【導讀】隨著(zhù)工業(yè)環(huán)境中各種設備之間的互聯(lián)程度越來(lái)越高，以及物聯(lián)網(wǎng)部署的加速，來(lái)自分布式設備的電源質(zhì)量信息將以新的方式加以收集和利用。例如，利益相關(guān)方可以分析歷史趨勢，實(shí)現對緊急問(wèn)題的及早檢測。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )之內，利用多個(gè)節點(diǎn)的實(shí)時(shí)數據可以識別并隔離擾動(dòng)。機器診斷的數據分析、預防性維護和問(wèn)題負載的隔離，均是減少工藝中斷、提高設備壽命和增加正常運行時(shí)間的新途徑。
簡(jiǎn)介
根據電力研究院 (EPRI) 最近發(fā)布的研究報告，由于電力問(wèn)題，包括電源波動(dòng)和電壓擾動(dòng)，美國大型工業(yè)設施每年損失超過(guò)1000億美元。家里的電燈閃爍不定會(huì )令人煩惱。而在工廠(chǎng)里，電力不穩定可能導致昂貴的設備發(fā)生故障，甚至過(guò)早報廢。細微的電源質(zhì)量事件常常越過(guò)傳統保護網(wǎng)絡(luò )而不被察覺(jué)，造成設備性能隨著(zhù)時(shí)間推移而降低。此外，許多電源質(zhì)量擾動(dòng)的來(lái)源是多個(gè)負載連接到同一網(wǎng)絡(luò )，引起擾動(dòng)穿越鄰近設施和建筑物。為了克服電源質(zhì)量挑戰，有必要監控輸入以及負載產(chǎn)生的擾動(dòng)。電源質(zhì)量監控可為設備提供適當的保護，并且幫助確定合適的管控技術(shù)來(lái)提高電源質(zhì)量。
如果利益相關(guān)方充分利用這些技術(shù)，其昂貴的基礎設施將受益于干凈的電源并獲得更長(cháng)的使用壽命。
電源質(zhì)量指的是提供給用電客戶(hù)的電力的各種變化情況，涉及接線(xiàn)問(wèn)題、接地問(wèn)題、開(kāi)關(guān)瞬變、負載變化和諧波生成。某些情況下，電源質(zhì)量糟糕的狀況可能未被發(fā)現，但是會(huì )損害昂貴的設備。在歐洲，電網(wǎng)運營(yíng)商提供的電力質(zhì)量由國家電網(wǎng)規范和歐洲標準(EN 50160) 中規定的基準參數來(lái)定義。當電源電壓失真時(shí)，設備獲得的是非正弦電流，這可能引發(fā)過(guò)熱、故障和過(guò)早老化等技術(shù)問(wèn)題。非正弦電流還會(huì )在變壓器和饋線(xiàn)電纜等網(wǎng)絡(luò )設備上引起熱和絕緣應力。電源質(zhì)量不良會(huì )導致設備停機，維修作業(yè)增加，使用壽命縮短，最終產(chǎn)生經(jīng)濟損失。本文將從工業(yè)設備的視角分析電源質(zhì)量不良的影響，并說(shuō)明如何使機器保持較佳運行狀態(tài)。
圖1. 電源質(zhì)量問(wèn)題的不同原因：a) 美國；b) 歐洲。
電源質(zhì)量擾動(dòng)源于何處？
圖1a是電力研究院在全美24家電廠(chǎng)針對配電質(zhì)量展開(kāi)的研究總結。大部分(85%)電源質(zhì)量事故源于電源突降或突升、諧波和接線(xiàn)以 及接 地問(wèn)題。圖1b顯示了歐洲電源質(zhì)量調研的結果。據估計，在歐 盟25個(gè)國家中，電源質(zhì)量問(wèn)題造成的經(jīng)濟損失每年超過(guò)1560億美元（1500億歐元）。在工業(yè)環(huán)境中，啟動(dòng)和停止重負載可能導致電壓突降和突升，使網(wǎng)絡(luò )電壓超出標準工作條件。