馬莉，劉健，周倩，張志華，翁望月，王曉路

（1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

面向電壓暫降的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估

馬莉1，劉健2，周倩2，張志華2，翁望月2，王曉路3

（1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

為了從緩解電壓暫降的角度對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提出評估指標(biāo)并指導(dǎo)運行、規(guī)劃和改造，針對母線發(fā)生4種故障引起的電壓暫降分別建立各故障類型的凹陷域矩陣，提出了基于電壓暫降的各故障類型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)及綜合考慮4種故障的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)平均評估指標(biāo)。所提出的評估指標(biāo)可作為評判電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)之一。在IEEE30節(jié)點系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過開關(guān)變換和電源接入點位置的變化構(gòu)造了不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并利用所提的評估方法對其進(jìn)行了分析與評估。驗證了提出的評估指標(biāo)是可行的，能有效地指導(dǎo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、電網(wǎng)的安全運行、規(guī)劃和改造。

電壓暫降；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)；評估；開關(guān)變換；電源接入

隨著敏感負(fù)荷在工業(yè)負(fù)荷中所占比重日益增多，電壓暫降問題越來越嚴(yán)重，電壓暫降已成為國內(nèi)外用戶投訴最多的電能質(zhì)量問題。電壓暫降會造成變頻器失壓保護(hù)誤動作、可編程邏輯控制器失靈、接觸器脫扣、計算機存儲數(shù)據(jù)丟失、電機停機，甚至可能導(dǎo)致整個流水線、全廠作業(yè)的中斷，給企業(yè)帶來難以估計的經(jīng)濟損失。為避免電壓暫降導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，減少電壓暫降對用戶的經(jīng)濟損失，電壓暫降的評 估[1-5]與治理[6]受到研究人 員的廣泛關(guān)注。

在治理電壓暫降方面，用戶端可以選擇和安裝減緩電壓暫降的裝置，如不間斷電源、飛輪儲能裝置[7]和超導(dǎo)電磁儲能、動態(tài)電壓恢復(fù)器[8]、SSC靜態(tài)串聯(lián)補償裝置[9]。這些方法比較適合受電壓暫降影響比較嚴(yán)重的用戶。供電方可以從優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的角度緩解電壓暫降，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不僅影響系統(tǒng)的靜態(tài)安全穩(wěn)定，還影響暫態(tài)安全穩(wěn)定[10]。文獻(xiàn)[11]結(jié)合網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和靜止無功補償器緩解電壓暫降。文獻(xiàn)[12]使用遺傳算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)達(dá)到減少電壓暫降造成的經(jīng)濟損失。文獻(xiàn)[13]提出了緩解電壓暫降的一種有效的措施：配電網(wǎng)實施多分片多電源的閉環(huán)設(shè)計開環(huán)供電。文獻(xiàn)[14]研究了系統(tǒng)中變壓器中性點不同運行方式以及機組啟停對電壓暫降凹陷域的影響。因此需要從電壓暫降的角度提出電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的評估指標(biāo)，從而為緩解電壓暫降優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

本文從緩解電壓暫降的角度，針對母線故障引起的電壓暫降，利用電壓暫降凹陷域矩陣，提出了各故障類型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)及綜合考慮4種故障的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)平均評估指標(biāo)。在IEEE30節(jié)點系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過開關(guān)變換和電源接入點的變化構(gòu)造了不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并利用所提的評估方法對其進(jìn)行了分析與評估。驗證了提出的評估指標(biāo)是可行的，從而有效地指導(dǎo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1 母線故障引起的電網(wǎng)電壓暫降分析

母線故障造成的電壓暫降影響很大，并且電網(wǎng)運行人員更關(guān)注母線的電壓暫降[15]。在某電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，本文基于母線故障引起的電壓暫降，利用故障點法[16]，假想電網(wǎng)中各條母線分別發(fā)生4種故障，計算電網(wǎng)母線的電壓暫降值，分別建立反映全網(wǎng)母線發(fā)生相應(yīng)故障時的母線電壓暫降矩陣U（m）（m=1、2、3、4分別代表單相接地短路、兩相相間短路、三相相間短路、兩相接地短路）。

