一种电压暂降综合防治方法与流程

本发明属于涉及电力系统故障治理领域，具体为一种电压暂降综合防治方法。

背景技术：

电压暂降因其发生的频繁性、不可预测性以及对敏感设备的危害而成为工业用户面临的最严重的电能质量问题。现代工业园区的高端制造业用户，为适应工业生产需求，采用大量的过程控制器、变频调速装置、直流电机、数据处理设备等，用电设备趋于集成化和精密化。这些敏感设备对电压暂降(voltagesag/dip，电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1～0.9p.u.，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象)非常敏感。如全天候生产的半导体企业，设备一旦宕机，将造成自动化生产流水线上产品全线报销或变为残次品，重启时间长达数天,导致企业无法按时交货、延误工期，造成巨大的经济损失和企业形象严重受损。

普通用户用电容量小、负荷暂降敏感特性单一，故传统电压暂降治理措施仅在局部单点实施。但是现代工业园区涉及多个电压等级、用电容量大、敏感设备占比高且暂降敏感特性具有一定的差异性，传统的电压暂降治理措施大多基于电力电子技术，治理设备造价高、损耗大，难以适应电压等级高、用户容量大、用电设备多的重要用户；现有协调电网侧和用户侧治理措施的方法将公共连接点下的单个或多个敏感用户视为一个整体，未考虑敏感用户内部负荷的敏感差异，且用户侧设备单一，未考虑切换型电压暂降治理设备与补偿型电压暂降治理设备进行优化配置，现有针对现代工业园区的分层分级电压暂降治理方案仅定性给出设备配置方法，但未考虑用户实际电压暂降情况，未定量计算治理效益，未必符合投入大于产出的治理意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种电压暂降综合防治方法，用于解决现有技术中传统电压暂降治理方法不适用于现代工业园区电压暂降问题的治理的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种电压暂降综合防治方法，包括以下步骤，

s1，收集现代工业园区的初始数据，一方面在电网侧对输配电线路治理，减少故障导致电压暂降的频次，另一方面在用户侧采用不同性能、成本的暂降治理设备，缓减电压暂降的影响；

s2，用敏感负荷状态区域图描述各电压暂降治理设备的性能；

s3，对s2中的各电压暂降治理设备的成本进行建模，包括切换型治理设备成本与补偿型治理设备成本；

对电网侧输配电线路治理成本建模，包括安装避雷器所需成本与配电线路进行缆化所需成本；

对输配电线路引起的年度暂降次数进行建模；

对电压暂降所引起的经济损失进行量化建模，得到年经济损失减少值；

确定最大净现值模型的目标函数以及约束条件；

s4，运用粒子群算法对s3中的目标函数寻优求解，定量得到该综合防治措施的设备配置情况，包括使用何种设备、设备的安装位置和设备的参数，得到效益最大的设备配置结果。

优选的，所述敏感负荷状态区域图包括切换型电压暂降治理设备投运后敏感负荷状态区域示意图、补偿型电压暂降治理设备投运后敏感负荷状态区域示意图、切换型与补偿型电压暂降治理设备组合投运后敏感负荷状态区域示意图。

优选的，所述切换型治理设备成本包括hsmts购置成本和运行维护成本，ssts的购置成本和运行维护成本，所述hsmts的购置成本由设备的额定电压un、额定电流in和开断电流icut决定，可对独立双电源进行快速切换，hsmts的购置成本可表示为：

式中：chsmts(i)为第i台hsmts的购置成本，un(i)、in(i)和icut(i)分别为第i台hsmts的额定电压、额定电流和开断电流，以额定电压为12kv、额定电流1250a、开断电流50ka的设备参数为基准，cb为基准设备的购置成本，kv和ki分别为电压和电流系数当un(i)≤unb时，kv＝1，当un(i)>unb时，kv＝0.73；当in(i)≤inb时，ki＝1，当in(i)>inb时，ki＝0.82，hsmts的运行维护费用为购置成本的1％。

所述ssts的购置成本由额定电压等级和容量决定，ssts购置成本可表示为：

cssts(i)＝ki×csuint×sssts(i)

式中：ki为额定电压等级系数当额定电压为440v时，ki＝1；当额定电压为12kv时，ki＝2，csuninit为ssts单位容量的市场价格，sssts(i)为第i台ssts的容量，年运行维护成本按照购置成本的5％计算。

优选的，所述补偿型设备成本包括dvr的购置成本与运行维护成本，在线式ups的购置成本与运行维护成本，所述dvr的购置成本可表示为：

cdvr(i)＝cdunit×sdvr(i)

