林志超，羅步升，宋志堅(jiān)

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000)

0 前言

典型敏感設(shè)備對(duì)電壓暫降的耐受能力，直接決定暫降期間的設(shè)備后果和用戶經(jīng)濟(jì)損失。因此，準(zhǔn)確合理和切合實(shí)際地刻畫敏感設(shè)備對(duì)電壓暫降的耐受能力，對(duì)于供用電雙方選擇敏感設(shè)備和制定電壓暫降治理方案都具有重要的意義。

為了刻畫典型敏感設(shè)備對(duì)電壓暫降的耐受能力，國內(nèi)外對(duì)交流接觸器（AC contactor,ACC）、可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器（adjustable speed drive,ASD）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）、 計(jì) 算 機(jī)（personal computer, PC）等單個(gè)敏感設(shè)備進(jìn)行了大量測(cè)試與研究，得到了對(duì)應(yīng)的電壓耐受曲線（voltage tolerance curve，VTC），但從由敏感設(shè)備控制的生產(chǎn)過程的角度刻畫電壓暫降耐受能力的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[1-3]利用VTC刻畫了設(shè)備的電壓暫降耐受能力，其中，文獻(xiàn)[1]考慮了暫降特征量和典型暫降事件對(duì)4個(gè)主流廠家、相同型號(hào)的ACC進(jìn)行了試驗(yàn)，并通過VTC刻畫了其耐受能力。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)5個(gè)PLC進(jìn)行試驗(yàn)，研究了暫降基本特征量和奇次諧波對(duì)PLC的影響。文獻(xiàn)[3]在矩形和非矩形的三相、兩相和單相電壓暫降對(duì)可調(diào)速驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了其VTC。但是敏感設(shè)備的暫時(shí)失效并不一定導(dǎo)致其控制的生產(chǎn)過程中斷，以及生產(chǎn)過程存在慣性和響應(yīng)延時(shí)，以單個(gè)設(shè)備來刻畫遭受電壓暫降時(shí)的耐受能力可能存在過估計(jì)，所以應(yīng)當(dāng)考慮從敏感設(shè)備控制的整個(gè)生產(chǎn)過程或子過程來刻畫遭受電壓暫降時(shí)的耐受能力更加實(shí)際、可信和準(zhǔn)確。

總體來說，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)電壓暫降耐受能力的研究與刻畫主要針對(duì)單個(gè)敏感設(shè)備，未能從敏感設(shè)備控制的實(shí)際生產(chǎn)過程出發(fā)。因此，本文提出了一種基于過程免疫時(shí)間（process immunity time，PIT）的電壓暫降耐受能力刻畫方法。將由敏感設(shè)備控制的生產(chǎn)環(huán)節(jié)視為敏感過程，并選取合適的物理參數(shù)，得到該過程遭不同電壓暫降時(shí)，物理參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線；結(jié)合用戶的可接受閾值確定其過程免疫時(shí)間；同時(shí)對(duì)生產(chǎn)過程后果進(jìn)行了劃分，通過PIT定義了相應(yīng)的指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)定量地刻畫其耐受能力。通過在MATLAB/Simulink中對(duì)異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，證明了所提方法的正確性和可行性。

1 電壓暫降耐受能力和刻畫方法

1.1 基于VTC的刻畫方法

在文獻(xiàn)[4]中利用VTC將設(shè)備暫降免疫力分為了A、B、C1、C2、D、E等6個(gè)等級(jí)進(jìn)行刻畫；該種方法是通過不同等級(jí)下，免疫力區(qū)域的不同來對(duì)設(shè)備暫降耐受能力進(jìn)行刻畫。在文獻(xiàn)[5]中提及了適用于信息技術(shù)工業(yè)的ITIC曲線以及適用于半導(dǎo)體行業(yè)的SEMI F47曲線來刻畫設(shè)備電壓暫降耐受能力，而這兩種曲線實(shí)質(zhì)上是VTC。

對(duì)于傳統(tǒng)以VTC來刻畫敏感設(shè)備電壓暫降耐受能力的方法，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并證明了VTC具有不確定性區(qū)域。在考慮幅值和持續(xù)時(shí)間（Duration，D）等兩個(gè)基本特征時(shí)，對(duì)典型敏感設(shè)備（如ACC、PC、ASD）進(jìn)行了大量測(cè)試，得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可的電壓暫降耐受能力，如表1所示。

