一种新型电压暂降严重度评估方法与流程
本发明涉及电压暂降技术领域，尤其涉及一种新型电压暂降严重度评估方法。
背景技术：
在国内认识电压暂降的过程中，2013年12月颁布国标gb/t30137-2013《电能质量电压暂降与短时中断》中将电压暂降(voltagesag)定义为：电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u.～0.9p.u.，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。由于工业过程的频繁中断和电子设备的故障，电压暂降给许多公用事业和工业造成了巨大的经济损失。电压暂降是电能质量中最为关键的问题之一，而暂降严重性评估一直是电能质量领域的研究热点。作为电压暂降补偿措施的关键步骤，有必要准确评估电压暂降的严重程度。
电压暂降的严重程度与设备对电压暂降的响应密切相关。因此，为了准确评估电压暂降的影响，必须了解设备和工业过程对电压暂降的敏感性。对特定设备的灵敏度曲线进行了深入研究，并制定了许多国际标准，为系统设计提供了电压暂降穿越能力方面的指导，如ieee1346中推荐的电压耐受曲线。从用户和设备制造商的角度出发，在对计算机电源进行广泛研究后，提出并推荐了cbema曲线的后续曲线——信息技术工业协会(itic)曲线。半导体工业，通过其设备的最小电压暂降穿越能力的设计要求提出了具有类似阶梯形曲线的semif47曲线。
现有技术是针对单一事件特征来评估电压暂降的严重性，通过计算电压暂降期间的能量变化；通过计算电压暂降期间系统未传递给负载的能量，损耗能量用于评估电压暂降的严重性。电压暂降的严重程度是根据维持电压和电压暂降的持续时间来定义的，通过提出了两个分别代表幅值严重性指标(msi)和持续时间严重性指标(dsi)，并作为不同评估方法的输入参数。
虽然现有技术方法提出的许多评估电压暂降事件严重程度的指标，但大多数电压暂降严重度评估指标未考虑设备对电压暂降事件的敏感度，且是针对单一事件特征来评估电压暂降的严重性，而将电压耐受曲线纳入暂降严重性评估仍需进一步研究。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是现有技术中评估电压暂降事件严重程度方法中，大多指标未考虑设备对电压暂降事件的敏感度，且是针对单一事件特征来评估电压暂降的严重性，该类指标未能充分将电压暂降与工业过程紧密联系起来等问题。本发明提供了解决上述问题的一种新型电压暂降严重度评估方法，将电压耐受曲线纳入暂降严重性评估进行了进一步研究；本发明在普遍接受和广泛应用的设备电压耐受曲线的基础上，提出了一种新的电压暂降严重度指标(sagseverityindex，ssi)，它是根据设备对电压暂降的敏感性而推导出来的，该新指标能够将暂降参数(暂降大小和持续时间)转化为电压暂降严重程度，并用此ssi来评估电压暂降事件严重度，且评估准确度高。与现有的单一事件特征相比，它更体现出设备对电压暂降响应的不确定性；本发明方法通过改变ssi式中参数设置充分地说明了设备灵敏度的变化；ssi在不同暂降严重程度的连接区域不断变化，真实反映了考虑电压耐受曲线的设备的灵敏度变化趋势。
本发明通过下述技术方案实现：
一种新型电压暂降严重度评估方法，该方法包括以下步骤：
s1：根据单次电压暂降特征量样本数据，提取电压暂降特征量；其中，电压暂降特征量包括暂降幅值和暂降持续时间；
s2：根据步骤s1提取的电压暂降特征量，对电压暂降事件构建电压暂降严重度指标模型：当暂降相应的数值位于不敏感区时，则电压暂降严重度为0；当暂降相应的数值位于敏感区时，电压暂降严重度指标模型采用的公式如下：
式中，
s3：根据步骤s2构建的电压暂降严重度指标模型，对待仿真或待检测的电压暂降严重度进行评估，指导工业使用，进而规避电压暂降下的电力设备故障风险。结合某设备电压耐受曲线，若该设备电压暂降严重度指标为0，则说明该设备在此环境下工作，无故障风险。若某设备电压暂降严重度指标不为0，所得的指标值越大，则越偏离标准电压耐受曲线(如图7)，说明该设备在此环境下工作，将面临极大的中断风险，从而影响生产，损坏电力设备。此时，为用户选址建设提供了明确的理论依据。
工作原理如下：
