下一代電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)-幫助工業(yè)設(shè)備保持健康

作者：Swarnab Banerjee，Niranjan Chandrappa

根據(jù)電力研究所（EPRI）最近發(fā)表的一項(xiàng)研究，由于電力問題，包括電源變化和電壓干擾，美國(guó)的大型工業(yè)設(shè)施每年損失超過1000億美元。當(dāng)家里的燈光閃爍時(shí)，這是一種煩惱。但是，當(dāng)工廠的電源受到干擾時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致昂貴設(shè)備的故障和早期故障。細(xì)微的電能質(zhì)量事件通常會(huì)在不被發(fā)現(xiàn)的情況下通過傳統(tǒng)的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致設(shè)備退化。此外，許多電能質(zhì)量干擾的來源是連接到同一網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，導(dǎo)致干擾通過相鄰的設(shè)施和建筑物傳播。為了克服電能質(zhì)量挑戰(zhàn)，有必要監(jiān)控負(fù)載產(chǎn)生的輸入和干擾。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)可以為設(shè)備提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，并有助于確定改善電能質(zhì)量的適當(dāng)緩解技術(shù)。

如果利益相關(guān)者充分利用這項(xiàng)技術(shù)，他們昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施將受益于清潔能源和延長(zhǎng)的使用壽命。

電能質(zhì)量是指供應(yīng)給公用事業(yè)客戶的電力的各種變化。它可以涵蓋接線問題、接地問題、開關(guān)瞬變、負(fù)載變化和諧波產(chǎn)生。在某些情況下，較差的電能質(zhì)量可能未被發(fā)現(xiàn)，但會(huì)損壞昂貴的設(shè)備。在歐洲，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提供的電能質(zhì)量由國(guó)家電網(wǎng)規(guī)范和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 50160）中設(shè)置的參考參數(shù)定義。當(dāng)電源電壓失真時(shí)，器件會(huì)吸收非正弦電流，并可能導(dǎo)致許多技術(shù)問題，例如過熱、故障和過早老化。非正弦電流還會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如變壓器和饋線電纜）產(chǎn)生熱應(yīng)力和絕緣應(yīng)力。電能質(zhì)量差最終會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)、維護(hù)活動(dòng)增加和使用壽命縮短造成的經(jīng)濟(jì)損失。本文將從工業(yè)設(shè)備的角度分析電能質(zhì)量差的影響，以及如何最大限度地提高機(jī)器健康水平。

圖1.a）美國(guó)b）歐洲電能質(zhì)量問題的不同來源。

電能質(zhì)量干擾從何而來？

圖1a總結(jié)了電力研究所對(duì)美國(guó)24家公用事業(yè)公司進(jìn)行的一項(xiàng)配電電能質(zhì)量研究。大多數(shù)（85%）電能質(zhì)量事故源于電壓驟降或驟升、諧波和接線以及接地問題。圖1b顯示了另一項(xiàng)歐洲電能質(zhì)量調(diào)查的結(jié)果，該調(diào)查估計(jì)歐盟25國(guó)的電能質(zhì)量問題每年造成的經(jīng)濟(jì)損失超過1560億美元（1500億歐元）。在工業(yè)環(huán)境中，重負(fù)載的啟動(dòng)和停止會(huì)導(dǎo)致電壓驟降和驟升，從而使網(wǎng)絡(luò)電壓超出標(biāo)準(zhǔn)工作條件。由于大多數(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)為在特定運(yùn)行條件下運(yùn)行，因此長(zhǎng)時(shí)間的電壓驟降和驟升會(huì)導(dǎo)致停機(jī)和過程中斷。在當(dāng)今的商業(yè)環(huán)境中，許多公司正在考慮或已經(jīng)安裝本地產(chǎn)生的可再生能源，例如太陽(yáng)能和風(fēng)能。在許多情況下，分布式發(fā)電源在電氣裝置中引入了對(duì)開關(guān)模式電源的需求。隨著電力電子和開關(guān)電源的日益普及，諧波將成為工業(yè)設(shè)備中電能質(zhì)量問題的一個(gè)更常見的來源。這些類型的電源會(huì)在電線上注入諧波并降低電能質(zhì)量，從而影響與供電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的所有設(shè)備，包括變壓器和電纜。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組件過載時(shí)，設(shè)施管理人員通?？梢杂^察到大諧波電流的影響。在某些情況下，網(wǎng)絡(luò)組件總損耗增加0.1%至0.5%會(huì)導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備跳閘。其他一些可能導(dǎo)致電能質(zhì)量差的情況包括相位差分負(fù)載、不正確的接線和接地方案、負(fù)載相互作用、EMI/EMC 以及大型無功網(wǎng)絡(luò)的切換。

