張旭彬, 張 逸, 張孔林, 李為明, 郭慶波, 李儉華
(1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院, 福建 福州 350108;2. 國網(wǎng)福建檢修公司, 福建 福州 350013;3. 上海合凱電氣科技有限公司, 安徽 合肥 231131)
對于快速發(fā)展的高端制造業(yè),一方面其是帶動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵,另一方面也意味著其生產(chǎn)對電能質(zhì)量的要求越來越高。高端制造業(yè)的各種工業(yè)過程存在著大量電壓敏感性負(fù)荷,如交流接觸器、變頻器等,使電壓暫降成為了最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題[1-4]。歐美的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,高達(dá)80%以上的關(guān)于電能質(zhì)量問題的用戶投訴起因是電壓暫降[5]。電壓暫降給電力用戶帶來了極大的經(jīng)濟(jì)損失,歐盟萊昂納多電能質(zhì)量工作組2005~2006年的調(diào)查結(jié)果表明,歐盟25個成員國因電壓暫降和供電中斷引起的年經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)930億歐元[6]。對電壓暫降造成的損失進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的評估是用戶解決電壓暫降問題的重要依據(jù),具有重要的理論價值和工程意義,已成為電能質(zhì)量行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題之一。
國內(nèi)外已有科研團(tuán)隊對電壓暫降的損失評估進(jìn)行了研究。早期國外文獻(xiàn)[7,8]在負(fù)荷耐受度的基礎(chǔ)上,考慮了電壓暫降在不確定性區(qū)域的概率問題,提出一種二元概率分布函數(shù)的經(jīng)濟(jì)損失評估方法。文獻(xiàn)[9]結(jié)合敏感負(fù)荷暫降耐受度的不確定性區(qū)域,提出了利用負(fù)荷故障率矩陣、電壓暫降頻次矩陣和電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失矩陣來進(jìn)行評估,但未考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中設(shè)備的連接方式。國家標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)范了電能質(zhì)量問題引起的電力用戶經(jīng)濟(jì)損失及治理的經(jīng)濟(jì)性評估方法,然而該評估方法適用于電壓暫降影響已經(jīng)發(fā)生,用戶已經(jīng)收集到大量原始數(shù)據(jù)的情況,對新投建生產(chǎn)線的預(yù)評估并不適用。傳統(tǒng)的評估方法一般利用電壓暫降標(biāo)準(zhǔn)曲線(如SEMI F47、CBEMA)來確定設(shè)備的耐受度,利用電壓暫降特征量來估算生產(chǎn)過程故障率,但實(shí)際生產(chǎn)過程中,工業(yè)電力用戶更關(guān)注設(shè)備的過程參數(shù)(溫度、壓力、速度等)是否符合工藝要求[11]。CIGRE/CIRED/UIE C4.110工作組于2010年提出了過程免疫時間(Process Immunity Time,PIT)的概念[12],通過PIT,可以建立生產(chǎn)過程中電壓暫降與過程參數(shù)之間的聯(lián)系,并掌握各類設(shè)備的臨界耐受度。文獻(xiàn)[13]將PIT應(yīng)用于光學(xué)精密器件溫控過程受電壓暫降影響的經(jīng)濟(jì)損失評估中,結(jié)合設(shè)備耐受度的不確定性提出參數(shù)越限嚴(yán)重性指標(biāo)來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失評估。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是高端制造業(yè)中十分重要的分支,一方面,由于生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程的特殊性,半導(dǎo)體的生產(chǎn)過程對電壓暫降極度敏感,目前還未有針對其生產(chǎn)過程的評估方法;另一方面,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,越來越多的新企業(yè)新廠區(qū)運(yùn)營投建,對于新的生產(chǎn)線,一種便捷、實(shí)用的電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失預(yù)評估方法尤為重要,這是企業(yè)制定生產(chǎn)計劃、選擇治理方案、確定投資比例的重要依據(jù)。