關于電壓暫降問題的幾點思考

隨著對電能質量問題研究的不斷深入，在對諧波、電壓偏差、電壓波動與閃變等穩態(或準穩態)電能質量問題及其治理手段多年研究，取得諸多成果的基礎上，對于電壓暫降與暫升、供電暫時中斷、沖擊性諧波變化這類暫態電能質量問題及其應對措施的關注程度日益提高，并取得很多成果。

在各類暫態電能質量問題中，電壓暫降是發生頻度最高的事件之一。發生時刻的不確定性及表現形式的多樣性與復雜性，以及因電壓暫降事件帶來的后果的不確定性與復雜性，使得其研究工作具有較大的難度。2013年，我國頒布了國家標準《GBT30137-2013電能質量電壓暫降與短時中斷》，IEEE也于2014年頒布了關于電壓暫降指標的標準《IEEEstd1564-2014：GuideforVoltageSagIndices》。與研究工作相比，相關標準頒布的嚴重滯后，也從一個側面反映出電壓暫降問題研究的復雜性與難度。

1 電壓暫降指標存在的問題

無論是我國的電壓暫降國家標準(以下簡稱國標)還是IEEE的電壓暫降指標導則(GuideforVoltageSagIndices)(以下簡稱IEEE1564)，其核心內容都是電壓暫降各相關指標的定義、檢測及及計算方法。這些指標定義的合理性與有效性，無疑是標準得以貫徹執行，并且能夠對電壓暫降研究工作的開展和解決方案的實施起到指導作用的關鍵所在。

各種電壓暫降指標應該是以某種量化的形式反映電壓暫降(以及所產生的危害)的嚴重程度。但由于電壓暫降事件本身的復雜性以及用電設備的多樣性和對于電壓暫降事件所產生的反應的復雜性(可能還包括不確定性)，使得這些指標的制訂極為困難。

單次電壓暫降事件指標

單次電壓暫降事件指標是所有電壓暫降相關指標的基礎。單相場合的情況較為簡單，電壓暫降事件包括兩個維度：暫降的深度(或等效地采用殘余電壓)和暫降持續的時間。三相的情況較為復雜，國標未專門給出定義，而IEEE1564則給出了所謂“特征電壓”的概念。在三相電壓同時發生電壓暫降時，按照“特征電壓”概念得到暫降持續時間，通常會比任意一相的暫降持續時間長。

毫無疑問，幅度較深的電壓暫降或持續時間較長的電壓暫降意味著電壓暫降事件較為嚴重。但這兩者之間是否存在確定的轉換關系呢?對于單次電壓暫降事件指標，無論國標還是IEEE1564都未直接給出明確的關系。在IEEE1564中，后續給出的其它標準(電壓暫降能量指標和電壓暫降嚴重度指標)隱含地給出了它們之間的轉換關系。但是，這種轉換關系并不一致，而且，更重要地，它們能夠真正反映電壓暫降的嚴重程度嗎?

電壓暫降能量(損失)指標

電壓暫降能量指標是衡量電壓暫降事件造成損失的定量指標。IEEE1564給出的電壓暫降能量指標的定義如下：

很明顯，通過上式計算出的是時間而并非能量。可以理解為：以設備的額定(有功)功率為基準，在發生電壓暫降事件的過程中，損失掉的能量所對應的時間。這一指標量化地給出了電壓暫降所帶來的損失。但事實上，多數電壓暫降事件對于敏感負載所帶來的影響，這一指標幾乎并不能確切地反映。筆者曾參與過華北地區某企業在一段時間內頻發設備突然停運故障的分析。根據記錄數據，事故無疑是由于電壓暫降引起的，而設備停運(包括風機、水泵、生產線的驅動裝置等)所帶來的損失，顯然不是停運設備在電壓暫降期間損失掉的能量本身所對應的損失可比的。

此外，在IEEE1564給出的電壓暫降能量指標定義中，假定負載的特性為恒阻抗。而事實上，目前相當多的負載，特別是對電壓暫降敏感的負載并非恒阻抗負載，這些負載在發生電壓暫降事件時，即使簡單地考慮損失掉的能量(所對應的時間)，其值也不能用上式來計算。

電壓暫降嚴重度指標

IEEE1564給出的電壓暫降嚴重度指標的定義如下：

式中分子中的V為實際電壓，而分母中的Vcurve是某一電壓容差曲線所對應的參考電壓。例如，圖1(引自IEEE1564)給出了以SEMIF47曲線為參考電壓得到的電壓暫降嚴重度指標。

圖1 以SEMIF47為參考電壓得到的電壓暫降嚴重度指標

根據電壓暫降嚴重度指標的定義，當實際電壓位于SEMIF47給出的容差曲線上時，指標的值為1。當實際電壓超出容差曲線范圍時，指標大于1。指標數值越大，表明電壓暫降越嚴重。筆者認為該指標定義的問題出現在實際電壓位于容差曲線范圍內時。按照IEEEF47對這一指標定義的解釋，當實際電壓高于90%額定值(電壓暫降事件的閾值)時，設定指標值為0，顯然，這時的指標數值是人為設定的，而不是根據電壓暫降嚴重度指標值的定義式計算出來的。這種人為的設定，破壞了指標定義的一致性與連貫性，在短時(10s以內)電壓暫降值在容差值以內時，使得電壓暫降嚴重度指標值發生跳變。這使得在采用電壓暫降嚴重度指標作為基礎做更宏觀的電壓暫降狀況估計時，得到的結果的有效性值得懷疑。

