一種考慮相位跳變的電力系統(tǒng)電壓暫降水平評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電能質(zhì)量評(píng)估領(lǐng)域，具體涉及一種考慮相位跳變的電力系統(tǒng) 電壓暫降水平評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電壓暫降是電力系統(tǒng)不可避免的電能質(zhì)量擾動(dòng)事件，被認(rèn)為是最嚴(yán)重的電能質(zhì)量 問題。隨著越來越多對(duì)電壓暫降敏感的用電設(shè)備，以及風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等間歇性電源接入 電網(wǎng)，電壓暫降所造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響日益增長(zhǎng)，引起了供電企業(yè)、電力用戶以及學(xué) 術(shù)界的廣泛關(guān)注。對(duì)電力系統(tǒng)或關(guān)心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電壓暫降水平評(píng)估，有助于供電企業(yè)和電力 用戶預(yù)知潛在的暫降危害，采取必要的措施規(guī)避或緩解由電壓暫降造成的風(fēng)險(xiǎn)。
[0003] 電壓暫降評(píng)估從層次上可分為單一暫降事件評(píng)估、節(jié)點(diǎn)評(píng)估以及系統(tǒng)評(píng)估。其中， 系統(tǒng)評(píng)估以節(jié)點(diǎn)評(píng)估為基礎(chǔ)，節(jié)點(diǎn)評(píng)估又建立在對(duì)單一暫降事件評(píng)估的基礎(chǔ)上，換言之，節(jié) 點(diǎn)評(píng)估和系統(tǒng)評(píng)估是以單一暫降事件為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)描述。因此，提取單一暫降事件的重要 特征是關(guān)鍵。
[0004] 已被提出的單一暫降事件特征有暫降幅值、持續(xù)時(shí)間、相位跳變、波形點(diǎn)等。在以 往的研究中，暫降幅值和持續(xù)時(shí)間是最受關(guān)注的兩個(gè)特征量。為描述某個(gè)暫降事件的嚴(yán)重 程度，提出了暫降能量指標(biāo)、嚴(yán)重度指標(biāo);為描述敏感設(shè)備與暫降的兼容程度，制定了電壓 耐受曲線;在節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)層面，提出了電壓暫降幅值-持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表格。然而，越來越多的 研究表明，許多設(shè)備對(duì)相位跳變同樣是十分敏感的，如可調(diào)速設(shè)備、交流接觸器、整流器、風(fēng) 力發(fā)電機(jī)等?，F(xiàn)有的暫降指標(biāo)、統(tǒng)計(jì)表格和參考曲線，均只考慮了暫降的幅值和持續(xù)時(shí)間， 對(duì)于需要考慮相位跳變的情況無法適用。
[0005]造成暫降的主要原因包括電力系統(tǒng)短路故障、大電機(jī)啟動(dòng)、變壓器勵(lì)磁涌流等。其 中，系統(tǒng)短路故障是最主要原因。發(fā)生短路故障時(shí)，相位跳變伴隨幅值的降低出現(xiàn)，因此從 電氣聯(lián)系上來說，相位跳變與幅值的關(guān)系，比持續(xù)時(shí)間和幅值的關(guān)系更為緊密?，F(xiàn)有的暫降 評(píng)估方法無法體現(xiàn)幅值和相位跳變的關(guān)系，無法揭示二者范圍以及變化規(guī)律。
[0006] 與本發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)及其缺點(diǎn)如下，現(xiàn)有的暫降水平評(píng)估方法主要包括實(shí)測(cè) 統(tǒng)計(jì)法、仿真模擬法以及狀態(tài)估計(jì)法。
