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)

根據(jù)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(tǒng)保護網(wǎng)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(wǎng)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?shù)谋Ｗo，并且?guī)椭_定合適的管控技術來提高電源質量。

如果利益相關方充分利用這些技術，其昂貴的基礎設施將受益于干凈的電源并獲得更長的使用壽命。

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(xiàn)，但是會損害昂貴的設備。在歐洲，電網(wǎng)運營商提供的電力質量由國家電網(wǎng)規(guī)范和歐洲標準(EN 50160) 中規(guī)定的基準參數(shù)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(wǎng)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(jīng)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)。

電源質量擾動源于何處？

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。據(jù)估計，在 歐 盟25個國家中，電源質量問題造成的經(jīng)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(wǎng)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(jīng)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(wǎng)絡的東西，包括變壓器和電纜。當網(wǎng)絡組件過載時，設備管理者常常可觀測到大諧波電流的影響。某些情況下，網(wǎng)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(wǎng)絡的切換。

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(shù)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(shù)據(jù)來解決相關問題。在電力網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)和機器狀態(tài)

利用現(xiàn)代電源質量器件提供的信息可以標定整體系統(tǒng)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(wǎng)絡性能及其對工藝設備的敏感性，減少電費?？梢栽陔娫聪到y(tǒng)上安裝電源質量監(jiān)控網(wǎng)絡，將其原始測量數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(jīng)過充分分析后，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(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(tǒng)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。

大數(shù)據(jù)分析成為可能，推動實現(xiàn)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(lián)程度越來越高，以及物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)對緊急問題的及早檢測。在一個網(wǎng)絡之內，利用多個節(jié)點的實時數(shù)據(jù)可以識別并隔離擾動。機器診斷的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(xiàn)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。

審核編輯：郭婷