TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5932 ~ 5937   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.558 6          5932     Re cei v ed  Jan uary 6, 2014;  Re vised Ma rch 19, 2014; A c cepted Ap ril 2, 2014   Estimation of Voltage Sag Loss Based on Blind Number  Theory      Fan Li-Gu o 1,2 *, Zhang Yan-Xia 1    1 Ke y  L abor ator y of Smart Grid  of Ministr y  of  Educ ati on, T i anjin U n iv ersit y T i anjin 30 00 72 , China   2 Departme n t of Economic Ma nag ement, Nor t h Chin a Electri c  Po w e r Un iver sit y , Bao d in g 0 710 03, Ch ina   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : flgflg20 10@ 1 63.com       A b st r a ct  Serio u s p o w e r qua lity issu es  and  hu ge  econ omic l o ss ca be ca use d  by  voltag e sa g. It s  hel pf u l   for grid cor por ation to  esti ma te voltag e sag  loss.  Volta ge  sag a nd i n flue nce of  se nsitiv e eq uip m ent a r e   ana ly z e in th e pa per. An  estimatio n  method  of vo ltag e sag l o ss ba sed o n  bli nd  nu mb er theory  i s   prop osed, w h ic h takes t he s a mag n itu de  a nd  durati on  as   its main  char a c teristic par a m eters. F i rst Eu clid   distanc e an d r e lativ e  clos e d egre e  betw e e n  the sag  ma gni tude a nd d u rat i on of vo ltag sag sa mp les  a nd  thresho l d v a lu es is c a lcu l ate d  b a sed  on  T O PSIS. According t o  rel a tive   similar i ty de gre e prob abl e va lu e ,   credi bil i ty an me an v a lu e of  voltag e sa g l o ss are th en  c a l c ulate d  a nd  inf l ue nce  of unc e r tainty factor c an  be cons ider ed.  Examp l e a nal ysis show s that loss estimati o n  meth od is a feasi b le a nd a p plica b l e  for mo st   sensitiv e eq uip m e n ts.    Ke y w ords :  vol t age sag, l o ss estimatio n , blin d nu mb er, cred ibil ity     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1.   Introduc ti on  With  comp uter, ele c tro n ic equip m ent and  spe ed control device and so on  a r appli ed  widely in bot h indu stry an d daily life, th e deman d of power qu ality more an d m o re  con c ent rate   voltage sa g [1-2] etc tran sient power q u a lity. On  the basi s  of forei gn re se arch,  voltage sa g h a s   been maj o r p o we r quality issue s  of impacting e quip m ents  safe o peratio n. The  impact of voltage   sag o n  users and so ciety is be comin g  more  signifi cant. Though t he co nne ctio n betwe en po wer  sou r ces and power con s u m ption  eq uip m ents  i s   not  bro k en  off by voltage sag, the times of  voltage sag i s  far more th an bla c kout.  Therfo re  l o sses  cau s e d  by  voltage  sag  are m o re severe   than by blackout in some  ca se s. Acco rding to  re sea r ch s of foreig n agen cie s , 80 percent of the  cu stome r   co mplaints are compl a ints caused  by vol t age sag in  develop ed  co untry. Econ o m ic   loss [3] i s   attributable  to vo ltage  sag   co sts ten s   of  billi ons of  dolla rs every ye ar i n  ind u st rial  a n d   comm ercial fields.   Estimating  re aso nably lo sse s  of voltag e sa will h e lp for formi ng con s en su s ab out   seri ou sne s of voltage  sa g bet wee n  p o we system  and users,  a pplying esse ntial  refe re nce  to   deal  with volt age  sa g an applying  de ci sion  ba sis for po wer gri d   constructio n Curre n tly ma n y   method of e s timating  lo sse s  of  voltag e sag   are propo sed   by scholars  at h o m e a nd  ab ro ad. It  inclu d e s  thre e cate go rie s : losse s  e s tima tion of voltag e sa g ba se on loa d  sen s i t ive curve [4 -6],  losse s  estim a tion of voltage sag ba sed on proba b ilistic meth o d  [7-8], losses e s timatio n  of  voltage sa g b a se d on qu ali t y loss [9].  