類似地，可建立不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，母線發(fā)生m類故障的電壓暫降矩陣及其凹陷域矩陣。

2 基于電壓暫降的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估方法

電壓暫降凹陷域矩陣的第j列信息反映了母線j受其他母線故障發(fā)生電壓暫降的情況。由列信息可得母線j受其他母線發(fā)生m類故障引起電壓暫降的頻次為

綜合考慮母線發(fā)生4種故障類型，母線j受其他母線發(fā)生故障引起電壓暫降的平均頻次Xj為

式中：λm為母線發(fā)生m類故障的概率。

母線發(fā)生m類故障引起電壓暫降的m類故障電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)Y（m）為

綜合考慮母線發(fā)生4種故障引起電壓暫降的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)平均評估指標(biāo)Y為

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的評估指標(biāo)Y（m）和Y均可反映在該電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下母線故障引起的電壓暫降情況。指標(biāo)數(shù)據(jù)越大，反映了該電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下電壓暫降情況越嚴(yán)重。其可作為評判電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)之一，采用指標(biāo)Y（m）和Y，可對各種因素引起的變化的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估與分析，能有效地指導(dǎo)電網(wǎng)的安全運行、規(guī)劃和改造。

3 不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)電壓暫降的分析與評估實例

為了驗證所提的指標(biāo)能對不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估與分析，在IEEE30節(jié)點系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過開關(guān)變換和電源接入點位置的變化構(gòu)造了不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了分析與評估。

3.1 IEEE30節(jié)點系統(tǒng)及其參數(shù)

圖1所示為IEEE30節(jié)點系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)[17]。該系統(tǒng)含132 kV及33 kV 2個電壓等級，由6臺發(fā)電機組、30條母線、37條線路以及4臺變壓器組成。所有變壓器為Y0/Y0接線方式。

圖1 IEEE30節(jié)點測試系統(tǒng)Fig.1 IEEE30 bus test system

算例中單相短路故障發(fā)生的概率為0.83，兩相相間短路為0.08，三相相間短路為0.04，兩相接地短路為0.05。電網(wǎng)電壓暫降閾值Uthre為0.7。

3.2 開關(guān)變化引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化對電壓暫降的影響分析與評估

本文通過開關(guān)變化對IEEE30節(jié)點系統(tǒng)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改變，第一種改變?yōu)閷?3 kV母線16～17、10～20、23～24之間的線路開關(guān)斷開，其余不變。第二種改變?yōu)閷?32 kV母線5～7、2～6、4～6之間的線路開關(guān)斷開，其余不變。第三種改變?yōu)?3 kV母線16～17、10～20、23～24、132 kV母線5～7、2～6、4～6之間的線路開關(guān)斷開，其余不變。針對這4種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用以上提出的評估方法，可計算出基于母線發(fā)生各種故障類型引起電壓暫降的4種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的評估指標(biāo)，如表1所示。

表1 對開關(guān)變換引起的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的評估結(jié)果Tab.1 Evaluation results of grid structure changes caused by switch transform

以上數(shù)據(jù)表明，針對每種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，三相相間短路故障電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)最大，說明三相相間短路故障引起的電壓暫降最嚴(yán)重，兩相相間短路故障電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)最小，說明兩相相間短路引起的電壓暫降影響最小。

在這4種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，IEEE30節(jié)點電網(wǎng)的互聯(lián)程度最大，其各故障類型下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)和平均評估指標(biāo)均大于其余3種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)評估指標(biāo)，說明IEEE30節(jié)點電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電壓暫降影響最嚴(yán)重。第三種改變的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的互聯(lián)程度最小，其各故障類型下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)和平均評估指標(biāo)均小于其余3種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的評估指標(biāo)，說明第三種改變的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電壓暫降影響最小。由此可以看出，電網(wǎng)互聯(lián)程度越高，雖然提高了電網(wǎng)的供電可靠性，但電壓暫降問題會變得更嚴(yán)重。

