استانداردهای بین‌المللی سیستم‌های اندازه‌گیری کیفیت توان

مقدمه

طی ده سال گذشته، توجه به کیفیت توان (Power Quality یا PQ) رشدی چشمگیر داشته است. علاقه و نیاز به تضمین کیفیت برق، ریشه در دلایل بنیادین گوناگونی دارد. نخست آنکه برق خود نوعی محصول به‌شمار می‌رود و تضمین کیفیت آن، برای هم فروشنده و هم خریدار انگیزه‌های اقتصادی روشنی ایجاد می‌کند. دوم اینکه پایش مستمر کیفیت برق در شبکه‌های توزیع یا انتقال، می‌تواند صرفه‌جویی‌های کلان به بار آورد؛ زیرا تحلیل اندازه‌گیری‌ها راه را برای نگهداری یا ارتقای بهینه تجهیزات، آن هم با صرف هزینه‌ای معقول، باز می‌کند.

دلیل سومِ روآوردن به کیفیت توان را باید در آزادسازی بازار برق جست‌وجو کرد؛ فرایندی که اینک در سراسر جهان در جریان است. همین موضوع سبب شده مشتریان نسبت به مسائل کیفیت توان آگاه‌تر شوند و امروز از تأمین‌کنندگان برق، عملکردی بهتر مطالبه کنند.

به‌عنوان نمونه، در کشورهای آمریکای جنوبی نظیر آرژانتین، شیلی و پرو، قانون‌گذار شرکت‌های توزیع را موظف کرده سطح مناسبی از کیفیت توان را تحویل دهند؛ وگرنه اگر کیفیت از محدوده تعیین‌شده خارج شود، جریمه خواهند شد [۱]. در اروپا نیز شرکت Electricité de France (EdF) قراردادهای برق سفارشی ارائه می‌دهد که کیفیت تأمین در آن مشخص است و در صورت عملکرد خارج از تضمین، جریمه‌ای پرداخت می‌شود. از سوی دیگر، مقام تنظیم‌گر کل ایالت ویکتوریا در استرالیا به‌تازگی قانون‌گذاری‌ای معرفی کرده که غرامت خسارت ناشی از تغییرات ولتاژ خارج از محدوده تعیین‌شده را پیش‌بینی می‌کند.

به‌بیان کوتاه، تقاضایی بنیادین برای اندازه‌گیری کیفیت توان و سنجش آن با مقادیر مرجع وجود دارد. این امر ایجاب می‌کند که ابزارهای گوناگون، نتایج اندازه‌گیری هم‌سنگ و قابل‌مقایسه‌ای تولید کنند؛ هرچند متأسفانه در حال حاضر همواره چنین نیست.

نیاز روزافزون به اندازه‌گیری کیفیت توان، ضرورت تدوین استانداردهایی را پدید آورده که روش‌های اندازه‌گیری و چگونگی محاسبه و تفسیر پارامترهای مختلف کیفیت توان را توصیف کنند. استانداردهای IEC از پیش موجودند که نحوه محاسبه و ارائه هارمونیک‌ها (IEC ۶۱۰۰۰-۴-۷) و فلیکر یا لرزش نوری (IEC ۶۱۰۰۰-۴-۱۵) را بیان می‌کنند. با این همه، هنوز استاندارد جامعی که تکنیک‌های اندازه‌گیری و محاسبات دیگر پارامترهای کیفیت توان را پوشش دهد در دسترس نیست. این خلأ، کمیسیون الکتروتکنیک بین‌المللی (IEC) را بر آن داشت تا استاندارد recent یعنی IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ (روش‌های اندازه‌گیری و تست – روش‌های اندازه‌گیری کیفیت توان) را تدوین کند.

استاندارد در حال انتشار IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ شرح می‌دهد که چگونه باید تعدادی از پارامترهای کیفیت توان محاسبه شوند. فراتر از آن، این استاندارد بر پایه نحوه محاسبات، دو کلاس متفاوت را تعریف می‌کند. سازندگان دستگاه‌های کیفیت توان می‌توانند ابزارهایی در کلاس الزامی (Normative یا class A) یا کلاس نشانه‌ای (Indicative یا class B) توسعه دهند. این استاندارد سندی کلیدی خواهد بود؛ هم بدین‌سان آگاهی می‌بخشد که اندازه‌گیری‌های کیفیت توان با توجه به اهداف متفاوت، عملکردهای متفاوتی از ابزارها طلب می‌کنند و هم دستیابی به اندازه‌گیری‌های قابل‌مقایسه از محصولات گوناگون را ترویج خواهد کرد.

هدف این نوشتار، ارائه توصیفی کوتاه از مسائل کیفیت توان — از جمله کاربرد سیستم‌های پایش ثابت — و تبیین استاندارد تازه IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ و مزایای آن برای سازندگان و کاربران آنالایزرهای کیفیت توان است.

نمای کلی کیفیت توان

تحلیل کیفیت توان مفهومی آشناست که برای ارزیابی کیفیت انرژی الکتریکی تحویل‌داده‌شده به مشتری به کار می‌رود. راه ساده‌شده برای تعریف این مفهوم در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل ۱. مفهوم کیفیت توان [۲].