Voltage sa g can  cau s e la rge economi c   loss and h a been maj o r p o we r quality issue s It’s important  reali s tic me a n ing for  study ing volt age sag losse s . An  method of e s timation voltage   sag  lo sses fo r alm o st  sen s itive equipm e n ts b a sed  on  blind  nu mbe r  the o ry [1 0] i s  p r e s e n ted i n   the pape r on  the basis of  summa rizi ng  current  re se arche s . The method could  effectively a n d   easily a s sess the econ omi c  loss cau s ed  by voltage sag.      2.   Caus es of   Voltage Sag  and Voltage  Sag Tolerance Abilit y  Cur v   Voltage sag i s  defined according to IEEE  standard: power  freque ncy voltage effective   value dives t o  0.9p.u.~0. 1 p.u. and re co vers n o rm al value after short du ration  of 10ms~1mi n  at   some wh ere in power  syst em. Whe n  sh ort-circui t faul ts, transfo rm ers  and  cap a c itors switchi ng,  swit che s  ma nipulating a n d  large  capa city induction  motors sta r ti ng happ en, a bran ch  current   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Estim a tion of  Voltage Sag  Loss Based o n  Blind Num b er The o ry (F a n  Li-Gu o 5933 increa se s wit h in a sh ort term an d the n  volt age sa g happ en s. Thereinto sh ort-circuit fau l ts,  lightning  and  indu ction  motors sta r ti ng are maj o r cau s e s  of  voltage sa g. Gene rally  th e   influen ce s of voltage sag  on equipm e n ts are  rela t ed to sen s itivity of equipments. The  more   sen s itive the  equip m ent for voltage  sag a r e, t he  bigge r the  e c on omic lo ss is. Fo r diffe rent  equipm ents t he sen s itivity of use r s i s   measured by  sele cted m o st  se nsitive e quipme n ts d u r ing  the manufa c turing p r o c e s s acco rd in g to experie ntial data. Then  ma x U mi n U ma x T mi n T  are   defined  and  voltage tole ra n c are a  [3] of  se nsitive  u s e r s i s   sh owed i n  Fig.1  acco rding to volta g e   toleran c cu rve of sensitiv e equipm ents.          Figure 1. Voltage Sag Tol e ran c e Ar e a of Sensitive Equipme n ts          In Figure 1  D re gion  rep r esents th at equipm ent  fa ults  are not certai nly  ca u s ed by  voltage sag  a nd E region  repre s e n ts th a t  equipm ent  faults  are  cert ainly ca used  by voltage  sa g.  A, B, C regi ons rep r e s en t uncertai n ty regi on. Th e  influences o f  voltage sa g on users and  equipm ents  are u n certai n t y in A, B,  C region.  T h erefo r e e qui pment fault s  and p r od uction   interruption  could be  cau s ed by voltage  sag an d equi pments  coul d  not be influe nce d  obviou s l y     3.   Loss Esti mation Mod e l of Voltage  Sag Base d on Blind Nu mber Theory   3.1.   The Mea n ing of Blind  Number The or y   Un certai nty inclu d e s  ra n domne ss, fuzzi ne ss, u n a s certainty a nd grayne ss. Blind  informatio n p e rform s  a bove two cla s sification o r  mo re uncertain in formation s . Blind numb e can  be considered credi bility f unction [11-14] of interval  distri but ion.  If object perf orm s  uncertain,  actual val ue  of obje c t is  n o t alway s  poi nt val ue but i n terval value   in the nei ghb orho od of  poi nt  value. If interval value can  be rep r e s ent ed by interva l  numbe r x and  0, 1  is credibility of  interval, blind  numbe r is  compo s ed  by interval  di strib u tion from a  numbe r of  int e rval nu mbe r i x and credi bility i Suppo se  A I  is  interval g r ey  numb e set : i A I and 0, 1 i , 1, 2 , , in f x is grey fun c tion of  A I    ,, 1 , 2 , , 0, ii x xi n fx  其他                                     (1)    Whe r e 1 ii x x , 1 1 n i i   . Function f x is a blin d numbe r. i  is credibility of  i x . is total credibi lity of f x . n is degree of f x     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  593 2 –  5937   5934 3.2.   