敏感用户工业过程的过程免疫时间曲线刻画方法.pdf

敏感用户工业过程的过程免疫时间曲线刻画方法马 骏景 源易 见周之松徐方维龙晨瑞(.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司输气管理处 四川 成都.四川大学电气工程学院四川 成都)摘 要:过程免疫时间曲线是分析敏感用户工业过程对电压暂降免疫力的重要工具 针对实际生产中过程参数监测困难、用户监测意愿低导致过程免疫时间曲线难以刻画的问题文中提出监测数据缺失或不足时典型工业过程的过程免疫时间曲线模型构建方法 首先基于典型工业过程结构利用敏感设备电压暂降免疫时间常数计算过程免疫时间然后由经验公式和二次 插值分别得到无监测数据和少量监测数据情况下过程免疫时间曲线最后通过对某天然气压气站大功率电驱离心式压缩机系统的分析验证了所提方法的可行性与有效性关键词:电压暂降 过程参数 过程免疫时间 插值中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.(.):.:引 言电压暂降是最常见的电能质量扰动事件产生原因包括短路故障、变压器投切和大型感应电动机启动 现代工业过程广泛使用诸如变频器()、交流接触器()基金项目:西南油气田分公司输气管理处 年科研计划项目()和可编程逻辑控制器()等电压暂降敏感设备易因电压暂降引起工业过程中断造成巨大经济损失 尽管电压暂降的发生无法避免但提升工业过程对电压暂降的耐受能力可有效缓减敏感用户经济损失 在用户侧加装电压暂降治理装置是最主流的提升措施 针对不同过程对电压暂降耐受能力的差异对治理装置进行优化配置可达到经济收益最大化 因此有必要研究工业过程对电压暂降的耐受能力四 川 电 力 技 术 年 月 第 卷 第 期 电压暂降国际联合工作组(.)在 年发布报告推荐使用过程免疫时间()作为衡量过程对电压暂降或短时中断免疫力的统一测度 定义为过程受到电压暂降或短时中断影响后其能维持过程参数不越限的最大持续时间 在电压暂降经济损失评估、电压暂降后果缓减、电压暂降严重度评估、工业用户供电方案优化和过程免疫力量化等方面得到应用 上述研究得以开展的先决条件是 已知但实际生产中 存在模糊性通常敏感用户无法为 曲线的刻画提供数据支撑因为电压暂降具有随机性其出现频次、暂降幅值和持续时间不确定难以有预见性地对电压暂降事件进行监测而建立完善的监测系统采集电压暂降期间工业过程中电量与物理量数据将使用户的生产成本上升当用户监测数据不足时以 为切入点针对工业过程电压暂降免疫力的研究主要从两方面开展:过程免疫时间计算和过程免疫时间曲线刻画即 值计算和 曲线刻画 值的计算一般基于过程中元件响应特性或元件连接方式:文献考虑工业过程元件连接方式利用信息响应流拓扑评估工业过程 值文献基于元件逻辑连接关系和单个元件的响应特性利用甘特图计算 值 实际生产中不同工业过程之间联系复杂、过程容量大文献的计算结果置信度难以保证 对 曲线的刻画以数据拟合和构建物理模型为主:文献使用线性插值对用户监测数据进行拟合以刻画 曲线其结果难以反映温度、流量等非线性变化的过程参数对电压暂降的响应特性文献基于工业过程物理结构提出过程参数响应模型以刻画 曲线其等值模型结构简单无法推广至其他工业用户 可见如何保证小样本及复杂工业结构下 曲线的刻画精度仍是未来工业过程电压暂降耐受能力研究领域的发展方向综上当用户监测数据缺失或不足时建立具有一定精度的工业过程 曲线模型具有较高的经济价值和实用性 为此下面提出敏感用户工业过程 曲线刻画方法 