شبکه یا شبکه برق باید چنان طراحی شود که تأمین‌کننده همواره قادر به تضمین کیفیت ولتاژ معینی باشد. وقتی بارها متصل می‌شوند، کیفیت توان بیشتر یا کمتر تحت تأثیر قرار می‌گیرد؛ بسته به نحوه طراحی شبکه الکتریکی و پروفایل جریان بارها. از این منظر، پارامترهای پایه‌ای از کیفیت توان شناسایی شده‌اند که می‌توان آن‌ها را اندازه گرفت و با مقادیر مرجع سنجید. مقادیر مرجع می‌توانند مطلق یا آماری باشند و یا از استانداردها برآیند یا در قراردادی دوجانبه میان تولیدکننده شبکه و مشتری توافق شوند.

برای نمونه، یکی از هنجارهای شناخته‌شده اروپایی، استاندارد EN ۵۰ ۱۶۰ با عنوان «مشخصات ولتاژ برق تأمین‌شده توسط سیستم‌های توزیع عمومی» [۳] است. در این استاندارد، پارامترهای ثبت و مقایسه‌شده عبارتند از: بزرگی ولتاژ، فرکانس، اعوجاج هارمونیکی، عدم تعادل ولتاژ، فلیکر و ولتاژهای سیگنالینگ. استاندارد EN ۵۰ ۱۶۰ هیچ مشخصه ولتاژی برای رخدادهایی چون افت ولتاژ (voltage dips)، برآمدگی ولتاژ (swells) و گذراها (transients) ارائه نمی‌دهد؛ با این حال، برای کمال، فهرستی از رخدادهای مختلف همراه با مقادیر نشانه‌ای ذکر شده است. توجه داشته باشید که EN ۵۰۱۶۰ بیشتر توصیفی از وضعیت موجود است تا الزامی برای کیفیت ولتاژ. اصطلاح «مشخصه ولتاژ» به سطحی اشاره دارد که توسط ۱۰۰٪ مشتریان در ۵۰٪ زمان تجاوز نمی‌شود؛ پس روشن است که اکثر نقاط کیفیت ولتاژی «بهتر از استاندارد» دارند. سنجش در برابر استاندارد تنها زمانی سودمند است که این نکته را در نظر بگیریم.

دسته‌بندی اندازه‌گیری‌های کیفیت توان

اندازه‌گیری‌ها در شبکه برق را می‌توان به دسته‌های گوناگونی بخش‌بندی کرد. رایج‌ترین آن‌ها از این قرارند: تحلیل بار (اندازه‌گیری توان و انرژی)، اندازه‌گیری برای تشخیص اغتشاشات، اندازه‌گیری‌های آماری درباره شبکه برق، اندازه‌گیری طبق استانداردها (مانند EN ۵۰۱۶۰) و اندازه‌گیری برای طراحی اجزایی نظیر ترانسفورماتورها، فیلترهای بانک خازنی و غیره. هر دسته از اندازه‌گیری‌ها، ابزارهای متفاوتی می‌طلبد.

هم‌پای نیازهای روزافزون به اندازه‌گیری کیفیت توان، نیاز به استانداردسازی نیز رو به رشد است. استاندارد آتی IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ معیار جدیدی برای اندازه‌گیری‌های کیفیت توان تعیین خواهد کرد و برای کاربران و سازندگان ابزارهای کیفیت توان اهمیتی دوچندان خواهد داشت.

طبقه‌بندی پارامترهای کیفیت توان

طبقه‌بندی تجهیزات اندازه‌گیری بر اساس IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰

برای کاربر معمولی، مقایسه ابزارهای اندازه‌گیری اغلب چالش‌برانگیز است. آیا دستگاه نتایجی تولید می‌کند که قابل‌اعتماد و با برندهای دیگر قابل‌مقایسه باشد؟ تفکر رایج این است که «هرچه فیش فنی طولانی‌تر، بهتر»؛ اما متأسفاً این رویکرد ارتباط چندانی با نیازهای واقعی مشتری ندارد. در اینجا، استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ راهکاری ارائه می‌دهد: پارامترهای کیفیت توان را به دو کلاس A (Normative؛ الزامی) و کلاس B (Indicative؛ نشانه‌ای) تقسیم می‌کند.

تجهیزات کلاس B (نشانه‌ای)

ابزارهای کلاس B به‌طور خاص برای تحلیل بار (demand analysis) و جستجوی ساده خطاها بکار می‌روند. این دستگاه‌ها می‌توانند تک‌فاز یا سه‌فاز باشند، با دقت محدود در حد مثلاً ±۱٪ در هر کانال. علاوه بر این، پایش‌گر شبکه توان نشانه‌ای تنها تا حدی — و گاهی اصلاً — بر اساس استانداردهای تعیین‌شده اندازه‌گیری انجام می‌دهد. با این حال، سازنده تجهیز کلاس B موظف است روش‌های اندازه‌گیری مورد استفاده را تعریف کند.

