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有关电能质量监测装置的研究报告

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2020年4月19日
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有关电压暂降问题的研究报告
摘 要：随着现代电力负荷对动态电压质量问题的敏感及敏感设备比重的增加，电压暂降已成为影响用户连续正常见电的重要故障之一。因此，对电能暂降问题加以探讨，并采取切实有效的保护措施，避免发生电能暂降现象，以满足国民经济对电能的正常需求具有十分重要的现实意义。

关键词：电能质量；电压暂降；暂降危害；保护原则

1引言
供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象，称之谓电压暂降，也称为电压跌落，其中短时断电是指电压有效值快速降低到接近于零，然后又回升恢复的现象。在电网中这种现象的持续时间大多为0.5周波(10ms)~1 s。美国电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降(voltage sag)定义为电压有效值快速下降到额定值(Un)的90%~10%，然后回升到正常值附近；而国际电工委员会(IEC)则将电压暂降(voltage dip)定义为下降到额定值的90%~1%，持续时间均规定为10ms~lmin[1~2]。
在多数相关文献中，电压暂降属于两维的电磁热动，即电压值（残压或暂降深度）和时间（持续时间），如下图所示：

电压暂降深度定义为电压额定值与电压暂降过程中残压的差值。
电压暂降持续时间是指供电系统中某点电压跌落到低于暂降起始阀值的时刻与该点恢复到暂降结束阀值的时刻之间的时间。
据统计，在欧美发达工业国,由电压暂降和短时断电引起电力用户对供电企业的投诉占全部投诉的80%以上，因此这个问题很早就引起关注。

2电压暂降的起因分析
引起电压暂降的原因一般是由于流经系统电源阻抗的电流突然增大，导致阻抗分压变大，从而引起公共供电点的电压骤降。电力系统中发生短路、大型电机的启动、雷击、开关操作、变压器以及电容器组投切等都会导致电压暂降的发生。其中，引起电压暂降的主要原因是短路故障、大型电机的启动、雷击和变压器的投切[3]。
(1) 短路故障引起的电压暂降。当系统短路时，故障点间的距离的不同会致使各母线出现不同程度的电压暂降，且发生概率最大。此类电压暂降幅值一般低于 0.7pu，暂降持续时间与保护动作时间有关。其中三相短路故障导致的电压暂降危害性最大。
(2) 大型电机启动引起的电压暂降。感应电动机的容量、启动方式及负荷等因素的不同会导致不同严重程度的电压暂降。这类暂降的持续时间较长，暂降幅值一般超过 80%，但暂降危害性一般较小，对用户影响较小。
(3) 雷击引起的供电电压暂降。这类暂降的影响范围较大，持续时间一般在100ms 以上。
(4) 变压器投切引起的电压暂降。空载变压器投切时产生的激磁涌流引起电压暂降。这类暂降一般伴有 2-5 次谐波为主的高次谐波。电压暂降程度与开关合闸时刻、电源强度、铁心中的剩磁和网络阻尼有关。
据统计，由于线路短路引起的电压暂降占70%以上。一般经过重合闸装置动作来排除短路故障，可是会使电压暂降转移到相邻线路上，而且，如果重合闸失败会导致第二次的电压暂降。这种状况可能在电力系统中任何接点发生，且电压暂降事件发生的频率远远高于停电事件，由此可知，短路故障导致的电压暂降危害性更大。

3电压暂降和短时断电的危害
电压暂降会引起变速驱动装置(ASD)跳闸、程序逻辑控制器(PLC)损坏、各种数字式自动控制装置误动、计算机系统失常，数据丢失；导致相关加工生产线(例如石化、玻璃、纺织、造纸、塑料、半导体以及橡胶等)停顿，大型场所照明失电(例如镝灯，灯灭后需冷却好几分钟后才能启动)等等。下表1列出了电压暂降对一些设备的危害[4~5]。

表1 电压暂降对一些设备的危害
设备
电压暂降造成的影响结果
冷却控制器
当电压低于80%时，控制器动作将制冷机切除，导致巨大生产损失
可编程控制器
当低压低于81%时，PLC停止工作，一些I/O设备，当电压低于90%，持续时间仅几十毫秒，就会被切除
直流电机
当电压低于80%被跳闸
变频调速器
当电压低于70%且持续时间超过120ms时，ASD被切除。
计算机
当电压低于60%，持续时间超过240ms时，计算工作将受到影响，例如数据丢失等
高压气体放电灯

