海南電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

方 銘，李天楚

(1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，海南 ?？?570311； 2.海南省電網(wǎng)理化分析重點實驗室，海南 ?？?570311)

0 引 言

海南自由貿(mào)易港建設(shè)總體方案的實施，必然帶基動大量高精尖工業(yè)用戶的投資入駐，供電質(zhì)量是發(fā)展重要保障。微機(jī)、計算機(jī)、芯片、機(jī)器人等高端制造業(yè)以及自動化智能技術(shù)等高新產(chǎn)業(yè)對電壓暫降非常敏感，可能造成工業(yè)過程中斷導(dǎo)致用戶產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。以海南電網(wǎng)近三年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析海南電網(wǎng)電壓暫降特征，是科學(xué)解決電壓暫降問題的前提。

電壓暫降被定義為電壓幅值在某一時刻開始減小，經(jīng)過一定時間恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的暫態(tài)現(xiàn)象。國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)將電壓暫降事件定義為電壓有效值下降到正常工作電壓的1%～90%，持續(xù)時間為0.01 s～1 min的暫態(tài)現(xiàn)象[4]。電壓暫降是電力系統(tǒng)正常運行不可避免的電能質(zhì)量現(xiàn)象，主要由電網(wǎng)短路故障、變壓器激磁和大電機(jī)啟動等原因造成，導(dǎo)致工業(yè)用戶敏感設(shè)備跳停，用戶抱怨嚴(yán)重。電壓暫降有幅值、持續(xù)時間、相位跳變、波形點等一系列單次事件特征。各特征偏離正常值，導(dǎo)致敏感設(shè)備不能在額定參數(shù)范圍內(nèi)正常工作，進(jìn)而發(fā)生設(shè)備跳停事故[5]。治理各地區(qū)電壓暫降現(xiàn)象，需要從數(shù)據(jù)源入手展開分析。

現(xiàn)有研究圍繞電壓暫降發(fā)生、危害等方面展開[6-7]。文獻(xiàn)[8-9]從統(tǒng)計描述的角度對暫降特征量進(jìn)行了深度分析。CIGRE C4.110工作組對不同暫降源導(dǎo)致的電壓暫降波形進(jìn)行了詳細(xì)劃分[10]，從波形特點映射出暫降原因，有助于對敏感用戶進(jìn)行后果評價及責(zé)任劃分[11-12]?；诜岛统掷m(xù)時間的電壓暫降耐受曲線(voltage tolerance curve，VTC)，是刻畫敏感電壓暫降設(shè)備耐受能力的主要手段。文獻(xiàn)[13-15]在進(jìn)行敏感設(shè)備耐受能力測試時，考慮了相位跳變的影響，設(shè)置不同相位跳變參數(shù)進(jìn)行耐受試驗，研究其對敏感設(shè)備的影響程度。電壓暫降類型以三相電壓幅值和相位進(jìn)行刻畫，不同類型具有不同的幅值和相位特征，對敏感用戶的影響也不同。文獻(xiàn)[16]在進(jìn)行敏感設(shè)備耐受力測試時，也考慮了暫降類型。對暫降特征量進(jìn)行統(tǒng)計分析，有助于揭示暫降原因，了解地區(qū)暫降水平，為暫降治理及預(yù)防提供基本依據(jù)。

下面采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的思想，考慮幅值、持續(xù)時間、相位跳變和暫降類型4個特征量，對海南電網(wǎng)5個主要城市的電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行特征計算和分析，揭示了各地區(qū)導(dǎo)致暫降的主要原因及其比例，以及暫降幅值和持續(xù)時間的分布情況。通過對相位跳變的統(tǒng)計分析，預(yù)測了該地區(qū)敏感設(shè)備受相位跳變影響情況；最后，計算和分析了各地區(qū)暫降類型情況，為電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的電壓暫降治理提供技術(shù)依據(jù)。

1 電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)概況

目前，中國主流監(jiān)測裝置的暫降觸發(fā)算法統(tǒng)一采用IEC 61000-4-30的標(biāo)準(zhǔn)[4]，記錄的波形包括了暫降開始前5個周期和暫降結(jié)束后5個周期。篩除電壓中斷、噪聲干擾較大、波形紊亂的數(shù)據(jù)，所采用的電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)共2786條，來源于2018年1月16日至2020年3月30日海南省三亞供電局、海口供電局、文昌供電局、瓊海供電局和儋州供電局共5個地市局所屬的17個變電站監(jiān)測平臺，包含110 kV和220 kV兩個電壓等級。

