法[7]、臨界距離 法[8]和暫降域 法[9]等 ，可評估故障引起的暫降頻次，但不能確定暫降持續(xù)時間[10-11]。 文獻[12-14]考慮電壓耐受能力的不確定性，提出了設(shè)備敏感度模糊隨機、隨機模糊、多重不確定性評估方法，但未深入研究暫降與設(shè)備響應(yīng)事件的映射關(guān)系。事實上，電壓暫降問題是系統(tǒng)暫降與過程免疫力之間的兼容性問題，因此，研究電壓暫降問題應(yīng)同時考慮系統(tǒng)電壓暫降確定因素、過程免疫力和用戶可接受后果狀態(tài)，其中，三者的聯(lián)系橋梁是關(guān)鍵。

中低壓供配電系統(tǒng)主要采用電流保護，保護電流和動作時間定值確定了被保護故障導致的暫降幅值和持續(xù)時間[15-16]。即保護動作時間與暫降持續(xù)時間之間存在對應(yīng)關(guān)系，而在給定幅值的電壓暫降作用下，過程受影響程度取決于暫降持續(xù)時間，與過程免疫時間相對應(yīng)。因此，保護動作時間與過程免疫時間是判定過程是否會受暫降影響的關(guān)鍵。對于給定供配電系統(tǒng)和給定敏感過程，過程免疫時間是判定過程是否會受影響的依據(jù)。

國際大電網(wǎng)會議（GIGRE）、國際供電會議（CIRED）和歐洲電力聯(lián)盟（UIE）于2006年成立了暫降免疫力聯(lián)合工作組C4.110，提出了過程免疫時間PIT（Process Immunity Time）[4]概念。 本文基于過程免疫時間，考慮到用戶可接受后果狀態(tài)，將過程暫降免疫力劃分為A、AA、AAA這3個等級，利用過程免疫力與保護動作時間的關(guān)系，提出通過保護定值優(yōu)化與合理配合緩減電壓暫降的方法。對IEEE 14節(jié)點配電系統(tǒng)、某實際系統(tǒng)和2類典型敏感過程進行了仿真，在常規(guī)三段式電流保護以及含有短線路只能通過增加Ⅰ段瞬時電流速斷保護的時間來實現(xiàn)選擇性的特殊情況驗證了方法的正確性和可行性，并證明基于過程免疫時間的保護優(yōu)化方法能在不影響保護選擇性、速動性的同時，緩減電壓暫降。

1 過程免疫時間與免疫力等級

過程免疫時間定義為：過程經(jīng)受電壓暫降后，過程參數(shù)（溫度、壓力、速度、加速度等）超過允許限制值的時間[4]，如圖 1（a）所示[4]。 即過程免疫時間是給定幅值（剩余電壓）電壓暫降作用下，過程能抵御電壓暫降的時間。其中，t1為暫降發(fā)生時刻，Δt為過程固有響應(yīng)延時，t2為過程參數(shù)越過允許值Plimit的時刻，Pnom為過程額定運行參數(shù)。圖1（b）為不同暫降幅值下的過程免疫時間，圖中Usag為電壓暫降幅值（標幺值）?？梢姡煌瑫航捣迪碌倪^程免疫時間不同。

其中，[t2－（t1+Δt）]為從過程響應(yīng)到過程參數(shù)達到最小允許值的時間；[（t1+Δt）－t1]=Δt為過程響應(yīng)延遲時間。同一過程對不同暫降幅值的Δt不同，取決于過程固有屬性，如計算機（PC）的Δt取決于電源直流側(cè)電容。

圖1 過程免疫時間Fig.1 Process immunity time

過程受電壓暫降影響的程度與暫降幅值、持續(xù)時間等暫降特征、過程免疫力有關(guān)。其中，暫降幅值特征取決于導致暫降的故障電流，暫降持續(xù)時間特征取決于故障清除時間，主要是保護時間定值（含機構(gòu)動作時間）。因此，在給定故障下，供配電系統(tǒng)的保護與系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的暫降之間的聯(lián)系橋梁是保護電流和動作時間定值。過程受電壓暫降影響的根本問題在于過程參數(shù)超過了最小允許值。大量研究證明，過程電壓耐受能力具有不確定性[19]，取決于過程參數(shù)變化規(guī)律和用戶可接受后果狀態(tài)?？山邮芎蠊麪顟B(tài)可分為完全正常、自動恢復(fù)和人工恢復(fù)等，利用過程免疫時間刻畫如圖2所示。