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

為了應(yīng)對(duì)和管理電能質(zhì)量，必須找到可靠的監(jiān)測(cè)和報(bào)告方法。工業(yè)界制定的一些關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 61000-4-30 A 類和 S 類、IEC61000-4-7 諧波測(cè)量和 IEC61000-4-15 閃爍。大多數(shù)公用事業(yè)公司已采用這些電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來制定和執(zhí)行法規(guī)。在某些情況下，如果電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不符合規(guī)定，公用事業(yè)公司可能會(huì)對(duì)客戶進(jìn)行處罰。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不僅在實(shí)際應(yīng)用中建立了對(duì)電能質(zhì)量的共識(shí)，而且還讓用戶相信他們將擁有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來解決與事件相關(guān)的問題和問題。在電網(wǎng)中，電壓驟降、驟升、閃爍、標(biāo)稱額定值變化以及諧波引起的失真都包含有關(guān)網(wǎng)絡(luò)電氣健康狀況的關(guān)鍵信息。測(cè)量精度是提供可靠和可重復(fù)結(jié)果的關(guān)鍵。

應(yīng)用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)來改善電網(wǎng)和機(jī)器健康

現(xiàn)代電能質(zhì)量設(shè)備提供的信息將對(duì)整體系統(tǒng)性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，協(xié)助預(yù)防性維護(hù)，監(jiān)控趨勢(shì)和狀況，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能和對(duì)過程設(shè)備的敏感性，并提高能量率?？梢栽诠╇娤到y(tǒng)上安裝電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器網(wǎng)絡(luò)，并且可以匯總其原始測(cè)量數(shù)據(jù)以關(guān)聯(lián)并幫助識(shí)別干擾源。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器也可以成為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分，以實(shí)現(xiàn)更緊密的集成和控制?？梢圆东@機(jī)器的獨(dú)特電氣特征以了解整體健康狀況。數(shù)據(jù)分析和診斷結(jié)論可為設(shè)計(jì)下一代保護(hù)算法和產(chǎn)品提供可靠的輸入，以提高電能質(zhì)量。

如果設(shè)備已部署在工廠環(huán)境中，則電能質(zhì)量配置文件可用于確定最佳緩解技術(shù)。例如，印度一家工業(yè)設(shè)施的電能質(zhì)量分析顯示電壓和電流波形嚴(yán)重失真。經(jīng)過廣泛的分析，工廠安裝了混合動(dòng)力功率因數(shù)校正系統(tǒng)。使用新的校正系統(tǒng)，功率因數(shù)從–0.5變?yōu)?0.9，THD提高了50%。

現(xiàn)代電能質(zhì)量分析儀

過去，設(shè)計(jì)高精度電能質(zhì)量分析儀需要大量的技術(shù)技能，并且通常涉及使用分立元件和開發(fā)定制的電能質(zhì)量測(cè)量算法。新型電能質(zhì)量模擬前端（AFE）集成了具有低漂移總增益的高性能ADC和DSP內(nèi)核。這種集成的AFE降低了與分立設(shè)計(jì)方法和編寫自定義算法相關(guān)的復(fù)雜性和成本。

集成的AFE計(jì)算并提供電能質(zhì)量參數(shù)，如驟降、驟升、均方根、相序誤差和功率因數(shù)值。它還從輸入信號(hào)中獲取線路頻率諧波成分。ADI公司已經(jīng)掌握了一款名為ADE9000的世界級(jí)電能質(zhì)量監(jiān)控器前端。它吸收了計(jì)算中的大部分復(fù)雜性，并簡(jiǎn)化了實(shí)施電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)間和精力。

圖3.來自電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器的信息和報(bào)告。

圖4.ADE9000的功能框圖高度集成的多相能量和電能質(zhì)量監(jiān)控IC。

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

推動(dòng)更好能源智能的大數(shù)據(jù)分析機(jī)會(huì)

隨著工業(yè)環(huán)境中的單個(gè)設(shè)備變得更加互聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)部署加速，來自分布式設(shè)備的電能質(zhì)量信息將以新的方式收集和利用。例如，利益相關(guān)者可以分析歷史趨勢(shì)并盡早發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的問題。在網(wǎng)絡(luò)中，來自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可用于識(shí)別和隔離干擾。用于機(jī)器診斷、預(yù)防性維護(hù)和問題負(fù)載隔離的數(shù)據(jù)分析是減少過程中斷、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間的新方法。

總結(jié)

全球能源總需求預(yù)計(jì)將以每年約5%的速度增長(zhǎng)。連接到電網(wǎng)的設(shè)備的規(guī)模和復(fù)雜性將增加，電能質(zhì)量干擾將成比例增加?，F(xiàn)代企業(yè)將越來越依賴清潔、可靠且始終在線的電能。通過使用下一代電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，工業(yè)設(shè)備所有者可以期望看到更少的機(jī)器過早故障或磨損的情況，并從清潔電力中受益。

審核編輯：郭婷