新一代電源質量監(jiān)控技術——幫助工業(yè)設備保持良好狀態(tài)

簡介

根據電力研究院 (EPRI) 最近發(fā)布的研究報告，由于電力問題，包括電源波動和電壓擾動，美國大型工業(yè)設施每年損失超過1000億美元。家里的電燈閃爍不定會令人煩惱。而在工廠里，電力不穩(wěn)定可能導致昂貴的設備發(fā)生故障，甚至過早報廢。細微的電源質量事件常常越過傳統保護網絡而不被察覺，造成設備性能隨著時間推移而降低。此外，許多電源質量擾動的來源是多個負載連接到同一網絡，引起擾動穿越鄰近設施和建筑物。為了克服電源質量挑戰(zhàn)，有必要監(jiān)控輸入以及負載產生的擾動。電源質量監(jiān)控可為設備提供適當的保護，并且?guī)椭_定合適的管控技術來提高電源質量。

電源質量指的是提供給用電客戶的電力的各種變化情況，涉及接線問題、接地問題、開關瞬變、負載變化和諧波生成。某些情況下，電源質量糟糕的狀況可能未被發(fā)現，但是會損害昂貴的設備。在歐洲，電網運營商提供的電力質量由國家電網規(guī)范和歐洲標準(EN 50160) 中規(guī)定的基準參數來定義。當電源電壓失真時，設備獲得的是非正弦電流，這可能引發(fā)過熱、故障和過早老化等技術問題。非正弦電流還會在變壓器和饋線電纜等網絡設備上引起熱和絕緣應力。電源質量不良會導致設備停機，維修作業(yè)增加，使用壽命縮短，最終產生經濟損失。本文將從工業(yè)設備的視角分析電源質量不良的影響，并說明如何使機器保持較佳運行狀態(tài)。

圖1 電源質量問題的不同原因：a)美國；b)歐洲

電源質量擾動源于何處？

圖1a是電力研究院在全美24家電廠針對配電質量展開的研究總結。大部分(85%)電源質量事故源于電源突降或突升、諧波和接線 以 及 接 地問題。圖1b顯示了歐洲電源質量調研的結果。據估計，在 歐 盟25個國家中，電源質量問題造成的經濟損失每年超過1560億美元（1500億歐元）。在工業(yè)環(huán)境中，啟動和停止重負載可能導致電壓突降和突升，使網絡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內工作，較長時間的電壓突降和突升會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安裝本地產生的再生能源，例如太陽能和風力發(fā)電。很多情況下，分布式電力來源使得電氣設施需要開關模式電源。隨著電力電子和開關電源使用的增加，諧波將成為工業(yè)設備更常見的電源質量問題來源。此類電源可將諧波注入電線并降低電源質量，從而影響任何連接到供電網絡的東西，包括變壓器和電纜。當網絡組件過載時，設備管理者常?？捎^測到大諧波電流的影響。某些情況下，網絡組件的總損耗增加0.1%至0.5%便可能觸發(fā)保護器件。導致電源質量不良的其他一些因素包括：各相差分負載、接線和接地方案不當、負載相互作用、EMI/EMC和大無功網絡的切換。

圖2 不同失真效應下網絡電流和電壓的可視化

電源質量標準

為了應對并管理電源質量，必須找到可靠的監(jiān)控和報告方法。行業(yè)制定的一些重要標準有IEC 61000-4-30 A類和S類、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量標準來制定和實施規(guī)章制度。某些情況下，如果電源質量標準不符合規(guī)范，電力公司可能會懲罰客戶。工業(yè)標準不僅就實際應用中的電源質量建立共識，而且讓用戶確信他們有精確的數據來解決相關問題。在電力網絡中，電壓突降、突升、閃變、標稱額定值變化和諧波所致失真，全都包含關于網絡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鍵。

應用電源質量監(jiān)控以改善電網和機器狀態(tài)