該種刻畫方法通常只考慮幅值和持續(xù)時(shí)間，且僅僅從單個(gè)敏感設(shè)備的電氣狀態(tài)的角度出發(fā)對(duì)暫降耐受能力進(jìn)行刻畫，未能從該敏感設(shè)備控制的生產(chǎn)子過程或全過程的整體角度出發(fā)，具有一定的局限性，不能更加切合實(shí)際地刻畫電壓暫降耐受能力。對(duì)于非矩形的VTC曲線則表示困難。

表1 典型敏感設(shè)備的電壓暫降耐受能力

1.2 基于過程免疫時(shí)間的刻畫方法

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)用戶對(duì)電壓暫降產(chǎn)生的影響最直接的感受是物理參數(shù)偏離了理想值，如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力等；而敏感設(shè)備的短暫失效并不一定導(dǎo)致生產(chǎn)過程的中斷。故國際供電會(huì)議、國際大電網(wǎng)會(huì)議和國際電熱聯(lián)盟組成的C4.110工作小組在其研究報(bào)告中提出了PIT的概念[6]，用于刻畫敏感設(shè)備或生產(chǎn)過程的電壓暫降耐受能力，如圖1所示。

圖1 過程免疫時(shí)間曲線

其中，Pnom、Plimit分別是過程物理參數(shù)的正常運(yùn)行值和可接受限值；t1為暫降開始時(shí)刻；Δt是該過程響應(yīng)延時(shí)；t2是過程物理參數(shù)達(dá)到限值的時(shí)刻；PIT則為t2與t1的差值。

2 耐受能力等級(jí)劃分及后果分級(jí)指標(biāo)

2.1 過程耐受能力等級(jí)劃分

為了更好地刻畫暫降對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程所造成的影響，將過程耐受能力等級(jí)進(jìn)行劃分是十分重要的。從暫降對(duì)工業(yè)過程造成的后果可恢復(fù)程度來看，在文獻(xiàn)[7]中將實(shí)際的生產(chǎn)過程的可接受后果狀態(tài)分為完全正常、自動(dòng)恢復(fù)、人工恢復(fù)等三個(gè)等級(jí)。從工業(yè)過程的狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)來看，文獻(xiàn)[8]中認(rèn)為過程遭受暫降時(shí)，過程可能為正常、過渡、危險(xiǎn)。從工業(yè)過程的功能性結(jié)果來看，文獻(xiàn)[9]中推薦的對(duì)受試設(shè)備（Equipment Under Test，EUT）試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定的分類為：

1）在制造廠商或委托方或用戶規(guī)定的技術(shù)規(guī)范限值內(nèi)性能正常；

2）功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)降低，但在騷擾停止后EUT能自行恢復(fù)，無需操作者干預(yù)；

3）功能暫時(shí)喪失或性能暫時(shí)降低，但需操作者干預(yù)才能恢復(fù)正常；

4）因硬件或軟件損壞或數(shù)據(jù)丟失而造成不能自行恢復(fù)至正常狀態(tài)的功能降低或喪失。

綜合考慮2.1節(jié)所述，本文將過程的暫降耐受能力分為“正常運(yùn)行、自動(dòng)恢復(fù)、人工恢復(fù)”三個(gè)等級(jí)，如圖2所示。該種等級(jí)劃分還考慮了過程參數(shù)的慣性作用，即電壓恢復(fù)過程中，過程參數(shù)通常不會(huì)立即恢復(fù)，會(huì)在慣性作用下繼續(xù)變化一段時(shí)間然后再恢復(fù)，更接近實(shí)際情況。

圖2 過程耐受能力等級(jí)劃分

其中：I1、I2、I3分別對(duì)應(yīng)于正常運(yùn)行、自動(dòng)恢復(fù)、人工恢復(fù)。

2.2 后果分級(jí)指標(biāo)

在文獻(xiàn)[10]中定義了電壓暫降嚴(yán)重程度指標(biāo)，即幅值嚴(yán)重性指標(biāo)、持續(xù)時(shí)間嚴(yán)重性指標(biāo)兩者的綜合嚴(yán)重性指標(biāo)。該指標(biāo)對(duì)于規(guī)則的VTC曲線很實(shí)用，但對(duì)于非規(guī)則的VTC則難以量化。故本文提出了在不同暫降幅值和持續(xù)時(shí)間情況下，利用PIT刻畫生產(chǎn)過程電壓暫降耐受能力的指標(biāo)。即：