通用的高压钠灯会因持续40ms的低于额定点电压的45%电压暂降而熄灭，重新点燃则需要1到几分钟的冷却时间

4电压暂降的抑制措施
最初，一般依靠供电部门限制暂降的发生次数和改变网络参数来减少暂降的数目从而尽可能地降低暂降的影响，可是由于不同的电力设备对暂态电能质量的要求不同，这种措施虽投资大但带来的效益十分有限。缓解电压暂降最实用有效的方法是在电源和用户设备间安装补偿装置。当前应用较广的补偿装置有如下几种：
(1) 不间断电源(UPS)。它是应用较为广泛的装置，其工作原理类似于蓄电池。UPS 在电源出现电压暂降或供电中断时，为用户提供需要的电压，从而改进电能质量，其效率可达 92%-97%。但 UPS 存在容量大，易受限，使用费用高的缺点。
(2) 磁谐振变压器(CVT)。CVT 实际上是一个原边作输入端、副边接电力系统且利用第三边来调节电容器的三绕组变压器。它能在暂降下降范围超出容许范围时，仍稳定供应电压。其效率可达 70%~75%，但体积较大。
(3) 静止切换开关(STS)。它能连续地变换主备电源，提高了负载的供电可靠性，效率能达到 99%。可是造价太高，难以普遍应用。
(4) 电动机发电机组(MG)。MG 主要经过飞轮存储能量，对暂降进行补偿。MG 在飞轮数目为 2 时可看成一台“旋转的 UPS”，它可补偿长达几秒的暂降。一般应用在电压质量要求较低的设备。

(5) 动态电压恢复器(DVR)[6]。DVR 一般包括逆变器、滤波器、串联变压器及储能模块四部分，它串接在电源与敏感负荷之间。系统正常运行时，DVR 相当于备用电源；发生电压暂降时，DVR 能够在毫秒级内将暂降补偿到正常电压值。由于 DVR 只在暂将发生时工作，因此其效率很高，比 UPS 和 STS 更经济，且响应速度很快，是缓解电压暂降的最适用的补偿装置。
综上所述，DVR 的性价比最高，而使用 DVR 进行补偿的前提和基础是实时、准确地检测出电压暂降。因此电压暂降的准确检测是 DVR 系统的一个重要环节，也是本文主要研究的内容。

5电压暂降检测分析方法
快速、准确地检测出电压暂降的特征值，是成功检测电压暂降的关键。在 IEEE和 IEC 标准中常见幅值和持续时间两个指标来衡量电压暂降。当前，电压暂降的检测方法有很多，考虑到电压暂降的持续时间较短，而且具有很大的不确定性，因此对检测方法的实时性要求很高。一些传统的电压暂降检测方法，如傅里叶变换、快速傅里叶变换虽能准确地检测到暂降的基波幅值，但响应速度太慢，不能满足实时性的需求。现阶段，电压暂降检测采用的主要方法有：有效值法、单相电压变换平均值法、峰值电压法、缺损电压法、基于变换域的分析方法等。
本节主要对上述检测方法进行归纳总结，并简要介绍其原理，然后对部分检测方法进行仿真分析与比较。
5.1有效值检测算法[7]
经过电压有效值计算得到电压暂降幅值是 IEC61000-4-30(电能质量检测仪标准)推荐的测量方法。基本原理是，根据连续周期信号有效值的定义，电压有效值可利用时间域一个周期数字均方根运算得到：

其中：N为每个周期的采样数，u(n) 为时间域被采样电压。IEC61000-4-30 中还建议最好采样一个周波，且数据每半个周波刷新一次。
为了实时检测电压有效值的骤然变化，实际中常采用一个周期数据序列的滑动平均值计算。当采集到新的样本点时，顺序将最早采集的样本点去除，然后用一个周期的滑动平均值法进行方根运算即可求出一个新的有效值，这样，在每个采样瞬间都可得到一个新的有效值。公式为：

图 2.1(a)是一典型电压暂降波形，暂降幅值是50%。持续时间大约三个周波 图(b)、(c)是数据窗分别采用一个周波和半个周波的电压暂降有效值计算结果。由图中的能够看出：在电压暂降值达到 0.5 之前，图 2.1 (b)有一个周期的过渡时间，同样在暂降终止之前也有一个周期的过渡时间。过渡时间是由于滑动平均值法中近一个周期的“历史”数据所引起的。因此，如果仅从均方根值判断，则电压暂降持续时间约为四个周波，与实际持续时间相比约有一个周波的误差。同时，均方根值计算结果也不能明确地给出电压暂降起止时刻，更无法给出电压暂降发生时可能出现的相位跳变的大小。为了提高实时性，能够采用半个周期的采样数据进行滑动平均处理，如图 2.1(c)所示，此时，与正周期法相比所有的延迟时间减半，但仅此而已，半周期法依然存在上述正周期法的不足。

