一种电压暂降经济损失评估方法

摘要

本发明公开了一种电压暂降经济损失评估方法，所述方法包括：基于敏感设备的电气特性、物理属性、感知损失获得电压暂降损失事件分类结果，基于敏感设备的VTC曲线和PIT曲线得到损失量化原理；基于电压暂降损失事件分类结果与损失量化原理，分别建立不同类损失事件的概率模型；在基于概率模型得出不同类损失事件概率的基础上，计算工业过程电压暂降经济损失；建立工业过程电压暂降经济损失评估通用模型，为用户进行电压暂降投资和治理提供决策依据。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统电能质量经济性评估领域，具体地，涉及一种基于电气特性、物理属性、感知损失的电压暂降经济损失评估方法。

背景技术

因雷击等造成的电压暂降给半导体、电子、制药、纺织、石化等行业用户造成的巨大影响和损失，已受到工业界、学术界和政府高度重视。高新技术园区用户每年遭受电压暂降约10～30次，导致损失约2到10或20余次。为此，电网公司和用户均采取了积极措施，但是，电压暂降损失具有不确定性和难预见性，电网侧或用户侧措施均涉及巨大投资，有时投资甚至超过其他主要设备投资。因此深入研究电压暂降经济损失和用户风险评估方法，具有重要理论价值和现实意义。

对电压暂降损失评估方法的研究目前尚处于经验积累阶段，主要分直接法和间接法。直接法包括调查统计法和解析法；间接法包括支付意愿法(WTP，willingness to pay)和接受意愿法(WTA，willingness to accept)等。其中，调查统计法对实际损失进行统计，为此，我国还制定了相关标准《GB/Z 32880.1-2016电能质量经济性评估第1部分：电力用户的经济性评估方法》，结果可靠，但耗时费力，推广性不强；解析法包括概率法、模糊法等，推广性较强，其核心是评估过程电压暂降免疫力，但该类方法均从设备电气特性出发，对电压耐受能力进行不确定性建模，未考虑物理属性和用户感知，实用性欠佳。以WTP和WTA为代表的间接法考虑了用户感知，但对电气和物理属性考虑不足，主观性和样本依赖性较强，易过估计或欠估计。

CIGRE/CIRED JWG C4.110提出的过程参数免疫时间(parameter immunity time,PIT)概念，认为过程或设备PIT时间与电压暂降持续时间一致，可以用PIT度量过程电压暂降免疫力。该方法提出电压暂降损失事件的物理属性用过程参数免疫时间来刻画，逻辑上有一定合理性，为电压暂降损失评估提供了新思路，但电气特性与物理属性不同，两者之间并非完全线性关系，且还需进一步考虑用户感知损失及其量化方法。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的电压暂降损失评估方法存在1)除正常和故障外的设备电气状态难以确定；2)实际中，用户能直接感知到的是生产过程中物理参数(如温度、转速、风速等)的变化，而非生产过程中设备的电气状态；3)忽略暂降未导致工业过程中断的损失等技术问题。

发明内容

本发明提供了一种电压暂降经济损失评估方法，解决了现有的电压暂降损失评估方法存在的建模仅考虑设备电气状态，未考虑过程物理参数，忽略用户能感知到的过程未中断损失等技术问题，实现了提高暂降损失评估准确性的技术效果。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种电压暂降经济损失评估方法，所述方法包括：

步骤1：基于敏感设备的电气特性、物理属性、感知损失获得电压暂降损失事件分类结果，基于敏感设备的VTC曲线和PIT曲线得到损失量化原理；

步骤3：基于电压暂降损失事件分类结果与损失量化原理，分别建立不同类损失事件的概率模型；

步骤3：在基于概率模型得出不同类损失事件概率的基础上，计算工业过程电压暂降经济损失。

事实上，用户电压暂降损失同时与暂降严重程度、设备电气特性、物理属性和用户感知等有关，在给定电压暂降水平下，评估用户经受的电压暂降损失，需同时考虑敏感设备的电气特性、物理属性和用户感知。

本发明分别从电气特性、物理属性和用户感知损失等角度对损失事件进行分析和评价；研究电压暂降响应事件电气特性和物理属性映射关系的一般刻画方法，将用户电压暂降损失事件分为过程中断和用户感知损失两个子事件，分别基于调查统计和用户感知评估中断损失和感知损失，提出一种工业过程电压暂降经济损失评估通用模型。

