پایش کیفیت برق قسمت ۱: اهمیت اندازه‌گیری کیفیت توان مطابق با استانداردها

این مقاله اهمیت اندازه‌گیری کیفیت توان (PQ) را در زیرساخت‌های الکتریکی امروزی مورد بحث قرار می‌دهد و زمینه‌های کاربردی برای نظارت PQ را بررسی می‌کند. این استاندارد IEC برای کیفیت برق و پارامترهای آن را پوشش می دهد. در نهایت، تفاوت های کلیدی بین کنتورهای کیفیت برق کلاس A و کلاس S را خلاصه می کند. بخش ۲ راه حل های توصیه شده در مورد نحوه طراحی یک متر کیفیت توان مطابق با استانداردها را نشان می دهد.

کیفیت توان (PQ) به دلیل تغییر حالت‌های تولید برق و دینامیک مصرف مورد توجه مجدد قرار گرفته است. رشد بی‌سابقه در منابع تجدیدپذیر در سطوح مختلف ولتاژ، میزان مسائل مربوط به PQ را افزایش داده است. الگوهای مصرف نیز تغییرات گسترده ای را به دلیل بارهای ناهمگام اضافه شده در چندین نقطه ورودی شبکه و سطوح ولتاژ دیده اند.

نیاز به اندازه گیری کیفیت توان در زیرساخت های برق امروزی

برخی از نمونه ها شارژرهای وسایل نقلیه الکتریکی (EV) هستند که می توانند به صدها کیلووات و تعداد زیادی مرکز داده و تجهیزات مرتبط با آنها مانند گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع نیاز داشته باشند. در کاربردهای صنعتی، کوره‌های قوس الکتریکی که توسط درایوهای فرکانس متغیر، ترانسفورماتورهای سوئیچینگ و غیره کار می‌کنند، نه تنها هارمونیک‌های ناخواسته زیادی به شبکه اضافه می‌کنند، بلکه مسئول کاهش ولتاژ، تورم، خاموشی‌های گذرا و سوسو زدن هستند.

کیفیت برق در فضای شهری به کیفیت ولتاژ تحویلی به مصرف کننده اشاره دارد. مجموعه ای از مقررات تجویز شده برای بزرگی، فاز و فرکانس این کیفیت خدمات را تعیین می کند. با این حال، طبق تعریف، هم ولتاژ و هم جریان را نشان می دهد. در حالی که ولتاژ به راحتی توسط طرف تولید کنترل می شود، جریان تا حد زیادی توسط مصرف کننده کنترل می شود. مفهوم و مفاهیم مسائل PQ بسته به کاربران نهایی نسبتاً گسترده است.

تأثیر اقتصادی PQ بد در چند سال اخیر به طور گسترده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. اثرات آن در حدود میلیاردها دلار در سراسر جهان تخمین زده می شود. ^۱ همه این مطالعات به این نتیجه رسیدند که نظارت بر کیفیت قدرت تأثیر مستقیمی بر نتایج اقتصادی بسیاری از بخش‌های تجاری دارد. حتی با وجود اینکه واضح است که PQ بد چقدر بر اقتصاد کسب و کار تأثیر منفی می گذارد، نظارت کارآمد و مؤثر بر آن در مقیاس کار آسانی نیست. نظارت بر PQ در یک مرکز شامل داشتن پرسنل بسیار آموزش دیده و تجهیزات گران قیمت است که در چندین نقطه در امتداد سیستم الکتریکی برای مدت زمان طولانی یا نامحدود نصب شده اند.

برنامه های کاربردی نظارت بر کیفیت برق

نظارت بر کیفیت برق اغلب به عنوان یک استراتژی صرفه جویی در هزینه برای برخی از بخش های تجاری و یک فعالیت حیاتی برای برخی دیگر دیده می شود. همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، مسائل مربوط به کیفیت برق می تواند در طیف گسترده ای از زیرساخت های الکتریکی ایجاد شود. همانطور که بعداً بحث خواهیم کرد، نظارت بر کیفیت برق در بخش های تجاری مانند تولید و توزیع برق، شارژ EV، کارخانه ها و داده ها به طور فزاینده ای حیاتی می شود. مراکز