式中：D為暫降持續(xù)時(shí)間；PIT為敏感設(shè)備控制的某生產(chǎn)過程的PIT值。

由式（1）可知，當(dāng)δ的值越大，由該敏感設(shè)備控制的過程對(duì)暫降的耐受能力就越弱。

對(duì)于正常運(yùn)行的指標(biāo)邊界為：

其中，Δt為圖2中的過程響應(yīng)延時(shí)。此時(shí)，刻畫其暫降耐受能力所對(duì)應(yīng)的子區(qū)間為δ∈(0,δ1)；當(dāng)δ越接近δ1，其耐受能力就越弱。

對(duì)于自動(dòng)恢復(fù)的指標(biāo)邊界為：

此時(shí)，刻畫其暫降耐受能力對(duì)應(yīng)的子區(qū)間為δ∈ (δ1,δ2)；當(dāng)δ越接近δ2，其耐受能力也就越弱。

對(duì)于人工恢復(fù)，刻畫其暫降耐受能力所對(duì)應(yīng)的子區(qū)間為δ∈(δ2,+∞)；當(dāng)δ越遠(yuǎn)離δ2時(shí)，其耐受能也就越弱。

綜上所述，由敏感設(shè)備控制的工業(yè)過程遭受電壓暫降時(shí)，刻畫其電壓暫降耐受能力等級(jí)和對(duì)應(yīng)的指標(biāo)量化區(qū)間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 等級(jí)和指標(biāo)量化區(qū)間對(duì)應(yīng)圖

3 仿真驗(yàn)證

3.1 變頻器的機(jī)理

變頻器的典型結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，通常由三相整流模塊、中間直流環(huán)節(jié)、三相逆變模塊和控制回路四部分構(gòu)成。接入變頻器的三相交流電源經(jīng)三相不可控橋式整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?，并通過濾波電路將直流電壓變得平滑，再通過逆變器將直流電壓變?yōu)榉岛皖l率可變的交流電，以向負(fù)載供能?？刂苹芈吠ㄟ^運(yùn)算電路對(duì)反饋信號(hào)和輸入信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到PWM脈沖以驅(qū)動(dòng)逆變器，并提供保護(hù)作用。

圖4 ASD的典型結(jié)構(gòu)

3.2 仿真模型及結(jié)果

在MATLAB/Simulink中對(duì)矢量控制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖5所示。因所建立的變頻器模型為三相設(shè)備，故考慮不同的暫降類型對(duì)模型進(jìn)行仿真。由于選擇的過程物理參數(shù)不同，刻畫暫降耐受能力的區(qū)間可能會(huì)有所差異，故本文選擇了兩個(gè)過程參數(shù)，利用本文所提的等級(jí)劃分和指標(biāo)對(duì)變頻器遭受電壓暫降時(shí)的耐受能力進(jìn)行刻畫。模型參數(shù)設(shè)置見表2。

圖5 仿真模型

表2 模型參數(shù)設(shè)置

在文獻(xiàn)[4]中，將三相電壓暫降分為I、II、III類電壓暫降，分別指單相跌落、兩相跌落和三相跌落的電壓暫降。本文考慮了暫降幅值、持續(xù)時(shí)間和暫降類型的變化對(duì)工業(yè)過程暫降后果的影響。

根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生I類電壓暫降時(shí)，變頻器的運(yùn)行狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，因此主要對(duì)II、III類電壓暫降導(dǎo)致的后果狀態(tài)進(jìn)行分析。選取直流側(cè)電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)，對(duì)變頻器的工作特性及后果狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。直流側(cè)電壓會(huì)在暫降期間下降，可能導(dǎo)致欠壓保護(hù)動(dòng)作，工業(yè)過程中斷；電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到不可接受范圍，可能導(dǎo)致生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)殘次品，例如某卷紙企業(yè)的卷紙環(huán)節(jié)的卷紙速度和密度都由電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速下降會(huì)導(dǎo)致卷紙密度不足，出現(xiàn)次品，造成成本和工時(shí)的損失。