經(jīng)統(tǒng)計，5個城市分別記錄到685次、858次、332次、234次、677次電壓暫降；兩個電壓等級分別監(jiān)測到729次和2057次電壓暫降?；谝延斜O(jiān)測數(shù)據(jù)，對該地區(qū)電壓暫降幅值、持續(xù)時間、相位跳變、電壓暫降類型等特征量進(jìn)行分析，探明海南地區(qū)近兩年的電能質(zhì)量擾動狀態(tài)，為電壓暫降治理及預(yù)防提供關(guān)鍵決策依據(jù)。

2 基于實測數(shù)據(jù)的電壓暫降源分析

2.1 電壓暫降原因

造成電壓暫降的原因包括短路故障、變壓器激磁、大電動機(jī)啟動等；如果在非有效接地系統(tǒng)發(fā)生短路故障，導(dǎo)致電壓暫降的同時，還會發(fā)生電壓暫升。不同電壓暫降源導(dǎo)致的電壓暫降波形不同，根據(jù)波形特征可推測某地區(qū)電壓暫降的主要原因，為暫降治理提供相關(guān)信息。

1)以三亞供電局監(jiān)測平臺某條監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，三相電壓有效值波形呈矩形，如圖1所示。黑色、藍(lán)色和紅色曲線分別表示A、B、C相電壓有效值。本次暫降事件的B相電壓幅值在1個周期的時間內(nèi)從額定電壓瞬間跌落至1.5 kV左右，并持續(xù)約53個周期，再恢復(fù)為額定電壓。而A、C相電壓沒有發(fā)生跌落，可以判斷此次暫降事件是由單相(B相)接地故障造成。

圖1 短路故障的電壓波形

2)變壓器投切是電網(wǎng)公司運行方式改變、設(shè)備檢修等不可避免的生產(chǎn)安排。當(dāng)某臺變壓器投入時，產(chǎn)生較大勵磁電流，導(dǎo)致臨近的正常供電母線發(fā)生電壓暫降，其有效值波形示例如圖2所示。當(dāng)變壓器投運時，瞬間汲取大電流，導(dǎo)致電壓突然跌落，而后隨著電流的緩慢衰減，電壓逐漸恢復(fù)。變壓器激磁導(dǎo)致的電壓暫降嚴(yán)重程度低于絕大多數(shù)的短路故障造成的后果，電壓有效值跌落一般不會低于80%，基本不會導(dǎo)致變頻器、中控電腦等敏感設(shè)備跳停。

圖2 變壓器的激磁波形

3)用戶的大型感應(yīng)電動機(jī)在啟動的時候，電動機(jī)汲取大電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從0升速至額定值，整個升速過程約持續(xù)十幾秒至幾十秒，感應(yīng)電動機(jī)所接母線的電壓會在電動機(jī)啟動瞬間有大幅的跌落。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升，電壓緩慢恢復(fù)至額定值或接近額定值，恢復(fù)過程較為平緩，三相電壓有效值的幅值基本相同。如圖3所示為大型感應(yīng)電動機(jī)啟動導(dǎo)致的電壓暫降，明顯可見陡峭的發(fā)生過程和較平緩的恢復(fù)過程。

圖3 大型感應(yīng)電動機(jī)啟動導(dǎo)致的電壓暫降波形

4)非有效接地系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，非故障相發(fā)生電壓暫升現(xiàn)象。實際工程中往往直接稱伴隨暫升的暫降現(xiàn)象為電壓暫升，一般默認(rèn)電壓暫升發(fā)生時，必定有一相或兩相發(fā)生暫降。某實測電壓暫升波形如圖4所示。C相電壓幅值在第6個周期時上升至大約1.1 pu，B相電壓上升至1.03 pu，而A相電壓跌落至0.87 pu，推測該事件是由較遠(yuǎn)端發(fā)生A相接地故障導(dǎo)致。

圖4 電壓暫降期間伴隨暫升的波形

2.2 實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

剔除較混亂、不易判別暫降原因的波形，分不同供區(qū)對海南電網(wǎng)實測的2455條電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。統(tǒng)計短路故障時沒有考慮電壓暫升，將電壓暫升進(jìn)行單獨劃分。變壓器激磁和電動機(jī)啟動造成的暫降事件較多，占78%以上。因為監(jiān)測點主要安裝在110 kV、220 kV變電站，系統(tǒng)接地方式多為有效接地，故記錄的電壓暫升事件非常少。供電局需要重點關(guān)注變壓器激磁和電機(jī)啟動造成的暫降及其影響。

表1 不同電壓暫降特征頻次統(tǒng)計 單位：次

3 電壓暫降特征量計算與分析

電壓暫降特征量是多維度刻畫暫降事件的物理量，包括幅值、持續(xù)時間、相位跳變、暫降類型、暫降頻次等。對海南電網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行特征量計算和分析，明確近幾年海南電網(wǎng)的電壓暫降信息，為后續(xù)暫降事件評估和治理決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3.1 幅值和持續(xù)時間計算與分析