大部分設備都是設計為在一定工作條件以?xún)裙ぷ?，較長(cháng)時(shí)間的電壓突降和突升會(huì )引起停機和工藝中斷。在當今商業(yè)氣候下，許多公司都在考慮安裝或已經(jīng)安裝本地產(chǎn)生的再生能源，例如太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電。很多情況下，分布式電力來(lái)源使得電氣設施需要開(kāi)關(guān)模式電源。隨著(zhù)電力電子和開(kāi)關(guān)電源使用的增加，諧波將成為工業(yè)設備更常見(jiàn)的電源質(zhì)量問(wèn)題來(lái)源。此類(lèi)電源可將諧波注入電線(xiàn)并降低電源質(zhì)量，從而影響任何連接到供電網(wǎng)絡(luò )的東西，包括變壓器和電纜。當網(wǎng)絡(luò )組件過(guò)載時(shí)，設備管理者常?？捎^(guān)測到大諧波電流的影響。某些情況下，網(wǎng)絡(luò )組件的總損耗增加0.1%至0.5%便可能觸發(fā)保護器件。導致電源質(zhì)量不良的其他一些因素包括：各相差分負載、接線(xiàn)和接地方案不當、負載相互作用、EMI/EMC和大無(wú)功網(wǎng)絡(luò )的切換。
圖2. 不同失真效應下網(wǎng)絡(luò )電流和電壓的可視化。
電源質(zhì)量標準
為了應對并管理電源質(zhì)量，必須找到可靠的監控和報告方法。行業(yè)制定的一些重要標準有IEC 61000-4-30 A類(lèi)和S類(lèi)、IEC61000-4-7諧波測量和針對閃變的IEC61000-4-15。大多數電力公司已采納這些電源質(zhì)量標準來(lái)制定和實(shí)施規章制度。某些情況下，如果電源質(zhì)量標準不符合規范，電力公司可能會(huì )懲罰客戶(hù)。工業(yè)標準不僅就實(shí)際應用中的電源質(zhì)量建立共識，而且讓用戶(hù)確信他們有精確的數據來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。在電力網(wǎng)絡(luò )中，電壓突降、突升、閃變、標稱(chēng)額定值變化和諧波所致失真，全都包含關(guān)于網(wǎng)絡(luò )健康狀況的重要信息。高測量精度是提供可靠且可重復結果的關(guān)鍵。
應用電源質(zhì)量監控以改善電網(wǎng)和機器狀態(tài)
利用現代電源質(zhì)量器件提供的信息可以標定整體系統的基準性能，幫助開(kāi)展預防性維護，監控趨勢和狀態(tài)，評估網(wǎng)絡(luò )性能及其對工藝設備的敏感性，減少電費?？梢栽陔娫聪到y上安裝電源質(zhì)量監控網(wǎng)絡(luò )，將其原始測量數據聚合起來(lái)便可進(jìn)行相關(guān)性分析，幫助確定擾動(dòng)源。電源質(zhì)量監控器還可以是嵌入式設備設計的一部分，實(shí)現更高的集成度和更精密的控制。捕捉機器獨有的電氣特征可以了解整體運行狀態(tài)。從數據分析和診斷得出的結論可以為下一代保護算法和產(chǎn)品的設計提供可靠的信息，提高電源質(zhì)量。
如果設備已部署在工廠(chǎng)環(huán)境中，則利用電源質(zhì)量曲線(xiàn)可以確定較佳管控技術(shù)。例如，印度一座工業(yè)設施的電源質(zhì)量曲線(xiàn)揭示電壓和電流波形存在嚴重失真。經(jīng)過(guò)充分分析后，工廠(chǎng)中安裝了混合功率因數校正系統。利用新的校正系統，功率因數從–0.5變?yōu)?0.9，THD改善50%。
現代化電源質(zhì)量分析儀