圖2 考慮可接受后果狀態(tài)的過程免疫力等級劃分Fig.2 Process immunity level dividing considering acceptable outcome state

由圖2可見，當暫降持續(xù)時間小于Δt時，過程完全正常；持續(xù)時間在[Δt，tPIT]間時，可自動恢復(fù)；大于tPIT時，過程中斷，處于人工恢復(fù)狀態(tài)。即過程可能出現(xiàn)的后果狀態(tài)取決于暫降持續(xù)時間與過程免疫時間之間的關(guān)系。因此，從用戶可接受的人工恢復(fù)、自動恢復(fù)、完全正常等狀態(tài)出發(fā)，利用過程免疫時間，可將過程暫降免疫力分化為A級、AA級和AAA級。

2 基于過程免疫時間的保護優(yōu)化策略

以圖2為例，假設(shè)可接受暫降持續(xù)時間為tPIT。當保護動作時間定值及其決定的暫降持續(xù)時間小于tPIT時，過程正?；蜃詣踊謴?fù)，為可接受狀態(tài)；當暫降持續(xù)時間大于tPIT時為不可接受狀態(tài)。因此，在保證保護選擇性和速動性的前提下，如果保護動作時間小于tPIT，就可避免不可接受狀態(tài)的出現(xiàn)。其他免疫力等級類似。為此，可利用過程免疫時間進行供配電系統(tǒng)保護優(yōu)化。

中低壓供配電系統(tǒng)主要采用三段式電流保護。保護啟動和引起的暫降幅值均取決于故障電流，保護動作時間決定暫降持續(xù)時間。因此，利用過程免疫時間可優(yōu)化保護動作時間。

典型35 kV和10 kV供配電線路的三段式電流保護為：Ⅰ段，瞬時電流速斷保護；Ⅱ段，限時電流速斷保護；Ⅲ段，定時限過電流保護。以圖3線路WL1為例，電流、時間定值如式（2）—（4）所示。

其中，KⅠrel、KⅡrel、KⅢrel為可靠系數(shù) ，一般分別取 1.2～1.3、1.1～1.2、1.15～1.25；I（3）kB.max、I（3）kC.max為母線B、C最大方式下的短路電流；Δt1為定時限保護延時，一般取0.3～0.5 s；TⅠB、TⅢB為WL2 的Ⅰ、Ⅲ段保護動作時間；ILmax為線路最大負荷電流；Kst為自起動系數(shù)，一般取1.5～3；Kre為返回系數(shù)，一般取 0.85～0.95[20]。

圖3 配電線路三段電流保護Fig.3 Three-zone current protection for distribution line

可見，短路電流決定三段保護定值，進而確定暫降幅值和持續(xù)時間。以接入免疫力為A級的過程為例，保護與過程免疫時間的關(guān)系如圖4所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保護的電流定值遞減，暫降幅值遞增。各段保護動作時間定值決定暫降持續(xù)時間。圖4中各段保護定值確定的暫降持續(xù)時間均大于tPIT，因此，過程暫降免疫力為A級。如果減小保護時間，使之小于tPIT，可避免過程出現(xiàn)不可接受狀態(tài)。其他暫降免疫力等級類似，不再贅述。

圖4 保護與過程免疫力之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between protection and process immunity

3 考慮免疫力等級的保護優(yōu)化

保護動作電流取決于故障水平和保護范圍，動作時間決定了保護的選擇性和速動性。電流定值決定暫降幅值，可用臨界距離法或故障點法計算。結(jié)合第1節(jié)提出的免疫力等級劃分方法，確定過程可接受過程免疫時間和過程響應(yīng)時間Δt。比較保護定值和過程免疫時間，在不犧牲保護選擇性、可靠性和速動性的前提下，利用過程免疫時間優(yōu)化保護定值，可緩減暫降影響。優(yōu)化方法如下。