式中，sdvr(i)为第i台dvr的容量；cdunit为dvr单位容量的市场价格。

sdvr＝udvri＝udvrsload/un

式中，sload为负载额定容量；un为用户的额定电压；udvr为dvr的最大补偿电压。dvr的年运行维护费为购置成本的5％。

在线式ups的购置成本可表示为：

cups(i)＝cuunit×sups(i)

式中：cunnit为在线式ups单位容量的市场价格，设备额定容量是指逆变器交流输出的视在功率，考虑动态稳定、直流电压下降、温度、设备老化的影响，其容量的选择应留有一定的裕度，可取为：

式中：sups(i)为第i台ups的容量，krel为可靠系数，取值范围为1.33-1.53，pload为负荷的功率，为负荷功率因素,年运行维护成本按照购置成本的15％计算。

优选的，所述安装避雷器所需成本如下式所示：

ca＝caunit×na

式中：caunit为每组避雷器的成本；na为输电线路安装的避雷器组数，避雷器的运行维护成本按照避雷器成本的10％计算。

优选的，配电线路进行缆化所需成本如下式所示：

cl＝clunit×l

式中：clunit为单位距离配电线路的改造成本；l为线路的长度，电缆的运行维护成本为线路改造成本的10％。

优选的，输配电线路引起的年度暂降次数模型可表示为：

式中，nsag为输配电线路改造前的年度暂降次数；参数ktrans取值范围为1或0,当ktrans取值为1，表示输配电线路安装了避雷器，当ktrans取值为0，表示输配电线路没有安装避雷器，kdist取值范围为1或0，当kdist取值为1，表示输配电线路进行了缆化，当kdist取值为0，表示输配电线路没有进行揽化。

优选的，所述经济损失量化建模可表示分为暂降治理前后两种：

暂降未经治理时，可表示为：

式中，m为受暂降影响的敏感负荷数，pi为敏感负荷经受电压暂降时故障的概率，ki为敏感负荷i故障引起的经济损失；

采用电压暂降防治措施后，暂降年经济损失费用将下降为：

式中pi^*为综合治理后敏感负荷i经受电压暂降时故障的概率。

优选的，所述综合防治效益量化模型建模过程如下：电力电缆、线路避雷器、dvr、ssts、在线式ups、hsmts的平均寿命可分别取为30年、30年、15年、15年、6年和30年。将考察周期统一设为30年，便于评估整体方案的效益和可行性。为使方案达到最优，以效益的净现值最大作为目标函数，即：

式中，n为项目考察周期30年；t为当前年份；r为预定的折现率，一般取0.1；△lsag表示暂降综合防治方案实施前后年经济损失减少值；表示所用设备年运行维护成本总和；

advrcdvr＝cdvr(1+1/(1+r)¹⁵)

cdevice表示考察周期内所用设备总购置成本的净现值，由于项目考察周期长于dvr、ssts、在线式ups的平均寿命，在项目周期内需对设备进行更换，以dvr为例，其初始成本为cdvr，dvr需在n＝15时进行一次更换，此时dvr购置成本的净现值为cdvr/(1+r)¹⁵，则在项目考察周期中，dvr总购置成本的净现值为：

则cdevice可表示为：

式中，p为可能安装暂降治理设备的电源支路数，参数kdvr(kups、kssts、khsmts)取值范围为1或0，分别表示是否使用dvr(在线式ups、ssts、hsmts)对支路i所带的敏感负荷进行治理；hsmts用于对独立双电源进行切换，第6项的分母2表示两条电源支路所带的两个负荷共用一个hsmts进行治理。对每一条可能安装电压暂降治理设备的电源支路，最多只能选择一种电压暂降治理设备安装，故对于任意一条电源支路，上文4个参数最多只能一个为1。

本发明的有益技术效果是：

1、普通用户用电容量小，传统电压暂降治理措施仅在用户侧点对点安装暂降治理设备，且传统的电压暂降治理设备大多基于电力电子技术，治理设备造价高、损耗大，通过提出电压暂降综合防治措施，即电网侧采取措施改善输配电线路的外部环境，减少故障导致电压暂降的频次；用户侧采用不同性能、成本的暂降治理设备，缓减电压暂降的影响，从资源优化配置的角度，协调电网侧和用户侧的治理资源、优化用户侧电压暂降治理设备配置进行综合决策，避免了在大容量现代工业园区用户的低压侧全面采用补偿型电压暂降治理设备进行治理，存在设备成本高、空间占用大、安装实施困难等问题。