进一步地，所述步骤1，具体包括：

1a、基于电气特性-物理属性-感知损失获得电压暂降损失事件分类结果；

1b、基于VTC和PIT得到损失量化原理。

进一步地，在步骤1a中，从工业过程遭受电压暂降后敏感设备电气特性、物理参数变化、用户感知损失三个角度出发，考虑到电压暂降除了导致过程中断损失外，还存在设备未故障，但过程中物理参数偏离到一定程度后，用户也将感知到损失的现象。将电压暂降损失事件划分为过程中断损失事件和用户感知损失事件，为暂降损失的评估奠定基础。

进一步地，在步骤1b中，考虑到暂降敏感设备的VTC曲线和PIT曲线分别反应电气特性和物理属性，基于所提VTC曲线和PIT曲线映射关系的一般刻画方法，明确电压暂降损失量化原理。

基于敏感设备的VTC曲线和PIT曲线映射关系的刻画方法包括：

电压暂降在VTC安全区域时，物理参数维持正常值PP_N，没有损失事件发生；

电压暂降在VTC不确定区域时，不同暂降幅值对应于不同PIT曲线，与相同可接受物理参数水平对应的PIT时间不同，物理参数偏离程度不同对应不同的用户感知损失事件；

电压暂降在VTC故障区域时，物理参数越过限值PP_limit，发生过程中断损失事件。

进一步地，所述步骤2，具体包括：

2a、过程中断损失事件概率模型

2b、用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效概率模型

进一步地，在步骤2a中，用统计的年过程中断次数除以监测到的敏感设备接入点的年度暂降次数，结果即为过程中断损失事件概率。

进一步地，在步骤2b中，首先根据监测所得物理参数和电压暂降数据，采用分段线性插值法绘制PIT曲线，计算物理参数偏离额定值的程度s_V(T)；接着假设单次暂降用户感知损失L(s_V(T))在s_V(T)＝0处存在二阶导数，将L(s_V(T))在s_V(T)＝0处进行泰勒展开，忽略高阶项后与单次过程中断损失相除，以此比值作为单次用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效因子θ；最后基于s_V(T)和θ，结合电压暂降特征值的概率密度函数建立用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效概率。

进一步地，所述步骤3，基于步骤2计算出的不同类损失事件概率值，分别计算程中断损失与用户感知损失，累加二者结果得到工业过程电压暂降经济损失。

本申请基于电压暂降时敏感设备的电气特性、物理属性以及用户对不同损失事件的感知差异化的特点，将电压暂降损失事件分为过程中断损失事件和用户感知损失事件，分别量化过程中断损失和用户感知损失；本申请在量化用户感知损失时，综合运用VTC曲线和PIT曲线的优点，首次加入物理参数偏离程度建立经济损失评估的概率模型，量化过程未中断损失，方法对于工业过程电压暂降经济损失评估具有可操作性、适用性强的特点。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供了一种基于电气特性-物理属性-感知损失的电压暂降经济损失评估方法。基于工业过程受暂降影响的不同程度，将电压暂降损失分为过程中断损失和用户感知损失。综合利用刻画设备电气特性的电压耐受曲线(voltage tolerance curve,VTC)和物理属性的参数免疫时间(parameter immunity time,PIT)曲线，评估用户感知损失，在此基础上累加基于调查统计获取的工业过程中断损失，建立工业过程电压暂降经济损失评估通用模型，为用户进行电压暂降投资和治理提供决策依据。

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；

图1为生产过程电压暂降损失事件示意图；

图2为电气特性-物理参数-感知损失示意图；

图3为电气特性与物理属性映射关系的刻画方法示意图；

图4为电压暂降经济损失评估流程图；

图5为某高清洁度工厂HVAC系统结构图；

图6为2004-2006年风机供电点处电压暂降示意图；

图7为不同电压暂降幅值下的PIT曲线示意图；

图8为高清洁度工厂HVAC系统电压暂降年度经济损失示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种电压暂降经济损失评估方法，解决了现有的电压暂降损失评估方法存在的建模仅考虑设备电气状态，未考虑过程物理参数，忽略用户能感知到的过程未中断损失等技术问题，实现了提高暂降损失评估准确性的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明基于电气特性-物理属性-感知损失的电压暂降经济损失评估方法，主要步骤如下：