a.根據(jù)故障水平和保護的選擇性、速動性和可靠性等要求，用常規(guī)方法整定保護定值，獲得初始保護電流和時間定值。

b.根據(jù)各段保護電流定值確定的暫降幅值和相應(yīng)的過程參數(shù)變化規(guī)律，確定過程tPIT和暫降響應(yīng)時間 Δt。

c.比較初始保護定值與 tPIT、Δt的大小，以 tPIT、Δt為優(yōu)先級進行保護定值優(yōu)化。如果tPIT、Δt小于初始保護時間定值且不影響保護的選擇性，按tPIT或Δt整定保護時間定值；反之，采用初始定值。如果保護時間定值小于或等于Δt，過程免疫力為AAA級；如果保護時間定值在Δt與tPIT之間，過程免疫力為AA級；若大于或等于tPIT，過程免疫力為A級。以此進行保護優(yōu)化，可低成本減緩暫降的影響。

4 基于過程免疫時間的保護配合與實際應(yīng)用

以過程免疫時間和免疫力等級為依據(jù)，合理配合保護可緩減暫降的影響。根據(jù)用戶可接受后果狀態(tài)確定過程免疫時間，如果過程免疫時間大于暫降持續(xù)時間，過程始終處于可接受狀態(tài)。因此，在允許范圍內(nèi)可優(yōu)化保護配合方式。三段式電流保護配合如下。

I段保護范圍較近，導致的暫降幅值低。保護時間定值一般為0 s，暫降持續(xù)時間最短，幾乎為0 s（決定于機構(gòu)動作時間）。增大I段保護范圍，可增加暫降保護范圍，但會犧牲保護的選擇性，可改善空間不大，原因在于時間定值已為最小時間0 s。

Ⅱ段保護電流定值確定了其保護的暫降幅值，保護時間與暫降持續(xù)時間對應(yīng)。若故障由Ⅱ段保護清除，在保證與I段有可靠時間級差的前提下，減?、蚨螘r間定值，可縮短暫降持續(xù)時間，有改善空間。

Ⅲ段保護電流定值較小，但時間定值較大，對應(yīng)的暫降持續(xù)時間較長。在保證定值級差的前提下，根據(jù)tPIT、Δt和過程免疫力等級確定保護時間，使之決定的暫降持續(xù)時間小于tPIT，過程可始終處于可自動恢復(fù)狀態(tài)。

實際中，可能存在供電半徑較小的配電線路，如圖3所示，假設(shè)WL2線路很短，其線路阻抗很小，其末端與上級WL1線路末端之間的短路電流水平差異很小，按常規(guī)保護整定規(guī)則整定各段線路電流定值，由于WL1、WL2線路I段電流保護的電流定值相差很小，當WL2故障時，WL1線路保護易誤動，即電流定值難以實現(xiàn)保護的選擇性，此時，WL2線路的保護定值按常規(guī)方法整定，而WL1線路通常通過I段電流保護延時來實現(xiàn)保護的配合，Ⅱ段、Ⅲ段保護整定時間相應(yīng)增加，這樣暫降持續(xù)時間增長，暫降嚴重程度增加。對于這類情況，WL1線路可先按常規(guī)方法整定保護電流和時間延時定值，再根據(jù)保護電流定值確定暫降幅值，從而確定可接受的tPIT和Δt，用tPIT與Δt對時間定值在允許范圍內(nèi)進行修定，Ⅲ段保護的時間定值按級差增加，WL1線路的I段、Ⅱ段電流保護的時間定值的優(yōu)化與本文方法中Ⅱ段、Ⅲ段保護的時間定值的優(yōu)化方法類似，因此，對于含短線路的配網(wǎng)系統(tǒng)，本文方法同樣有一定適用性。

可見，通過保護合理配合，可緩減由Ⅱ段和Ⅲ段電流保護以及含短線路的系統(tǒng)中有延時的電流保護清除的故障所引起的電壓暫降的影響。保護方案的優(yōu)化可采用粒子群算法等，流程如圖5所示。也可采用其他算法，本文不再贅述。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flowchart of program

5 仿真與討論

用PSCAD對圖6、圖7給出的IEEE 14節(jié)點配電系統(tǒng)和某實際系統(tǒng)進行仿真，實際系統(tǒng)中的線路7－8為短線路。比較線路1－4和線路1－7在不同的保護整定與配合方式下，母線1接入敏感過程的后果狀態(tài)。

