下一代電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)-幫助工業(yè)設備保持健康

作者：Swarnab Banerjee，Niranjan Chandrappa

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

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

電能質(zhì)量是指供應給公用事業(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)，但會損壞昂貴的設備。在歐洲，電網(wǎng)運營商提供的電能質(zhì)量由國家電網(wǎng)規(guī)范和歐洲標準（EN 50160）中設置的參考參數(shù)定義。當電源電壓失真時，器件會吸收非正弦電流，并可能導致許多技術(shù)問題，例如過熱、故障和過早老化。非正弦電流還會對網(wǎng)絡設備（如變壓器和饋線電纜）產(chǎn)生熱應力和絕緣應力。電能質(zhì)量差最終會導致設備停機、維護活動增加和使用壽命縮短造成的經(jīng)濟損失。本文將從工業(yè)設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器健康水平。

圖1.a）美國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)了電力研究所對美國24家公用事業(yè)公司進行的一項配電電能質(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顯示了另一項歐洲電能質(zhì)量調(diào)查的結(jié)果，該調(diào)查估計歐盟25國的電能質(zhì)量問題每年造成的經(jīng)濟損失超過1560億美元（1500億歐元）。在工業(yè)環(huán)境中，重負載的啟動和停止會導致電壓驟降和驟升，從而使網(wǎng)絡電壓超出標準工作條件。由于大多數(shù)設備設計為在特定運行條件下運行，因此長時間的電壓驟降和驟升會導致停機和過程中斷。在當今的商業(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，例如太陽能和風能。在許多情況下，分布式發(fā)電源在電氣裝置中引入了對開關(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)設備中電能質(zhì)量問題的一個更常見的來源。這些類型的電源會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)絡相關(guān)的所有設備，包括變壓器和電纜。當網(wǎng)絡組件過載時，設施管理人員通?？梢杂^察到大諧波電流的影響。在某些情況下，網(wǎng)絡組件總損耗增加0.1%至0.5%會導致保護設備跳閘。其他一些可能導致電能質(zhì)量差的情況包括相位差分負載、不正確的接線和接地方案、負載相互作用、EMI/EMC 以及大型無功網(wǎng)絡的切換。

電能質(zhì)量標準

為了應對和管理電能質(zhì)量，必須找到可靠的監(jiān)測和報告方法。工業(yè)界制定的一些關(guān)鍵標準是 IEC 61000-4-30 A 類和 S 類、IEC61000-4-7 諧波測量和 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)量標準來制定和執(zhí)行法規(guī)。在某些情況下，如果電能質(zhì)量標準不符合規(guī)定，公用事業(yè)公司可能會對客戶進行處罰。行業(yè)標準不僅在實際應用中建立了對電能質(zhì)量的共識，而且還讓用戶相信他們將擁有準確的數(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、標稱額定值變化以及諧波引起的失真都包含有關(guān)網(wǎng)絡電氣健康狀況的關(guān)鍵信息。測量精度是提供可靠和可重復結(jié)果的關(guān)鍵。

應用電能質(zhì)量監(jiān)測來改善電網(wǎng)和機器健康

現(xiàn)代電能質(zhì)量設備提供的信息將對整體系統(tǒng)性能進行基準測試，協(xié)助預防性維護，監(jiān)控趨勢和狀況，評估網(wǎng)絡性能和對過程設備的敏感性，并提高能量率。可以在供電系統(tǒng)上安裝電能質(zhì)量監(jiān)測器網(wǎng)絡，并且可以匯總其原始測量數(shù)據(jù)以關(guān)聯(lián)并幫助識別干擾源。電能質(zhì)量監(jiān)測器也可以成為嵌入式設備設計的一部分，以實現(xiàn)更緊密的集成和控制。可以捕獲機器的獨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)論可為設計下一代保護算法和產(chǎn)品提供可靠的輸入，以提高電能質(zhì)量。

如果設備已部署在工廠環(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)設施的電能質(zhì)量分析顯示電壓和電流波形嚴重失真。經(jīng)過廣泛的分析，工廠安裝了混合動力功率因數(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，設計高精度電能質(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降低了與分立設計方法和編寫自定義算法相關(guān)的復雜性和成本。

集成的AFE計算并提供電能質(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的世界級電能質(zhì)量監(jiān)控器前端。它吸收了計算中的大部分復雜性，并簡化了實施電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的時間和精力。

圖3.來自電能質(zhì)量監(jiān)測器的信息和報告。

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)信號鏈。

推動更好能源智能的大數(shù)據(jù)分析機會

隨著工業(yè)環(huán)境中的單個設備變得更加互聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)部署加速，來自分布式設備的電能質(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并盡早發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的問題。在網(wǎng)絡中，來自多個節(jié)點的實時數(shù)據(jù)可用于識別和隔離干擾。用于機器診斷、預防性維護和問題負載隔離的數(shù)據(jù)分析是減少過程中斷、延長設備使用壽命和延長正常運行時間的新方法。

總結(jié)

全球能源總需求預計將以每年約5%的速度增長。連接到電網(wǎng)的設備的規(guī)模和復雜性將增加，電能質(zhì)量干擾將成比例增加。現(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)測技術(shù)，工業(yè)設備所有者可以期望看到更少的機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