5.2缺损电压法
缺损电压又被有些文献称为缺损电压计算技术 (missing voltage technique)，是由美国学者Tunaboylu最早提出。缺损电压定义为期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之间的差值。期望的瞬时电压可采用对事件发生前电压的外推法得到，这类似于锁相环(PLL法)。因此，可将期望的瞬时电压波形称为，即“PLL波形”，受扰动的波形称为，任一瞬时的缺损电压为

由三角函数的特性可知，两个正弦波的和或差为另一个可能具有不同相位的正弦波因此，只要暂降电压波形为正弦波，则缺损电压也将为正弦波。
令

式中 A、B 和分别是 PLL电压和暂降电压的幅值和相角。假设两电压的频率相同，则 m(t)可表示为

式中：
从表示式中能够看出，要得到缺损电压值，必须首先得到故障发生前的瞬时电压值，怎么判定电压暂降开始发生了呢，从而将暂降发生瞬间前的电压作为期望值，这有困难。其次，假使得到了缺损电压的瞬时值，即m(t)的离散值，怎么拟定判据作为电压暂降发生的标准，Tunaboylu 并没有说明，这势必要计算m(t)的有效值，从而导致暂降起始时刻的延迟，这里面最大的问题还是无法有效地判定暂降发生的起始时刻。因此缺损电压计算法并不能有效地解决有效值计算法的缺点。另外，该方法不能检测相位跳变。

5.3基波分量法
以时间 t 为函数的基波电压可由下式求得:

式中:，T是基波周期。
电压的基波分量可利用 FFT 进行计算，其变化特性与整周期有效值计算结果非常相似。若要快速得到电压的变化，可根据对称性利用半个周期的电压采样值虚构一个周期的数据序列进行傅立叶变换，从而得到基波电压。从半个周期数据获取基波分量的方法显然要求电压对称，否则将使计算结果产生误差。
傅立叶变化检测法同样要受到周期历史数据的影响，它不能检测出电压暂降的起止时刻，对暂降持续时间的检测依然有较大的误差。同有效值法和峰值法相比，它虽然能够检测出相位的变化，但不能及时准确地检测出相移的大小，其对时域上的信号变化也不敏感。其次，由于傅立叶变换本身固有的缺陷如频谱混叠，频谱泄漏现象等，也会引起不可避免的检测误差。

5.4瞬时dq变换方法[8]
考虑到对称三相三线电路中，电压各相具有波形相同、相位各相差 120°的特点，能够单相电源为参考电压构造一个虚拟的三相系统，从而可利用前述的坐标变换进行电压暂降特征量的分析。
考虑到一般的电能质量扰动情况，以a相为例，设基波电压均方根值为U、初相位为零。若将扰动表示成高频振荡信号的叠加，h次高频信号的均方根值为、初相角为，并按指数衰减，则相电压能够表示为

以a相电压为参考，将其延时60°可得，然后由可算出，则分别为

将上述式子分解成基波分量和高频分量，代入式(2.13)，经过三角函数运算可得

式中
由式(2.20)和( 2.21)可知，电压的基波均方根值在中表现为直流分量，第h次高频振荡信号则分解为h±1次高频振荡信号的叠加；q 轴电压的变换结果中直流分量为零，高频振荡信号的变换结果与 d 轴相似。因此，当电压中含有较大的扰动时，不能表示基波电压的均方根值，此时应采用滤波技术提取出中的直流分量以瞬时获得反映电压的均方根值。
当发生无相位跳变的电压暂降时，可由式(2.20)进行分析，经过直流分量的提取可求出基波相电压均方根值，有均方根值的变化即可判断电压暂降发生与否。而当发生相位跳变角度为α和电压均方根值为的电压暂降时，a 相电压中基波分量变为。设电压中仍含有如式(2.17)~(2.19)中的高频振荡成分，仍采取上述由单相延时的方法来构造另两项电压，将构造的三相电压按式(2.13)进行变换，并将变换后的 d、q 电压分量中的直流成分和提取出来，则可得

因和经实测计算为已知量，则由式(2.22)和式(2.23)可求出暂降电压的幅值和相位跳变分别为

如何快速、准确地提取和，是求解暂降电压幅值和相位跳变的关键。现在常见的是低通滤波法，即将dq变换的结果经过低通滤波器(LPF)进行直流分量的提取。

6总结
本文介绍了电压暂降的定义和基本概念，以及电压暂降产生的原因及其引起的危害，重点论述了电压暂降的抑制措施。并系统地阐述了电压暂降的检测方法，包括有效值计算法、缺损电压法、基波分量法和瞬时电压d-q分解法等，并对所述检测方法的原理进行了研究与分析，对部分方法进行了仿真分析，经过比较研究指出了各自的优缺点。为进一步学习研究电压暂降奠定了基础。

参考文献

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