تجهیزات کلاس A (الزامی)

ابزارهایی که پارامترهای کیفیت توان را به‌صورت کلاس A اندازه‌گیری کنند، به‌عنوان دقیق‌ترین دستگاه‌ها در تمام محیط‌ها و شرایط شناخته می‌شوند. دستگاه الزامی (normative instrument) می‌تواند هم‌ان اندازه‌گیری‌های دستگاه نشانه‌ای را انجام دهد، اما به‌ویژه برای اجرای اندازه‌گیری‌های الزامی مطابق با استانداردهای بین‌المللی یا محلی، یا قراردادها طراحی شده است.

اندازه‌گیری‌های کلاس A در موارد زیر الزامی هستند:

• هنگام تأیید و بررسی انطباق با استانداردها
• هنگام بروز اختلاف بین مشتری و تأمین‌کننده
• وقتی نتایج باید با اندازه‌گیری‌های دستگاه‌های دیگر مقایسه شوند

مفهوم این تقسیم‌بندی ساده است: دو دستگاه متفاوت کلاس A، در محدوده دقت استاندارد، نتایج یکسانی می‌دهند. در مقابل، دستگاه‌های کلاس B تنها نتایج نشانه‌ای ارائه می‌کنند که وابسته به روش محاسبه پارامترهاست؛ بنابراین اندازه‌گیری در یک نقطه مشترک با دو دستگاه کلاس B می‌تواند نتایج متفاوتی بدهد. ابزارهای کلاس B برای تحلیل بار و برخی اندازه‌گیری‌های ساده ردیابی اغتشاش مناسب‌اند، اما تنها برای کاربردهایی که دقت مطلق نمی‌طلبند. از این رو، یک دستگاه کلاس A همیشه می‌تواند جایگزین کلاس B شود، اما برعکس ممکن نیست.

V. تغییر در نیازمندی‌های اندازه‌گیری کیفیت توان

اگر انرژی الکتریکی را یک محصول بدانیم، بایستی کیفیت آن تضمین شود. سنتاً این تضمین از طریق اندازه‌گیری‌های کوتاه‌مدت و موردی در نقاط پراکنده شبکه با ثبت‌کننده‌های قابل‌حمل انجام می‌شد. برخی از این دستگاه‌ها حجم عظیمی داده کاغذی تولید می‌کردند که ذخیره و تحلیل‌شان دشوار بود. کاربرد الکترونیک مدرن در اکتساب داده‌های پرسرعت، پردازش سیگنال، ذخیره‌سازی و تحلیل، رویکردی جامع‌تر و کاربرپسندتر را ممکن ساخت — روندی نوظهور که در حال شکل‌گیری است.

استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ شامل رهنمودهایی برای کاربردهای قراردادی اندازه‌گیری کیفیت توان است. اگرچه بیشتر پارامترها در یک هفته پایش قابل ارزیابی‌اند — به شرطی که شرایط غیرعادی مانند آب‌وهوای شدید، اعتصابات صنعتی یا تداخل اشخاص ثالث رخ ندهد — اما افت‌ها و برآمدگی‌های ولتاژ (voltage sags and swells) باید در بازه بسیار طولانی‌تری، پیشنهاداً یک سال، ارزیابی شوند. این امر منطقی است، چرا که افت‌های ولتاژ عموماً ناشی از خطاهای شبکه یا نصب‌های مشتری‌اند؛ پدیده‌هایی غیرقابل‌پیش‌بینی و عمدتاً تصادفی که توزیع سالانه‌شان می‌تواند بسیار نامنظم باشد. پیامد این موضوع برای پایش کیفیت توان عمیق است.

بررسی موقت با تحلیل‌گر قابل‌حمل برای نظارت بر تعهدات قراردادی ناکافی است و تجهیزات دائمی پایش الزامی می‌شود؛ به‌ویژه از آنجا که افت‌های ولتاژ یکی از پرشکایت‌ترین پدیده‌ها محسوب می‌شوند.

مثال‌های زیر نشان می‌دهند که سیستم‌های پایش دائمی چگونه با موفقیت برای حل مسائل کیفیت توان به‌کار گرفته شده‌اند.

A. پایش کیفیت توان در نیروگاه‌های بادی در ایرلند

تعداد نیروگاه‌های بادی در ایرلند به دلیل تناسب محیط‌زیست با این نوع تولید، به‌سرعت در حال افزایش است. در بخش جنوبی ایرلند، نزدیکی شهر کورک، توربین‌های بادی بزرگی در سراسر حومه دیده می‌شوند. اما 알려진 است که نیروگاه‌های بادی می‌توانند مشکلات کیفیت توان، به‌ویژه فلیکر (flicker یا پرش نور) را ایجاد کنند. برای پیشگیری از این مسائل، ESB (هیئت تأمین برق ایرلند)، یکی از تأمین‌کنندگان اصلی برق، تصمیم گرفت تجهیزات پایش دائمی کیفیت توان را در پست‌های فوق‌توزیع متصل به نیروگاه‌ها نصب کند. نخستین گروه شامل هجده پایش‌گر اکنون در حال کار است و نصب‌های بیشتری برنامه‌ریزی شده. نه‌تنها فلیکر، بلکه سایر پارامترهای مهم مانند افت‌ها، برآمدگی‌ها و گذراها (transients) به‌صورت پیوسته پایش می‌شوند و داده‌ها به‌صورت منظم از طریق مودم معمولی یا GSM برای ارزیابی و نمایش به رایانه مرکزی منتقل می‌گردند.

