基于單端口網(wǎng)絡內電阻極性的電壓暫降追源方法

時 昀，倪 冰，宋思松，周玉明

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基于單端口網(wǎng)絡內電阻極性的電壓暫降追源方法

時 昀，倪 冰，宋思松，周玉明

(盱眙縣供電公司，江蘇 淮安 211700)

電壓暫降追源即確定電壓暫降擾動源相對于監(jiān)測裝置的位置。以對電網(wǎng)故障的分析為切入點，應用端口網(wǎng)絡理論，將任何復雜電網(wǎng)在電壓暫降源監(jiān)測裝置安裝處等效為2個“有源單端口網(wǎng)絡”。視電網(wǎng)故障為“有源單端口網(wǎng)絡”的外部擾動，測量并計算出“有源單端口網(wǎng)絡”的內電阻，依據(jù)“有源單端口網(wǎng)絡”的內部電阻的極性，對電壓暫降源相對于電壓暫降源監(jiān)測裝置的位置進行判斷。內電阻為正，電壓暫降源與參考方向相反，即上游。內電阻為負，電壓暫降源與參考方向相同，即下游。給出了內部電阻的計算方法。所提出的電壓暫降源定位方法具有堅實的理論基礎。仿真結果表明，該方法對輻射式、非輻射式，以及中性點有效接地和非有效接地的混合電網(wǎng)的電壓暫降源定位準確率達到100%，是一種非常實用的電壓暫降源定位法。

電能質量；電壓暫降；源定位；序分量；空間矢量

0 引言

電壓暫降，是指供電電壓均方根值在短時間內下降至額定電壓幅值的10%~90%，典型持續(xù)時間為10 ms~1 min的一種現(xiàn)象[1]。在現(xiàn)有的電能質量投訴中，電壓暫降問題最為嚴重，占投訴比80%[2]。頻頻出現(xiàn)的電壓暫降問題會對工業(yè)生產(chǎn)，特別是一些自動化程度很高的設備產(chǎn)生嚴重影響，以至于經(jīng)濟利益上蒙受巨大損失[3-4]。電能是一種由供、用電雙方共同保證質量的特殊產(chǎn)品。對電壓暫降源定位進行研究的意義在于，當電壓暫降產(chǎn)生時，對引起暫降的源頭進行追溯，可以為解決相應問題給予指導，并為界定供、用電雙方責任給出依據(jù)。

暫降源定位，就是確定引起電壓暫降的擾動源位于監(jiān)測裝置的哪一側[5]?，F(xiàn)有的暫降源定位法依其原理可歸為兩類。第一類，基于擾動功率流的方法。文獻[6]最早提出了利用擾動能量和擾動功率初始峰值對電壓暫降源進行定位的方法，文獻[7]用小波分析對該方法進行了改進，文獻[8-9]在該方法基礎上引入擾動無功功率和無功能量，使之得到拓展。第二類，基于阻抗的方法。系統(tǒng)軌跡斜率法[5]與電流實部極性法[10-12]，較適用于對稱故障的定位。文獻[13]提出零序分量的判別法，對非對稱擾動源定位準確度有所提高，但受算法限制定位準確率仍難滿足要求。等效阻抗實部極性法[14]易受故障周期選擇的影響。距離阻抗繼電器法[15-16]適用于非輻射網(wǎng)絡。文獻[17]提出基于Hilbert變換的復阻抗判定法僅限于三相對稱故障的判定。在此之外，文獻[18]提出綜合的判斷方法為暫降源定位提供了新的思路。文獻[19-21]表明現(xiàn)有暫降源定位方法能準確定位對稱故障引起的電壓暫降事件，對非對稱故障引起的暫降定位準確率不高，而且不適用于非輻射式電網(wǎng)。因此對暫降源進行定位的方法需要進一步的研究。