利用現代電源質量器件提供的信息可以標定整體系統的基準性能，幫助開展預防性維護，監(jiān)控趨勢和狀態(tài)，評估網絡性能及其對工藝設備的敏感性，減少電費。可以在電源系統上安裝電源質量監(jiān)控網絡，將其原始測量數據聚合起來便可進行相關性分析，幫助確定擾動源。電源質量監(jiān)控器還可以是嵌入式設備設計的一部分，實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品的設計提供可靠的信息，提高電源質量。

如果設備已部署在工廠環(huán)境中，則利用電源質量曲線可以確定較佳管控技術。例如，印度一座工業(yè)設施的電源質量曲線揭示電壓和電流波形存在嚴重失真。經過充分分析后，工廠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%。

現代化電源質量分析儀

過去，設計高精度電源質量分析儀需要較高的技術能力，并且常常涉及使用分立器件和開發(fā)定制電源質量測量算法。新型電源質量模擬前端 (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定制算法意味著復雜度和成本會很高，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路頻率諧波成分。ADI公司已開發(fā)出一款世界領先的電源質量監(jiān)控前端，稱為ADE9000。它消除了大部分的計算復雜性，并簡化了實施電源質量監(jiān)控系統所需的時間和精力。

圖3 來自電源質量監(jiān)控器的信息和報告

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

圖5 典型電源質量監(jiān)控系統信號鏈

IEC 61000-4-30預先認證的電能質量監(jiān)測解決方案

遵循電能質量標準并非易事，要實現并保持優(yōu)化性能，我們必須基于此類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《電能質量監(jiān)測第1部分：符合標準的電能質量測量的重要性》，了解此類標準重要的原因、進行標準比較以及在用例中應用標準的方式。

為減少與EMC認證相關的挑戰(zhàn)并加快上市，設計人員可以采用 ADE9000電能質量前端解決方案的S類預認證版本ADE9430，減少設計電能質量監(jiān)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《電能質量監(jiān)測第2部分：符合標準的電能質量儀表的設計考慮因素》深入介紹如何采用具有適當認證測量的電能質量監(jiān)測解決方案。多通道同步采樣ADC也可用于支持A類電能質量參數。

大數據分析成為可能，推動實現更高的能源智能

隨著工業(yè)環(huán)境中各種設備之間的互聯程度越來越高，以及物聯網部署的加速，來自分布式設備的電源質量信息將以新的方式加以收集和利用。例如，利益相關方可以分析歷史趨勢，實現對緊急問題的及早檢測。在一個網絡之內，利用多個節(jié)點的實時數據可以識別并隔離擾動。機器診斷的數據分析、預防性維護和問題負載的隔離，均是減少工藝中斷、提高設備壽命和增加正常運行時間的新途徑。

結語

全球能源總需求預計每年增長約5%。電網連接設備的規(guī)模和復雜度將不斷提高，電源質量擾動隨之增加?，F代商業(yè)對干凈、可靠、永遠在線的電能的依賴性越來越高。通過采用新一代電源質量監(jiān)控技術，工業(yè)設備所有者可以預期機器設備過早失效或磨損的情況會減少，干凈的電源將帶來巨大好處。

作者簡介

Swarnab Banerjee擁有電氣工程學士學位，是ADI公司能源管理產品部的系統工程經理。他負責應對智能電網相關的電力輸送和轉換設備不斷增長的技術需求。加入ADI之前，他曾擔任Core Innovation、Boulder Wind Power、Princeton Power Systems 等公司的技術領導崗位，開發(fā)過多種輸配電系統。他擁有2項已授權專利和3項待審專利。

Niranjan Chandrappa是ADI公司能源管理產品部的產品應用工程師。加入ADI公司之前，他曾擔任Witricity和猶他州立大學電源電子實驗室的硬件和固件工程師，從事無線電力傳輸系統的設計。2014年獲得美猶他州立大學電氣工程碩士學位。