電壓暫降是指電力系統中某點工頻電壓方均根值突然降低至0.1～0.9p.u.、并在短暫持續10ms～1min后恢復正常的現象。很多原因會導致電壓暫降事件的發生：在電力系統方面，各種類型的短路故障或惡劣的天氣情況均會導致電壓暫降；在用戶方面，大容量的電動機起動或者是沖擊性負荷的投運都會引起電壓暫降。就目前發生的電壓暫降事件來看，由惡劣天氣、短路故障、大容量電動機起動而造成的電壓暫降情況占大多數。

近年我國經濟和技術快速發展，各大紡織企業為了提高生產效率和產品質量，引入了大量的自動控制生產設備和廠務設備，因此紡織行業的自動化程度不斷提高。涉及自動控制的設備中大量采用了變頻器、交流接觸器等非線性器件，由于這類非線性元件對電壓暫降十分敏感，所以紡織企業每年因電壓暫降問題造成的經濟損失巨大。

根據對福州長樂地區紡織用戶的實際調查表明，在2019年8—12月該地區紡織用戶發生電壓暫降共176次，其中暫降幅值低于60%的有20次，造成經濟損失高達上百萬元。

隨著現代工業設備逐漸趨于精密化，用電設備對電壓質量的要求不斷提高，電壓暫降引起的事故日益增加。本文將過程免疫時間應用于紡織行業生產過程，通過分析找出關鍵設備和薄弱環節，為后續用戶進行電壓暫降治理提供依據。

傳統的電能質量監測終端設備由于傳感器技術和通信技術歷史原因，功能較為單一，因此本文以利用電壓暫降監測裝置對用戶進行實時在線監測為基礎，根據監測獲得的數據，分析電壓暫降產生的原因，克服了人工匹配費時費力的缺點。

1 電壓暫降對紡織工業影響

1.1 紡織行業的工藝流程

可將紡織行業工藝流程主要分為紡紗工藝和織造工藝兩大環節。紡紗工藝主要將紡織纖維（天然纖維和化學纖維）經紡紗工藝制成紗線。制成的紗線部分直接當成紗線產品或者將筒紗作為下一環節織造工藝的生產原料。織造工藝主要是對紗線或纖維經編織工藝或非織造工藝制成各種織物，分為針織、機織、編織和非織造。

對于整個紡織工藝流程，紡紗工藝是首要生產環節，也是最重要的生產環節。紡紗工藝和織造工藝是兩個獨立的工藝流程，電壓暫降發生時，若織造工藝流程遭受影響，則一般只會引起生產線中織造產品的損失，而紡織流程中的的紗線產品基本不受影響；而一旦紡紗工藝受到了影響，則會影響到紗線產品進而影響到織造的產品。

綜上所述，對于紡織行業電壓暫降敏感環節的研究，由于紡紗工藝中斷波及的影響面更大，因此本文將研究重點放在紡紗工藝流程上。某紡織企業的紡織車間工藝總流程如圖1所示。

圖1 某紡織企業的紡織車間工藝總流程圖

1.2 紡紗過程中的敏感設備

紡織工業用電設備主要是電動機，而電動機通常由變頻器、接觸器等器件控制，前端還有斷路器等保護器件，其連接關系示意如圖2所示。變頻器、接觸器設備的電壓暫降耐受力在十幾甚至幾ms內，其電壓暫降耐受曲線如圖3所示。

邏輯上，斷路器、變頻器、接觸器、電動機是串聯關系，當電壓暫降事件使其中任一器件停止工作時，都會導致電動機失去電源而出現故障，從而使設備不能正常工作。

圖2 敏感設備關系連接示意圖

圖3 電壓暫降耐受曲線圖

紡紗工藝各環節設備連接關系示意如圖4所示。由圖4可見，紡紗工藝流程的各主設備連接邏輯關系是串聯關系，因此任意環節出現問題都將引發生產故障。由于目前紡織行業的各個環節均被引入了自動控制設備，所以可以認為紡紗工藝過程中涉及的主要設備均為敏感設備。

圖4 紡紗工藝各環節設備連接關系示意圖

經調研分析發現，大部分事故起因是電壓暫降造成敏感驅動器件停止工作，從而導致敏感設備故障，進而使紡織工藝連鎖跳車，造成巨大經濟損失。

2 電壓暫降監測裝置和系統介紹

2.1 電壓暫降監測裝置介紹

對于電壓暫降監測，可利用安裝在不同站點、不同電壓等級以及不同出線端的監測終端，通過網絡將測量數據傳回中心站，從而實現對整個電力系統的多個位置進行同時監測，以提供全網電壓暫降狀況的相關信息。

