新一代電源質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)——幫助工業(yè)設(shè)備保持良好狀態(tài)

作者：Niranjan Chandrappa，產(chǎn)品應(yīng)用工程師

Swarnab Banerjee，系統(tǒng)工程經(jīng)理

簡(jiǎn)介

根據(jù)電力研究院 (EPRI) 最近發(fā)布的研究報(bào)告，由于電力問(wèn)題，包括電源波動(dòng)和電壓擾動(dòng)，美國(guó)大型工業(yè)設(shè)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。而在工廠里，電力不穩(wěn)定可能導(dǎo)致昂貴的設(shè)備發(fā)生故障，甚至過(guò)早報(bào)廢。細(xì)微的電源質(zhì)量事件常常越過(guò)傳統(tǒng)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)而不被察覺(jué)，造成設(shè)備性能隨著時(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(fù)載連接到同一網(wǎng)絡(luò)，引起擾動(dòng)穿越鄰近設(shè)施和建筑物。為了克服電源質(zhì)量挑戰(zhàn)，有必要監(jiān)控輸入以及負(fù)載產(chǎn)生的擾動(dòng)。電源質(zhì)量監(jiān)控可為設(shè)備提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，并且?guī)椭_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(chǔ)設(shè)施將受益于干凈的電源并獲得更長(zhǎng)的使用壽命。

電源質(zhì)量指的是提供給用電客戶的電力的各種變化情況，涉及接線問(wèn)題、接地問(wèn)題、開(kāi)關(guān)瞬變、負(fù)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(xiàn)，但是會(huì)損害昂貴的設(shè)備。在歐洲，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提供的電力質(zhì)量由國(guó)家電網(wǎng)規(guī)范和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN 50160) 中規(guī)定的基準(zhǔn)參數(shù)來(lái)定義。當(dāng)電源電壓失真時(shí)，設(shè)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)在變壓器和饋線電纜等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上引起熱和絕緣應(yīng)力。電源質(zhì)量不良會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，維修作業(yè)增加，使用壽命縮短，最終產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。本文將從工業(yè)設(shè)備的視角分析電源質(zhì)量不良的影響，并說(shuō)明如何使機(jī)器保持較佳運(yùn)行狀態(tài)。

圖1. 電源質(zhì)量問(wèn)題的不同原因：a) 美國(guó)；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家電廠針對(duì)配電質(zhì)量展開(kāi)的研究總結(jié)。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 以 及 接 地問(wèn)題。圖1b顯示了歐洲電源質(zhì)量調(diào)研的結(jié)果。據(jù)估計(jì)，在 歐 盟25個(gè)國(guó)家中，電源質(zhì)量問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)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(fù)載可能導(dǎo)致電壓突降和突升，使網(wǎng)絡(luò)電壓超出標(biāo)準(zhǔn)工作條件。大部分設(shè)備都是設(shè)計(jì)為在一定工作條件以內(nèi)工作，較長(zhǎng)時(shí)間的電壓突降和突升會(huì)引起停機(jī)和工藝中斷。在當(dāng)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(shè)施需要開(kāi)關(guān)模式電源。隨著電力電子和開(kāi)關(guān)電源使用的增加，諧波將成為工業(yè)設(shè)備更常見(jiàn)的電源質(zhì)量問(wèn)題來(lái)源。此類電源可將諧波注入電線并降低電源質(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(dāng)網(wǎng)絡(luò)組件過(guò)載時(shí)，設(shè)備管理者常常可觀測(cè)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(hù)器件。導(dǎo)致電源質(zhì)量不良的其他一些因素包括：各相差分負(fù)載、接線和接地方案不當(dāng)、負(fù)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(yīng)下網(wǎng)絡(luò)電流和電壓的可視化。

電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

為了應(yīng)對(duì)并管理電源質(zhì)量，必須找到可靠的監(jiān)控和報(bào)告方法。行業(yè)制定的一些重要標(biāo)準(zhǔn)有IEC 61000-4-30 A類和S類、IEC61000-4-7諧波測(cè)量和針對(duì)閃變的IEC61000-4-15。大多數(shù)電力公司已采納這些電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定和實(shí)施規(guī)章制度。某些情況下，如果電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不符合規(guī)范，電力公司可能會(huì)懲罰客戶。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不僅就實(shí)際應(yīng)用中的電源質(zhì)量建立共識(shí)，而且讓用戶確信他們有精確的數(shù)據(jù)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(biāo)稱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(cè)量精度是提供可靠且可重復(fù)結(jié)果的關(guān)鍵。