首先基于过程中敏感设备类型及其组成结构计算得到不同过程结构的 值无过程参数监测数据时根据 值和过程参数变化特性得到 曲线仅有少量过程参数监测数据时利用二次 插值得到 曲线 最后通过对某天然气压气站用户工业过程的分析证明了所提方法的可行性 过程免疫时间与过程免疫力工业过程以电力作为动力源时刻与外界环境产生能量和物质交换以维持过程中特定工艺参数(过程参数)稳定在可接受范围内 研究电压暂降影响下过程参数的变化特性可准确衡量并掌握工业过程对电压暂降的抗扰能力过程参数超过控制系统设定阈值时相应工艺过程中断若多个过程之间设置有连锁保护单一过程的中断可能引起工业用户整个生产过程中断 因此可用 作为衡量工业过程对电压暂降免疫力的测度 假设过程受到电压暂降影响前稳定运行且电压暂降持续时间大于过程中敏感设备的耐受时间则 曲线如图 所示图 过程免疫时间曲线 图 中:、分别为过程参数额定值和限值为电压暂降起始时刻为过程参数因电压暂降而偏离额定值的时刻为过程参数超过限值时刻即过程中断时刻 为过程参数对电压暂降的响应时延 为防止过程因电压暂降中断应在 前将过程参数提升至 以上避免触发控制系统的连锁保护这一过程如图 所示图 过程免疫力的提升 图 中红色曲线为进行电压补偿或提升过程储能后过程参数的变化趋势 由图 可知 前过程参数维持在 以上成功穿越此次电压暂降 四川电力技术 第 卷提高工业过程对电压暂降的抗扰能力合理缓减电压暂降影响可基于 曲线确定电压暂降补偿方式、补偿深度以补偿维持时间 工业过程结构与 常见的敏感设备包括个人电脑()、和 工业用户通常会采用 保护 和 等控制设备因此 与 成为对工业过程影响最大的敏感设备 工业过程的正常运行是控制系统、驱动系统和负载(压缩机、泵、粉碎机和风机等)共同出力的结果 不同工业过程使用的负载类型不同但驱动系统一般由、和异步电动机组成驱动系统将电能转化为其他能量形式直接或间接维持过程参数恒定典型的工业过程结构为“异步电动机负载”和“异步电动机负载”后续简称为 和 将这两种结构中各元件的输出量看作相应元件的过程参数则两种结构的 等于结构中各元件的 之和 此外单一元件的 受其响应时间与免疫时间常数()影响 受试设备电压耐受曲线()及 的定义如图 所示图 的定义 图 中()、()为 中 个区域边界线的膝点坐标 由电磁线圈、静铁芯、动铁芯和弹簧构成电压暂降会导致 输入端电压 迅速下降从而使流过电磁线圈的电流 减小 铁芯中磁通量下降电磁力减小最终电磁力不足以克服弹簧力的影响导致触点断开受控设备的电源中断 大量研究和测试表明 对电磁线圈中电压变化的响应时间近似于 因此若将 动铁芯与静铁芯距离作为过程参数可认为其 等于 的 由整流电路、直流耦合电容和逆变电路组成 二极管和晶闸管是响应速度极快的电力电子器件因此整流电路与直流耦合电路的响应时间近似为 的响应时间由直流耦合电容决定 对于给定的 有 ()()式中:为暂降期间 输出的稳态电压为暂降期间 的输入电压为整流电路输出电压 为 所接负载的等值电阻 为直流耦合电容值式()表明:发生电压暂降时 整流侧的输出电压 会随输入电压降低而减小当 小于 直流耦合电容电压时电容将通过逆变侧负载电阻放电 此时 遭受电压暂降时将经历式()所示的暂态过程时间常数为 最终 会衰减至 对于一切采用“交直交”结构的工业变频调速器上述分析均适用 通常设有直流电压保护当 低于保护阈值时 将闭锁 因此从暂降发生至整流电路输出电压低于保护阈值的时间为 的 当 整流电路输出电压难以获取时可近似认为其 等于 异步电动机通常与 和 配合使用 