B. همکاری بین توزیع‌کننده محلی و صنایع در زمینه پایش کیفیت توان

شهر لینکوپینگ در سوئد با حدود ۱۵۰٬۰۰۰ نفر جمعیت، به خاطر دانشگاه و کارخانه‌های صنعتی بزرگ شهرت دارد. شرکت برق (utility) لینکوپینگ از نخستین شرکت‌هایی بود که سیستم پایش دائمی کیفیت توان را راه‌اندازی کرد. آغاز کار با مسئله کیفیت در بیمارستان دانشگاه لینکوپینگ بود. از آنجا که بیمارستان تجهیزات حساس و حیاتی فراوانی دارد، نگران کیفیت تغذیه برق خود بود. با همکاری شرکت برق، تجهیزات پایش دائمی در پست فوق‌توزیع تغذیه‌کننده بیمارستان نصب شد. امروزه، توان الکتریکی تأمین‌شده برای بیمارستان به‌صورت کامل از نظر کیفی تضمین شده است.

علاوه بر این، کارخانه‌های صنعتی بزرگ نیز دغدغه کیفیت توان داشتند. یک کارخانه تولید گوشی موبایل و یک کارخانه هوافضا پایش‌گرهای دائمی خود را نصب کرده‌اند و ارزیابی اندازه‌گیری‌ها را به‌صورت قراردادی (consultant basis) به شرکت برق محلی برون‌سپاری کرده‌اند. این همکاری روابط میان شرکت برق و مشتری را به‌شکل چشمگیری تقویت کرده است.

موفقیت پروژه‌ها و گسترش نظارت بر کیفیت توان

پروژه‌های یادشده به همراه دیگر طرح‌ها، به ترکیبی هوشمندانه از مانیتورهای ثابت کیفیت توان و آنالیزورهای قابل حمل شبکه انجامید. مانیتورهای دائمی، به شکلی پیوسته و بی‌وقفه، کیفیت توان را در نقاط راهبردی شبکه ثبت می‌کنند؛ از جمله در محل‌های تأمین انبوه مانند ایستگاه‌های ترمینال انتقال و زیرایستگاه‌های منطقه‌ای، و نیز سایر نقاط اتصال حساس به مشتریان کلیدی. برای نمونه، شکل ۲ را ببینید.

شکل ۲. مانیتور معمولی ثابت PQ Normative با مودم GSM

داده‌های حاصل از اندازه‌گیری‌ها سپس به‌طور خودکار، از طریق شبکه LAN یا مودم، راهی یک پایگاه داده می‌شوند. در آنجا این داده‌ها بر پایه استانداردها و هنجارهای ارجاع ارزیابی می‌شوند و تنها انحراف‌ها به شکل استثنا گزارش می‌گردند.

در عین حال، آنالیزورهای قابل حمل همچنان برای سنجش‌های موردی در جاهایی به کار می‌روند که مانیتور ثابتی نصب نشده است. این دستگاه‌ها حالا به امکانات ارتباطی مجهزند و اندازه‌گیری‌هایشان در همان پایگاه داده یکپارچه می‌شود. کنترل کیفیت توان اکنون دارد به بخشی کلیدی و راهبردی از برنامه تضمین کیفیتِ تأمین‌کنندگان برق بدل می‌شود. از دل این تحول، فرصت‌های کسب‌وکار تازه‌ای زاده می‌شود که بر پایه تضمین سطح مشخصی از کیفیت توان بنا شده‌اند؛ از جمله امکان ارائه کیفیتی متناسب با نیاز خاص هر مشتری و دریافت هزینه‌ای متناسب با آن. چنین رویکردی نخست در ایالات متحده آغاز شد و حالا در بازار اروپا نیز نگاه‌ها را به خود جلب کرده است.

بخش VI: استاندارد آینده IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰

حال که پیامدهای عملی استاندارد را بررسی کردیم، نگاهی کوتاه به استاندارد در راه IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ می‌اندازیم. برای تشریح دقیق‌تر، به سند اصلی [۴] رجوع کنید.

«روش‌های اندازه‌گیری برای هر یک از پارامترهای مربوطه، چنان توصیف شده‌اند که بتوان نتایجی قابل اعتماد، تکرارپذیر و قابل مقایسه به دست آورد؛ خواه با چه ابزار مطابقی اندازه‌گیری صورت گیرد و خواه شرایط محیطی چگونه باشد. این استاندارد به ابزارها و روش‌های سنجش در محل می‌پردازد و بر هر دو گونه دستگاهِ قابل حمل و ثابت اعمال می‌شود.» (IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰؛ ۱. دامنه؛ ص. ۹.)

