سیستم مدیریت اطلاعات هارمونیک: راهکاری پیشرفته برای آنالیز کیفیت توان و نظارت بر پارامترهای هارمونیک

مقدمه: اهمیت نظارت بر هارمونیک در شبکه‌های برق

در بیش‌تر کشورهای جهان، مقررات و استانداردهایی به تصویب رسیده‌اند که حداکثر سطح مجاز محتوای هارمونیک را تعیین می‌کنند. برخی کشورها به‌طور مستقیم از استانداردهای بین‌المللی IEC 61000-2-2، IEC 61000-2-12 و IEC 61000-3-6 بهره می‌گیرند، در حالی که دیگران نسخه‌های بومی‌سازی‌شده این استانداردها را باتوجه‌به الزامات محلی خود تدوین کرده‌اند. در اروپا، استاندارد EN 50160 مقادیر هارمونیک را بر اساس کل انحراف هارمونیک (THD) و هارمونیک‌های منفرد مشخص می‌کند، گرچه بسیاری از کشورهای اروپایی الزامات اضافی خود را نیز به آن اضافه کرده‌اند.

نکته مشترک در تمامی استانداردهای ملی و بین‌المللی این است که تنها بر روی THD تمرکز نمی‌شود، بلکه هارمونیک‌های منفرد تا مرتبه ۴۰ یا ۵۰ (بسته به استاندارد مورد استفاده) نیز باید مورد پایش قرار گیرند.

شکل ۱: مثال – محدودیت‌های هارمونیک منفرد طبق IEC ۶۱۰۰۰-۲-۱۲

دقت اندازه‌گیری: الزام تطبیق تجهیزات با استانداردها

مسئله‌ای حیاتی دیگر این است که تجهیزات اندازه‌گیری لازم است با استانداردهای مربوطه (مانند IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ کلاس A و S و IEC ۶۱۰۰۰-۴-۷ ویرایش ۲) سازگار باشند تا صحت و اعتبار نتایج اندازه‌گیری تضمین گردند. بدون اطمینان از این تطابق، دو آنالایزر کیفیت توان (Power Quality Analyzer) حتی در یک نقطه اندازه‌گیری مشترک، می‌توانند نتایج بسیار متفاوتی ارائه دهند.

آنالایزرهای مدرن کیفیت توان فراتر از اندازه‌گیری THD و هارمونیک‌های منفرد عمل کرده و پارامترهای هارمونیک اضافی را نیز محاسبه می‌کنند. این به معنای دست‌یابی به مجموعه‌ای پیچیده از داده‌های دقیق است که نیازمند مدیریت و پردازش مؤثر است، به‌ویژه هنگامی که نظارت بر هارمونیک در مقیاس وسیع انجام می‌شود. روند کنونی به سوی نظارت مداوم با شمارنده‌های نصب‌شده به‌صورت دائمی (Permanently Installed Meters) پیش می‌رود. پایش بلندمدت هارمونیک، امکان برنامه‌ریزی مؤثری را نیز فراهم می‌آورد. مثال زیر نشان‌دهنده داده‌های THD به‌مدت پنج سال است. اگرچه نوسانات فصلی مشاهده می‌شود، اما روند بلندمدت به‌طور کلی ثابت باقی مانده است.

شکل ۲: نوسان فصلی THD در یک ایستگاه فشار متوسط در سطح توزیع.

جهت جریان هارمونیک: پارامتر کلیدی برای شناسایی منبع

نظارت‌کنندگان مدرن کیفیت توان (PQ Monitors) اغلب زاویه فاز هارمونیک (Harmonic Phase Angle) را نیز اندازه‌گیری می‌کنند، یعنی زاویه فاز بین هر هارمونیک ولتاژ و جریان. برای یک نصب معمولی سه فاز، این بدان معنا است که ۱۵۰ پارامتر، به‌علاوه ۳۰۰ هارمونیک ولتاژ و جریان منفرد، ثبت می‌گردند و در دسترس قرار می‌گیرند.

زاویه فاز هارمونیک داده‌های خامی است که امکان استخراج قدرت هارمونیک (Power Harmonics) را فراهم می‌آورد. با استفاده از آنالایزرهایی مانند UP2210 یا Unilyzer 902، قدرت هارمونیک‌ها با جهت (+/-) نمایش داده می‌شود، که تفسیر جریان هارمونیک را تسهیل می‌کند؛ به این معنا که شناسایی منبع هارمونیک آسان‌تر شده و در عین حال ظرفیت ذخیره‌سازی داده‌ها کاهش می‌یابد.

شکل ۳: جریان قدرت هارمونیک. مقدار منفی نشان‌دهنده منبع در پایین‌دست (Downstream) نقطه اندازه‌گیری است.

حداکثر هارمونیک ۳ ثانیه‌ای: پاسخ به بارهای متغییر سریع

محدودیت‌های هارمونیک در استانداردها معمولاً به‌عنوان میانگین‌های ۱۰ دقیقه‌ای تعیین می‌شوند. با این حال، امروزه بارهای هارمونیک نوسانی وجود دارند که علی‌رغم مدت زمان کوتاه خود، می‌توانند خطرناک باشند. در نتیجه، نیاز جدیدی برای اندازه‌گیری حداکثر هارمونیک ۳ ثانیه‌ای (3sec Maximum Harmonics) به‌وجود آمده است. برای این موارد، شمارنده کیفیت توان به‌طور مداوم هارمونیک‌های ۳ ثانیه‌ای را محاسبه کرده و بیشینه مقدار را برای هر بازه زمانی انتخابی (معمولاً ۱۰ دقیقه، اگر IEC ۶۱۰۰۰-۲-۲، IEC ۶۱۰۰۰-۲-۱۲ یا EN ۵۰۱۶۰ 적용 شود) ذخیره می‌سازد.