1 確定電壓暫降位置的思路

1.1 電壓暫降源位置的定義

電壓暫降源定位就是確定電壓暫降源在監(jiān)測裝置的哪一側[5]。為確定電壓暫降源相對監(jiān)測裝置的位置，要選定一個“參考方向”。上文中介紹了現(xiàn)有電壓暫降源定位方法都“規(guī)定”電網(wǎng)正常運行時基波有功電流的實際流動方向為參考方向。在該參考方向選定后，從監(jiān)測裝置安裝處觀察，電壓暫降擾動源位置與參考方向的相同時，暫降源位于“下游”；反之則認定為“上游”。對于單電源輻射式配電網(wǎng)(如圖1)，或是用戶側有自發(fā)電的雙側電源輻射式電網(wǎng)(如圖1中用戶側電源E2僅供用電戶自給用電，不會向供電側反送電)，有功電流方向由電源指向負荷，參考方向是易于選定，且方向不變的。在這種確定參考方向的條件下，擾動在監(jiān)測裝置的上游即擾動位于監(jiān)測裝置的供電側；反之，則位于監(jiān)測裝置的用戶側。但對于環(huán)網(wǎng)(如圖2)或是雙側電源電網(wǎng)，實際有功電流方向與負荷大小、分布與電源的出力有關。即實際情況是隨時間變化，各個監(jiān)測點的參考方向不是“確定”的。因此，即使已做出了上下游的定位判斷，仍不能確定暫降源相對監(jiān)測裝置的位置。所以，由此看來，現(xiàn)有的電壓暫降源定位方法都不適用于包括環(huán)網(wǎng)在內的混合電網(wǎng)。為使該問題得到解決，本文提出的電壓暫降源定位法使用監(jiān)測裝置的電流和電壓互感器的極性(同名端)“確定”有功電流參考方向。正常情況下我們“規(guī)定”負荷消耗有功功率為有功電流的正參考方向，與監(jiān)測點的實際有功電流的流向無關，如圖2中下方的“→”。在參考方向明確的條件下，暫降源的相對位置很容易確定，將監(jiān)測點合理分布，即可準確定位電壓暫降源。因此，本文所提方法能適用于包括環(huán)網(wǎng)在內的混合電網(wǎng)。

圖1 單回路放射式電網(wǎng)

圖2 手拉手供電網(wǎng)絡

1.2 確定電壓暫降位置的思路

電力系統(tǒng)中，電壓暫降的起因是電網(wǎng)中存在擾動(如：短路故障、大電機啟動、電容的投切等)。 以電力系統(tǒng)中典型的短路故障來說，在電力系統(tǒng)中幾乎不可能同時出現(xiàn)兩個及以上的短路故障。因此，我們在分析時認為電力系統(tǒng)中只存在一個短路故障的情況，并將電力系統(tǒng)中的元件認定為線性的。依據(jù)線性電路端口網(wǎng)絡理論，對任何電網(wǎng)從電壓暫降源(短路點)向兩側電能質量監(jiān)測裝置1和2觀察，不管電網(wǎng)的拓撲結構多么復雜，對外部電路而言，都可以分別在監(jiān)測裝置1和2處等效為2個有源單端口網(wǎng)絡。因配電網(wǎng)短路容量不是很大，可近似認為端口網(wǎng)絡中的電源為理想電源。因此，對于外部電路，不管有源端口網(wǎng)絡的內部有多復雜，總可以用一個理想電壓源和一個線性阻抗相串聯(lián)的有源支路來代替，如圖3。圖3中：為供電側等效電源矢量，則定義為系統(tǒng)供電側等效的內阻抗，，分別為用電側等效電源矢量和內阻抗，和分別為擾動源到2個監(jiān)測點的線路阻抗，1和2是2個監(jiān)測點，下方“→”表示監(jiān)測點有功電流的參考方向，為短路故障(即電壓暫降擾動源)點。在點監(jiān)測到的電壓和電流矢量為

依據(jù)有源單端口網(wǎng)絡的特性，若電流由有源單端口網(wǎng)絡向外部電路流出，即發(fā)出有功功率，等值阻抗的實部為負，阻抗特性如圖4中第一象限；若電流由外部流入有源單端口網(wǎng)絡，即消耗有功功率，等值阻抗的實部為正，阻抗特性如圖4中第二象限。按照本文對有功電流參考方向的“規(guī)定”：電阻消耗有功功率為有功電流的正參考方向。因此，在監(jiān)測點監(jiān)測到的計算值等于從電壓暫降擾動源點向監(jiān)測點觀察，點等效端口網(wǎng)絡的內部電阻值，符號決定于點的參考方向，當參考方向是從端口網(wǎng)絡向外時，符號為“負”，如圖3左側1點端口網(wǎng)絡，故障擾動源在與監(jiān)測點有功電流參考方向的相同方向，即下游；相反，參考方向是從外部指向端口網(wǎng)絡內部時，符號為“正”，如圖3右側2點端口網(wǎng)絡，故障擾動源在與監(jiān)測點有功電流參考方向的相反方向，即上游。即：