پارامترهای کیفیت توان که در این استاندارد توصیف می‌شوند، شامل موارد زیر است: فرکانس توان، بزرگی ولتاژ تغذیه، فلیکر، ساگ‌ها و سوئل‌های ولتاژ تغذیه، وقفه‌های ولتاژ، فرولتاژهای گذرا، نامتوازنی ولتاژ تغذیه، هارمونیک‌های ولتاژ و جریان، بین‌هارمونیک‌های ولتاژ، سیگنال‌سازی شبکه روی ولتاژ تغذیه و تغییرات سریع ولتاژ.

الف) کلاس A و کلاس B

استاندارد، شیوه محاسبه پارامترهای کیفیت توان در سطح کلاس A را تشریح می‌کند. در مورد ابزارهای کلاس B اما محدودیتی بر چگونگی محاسبه پارامترها نیست؛ با این حال سازنده موظف است روش‌های اندازه‌گیری به‌کاررفته را اعلام کند.

در بخش‌های پیشِ‌رو، نگاهی به استانداردهای ابزارسازی کلاس A می‌اندازیم. از آن‌جا که خوانایی متن را آسان‌تر می‌کند، تنها فرکانس ۵۰ هرتز را در نظر می‌گیریم؛ هرچند بحث‌های زیر برای سیستم ۶۰ هرتزی نیز کاملاً معتبرند.

ب) زمان‌های یکپارچه‌سازی

در کلاس A، پنجره زمان یکپارچه‌سازی در هنگام ثبت باید برابر با ۱۰ سیکل در سیستم ۵۰ هرتزی باشد. بر پایه همین پنجره، سه بازه اندازه‌گیری تعریف شده است: ۱۵۰ سیکل، ۱۰ دقیقه و ۲ ساعت. مقدار RMS ۱۵۰ سیکلی خود از ریشه متوسط مربعاتِ پانزده مقدار RMS ۱۰ سیکلی به دست می‌آید. پنجره‌ها باید پیوسته و غیرهم‌پوشان باشند تا اثباتِ صحت مقدار RMS ۱۵۰ سیکلی ساده شود. رسیدن از ۱۵۰ سیکل به ۱۰ دقیقه اما اندکی پیچیده‌تر است، چون فرکانس واقعی شبکه نوسان دارد. وقتی فرکانس دقیقاً ۵۰ هرتز باشد، ۲۰۰ بازه در ۱۰ دقیقه جا می‌شود؛ اما برای فرکانس ۴۹.۵ هرتز، ۱۵۰ سیکل می‌شود ۳.۰۳ ثانیه و در بازه ۱۰ دقیقه‌ای فقط ۱۹۸ تا از آن‌ها می‌گنجد. در بیشتر حالت‌ها تعداد بازه‌ها عددی صحیح نیست و بازه پایانی در محاسبه کنار گذاشته می‌شود. با وجود این داده‌های دور ریخته‌شده، همچنان می‌توان URMS(۱۰-min) را بی‌دردسر ولتاژ RMS در بازه ۱۰ دقیقه‌ای تلقی کرد.

هر بازه ۱۰ دقیقه‌ای باید در آغاز یک ساعت مطلقِ ۱۰ دقیقه‌ای، با حاشیه ± ۲۰ میلی‌ثانیه شروع شود. این بازه‌ها هنگام محاسبه بزرگی ولتاژ، هارمونیک‌ها، بین‌هارمونیک‌ها و نامتوازنی ولتاژ به کار می‌روند.

برای اندازه‌گیری فرکانس اما از بازه ۱۰ ثانیه‌ای استفاده می‌شود و تجمیعی در کار نیست.

ج) مفهوم پرچم‌گذاری

ایده «پرچم‌گذاری» از آن است که یک رویداد واحد، مثلاً یک ساگ، همزمان به نام ساگ و هم به نام تغییر فرکانس شمرده نشود. هرگاه رویدادی چون ساگ ولتاژ، سوئل یا وقفه کوتاه رخ دهد، ابزار باید فقط همان رویداد را ثبت کند و پارامترهای دیگر را ثبت ننماید. در عوض، بازه مربوطه پرچم می‌خورد؛ یعنی علامت‌گذاری می‌شود تا نشان دهد رویداد خاصی رخ داده و داده اندازه‌گیری دیگری نداریم. اگر پرچمی روی پنجره ۱۰ سیکلی تنظیم شود، بازه‌های ۱۵۰ سیکلی، ۱۰ دقیقه‌ای و ۲ ساعته متناظر نیز پرچم‌گذاری خواهند شد.

د) فرکانس

در ابزار کلاس A، فرکانس باید هر ۱۰ ثانیه یک‌بار محاسبه شود. برای این کار، تعداد تقاطع‌های صفر ولتاژ در طول ۱۰ ثانیه شمرده می‌شود. دقت در کلاس A باید برابر یا بهتر از ± ۱۰ میلی‌هرتز باشد، در حالی که برای کلاس B حد آن ±۱۰۰ میلی‌هرتز است.