目前國內(nèi)外對半導(dǎo)體企業(yè)電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失預(yù)評估的研究還較少。本文將PIT應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中,通過分析半導(dǎo)體生產(chǎn)過程關(guān)鍵設(shè)備的邏輯連接關(guān)系和測試設(shè)備過程免疫時間找出薄弱環(huán)節(jié),結(jié)合歷史電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)來對新建生產(chǎn)線的電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行預(yù)評估。最后,實(shí)例驗證該方法結(jié)果有效,符合工程實(shí)際。
半導(dǎo)體生產(chǎn)過程包括大量的敏感負(fù)荷及連鎖工藝,具有多物理參數(shù)和多關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn),單一地從電壓暫降幅值、持續(xù)時間、相位跳變等電氣特性出發(fā)難以刻畫生產(chǎn)過程的電壓暫降綜合耐受度。PIT從過程參數(shù)的角度,綜合考慮了單一負(fù)荷電壓暫降耐受度和負(fù)荷之間的邏輯連接關(guān)系,可以直觀地體現(xiàn)電壓暫降事件對于生產(chǎn)過程的影響程度及其耐受度。因此,本文采用PIT對半導(dǎo)體企業(yè)進(jìn)行電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失預(yù)評估,其流程如圖1所示。步驟如下:①分析半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中各工藝流程之間的順序和廠務(wù)系統(tǒng)的作用,確定關(guān)鍵設(shè)備的邏輯連接方式,生成生產(chǎn)過程故障樹模型;②通過實(shí)測獲得關(guān)鍵設(shè)備的PIT并結(jié)合故障樹推算生產(chǎn)過程的綜合PIT,繪制其綜合PIT曲線;③由供電公司監(jiān)測系統(tǒng)或用戶調(diào)研獲得上一年度電壓暫降數(shù)據(jù),在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等外部條件變化較小的背景下,可將該數(shù)據(jù)近似作為新建用戶未來一年可能遭遇的電壓暫降事件,結(jié)合綜合PIT曲線和歷史電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測生產(chǎn)過程中斷(Production Process Trips,PPT)次數(shù);④得到單次生產(chǎn)中斷損失成本;⑤根據(jù)PPT和單次生產(chǎn)中斷經(jīng)濟(jì)損失預(yù)估用戶的總經(jīng)濟(jì)損失額。
圖1 電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失預(yù)評估流程圖Fig.1 Flow chart of economic losses assessment due to voltage sags
半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)主要有顯示面板制造、集成電路、芯片制造、光電子等。薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD)憑借其對比度高、響應(yīng)快速、層次感強(qiáng)等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于移動終端、車載顯示、工業(yè)儀表、辦公顯示等行業(yè),在液晶屏市場中占有非常大的空間。本文分析TFT-LCD生產(chǎn)中容易受電壓暫降影響的主要生產(chǎn)步驟和關(guān)鍵敏感設(shè)備,并提出其經(jīng)濟(jì)損失評估方法。
TFT-LCD的生產(chǎn)過程設(shè)備精密、工序繁多,主要可概括為四個子工藝:薄膜晶體管陣列工藝(Array)、彩膜工藝(Color Filter,CF)、成盒工藝(Cell)和模組工藝(Module),如圖2所示。其中,Array工藝負(fù)責(zé)將上玻璃基板制成控制液晶顯示的TFT基板,敏感設(shè)備主要有物理和化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(Physical & Chemical Vapor Deposition,PVD & CVD)、準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備(Excimer Laser Annealing,ELA)、離子注入&快速熱退火設(shè)備(Ion Implantation Doping & Rapid Thermal Anneal,IMP & RTA)、刻蝕機(jī)(Dry & Wet ETching,DET & WET);CF工藝負(fù)責(zé)將下玻璃基板制成彩色濾光膜層,形成彩色和灰階,敏感設(shè)備主要有曝光機(jī)(Exposure Machine,EM)、顯影機(jī)(Developer Machine,DM);Cell工藝將TFT基板與CF基板貼合,灌入液晶,形成液晶盒,生成液晶屏的主要部分,敏感設(shè)備有液晶滴下注入裝置;而Module工藝是將液晶屏貼上集成芯片和外圍工件,并組裝上背光源,形成LCD屏幕模塊[14]。