根據(jù)有源端口網(wǎng)絡理論，任何網(wǎng)架結構都可以視為為圖3所示等效網(wǎng)絡模型，模型參數(shù)僅與電壓暫降源擾動點在網(wǎng)架結構中的位置、電壓暫降源監(jiān)測裝置的安裝位置、網(wǎng)架結構和電網(wǎng)中各個元件的參數(shù)有關。因此，該方法適用于任何網(wǎng)架結構電網(wǎng)(輻射式、環(huán)式、單回路、單電源、多電源)的暫降源定位判斷。

2 阻抗實部的計算方法

有源單端口網(wǎng)絡等效電路內阻抗的實部可由式(4)計算得到

圖3中點測得的有源單端口網(wǎng)絡等效電路內電阻值如圖6曲線。

圖6 三相短路故障mi測得的內電阻Remi

即不對稱電壓暫降負序擾動電壓和電流矢量就是電壓暫降期間的負序電壓和電流矢量。這里，上標“-”表示“負序”。顯然，按式(8)計算負序擾動電壓和電流要比按式(6)計算正序擾動電壓和電流更為簡單。按照對稱分量理論，式(9)和式(10)可提取得到監(jiān)測點的電壓和電流信號的負序對稱分量如式(9)、式(10)所示。

對監(jiān)測點的電壓和電流信號每基波周期采樣點，并且取為3的整數(shù)倍，由得到負序電壓、電流采樣值的離散表達式如式(11)、式(12)所示。

由式(8)可計算得負序有源單端口網(wǎng)絡的等值內電阻為

圖4中點的等值阻抗監(jiān)測值如圖7中曲線所示。

圖7 不對稱故障時測得的內電阻值Remi

雖然以上結論是假設圖3是線性電路推得的，但“有源端口網(wǎng)絡”等值阻抗的計算值與負荷無關，只要準確測量出監(jiān)測點基波電壓、電流的擾動矢量，就能準確計算出等值阻抗，因此，本文所提方法也同樣適用于電路中有非線性負載(元件)的情況。綜上所述，電壓暫降源定位可遵循圖8框圖步驟。

圖8 所提方法的執(zhí)行框圖

Fig. 8 Flowchart of the proposed method

3 仿真驗證

3.1 輻射式電網(wǎng)

用本文所提方法(SIR)對圖1輻射式電網(wǎng)進行仿真，仿真判斷結果見表1，定位準確率為100%。

表1 SIR暫降源定位方法的仿真判斷結果

圖1中E1是無限大電源，短路容量1 000 MVA，E2的容量為100 kVA ，實際發(fā)出有功功率33 kW。3個變壓器的容量選取為6.3 MVA、1 MVA和1.25 MVA，其連接方式如圖1所示。在所接負荷中，T3的負載側連接一可控整流源作為非線性負荷。系統(tǒng)接地情況為：110 kV、380 V側中性點接地，10 kV側中性點不接地。仿真設置有4個故障點和6個監(jiān)測點。F1、F2、F3和F4表示4個故障點，1、2、3、4、5和6表示6個監(jiān)測點。每個故障點都以4種故障類型進行仿真，依次為單相接地短路、兩相接地短路、兩相短路和三相短路。相應的故障類型在表1的“()”內表示，如F1(1)、F2(1,1)、F3(2)和F4(4)分別表示F1單相接地、F2兩相接地短路、F3兩相短路和F4點三相短路。該仿真實驗給定的參考方向如圖1監(jiān)測裝置下方“→”所示。表1中“↓”表示下游，“↑”表示上游，“*”表示觀測點三相電壓均未達到電壓暫降標準，不作暫降源定位判斷。

3.2 非輻射式電網(wǎng)

本文所選手拉手供電網(wǎng)如圖2所示，仿真參數(shù)如下：E1、E3為無窮大電源，短路容量分別為1 000 MVA、1 200 MVA。E2、E4選型分別為QR-60-2、QR-30-2，實際出力為52 kW、25 kW，'d依次為21、21.7。變壓器容量分別為6.3 MW、1 MW、1.25 MW、6.3 MW、1.25 MW，其連接方式及所接負荷見圖2。用本文所提方法對圖2所示手拉手供電網(wǎng)進行仿真，8個觀測點參考方向如圖2中“→”所示，仿真判斷結果見表2，定位準確率為100%。證明本文所提方法適用于任何網(wǎng)架結構。