2、通过提出一种用户侧设备优化配置的策略，并用敏感负荷状态区域图描述电压暂降治理设备性能的方法，包括切换型电压暂降治理设备投运后敏感负荷状态区域示意图、补偿型电压暂降治理设备投运后敏感负荷状态区域示意图、切换型与补偿型电压暂降治理设备组合投运后敏感负荷状态区域示意图，解决了用户侧设备单一，未考虑切换型电压暂降治理设备与补偿型电压暂降治理设备进行优化配置的问题。

3、通过构建切换型电压暂降治理设备，补偿型电压暂降治理设备、在线式不间断电源、输电线路安装避雷器、配电线路缆化的成本模型以及综合防治方法实施后输配电线路引起年度电压暂降次数的模型，构建了综合防治方法实施前后的经济损失量化模型和综合防治方法实施后的效益量化模型，并通过粒子群算法寻优得到综合防治方法的设备配置结果，定量计算治理效益，符合投入大于产出的治理意义，相对传统就地治理方案或定性配置策略更具针对性和可实施性，可低成本、高效益缓减电压暂降影响，对现代工业园区缓解暂降影响具有重要的理论价值和工程指导意义。

附图说明

图1显示为本发明的电压暂降综合防治方法的流程图；

图2显示为本发明的切换型治理设备投运后敏感负荷状态区域示意图；

图3显示为本发明的补偿型设备投运后敏感负荷状态区域示意图；

图4显示为本发明的切换型和补偿型组合投运示意图；

图5显示为本发明的设备组合投运后敏感负荷状态区域示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种电压暂降综合防治方法，包括以下步骤，

s1，收集现代工业园区的初始数据，一方面在电网侧对输配电线路治理，减少故障导致电压暂降的频次，另一方面在用户侧采用不同性能、成本的暂降治理设备，缓减电压暂降的影响；

s2，用敏感负荷状态区域图描述各电压暂降治理设备的性能；

s3，对s2中的各电压暂降治理设备的成本进行建模，包括切换型治理设备成本与补偿型治理设备成本；

对电网侧输配电线路治理成本建模，包括安装避雷器所需成本与配电线路进行缆化所需成本；

对输配电线路引起的年度暂降次数进行建模；

对电压暂降所引起的经济损失进行量化建模，得到年经济损失减少值；

确定最大净现值模型的目标函数以及约束条件；

s4，运用粒子群算法对s3中的目标函数寻优求解，定量得到该综合防治措施的设备配置情况，包括使用何种设备、设备的安装位置和设备的参数，得到效益最大的设备配置结果。

进一步的，如图2-图5所示，所述敏感负荷状态区域图包括切换型电压暂降治理设备投运后敏感负荷状态区域示意图、补偿型电压暂降治理设备投运后敏感负荷状态区域示意图、切换型与补偿型电压暂降治理设备组合投运后敏感负荷状态区域示意图。

进一步的，所述切换型治理设备成本包括hsmts购置成本和运行维护成本，ssts的购置成本和运行维护成本，所述hsmts的购置成本由设备的额定电压un、额定电流in和开断电流icut决定，可对独立双电源进行快速切换，hsmts的购置成本可表示为：

式中：chsmts(i)为第i台hsmts的购置成本，un(i)、in(i)和icut(i)分别为第i台hsmts的额定电压、额定电流和开断电流，以额定电压为12kv、额定电流1250a、开断电流50ka的设备参数为基准，cb为基准设备的购置成本，kv和ki分别为电压和电流系数(当un(i)≤unb时，kv＝1，当un(i)>unb时，kv＝0.73；当in(i)≤inb时，ki＝1，当in(i)>inb时，ki＝0.82)，hsmts的运行维护费用为购置成本的1％。

所述ssts的购置成本由额定电压等级和容量决定，ssts购置成本可表示为：

cssts(i)＝ki×csuint×sssts(i)

式中：ki为额定电压等级系数(当额定电压为440v时，ki＝1；当额定电压为12kv时，ki＝2)，csuninit为ssts单位容量的市场价格，sssts(i)为第i台ssts的容量，年运行维护成本按照购置成本的5％计算。

进一步的，所述补偿型设备成本包括dvr的购置成本与运行维护成本，在线式ups的购置成本与运行维护成本，所述dvr的购置成本可表示为：

cdvr(i)＝cdunit×sdvr(i)

式中，sdvr(i)为第i台dvr的容量；cdunit为dvr单位容量的市场价格。

sdvr＝udvri＝udvrsload/un

式中，sload为负载额定容量；un为用户的额定电压；udvr为dvr的最大补偿电压。dvr的年运行维护费为购置成本的5％。

在线式ups的购置成本可表示为：

cups(i)＝cuunit×sups(i)