Algorith m  of Blind Number   Suppo se blin num be r  ,, 1 , 2 , , 0, ii x xi m Af x   其他  an  ,, 1 , 2 , , 0, ij y yj n Bg y   其他 , *   is algo rithm a r ithmetic o perators th at rep r esent  +, -, ×÷ .   A new  mn deg re e blind  numb e r is form ed  by algorith m   of A and B and p r e s ente d  by   prob able valu e matrix X and credibility  matrix Y   n j n m j m m m n i j i i i n j y y y y x y x y x x y x y x y x x y x y x y x x X 1 1 1 1 1 1 1 1 * n j n m j m m m n i j i i i n j Y 1 1 1 1 1 1 1 1 *       ( 2 )     The  sam e  el ements a r rega rd ed  as a valu e a n d  proba ble v a lue  are  a r range d in   seq uen ce in  prob able val u e matrix X . If i x has i S difference p o sition s in  se quen ce in  probabl value matrix X , the sum of  the element s of i S co rrespo nding p o sitio n s is  reg a rd ed as i r in  credibility matrix Y and se qu ence 12 ,, , k rr r is obtai ned. The *  of blind num ber A and blin numbe r B c a n  be  r e pr es e n t ed  a s    ,, 1 , 2 , , 0, ii rx x i k xA B   其他                                    (3)    3.3.   Algorith m  of Blind Number   Suppo se a and b are re al  nu mbers and ab . , ab  is  sign ed by  2 ab cou r s e .   Mean value o f  blind numbe r A and blind nu mber B are  cal c ulated a s  follows.       其他 , 0 , , 1 1 m i i i i i x x x x f E A E                           (4)       其他 , 0 , , 1 1 n j j j j j y y x y g E B E                         (5)          其他 , 0 , , , 11 1 1 m i n j j j j i i i y y x x z B E A E B A E      (6)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Estim a tion of  Voltage Sag  Loss Based o n  Blind Num b er The o ry (F a n  Li-Gu o 5935 3.4.   Loss Estimation Mod e l   Sensitivity of  equipm ents i s  influen ce d lots of  eleme n t s that includ e mounting lo cation s,   stru cture ch a r acte ri stics, operat in g envi r onm ents, ru nning  states,  load level an d sup p ly side  in   the circu m st ance of voltage  sag. Th ese  un cert ai n inform ation s  that pe rform ran domn e ss,   fuzzi ne ss, u n a scertai n ty a nd g r ayne ss sh ow  ch ar a c teri stic  of b lind info rmati ons. T h e r efo r e   voltage sa g tolera nce curv es of sen s itive equip m ent s appea r un ce rtainty. On the other h and  the  influen ce s of voltage sag  on se nsitive equipm ents  appe ar un ce rtainty. Uncert ain con d ition  of  equipm ent fa ults o r  p r od uction interrupti on could   be i ndicated by  b lind nu mbe r  t heory. Th erefore  the severity  of  voltage sa g could  be  reflecte d  by  blind  numb e r. Voltage  sa g lo ss could  be  estimated by  cal c ulatin g mean value of  blind num ber.   (1) Stand ardi zing d e ci sion  matrix  Firstly, stan d a rdi z ing  de cision m a trix  ij mn Xx  and a c hievin g a stan dardi zed m a trix   ij mn Yy    2 1 1, 2 , , ; 1, 2 , , ij ij m ij i x yi m j n x                                   (7)    (2)  Cal c ulatin g weig hted st anda rdi z ed m a trix     ij j i j mn mn Uu y                                            (8)    (3)  Determini ng Ideal Solut i on and  Neg a t ive Ideal Solution                              n u j u u u J j j u J j j u U m i i m i i 0 0 0 0 1 1 0 , , , 2 , 1 min , max       (9)                           n u j u u u J j j u J j j u U m i i m i i 0 0 0 0 1 1 0 , , , 2 , 1 max , min    (10 )                      (4) Cal c ulatin Dista n ce         m i j u j u D n j i i , , 2 , 1 , 1 2 0                              (11)       m i j u j u D n j i i , , 2 , 1 , 1 2 0                              (12)    (5)  Cal c ulatin g relative simi larity degree  of sample    * ,1 , 2 , , i i ii D Ci m DD                                           (13)    (6) E s timatin g  prob able  value and  credibilit y of voltage sag l o sse s  by produ ction  interruption cost.       * 1 iA V L CC                                                   (14)    Whe r e i L  is pro bable value o f  voltage sag  losses,  A V C  is average valu e  of produ ctio interruption cost,  * C  is relativ e  simila rity degree of voltag e sag.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  593 2 –  5937   5936 (7)  Cal c ulatin g mean value  of blind num ber an d Esti mating losse s  of voltage sa g ca se s.    i LL                                                            (15)    Whe r e L  is me an value  of bl ind num be r o f  voltage sa losse s ,  is  cre d ibility corre s pondi ng to  prob able valu e of voltage sag losse s .       4.   Cas e  Stud A sensitive u s er i s  analy z es a s  ca se st udy  in the paper. The sen s itive use r  is subj ecte to many voltage  sag  duri ng a  statistics pe riod. T h resh old value  of cha r a c teri stic p a ra mete r of   voltage  tole rance curve  of  the se n s iti v e users a r e  achieved  a c co rding  to hi stori c al  data  of  voltage  sag:   0.8 . . ma x Up u , mi n 0.3 . . Up u , 30 ma x Ts mi n 0.1 Ts 5.262 t e n t housa n d y ua n AV C  . The  weig ht of sa g ma gnit ude a nd  dura t ion is  re sp ectively 0. 8 0 . 2 , 0. 5 0 . 5  and  0. 2 0 . 8 Suppo sing th at the use r  is su bje c ted to  four time s voltage sag  but not pro ductio n   interruption. Cha r a c teri stic  param eters of four times  volt age sa g a r e sh own as  Table 1.       Table 1. Use r s’ Ch ara c te ristic Paramete r of Voltage Sag   Case  sag magnitude   duration /s   0.60 8  0.45 25  0.28 0.2  0.80 30      Proba ble val ue, credibility  and mea n  value of  blin d numbe r of vo ltage sa g lo sse s  are   estimated a n d  sho w e d  as  Table 2.              Table 2. The  Possi ble Valu e, Credi bility and Mea n  Va lue of Blind Numbe r  of Voltage Sag  Losse case probable  value   credibility   mean value of  blind number   2.005  0.3  1.676   1.589  0.5  1.400  0.2  3.789  0.3  4.096   4.173  0.5  4.362  0.2  3.731  0.3  2.260   2.000  0.5  0.705  0.2  1.573  0.3  3.046   3.315  0.5  4.583  0.2      Acco rdi ng to results of Ta ble 2, prob ab le va lue of blind numb e r of  the first time and the   se con d  time  vary slig htly, but proba ble  value of  bli n d num ber of  the third  time  and th e fou r th   time vary ob viously. Above re sult illust rate w hen  ch ara c teri stic p a ram e ter of  voltage sa are  clo s e to  or  re ach l o wer limi t  of threshold  value in volt age  sag  ca se , it contrib u te s to voltag e sag   losse s  bigg er. Meanwhile the influen ce  of the se con d  time voltage sag o n  u s ers  is mo st se rio u s.  The influen ce  of the third a nd fourth time voltage  sag  on users is l e ss se riou s. The influen ce  of  the first time voltage sag o n  use r s is m o st s light. Th ough u s e r s’ p r odu ction inte rru ption are not  cau s e d  by fo ur time s volta ge  sag,  accu mulative  e c o nomic lo sses  are  hug e a n d  re ach to  11. 078   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Estim a tion of  Voltage Sag  Loss Based o n  Blind Num b er The o ry (F a n  Li-Gu o 5937 ten-thou sa nd -yuan  and  la rge r  tha n  lo sses of  two  times i n terruption.  Th erefore ben efits  of  improve p o wer quality for  use r s a r e o b vious.       5.   Conclu sion  The meth od  of estimatio n   of voltage sa g loss b a sed  on blin d num ber th eory i s   prop osed  in the pap er.  