由于异步电动机对电压暂降的耐受能力强于 和通常认为当异步电动机控制回路中的 与 因电压暂降失效后异步电动机开始耐受短时中断 假设电压暂降结束时异步电动机转速未降至 则有()()式中:为异步电动机因电压暂降产生的转速变化量为异步电动机的机械转矩 为惯性转矩、分别为电压暂降起始时刻和结束时刻为电压暂降影响下异步电动机端电压、分别为 时刻转速和 时刻前转速异步电动机的机端电压会引电压暂降降低此时异步电动机电磁转矩减小当电磁转矩小于其机械转矩 时电动机转差率上升转速下降 由式()可知异步电动机转速下降取决于初始机械转速、惯性转矩及电压暂降特征(暂降幅值与持续时间)直驱异步电动机和变频异步电动机转速在电压暂降影响下的变化均满足式()第 期 马 骏等:敏感用户工业过程的过程免疫时间曲线刻画方法 将式()移项得()()求解式()以转速作为异步电动机过程参数其 可由式()确定()()()式中:为异步电动机的 为电压暂降幅值在异步电动机的测试和分析中通常将其转速或转差率作为判断其运行状态的参考量当式()中 与 难以获取时可近似认为其 等于 综上由 和 两种结构组成的工业过程 为 ()式中:、分别为 结构和 结构的、分别为 和 的 工业过程 模型.无监测数据电压暂降影响下过程参数的监测数据缺失时可根据过程参数额定值、限值以及生产过程所处环境的环境参数建立 曲线模型 研究与测试表明在无外界能量输入时诸如压力、温度等过程参数的变化速率取决于其初始状态与环境参数 当 和 结构中元件因电压暂降失效后过程参数随即耗散耗散速率与过程参数梯度呈正比设电压暂降发生后过程参数 随时间 变化关系为()()()()式中:为表征过程参数耗散速率的系数 仅与过程结构和设备性能有关为无设备出力时相应过程参数的环境值由式()可得 曲线模型()()()式()表明:对于给定工业过程电压暂降影响下过程参数 的变化速率与初值、稳态值和环境值有关工业过程的结构、初始储能不同其过程参数变化形式存在差异可用 表征过程抗扰能力 越大过程对电压暂降的抗扰能力越弱 以温度、压力和流量等为过程参数的工业过程均可用式()描述过程参数变化特性由 定义可知()()()式中为给定过程的过程免疫时间根据式()有()()于是()()将式()中不同过程结构的 代入式()即可求出 并得到式()所示 曲线模型.少量监测数据根据用户提供的少量监测数据可通过拟合或插值方法得到 曲线模型 由于温度、压力和流量等过程参数在短时间段内的变化是非线性的随着用户监测样本数量的减少拟合或线性插值结果将无法反映过程参数的实际变化特性 基于此利用二次 插值保证小样本情况下所得 曲线模型的精度设插值节点为 各插值节点对应的过程参数为 则有 ()式中:为过程免疫时间为电压暂降发生前过程参数额定值为过程参数限值在区间设二次 插值基函数分别为()()()()()()()()()()()()()()()()式中:为常数且()()为对应插值区间内二次 插值的基函数二次 插值结果为()()()()()四川电力技术 第 卷根据 个插值区间的二次 插值函数解出该区间下过程参数值得到给定过程的 曲线模型 工况中如温度、压力等过程参数随时间的变化趋势并非呈线性式()通过插值区间端点和中点值利用二次基函数进行插值能更好反映过程参数曲线的特点 当插值节点足够时式()可作为分析工业过程抗扰能力及其对电压暂降响应特性的可靠参考 算例分析以中国西南地区某天然气压气站用户为例验证所提方法的可行性与有效性 该用户主要工艺流程为压缩天然气由大功率电驱离心式压缩机(下面简称为压缩机)的主系统与辅助系统共同维持工艺流程运转其供电结构如图 所示图 压缩机系统供电结构 图 中过程 由压缩机主系统维持过程 至过程 分别由压缩机 个辅助系统维持:变频水冷系统的润滑油系统、电动机水冷系统、空压机系统和后空冷系统 过程 至过程 的结构和过程参数如表 所示表 过程结构及过程参数过程结构过程参数额定值限值过程 压力 过程 温度 过程 压力.