式中：cunnit为在线式ups单位容量的市场价格，设备额定容量是指逆变器交流输出的视在功率，考虑动态稳定、直流电压下降、温度、设备老化的影响，其容量的选择应留有一定的裕度，可取为：

式中：sups(i)为第i台ups的容量，krel为可靠系数，取值范围为1.33-1.53，pload为负荷的功率，为负荷功率因素,年运行维护成本按照购置成本的15％计算。

进一步的，所述安装避雷器所需成本如下式所示：

ca＝caunit×na

式中：caunit为每组避雷器的成本；na为输电线路安装的避雷器组数，避雷器的运行维护成本按照避雷器成本的10％计算。

进一步的，配电线路进行缆化所需成本如下式所示：

cl＝clunit×l

式中：clunit为单位距离配电线路的改造成本；l为线路的长度，电缆的运行维护成本为线路改造成本的10％。

进一步的，输配电线路引起的年度暂降次数模型可表示为：

式中，nsag为输配电线路改造前的年度暂降次数；参数ktrans取值范围为1或0,当ktrans取值为1，表示输配电线路安装了避雷器，当ktrans取值为0，表示输配电线路没有安装避雷器，kdist取值范围为1或0，当kdist取值为1，表示输配电线路进行了缆化，当kdist取值为0，表示输配电线路没有进行揽化。

进一步的，所述经济损失量化建模分为暂降治理前后两种：

暂降未经治理时，可表示为：

式中，m为受暂降影响的敏感负荷数，pi为敏感负荷经受电压暂降时故障的概率，ki为敏感负荷i故障引起的经济损失；

采用电压暂降防治措施后，暂降年经济损失费用将下降为：

式中pi^*为综合治理后敏感负荷i经受电压暂降时故障的概率。

进一步的，所述综合防治效益量化模型建模过程如下：电力电缆、线路避雷器、dvr、ssts、在线式ups、hsmts的平均寿命可分别取为30年、30年、15年、15年、6年和30年。将考察周期统一设为30年，便于评估整体方案的效益和可行性。为使方案达到最优，以效益的净现值最大作为目标函数，即：

式中，n为项目考察周期30年；t为当前年份；r为预定的折现率，一般取0.1；△lsag表示暂降综合防治方案实施前后年经济损失减少值；表示所用设备年运行维护成本总和；cdevice表示考察周期内所用设备总购置成本的净现值，由于项目考察周期长于dvr、ssts、

advrcdvr＝cdvr(1+1/(1+r)¹⁵)

在线式ups的平均寿命，在项目周期内需对设备进行更换，以dvr为例，其初始成本为cdvr，dvr需在n＝15时进行一次更换，此时dvr购置成本的净现值为cdvr/(1+r)¹⁵，则在项目考察周期中，dvr总购置成本的净现值为：

则cdevice可表示为：

式中，p为可能安装暂降治理设备的电源支路数，参数kdvr(kups、kssts、khsmts)取值范围为1或0，分别表示是否使用dvr(在线式ups、ssts、hsmts)对支路i所带的敏感负荷进行治理；hsmts用于对独立双电源进行切换，第6项的分母2表示两条电源支路所带的两个负荷共用一个hsmts进行治理。对每一条可能安装电压暂降治理设备的电源支路，最多只能选择一种电压暂降治理设备安装，故对于任意一条电源支路，上文4个参数最多只能一个为1。

电压暂降综合防治策略中将电网侧110kv输电线路是否安装避雷器和10kv专线是否进行缆化、用户侧10kv、380v电压等级负荷是否安装暂降治理设备、采用何种治理设备以及dvr的电压补偿幅值作为独立变量，经寻优算法计算可得该综合防治策略的设备配置情况。

本发明的工作原理为：首先收集园区初始数据，包括园区输配电线路长度、园区年度电压暂降频次统计数据、园区用户各类负荷容量以及单次暂降经济损失等，然后提出一种用户侧设备优化配置的策略，对不同策略中不同的暂降治理措施的成本进行建模，包括切换型和补偿型电压暂降治理设备以及输配电线路改造所用设备，对暂降治理措施实施后的园区年度电压暂降次数进行建模，对暂降治理措施实施前后电压暂降所引起的经济损失进行量化建模，得到暂降治理措施实施前后年经济损失减少值，最后确定暂降治理措施的最大净现值模型的目标函数以及约束条件，运用粒子群算法对目标函数进行求解，定量得到效益最大的设备配置结果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。