應(yīng)用電源質(zhì)量監(jiān)控以改善電網(wǎng)和機(jī)器狀態(tài)

利用現(xiàn)代電源質(zhì)量器件提供的信息可以標(biāo)定整體系統(tǒng)的基準(zhǔn)性能，幫助開(kāi)展預(yù)防性維護(hù)，監(jiān)控趨勢(shì)和狀態(tài)，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能及其對(duì)工藝設(shè)備的敏感性，減少電費(fèi)?？梢栽陔娫聪到y(tǒng)上安裝電源質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將其原始測(cè)量數(shù)據(jù)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(jiān)控器還可以是嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更精密的控制。捕捉機(jī)器獨(dú)有的電氣特征可以了解整體運(yùn)行狀態(tài)。從數(shù)據(jù)分析和診斷得出的結(jié)論可以為下一代保護(hù)算法和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供可靠的信息，提高電源質(zhì)量。

如果設(shè)備已部署在工廠環(huán)境中，則利用電源質(zhì)量曲線可以確定較佳管控技術(shù)。例如，印度一座工業(yè)設(shè)施的電源質(zhì)量曲線揭示電壓和電流波形存在嚴(yán)重失真。經(jīng)過(guò)充分分析后，工廠中安裝了混合功率因數(shù)校正系統(tǒng)。利用新的校正系統(tǒng)，功率因數(shù)從–0.5變?yōu)?0.9，THD改善50%。

現(xiàn)代化電源質(zhì)量分析儀

過(guò)去，設(shè)計(jì)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(cè)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(nèi)核。分立式設(shè)計(jì)方法和編寫(xiě)定制算法意味著復(fù)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(jì)算并提供電源質(zhì)量參數(shù)，例如突降、突升、均方根、相序誤差和功率因數(shù)值。它還從輸入信號(hào)獲得線路頻率諧波成分。ADI公司已開(kāi)發(fā)出一款世界領(lǐng)先的電源質(zhì)量監(jiān)控前端，稱為ADE9000。它消除了大部分的計(jì)算復(fù)雜性，并簡(jiǎn)化了實(shí)施電源質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)所需的時(shí)間和精力。

圖3. 來(lái)自電源質(zhì)量監(jiān)控器的信息和報(bào)告。

圖4. 高集成度、三相電能和電源質(zhì)量監(jiān)控IC ADE9000的功能框圖。

圖5. 典型電源質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)鏈。

IEC 61000-4-30預(yù)先認(rèn)證的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)解決方案

遵循電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并非易事，要實(shí)現(xiàn)并保持優(yōu)化性能，我們必須基于此類指南的范圍分析測(cè)量結(jié)果，并確認(rèn)參數(shù)的有效性。要確保性能達(dá)到要求的水準(zhǔn)，請(qǐng)閱讀《電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)第1部分：符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量測(cè)量的重要性》，了解此類標(biāo)準(zhǔn)重要的原因、進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)比較以及在用例中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的方式。

為減少與EMC認(rèn)證相關(guān)的挑戰(zhàn)并加快上市，設(shè)計(jì)人員可以采用 ADE9000電能質(zhì)量前端解決方案的S類預(yù)認(rèn)證版本ADE9430，減少設(shè)計(jì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀表所需的工程資源，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)或架構(gòu)的認(rèn)證難度。文章《電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)第2部分：符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)考慮因素》深入介紹如何采用具有適當(dāng)認(rèn)證測(cè)量的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)解決方案。多通道同步采樣ADC也可用于支持A類電能質(zhì)量參數(shù)。

大數(shù)據(jù)分析成為可能，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更高的能源智能

隨著工業(yè)環(huán)境中各種設(shè)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(shè)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(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)緊急問(wèn)題的及早檢測(cè)。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以識(shí)別并隔離擾動(dòng)。機(jī)器診斷的數(shù)據(jù)分析、預(yù)防性維護(hù)和問(wèn)題負(fù)載的隔離，均是減少工藝中斷、提高設(shè)備壽命和增加正常運(yùn)行時(shí)間的新途徑。

結(jié)語(yǔ)

全球能源總需求預(yù)計(jì)每年增長(zhǎng)約5%。電網(wǎng)連接設(shè)備的規(guī)模和復(fù)雜度將不斷提高，電源質(zhì)量擾動(dòng)隨之增加。現(xiàn)代商業(yè)對(duì)干凈、可靠、永遠(yuǎn)在線的電能的依賴性越來(lái)越高。通過(guò)采用新一代電源質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，工業(yè)設(shè)備所有者可以預(yù)期機(jī)器設(shè)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。