[0007] 實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法:實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法通過在現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)安裝節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)的 暫降情況。該方法的好處在于監(jiān)測(cè)結(jié)果能可靠反映監(jiān)測(cè)周期的情況。存在的缺點(diǎn)為：1)電力 系統(tǒng)復(fù)雜龐大，在全網(wǎng)安裝需耗費(fèi)巨大的購(gòu)置設(shè)備、搭建通信通道、后期維護(hù)等費(fèi)用；2) - 個(gè)不長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)周期，無法消除該監(jiān)測(cè)周期內(nèi)情況的個(gè)異性，不能客觀、穩(wěn)定反映該處的暫降 平均水平;3)對(duì)于還未安裝監(jiān)測(cè)裝置的節(jié)點(diǎn)，實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)將耗費(fèi)較大的時(shí)間成本。
[0008] 仿真模擬法:仿真模擬法通過仿真模擬軟件，參考實(shí)際電網(wǎng)的故障率及故障條件 進(jìn)行短路計(jì)算。主要方法包括臨界距離法、故障點(diǎn)法、解析法。臨界距離法適用于簡(jiǎn)單的輻 射型網(wǎng)絡(luò)，對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)不適用;故障點(diǎn)法中故障點(diǎn)的設(shè)置對(duì)結(jié)果有較大影響;解析法物理意 義明確，結(jié)果準(zhǔn)確，但解析曲線交點(diǎn)的求解較為困難。其次，這三種方法均只僅能求出對(duì)應(yīng) 幅值區(qū)間的暫降頻次，無法反映相位跳變情況。
[0009] 狀態(tài)估計(jì)法:狀態(tài)估計(jì)法可以通過狀態(tài)估計(jì)方程，基于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的暫降頻次，估計(jì) 未監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的暫降頻次。該方法同樣無法排除特定監(jiān)測(cè)周期的個(gè)異性，且結(jié)果僅有幅值和 頻次信息，無法反映相位跳變情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種考慮相位跳變的電力系統(tǒng)電壓暫降水平評(píng)估 方法，考慮故障線路阻抗與系統(tǒng)阻抗之間的阻抗角、故障距離、故障類型、變壓器對(duì)暫降類 型的變換作用等不確定因素，基于蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行多次短路計(jì)算，然后計(jì)算關(guān)心節(jié) 點(diǎn)的暫降幅值和相位跳變。引入考慮暫降幅值和相位跳變的統(tǒng)計(jì)表格及統(tǒng)計(jì)圖，將蒙特卡 羅模擬結(jié)果表示在圖表中，便于直接觀察和細(xì)致比較。
[0011] 本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種考慮相位跳變的電力系統(tǒng)電壓暫降水平評(píng)估方 法，具體包括以下步驟：
[0012] 步驟S1:確定蒙特卡羅模擬的故障條件；
[0013] 步驟S2:根據(jù)步驟S1中確定的故障條件，基于電壓暫降分壓模型，計(jì)算暫降幅值和 相位跳變角；
[0014] 步驟S3:將步驟S2中的計(jì)算結(jié)果制成暫降幅值和相位跳變初步統(tǒng)計(jì)表格以及細(xì)分 統(tǒng)計(jì)表格；