監(jiān)測到的暫降數(shù)據(jù)為三相瞬時電壓，根據(jù)監(jiān)測終端的品牌、型號和設(shè)置的不同，實測數(shù)據(jù)每周期的采樣率包括128點、256點和512點3種。應(yīng)用式(1)計算各相電壓有效值，三相波形最低的電壓幅值即為該事件的暫降幅值。

(1)

式中：N為每周期的采樣點數(shù)；V(i)為采樣的瞬時電壓。

2786組數(shù)據(jù)的電壓等級包括110 kV和220 kV，本節(jié)將電壓幅值區(qū)間[0，0.9]分為9個子區(qū)間，并考慮幅值大于1.1 pu的電壓暫升，分不同電壓等級對三相電壓幅值進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。110 kV和220 kV電網(wǎng)各相暫降幅值分布規(guī)律大致相同，超過70%的暫降事件的幅值高于0.7 pu。一般來講，幅值高于0.8 pu時，不會對敏感負(fù)荷造成影響；但是，某些低壓脫扣器、變頻器的保護(hù)設(shè)置在0.7～0.8 pu，所以這個區(qū)間的電壓暫降需要重點關(guān)注。低于0.7 pu的電壓暫降一般都會導(dǎo)致敏感設(shè)備跳停，需要重點關(guān)注敏感負(fù)荷接入處低于0.7 pu的暫降頻次，研究針對性的治理方案。110 kV電網(wǎng)發(fā)生電壓暫升的頻次非常少，基本上都集中在220 kV電網(wǎng)，需要進(jìn)一步明確具體的變電站及發(fā)生原因。

表2 電壓暫降幅值分區(qū)間的暫降頻次統(tǒng)計 單位：次

實測數(shù)據(jù)中，暫降持續(xù)時間最長為54 s，最短為0.01 s，將[0.01，60] s分為6個區(qū)間，統(tǒng)計各區(qū)間的暫降事件數(shù)量，見表3。

從表3可知，兩個電壓等級的絕大多數(shù)暫降持續(xù)時間都集中在0.01～0.10 s的時間范圍內(nèi)，超過0.50 s的暫降發(fā)生次數(shù)較少，這與電力公司的保護(hù)裝置動作時間設(shè)置有關(guān)，一般越高電壓等級的電網(wǎng)，保護(hù)動作就越迅速?？焖偾谐收蠌亩鴾p小暫降持續(xù)時間，是降低電壓暫降危害的一種直接方式。

表3 電壓暫降持續(xù)時間分區(qū)間的暫降頻次統(tǒng)計

對2786組監(jiān)測數(shù)據(jù)分不同幅值和持續(xù)時間區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。很明顯，暫降幅值越高，持續(xù)時間越短，暫降頻次越密集，且絕大多數(shù)暫降幅值介于0.8～0.9 pu，持續(xù)時間介于0.01～0.1 s，這些暫降都不會對敏感工業(yè)用戶造成影響。需要關(guān)注的是幅值較低、持續(xù)時間較長的電壓暫降事件。

圖5 不同幅值和持續(xù)時間的電壓暫降頻次實際統(tǒng)計

3.2 相位跳變計算與分析

理想情況下，以A相相位為參考量，A、B、C三相電壓相位分別為0°、-120°、120°，當(dāng)發(fā)生電壓暫降時，往往伴隨著不同程度的相位跳變[17]。電壓暫降期間相位跳變產(chǎn)生的根本原因是公共連接點到故障位置之間的饋線阻抗與系統(tǒng)阻抗比不同。根據(jù)經(jīng)驗，電力系統(tǒng)相位跳變值一般在[-10°，60°]的范圍內(nèi)，極個別暫降波形的相位跳變值可能超過該范圍。

暫降期間相角的變化可能導(dǎo)致某些受角度控制的設(shè)備發(fā)生誤動，如變流器、逆變器等[18-19]；對其他類型的敏感設(shè)備，沒有重大的影響。明確某區(qū)域電壓暫降時相位跳變的范圍，是治理電壓暫降影響和危害的重要信息。

暫降期間的相位跳變存在一定波動，這里計算暫降期間三相相位跳變的絕對值最大值[20]。將相位跳變范圍[-30°，70°]分為8個子區(qū)間，統(tǒng)計每相電壓波形相位跳變情況，如表4所示?？梢?，各相的相位跳變值基本上都集中在[-10°，10°]的區(qū)間內(nèi)，占90%以上，并呈現(xiàn)出相位跳變越大，樣本數(shù)量越少的規(guī)律。如果該地區(qū)敏感設(shè)備的相位跳變耐受范圍在[-10°，10°]時，便可以躲過絕大多數(shù)因相位跳變而導(dǎo)致設(shè)備故障的暫降事件。