过程 温度 过程 压力.该用户的工艺监测系统中存储了少量电压暂降影响下主系统过程参数数据根据式()式()可得过程 的 曲线 个辅助系统过程参数无可用监测数据根据式()式()可得过程 至过程 的 曲线 需要注意的是该用户压缩机驱动系统中变频器可低电压穿越因此暂降幅值不同时过程 的 曲线变化趋势不同辅助系统中某一元件因电压暂降失效后将导致过程中断故不再考虑暂降幅值对过程 至过程 曲线变化趋势的影响过程 至过程 中敏感设备包括 与 结构中各设备典型 曲线的膝点坐标与 值如表 所示表 敏感设备典型 参数种类()()(.)(.)(.)(.)(.)根据式()由表 和表 可知过程 至过程 的 值、分别为.、.、.和.过程 和过程 的过程参数均为冷却介质的供水温度无设备出力时过程参数将分别升高至 和 故过程 和过程 的环境值 和 分别为 和 过程 与过程 的过程参数分别为润滑油总管压力和空压机出口压力无设备出力时过程参数均降低至 故过程 与过程 的环境值 和 均为 将过程 至过程 的过程参数额定值、限值、以及 代入式()解得相应过程参数耗散速率系数、分别为.、.、.和.将 代入式()可得相应过程的 曲线结果如图 所示图 过程 至过程 的 曲线 图 中电压暂降起始时刻为 、第 期 马 骏等:敏感用户工业过程的过程免疫时间曲线刻画方法 、分别为过程 至过程 的过程参数额定值、分别为过程 至过程 的过程参数限值 该用户压缩机主系统包含隔离变压器、大功率变频器、高压异步电动机和离心式压缩机 根据用户提供的暂降幅值为.、.和.时压缩机出口压力采样数据利用二次 插值得到过程 的 曲线结果如图 所示图 过程 的 曲线 图 中 为暂降幅值根据该用户接入点电压暂降的幅值概率分布特征可得到不同暂降幅值下主过程 的 曲线 依据该压气站用户过程工程师经验可知图 至图 中过程 至过程 的过程参数变化特性与历史事件相符合可反映实际生产中压缩机主系统与辅助系统过程参数对电压暂降的响应特性 结 论所提出的过程免疫时间曲线构建方法可用于描述工业用户受暂态电压扰动时关键工艺参数的变化特性 通过分析用户工业过程结构采集用户关键工艺参数可完成过程参数模型构建或根据少量过程参数监测数据利用插值得到过程免疫时间曲线 基于所得过程免疫时间曲线中关键坐标参数可为用户后续治理装置选型、补偿深度和补偿时间的确定奠定基础并为同类型敏感用户建设初期供电方案的设计与规划提供客观参考 考虑用户需求以提供个性化的电能质量定制服务将成为未来电力市场和优质供电服务的发展方向 随着用户数据开放程度的提升精准制定符合用户特点的供用电策略将同时利好电网和用户过程免疫时间曲线作为反映敏感用户工业过程对电压暂降免疫能力的便利工具可同时反映敏感用户的电气特性和物理属性具有较好的研究价值 针对工业用户过程参数监测数据缺失或不足的问题上面分别提出相应过程免疫时间曲线模型的构建方法为采用特定工业过程结构的用户提供参考 但如何在小样本情况下完善过程免疫时间曲线的刻画精度以便推广至同类型用户还需进一步研究参考文献 汪颖王曼陈韵竹等.基于多维关联信息的电压暂降治理需求识别.电网技术():.王璐肖先勇汪颖等.基于深度神经网络的电压暂降经 济 损 失 评 估 模 型 .