2 電壓暫降問題研究的誤區

電壓暫降研究模型的可信度問題

對于電壓暫降事件引起的損失的研究，特別是量化的研究，一直是電壓暫降問題研究的熱點問題之一。由于電壓暫降事件的隨機性以及電壓暫降事件引起的后果和損失的復雜性，使得研究所需的大量的基礎數據的獲取非常困難，要保證所獲取的數據的準確性、有效性和可靠性就更為困難。缺乏有效可靠的數據支撐，想建立可信有效的研究模型是不可能的。仍以筆者參與的華北某企業的電壓暫降相關的故障調查與分析為例：在近3個月發生的數次電壓暫降事件引起的數十處故障，幾乎無任何規律可循，只能看出某類負荷(如變頻調速裝置)是對電壓暫降事件敏感的負荷，但具體到某臺具體設備，在某次具體的電壓暫降事件過程中，可能發生也可能不發生故障。根據這樣的數據，很難得到有意義的定量的結論。當然，筆者所舉的例子樣本太少，未必具有普遍意義，但至少從一個側面反映了獲取有效數據的困難程度。

目前用于評價電壓暫降引起的損失的模型種類繁多，但所有模型首先必須解決的基本問題是確定發生電壓暫降事件時設備是否會發生故障。通常，采用的方法是根據電壓暫降的類型，針對不同的設備類型以ITIC曲線(以前的CBEMA曲線)、SEMIF47曲線等作為參考電壓，得到發生故障的概率值。實際上，由于具體設備性能的多樣性，按照這種方法得到結果只能是宏觀的統計規律，難以用來指導具體的設備或企業的電壓暫降解決方案的制定。

對敏感負載特性的改變關注不夠

通過外部的手段降低電壓暫降事件的嚴重程度甚至減少其發生的頻度，或改進電壓暫降敏感設備的承受能力，是解決電壓暫降問題的兩個方面。在很多場合，改進敏感負載的特性，提高其在發生電壓暫降事件時的承受能力，是針對電壓暫降問題有效、合理的解決方案。

當今我們在世界各地旅行時，已經很少關注我們每天都要使用的手機充電器的電壓是否兼容。手機充電器或筆記本電腦電源的100-240V的寬輸入電壓范圍，使得它們可以在全球范圍內隨意使用。這些設備用在我國的220V的環境下，應對50%以上的電壓暫降毫無問題。試想，如果通過適當的方法改造變頻調速裝置，比如改善交流接觸器的防脫扣能力、適當增加換流器直流環節的儲能能力，即可渡過發生概率較高的中低嚴重度的電壓暫降事件。這可能比采用諸如UPS或DVR從外部解決問題，總體上更為有效也更為經濟。

3 幾點建議

在電壓暫降敏感負載的外部和內部同時采取措施，即與解決其他電磁兼容問題類似，在騷擾源與敏感設備兩端同時采取措施，往往是既有效又經濟的方法。采用UPS或DVR作為敏感負載應對電壓暫降問題的解決方案，是將電壓暫降的影響御于敏感設備之外，從原理上無疑是有效的，但其昂貴的造價往往使得用戶望而卻步。而且，像DVR這類設備，盡管其原理早就提出，但到目前為止，實際工程應用仍存在問題。而從另一個角度考慮問題，顯著地提高敏感負載的抵御電壓暫降的能力，就有可能使得設備降低對電壓暫降事件的敏感度，從而順利地渡過多數電壓暫降事件，保證設備正常運行。

因此，筆者認為，電壓暫降的研究者應該特別關注以下幾個方面：

重新設定更為合理的各類電壓容差曲線

目前普遍采用的各種電壓容差曲線(ITIC曲線、SEMIF47曲線等)，是制訂包括電能質量相關標準的重要依據，也是針對設備生產廠商的建議性或強制性標準。但是，多年來的實踐表明，即使設備的性能滿足曲線的要求，仍然有很大的概率在發生電壓暫降事件時失效，從而造成不可忽視的經濟損失甚至安全問題。隨著技術的進步，在合理增加成本的前提下適當提高設備的耐受能力，是解決電壓暫降問題總體上經濟性較高且有效的方案。合理地修訂電壓容差曲線并非易事，當今的大數據技術為這一問題的解決提供了有力的技術手段，但數據的收集、挖掘、處理、分析，仍然是工作量巨大的挑戰。

采取合理可行的措施提高敏感設備的抗敏性

事實上，大幅度地提高電壓暫降敏感設備的承受能力(抗敏性)，在當前的技術發展水平下已經基本上不存在技術障礙。但很顯然，無論采用何種技術手段，勢必增加設備的成本。在沒有直接經濟利益驅動的情況下，生產廠家不大可能主動采用這些改進方案。

一方面，通過修訂電壓容差曲線并修訂相應的標準，強制性地使得設備生產廠家修改設計，從而提高電壓暫降敏感設備的抗敏性;

另一方面，研究如何優化方案，使得提高敏感設備抗敏性所采取的技術措施成本更低、更有效，以及更易于對既有設備進行改造，是研究者應該重點關注的課題。