表2 SIR暫降源定位方法的仿真判斷結果

3.3 大電機啟動

大電機啟動的仿真模型，由圖1所示放射電網(wǎng)中T2變壓器的350+j200 kVA負荷替換為等容量的異步電機構成。圖9(a)為異步電機在0.4 s啟動時觀測點3測量到的電壓、電流波形。圖9(b)為異步電機啟動時3和4測量點得到的端口網(wǎng)絡內部電阻值。，該擾動源位于3下游；，擾動源位于4上游，與實際情況相符。其余觀測點電壓降低未達到電壓暫降源定義范圍(小于90%額定相電壓)，不作定位判斷。

圖9感應電機啟動

4 結論

從電壓暫降源點向電網(wǎng)兩側觀察，任何電網(wǎng)都可以在電壓暫降源監(jiān)測裝置安裝處分別等效為2個有源單端口網(wǎng)絡，并都可以用有源單端口網(wǎng)絡等效代替。按照有源單端口網(wǎng)絡內電阻的符號，可準確地定位暫降源的方向。內電阻的符號為正時，擾動在監(jiān)測點參考方向的相反方向，即上游；內電阻的符號為負時，擾動在監(jiān)測點參考方向的相同方向，即下游。所提電壓暫降源定位方法依據(jù)線性電路端口網(wǎng)絡理論，有堅實的理論基礎，因此，可確定性地定位暫降源。由于本文所提定位方法僅通過基波電壓和電流計算、判斷，與電路中的負載性質(線性與非線性)無關，因此，適用于有非線性負荷電網(wǎng)的電壓暫降源定位。所提方法是基于有源端口網(wǎng)絡理論，從擾動源點向監(jiān)測點觀察，任何復雜網(wǎng)架結構的電網(wǎng)在電壓暫降源監(jiān)測裝置的安裝位置都可以等效為一個有源單端口網(wǎng)絡，因此，該方法適用于任何網(wǎng)架結構電網(wǎng)(輻射式、環(huán)式、單回路、單電源、多電源)的暫降源定位判斷。雖然本文所提方法是按照電網(wǎng)故障擾動推導分析而得的結論，但該方法同樣適用于其他擾動(如：電容投切、變壓器投切、大電機啟動等)的暫降源定位。

[1] IEEE Std. 1159-1995 recommended practice for monitoring electric power quality[S]. Draft 5. 1995.

[2] GRANAGHAM M F, MUELLER D R, SAMOTYJ M J. Voltage sags in industrial systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1993, 29(2): 397-403.

[3] 陶順, 肖湘寧, 劉曉娟. 電壓暫降對配電系統(tǒng)可靠性影響及其評估指標的研究[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(21): 63-69.

TAO Shun, XIAO Xiangning, LIU Xiaojuan. Study on distribution reliability considering voltage sags and acceptable indices[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(21): 63-69.

[4] SAMOTYJ M J, MIELEZARSKI W, WASILUK-HASSA M M. Electric power for the digital age[C] // 10th international Conference on Harmonics and Quality of Power, Brazil, 2002, l: 276-282.

[5] LI C, TAYJASANANT T, XU W, et al. Method for voltage-sag detection by investigating slope of the system trajectory[J]. IEE Proc Gen, Transm, and Distrib, 2003, 150(3): 367-372.

[6] PARSONS A C, GRADY W M, POWERS E J, et al. A direction finder for power quality disturbances based upon disturbance power and energy[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(3): 1081-1086.

[7] 楊杰, 王金浩, 章雪萌, 等. 基于小波多分辨率分析的電壓暫降源定位研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(22): 90-95.

YANG Jie, WANG Jinhao, ZHANG Xuemeng, et al. Analysis of voltage sag source location based on wavelet multiresolution method[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(22): 90-95.

[8] LEBORGNE R C, MAKALIKI R. Voltage sag source location at grid interconnections: a case study in the zambian system[C] // IEEE Lausanne PowerTech. 2007: 1852-1857.

