配电系统电压跌落问题的分析王宾¹，潘贞存¹，徐丙垠²（1．山东大学电气工程学院，山东省济南市250061；
2．科汇电气有限公司，山东省淄博市255031）摘要：在分析电压跌落问题的起因、相关标准、危害、衡量指标以及治理措施的基础上，介绍了目前相关技术的研究状况，提出了配电系统电压跌落现象分析以及控制策略的研究方向，指出了以配电系统某一区域电压跌落安全最优为目标函数的网络重构问题，将是配电系统自动化发展的必然趋势。文中详细分析了此研究方向的相关内容及技术难点。
关键词：电能质量；电压跌落；网络重构；网络优化；配电系统
1引言
电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、噪声和频率波动等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两类，主要包括电压跌落、电压骤升、短时断电和电容器充电暂态等。
以前，由于谐波、电压和频率波动等问题引发的事故不断，给系统的安全运行带来了巨大的隐患和影响，因而国内外的电力工作者对于稳态电能质量问题已经有了足够的重视。
随着现代电力工业的快速发展和系统中用电负荷结构的重大变化，暂态电能质量问题引发的事故越来越多，它有可能引起计算机系统紊乱（若电压幅值下降大于10，持续时间超过0.1s）、调速设备跳闸（若电压幅值下降大于15，持续时间为半个工频周期）以及机电设备误动作等，从而导致较大的工业损失和人身事故！
比如，1998年香港由于暂态电能质量问题，引起500套自动扶梯瞬时停止，造成多名顾客受伤，社会影响很坏。暂态电能质量问题中的电压跌落（如凹陷、骤降）问题由于其发生的可能性远大于电压中断，即使几百km以外的故障也有可能引起本地的电压跌落，因此在工业化国家，电压跌落已上升为最重要的电能质量问题之一，在国际上受到特别关注^[1~3]。
2电压跌落问题的本质及研究现状
电压跌落问题存在已久，但是真正对其有认识，也就是近几年的事情，因此到目前为止还没有统一的国际标准，其相关标准主要有：国际电气与电子工程师协会1346标准（IEEEStd1346-1998）和欧洲的EN50160标准等。我国至今还无相关标准。
一般来讲，“电压短时中断”的定义为完全丧失电力供应，持续时间至少为1.5个工频周期。如图1，“电压跌落”的定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90~10，持续时间为10ms~1min。如果持续时间超过1min，则认为是“电压偏低”。电压跌落的危害程度与设备的敏感程度密切相关，不同的设备对同一电压跌落的感受度是不同的，因此世界上不同的设备制造商联盟制定了不同的敏感曲线，比如SEMIF47－SemiconductorEquipmentManufacturersInternational（半导体设备制造商国际组织）、ITI(CBEMA)－InformationTechnologyIndustry（信息技术工业协会）以及FIPS－FederalInformationProcessingStandardsPublica-tion（联邦信息处理标准出版物）等。图2即为ITI曲线图。当分析电压跌落的危害时，对于不同的设备或负荷，应当采用不同的敏感曲线。目前IEEE、美国商务部（U.S.DepartmentofCommerce）以及其他的一些大公司普遍采用的有ITI(CBEMA)曲线、SEMIF47曲线等。表征电压跌落的特征量主要为有效值偏移及电压跌落持续时间，因此衡量电压跌落的指标主要采用SARFI指数（SystemAverageRMSVariationFrequencyIndex）。它有两种形式：一种是针对某一阈值电压x的统计指数SARFI_x，另一种是针对某一设备的敏感曲线的统计指数（SARFI（curve））。SARFI（curve）指数主要统计电压有效值低于相应的设备敏感曲线的概率。不同的敏感曲线对应不同的SARFI指数，比如SARFI（SEMI）、SARFI（ITIC）等。SARFI_x指数主要统计电压有效值低于阈值电压x的概率。如

式中N_i为对于第i次测量过程中，研究区域内电压有效值低于阈值电压x的用户数；N_T为研究区域内的用户总数。
此外，实际应用中还有在SARFI_x基础上派生出来的SIARFI_x、SMARFI_x和STARFI_x等系数。
实际系统中，危害性较大的电压跌落主要是由系统短路故障引起的，它的传播距离远、跌落幅值大。输电线路短路故障将会影响相关配电系统的电压质量，即使是配电系统的短路故障也会引起相邻馈线的电压跌落。因此，一方面采取措施降低系统短路故障的发生率，以减少发生电压跌落；另一方面在短路故障发生后，合理地控制短路电流的大小及持续时间，这样也会大大减少因电压跌落造成的损失。在系统侧降低电压跌落危害程度的相关措施主要与继电保护设置和网络结构有关^[4,5]。比如：
（1）增加继电保护的动作速度；
（2）采用故障限流器，以降低故障电流；
（3）增设线路中的自动开关；
（4）采用不同来源的双支路结构供电；
（5）修改馈线布局结构。
在用户侧减少电压跌落危害的最佳的也是最简单的方法是提高设备对暂态电压跌落的承受力。然而这与设备制造商密切相关。相关的标准、指标至今还没有规范化，而且不同设备对不同的电压跌落所表现出的承受特性也不同。因此尽快协调电力系统、设备制造商以及用户对电压跌落相关标准的认识是非常重要和急迫的工作。
此外，在用户侧利用机械器件的转动惯性及大功率现代电力电子器件的快速投切特性，为治理电压跌落提供了新的途径。如
（1）电动—发电机组。由于转子的转动惯量较大，在一定程度上可以克服瞬间电压降的影响。
（2）飞轮蓄能系统。可以在较大范围内克服电源质量问题对负荷的影响。
（3）不间断电源（UPS）。将交流电整流后储存在蓄电池或其他存储介质中，然后再通过逆变器把直流变成交流向负荷供电。其基本结构如图3所示。此外，还有动态跌落恢复器（DySC）、统一电能质量补偿器（UPQC）和恒压变压器（CVT）等现代电力电子装置^[6]。上述几种装置中，UPS的应用较多，其他技术在国外也有应用案例，国内相关的研究也在积极进行。
3配电系统电压跌落的现象分析与控制策略研究
3.1配电系统电压跌落起因分析
电压跌落问题同时存在于输电系统与配电系统。输电系统可靠性较高、发生故障的概率较低，即使输电系统发生故障，引起的电压跌落也主要是影响配电系统中的用户。大部分的电能质量问题存在于配电系统，因此研究分析配电系统中的电压跌落问题更有实际意义。
配电系统中的电压跌落问题，既可由用户侧解决也可由系统侧解决。目前，在用户侧主要采取的措施是安装不间断电源(UPS)、避雷器和静止无功补偿器等。但分析和实践[1][2][3]下一页