下一代电能质量监测技术-帮助工业设备保持健康

作者：Swarnab Banerjee，Niranjan Chandrappa

根据电力研究所（EPRI）最近发表的一项研究，由于电力问题，包括电源变化和电压干扰，美国的大型工业设施每年损失超过1000亿美元。当家里的灯光闪烁时，这是一种烦恼。但是，当工厂的电源受到干扰时，可能会导致昂贵设备的故障和早期故障。细微的电能质量事件通常会在不被发现的情况下通过传统的保护网络，并随着时间的推移导致设备退化。此外，许多电能质量干扰的来源是连接到同一网络的负载，导致干扰通过相邻的设施和建筑物传播。为了克服电能质量挑战，有必要监控负载产生的输入和干扰。电能质量监测可以为设备提供适当的保护，并有助于确定改善电能质量的适当缓解技术。

如果利益相关者充分利用这项技术，他们昂贵的基础设施将受益于清洁能源和延长的使用寿命。

电能质量是指供应给公用事业客户的电力的各种变化。它可以涵盖接线问题、接地问题、开关瞬变、负载变化和谐波产生。在某些情况下，较差的电能质量可能未被发现，但会损坏昂贵的设备。在欧洲，电网运营商提供的电能质量由国家电网规范和欧洲标准（EN 50160）中设置的参考参数定义。当电源电压失真时，器件会吸收非正弦电流，并可能导致许多技术问题，例如过热、故障和过早老化。非正弦电流还会对网络设备（如变压器和馈线电缆）产生热应力和绝缘应力。电能质量差最终会导致设备停机、维护活动增加和使用寿命缩短造成的经济损失。本文将从工业设备的角度分析电能质量差的影响，以及如何最大限度地提高机器健康水平。

图1.a）美国b）欧洲电能质量问题的不同来源。

电能质量干扰从何而来？

图1a总结了电力研究所对美国24家公用事业公司进行的一项配电电能质量研究。大多数（85%）电能质量事故源于电压骤降或骤升、谐波和接线以及接地问题。图1b显示了另一项欧洲电能质量调查的结果，该调查估计欧盟25国的电能质量问题每年造成的经济损失超过1560亿美元（1500亿欧元）。在工业环境中，重负载的启动和停止会导致电压骤降和骤升，从而使网络电压超出标准工作条件。由于大多数设备设计为在特定运行条件下运行，因此长时间的电压骤降和骤升会导致停机和过程中断。在当今的商业环境中，许多公司正在考虑或已经安装本地产生的可再生能源，例如太阳能和风能。在许多情况下，分布式发电源在电气装置中引入了对开关模式电源的需求。随着电力电子和开关电源的日益普及，谐波将成为工业设备中电能质量问题的一个更常见的来源。这些类型的电源会在电线上注入谐波并降低电能质量，从而影响与供电网络相关的所有设备，包括变压器和电缆。当网络组件过载时，设施管理人员通常可以观察到大谐波电流的影响。在某些情况下，网络组件总损耗增加0.1%至0.5%会导致保护设备跳闸。其他一些可能导致电能质量差的情况包括相位差分负载、不正确的接线和接地方案、负载相互作用、EMI/EMC 以及大型无功网络的切换。

电能质量标准

为了应对和管理电能质量，必须找到可靠的监测和报告方法。工业界制定的一些关键标准是 IEC 61000-4-30 A 类和 S 类、IEC61000-4-7 谐波测量和 IEC61000-4-15 闪烁。大多数公用事业公司已采用这些电能质量标准来制定和执行法规。在某些情况下，如果电能质量标准不符合规定，公用事业公司可能会对客户进行处罚。行业标准不仅在实际应用中建立了对电能质量的共识，而且还让用户相信他们将拥有准确的数据来解决与事件相关的问题和问题。在电网中，电压骤降、骤升、闪烁、标称额定值变化以及谐波引起的失真都包含有关网络电气健康状况的关键信息。测量精度是提供可靠和可重复结果的关键。

应用电能质量监测来改善电网和机器健康

现代电能质量设备提供的信息将对整体系统性能进行基准测试，协助预防性维护，监控趋势和状况，评估网络性能和对过程设备的敏感性，并提高能量率。可以在供电系统上安装电能质量监测器网络，并且可以汇总其原始测量数据以关联并帮助识别干扰源。电能质量监测器也可以成为嵌入式设备设计的一部分，以实现更紧密的集成和控制。可以捕获机器的独特电气特征以了解整体健康状况。数据分析和诊断结论可为设计下一代保护算法和产品提供可靠的输入，以提高电能质量。

如果设备已部署在工厂环境中，则电能质量配置文件可用于确定最佳缓解技术。例如，印度一家工业设施的电能质量分析显示电压和电流波形严重失真。经过广泛的分析，工厂安装了混合动力功率因数校正系统。使用新的校正系统，功率因数从–0.5变为+0.9，THD提高了50%。

现代电能质量分析仪

过去，设计高精度电能质量分析仪需要大量的技术技能，并且通常涉及使用分立元件和开发定制的电能质量测量算法。新型电能质量模拟前端（AFE）集成了具有低漂移总增益的高性能ADC和DSP内核。这种集成的AFE降低了与分立设计方法和编写自定义算法相关的复杂性和成本。

集成的AFE计算并提供电能质量参数，如骤降、骤升、均方根、相序误差和功率因数值。它还从输入信号中获取线路频率谐波成分。ADI公司已经掌握了一款名为ADE9000的世界级电能质量监控器前端。它吸收了计算中的大部分复杂性，并简化了实施电能质量监控系统的时间和精力。

图3.来自电能质量监测器的信息和报告。

图4.ADE9000的功能框图高度集成的多相能量和电能质量监控IC。

图5.典型电能质量监控系统信号链。

推动更好能源智能的大数据分析机会

随着工业环境中的单个设备变得更加互联，物联网部署加速，来自分布式设备的电能质量信息将以新的方式收集和利用。例如，利益相关者可以分析历史趋势并尽早发现新出现的问题。在网络中，来自多个节点的实时数据可用于识别和隔离干扰。用于机器诊断、预防性维护和问题负载隔离的数据分析是减少过程中断、延长设备使用寿命和延长正常运行时间的新方法。

总结

全球能源总需求预计将以每年约5%的速度增长。连接到电网的设备的规模和复杂性将增加，电能质量干扰将成比例增加。现代企业将越来越依赖清洁、可靠且始终在线的电能。通过使用下一代电能质量监测技术，工业设备所有者可以期望看到更少的机器过早故障或磨损的情况，并从清洁电力中受益。

审核编辑：郭婷