1)基于电气特性-物理属性-感知损失获得电压暂降损失事件分类结果，基于VTC和PIT得到损失量化原理

a、基于电气特性-物理属性-感知损失获得电压暂降损失事件分类结果；

当电压暂降导致设备故障时，生产过程结构或功能缺失，过程中断，导致与无计划停电造成的损失类似的过程中断损失；当电压暂降未导致设备故障时，过程中物理参数可能受到不同程度的影响，根据物理参数受影响程度，用户将遭受不同程度的损失。本文将设备未故障、过程未中断的损失事件定义为用户感知损失事件。因此，电压暂降损失事件包括过程中断损失事件和用户感知损失事件，如图1。

为了更准确评估用户电压暂降损失，电压暂降损失事件可划分为：设备电气特性、物理属性和感知损失等三部分，如图2。发生电压暂降时，在电压幅值(V)-持续时间(T)平面上，用设备电压耐受曲线(voltage tolerance curve,VTC)可判断导致明显损失的设备故障状态，而CIGRE C4.110推荐采用的参数免疫时间(parameter immunity time,PIT)曲线更易于识别设备电气状态难以判断时的用户感知损失。因此，结合VTC和PIT曲线，研究不同生产过程中VTC到PIT映射规律的一般刻画方法，评估用户感知损失，更具有合理性。

b、基于VTC和PIT得到损失量化原理。

生产过程中常见敏感设备有：接触器(ACC)、可编程逻辑控制器(PLC)和可变速驱动装置(ASD)等。本节以ASD为例，其他类似。通常，ASD用于驱动和控制生产过程中带不同负载的电机。过程工程师通过实时监测转速、转矩、压力、压强等物理参数了解ASD驱动系统的工作状态。

ASD驱动系统的VTC曲线和PIT曲线分别反应电气特性和物理属性。当负载或工艺不同时，两者间的映射关系不同，尤其当电压暂降在VTC不确定性区域时，电气状态难以判定，需要借助物理参数来反映ASD驱动系统的工作状态以及生产过程遭受的经济损失。敏感设备电气特性与物理属性的映射关系的一般刻画方法如图3，由图3有：

电压暂降在VTC安全区域时，物理参数维持正常值PP_N，没有损失事件发生；

电压暂降在VTC不确定区域时，不同暂降幅值对应于不同PIT曲线，与相同可接受物理参数水平对应的PIT时间不同，即V₀→V₁→V₂→V₃下的参数免疫时间依次为PIT₀→PIT₁→PIT₂→PIT₃。物理参数偏离程度不同对应不同的用户感知损失事件；

电压暂降在VTC故障区域时，物理参数越过限值PP_limit，发生过程中断损失事件。

因此，可根据PIT曲线评估暂降损失。

2)基于电压暂降损失事件分类结果与损失量化原理，分别建立不同类损失事件的概率模型

a、过程中断损失事件概率模型

用统计的年过程中断次数除以监测到的敏感设备接入点的年度暂降次数，结果即为过程中断损失事件概率。

式中，为过程中断损失事件概率，N_Int为年过程中断次数，N_sag为年度暂降次数。

b、用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效概率模型

根据监测所得物理参数PP和电压暂降数据可绘制PIT曲线。当数据不足时，可采用分段线性插值法逼近PIT曲线。给定暂降幅值V下，设插值节点T＝T₀<T₁<…<T_k<…<T_a对应的物理参数为：PP₀，PP₁，…，PP_k，…，PP_a，满足如下关系：

实际中很难对[0，V_max]暂降区间上所有PIT进行监测，可用式(4)按δ_V＝0.1步长将暂降幅值分为b个区间，假设区间[V_j-1，V_j]上PIT几乎不变，用幅值V_j-1下的物理参数免疫时间PIT_Vj-1作为该区间的PIT值。

区间[T_k，T_k+1]上用线性插值函数^[18]确定PP_k(T)值：

根据各个区间的线性插值函数获得暂降幅值为V下的PIT曲线分段函数P_V(T)，得该暂降幅值下物理参数随T的偏离程度s_V(T)：

在实际生产中，理想的物理参数偏离程度s₀＝0，实际偏离程度s_V(T)，|s_V(T)-s₀|越大，损失越大。假设单次暂降用户感知损失L(s_V(T))在s＝s₀处存在二阶导数，其泰勒展开式为：