[0015] 步驟S4:將計(jì)算結(jié)果形成考慮幅值和相位跳變的圖形化表示。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟S1通過產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，模擬在不同阻抗角、故障距離、故障類型、 變壓器對(duì)暫降的變換作用等情況，確定蒙特卡羅模擬的故障條件，具體包括以下步驟：
[0017] 步驟S11:生成隨機(jī)數(shù)確定阻抗角：阻抗角α為故障阻抗ZF與系統(tǒng)阻抗Zs之間的夾 角，如式（1)所示，其中 Zs = Rs+jXs，Zf=Rf+jXF，
[0019] 由于阻抗角絕大多數(shù)位于-60°~10°之間，故生成隨機(jī)數(shù)x模擬每次故障可能的阻 抗角RIAi，如式(2)所示：
[0020] RIAi = xX70-60 (2)
[0021] 其中，X服從(〇，1)均勻分布。
[0022] 步驟S12:確定短路故障類型：電力系統(tǒng)中的短路故障分為三相對(duì)稱短路、單相接 地短路、兩相短路、兩相接地短路，且四種短路故障類型發(fā)生的概率依次為5%、65%、10%、 20%，生成隨機(jī)數(shù)y模擬每次發(fā)生的短路類型RFh，如式(3)所示：
[0024]其中，1^1^ = 1,2,3,4分別表示發(fā)生三相對(duì)稱短路、單相接地短路、兩相短路、兩相 接地短路。
[0025]步驟S13:生成隨機(jī)數(shù)確定故障位置:故障位置用故障點(diǎn)到關(guān)心節(jié)點(diǎn)的距離標(biāo)幺值 P表示，P服從(〇，1)均勻分布;對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的線路，故障點(diǎn)到PCC點(diǎn)的距離可表示為l=pL。 [0026]步驟S14:生成隨機(jī)數(shù)確定變壓器對(duì)暫降類型的變換作用:對(duì)稱和不對(duì)稱短路故障 造成的電壓暫降分為7種類型，去除含有零序分量的種類型，設(shè)備側(cè)能感受到的暫降類型有 5種。其中，三相短路故障導(dǎo)致A類暫降，單相接地短路故障導(dǎo)致C、D類暫降，兩相短路故障導(dǎo) 致C、D類暫降，以及兩相接地短路故障導(dǎo)致F、G類暫降，生成隨機(jī)數(shù)z服從(0，1)分布。
[0027]在暫降類型的模擬中，若所述步驟S12中確定短路類型為三相短路，不論z為何值， 變換結(jié)果都為A類暫降；若確定短路類型為單相接地短路或兩相短路，當(dāng)0〈z < 0.5時(shí)為C類 暫降，當(dāng)0.5 < z〈l時(shí)為D類暫降；若確定短路類型為兩相接地短路，當(dāng)0〈z < 0.5時(shí)為F類暫 降，當(dāng)0.5<z〈l時(shí)為G類暫降。
[0028] 進(jìn)一步地，所述步驟S2具體包括以下步驟：
[0029] 步驟S21:根據(jù)生成的故障條件進(jìn)行短路計(jì)算:三相對(duì)稱故障可直接應(yīng)用分壓公式 求解;不對(duì)稱故障需應(yīng)用對(duì)稱分量法，首先利用各邊界條件求出正、負(fù)、零序電壓，再疊加旋 轉(zhuǎn)因子作用合成為A、B、C三相電壓相量，分別計(jì)算各相故障時(shí)電壓幅值Uaf、Ubf、Ucf和相角 Φα、Φβ、Φ。；
[0030] 步驟S22:計(jì)算暫降幅值和相位跳變角：以故障前Α相電壓為0°、Β相電壓為-120°、C 相電壓為120°、三相幅值均為l.Opu為基準(zhǔn)，將計(jì)算所得A、B、C三相電壓相量與故障前基準(zhǔn) 電壓相量進(jìn)行比較，求出暫降幅值和相位跳變角；其中暫降幅值為故障時(shí)電壓幅值與故障 前電壓幅值之比，相位跳變角為故障時(shí)電壓相角和故障前電壓相角之差，如式(4)所示：
[0032] 進(jìn)一步地，所述步驟S3具體包括以下步驟：
