時(shí) 昀，倪 冰，宋思松，周玉明

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基于單端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電阻極性的電壓暫降追源方法

時(shí) 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(dòng)源相對(duì)于監(jiān)測(cè)裝置的位置。以對(duì)電網(wǎng)故障的分析為切入點(diǎn)，應(yīng)用端口網(wǎng)絡(luò)理論，將任何復(fù)雜電網(wǎng)在電壓暫降源監(jiān)測(cè)裝置安裝處等效為2個(gè)“有源單端口網(wǎng)絡(luò)”。視電網(wǎng)故障為“有源單端口網(wǎng)絡(luò)”的外部擾動(dòng)，測(cè)量并計(jì)算出“有源單端口網(wǎng)絡(luò)”的內(nèi)電阻，依據(jù)“有源單端口網(wǎng)絡(luò)”的內(nèi)部電阻的極性，對(duì)電壓暫降源相對(duì)于電壓暫降源監(jiān)測(cè)裝置的位置進(jìn)行判斷。內(nèi)電阻為正，電壓暫降源與參考方向相反，即上游。內(nèi)電阻為負(fù)，電壓暫降源與參考方向相同，即下游。給出了內(nèi)部電阻的計(jì)算方法。所提出的電壓暫降源定位方法具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。仿真結(jié)果表明，該方法對(duì)輻射式、非輻射式，以及中性點(diǎn)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(zhǔn)確率達(dá)到100%，是一種非常實(shí)用的電壓暫降源定位法。

電能質(zhì)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(shí)間內(nèi)下降至額定電壓幅值的10%~90%，典型持續(xù)時(shí)間為10 ms~1 min的一種現(xiàn)象[1]。在現(xiàn)有的電能質(zhì)量投訴中，電壓暫降問題最為嚴(yán)重，占投訴比80%[2]。頻頻出現(xiàn)的電壓暫降問題會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)，特別是一些自動(dòng)化程度很高的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，以至于經(jīng)濟(jì)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(zhì)量的特殊產(chǎn)品。對(duì)電壓暫降源定位進(jìn)行研究的意義在于，當(dāng)電壓暫降產(chǎn)生時(shí)，對(duì)引起暫降的源頭進(jìn)行追溯，可以為解決相應(yīng)問題給予指導(dǎo)，并為界定供、用電雙方責(zé)任給出依據(jù)。

暫降源定位，就是確定引起電壓暫降的擾動(dòng)源位于監(jiān)測(cè)裝置的哪一側(cè)[5]。現(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(dòng)功率流的方法。文獻(xiàn)[6]最早提出了利用擾動(dòng)能量和擾動(dòng)功率初始峰值對(duì)電壓暫降源進(jìn)行定位的方法，文獻(xiàn)[7]用小波分析對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，文獻(xiàn)[8-9]在該方法基礎(chǔ)上引入擾動(dòng)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(shí)部極性法[10-12]，較適用于對(duì)稱故障的定位。文獻(xiàn)[13]提出零序分量的判別法，對(duì)非對(duì)稱擾動(dòng)源定位準(zhǔn)確度有所提高，但受算法限制定位準(zhǔn)確率仍難滿足要求。等效阻抗實(shí)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(luò)。文獻(xiàn)[17]提出基于Hilbert變換的復(fù)阻抗判定法僅限于三相對(duì)稱故障的判定。在此之外，文獻(xiàn)[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(xiàn)[19-21]表明現(xiàn)有暫降源定位方法能準(zhǔn)確定位對(duì)稱故障引起的電壓暫降事件，對(duì)非對(duì)稱故障引起的暫降定位準(zhǔn)確率不高，而且不適用于非輻射式電網(wǎng)。因此對(duì)暫降源進(jìn)行定位的方法需要進(jìn)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(cè)裝置的哪一側(cè)[5]。為確定電壓暫降源相對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的位置，要選定一個(gè)“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(yùn)行時(shí)基波有功電流的實(shí)際流動(dòng)方向?yàn)閰⒖挤较颉Ｔ谠搮⒖挤较蜻x定后，從監(jiān)測(cè)裝置安裝處觀察，電壓暫降擾動(dòng)源位置與參考方向的相同時(shí)，暫降源位于“下游”；反之則認(rèn)定為“上游”。對(duì)于單電源輻射式配電網(wǎng)(如圖1)，或是用戶側(cè)有自發(fā)電的雙側(cè)電源輻射式電網(wǎng)(如圖1中用戶側(cè)電源E2僅供用電戶自給用電，不會(huì)向供電側(cè)反送電)，有功電流方向由電源指向負(fù)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(dòng)在監(jiān)測(cè)裝置的上游即擾動(dòng)位于監(jiān)測(cè)裝置的供電側(cè)；反之，則位于監(jiān)測(cè)裝置的用戶側(cè)。但對(duì)于環(huán)網(wǎng)(如圖2)或是雙側(cè)電源電網(wǎng)，實(shí)際有功電流方向與負(fù)荷大小、分布與電源的出力有關(guān)。即實(shí)際情況是隨時(shí)間變化，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)監(jiān)測(cè)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(nèi)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(cè)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(fù)荷消耗有功功率為有功電流的正參考方向，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際有功電流的流向無關(guān)，如圖2中下方的“→”。在參考方向明確的條件下，暫降源的相對(duì)位置很容易確定，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)合理分布，即可準(zhǔn)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(nèi)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(luò)

