纺织行业电压暂降影响评估与监测分析

电压暂降问题给纺织行业的正常生产造成了巨大损失。鉴于此，南京灿能电力自动化股份有限公司、福州大学电气工程与自动化学院的研究人员姚东方、张妍、张逸，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，对纺织行业进行电压暂降影响评估与监测分析。

首先对纺织行业和电压暂降监测装置及系统进行介绍；接着提出针对纺织用户的基于过程免疫时间的影响评估，该评估方法更加符合实际工程，且为后续电压暂降治理提供基础；最后，利用电压暂降监测装置及系统对福州长乐地区纺织用户进行实时在线监测，根据测得数据进行电压暂降产生原因分析，克服了人工匹配耗时耗力的缺点。

电压暂降是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1～0.9p.u.、并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。很多原因会导致电压暂降事件的发生：在电力系统方面，各种类型的短路故障或恶劣的天气情况均会导致电压暂降；在用户方面，大容量的电动机起动或者是冲击性负荷的投运都会引起电压暂降。就目前发生的电压暂降事件来看，由恶劣天气、短路故障、大容量电动机起动而造成的电压暂降情况占大多数。

近年我国经济和技术快速发展，各大纺织企业为了提高生产效率和产品质量，引入了大量的自动控制生产设备和厂务设备，因此纺织行业的自动化程度不断提高。涉及自动控制的设备中大量采用了变频器、交流接触器等非线性器件，由于这类非线性元件对电压暂降十分敏感，所以纺织企业每年因电压暂降问题造成的经济损失巨大。

根据对福州长乐地区纺织用户的实际调查表明，在2019年8—12月该地区纺织用户发生电压暂降共176次，其中暂降幅值低于60%的有20次，造成经济损失高达上百万元。

随着现代工业设备逐渐趋于精密化，用电设备对电压质量的要求不断提高，电压暂降引起的事故日益增加。本文将过程免疫时间应用于纺织行业生产过程，通过分析找出关键设备和薄弱环节，为后续用户进行电压暂降治理提供依据。

传统的电能质量监测终端设备由于传感器技术和通信技术历史原因，功能较为单一，因此本文以利用电压暂降监测装置对用户进行实时在线监测为基础，根据监测获得的数据，分析电压暂降产生的原因，克服了人工匹配费时费力的缺点。

1  电压暂降对纺织工业影响

1.1  纺织行业的工艺流程

可将纺织行业工艺流程主要分为纺纱工艺和织造工艺两大环节。纺纱工艺主要将纺织纤维（天然纤维和化学纤维）经纺纱工艺制成纱线。制成的纱线部分直接当成纱线产品或者将筒纱作为下一环节织造工艺的生产原料。织造工艺主要是对纱线或纤维经编织工艺或非织造工艺制成各种织物，分为针织、机织、编织和非织造。

对于整个纺织工艺流程，纺纱工艺是首要生产环节，也是最重要的生产环节。纺纱工艺和织造工艺是两个独立的工艺流程，电压暂降发生时，若织造工艺流程遭受影响，则一般只会引起生产线中织造产品的损失，而纺织流程中的的纱线产品基本不受影响；而一旦纺纱工艺受到了影响，则会影响到纱线产品进而影响到织造的产品。

综上所述，对于纺织行业电压暂降敏感环节的研究，由于纺纱工艺中断波及的影响面更大，因此本文将研究重点放在纺纱工艺流程上。某纺织企业的纺织车间工艺总流程如图1所示。

图1  某纺织企业的纺织车间工艺总流程图

1.2  纺纱过程中的敏感设备

纺织工业用电设备主要是电动机，而电动机通常由变频器、接触器等器件控制，前端还有断路器等保护器件，其连接关系示意如图2所示。变频器、接触器设备的电压暂降耐受力在十几甚至几ms内，其电压暂降耐受曲线如图3所示。

逻辑上，断路器、变频器、接触器、电动机是串联关系，当电压暂降事件使其中任一器件停止工作时，都会导致电动机失去电源而出现故障，从而使设备不能正常工作。

图2  敏感设备关系连接示意图

图3  电压暂降耐受曲线图

纺纱工艺各环节设备连接关系示意如图4所示。由图4可见，纺纱工艺流程的各主设备连接逻辑关系是串联关系，因此任意环节出现问题都将引发生产故障。由于目前纺织行业的各个环节均被引入了自动控制设备，所以可以认为纺纱工艺过程中涉及的主要设备均为敏感设备。