当s_V(T)＝s₀时L(s_V(T))取极小值0，L(s₀)＝L'(s₀)＝0，同时L(1)＝C_Int，忽略二阶以上高阶项得：

定义单次用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效因子θ：

当电压暂降导致物理参数偏离程度大于λ(0<λ<1)后，用户感知损失事件发生。阈值λ由过程工程师根据具体生产工艺确定，表示生产过程开始遭受损失的物理参数偏离程度。

当s_V(T)＝λ时，由式(5)可求得给定暂降幅值V时，发生用户感知损失事件的最短暂降持续时间T_V。则电压暂降幅值V下用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效概率为：

式中，T_max为暂降持续时间在VTC不确定性区间的最大取值，f(T)为电压暂降持续时间概率密度函数，可采用最大熵方法确定。

计及电压暂降幅值的随机性，则依赖于暂降幅值和持续时间的用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效概率为：

式中，f(V)为电压暂降幅值概率密度函数，同样可采用最大熵法确定。

3)在得出不同类损失事件概率的基础上，计算工业过程电压暂降经济损失

将不同类损失事件概率代入式(11)，累加过程中断损失与用户感知损失，得到工业过程电压暂降经济损失评估通用模型：

式中，F_Int、F_Non分别为过程中断损失和用户感知损失；N_sag为年度暂降次数，C_Int为每次中断的平均损失；为过程中断损失事件概率；为用户感知损失事件对过程中断损失事件的等效概率。

式(11)中，N_sag可根据电压暂降监测数据获得，C_Int根据过程中断事件统计获得，和根据步骤2)计算得到。

本发明将电压暂降损失事件分为过程中断损失事件和用户感知损失事件，同时考虑设备电气状态、过程物理属性和用户感知损失，建立了工业过程电压暂降损失评估模型。利用生产过程物理参数变化规律，刻画过程未中断用户同样能感知到的损失，所建模型更符合实际。所提方法不仅可更准确地评估用户总损失，还可更细化地得到过程中断损失和过程未中断的用户感知损失，为用户进行投资和治理活动提供更丰富的信息。其具体实施流程图见图4。

下面以某高清洁度工厂的暖通空调(Heating Ventilation and AirConditioning,HVAC)系统为例，对其2004-2006年遭受的电压暂降经济损失进行评估。

该HVAC系统中的4台风机由ASD驱动，用于维持无菌室与室外大气静压差，如图5，风机由10kV/0.4kV Dyn11变压器供电。在10kV供电母线上监测所得2004-2006年电压暂降，如图6，ASD的VTC不确定性区间是：[15ms,175ms]、[0.59p.u.,0.71p.u.]。

HVAC系统的压差表实时监测物理参数PP(无菌室与室外大气静压差)。根据国标GB50591-2010《洁净室施工及验收规范》规定：无菌室与室外大气静压差应大于10Pa，PP_limit＝10Pa，此外，风机正常运行时，PP_N＝25Pa。根据监测所得物理参数PP和电压暂降数据，运用插值法获得不同暂降幅值V时对应的PIT曲线，如图7。

该高清洁度工厂HVAC系统工作过程中，当电压暂降造成静压差偏离程度大于35％后，用户遭受不同程度的经济损失，因此λ＝0.35。已知该过程的单次中断损失C_Int＝25万元。用本文方法评估所得2004-2006年电压暂降年度经济损失结果如图8。结果表明，实际损失明显大于过程中断损失，同时考虑中断损失和用户感知损失后的结果更符合实际，这证明，用户采取应对措施时，不仅应考虑过程中断问题，更应该考虑过程未中断但造成用户感知损失的电压暂降应对措施。

综上所述，本发明基于电气特性-物理属性-感知损失建立的电压暂降经济损失评估模型，将电压暂降损失分为过程中断损失和用户感知损失，综合利用刻画设备电气特性的电压耐受曲线(voltage tolerance curve,VTC)和物理属性的参数免疫时间(parameterimmunity time,PIT)曲线的优点，分别量化工业过程中断、未中断损失事件的损失程度。能有效克服过估计或欠估计问题，并可同时得到过程中断损失和用户感知损失，更适合于工业应用。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。