فرکانس را می‌توان با اندازه‌گیری زمان میان نخستین و آخرین تقاطع صفر ولتاژ در بازه ۱۰ ثانیه‌ای به دست آورد. اگر N شمار تقاطع‌های صفر در بازه و T زمان سپری‌شده باشد، فرکانس از رابطه زیر حاصل می‌شود:

با فرض صحیح بودن N، برای رسیدن به دقت ۱۰ میلی‌هرتز (۲×۱۰⁻⁴ از ۵۰ هرتز) باید زمان را با دقت ۲×۱۰⁻⁴ اندازه گرفت: یعنی ۲ میلی‌ثانیه در کل ۱۰ ثانیه.

ه) مقدار RMS ولتاژ

محاسبات مربوط به ولتاژ

در دستگاه‌های کلاس A، مقدار مؤثر (RMS) ولتاژ را برای هر بازه ۱۰ سیکل حساب می‌کنند. با تکیه بر همین روش، محاسبه مقادیر مربوط به بازه‌های ۱۵۰ سیکل، ۱۰ دقیقه و ۲ ساعت نیز امکان‌پذیر است. همان‌گونه که در بخش VIB دیدیم، این اعداد را می‌توان به عنوان ولتاژ مؤثر در بازه‌های ۱۰ سیکل، ۱۵۰ سیکل، ۱۰ دقیقه و ۲ ساعت در نظر گرفت. از نظر دقت، کلاس A باید حداکثر خطایی برابر با ±۰/۱۰٪ ولتاژ نامی یا بهتر از آن داشته باشد، در حالی که برای کلاس B این مقدار ±۱/۰٪ تعیین شده است.

F. فلیکر (Flicker)

در دستگاه‌های کلاس A، محاسبات فلیکر باید دقیقاً طبق محدودیت‌های استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۱۵ (تجهیز فلیکرمتر – مشخصات عملکردی و طراحی) [۵] صورت بگیرد.

G. افت و برآمدگی ولتاژ (Voltage dips و swells)

ثبت حوادث افت (sag) و برآمدگی (swell) ولتاژ لازم است بر پایه مقادیر مؤثر یک سیکل انجام شود؛ مقادیری که در دستگاه‌های کلاس A هر ½ سیکل به‌روز می‌شوند. به محض اینکه مقدار مؤثر از سطح تریگرِ از پیش تعیین‌شده فراتر برود یا از آن کمتر گردد، دستگاه باید ضبط را شروع کند و تا زمان بازگشت مقادیر مؤثر به حالت نرمال ادامه دهد. لحظه آغازین، «شروع رخداد» و لحظه دوم، «پایان رخداد» خوانده می‌شود. فاصله میان شروع و پایان نیز «مدت زمان رخداد» نام می‌گیرد. کمترین مقدار مؤثر در یک افت ولتاژ، با عنوان «ولتاژ حفظ‌شده» (retained voltage) شناخته می‌شود. دقت در دستگاه‌های کلاس A باید در بازه ±۰/۲٪ ولتاژ نامی اعلام گردد و برای کلاس B برابر ±۲/۰٪ است.

H. عدم تعادل (Unbalance)

برای رعایت محدودیت‌های کلاس A، محاسبه عدم تعادل باید با روش مؤلفه‌های متقارن انجام شود. از فازهای اندازه‌گیری‌شده، سه مؤلفه متقارن شامل مؤلفه توالی مثبت، منفی و صفر به دست می‌آیند. سپس عدم تعادل به شکل درصد، از نسبت مؤلفه توالی منفی به مثبت محاسبه می‌شود. این محاسبه باید بار دیگر برای بازه‌های ۱۰ سیکل، ۱۵۰ سیکل، ۱۰ دقیقه و ۲ ساعت تکرار شود.

I. هارمونیک‌های ولتاژ (هارمونیک‌ها و اینترهارمونیک‌ها)

برای پاس کردن الزامات کلاس A، محاسبات می‌بایست مطابق با IEC ۶۱۰۰۰-۴-۷ باشند. جهت توضیح دقیق‌تر، مراجعه به همان استاندارد یعنی IEC ۶۱۰۰۰-۴-۷ (راهنمای عمومی اندازه‌گیری و ابزار دقیق هارمونیک‌ها و اینترهارمونیک‌ها برای سیستم‌های تغذیه و تجهیزات متصل به آن‌ها) [۶] توصیه می‌شود. بازه پایه اندازه‌گیری هارمونیک همچنان همان بازه ۱۰ سیکل است. وقتی تبدیل فوریه گسسته (DFT یا Discrete Fourier Transform) روی پنجره ۱۰ سیکلی اعمال شود، طیفی با تفکیک‌پذیری فرکانسی ۵ هرتز حاصل می‌گردد. پیامد این موضوع آن است که میان فرکانس‌های هارمونیک (مضارب صحیح ۵۰ هرتز)، نه مقدار اضافی در اختیار داریم. کمترین و بیشترینِ این مقادیر به هارمونیک (صحیح) افزوده می‌شوند. هفت مقدار باقی‌مانده با یکدیگر «اینترهارمونیک» را می‌سازند. بر این اساس، در بازه ۲۴۵ تا ۳۰۵ هرتز: فرکانس‌های ۲۵۵، ۲۵۰ و ۲۴۵ هرتز با هم هارمونیک پنجم را تشکیل می‌دهند و ۲۹۵، ۳۰۰ و ۳۰۵ هرتز هارمونیک ششم را می‌سازند. فرکانس‌های باقی‌مانده یعنی ۲۶۰، ۲۶۵، ۲۷۰، ۲۷۵، ۲۸۰، ۲۸۵ و ۲۹۰ هرتز، «اینترهارمونیک ۶/۵» را به وجود می‌آورند.

