電壓暫降是指電力系統(tǒng)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(xù)10ms～1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。很多原因會導(dǎo)致電壓暫降事件的發(fā)生：在電力系統(tǒng)方面，各種類型的短路故障或惡劣的天氣情況均會導(dǎo)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(fù)荷的投運都會引起電壓暫降。就目前發(fā)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(shù)。

近年我國經(jīng)濟和技術(shù)快速發(fā)展，各大紡織企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，引入了大量的自動控制生產(chǎn)設(shè)備和廠務(wù)設(shè)備，因此紡織行業(yè)的自動化程度不斷提高。涉及自動控制的設(shè)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(yè)每年因電壓暫降問題造成的經(jīng)濟損失巨大。

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

隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備逐漸趨于精密化，用電設(shè)備對電壓質(zhì)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(yīng)用于紡織行業(yè)生產(chǎn)過程，通過分析找出關(guān)鍵設(shè)備和薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)用戶進行電壓暫降治理提供依據(jù)。

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測終端設(shè)備由于傳感器技術(shù)和通信技術(shù)歷史原因，功能較為單一，因此本文以利用電壓暫降監(jiān)測裝置對用戶進行實時在線監(jiān)測為基礎(chǔ)，根據(jù)監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，分析電壓暫降產(chǎn)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(yè)影響

1.1 紡織行業(yè)的工藝流程

可將紡織行業(yè)工藝流程主要分為紡紗工藝和織造工藝兩大環(huán)節(jié)。紡紗工藝主要將紡織纖維（天然纖維和化學(xué)纖維）經(jīng)紡紗工藝制成紗線。制成的紗線部分直接當(dāng)成紗線產(chǎn)品或者將筒紗作為下一環(huán)節(jié)織造工藝的生產(chǎn)原料。織造工藝主要是對紗線或纖維經(jīng)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(chǎn)環(huán)節(jié)，也是最重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。紡紗工藝和織造工藝是兩個獨立的工藝流程，電壓暫降發(fā)生時，若織造工藝流程遭受影響，則一般只會引起生產(chǎn)線中織造產(chǎn)品的損失，而紡織流程中的的紗線產(chǎn)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(chǎn)品進而影響到織造的產(chǎn)品。

綜上所述，對于紡織行業(yè)電壓暫降敏感環(huán)節(jié)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(yè)的紡織車間工藝總流程如圖1所示。

圖1 某紡織企業(yè)的紡織車間工藝總流程圖

1.2 紡紗過程中的敏感設(shè)備

紡織工業(yè)用電設(shè)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(guān)系示意如圖2所示。變頻器、接觸器設(shè)備的電壓暫降耐受力在十幾甚至幾ms內(nèi)，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(lián)關(guān)系，當(dāng)電壓暫降事件使其中任一器件停止工作時，都會導(dǎo)致電動機失去電源而出現(xiàn)故障，從而使設(shè)備不能正常工作。

圖2 敏感設(shè)備關(guān)系連接示意圖

圖3 電壓暫降耐受曲線圖

紡紗工藝各環(huán)節(jié)設(shè)備連接關(guān)系示意如圖4所示。由圖4可見，紡紗工藝流程的各主設(shè)備連接邏輯關(guān)系是串聯(lián)關(guān)系，因此任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將引發(fā)生產(chǎn)故障。由于目前紡織行業(yè)的各個環(huán)節(jié)均被引入了自動控制設(shè)備，所以可以認(rèn)為紡紗工藝過程中涉及的主要設(shè)備均為敏感設(shè)備。

圖4 紡紗工藝各環(huán)節(jié)設(shè)備連接關(guān)系示意圖

經(jīng)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，大部分事故起因是電壓暫降造成敏感驅(qū)動器件停止工作，從而導(dǎo)致敏感設(shè)備故障，進而使紡織工藝連鎖跳車，造成巨大經(jīng)濟損失。

2 電壓暫降監(jiān)測裝置和系統(tǒng)介紹

2.1 電壓暫降監(jiān)測裝置介紹

對于電壓暫降監(jiān)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(jiān)測終端，通過網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)傳回中心站，從而實現(xiàn)對整個電力系統(tǒng)的多個位置進行同時監(jiān)測，以提供全網(wǎng)電壓暫降狀況的相關(guān)信息。