基于现有技术是针对单一事件特征来评估电压暂降的严重性，通过计算电压暂降期间的能量变化；通过计算电压暂降期间系统未传递给负载的能量，损耗能量用于评估电压暂降的严重性。虽然现有技术方法提出的许多评估电压暂降事件严重程度的指标，但大多数电压暂降严重度评估指标未考虑设备对电压暂降事件的敏感度，且是针对单一事件特征来评估电压暂降的严重性，而将电压耐受曲线纳入暂降严重性评估仍需进一步研究。
本发明通过在普遍接受和广泛应用的设备电压耐受曲线的基础上，提出了一种新的电压暂降严重度指标(ssi)，它是根据设备对电压暂降的敏感性而推导出来的，该新指标能够将暂降参数(暂降幅值大小和暂降持续时间)转化为电压暂降严重程度，并用此ssi来评估电压暂降事件严重度，且评估准确度高。本发明结合暂降幅值和暂降持续时间来综合表征设备在电压暂降下的故障风险，首先根据单次电压暂降特征量样本数据，提取电压暂降特征量，包括暂降幅值和暂降持续时间；其次，对电压暂降事件构建电压暂降严重度指标模型：当暂降相应的数值位于不敏感区时，则电压暂降严重度为0；当暂降相应的数值位于敏感区时，电压暂降严重度指标模型采用本发明提出的指标公式进行计算与分析；最后，根据构建的电压暂降严重度指标模型，对待检测电压的暂降严重度进行评估，指导工业使用，进而规避电压暂降下的电力设备故障风险。
本发明的一种新型电压暂降严重度评估方法，与现有的单一事件特征相比，它更体现出设备对电压暂降响应的不确定性；本发明方法通过改变ssi式中参数设置充分地说明了设备灵敏度的变化，通过设置ssi式中的参数，确定ssi等值轮廓线；ssi在不同暂降严重程度的连接区域不断变化，真实反映了考虑电压耐受曲线的设备的灵敏度变化趋势。
本发明方法中构建的电压暂降严重度指标模型考虑了设备对电压暂降事件的敏感程度，并且本指标能充分将电压暂降与工业过程紧密联系起来。
进一步地，步骤s2中的电压暂降严重度指标模型中采用的电压暂降耐受曲线为标准电压耐受曲线semif47。
进一步地，所述电压暂降事件被定义为三元组(fbij，vbij，tbij)，其中下标j和i表示总线i处出现的第j个暂降；fbij表示暂降发生频率，vbij表示暂降幅值，tbij表示暂降持续时间，电压暂降幅值保持在阈值以下，假定电压暂降为矩形且暂降幅值不变；电压暂降幅值和持续时间由常规短路模拟得出；
在非矩形电压暂降的情况下，均方根暂降包络使用多个幅度持续时间函数分解为从包络采样的一系列幅度和持续时间对；对每一对进行单独评估，并将具有最高暂降严重度的一对用作最终的暂降严重度。
进一步地，考虑到现有电压暂降事件严重度指标未能充分反映设备对电压暂降响应的灵敏度趋势，很难实现从一个严重程度到另一个严重程度的逐步过渡。因此，步骤s2中，为了体现电压暂降严重度指标的灵活性和能力，使电压暂降严重度指标描述从一个严重度级别到另一个严重度级别的逐渐过渡；这时电压暂降严重度指标模型采用的公式如下：
式中，
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过在普遍接受和广泛应用的设备电压耐受曲线的基础上，提出了一种新的电压暂降严重度指标(ssi)，它是根据设备对电压暂降的敏感性而推导出来的，本发明结合暂降幅值和暂降持续时间来综合表征设备在电压暂降下的故障风险，该新指标能够将暂降参数(暂降幅值大小和暂降持续时间)转化为电压暂降严重程度，并用此ssi来评估电压暂降事件严重度，且评估准确度高。
2、本发明与现有的单一事件特征相比，它更体现出设备对电压暂降响应的不确定性；本发明方法通过改变ssi式中参数设置充分地说明了设备灵敏度的变化，通过设置ssi式中的参数，确定ssi等值轮廓线；ssi在不同暂降严重程度的连接区域不断变化，真实反映了考虑电压耐受曲线的设备的灵敏度变化趋势。
3、本发明方法中构建的电压暂降严重度指标模型考虑了设备对电压暂降事件的敏感程度，并且本指标能充分将电压暂降与工业过程紧密联系起来。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种新型电压暂降严重度评估方法流程图。
图2为本发明实施例中电压暂降敏感区域图。
图3为本发明方法采用公式(1)的ssi轮廓图。
图4为本发明方法采用公式(2)的ssi轮廓图。