J. سایر پارامترهای کیفیت توان

توضیحات بالا، نگاهی کوتاه به نوع الزاماتی است که قرار است در استاندارد آینده تعیین گردد. برای آشنایی با سایر پارامترها از جمله شیوه محاسبه اضافه‌ولتاژهای گذرا، تغییرات سریع ولتاژ، قطع کوتاه ولتاژ و ولتاژهای سیگنال‌دهی، لطفاً به مستند اصلی IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰:۲۰۰۱ رجوع نمایید.

VII. سایر تحولات

هم‌زمان با فعالیت‌های IEC، استانداردهای کیفیت توان در IEEE نیز در حال توسعه‌اند. در سال ۱۹۹۷، هم کتاب طلایی IEEE و هم استاندارد IEEE Std.۱۳۴۶ شیوه‌ای برای سنجش سازگاری میان تجهیزات حساس و شبکه تغذیه، به ویژه در زمینه افت ولتاژ، ارائه دادند. ابزاری که «نمودار هماهنگ‌سازی افت ولتاژ» (voltage sag co-ordination chart) نامیده می‌شود، امکان مقایسه مستقیم میان تلرانس ولتاژِ تجهیز و فراوانی افت ولتاژِ شبکه را فراهم می‌کند [۷]. از زمان انتشار نخستین کتاب طلایی IEEE در سال ۱۹۸۰، کار روی قطع‌ها و قابلیت اطمینان بخشی از یک استاندارد IEEE (رویه توصیه‌شده) بوده است. جدیدترین نسخه (۱۹۹۷) حتی فصلی درباره پیش‌بینی تصادفی افت ولتاژ دارد. با این همه، IEEE تاکنون سندی درباره اندازه‌گیری کیفیت ولتاژ منتشر نکرده است. گروه پروژه ۱۱۵۹ در حال کار بر چنین سندی است، اما تا به حال نتایج ملموس چندانی حاصل نشده است. تازه‌ترین تصمیم، استفاده از IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ در داخل IEEE نیز هست.

به تازگی استانداردی درباره شاخص‌های قابلیت اطمینان (IEEE Std.۱۳۶۶) منتشر شده که روش‌هایی را برای کمی‌سازی قابلیت اطمینان تغذیه — شامل تعداد و مدت وقفه‌های طولانی — توصیه می‌کند. هم‌اکنون شاخص‌های مشابهی در گروه پروژه ۱۵۶۴ IEEE در دست تدوین است. آخرین نسخه سند کاری این گروه، IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ را مبنا قرار داده و از آن، سطوح مختلفی از شاخص‌های افت ولتاژ را تعریف می‌کند.

سطح نخست، «ویژگی‌های رخداد به عنوان تابعی از زمان» را دربرمی‌گیرد. همان چیزی که در IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ به کار رفته، ولتاژ مؤثر یک سیکل است که هر نیم سیکل به‌روز می‌شود. سند IEEE قصد دارد چند ویژگی رخدادِ اضافی نیز تعریف کند. از دل ویژگی‌های رخداد، مواردی به نام «شاخص‌های رخداد واحد» (single-event indices) محاسبه می‌شوند. در چارچوب IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰، این‌ها شامل «مدت زمان» و «ولتاژ حفظ‌شده» برای افت ولتاژ می‌شوند. باز هم، چند شاخص اضافی تعریف خواهند شد.

سطح بعدی مربوط به «شاخص‌های تک‌مکانی» (single-site indices) است: معمولاً تعداد رخدادها در سال، در محدوده‌های مشخصی از شاخص‌های رخداد واحد؛ برای نمونه تعداد افت‌ها در سال با مدت بیش از ۱۰۰ میلی‌ثانیه و ولتاژ حفظ‌شده کمتر از ۷۰٪. سطح پایانی «شاخص‌های سیستم» (system indices) است که غالباً میانگین وزنیِ شاخص‌های تک‌مکانیِ تمام محل‌های پایش به شمار می‌رود [۸].