一直以來，國內(nèi)多是利用電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置涵蓋對電壓暫降的測量，單獨對電壓暫降這一指標(biāo)進行監(jiān)測的設(shè)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(shè)備在軟件算法上存在諸多不完善或不符合標(biāo)準(zhǔn)的問題，如時間不夠迅速、精度不夠準(zhǔn)確等；②設(shè)備造價高、安裝復(fù)雜、通信量大等原因阻礙了電壓暫降監(jiān)測和管理工作的大面積推廣。

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

本文對用戶進行監(jiān)測使用的是專門的電壓暫降監(jiān)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(tǒng)計、波形記錄方面的需求，具備以太網(wǎng)通信功能，可以組網(wǎng)遠(yuǎn)程上送數(shù)據(jù)；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(xiàn)人機交互。人機對話操作均漢化，顯示界面設(shè)計風(fēng)格簡潔，操作方便。

2.2 電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)介紹

電壓暫降監(jiān)測系統(tǒng)軟件既可以作為一套獨立的系統(tǒng)單獨運行，也可以嵌入到現(xiàn)有諧波監(jiān)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(tǒng)由前置通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、高級分析模塊及后臺展示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)內(nèi)置自動運行管理模塊，能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)各個模塊的運行狀況進行自動監(jiān)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(xiàn)在線數(shù)據(jù)的查看、統(tǒng)計、分析及高級應(yīng)用功能。

該系統(tǒng)首頁以地理信息圖與電網(wǎng)拓?fù)鋱D相結(jié)合的方式，展示整個系統(tǒng)的概況及實現(xiàn)導(dǎo)航操作。以3個網(wǎng)頁界面，分別從監(jiān)測點、區(qū)域和設(shè)備管理3個方面完整、快速地概覽整個系統(tǒng)信息，可以直觀地看到所有監(jiān)測點在地理信息圖上的布局、監(jiān)測裝置實時的運行狀態(tài)、有無最新的電壓暫降事件發(fā)生、整個區(qū)域電壓暫降事件的統(tǒng)計、設(shè)備運行狀況的統(tǒng)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(chǎn)流程中，單個設(shè)備中斷并不會立刻引起過程的中斷，因為生產(chǎn)過程中的設(shè)備往往有物理能量的儲備。而在儲備能量釋放后，隨著相關(guān)物理參數(shù)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(lián)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(shù)變化規(guī)律，避開了復(fù)雜的電氣響應(yīng)關(guān)系，更加直觀地反映了過程中斷的抵抗能力。

聯(lián)合工作組C4.110對于PIT的定義是，在經(jīng)受給定幅值的電壓暫降后，工業(yè)過程的物理參數(shù)超過允許限制值的時間。圖5所示為過程參數(shù)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(shù)變化規(guī)律，并結(jié)合實際過程的工藝要求，能更直觀地分析過程的運行狀態(tài)，可有效度量不同工業(yè)過程的電壓暫降響應(yīng)特性。

圖5 過程參數(shù)免疫時間示意圖

3.2 紡織行業(yè)工藝流程中斷故障樹的建立

根據(jù)如圖4所示的紡紗工藝流程中各環(huán)節(jié)設(shè)備連接關(guān)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(huán)節(jié)主要是清梳棉工藝、并條工藝和粗/細(xì)紗工藝，這3個工藝環(huán)節(jié)任意一個出現(xiàn)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(chǎn)量的負(fù)荷加工，因此梳棉和精梳環(huán)節(jié)中有多臺梳棉機和精梳機同時運轉(zhuǎn)。

此外，為了保證在各類生產(chǎn)情況下設(shè)備盡可能不過負(fù)荷運轉(zhuǎn)，梳棉環(huán)節(jié)設(shè)置了備用設(shè)備，如圖6中的梳棉機#5和精梳機#6。因此，對于具有備用設(shè)備的梳棉環(huán)節(jié)，若電壓暫降引起某臺設(shè)備中斷，則備用設(shè)備可以立刻投入生產(chǎn)，可視為對于生產(chǎn)過程無影響。