[9] KONG Wei, DONG Xinzhou, CHEN Zhe. Voltage sag source location based on instantaneous energy detection[C] // Electric Power System Research, 2008, 78: 1889-1898.

[10] HAMZAH N, MOHAMED A, HUSSAIN A. A new approach to locate the voltage sag source using real current component[J]. Electric Power System Research, 2004, 72(2): 113-123.

[11] HAMZAH N, MOHAMED A, HUSSAIN A. Locating voltage sag source at the point of common coupling in industrial distribution systems[C] // IEEE PEDS 2005: 532-537.

[12] GAO Jie, LI Qunzhan, WANG Jia. Method for voltage sag disturbance source location by the real current component[C] // Power and Energy Engineering Conference, 2011: 1-4.

[13] POLAJZER B, STUMBERGER G, SEME S, et a1. Detection of voltage sag sources based on instantaneous voltage and current vectors and orthogonal Clarke’s transformation[J]. IET Gener Transm Distrib, 2008, 2(2): 219-226.

[14] TAYJASANANT T, LI C, XU W. A resistance sign-based method for voltage sag source detection[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(4): 2544-2551.

[15] KUMAR A, ROUTRAY A. Applying distance relay for voltage sag source detection[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(1): 529-531.

[16] YU Yilin, XU Yonghai. Research of method for voltage sag source detection in power distribution network[C] // 6th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2011: 485-488.

[17]程志友, 王雪菲, 徐佳. 一種基于復阻抗的電壓暫降定位方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2016, 44(4): 149-154.

CHEN Zhiyou, WANG Xuefei, XU Jia. A voltage sag detection method based on complex impedance[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 44(4): 149-154.

[18]呂干云, 吳育聰. 電壓暫降源定位的優(yōu)化綜合判據(jù)法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2013, 41(5): 66-71.

Lü Ganyun, WU Yücong. Optimization comprehensive criterion of voltage sag source location[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(5): 66-71.

[19] 何維國, 董瑞安, 張孝銀, 等. 配電網(wǎng)中電壓暫降源定位方法比較[J]. 電測與儀表, 2011, 48(8): 53-58.

HE Weiguo, DONG Ruian, ZHANG Xiaoyin, et al. Comparison of methods for voltage sag source detection in distribution system[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2011, 48(8): 53-58.

[20]趙瑩, 趙川, 葉華, 等. 應用主成分分析約簡電壓暫降擾動源識別特征的方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(13): 105-110.

ZHAO Ying, ZHAO Chuan, YE Hua, et al. Method to reduce identification feature of different voltage sag disturbance source based on principal component analysis[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(13): 105-110.

[21] 張逸, 林焱, 吳丹岳. 電能質量監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(2): 138-147.

ZHANG Yi, LIN Yan, WU Danyue. Current status and development trend of power quality monitoring system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 138-147.

(編輯 周金梅)

Voltage sag source location method based on the polarity of single port network internal resistance

SHI Yun, NI Bing, SONG Sisong, ZHOU Yuming

(Xuyi Power Supply Company, Huaian 211700, China)

Locating the voltage sag source is to determine on which side of a monitoring device the voltage sag originates. This paper takes the analysis of power grid faults as an entry point and applies the port network theory, and then any complex power network at both sides of voltage sag source monitoring devices can be equivalent into two active single-port networks respectively. Grid faults are regarded as external disturbances of “active single-port network”, meanwhile the internal resistance of the “active single-port network” will be measured and calculated. Based on the sign of internal resistance in these two active single-port networks, the voltage sag source location relative to the monitoring devices can be identified accurately. If the sign of internal resistance is positive, the location of voltage sag source is opposite to the reference direction, that’s upstream. If the sign of internal resistance is negative, the location of voltage sag source is consistent with the reference direction, that’s downstream. Calculation method of internal resistance is given. The proposed method has a solid theoretical basis. Simulation results show that this method can locate voltage sag source with an accuracy of 100% in power networks with various topologies, such as radial or non-radial power systems as well as the network adopted neutral grounded effectively or ineffectively. It is a practical and effective method for voltage sag source location.

power quality; voltage sag; source location; sequence component; space vector

10.7667/PSPC152112

2015-12-05；

2016-06-25

時 昀(1974-)，女，高級工程師,長期從事電力生產(chǎn)技術及管理工作。