一直以來，國內多是利用電能質量在線監測裝置涵蓋對電壓暫降的測量，單獨對電壓暫降這一指標進行監測的設備較少，然而前者在實際使用中效果并不理想，原因如下：①設備在軟件算法上存在諸多不完善或不符合標準的問題，如時間不夠迅速、精度不夠準確等；②設備造價高、安裝復雜、通信量大等原因阻礙了電壓暫降監測和管理工作的大面積推廣。

每臺電能質量監測裝置需幾萬元，而專門的電壓暫降監測裝置在幾千元左右，大大減少了成本，且電能質量監測裝置不僅需要監測電壓方面的數據，而且需監測諧波方面的數據，通信量較大。

本文對用戶進行監測使用的是專門的電壓暫降監測裝置，體積小，方便安裝維護，能滿足對電壓暫降事件的捕獲、統計、波形記錄方面的需求，具備以太網通信功能，可以組網遠程上送數據；使用時可采用壁掛式、嵌入式或者軌道式的安裝方式。

裝置配置128×64的藍色顯示屏及操作鍵盤，可在裝置上就地實現人機交互。人機對話操作均漢化，顯示界面設計風格簡潔，操作方便。

2.2 電壓暫降監測系統介紹

電壓暫降監測系統軟件既可以作為一套獨立的系統單獨運行，也可以嵌入到現有諧波監測平臺中，作為其中一個獨立的模塊運行，減少運行維護的工作量。該系統由前置通信模塊、數據庫模塊、高級分析模塊及后臺展示模塊構成。系統內置自動運行管理模塊，能夠對整個系統各個模塊的運行狀況進行自動監視、故障診斷和自動處理，盡可能減少運行維護的工作量。展示模塊功能強大，可以實現在線數據的查看、統計、分析及高級應用功能。

該系統首頁以地理信息圖與電網拓撲圖相結合的方式，展示整個系統的概況及實現導航操作。以3個網頁界面，分別從監測點、區域和設備管理3個方面完整、快速地概覽整個系統信息，可以直觀地看到所有監測點在地理信息圖上的布局、監測裝置實時的運行狀態、有無最新的電壓暫降事件發生、整個區域電壓暫降事件的統計、設備運行狀況的統計等可視化的信息。

3 基于過程免疫時間的影響評估

3.1 過程免疫時間概念的提出

實際生產流程中，單個設備中斷并不會立刻引起過程的中斷，因為生產過程中的設備往往有物理能量的儲備。而在儲備能量釋放后，隨著相關物理參數超出工藝要求范圍，就會引起過程的中斷。因此在工藝流程中，描述敏感過程的電壓暫降耐受特性更適合采用CIGRE/CIRED聯合工作組C4.110提出的過程免疫時間（process immunity time, PIT）的概念。

PIT采用用戶易于感知的過程物理參數變化規律，避開了復雜的電氣響應關系，更加直觀地反映了過程中斷的抵抗能力。

聯合工作組C4.110對于PIT的定義是，在經受給定幅值的電壓暫降后，工業過程的物理參數超過允許限制值的時間。圖5所示為過程參數免疫時間示意圖。該概念基于電壓暫降作用下的過程物理參數變化規律，并結合實際過程的工藝要求，能更直觀地分析過程的運行狀態，可有效度量不同工業過程的電壓暫降響應特性。

圖5 過程參數免疫時間示意圖

3.2 紡織行業工藝流程中斷故障樹的建立

根據如圖4所示的紡紗工藝流程中各環節設備連接關系示意圖和紡紗工藝流程，可以建立如圖6所示的紡紗流程故障樹模型。引起紡紗工藝中斷的環節主要是清梳棉工藝、并條工藝和粗/細紗工藝，這3個工藝環節任意一個出現故障都會引起整個紡紗流程的中斷。由于梳棉工藝流程需要完成較大產量的負荷加工，因此梳棉和精梳環節中有多臺梳棉機和精梳機同時運轉。

此外，為了保證在各類生產情況下設備盡可能不過負荷運轉，梳棉環節設置了備用設備，如圖6中的梳棉機#5和精梳機#6。因此，對于具有備用設備的梳棉環節，若電壓暫降引起某臺設備中斷，則備用設備可以立刻投入生產，可視為對于生產過程無影響。

圖6 紡紗流程的故障樹模型

3.3 紡織行業的PIT評估流程

紡織工業生產過程中包括大量電壓暫降敏感設備以及連鎖工藝，具有多物理參數的特點，PIT從過程參數的角度，可以直觀地體現用戶的電壓暫降耐受程度。因此，本文采用PIT對紡織工業進行電壓暫降影響評估，其流程如圖7所示。步驟如下：