图5为本发明方法公式(1)设置不同参数(采用a＝3，b＝1/2)的ssi轮廓线。
图6为本发明方法公式(1)设置不同参数(采用a＝3，b＝1/4)的ssi轮廓线。
图7为本发明方法公式(2)在采用a＝2的ssi轮廓线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种新型电压暂降严重度评估方法，该方法包括以下步骤：
s1：根据单次电压暂降特征量样本数据，提取电压暂降特征量；其中，电压暂降特征量包括暂降幅值和暂降持续时间；
s2：根据步骤s1提取的电压暂降特征量，对电压暂降事件构建电压暂降严重度指标模型：当暂降相应的数值位于不敏感区时，则电压暂降严重度为0；当暂降相应的数值位于敏感区时，电压暂降严重度指标模型采用的公式如下：
式中，
s3：根据步骤s2构建的电压暂降严重度指标模型，对待仿真或待检测的电压暂降严重度进行评估，指导工业使用，进而规避电压暂降下的电力设备故障风险。
结合某设备电压耐受曲线，若该设备电压暂降严重度指标为0，则说明该设备在此环境下工作，无故障风险。若某设备电压暂降严重度指标不为0，所得的指标值越大，则越偏离标准电压耐受曲线(如图7)，说明该设备在此环境下工作，将面临极大的中断风险，从而影响生产，损坏电力设备。此时，为用户选址建设提供了明确的理论依据。
另外，当步骤s2构建的电压暂降严重度指标模型因选择的少数特异点，而计算出来的公式不符合本发明的设计思想时，可以将这一类型的样本点剔除，重新选择样本点进行计算并构建模型。
具体实施如下：
如图2所示，图2中采用的标准电压耐受曲线semif47。由于保护继电器的消弧时间小于1s，且绝大多数暂降是由故障引起的，且由保护继电器消弧，因此本发明只考虑在[0,1]范围内的暂降持续时间。在图2中，电压耐受曲线所覆盖的区域(即灰色区域)表示暂降敏感区域。tx表示第x个持续时间范围。在图2中，沿t轴从0.02到1s有三个持续时间范围。
根据设备灵敏度，本发明提出的ssi代表电压暂降的严重程度(以暂降幅值和暂降持续时间表示)。电压暂降事件被定义为三元组(fbij，vbij，tbij)，其中下标j和i表示总线i处出现的第j个暂降；fbij表示暂降发生频率，vbij表示暂降幅值，tbij表示暂降持续时间，电压暂降幅值保持在阈值以下，假定电压暂降为矩形且暂降幅值不变；电压暂降幅值和持续时间由常规短路模拟得出。在非矩形电压暂降的情况下，均方根暂降包络使用多个幅度持续时间函数分解为从包络采样的一系列幅度和持续时间对；对每一对进行单独评估，并将具有最高暂降严重度的一对用作最终的暂降严重度。电压暂降严重度是为暂降仿真研究，在本发明中使用一对具有代表性的暂降特征量(即暂降幅值大小和暂降持续时间)来表示电压暂降。
对于给定暂降幅值大小和暂降持续时间，如果相应的数值位于不敏感区，即电压耐受曲线上方的区域，则电压暂降严重度为0；当暂降相应的数值位于敏感区时，电压暂降严重度指标模型采用公式(1)进行计算与分析。
公式(1)中a＝3，b＝1/2；例如，0.6p.u.的电压暂降和0.6s的持续时间将在图2中持续时间-幅值空间的第三个持续时间范围(t3)内。在这种情况下，y＝3，而x的范围是1到2。vmax(tx)和vmin(tx)分别表示时间范围tx内敏感区域的最大和最小电压。tmax(tx)和tmin(tx)分别表示时间范围tx的最大和最小时间(边界)。系数a用于控制从不同持续时间范围内的暂降估计的ssi值之间的差异。系数a越大，从不同持续时间范围估计的ssi差异越大。式子(1)的第一项调整从不同持续时间范围估计的ssi值之间的差异，并确保对于给定的暂降量，ssi随着暂降持续时间的增加而逐渐增加。在持续时间范围ty内，系数b随着暂降持续时间的增加以调整ssi的增加速率。对于给定的y，系数b越小(b<1)，by-1越小(by-1<1)。当((tbij-tmin(ty))/(tmax(ty)-tmin(ty))<1和by-1<1时，by-1越小，即((tbij-tmin(ty))/(tmax(ty)-tmin(ty))的指数越小，在持续时间范围开始时ssi的增加速率越大，在持续时间范围结束时ssi的增加速率越小。此外，即使在固定参数b，由于使用by-1，不同持续时间范围内的ssi增长率也会有所不同。当y(y>1)增大时，by-1(by-1<1)减小。随着by-1的减小，持续时间t3开始时的ssi增加速率大于t1和t2，持续时间t3结束时的ssi增加速率小于t1和t2。