表4 電壓暫降相位跳變值分區(qū)間頻次統(tǒng)計

3.3 暫降/暫升類型計算與分析

電壓暫降/暫升因其跌落、升高相不同，有不同的分類方法，采用文獻(xiàn)[21]提出的包含A、C、D、H、I的分類方法。該方法將電壓暫降/暫升分為三相對稱暫降、兩相暫降、單相暫降、兩相暫升、單相暫升，其三相電壓矢量圖如圖6所示。

圖6 電壓暫降/暫升類型

電壓暫降/暫升的類型是進(jìn)行電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)電能質(zhì)量治理的關(guān)鍵信息。電壓暫降和暫升類型與短路故障類型密切相關(guān)，例如，A類型暫降由三相對稱短路故障造成，C類型暫降由相間短路故障造成，非有效接地系統(tǒng)中，非故障相電壓發(fā)生暫升。開展電壓暫降和暫升類型計算和分析，不僅有助于明確該地區(qū)短路故障情況，有針對性制定暫降預(yù)防及治理決策方案，還能為用戶側(cè)電壓暫降治理提供信息。在用戶側(cè)，主要采用動態(tài)電壓恢復(fù)器、不間斷電源等補(bǔ)償措施進(jìn)行電壓暫降治理，明確暫降類型，有助于敏感用戶配置補(bǔ)償裝置的容量和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。例如，當(dāng)接入點的大多數(shù)暫降是B類或者D類時，說明有兩相電壓未發(fā)生明顯跌落，補(bǔ)償容量可考慮按被補(bǔ)償設(shè)備容量的三分之一或更小來進(jìn)行設(shè)計。

由于電壓暫降類型是基于短路故障進(jìn)行刻畫，本次分析不包括由變壓器激磁、電動機(jī)啟動等非短路故障導(dǎo)致的實測電壓暫降數(shù)據(jù)。應(yīng)用文獻(xiàn)[21]提出的歐式距離法計算電壓暫降和暫升類型，分不同地區(qū)對528組短路故障數(shù)據(jù)進(jìn)行類型計算與分析，結(jié)果如表5所示。

表5 電壓暫降和暫升類型統(tǒng)計

由表5可知：各城市發(fā)生的D型暫降頻次最高，共計占60%，表明該地區(qū)單相接地故障發(fā)生概率最大；三相對稱故障導(dǎo)致的A型暫降最少，僅占3.79%。這一結(jié)果符合短路故障的基本特性。相比之下，?？诠╇娋职l(fā)生的電壓暫升頻次較高，需要排查相關(guān)原因。雖然A類型的三相對稱暫降發(fā)生頻次低，但是由于其危害嚴(yán)重，電力公司應(yīng)加強(qiáng)線路運行維護(hù)，降低三相短路的故障率。

4 結(jié) 論

依托海南電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測平臺在5個城市的電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其波形特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，同時從電壓暫降特征量中的幅值、持續(xù)時間和相位跳變、暫降類型幾個方面進(jìn)行特征計算與分析，得到以下結(jié)論：

1)接短路故障、電動機(jī)啟動、變壓器激磁和電壓暫升進(jìn)行暫降源分析，各城市由變壓器激磁和電動機(jī)啟動導(dǎo)致的暫降事件最多，共占樣本數(shù)量的78%左右，而短路故障和電壓暫升事件較少。建議電力公司重點關(guān)注大電動機(jī)用戶的開機(jī)方式、調(diào)度合理安排變壓器投入的作業(yè)時間和頻次等。

2)按不同電壓暫降幅值和持續(xù)時間進(jìn)行分析，70%的實測數(shù)據(jù)幅值大于0.7 pu，持續(xù)時間在[0.01，0.1]s的數(shù)據(jù)大約占90%，幅值越小持續(xù)時間越長，樣本數(shù)量呈遞減趨勢。

3)相位跳變在[-10°,10°]范圍內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)大約占90%，處于大多數(shù)敏感設(shè)備的耐受范圍，可推測該地區(qū)受暫降相位跳變影響，發(fā)生設(shè)備跳停的事故較少。

4)計算和分析528組短路故障導(dǎo)致的暫降類型，結(jié)果表明D型暫降頻次最高，推測各地區(qū)單相接地故障發(fā)生頻繁，相間故障導(dǎo)致的C型暫降次之。