[0033]步驟S31:建立初步統(tǒng)計(jì)表格:根據(jù)IEEE對(duì)電壓暫降幅值的定義，將暫降幅值劃分 為小于0 · lpu、0 · 1至0 · 2pu、0 · 3至0 · 4pu、0 · 5至0 · 6pu、0 · 6至0 · 7pu、0 · 7至0 · 8pu以及0 · 8至 0.9pu這9個(gè)區(qū)間；根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的相位跳變范圍，將相位跳變劃分為大于-70°、-70° 至-50°、-50° 至-30°、-30° 至-10°、-10° 至 10°、10° 至30°、30° 至50°、50° 至70° 以及大于70° 這9個(gè)區(qū)間。
[0034] 步驟S32:建立細(xì)分統(tǒng)計(jì)表格：將幅值劃分為0.6至0.7pu、0.7至0.8pu以及0.8至 0.9pu這3個(gè)區(qū)間，將相位跳變劃分為-30°至-25°、-25°至-20°、-20°至-15°、-15°至-10°、-10°至-5°、-5°至0°、0°至5°以及5°至10°這8個(gè)區(qū)間。
[0035]進(jìn)一步地，所述步驟S4建立考慮暫降幅值和相位跳變的三維頻次圖及二維等高線 圖，用以直觀體現(xiàn)暫降幅值和相位跳變之間的關(guān)系，以及各區(qū)域暫降出現(xiàn)的頻率規(guī)律。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種同時(shí)考慮幅值和相位 跳變的電壓暫降評(píng)估方法?；诿商乜_仿真方法，模擬了實(shí)際系統(tǒng)中阻抗角、短路故障類 型、故障發(fā)生位置、變壓器對(duì)暫降類型變換等諸多不確定因素，評(píng)估關(guān)心節(jié)點(diǎn)的暫降幅值和 相位跳變水平。首次提出考慮幅值和相位跳變的統(tǒng)計(jì)表格，并將可能的幅值和相位跳變范 圍進(jìn)行了初步劃分和細(xì)致劃分，能從整體和局部?jī)蓚€(gè)層面認(rèn)識(shí)和比較關(guān)心節(jié)點(diǎn)的暫降水 平。幅值和相位跳變?nèi)S頻次圖和二維等高線圖能給人更加直觀的觀察和判斷。因此，本發(fā) 明能為供電企業(yè)、電力用戶等提供較完整的考慮幅值和相位跳變的暫降評(píng)估方法和呈現(xiàn)方 法，為治理、投資提供決策依據(jù)。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明的電壓暫降分壓模型；
[0038] 圖2為本發(fā)明的設(shè)備終端感受的電壓暫降類型；
[0039] 圖3為本發(fā)明的基于蒙特卡羅模擬的考慮相位跳變的電壓暫降水平評(píng)估流程圖；
[0040] 圖4為本發(fā)明的某實(shí)際電網(wǎng)電氣接線圖；
[00411圖5為本發(fā)明的STU-11節(jié)點(diǎn)三維頻次圖；
[0042]圖6為本發(fā)明的STU-11節(jié)點(diǎn)二維等高線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0044] 本實(shí)施提供一種考慮相位跳變的電力系統(tǒng)電壓暫降水平評(píng)估方法，具體包括以下 步驟：
[0045] 步驟S1:確定蒙特卡羅模擬的故障條件；
[0046] 步驟S2:根據(jù)步驟S1中確定的故障條件，基于電壓暫降分壓模型，計(jì)算暫降幅值和 相位跳變角；
[0047] 步驟S3:將步驟S2中的計(jì)算結(jié)果制成暫降幅值和相位跳變初步統(tǒng)計(jì)表格以及細(xì)分 統(tǒng)計(jì)表格；
[0048]步驟S4:將計(jì)算結(jié)果形成考慮幅值和相位跳變的圖形化表示。
[0049] 在本實(shí)施例中，所述步驟S1通過產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，模擬在不同阻抗角、故障距離、故障 類型、變壓器對(duì)暫降的變換作用等情況，確定蒙特卡羅模擬的故障條件，具體包括以下步 驟：
[0050] 步驟SI 1:生成隨機(jī)數(shù)確定阻抗角：電壓暫降分壓模型如圖1所示。阻抗角α為故障 阻抗ZF與系統(tǒng)阻抗Zs之間的夾角，如式（1)所示，其中Zs = Rs+jXs，ZF = RF+jXF，
[0052] 由于阻抗角絕大多數(shù)位于-60°~10°之間，故生成隨機(jī)數(shù)x模擬