شرکت های برق، انتقال و توزیع برق

شرکت‌های برق با سیستم‌های توزیعی که شامل ایستگاه‌های تولید می‌شود، به مصرف‌کنندگان خدمات می‌دهند، که پست‌های برقی هستند که برق را از طریق خطوط انتقال تامین می‌کنند. ولتاژ تامین شده از طریق این خطوط انتقال توسط ترانسفورماتورهای پست به سطوح پایین تر کاهش می یابد که هارمونیک ها یا هارمونیک های خاصی را به سیستم تزریق می کنند. جریان های هارمونیک در سیستم های توزیع می تواند باعث اعوجاج هارمونیک، ضریب توان کم و تلفات اضافی و همچنین گرمای بیش از حد در تجهیزات الکتریکی شود ^.، منجر به کاهش طول عمر تجهیزات و افزایش هزینه های خنک کننده می شود. بارهای تک فاز غیرخطی که توسط این ترانسفورماتورهای پست ارائه می شوند، شکل موج جریان را تغییر می دهند. عدم تعادل بارهای غیرخطی منجر به تلفات اضافی در ترانسفورماتورهای قدرت، بارهای خنثی اضافی، عملکرد غیرمنتظره قطع کننده های مدار کم توان و اندازه گیری نادرست برق مصرفی می شود. ^۳ شکل ۳ اثر این بارهای خطی را نشان می دهد.

تولید برق توسط سیستم‌های فتوولتائیک بادی و خورشیدی (PV) تزریق شده به شبکه باعث ایجاد چندین مشکل کیفیت برق نیز می‌شود. در سمت تولید باد، تناوب باد هارمونیک ها و تغییرات ولتاژ کوتاه مدت ایجاد می کند. ^۴ اینورترها در سیستم‌های خورشیدی PV نویز ایجاد می‌کنند که می‌تواند ولتاژهای گذرا، هارمونیک‌های تحریف‌شده و نویز فرکانس رادیویی را به دلیل سوئیچینگ با سرعت بالا که معمولاً برای افزایش کارایی انرژی برداشت‌شده استفاده می‌شود، ایجاد کند.

شارژرهای EV

شارژرهای EV می‌توانند با چالش‌های متعدد کیفیت برق، هم در برق ارسالی به شبکه و هم از شبکه مواجه شوند (شکل ۴ را ببینید). از دیدگاه شرکت توزیع برق، مبدل های مبتنی بر الکترونیک قدرت مورد استفاده در شارژرهای EV، هارمونیک ها و هارمونیک ها را تزریق می کنند. شارژرهایی با مبدل های برق که به درستی طراحی نشده اند می توانند جریان مستقیم (DC) را تزریق کنند. علاوه بر این، شارژرهای سریع EV تغییرات سریع ولتاژ و سوسو زدن ولتاژ را وارد شبکه می‌کنند. از سمت شارژر EV، نقص در سیستم های انتقال یا توزیع منجر به کاهش ولتاژ یا قطع ولتاژ تغذیه به شارژر می شود. کاهش ولتاژ از محدودیت های تحمل شارژر EV منجر به فعال شدن حفاظت در برابر ولتاژ و قطع اتصال از شبکه می شود (که منجر به تجربه کاربری بسیار بدی می شود). ^۵

کارخانه ها

طبق گزارش موسسه تحقیقات برق (EPRI) مشکلات کیفیت برق ناشی از تغییرات منبع تغذیه و اختلالات ولتاژ تقریباً ۱۱۹ میلیارد دلار در سال برای تأسیسات صنعتی در ایالات متحده هزینه دارد. ^۶ علاوه بر این، بر اساس گزارش موسسه مس اروپا، ۲۵ کشور اتحادیه اروپا به دلیل مسائل مختلف PQ سالانه معادل ۱۶۰ میلیارد دلار خسارت مالی متحمل می شوند. ^۷ این ارقام با زیان های ناشی از توقف و تولید و همچنین معادل زیان های بهره وری فکری مرتبط است. ^۸

مراکز داده

در حال حاضر، بیشتر فعالیت‌های تجاری برای ارائه ایمیل، ذخیره‌سازی داده‌ها، خدمات ابری و غیره به یک روش به مراکز داده وابسته است. تعالی نظارت PQ به مدیران کمک می کند تا از قطعی های پرهزینه جلوگیری کنند و به مدیریت تعمیر و نگهداری یا جایگزینی تجهیزات به دلیل مشکلات مربوط به واحدهای منبع تغذیه (PSU) کمک می کند. ادغام سیستم‌های منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) در واحدهای توزیع برق رک (PDUs) دلیل دیگری برای اضافه کردن نظارت PQ به رک‌های IT در مرکز داده است. این ادغام می تواند دید مشکلات برق را در سطح سوکت برق فراهم کند.