過(guò)去，設計高精度電源質(zhì)量分析儀需要較高的技術(shù)能力，并且常常涉及使用分立器件和開(kāi)發(fā)定制電源質(zhì)量測量算法。新型電源質(zhì)量模擬前端 (AFE) 集成了低漂移總增益的高性能ADC和DSP內核。分立式設計方法和編寫(xiě)定制算法意味著(zhù)復雜度和成本會(huì )很高，而集成式AFE消除了這種弊端。
集成AFE計算并提供電源質(zhì)量參數，例如突降、突升、均方根、相序誤差和功率因數值。它還從輸入信號獲得線(xiàn)路頻率諧波成分。ADI公司已開(kāi)發(fā)出一款世界領(lǐng)先的電源質(zhì)量監控前端，稱(chēng)為ADE9000。它消除了大部分的計算復雜性，并簡(jiǎn)化了實(shí)施電源質(zhì)量監控系統所需的時(shí)間和精力。
圖3. 來(lái)自電源質(zhì)量監控器的信息和報告。
圖4. 高集成度、三相電能和電源質(zhì)量監控IC ADE9000的功能框圖。
圖5. 典型電源質(zhì)量監控系統信號鏈。
IEC 61000-4-30預先認證的電能質(zhì)量監測解決方案
遵循電能質(zhì)量標準并非易事，要實(shí)現并保持優(yōu)化性能，我們必須基于此類(lèi)指南的范圍分析測量結果，并確認參數的有效性。要確保性能達到要求的水準，請閱讀《電能質(zhì)量監測第1部分：符合標準的電能質(zhì)量測量的重要性》，了解此類(lèi)標準重要的原因、進(jìn)行標準比較以及在用例中應用標準的方式。
為減少與EMC認證相關(guān)的挑戰并加快上市，設計人員可以采用 ADE9000電能質(zhì)量前端解決方案的S類(lèi)預認證版本ADE9430，減少設計電能質(zhì)量監測儀表所需的工程資源，降低系統設計或架構的認證難度。文章《電能質(zhì)量監測第2部分：符合標準的電能質(zhì)量?jì)x表的設計考慮因素》深入介紹如何采用具有適當認證測量的電能質(zhì)量監測解決方案。多通道同步采樣ADC也可用于支持A類(lèi)電能質(zhì)量參數。
大數據分析成為可能，推動(dòng)實(shí)現更高的能源智能
隨著(zhù)工業(yè)環(huán)境中各種設備之間的互聯(lián)程度越來(lái)越高，以及物聯(lián)網(wǎng)部署的加速，來(lái)自分布式設備的電源質(zhì)量信息將以新的方式加以收集和利用。例如，利益相關(guān)方可以分析歷史趨勢，實(shí)現對緊急問(wèn)題的及早檢測。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )之內，利用多個(gè)節點(diǎn)的實(shí)時(shí)數據可以識別并隔離擾動(dòng)。機器診斷的數據分析、預防性維護和問(wèn)題負載的隔離，均是減少工藝中斷、提高設備壽命和增加正常運行時(shí)間的新途徑。
結語(yǔ)
全球能源總需求預計每年增長(cháng)約5%。電網(wǎng)連接設備的規模和復雜度將不斷提高，電源質(zhì)量擾動(dòng)隨之增加?，F代商業(yè)對干凈、可靠、永遠在線(xiàn)的電能的依賴(lài)性越來(lái)越高。通過(guò)采用新一代電源質(zhì)量監控技術(shù)，工業(yè)設備所有者可以預期機器設備過(guò)早失效或磨損的情況會(huì )減少，干凈的電源將帶來(lái)巨大好處。
（來(lái)源：ADI公司，作者：Niranjan Chandrappa，產(chǎn)品應用工程師，Swarnab Banerjee，系統工程經(jīng)理）
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