與一般的機(jī)械加工不同,TFT-LCD工藝流程對物理環(huán)境要求極為嚴(yán)格,所有設(shè)備或者生產(chǎn)工序、子工藝都對物理環(huán)境(如氣壓、溫度、水的純凈度等)有較高要求,比如TFT基板的制作,其設(shè)備都必須要安置于潔凈度達(dá)到一定等級的潔凈室中,這些物理環(huán)境參數(shù)均由廠務(wù)系統(tǒng)保證。廠務(wù)系統(tǒng)主要包括水系統(tǒng)和氣體系統(tǒng),其中水系統(tǒng)包括工藝?yán)鋮s水(Process Cooling Water,PCW)、超純水(Ultra-Pure Water,UPW)、回收水(Recovered Water,RW)等,氣體系統(tǒng)包括壓縮空氣(Compressed Dry Air,CDA)、一般氮?dú)?General Nitrogen,GN2)、真空系統(tǒng)等。
經(jīng)過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn),相當(dāng)一部分事故起因是廠務(wù)系統(tǒng)受到電壓暫降影響宕機(jī)所致,且其造成的后果往往比工藝設(shè)備直接受到電壓暫降影響更嚴(yán)重。比如,排氣系統(tǒng)的排氣泵由變頻器拖動,當(dāng)發(fā)生電壓暫降,變頻器跳閘,隨即排氣風(fēng)機(jī)停機(jī),潔凈室氣體指標(biāo)發(fā)生變化,導(dǎo)致半導(dǎo)體工藝連鎖跳車,TFT制作過程中斷,生產(chǎn)線產(chǎn)品報廢,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。
本文采用故障樹分析法[15]來表征TFT-LCD生產(chǎn)中各關(guān)鍵設(shè)備及子過程的邏輯關(guān)系。故障樹分析法利用與或邏輯圖確定子過程之間的連接關(guān)系,各生產(chǎn)過程中設(shè)備及子過程典型的連接方式有與和或兩種關(guān)系,“與門”關(guān)系下的子過程相互備用,只有全部子過程都中斷,上一級過程才會中斷;而“或門”關(guān)系下的子過程相互獨(dú)立,任何一個子過程中斷都會導(dǎo)致上一級過程的中斷,如圖3所示。
圖3 與或關(guān)系Fig.3 And/or logic
結(jié)合3.1節(jié)、3.2節(jié)分析和調(diào)研結(jié)果可確定TFT-LCD生產(chǎn)過程的中斷故障樹,如圖4所示。其中Array和CF工藝下的設(shè)備屬于3級或門,各個設(shè)備相互獨(dú)立,如EM或者DM任一設(shè)備的宕機(jī)都會導(dǎo)致CF工藝的中斷,Array工藝同理;而Array工藝、CF工藝及液晶滴下注入裝置位于Cell工藝下的2級或門;Cell工藝和PCW、CDA、GN2廠務(wù)系統(tǒng)同屬1級或門,四個子過程故障與否都直接影響TFT-LCD生產(chǎn)過程的中斷情況。
圖4 TFT-LCD生產(chǎn)過程故障樹分析Fig.4 Fault tree model of TFT-LCD process
由圖4可知,TFT-LCD生產(chǎn)的三級連接關(guān)系均為或門,任一設(shè)備或子過程的故障都會導(dǎo)致上一級工藝的中斷。而且某些敏感設(shè)備一旦宕機(jī),由于其過程參數(shù)恢復(fù)緩慢和廢料處理、重啟檢查以及設(shè)備調(diào)試等原因,需要3~4天的時間才能回到正常工作的狀態(tài),這也正是TFT-LCD生產(chǎn)極易受電壓暫降影響且損失嚴(yán)重的原因。
過程免疫時間的定義為:生產(chǎn)過程在經(jīng)受一定程度的電壓暫降后,其過程參數(shù)超過允許限制值的時間[12],如圖5所示。過程參數(shù)指受生產(chǎn)過程中各子過程設(shè)備影響整個過程狀態(tài)的物理指標(biāo),包括溫度、壓力、速度等。圖5中,Pnom為過程參數(shù)額定值;Plimit為過程參數(shù)臨界值;t1、Δt和t2分別為電壓暫降發(fā)生時刻、過程參數(shù)響應(yīng)延時以及超過臨界值的時刻。PIT的定義為:
PIT=t2-t1
(1)
圖5 過程免疫時間曲線Fig.5 Curve of PIT
對于給定的生產(chǎn)過程,可以確定其過程參數(shù)的額定值及臨界值。當(dāng)暫降時間t<Δt,生產(chǎn)過程正常;當(dāng)Δt