Sag magnitu de and  duration are co nsi d ered  as m a in  cha r a c teri stic pa ramete rs by  usin g the vol t age sag tol e ran c ability of sen s itive  equipm ent. The ide a  of  blind nu mbe r  is   introdu ce d in  voltage  sag  ca se to  cal c ulate  voltag e sag lo ss.  Acco rdi ng to  pro babl e va lue,  cre d ibility of blind numb e r, mean value o f  blind  numbe r rep r e s entin g econ omi c  losse s  of voltage  sag a r e calcu l ated. Example result sho w s that t he esti mation metho d  is feasi b le a nd universal.       Referen ces   [1]  Gurrala M adh usud ha n Ra o. Mode lli ng  an d Ana l ys is  of Custom Po w e r  Devic e  for Improve P o w e r   Qualit y.  Interna t iona l Journ a l o f  Electrical Co mp uter Eng i n e e rin g  (IJECE) . 201 1; 1(1): 43- 48.   [2]  Ambarn a th Ba nerji, Dr Su jit K Bis w a s , Bhi m  Singh.  DST A T C OM Applic ation for Mitig a tion of Volta g e   Sag  Caus ed  b y   D y nam ic L o a d s in  Auto nom ous S y stems . I n ternati o n a l J o urna l of P o w e r Electro n ic s   and Dr ive Systems (IJPEDS) .  2012; 2(2): 2 3 2 -24 0 [3]  Z hao Hu iru, Ou Dach an g, Li  T i an y o u et al Voltage sa g l o ss estimatio n   base d  on fuzz y membersh ip   function.  Electr ic Pow e r Automati on Eq ui pment . 201 2; 32(1 1 ): 51-55.   [4] LI  Hao LIU C hunfa ng. Eco n o mic loss  asse ssment caus ed   b y  s ensitiv e e qui pment d ue t o  volta ge sa g   base d  o n  s e n s itive u n certa i nt y   du e to v o ltag e sa an d e nerg y   loss Sichuan E l ectric Power   T e chno logy.  2 010; 33( 5): 89- 92.   [5]  Gao Xiao, Pe ng Jia n ch un. Voltag e sag s comp e n satio n t o  customers from po w e r pro v iders.  Re la y 200 5; 33(1 3 ): 60-63.   [6]  Gao Xiao, Pe n g  Jianc hu n. Quant itativ e eva l uatio n ofvo lta g e  sag an d lo ad -loss cost all o c a tion.  Power  System  Technology . 200 5; 29(12): 22- 26.   [7]  Yang  Hon g g e n g , Xi ao  Xia n y o ng, Li u Ju n y on g. Iss ues an techno lo g y  ass e ssment o n  p o w e r  q ual it part 3: Voltag e Sags in p o w e s y stem.  Electric Power Au tomation Eq ui p m e n t . 2003; 23( 12 ): 1-4.  [8]  Milan o vic J, Gputa C. Prob a b ilistic  assess ment  of financ i a l loss es du to interrupti ons  and vo ltag e   sag-p a tr  :practical impl eme n tation.  IEEE Transactions on Power Deliv ery . 2006; 21( 2): 925-9 32.   [9]  Z hou Min g , Z hang Bi ao, li G eng yi n, et al Econom ic Assessment of Vol t age Sa gs Bas ed on Qu alit Engi neer in g T h eor y .   T r a n sacti ons of Chi na El ectrotechn ical Society.  200 7; 22(1 2 ): 152- 15 8.  [10]  LIU Bao-d i n g , PENG Jin. A course i n  unc ertain t y  theor y. B e iji ng: T s inghu a Univ ersit y  Pr ess. 2005.     [11]  LU Sh i-ju n, LI  Xi an g.F u ll  Li f e -C ycle  Cost  Estimation  of  Substatio n  Pro j ect Base d o n  Blin d Num ber   T heor y .   Power System  Technology . 201 0; 34(3): 141- 14 5.  [12]  CAI Li an g,  XIANG T i e- y u an , HUANG  Hui.  Bli nd-n u mb er  mod e l  an in dices  for  po w e r g e n e ratin g   sy s t e m  r e li ab i lit y  assessm ent.  Pow e r System T e chnol ogy . 2 003; 27( 8): 29- 32.   [13]  Z H AO Shu-qi a ng, W A NG Ha i- w e i. Po w e r d i st ributi on s y stem reli abi lit Evalu a tion  bas ed o n  bl in d   numb e r.  Pow e r System Protec tion an d Co ntrol . 201 1; 39(1 6 ) : 7-12.  [14]  He Yo ng xiu,  W ang W e i, Y ang W e ih ong et al. Asses s ment of C o n nectio n  Mo de  in D i strib u tio n   Net w ork Bas e d  on Blind N u m ber T heor y .   T r ansacti ons of Chin a Electrot echn ical Soc i et y.  2009; 24(7):   139- 144.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.