假如母線21節(jié)點處接有電壓敏感負(fù)荷，其在4種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下受其他母線發(fā)生4種故障類型引起電壓暫降的頻次如表2所示，第一種改變和第三種改變的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)都在33 kV母線16～17、10～20、23～24之間的線路斷開，由表2可知，這4種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)母線21受其他母線發(fā)生故障的頻次明顯減少。

表2 母線21受其他母線故障引起電壓暫降的頻次指標(biāo)Tab.2 Voltage sag frequency index of Bus 21 caused by other bus faults

綜合以上的評估與分析，可以得出第三種改變的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下基于母線故障引起的電壓暫降影響最小，在這4種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，優(yōu)先選用第三種改變的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3.3 電源接入點引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化對電壓暫降的影響分析與評估

為了分析電源接入點對電壓暫降的影響，假設(shè)接入的電源有功為30 MW，電壓為1.022（標(biāo)幺值），Qmax=50 MV·A，Qmin=-15 MV·A。該電源為PV節(jié)點，把該電源分別接入到132 kV等級的4、6、28節(jié)點和33 kV等級的10、14、27節(jié)點。采用以上提出的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)，對這6種情況下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行母線故障引起的電壓暫降分析與評估，得到的評估數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

以上數(shù)據(jù)表明，電源接入到33 kV等級的10節(jié)點的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評估指標(biāo)均小于電源接入到其余節(jié)點的相應(yīng)指標(biāo)。10節(jié)點接入該電源，由母線故障引起的電壓暫降影響最小，因此選擇10節(jié)點作為該電源的接入點。

表3 對電源接入132 kV等級節(jié)點引起的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的評估結(jié)果Tab.3 Evaluation results of grid structure changes caused by power access to 132 kV bus

表4 對電源接入33 kV等級節(jié)點引起的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的評估結(jié)果Tab.4 Evaluation results of grid structure changes caused by power access to 33 kV bus

4 結(jié)論

本文提出的評估方法可在考慮電壓暫降的情況下對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估，在IEEE30節(jié)點系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過開關(guān)變換和電源接入點的變化構(gòu)造了不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并利用所提的評估方法對其進(jìn)行了分析與評估。證明所提的評估指標(biāo)可作為評估電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)之一，為緩解電網(wǎng)的電壓暫降選擇最優(yōu)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，能有效地指導(dǎo)電網(wǎng)的安全運行、規(guī)劃和改造。

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Grid Structure Evaluation Based on Voltage Sag

MA Li1，LIU Jian2，ZHOU Qian2，ZHANG Zhihua2，WENG Wangyue2，WANG Xiaolu3
（1.School of electrical Engineering，Xi’an University of Science&Technology，Xi’an 710054，Shaanxi，China；2.Shaanxi electric Power Research Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China；3.School of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science&Technology，Xi’an 710054，Shaanxi，China）

To evaluate the grid structure and offer guidance for the operation，planning and transformation of the grid from the angle of voltage sag，vulnerability area matrices of voltage sag caused by four types of bus faults are established respectively in this paper，and the evaluation index of the grid structure is proposed.The proposed index can be used as one of indexes to evaluate the grid structure for relieving voltage sag. On the basis of the IEEE30 bus system，the grid structures changed by switch transform and power access are evaluated by the proposed index.It is proved that the proposed evaluation approach is feasible and effective in guiding the optimization for the grid structure，safe operation，planning and transformation of the grid.

陜西省教育廳資助項目（2013Jkl156）；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2012K06-13）；校級科研培育基金項目（201320）；西安科技大學(xué)博士啟動金項目（2013QDJ022）。

Project Supported by Education Department of Shaanxi Province（2013Jkl156）；Science and Technology Research and Development Project of Shaanxi Province（2012K06-13）；School Scientific Research Cultivation foundation（201320）；PhD Research Start-up Foundation of Xiˊan University of Science&Technology（2013QDJ022）.

1674-3814（2015）08-0021-0 5

TM732

A

KEY W0RDS：voltage sag；grid structure；evaluation；switch transform；power access