通過調(diào)研和實(shí)測,確定某TFT-LCD生產(chǎn)過程在殘余電壓為0.7pu時的關(guān)鍵設(shè)備及PIT值,如表1所示。
表1 某TFT-LCD生產(chǎn)過程關(guān)鍵設(shè)備及其PIT值Tab.1 Key equipments and PITs of TFT-LCD production process
由設(shè)備的邏輯關(guān)系及各自PIT可知,某一生產(chǎn)子過程所包含設(shè)備的連接方式為“與”時,其綜合PIT可由式(2)得到:
PITP=max(PIT1,PIT2,…,PITm)
(2)
式中,PITp為綜合PIT;PITk(k=1,2,…,m)為各設(shè)備的過程免疫時間。
當(dāng)設(shè)備通過“或”相連,其綜合PIT為:
PITP=min(PIT1,PIT2,…,PITn)
(3)
則對于任意具有m個與關(guān)系和n個或關(guān)系的生產(chǎn)過程,其綜合PIT可由式(4)得到:
PIT總=min[PIT1,…,PITn,max(PIT1,…,PITm)]
(4)
通過對TFT-LCD生產(chǎn)過程的分解和關(guān)鍵設(shè)備PIT的測量,可找出其生產(chǎn)過程中薄弱的環(huán)節(jié),為電壓暫降的治理提供依據(jù)。
由式(4)可得,表1實(shí)例的PIT總=83ms。
通過實(shí)測,可得到不同暫降深度下關(guān)鍵設(shè)備的PIT,進(jìn)一步可確定不同暫降深度的綜合PIT值,繪制其散點(diǎn)圖,即獲得生產(chǎn)過程綜合PIT曲線。
獲得生產(chǎn)過程綜合PIT曲線后,可認(rèn)為發(fā)生在綜合PIT曲線下方的暫降不會引起生產(chǎn)中斷,而發(fā)生在曲線上方的暫降則會導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。本文方法利用新建生產(chǎn)線所接電網(wǎng)前一年度電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測,假設(shè)隨后年度電壓暫降發(fā)生情況與其相同,將此數(shù)據(jù)與綜合PIT曲線進(jìn)行對比,統(tǒng)計其在曲線上方的次數(shù),得到生產(chǎn)中斷次數(shù)預(yù)測值。
電壓暫降會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,但不同行業(yè)、不同工藝所承受的損失構(gòu)成和計算部分不同。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)[10]和現(xiàn)場調(diào)研情況可知,半導(dǎo)體行業(yè)電壓暫降造成的經(jīng)濟(jì)損失主要包括兩部分:直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。對于現(xiàn)有企業(yè)擴(kuò)建的生產(chǎn)線,其單次生產(chǎn)中斷損失成本可結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線實(shí)際統(tǒng)計獲得;對于新企業(yè)投建的生產(chǎn)線可參考本文方法結(jié)合其生產(chǎn)計劃估算得到。
5.2.1 直接經(jīng)濟(jì)損失
直接經(jīng)濟(jì)損失是因電壓暫降對生產(chǎn)活動造成的人員、設(shè)備、財產(chǎn)的損失以及產(chǎn)出為廢品的成本支出,包括以下幾種損失:
(1)廢品損失C1:由于電壓暫降而造成產(chǎn)品質(zhì)量不符合規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而報廢的損失。
(2)停工損失C2:電壓暫降造成生產(chǎn)過程中斷后引起從事生產(chǎn)活動的人員停工損失。
(3)重啟動成本C3:生產(chǎn)過程遭受電壓暫降而中斷,為達(dá)到重新啟動生產(chǎn)的條件,需要額外投入的時間、人力和物力。
(4)設(shè)備成本C4:設(shè)備遭受電壓暫降停止運(yùn)行或非正常運(yùn)行而對其本身造成的損失。
所以,電壓暫降直接經(jīng)濟(jì)損失Cd為:
Cd=C1+C2+C3+C4
(5)
5.2.2 間接經(jīng)濟(jì)損失
間接經(jīng)濟(jì)損失統(tǒng)計因電壓暫降問題使得按生產(chǎn)計劃本應(yīng)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品數(shù)量減少或產(chǎn)生次品,從而造成的利潤減少,包括兩部分:
(1)減產(chǎn)的利潤損失C5為:
C5=(減產(chǎn)數(shù)量-次品數(shù)量)×單個產(chǎn)品利潤
(6)
(2)次品造成的損失C6為:
C6=次品數(shù)量×(合格品單位利潤-
次品單位利潤)
(7)
所以,電壓暫降間接經(jīng)濟(jì)損失Ci為:
Ci=C5+C6
(8)
由式(5)、式(8)可得,單次電壓暫降導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷的損失C可表示為:
C=Cd+Ci
(9)
綜上,用戶受電壓暫降影響的總損失C總為:
C總=NC
(10)
式中,N為統(tǒng)計時段(例如一年)內(nèi)PPT的預(yù)測值。
為了驗證所提方法的可行性,將其應(yīng)用于某大型TFT-LCD制造企業(yè)(最高電壓等級:110kV,主變壓器容量:2×63MV·A,日用電量:2.5×106kW·h)生產(chǎn)過程電壓暫降經(jīng)濟(jì)損失評估中,并將評估結(jié)果與企業(yè)實(shí)測統(tǒng)計結(jié)果(如表2所示)進(jìn)行對比分析。
評估過程如下:
(1)分析得到生產(chǎn)過程中斷故障樹,如圖4所示。
(2)經(jīng)調(diào)研實(shí)測得到不同電壓暫降深度下關(guān)鍵設(shè)備的PIT,結(jié)合圖4,得到生產(chǎn)過程的綜合PIT,如表3所示。然后,繪制綜合PIT曲線圖,如圖6所示。
(3)預(yù)測PPT。供電公司提供的上一年度電壓暫降監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示,統(tǒng)計此組數(shù)據(jù)在圖6綜合PIT曲線上下方的次數(shù),如圖7所示。
(4)結(jié)合調(diào)研情況,根據(jù)式(5)~式(9)估算單次生產(chǎn)中斷損失值大約為546萬元,具體如表4所示。
表2 實(shí)際生產(chǎn)中斷次數(shù)及損失值Tab.2 Actual PPT and economic losses
表3 某TFT-LCD生產(chǎn)過程綜合PIT值Tab.3 Comprehensive PITs of TFT-LCD production process
圖6 某TFT-LCD生產(chǎn)過程綜合PIT曲線Fig.6 Curve of comprehensive PIT of TFT-LCD production process
圖7 某TFT-LCD生產(chǎn)中斷次數(shù)預(yù)測值Fig.7 PPT prediction of TFT-LCD production process
表4 單次生產(chǎn)中斷損失成本Tab.4 Economic losses for single process trip
(5)由圖7可得,發(fā)生在綜合PIT曲線上方的電壓暫降有9次(上一年度發(fā)生電壓暫降共16次),即N=9,由式(10)預(yù)估總經(jīng)濟(jì)損失值為:9×546=4914萬元。
將評估結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中斷次數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行對比分析可知:
(1)該方法預(yù)測共有9次電壓暫降會導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷,7次不會導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷,與企業(yè)實(shí)際統(tǒng)計對比發(fā)現(xiàn),在綜合PIT曲線邊緣處有2次理論預(yù)測和實(shí)際結(jié)果不一致,即PPT誤差次數(shù)為2,誤差來自PIT測試時系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差等因素。
(2)經(jīng)濟(jì)損失預(yù)測比實(shí)際大16.14%,這是由于本文方法為預(yù)評估方法,因此在進(jìn)行PIT測試時將設(shè)備完全中斷的最嚴(yán)重情況作為考慮情景。
以上結(jié)果說明該方法的誤差在工程上可以接受,具有可行性。
本文以TFT-LCD生產(chǎn)為例,分析得到的故障樹模型適用于目前主流液晶屏的生產(chǎn)過程,某大型企業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)驗證了該方法的可行性。本文方法可為企業(yè)設(shè)計生產(chǎn)流程、制定供電方案、選擇暫降治理方案提供有效指導(dǎo)意見;同時,本文方法原理清晰,計算簡便,易于掌握,具備工程實(shí)用價值。
本文側(cè)重分析了TFT-LCD生產(chǎn)過程中關(guān)鍵設(shè)備和廠務(wù)系統(tǒng)的邏輯連接關(guān)系,而芯片制造、光電子等其他半導(dǎo)體行業(yè)的工藝流程和廠務(wù)系統(tǒng)各不相同,未來需要確定不同生產(chǎn)過程的故障樹,有針對性地進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失評估和電壓暫降治理。
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