發(fā)生電壓暫降時(shí)，直流側(cè)電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化[11]，本文對(duì)這兩個(gè)過程參數(shù)分別進(jìn)行分析和討論。在暫降跌落相為0.5 p.u.，正常相為1.0 p.u.條件下，進(jìn)行仿真。如圖6所示，在II類暫降下，設(shè)定不同暫降持續(xù)時(shí)間，進(jìn)行多次仿真，（a）中列出暫降持續(xù)時(shí)間為50、150、250、350、400 ms時(shí)的直流側(cè)電壓隨時(shí)間變化趨勢(shì)。未發(fā)生暫降時(shí)，直流側(cè)電壓工作在額定值（約445 V）附近，欠壓保護(hù)設(shè)置到345 V。以持續(xù)時(shí)間50 ms的暫降為例，電源在0.975 s時(shí)發(fā)生電壓暫降，暫降最初階段，直流側(cè)電壓能穩(wěn)定在額定值附近，穩(wěn)定時(shí)間約26.67 ms，之后直流側(cè)電壓出現(xiàn)大幅跌落，在1.025 s時(shí)暫降結(jié)束，此時(shí)直流側(cè)電壓約435 V，但是由于慣性，直流側(cè)電壓不會(huì)立即恢復(fù)，會(huì)持續(xù)下降，在1.052 s時(shí)直流側(cè)電壓開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到額定值。當(dāng)發(fā)生II類暫降時(shí)（跌落相為0.5 p.u.），該工業(yè)過程的PIT為382 ms。

圖6 II類電壓暫降時(shí)過程參數(shù)的變化情況

圖6（b）中列出暫降持續(xù)時(shí)間與圖6（a）對(duì)應(yīng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。未發(fā)生暫降時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工作在額定值（約120 rpm）附近，轉(zhuǎn)速可接受閾值為105 rpm。以持續(xù)時(shí)間150 ms的暫降為例，在電源在0.975s時(shí)發(fā)生電壓暫降，暫降最初階段，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在額定值附近，穩(wěn)定時(shí)間約39.17 ms，之后轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅跌落，在1.125 s時(shí)暫降結(jié)束，此時(shí)轉(zhuǎn)速約為117 rpm，但是由于慣性，轉(zhuǎn)速不會(huì)立即恢復(fù)，會(huì)持續(xù)下降，在1.164 s時(shí)轉(zhuǎn)速開始恢復(fù)，直至超過額定值并在控制回路的作用下恢復(fù)到額定值。當(dāng)發(fā)生III類暫降時(shí)（跌落相為 0.5 p.u.），該工業(yè)過程的 PIT 為 415 ms。

圖7 III類電壓暫降時(shí)過程參數(shù)變化情況

圖7所示為III類暫降下的直流側(cè)電壓和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的情況，詳細(xì)分析與II類暫降下的參數(shù)變化分析類似，此處不贅述。

表3 選擇直流側(cè)電壓刻畫耐受能力

表4 選擇轉(zhuǎn)速刻畫耐受能力

表3和表4為分別采用直流側(cè)電壓和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的后果分級(jí)指標(biāo)及其區(qū)間范圍。該項(xiàng)指標(biāo)的提出，利用了PIT的概念，將電壓暫降的幅值、持續(xù)時(shí)間等電源側(cè)因素，與過程工程師們熟悉的、有過程參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐的工業(yè)過程后果狀態(tài)聯(lián)系起來。利用該項(xiàng)指標(biāo)，能夠通過電壓暫降的幅值和持續(xù)時(shí)間，對(duì)工業(yè)過程的后果狀態(tài)進(jìn)行直觀的判斷和評(píng)價(jià)。為工業(yè)用戶進(jìn)行敏感設(shè)備選型和電壓暫降治理工作提供了依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文利用PIT將過程的暫降耐受能力分為“正常運(yùn)行、自動(dòng)恢復(fù)、人工恢復(fù)”三個(gè)等級(jí)，并提出了后果分級(jí)指標(biāo)，利用其刻畫電壓暫降的耐受能力。使用MATLAB/Simulink對(duì)變頻器帶電機(jī)負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行建模驗(yàn)證，得到了利用后果分級(jí)指標(biāo)對(duì)電壓暫降耐受能力刻畫的區(qū)間范圍。結(jié)果表明利用該種指標(biāo)對(duì)電壓暫降的耐受能力進(jìn)行刻畫，簡潔、直觀，實(shí)用性強(qiáng)。同時(shí)從生產(chǎn)過程可監(jiān)測(cè)的物理參數(shù)的角度考慮，可信度高。