بر اساس گزارشی که توسط Emerson Network Power ارائه شده است، خرابی سیستم UPS، از جمله UPS و باتری ها، دلیل اصلی قطعی های برنامه ریزی نشده مرکز داده است. ^۱۰ حدود یک سوم تمام قطعی های گزارش شده برای شرکت ها نزدیک به ۲۵۰۰۰۰ دلار هزینه دارد. ^۱۱سیستم های یو پی اس در هر مرکز داده برای اطمینان از برق تمیز و بدون وقفه استفاده می شود. این سیستم‌ها اکثر مشکلات برق را از سمت ابزار جدا کرده و کاهش می‌دهند، اما در برابر مشکلاتی که توسط PSU خود تجهیزات فناوری اطلاعات ایجاد می‌شود محافظت نمی‌کنند. PSU تجهیزات فناوری اطلاعات بارهای غیرخطی هستند که می توانند اعوجاج هارمونیک را علاوه بر سایر مشکلات ناشی از تجهیزات، مانند مواردی که منجر به سیستم های خنک کننده با چگالی بالا با فن های کنترل شده با فرکانس متغیر می شوند، ایجاد کنند. جدای از این مسائل، PSU ها همچنین با تداخل هایی مواجه می شوند که به اشکال مختلف مانند گذرا و نوسانات ولتاژ، تورم ولتاژ، افت و افزایش ناگهانی ولتاژ، عدم تعادل یا نوسانات، تغییرات فرکانس و اتصال به زمین ضعیف وجود دارد.

استانداردهای کیفیت برق تعریف شده است

استانداردهای کیفیت توان، محدودیت‌های قابل اندازه‌گیری را برای مقادیر الکتریسیته مشخص می‌کنند که تا چه حد می‌توانند از مقدار مشخص شده اسمی انحراف داشته باشند. استانداردهای مختلفی برای اجزای مختلف سیستم برق اعمال می شود. به طور خاص، کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) روش های اندازه گیری و تفسیر نتایج پارامترهای PQ سیستم های قدرت جریان متناوب (AC) را در استاندارد IEC 61000-4-30 تعریف می کند. پارامترهای PQ برای فرکانس های اساسی ۵۰ هرتز و ۶۰ هرتز اعلام شده است. این استاندارد همچنین دو کلاس را برای دستگاه های اندازه گیری ایجاد می کند: کلاس A و کلاس S.

◄ کلاس A بالاترین سطح دقت و دقت را برای اندازه گیری پارامترهای PQ تعریف می کند و برای ابزارهایی استفاده می شود که به اندازه گیری های بسیار دقیق برای مسائل قراردادی و حل اختلاف نیاز دارند. همچنین برای دستگاه هایی که نیاز به تأیید انطباق با استانداردها دارند نیز قابل اجرا است.

◄ کلاس S برای ارزیابی کیفیت توان، کاربردهای تحلیل آماری، و تشخیص مشکلات کیفیت توان با عدم قطعیت کم استفاده می شود. ابزار این کلاس می تواند زیرمجموعه محدودی از پارامترهای تعریف شده توسط استاندارد را گزارش کند. اندازه‌گیری‌های انجام‌شده با ابزارهای کلاس S را می‌توان در چندین سایت در یک شبکه، در مکان‌های کامل یا حتی روی تکه‌های تجهیزات انجام داد.

توجه به این نکته مهم است که استاندارد روش های اندازه گیری را تعریف می کند، راهنمای تفسیر نتایج را ایجاد می کند و عملکرد متر کیفیت توان را مشخص می کند. دستورالعملی در مورد طراحی خود ابزار ارائه نمی دهد.

استاندارد IEC 61000-4-30 پارامترهای PQ زیر را برای دستگاه های اندازه گیری کلاس A و کلاس S تعریف می کند. ^۱۲

فرکانس برق

• بزرگی ولتاژ و جریان تغذیه
• سوسو زدن
• کاهش و افزایش ولتاژ تغذیه
• وقفه های ولتاژ
• عدم تعادل ولتاژ تغذیه
• هارمونیک های ولتاژ و جریان و بین هارمونیک
• تغییر سریع ولتاژ
• انحراف و انحراف بیش از حد
• ولتاژ سیگنال تغذیه شبکه

اگرچه کلاس A سطوح بالاتری از دقت و دقت را نسبت به کلاس S تعریف می‌کند، تفاوت‌ها فراتر از سطح دقت است. ابزارها باید با الزاماتی مانند همگام سازی زمانی، کیفیت پروب ها، دوره کالیبراسیون، محدوده دما و غیره مطابقت داشته باشند.