圖6 紡紗流程的故障樹模型

3.3 紡織行業(yè)的PIT評估流程

紡織工業(yè)生產(chǎn)過程中包括大量電壓暫降敏感設(shè)備以及連鎖工藝，具有多物理參數(shù)的特點，PIT從過程參數(shù)的角度，可以直觀地體現(xiàn)用戶的電壓暫降耐受程度。因此，本文采用PIT對紡織工業(yè)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(yè)的工藝流程各設(shè)備之間的連接關(guān)系；②根據(jù)關(guān)鍵設(shè)備的連接關(guān)系，建立故障樹；③測得關(guān)鍵設(shè)備PIT值，結(jié)合故障樹推算綜合PIT，繪制出綜合PIT曲線；④根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和綜合PIT曲線來判斷電壓暫降是否導(dǎo)致工藝中斷。

利用圖7所示的流程對紡織工業(yè)進行PIT評估，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)可以預(yù)測用戶由于電壓暫降產(chǎn)生的工藝中斷次數(shù)，估計由電壓暫降產(chǎn)生的經(jīng)濟損失，并且根據(jù)PIT值，可以找到工藝流程中的薄弱環(huán)節(jié)和敏感設(shè)備，為后續(xù)的電壓暫降治理提供依據(jù)。

4 長樂監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測實例情況

4.1 長樂地區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)布置情況

長樂某區(qū)域紡織工業(yè)聚集且電壓暫降情況時有發(fā)生，針對長樂紡織工業(yè)共設(shè)有10個監(jiān)測點，監(jiān)測布置圖如圖8所示，圖中有底色部分為監(jiān)測點。

監(jiān)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(jiān)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(xù)時間為0.02～0.10s，其詳細(xì)占比如圖9所示。

圖8 長樂紡織業(yè)電壓暫降敏感用戶監(jiān)測點布置圖

圖9 電壓暫降統(tǒng)計結(jié)果

4.2 電壓暫降監(jiān)測實例情況

由于紡織工業(yè)的自動化水平不斷提高，紡織工業(yè)應(yīng)用大量電壓暫降敏感設(shè)備，且該區(qū)域臺風(fēng)、雷擊等自然災(zāi)害較多，使得該地區(qū)紡織工業(yè)電壓暫降事件頻繁發(fā)生。表1統(tǒng)計的是該區(qū)域2019年8—12月10個監(jiān)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(shè)備、變頻器、交流接觸器等敏感設(shè)備，造成工藝中斷、產(chǎn)品不合格、生產(chǎn)效率低、設(shè)備損壞等。

該區(qū)域2019年8—12月發(fā)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(xù)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(jīng)濟損失巨大。

表1 電壓暫降事件統(tǒng)計表

隨著電網(wǎng)互聯(lián)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?dāng)U大。上級近區(qū)500kV系統(tǒng)發(fā)生短路時，大概率將影響福州長樂地區(qū)的所有220kV系統(tǒng)；220kV系統(tǒng)發(fā)生短路時，距離故障點近的片區(qū)220kV電壓也可能會發(fā)生暫降，直接連在該系統(tǒng)的110kV線路也可能會發(fā)生暫降。

若沙嶺變一旦發(fā)生暫降，則整個片區(qū)可能都會受到影響，導(dǎo)致重要用戶正常生產(chǎn)受到影響，嚴(yán)重時會造成上百萬的經(jīng)濟損失。

表2為該區(qū)域監(jiān)測點具有代表性的電壓暫降事件。將監(jiān)測數(shù)據(jù)、波形與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、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(jiān)測點WWS的電壓暫降事件，暫降幅值達67%，持續(xù)時間為1171ms，再根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及電壓暫降裝置監(jiān)測到的波形，可以推測暫降原因為AB兩相接地短路。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)初步應(yīng)用所研究算法并分析對比各監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)，可初步判斷暫降發(fā)生點；隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，可用于尋找電網(wǎng)暫降薄弱點并進行風(fēng)險評估，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和驗證場景。

根據(jù)所測數(shù)據(jù)，結(jié)合本文第3節(jié)基于PIT的評估流程繪出紡織行業(yè)的綜合PIT曲線，如圖10所示。

表2 代表性的電壓暫降事件數(shù)據(jù)

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(shè)備的過程參數(shù)就會下降到閾值，從而出現(xiàn)故障，進而可能會影響整個工藝流程，造成損失。

5 結(jié)論

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

本文利用電壓暫降監(jiān)測裝置及系統(tǒng)對福州長樂地區(qū)紡織用戶進行了實時在線監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)紡織用戶的電壓暫降情況，將實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和波形與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)》，標(biāo)題為“紡織行業(yè)電壓暫降影響評估與監(jiān)測分析”，作者為姚東方、張妍、張逸。