圖7 PIT評估流程圖

①分析紡織工業的工藝流程各設備之間的連接關系；②根據關鍵設備的連接關系，建立故障樹；③測得關鍵設備PIT值，結合故障樹推算綜合PIT，繪制出綜合PIT曲線；④根據歷史數據和綜合PIT曲線來判斷電壓暫降是否導致工藝中斷。

利用圖7所示的流程對紡織工業進行PIT評估，結合歷史數據可以預測用戶由于電壓暫降產生的工藝中斷次數，估計由電壓暫降產生的經濟損失，并且根據PIT值，可以找到工藝流程中的薄弱環節和敏感設備，為后續的電壓暫降治理提供依據。

4 長樂監測系統及監測實例情況

4.1 長樂地區監測系統布置情況

長樂某區域紡織工業聚集且電壓暫降情況時有發生，針對長樂紡織工業共設有10個監測點，監測布置圖如圖8所示，圖中有底色部分為監測點。

監測點涉及KB、JF、JJ、XHD、LH5家重要用戶和WWS變電站（由于名字涉及隱私，本文用首字母代替）。2019年8—12月累計監測到大小電壓暫降事件176起，暫降事件主要集中在幅值為80%～90%，持續時間為0.02～0.10s，其詳細占比如圖9所示。

圖8 長樂紡織業電壓暫降敏感用戶監測點布置圖

圖9 電壓暫降統計結果

4.2 電壓暫降監測實例情況

由于紡織工業的自動化水平不斷提高，紡織工業應用大量電壓暫降敏感設備，且該區域臺風、雷擊等自然災害較多，使得該地區紡織工業電壓暫降事件頻繁發生。表1統計的是該區域2019年8—12月10個監測點遭受的電壓暫降事件。電壓暫降主要影響紡織工藝流程中的精密設備、變頻器、交流接觸器等敏感設備，造成工藝中斷、產品不合格、生產效率低、設備損壞等。

該區域2019年8—12月發生電壓暫降事件共176起，其中暫降幅值低于60%的共計20起。在已確定原因的電壓暫降事件中，短路故障引起的事件占大部分，其中WWS受短路影響頻率最高，平均暫降幅值最低（包括1次中斷），持續時間大部分大于0.1s（最高達到9.12s），由此可見，WWS變電站由短路故障造成的經濟損失巨大。

表1 電壓暫降事件統計表

隨著電網互聯的加強，在供電能力和可靠性進一步提升的同時，電壓暫降的影響范圍隨之擴大。上級近區500kV系統發生短路時，大概率將影響福州長樂地區的所有220kV系統；220kV系統發生短路時，距離故障點近的片區220kV電壓也可能會發生暫降，直接連在該系統的110kV線路也可能會發生暫降。

若沙嶺變一旦發生暫降，則整個片區可能都會受到影響，導致重要用戶正常生產受到影響，嚴重時會造成上百萬的經濟損失。

表2為該區域監測點具有代表性的電壓暫降事件。將監測數據、波形與歷史監測數據、波形進行匹配對比，可以分析出電壓暫降形成原因。如2019年9月21日監測點WWS的電壓暫降事件，暫降幅值達67%，持續時間為1171ms，再根據歷史數據及電壓暫降裝置監測到的波形，可以推測暫降原因為AB兩相接地短路。

通過監測數據初步應用所研究算法并分析對比各監測裝置的數據，可初步判斷暫降發生點；隨著監測數據的積累，可用于尋找電網暫降薄弱點并進行風險評估，為后續研究提供數據基礎和驗證場景。

根據所測數據，結合本文第3節基于PIT的評估流程繪出紡織行業的綜合PIT曲線，如圖10所示。

表2 代表性的電壓暫降事件數據

圖10 綜合PIT曲線

由此PIT曲線可知，電壓暫降為某值時，暫降時間超過127ms，最敏感設備的過程參數就會下降到閾值，從而出現故障，進而可能會影響整個工藝流程，造成損失。

5 結論

本文采取用戶實時在線監測與研究分析相結合的方法，提出了針對紡織行業的基于PIT的影響評估，分析了紡織行業的工藝流程和各設備之間的連接關系，建立了工藝過程中斷故障樹，結合故障樹與所得PIT值，確定了敏感環節與設備，為后續有針對性的治理提供基礎，具備工程實用價值。

本文利用電壓暫降監測裝置及系統對福州長樂地區紡織用戶進行了實時在線監測。根據監測數據，分析該地區紡織用戶的電壓暫降情況，將實時在線監測數據和波形與歷史監測數據波形進行對比，分析出暫降原因，從而減少了人力物力。

本文編自2020年第9期《電氣技術》，標題為“紡織行業電壓暫降影響評估與監測分析”，作者為姚東方、張妍、張逸。