کار روی شاخص‌های کیفیت توان — نه فقط افت ولتاژ، بلکه هارمونیک‌ها، عدم تعادل و اینترهارمونیک‌ها — در گروه کاری CIGRE ۳۶.۰۷ نیز جریان دارد. تمرکز این گروه بر تعریف شاخص‌های سیستمِ مناسب، با آغاز از اسناد استاندارد موجود است. آن‌ها همچنین داده‌ها را گردآوری می‌کنند تا اهدافی را برای این شاخص‌ها پیشنهاد دهند.

VIII. نتیجه‌گیری‌ها و نظرات

IX. مراجع

1. اکسلبرگ، پ. و پول، ج. (۲۰۰۰)، «تجربیاتی از بازارهای برقِ مقررات‌زدایی‌شده در آمریکای جنوبی»، ارائه‌شده در کنفرانس اتوماسیون توزیع نوردیک.
2. بولن، ام.اچ.جی. (۲۰۰۰)، «درکِ مشکلات کیفیت توان»، نیویورک: انتشارات IEEE، شابک ۰-۷۸۰۳-۴۷۱۳-۷.
3. هنجار اروپایی EN ۵۰ ۱۶۰: ویژگی‌های ولتاژ برقِ تأمین‌شده توسط شبکه‌های توزیع عمومی، CENELEC، ۱۹۹۹.
4. استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰:۲۰۰۱ (پیش‌نویس): تکنیک‌های آزمون و اندازه‌گیری – روش‌های سنجش کیفیت توان.
5. استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۱۵: فلکرمتر – مشخصات عملکردی و طراحی، IEC، ۱۹۹۹.
6. استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۷: راهنمای کلی در باب اندازه‌گیری هارمونیک‌ها و بین‌هارمونیک‌ها و ابزار دقیق مربوطه، ویژه سیستم‌های منبع تغذیه و تجهیزات متصل به آن‌ها، IEC، ۲۰۰۱.
7. بولن، ام.اچ.جی. و کونراد، ال.ای.، «هماهنگی افت ولتاژ برای عملکرد قابل‌اعتماد کارخانه»، تراکنش‌های IEEE در کاربردهای صنعتی، جلد ۳۳، شماره ۶، صفحات ۱۴۵۹ تا ۱۴۶۴.
8. IEEE (۲۰۰۱)، «شاخص‌های افت ولتاژ»، سند کاری گروه پروژه ۱۵۶۴، پیش‌نویس ۲، در دسترس در: http://grouper.ieee.org/groups/sag/.

X. شرح حال نویسندگان

پیتر اکسلبرگ (Peter Axelberg) در حال حاضر مدرس ارشد در دانشگاه Högskolan i Borås واقع در سوئد است. تمرکز پژوهش‌های او بر تکنیک‌های اندازه‌گیری کیفیت توان است و از سویی، او یکی از بنیان‌گذاران شرکت Unipower AB نیز به شمار می‌رود.

مث اچ. جی. بولن (Math H. J. Bollen) استاد رشته سیستم‌های قدرت الکتریکی در دانشگاه صنعتی چالمرز (Chalmers University of Technology) است. پیش از آنکه در سال ۱۹۹۶ به چالمرز بپیوندد، در UMIST منچسترِ انگلستان و همچنین دانشگاه صنعتی آیندهوون در هلند مشغول به فعالیت بود. زمینه‌های پژوهشی‌اش جنبه‌های گوناگون کیفیت توان را در بر می‌گیرد. مث علاوه بر این، هم‌رئیس گروه IEEE P1564 و عضو کارگروه CIGRE WG ۳۶.۰۷ است.

آدرس منبع: https://www.unipower.se/wp-content/uploads/۲۰۲۲/۱۰/cired2002_paper.pdf

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ چیست و چه کاربردی دارد؟

این استاندارد توسط کمیسیون الکتروتکنیک بین‌المللی تدوین شده و روش‌های اندازه‌گیری و محاسبه پارامترهای کیفیت توان را توصیف می‌کند و ابزارها را به دو کلاس A و B طبقه‌بندی می‌کند.

چرا اندازه‌گیری کیفیت توان اهمیت دارد؟

برای تضمین کیفیت برق به عنوان یک محصول، صرفه‌جویی اقتصادی در نگهداری شبکه و پاسخگویی به الزامات قانونی پس از آزادسازی بازار برق، اندازه‌گیری کیفیت توان ضروری است.

تفاوت کلاس A و کلاس B در استاندارد کیفیت توان چیست؟

کلاس A یا الزامی (Normative) دقت و روش محاسباتی دقیق‌تری دارد و کلاس B یا نشانه‌ای (Indicative) برای کاربردهایی با دقت کمتر مناسب است؛ سازندگان بر اساس نیاز ابزار را در یکی از این کلاس‌ها توسعه می‌دهند.

استاندارد EN ۵۰۱۶۰ چه پارامترهایی را پوشش می‌دهد؟

این استاندارد اروپایی بزرگی ولتاژ، فرکانس، اعوجاج هارمونیکی، عدم تعادل ولتاژ، فلیکر و ولتاژهای سیگنالینگ را پوشش می‌دهد اما رخدادهای گذرا مانند افت ولتاژ را شامل نمی‌شود.

منبع: powerquality.blog