图4  纺纱工艺各环节设备连接关系示意图

经调研分析发现，大部分事故起因是电压暂降造成敏感驱动器件停止工作，从而导致敏感设备故障，进而使纺织工艺连锁跳车，造成巨大经济损失。

2  电压暂降监测装置和系统介绍

2.1  电压暂降监测装置介绍

对于电压暂降监测，可利用安装在不同站点、不同电压等级以及不同出线端的监测终端，通过网络将测量数据传回中心站，从而实现对整个电力系统的多个位置进行同时监测，以提供全网电压暂降状况的相关信息。

一直以来，国内多是利用电能质量在线监测装置涵盖对电压暂降的测量，单独对电压暂降这一指标进行监测的设备较少，然而前者在实际使用中效果并不理想，原因如下：①设备在软件算法上存在诸多不完善或不符合标准的问题，如时间不够迅速、精度不够准确等；②设备造价高、安装复杂、通信量大等原因阻碍了电压暂降监测和管理工作的大面积推广。

每台电能质量监测装置需几万元，而专门的电压暂降监测装置在几千元左右，大大减少了成本，且电能质量监测装置不仅需要监测电压方面的数据，而且需监测谐波方面的数据，通信量较大。

本文对用户进行监测使用的是专门的电压暂降监测装置，体积小，方便安装维护，能满足对电压暂降事件的捕获、统计、波形记录方面的需求，具备以太网通信功能，可以组网远程上送数据；使用时可采用壁挂式、嵌入式或者轨道式的安装方式。

装置配置128×64的蓝色显示屏及操作键盘，可在装置上就地实现人机交互。人机对话操作均汉化，显示界面设计风格简洁，操作方便。

2.2  电压暂降监测系统介绍

电压暂降监测系统软件既可以作为一套独立的系统单独运行，也可以嵌入到现有谐波监测平台中，作为其中一个独立的模块运行，减少运行维护的工作量。该系统由前置通信模块、数据库模块、高级分析模块及后台展示模块构成。系统内置自动运行管理模块，能够对整个系统各个模块的运行状况进行自动监视、故障诊断和自动处理，尽可能减少运行维护的工作量。展示模块功能强大，可以实现在线数据的查看、统计、分析及高级应用功能。

该系统首页以地理信息图与电网拓扑图相结合的方式，展示整个系统的概况及实现导航操作。以3个网页界面，分别从监测点、区域和设备管理3个方面完整、快速地概览整个系统信息，可以直观地看到所有监测点在地理信息图上的布局、监测装置实时的运行状态、有无最新的电压暂降事件发生、整个区域电压暂降事件的统计、设备运行状况的统计等可视化的信息。

3  基于过程免疫时间的影响评估

3.1  过程免疫时间概念的提出

实际生产流程中，单个设备中断并不会立刻引起过程的中断，因为生产过程中的设备往往有物理能量的储备。而在储备能量释放后，随着相关物理参数超出工艺要求范围，就会引起过程的中断。因此在工艺流程中，描述敏感过程的电压暂降耐受特性更适合采用CIGRE/CIRED联合工作组C4.110提出的过程免疫时间（process immunity time, PIT）的概念。

PIT采用用户易于感知的过程物理参数变化规律，避开了复杂的电气响应关系，更加直观地反映了过程中断的抵抗能力。

联合工作组C4.110对于PIT的定义是，在经受给定幅值的电压暂降后，工业过程的物理参数超过允许限制值的时间。图5所示为过程参数免疫时间示意图。该概念基于电压暂降作用下的过程物理参数变化规律，并结合实际过程的工艺要求，能更直观地分析过程的运行状态，可有效度量不同工业过程的电压暂降响应特性。

图5  过程参数免疫时间示意图

3.2  纺织行业工艺流程中断故障树的建立

根据如图4所示的纺纱工艺流程中各环节设备连接关系示意图和纺纱工艺流程，可以建立如图6所示的纺纱流程故障树模型。引起纺纱工艺中断的环节主要是清梳棉工艺、并条工艺和粗/细纱工艺，这3个工艺环节任意一个出现故障都会引起整个纺纱流程的中断。由于梳棉工艺流程需要完成较大产量的负荷加工，因此梳棉和精梳环节中有多台梳棉机和精梳机同时运转。

此外，为了保证在各类生产情况下设备尽可能不过负荷运转，梳棉环节设置了备用设备，如图6中的梳棉机#5和精梳机#6。因此，对于具有备用设备的梳棉环节，若电压暂降引起某台设备中断，则备用设备可以立刻投入生产，可视为对于生产过程无影响。

图6  纺纱流程的故障树模型

3.3  纺织行业的PIT评估流程

纺织工业生产过程中包括大量电压暂降敏感设备以及连锁工艺，具有多物理参数的特点，PIT从过程参数的角度，可以直观地体现用户的电压暂降耐受程度。因此，本文采用PIT对纺织工业进行电压暂降影响评估，其流程如图7所示。步骤如下：