利用公式(1)评估的ssi的颜色轮廓图如图3所示，其中受影响较大的区域用深色标记，不受电压暂降干扰的区域用浅色标记。在该图中，仍能模糊地观察到标准电压耐受曲线。该表示说明了与由单一耐受曲线定义的设备对电压暂降的敏感度相关的变化。
图5为本发明方法公式(1)设置不同参数(采用a＝3，b＝1/2)的ssi轮廓线。图6为本发明方法公式(1)设置不同参数(采用a＝3，b＝1/4)的ssi轮廓线。
工作原理是：本发明通过在普遍接受和广泛应用的设备电压耐受曲线的基础上，提出了一种新的电压暂降严重度指标(ssi)，它是根据设备对电压暂降的敏感性而推导出来的，该新指标能够将暂降参数(暂降幅值大小和暂降持续时间)转化为电压暂降严重程度，并用此ssi来评估电压暂降事件严重度，且评估准确度高。本发明结合暂降幅值和暂降持续时间来综合表征设备在电压暂降下的故障风险，首先根据单次电压暂降特征量样本数据，提取电压暂降特征量，包括暂降幅值和暂降持续时间；其次，对电压暂降事件构建电压暂降严重度指标模型：当暂降相应的数值位于不敏感区时，则电压暂降严重度为0；当暂降相应的数值位于敏感区时，电压暂降严重度指标模型采用本发明提出的指标公式进行计算与分析；最后，根据构建的电压暂降严重度指标模型，对待检测电压的暂降严重度进行评估，指导工业使用，进而规避电压暂降下的电力设备故障风险。
本发明的一种新型电压暂降严重度评估方法，与现有的单一事件特征相比，它更体现出设备对电压暂降响应的不确定性；本发明方法通过改变ssi式中参数设置充分地说明了设备灵敏度的变化，通过设置ssi式中的参数，确定ssi等值轮廓线；ssi在不同暂降严重程度的连接区域不断变化，真实反映了考虑电压耐受曲线的设备的灵敏度变化趋势。
本发明方法中构建的电压暂降严重度指标模型考虑了设备对电压暂降事件的敏感程度，并且本指标能充分将电压暂降与工业过程紧密联系起来。
实施例2
如图1至图7所示，本实施例与实施例1的区别在于，考虑到现有电压暂降事件严重度指标未能充分反映设备对电压暂降响应的灵敏度趋势，很难实现从一个严重程度到另一个严重程度的逐步过渡。实际上，由于影响设备对电压暂降敏感度的因素很多，设备跳闸和穿越之间的界限不能用明线来定义。ssi准确地描述了从一个严重度级别到另一个严重度级别的逐渐过渡。为了体现ssi的灵活性和能力，在实施例1的基础上，步骤s2中，电压暂降严重度指标模型采用的公式如下：
式中，
从公式(2)得到的轮廓图如图4所示，其中受影响较大的区域用深色标记，不受电压暂降干扰的区域用浅色标记。与图3相比，由图4可以看出，在这种情况下，相邻两个持续时间范围之间的接合区域的陡坡变软，ssi的增加速率相对稳定。在图4中，还可以模糊地观察到标准电压耐受曲线。考虑到ssi的灵活性，在实际应用中可以根据具体情况调整系数。
结合某工业用户暂降情况，分析电压暂降严重度指标(ssi)。对于一个实施例，先要获取电压暂降幅值与暂降持续时间，评估的结果如图5，图6、图7所示。可以看出，用零ssi标记的等值线与标准电压耐受曲线相同。暂降区域高于标准电压耐受曲线的任何点的严重度指标为零。对于位于敏感区域(低于电压耐受曲线)的暂降，评估的指标值根据暂降幅值大小和暂降持续时间而变化。图5、图6中用零ssi标记的等高线划分零ssi和非零ssi的区域。换言之，用零标记的等高线辅助区分了电压耐受曲线定义的暂降敏感区和不敏感区。等高线遵循设备的灵敏度曲线形状和严重度分布。在图5、图6中，ssi表示不同持续时间范围之间的明确划分，这意味着区分不同持续时间范围之间的严重程度。为了说明系数对ssi的影响，图6给出了较小设置参数b获得的ssi的轮廓线。图7与图5、6相比，相邻两个持续时间范围的联合区域的划分不那么明显，更能充分反映设备对电压暂降响应的灵敏度趋势，实现从一个暂降严重程度到另一个暂降严重程度的逐步过渡。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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