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(dòng)(如：短路故障、大電機(jī)啟動(dòng)、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(shí)出現(xiàn)兩個(gè)及以上的短路故障。因此，我們?cè)诜治鰰r(shí)認(rèn)為電力系統(tǒng)中只存在一個(gè)短路故障的情況，并將電力系統(tǒng)中的元件認(rèn)定為線性的。依據(jù)線性電路端口網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)任何電網(wǎng)從電壓暫降源(短路點(diǎn))向兩側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置1和2觀察，不管電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，對(duì)外部電路而言，都可以分別在監(jiān)測(cè)裝置1和2處等效為2個(gè)有源單端口網(wǎng)絡(luò)。因配電網(wǎng)短路容量不是很大，可近似認(rèn)為端口網(wǎng)絡(luò)中的電源為理想電源。因此，對(duì)于外部電路，不管有源端口網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部有多復(fù)雜，總可以用一個(gè)理想電壓源和一個(gè)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(cè)等效電源矢量，則定義為系統(tǒng)供電側(cè)等效的內(nèi)阻抗，，分別為用電側(cè)等效電源矢量和內(nèi)阻抗，和分別為擾動(dòng)源到2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的線路阻抗，1和2是2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，下方“→”表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)有功電流的參考方向，為短路故障(即電壓暫降擾動(dòng)源)點(diǎn)。在點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的電壓和電流矢量為

依據(jù)有源單端口網(wǎng)絡(luò)的特性，若電流由有源單端口網(wǎng)絡(luò)向外部電路流出，即發(fā)出有功功率，等值阻抗的實(shí)部為負(fù)，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(luò)，即消耗有功功率，等值阻抗的實(shí)部為正，阻抗特性如圖4中第二象限。按照本文對(duì)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(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的計(jì)算值等于從電壓暫降擾動(dòng)源點(diǎn)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察，點(diǎn)等效端口網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部電阻值，符號(hào)決定于點(diǎn)的參考方向，當(dāng)參考方向是從端口網(wǎng)絡(luò)向外時(shí)，符號(hào)為“負(fù)”，如圖3左側(cè)1點(diǎn)端口網(wǎng)絡(luò)，故障擾動(dòng)源在與監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(luò)內(nèi)部時(shí)，符號(hào)為“正”，如圖3右側(cè)2點(diǎn)端口網(wǎng)絡(luò)，故障擾動(dòng)源在與監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(luò)理論，任何網(wǎng)架結(jié)構(gòu)都可以視為為圖3所示等效網(wǎng)絡(luò)模型，模型參數(shù)僅與電壓暫降源擾動(dòng)點(diǎn)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的位置、電壓暫降源監(jiān)測(cè)裝置的安裝位置、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)中各個(gè)元件的參數(shù)有關(guān)。因此，該方法適用于任何網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(shí)部的計(jì)算方法

有源單端口網(wǎng)絡(luò)等效電路內(nèi)阻抗的實(shí)部可由式(4)計(jì)算得到

圖3中點(diǎn)測(cè)得的有源單端口網(wǎng)絡(luò)等效電路內(nèi)電阻值如圖6曲線。

圖6 三相短路故障mi測(cè)得的內(nèi)電阻Remi

即不對(duì)稱電壓暫降負(fù)序擾動(dòng)電壓和電流矢量就是電壓暫降期間的負(fù)序電壓和電流矢量。這里，上標(biāo)“-”表示“負(fù)序”。顯然，按式(8)計(jì)算負(fù)序擾動(dòng)電壓和電流要比按式(6)計(jì)算正序擾動(dòng)電壓和電流更為簡(jiǎn)單。按照對(duì)稱分量理論，式(9)和式(10)可提取得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)的負(fù)序?qū)ΨQ分量如式(9)、式(10)所示。