图7  PIT评估流程图

①分析纺织工业的工艺流程各设备之间的连接关系；②根据关键设备的连接关系，建立故障树；③测得关键设备PIT值，结合故障树推算综合PIT，绘制出综合PIT曲线；④根据历史数据和综合PIT曲线来判断电压暂降是否导致工艺中断。

利用图7所示的流程对纺织工业进行PIT评估，结合历史数据可以预测用户由于电压暂降产生的工艺中断次数，估计由电压暂降产生的经济损失，并且根据PIT值，可以找到工艺流程中的薄弱环节和敏感设备，为后续的电压暂降治理提供依据。

4  长乐监测系统及监测实例情况

4.1  长乐地区监测系统布置情况

长乐某区域纺织工业聚集且电压暂降情况时有发生，针对长乐纺织工业共设有10个监测点，监测布置图如图8所示，图中有底色部分为监测点。

监测点涉及KB、JF、JJ、XHD、LH5家重要用户和WWS变电站（由于名字涉及隐私，本文用首字母代替）。2019年8—12月累计监测到大小电压暂降事件176起，暂降事件主要集中在幅值为80%～90%，持续时间为0.02～0.10s，其详细占比如图9所示。

图8  长乐纺织业电压暂降敏感用户监测点布置图

图9  电压暂降统计结果

4.2  电压暂降监测实例情况

由于纺织工业的自动化水平不断提高，纺织工业应用大量电压暂降敏感设备，且该区域台风、雷击等自然灾害较多，使得该地区纺织工业电压暂降事件频繁发生。表1统计的是该区域2019年8—12月10个监测点遭受的电压暂降事件。电压暂降主要影响纺织工艺流程中的精密设备、变频器、交流接触器等敏感设备，造成工艺中断、产品不合格、生产效率低、设备损坏等。

该区域2019年8—12月发生电压暂降事件共176起，其中暂降幅值低于60%的共计20起。在已确定原因的电压暂降事件中，短路故障引起的事件占大部分，其中WWS受短路影响频率最高，平均暂降幅值最低（包括1次中断），持续时间大部分大于0.1s（最高达到9.12s），由此可见，WWS变电站由短路故障造成的经济损失巨大。

表1  电压暂降事件统计表

随着电网互联的加强，在供电能力和可靠性进一步提升的同时，电压暂降的影响范围随之扩大。上级近区500kV系统发生短路时，大概率将影响福州长乐地区的所有220kV系统；220kV系统发生短路时，距离故障点近的片区220kV电压也可能会发生暂降，直接连在该系统的110kV线路也可能会发生暂降。

若沙岭变一旦发生暂降，则整个片区可能都会受到影响，导致重要用户正常生产受到影响，严重时会造成上百万的经济损失。

表2为该区域监测点具有代表性的电压暂降事件。将监测数据、波形与历史监测数据、波形进行匹配对比，可以分析出电压暂降形成原因。如2019年9月21日监测点WWS的电压暂降事件，暂降幅值达67%，持续时间为1171ms，再根据历史数据及电压暂降装置监测到的波形，可以推测暂降原因为AB两相接地短路。

通过监测数据初步应用所研究算法并分析对比各监测装置的数据，可初步判断暂降发生点；随着监测数据的积累，可用于寻找电网暂降薄弱点并进行风险评估，为后续研究提供数据基础和验证场景。

根据所测数据，结合本文第3节基于PIT的评估流程绘出纺织行业的综合PIT曲线，如图10所示。

表2  代表性的电压暂降事件数据

图10  综合PIT曲线

由此PIT曲线可知，电压暂降为某值时，暂降时间超过127ms，最敏感设备的过程参数就会下降到阈值，从而出现故障，进而可能会影响整个工艺流程，造成损失。

5  结论

本文采取用户实时在线监测与研究分析相结合的方法，提出了针对纺织行业的基于PIT的影响评估，分析了纺织行业的工艺流程和各设备之间的连接关系，建立了工艺过程中断故障树，结合故障树与所得PIT值，确定了敏感环节与设备，为后续有针对性的治理提供基础，具备工程实用价值。

本文利用电压暂降监测装置及系统对福州长乐地区纺织用户进行了实时在线监测。根据监测数据，分析该地区纺织用户的电压暂降情况，将实时在线监测数据和波形与历史监测数据波形进行对比，分析出暂降原因，从而减少了人力物力。

本文编自2020年第9期《电气技术》，标题为“纺织行业电压暂降影响评估与监测分析”，作者为姚东方、张妍、张逸。