作者：Swarnab Banerjee，Niranjan Chandrappa

根據電力研究所（EPRI）最近發表的一項研究，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。細微的電能質量事件通常會在不被發現的情況下通過傳統的保護網絡，并隨著時間的推移導致設備退化。此外，許多電能質量干擾的來源是連接到同一網絡的負載，導致干擾通過相鄰的設施和建筑物傳播。為了克服電能質量挑戰，有必要監控負載產生的輸入和干擾。電能質量監測可以為設備提供適當的保護，并有助于確定改善電能質量的適當緩解技術。

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

電能質量是指供應給公用事業客戶的電力的各種變化。它可以涵蓋接線問題、接地問題、開關瞬變、負載變化和諧波產生。在某些情況下，較差的電能質量可能未被發現，但會損壞昂貴的設備。在歐洲，電網運營商提供的電能質量由國家電網規范和歐洲標準（EN 50160）中設置的參考參數定義。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問題，例如過熱、故障和過早老化。非正弦電流還會對網絡設備（如變壓器和饋線電纜）產生熱應力和絕緣應力。電能質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濟損失。本文將從工業設備的角度分析電能質量差的影響，以及如何最大限度地提高機器健康水平。

圖1.a）美國b）歐洲電能質量問題的不同來源。

電能質量干擾從何而來？

圖1a總結了電力研究所對美國24家公用事業公司進行的一項配電電能質量研究。大多數（85%）電能質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量調查的結果，該調查估計歐盟25國的電能質量問題每年造成的經濟損失超過1560億美元（1500億歐元）。在工業環境中，重負載的啟動和停止會導致電壓驟降和驟升，從而使網絡電壓超出標準工作條件。由于大多數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。在當今的商業環境中，許多公司正在考慮或已經安裝本地產生的可再生能源，例如太陽能和風能。在許多情況下，分布式發電源在電氣裝置中引入了對開關模式電源的需求。隨著電力電子和開關電源的日益普及，諧波將成為工業設備中電能質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量，從而影響與供電網絡相關的所有設備，包括變壓器和電纜。當網絡組件過載時，設施管理人員通常可以觀察到大諧波電流的影響。在某些情況下，網絡組件總損耗增加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 以及大型無功網絡的切換。

電能質量標準

為了應對和管理電能質量，必須找到可靠的監測和報告方法。工業界制定的一些關鍵標準是 IEC 61000-4-30 A 類和 S 類、IEC61000-4-7 諧波測量和 IEC61000-4-15 閃爍。大多數公用事業公司已采用這些電能質量標準來制定和執行法規。在某些情況下，如果電能質量標準不符合規定，公用事業公司可能會對客戶進行處罰。行業標準不僅在實際應用中建立了對電能質量的共識，而且還讓用戶相信他們將擁有準確的數據來解決與事件相關的問題和問題。在電網中，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網絡電氣健康狀況的關鍵信息。測量精度是提供可靠和可重復結果的關鍵。

應用電能質量監測來改善電網和機器健康

現代電能質量設備提供的信息將對整體系統性能進行基準測試，協助預防性維護，監控趨勢和狀況，評估網絡性能和對過程設備的敏感性，并提高能量率。可以在供電系統上安裝電能質量監測器網絡，并且可以匯總其原始測量數據以關聯并幫助識別干擾源。電能質量監測器也可以成為嵌入式設備設計的一部分，以實現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。數據分析和診斷結論可為設計下一代保護算法和產品提供可靠的輸入，以提高電能質量。

如果設備已部署在工廠環境中，則電能質量配置文件可用于確定最佳緩解技術。例如，印度一家工業設施的電能質量分析顯示電壓和電流波形嚴重失真。經過廣泛的分析，工廠安裝了混合動力功率因數校正系統。使用新的校正系統，功率因數從–0.5變為+0.9，THD提高了50%。

現代電能質量分析儀

過去，設計高精度電能質量分析儀需要大量的技術技能，并且通常涉及使用分立元件和開發定制的電能質量測量算法。新型電能質量模擬前端（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的復雜性和成本。

集成的AFE計算并提供電能質量參數，如驟降、驟升、均方根、相序誤差和功率因數值。它還從輸入信號中獲取線路頻率諧波成分。ADI公司已經掌握了一款名為ADE9000的世界級電能質量監控器前端。它吸收了計算中的大部分復雜性，并簡化了實施電能質量監控系統的時間和精力。

圖3.來自電能質量監測器的信息和報告。

圖4.ADE9000的功能框圖高度集成的多相能量和電能質量監控IC。

圖5.典型電能質量監控系統信號鏈。

推動更好能源智能的大數據分析機會

隨著工業環境中的單個設備變得更加互聯，物聯網部署加速，來自分布式設備的電能質量信息將以新的方式收集和利用。例如，利益相關者可以分析歷史趨勢并盡早發現新出現的問題。在網絡中，來自多個節點的實時數據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據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

全球能源總需求預計將以每年約5%的速度增長。連接到電網的設備的規模和復雜性將增加，電能質量干擾將成比例增加。現代企業將越來越依賴清潔、可靠且始終在線的電能。通過使用下一代電能質量監測技術，工業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