电 力 自 动 化 设 备():.华桦李华强李文峰.电压暂降治理的运营模式及其投资回报.电力科学与技术学报():.何英杰支文浩张义坤等.典型敏感设备电压暂降耐受能力自动测试系统研究.电网技术():.():.何函洋肖先勇李成鑫等.敏感用户电压暂降损失风险评估的模糊推理模型.中国电机工程学报():./.:.丁凯胡畔李伟等.考虑信息缺失的电压暂降经济损失模糊评估方法.中国测试():.李春海李华强刘勃江.基于过程免疫不确定性的工业用户电压暂降经济损失风险评估.电力自动化设():./.:./.张逸李为明林芳等.基于电气特性物理属性的工业用户电压暂降缓减策略.中国电机工程学报():.张逸张妍张嫣等.缓减电压暂降影响的电气综合能源系统储气装置选址定容方法.电力自动化设备():.(下转第 页)四川电力技术 第 卷的稳定性和可靠性)新建串联补偿装置补偿度为 乌撒电源可满出力)新建调相机 毕节新能源可满出力 结 论上面对毕节新能源 送出系统进行了电网稳定研究分析了毕节新能源和水电送出 联络线存在的稳定问题提出了提高送电能力的措施参考文献 李明节.大规模特高压交直流混联电网特性分析与运行控制.电网技术():.杨欢欢付超李诗旸等.南方电网稳定控制系统高保真传动试验方案设计与结果分析.南方电网技术():.许涛励刚于钊等.多直流馈入受端电网频率紧急协调控制系统设计与应用.电力系统自动化():.朱锐黎劲松杨宝起等.高比例新能源接入区域电网稳定控制技术探讨.电工技术():.肖友强李玲芳陈义宣.云南电网稳控系统的优化配置研究.云南电力技术():.郝雨辰江叶峰仇晨光等.基于多代理系统的直流微电网分区域式稳定控制方法研究.电力工程技术():.郭剑朱炳铨徐泰山等.基于历史数据聚类分析的暂态功角稳定故障筛选.电力工程技术():.():.:.():.郭琦朱益华常东旭等.电网安全稳定控制系统远程试验方法及工程应用.电力系统自动化():.作者简介:明 杰()男硕士工程师研究方向为电力系统稳定与控制(收稿日期:)(上接第 页)秦川姜燕.基于经济等效时间考虑电压暂降的供电可靠性评估方法研究.电力电容器与无功补偿():.林志超罗步升宋志坚.一种基于过程免疫时间的电压暂降后果分级指标.云南电力技术():.肖先勇秦铄汪颖等.考虑敏感设备中断概率的电网线路改造优质供电运营模式研究.电网技术():.汪颖李成鑫李国栋等.基于响应事件工艺参数免疫时间的设备电压暂降敏感特征识别.四川大学学报(工程科学版)():.刘旭娜张文涛魏俊等.基于配电网过电流保护的电压暂降缓解方法.电气应用():.:.罗珊珊陈兵汪颖等.基于过程免疫力和优化 近邻估计的配网电压暂降频次估计.电工电能新技术():.徐琳刘畅杨华.敏感工业过程电压暂降免疫时间评估.电力电容器与无功补偿():.钟庆何淇彰陈伟坤等.基于甘特图的过程免疫时间计算方法.电力系统自动化():.肖先勇谭秀美汪颖等.基于电气特性物理属性感知损失的电压暂降经济损失评估.中国电机工程学报():.李天楚伍智鹏方铭等.基于 推理的电压暂降下工业过程负荷损失率评估方法.电力系统保护与控制():.胡兵徐友才朱瑞.现代科学与工程计算基础.成都:四川大学出版社.:/.:/./?.作者简介:马 骏()男工程师从事电气管理工作景 源()男助理工程师从事电气技术管理工作易 见()男高级工程师从事天然气离心式压缩机组管理工作周之松()男高级工程师从事水电、压缩机管理工作徐方维()女博士教授研究方向为电能质量与电磁兼容龙晨瑞()男硕士研究生研究方向为电压暂降治理技术(收稿日期:)四川电力技术 第 卷