對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)每基波周期采樣點(diǎn)，并且取為3的整數(shù)倍，由得到負(fù)序電壓、電流采樣值的離散表達(dá)式如式(11)、式(12)所示。

由式(8)可計(jì)算得負(fù)序有源單端口網(wǎng)絡(luò)的等值內(nèi)電阻為

圖4中點(diǎn)的等值阻抗監(jiān)測(cè)值如圖7中曲線所示。

圖7 不對(duì)稱故障時(shí)測(cè)得的內(nèi)電阻值Remi

雖然以上結(jié)論是假設(shè)圖3是線性電路推得的，但“有源端口網(wǎng)絡(luò)”等值阻抗的計(jì)算值與負(fù)荷無關(guān)，只要準(zhǔn)確測(cè)量出監(jiān)測(cè)點(diǎn)基波電壓、電流的擾動(dòng)矢量，就能準(zhǔn)確計(jì)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(fù)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(yàn)證

3.1 輻射式電網(wǎng)

用本文所提方法(SIR)對(duì)圖1輻射式電網(wǎng)進(jìn)行仿真，仿真判斷結(jié)果見表1，定位準(zhǔn)確率為100%。

表1 SIR暫降源定位方法的仿真判斷結(jié)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(shí)際發(fā)出有功功率33 kW。3個(gè)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(fù)荷中，T3的負(fù)載側(cè)連接一可控整流源作為非線性負(fù)荷。系統(tǒng)接地情況為：110 kV、380 V側(cè)中性點(diǎn)接地，10 kV側(cè)中性點(diǎn)不接地。仿真設(shè)置有4個(gè)故障點(diǎn)和6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。F1、F2、F3和F4表示4個(gè)故障點(diǎn)，1、2、3、4、5和6表示6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)故障點(diǎn)都以4種故障類型進(jìn)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(yīng)的故障類型在表1的“()”內(nèi)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(diǎn)三相短路。該仿真實(shí)驗(yàn)給定的參考方向如圖1監(jiān)測(cè)裝置下方“→”所示。表1中“↓”表示下游，“↑”表示上游，“*”表示觀測(cè)點(diǎn)三相電壓均未達(dá)到電壓暫降標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(fù)荷見圖2。用本文所提方法對(duì)圖2所示手拉手供電網(wǎng)進(jìn)行仿真，8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)參考方向如圖2中“→”所示，仿真判斷結(jié)果見表2，定位準(zhǔn)確率為100%。證明本文所提方法適用于任何網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

表2 SIR暫降源定位方法的仿真判斷結(jié)果

3.3 大電機(jī)啟動(dòng)

大電機(jī)啟動(dòng)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(fù)荷替換為等容量的異步電機(jī)構(gòu)成。圖9(a)為異步電機(jī)在0.4 s啟動(dòng)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)3測(cè)量到的電壓、電流波形。圖9(b)為異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)3和4測(cè)量點(diǎn)得到的端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電阻值。，該擾動(dòng)源位于3下游；，擾動(dòng)源位于4上游，與實(shí)際情況相符。其余觀測(cè)點(diǎn)電壓降低未達(dá)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(yīng)電機(jī)啟動(dòng)

4 結(jié)論

從電壓暫降源點(diǎn)向電網(wǎng)兩側(cè)觀察，任何電網(wǎng)都可以在電壓暫降源監(jiān)測(cè)裝置安裝處分別等效為2個(gè)有源單端口網(wǎng)絡(luò)，并都可以用有源單端口網(wǎng)絡(luò)等效代替。按照有源單端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電阻的符號(hào)，可準(zhǔn)確地定位暫降源的方向。內(nèi)電阻的符號(hào)為正時(shí)，擾動(dòng)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)參考方向的相反方向，即上游；內(nèi)電阻的符號(hào)為負(fù)時(shí)，擾動(dòng)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(luò)理論，有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，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(jì)算、判斷，與電路中的負(fù)載性質(zhì)(線性與非線性)無關(guān)，因此，適用于有非線性負(fù)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(luò)理論，從擾動(dòng)源點(diǎn)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察，任何復(fù)雜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)在電壓暫降源監(jiān)測(cè)裝置的安裝位置都可以等效為一個(gè)有源單端口網(wǎng)絡(luò)，因此，該方法適用于任何網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(dòng)推導(dǎo)分析而得的結(jié)論，但該方法同樣適用于其他擾動(dòng)(如：電容投切、變壓器投切、大電機(jī)啟動(dòng)等)的暫降源定位。

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(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(shí) 昀(1974-)，女，高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事電力生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。