خلاصه کیفیت توان

مشکلات کیفیت برق در کل زیرساخت برق وجود دارد. داشتن تجهیزاتی که این مسائل PQ را نظارت می کند به بهبود عملکرد، کیفیت خدمات و طول عمر تجهیزات کمک می کند و در عین حال ضررهای اقتصادی را کاهش می دهد. در بخش ۲، «نحوه طراحی یک متر کیفیت توان مطابق با استانداردها»، ما یک راه حل یکپارچه و یک پلت فرم آماده برای استفاده را معرفی می کنیم که می تواند به طور قابل توجهی توسعه را تسریع کند و هزینه های توسعه محصولات نظارت PQ را کاهش دهد.

منابع

۱٫ Panuwat Teansri، Worapong Pairindra، Narongkorn Uthathip Pornrapeepat Bhasaputra، و Woraratana Pattaraprakorn. “هزینه های اختلالات کیفیت برق برای فلزات، ماشین آلات و تجهیزات ساخته شده مرتبط با صنایع در تایلند.” مجله بین المللی GMSARN، جلد. ۶، ۲۰۱۲٫
۲٫ Sai Kiran Kumar Sivakoti، Y. Naveen Kumar و D. Archana. “بهبود کیفیت برق در سیستم توزیع با استفاده از DSstatcom در خطوط انتقال.” مجله بین المللی تحقیقات مهندسی و برنامه های کاربردی (IJERA)، جلد. ۱، شماره ۳٫
۳٫ Gabriel N. Popa، Angela Lagar، and Corina M. Diniş. “برخی مسائل کیفیت برق در پست برق ساختمان های مسکونی و آموزشی.” دهمین سمپوزیوم بین المللی موضوعات پیشرفته در مهندسی برق (ATEE)، IEEE، ۲۰۱۷٫
۴٫ سلیمان ع. المحیمد و ممدوح عبدالاخر. “مسائل کیفیت برق و کاهش برای شبکه های الکتریکی با نفوذ نیروی باد.” علوم کاربردی، دسامبر ۲۰۲۰٫
۵٫ جورج جی. کارادی، شاهین اچ. بریشا، تریسی بلیک و ری هابز. “مشکلات کیفیت برق در ایستگاه شارژ خودروهای الکتریکی.” SAE Transactions، ۱۹۹۴٫
۶٫ دیوید لاینه‌بر و شاون مک‌نالتی. “هزینه اختلالات برق برای شرکت های صنعت و اقتصاد دیجیتال.” مؤسسه تحقیقاتی انرژی الکتریکی، شرکت، ژوئن ۲۰۰۱٫
۷٫ رومن تارگوس و جاناتان منسون. “بررسی کیفیت برق پان-اروپایی.” نهمین کنفرانس بین المللی کیفیت و استفاده از توان الکتریکی، IEEE، ۲۰۰۷٫
۸٫ Subrat Sahoo. “روندها و پیشرفت های اخیر در کیفیت برق.” کیفیت برق در سیستم های قدرت مدرن، ۲۰۲۰٫
۹٫ ال مفتی و ک. یوسف. “مشکلات کیفیت برق صنعتی.” شانزدهمین کنفرانس و نمایشگاه بین المللی توزیع برق، ۲۰۰۱٫ بخش ۱: مشارکت. CIRED (IEE Conf. Publ No. 482)، IEEE، ژوئن ۲۰۰۱٫
۱۰٫ هزینه قطع شدن مرکز داده.” مؤسسه پونمون، ژانویه ۲۰۱۶٫
۱۱٫ قطع شدن مرکز داده رایج، پرهزینه و قابل پیشگیری است. موسسه Uptime.
۱۲٫ IEC 61000-4-30:2015: سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)-بخش ۴-۳۰: تست و تکنیک های اندازه گیری-روش های اندازه گیری کیفیت توان. کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی، فوریه ۲۰۱۵٫

این مقاله ابتدا در مجله Bodo’s Power Systems [PDF] منتشر شد

---

نویسنده: خوزه مندیا دارای مدرک لیسانس است. در مهندسی الکترونیک و علوم کامپیوتر و در سال ۲۰۱۶ به گروه سیستم های انرژی و صنعتی در دستگاه های آنالوگ پیوست. در حال حاضر، او یک مهندس ارشد در برنامه های کاربردی محصول در مرکز طراحی ادینبورگ انگلستان است.

---

آدرس منبع: https://eepower.com/technical-articles/power-quality-monitoring-part-1-the-importance-of-standards-compliant-power-quality-measurements/