圖6 IEEE 14節(jié)點測試系統(tǒng)Fig.6 IEEE 14-bus test system

圖7 實際測試系統(tǒng)Fig.7 Actual test system

母線1接入由文獻[4]給出的某化學反應(yīng)過程中氧氣測量裝置和冷卻控制器。元件過程免疫時間分別為1 s和3 s，并假設(shè)響應(yīng)時間Δt分別為0.4 s和1 s。在相同故障水平下，傳統(tǒng)方法和本文方法所得保護方案如表1所示。當接入過程的暫降免疫力等級不同時，進行20次仿真，滿足要求的次數(shù)如表2、3所示，電壓暫降特征如圖8、9所示，圖中電壓暫降剩余幅值為標幺值。

表1 保護整定方案Tab.1 Protection setting schemes

表2 滿足氧氣測量裝置不同免疫力等級要求的次數(shù)Tab.2 Number required by different immunity levels of oxygen measuring equipment

表3 滿足冷卻控制器不同免疫力等級要求的次數(shù)Tab.3 Number required by different immunity levels of cooling controller

由表2可見，過程免疫時間較小的過程（氧氣測量裝置，tPIT=1 s），常規(guī)的保護整定方式在本文確定的保護方案下，后果狀態(tài)全部達到AA級和AAA級，出現(xiàn)A級后果狀態(tài)的次數(shù)為0，明顯地緩減了暫降影響；而實際系統(tǒng)中因短線路的存在，暫降嚴重程度增加，本文方法可改善設(shè)備免疫力。

由表3可見，過程免疫時間較大的過程（冷卻控制器，tPIT=3 s），常規(guī)保護整定方式采用本文保護方案，過程免疫力全部達到AAA級，元件不受任何影響；含短線路時AAA級次數(shù)也極大增加。

圖8 IEEE 14節(jié)點系統(tǒng)傳統(tǒng)方法與最優(yōu)方法的暫降特征Fig.8 Comparison of sag characteristics between traditional and optimal schemes for IEEE 14-bus system

圖9 實際系統(tǒng)傳統(tǒng)方法與最優(yōu)方法的暫降特征Fig.9 Comparison of sag characteristics between traditional and optimal schemes for actual system

結(jié)果證明，本文方法適合于配網(wǎng)中常規(guī)與短線路等特殊情況的保護優(yōu)化，對不同過程免疫時間的過程均能緩減暫降影響，過程免疫時間越長，緩減效果越明顯。因此，對于抗風險能力較低、對生產(chǎn)過程要求高的用戶，應(yīng)就tPIT和Δt對設(shè)備制造商提出具體要求，并根據(jù)過程免疫時間確定工廠內(nèi)部配電系統(tǒng)的保護方案，并根據(jù)公用電網(wǎng)的保護方式確定過程接入點和自身設(shè)備保護方式，對于已投入運行的過程，可通過技術(shù)改造或生產(chǎn)工業(yè)改進等方式，提高過程免疫時間，實現(xiàn)敏感過程與系統(tǒng)保護之間的最優(yōu)配合，低成本緩減電壓暫降的影響。

6 結(jié)論與展望

a.過程免疫時間是度量過程暫降免疫力的統(tǒng)一測度，利用過程免疫時間和用戶可接受后果狀態(tài)進行供配電系統(tǒng)保護優(yōu)化和配合，可低成本緩減暫降的影響。

b.保護整定與配合主要取決于系統(tǒng)要求，本文方法對供配電系統(tǒng)的保護無任何不利影響，尤其適用于工廠供電系統(tǒng)的保護配置。

c.基于過程免疫時間優(yōu)化保護的方法，對于緩減由Ⅱ段和Ⅲ段保護清除的故障所引起的電壓暫降的影響效果明顯，并且對含短線路系統(tǒng)中有延時的電流保護切除的故障也能明顯改善設(shè)備免疫力等級。

d.本文提出的過程免疫時間和過程免疫力等級概念還可用于設(shè)備選型、供電方案制定和優(yōu)化過程運行方式等，為解決電壓暫降問題提供了一種有效途徑。

電壓暫降問題涉及過程設(shè)計者、設(shè)備制造商、供電企業(yè)和用戶抗風險能力等，在實際中，還需研究通用的過程免疫時間確定方法，進一步研究保護可靠性、選擇性、速動性與過程免疫時間之間的協(xié)調(diào)關(guān)系等。