شکل ۴: مثال – مقادیر ماکزیمم ۳ ثانیه‌ای و میانگین‌های ۱۰ دقیقه‌ای برای هارمونیک سوم فاز ۱.

امروزه استاندارد IEC 61000-3-6 نیز الزام اندازه‌گیری حداکثر هارمونیک ۳ ثانیه‌ای را مشخص می‌کند.

چرا به سیستم مدیریت اطلاعات هارمونیک (HIMS) نیاز داریم؟

اندازه‌گیری هارمونیک دیگر تنها به محاسبه THD خلاصه نمی‌شود، حتی اگر تعداد پارامترهای THD افزایش یافته باشد (که در ادامه بیشتر به آن خواهیم پرداخت). همان‌طور که اشاره شد، برای هر بازه ذخیره‌سازی تا حدود ۵۰۰ پارامتر مرتبط با هارمونیک باید محاسبه، ذخیره و ارزیابی شوند. علاوه بر این، اندازه‌گیری هارمونیک دیگر تنها برای عیب‌یابی (Troubleshooting) کاربرد ندارد بلکه برای تأیید قراردادهای تامین برق و اهداف پیشگیرانه نیز ضروری است.

شکل ۵: مثال پارامترهای THD مشتق شده از آنالایزرهای Unilyzer ۹۰۲ و UP2210.

فرآیند دستی جمع‌آوری داده‌ها و تحلیل عمیق وقتی تعداد نقاط اندازه‌گیری از چند مورد به صدها و حتی هزاران نقطه در شبکه انتقال و توزیع گسترش می‌یابد، نه تنها کارآمد نیست بلکه می‌تواند کیفیت فرآیند را به خطر بیندازد. به همین دلیل، نیاز به مدیریت خودکار داده‌های هارمونیک روزبه‌روز بیشتر احساس می‌شود. ویژگی‌های چنین سیستمی عبارتند از:

• نظرسنجی خودکار داده‌های هارمونیک به یک پایگاه داده مرکزی.
• تکنیک‌های فشرده‌سازی داده‌ها برای انتقال و ذخیره‌سازی کارآمد.
• تولید خودکار گزارش بر اساس زمان‌بندی هفتگی برای ارائه آمار خلاصه.
• پایش پارامترهای هارمونیک منفرد با توابع هشداردهی (Alarm).

نظارت آنلاین بر هارمونیک‌های منفرد: مطالعه موردی در صنعت معدنی

در یک صنعت معدنی در شمال اروپا، سیستم مدیریت اطلاعات هارمونیک Unipower PQ Secure پیاده‌سازی شد. در شرایط عادی، سطوح هارمونیک در محدوده کنترل قرار داشتند. اما در تاریخ ۱۲ ژانویه ۲۰۰۸، مدیر سیستم یک ایمیل از طرف سیستم مدیریت اطلاعات هارمونیک دریافت کرد که در یک نقطه اندازه‌گیری، هارمونیک منفرد ۷ام از حد مشخص شده در کنترل طبق IEC ۶۱۰۰۰-۲-۱۲ فراتر رفته است. در حالی که THD همچنان در محدوده قابل قبول گزارش می‌شد.

شکل ۶: شکست هارمونیک ۷ام (به جدول محدودیت‌ها – شکل ۱ مراجعه کنید).

در محل، بررسی‌ها نشان داد که یکی از فیلترهای اصلی به‌اشتباه توسط پرسنل خدماتی قطع شده است و خوشبختانه پیش از وقوع هرگونه آسیب یا خسارت بیشتر، مجدداً وصل گردید.

شکل ۷: مقدار THD هنگام قطع فیلتر به شدت افزایش می‌یابد.

با این حال، در مورد محدودیت کنترل THD (Total Harmonic Distortion) هیچ نقضی وجود ندارد. در غیاب یک سیستم مدیریت اطلاعات هارمونیک (Harmonic Information Management System) که وظیفه نظارت بر هارمونیک‌های فردی را بر عهده دارد، این فیلتر احتمالاً تا زمان بازرسی سالانه یا وقوع یک خرابی احتمالی مطابق با مدیریت محلی، به حال خود رها خواهد شد.

نتیجه‌گیری

در سطح جهانی، روند اندازه‌گیری هارمونیک‌ها به سمت ایجاد نظارت دائمی بر آن‌ها در شبکه‌های انتقال و توزیع پیش می‌رود. این فرآیند نیازمند یک سیستم خودکار برای جمع‌آوری و تحلیل داده‌هاست، به‌طوری‌که هم اپراتورها و هم مقامات بتوانند از اطلاعات آماری هفتگی برنامه‌ریزی شده، که وضعیت شبکه را توصیف می‌کند، بهره‌مند شوند. قابلیت نظارت و هشدار بر روی تمام پارامترهای هارمونیک این امکان را به ما می‌دهد که کیفیت را تضمین کرده و سطوح هارمونیک‌ها را به‌طور پیشگیرانه کنترل کنیم.

چالش فردا نه تنها در بازیابی داده‌های هارمونیک قابل اعتماد بر اساس استانداردها بلکه در مدیریت این داده‌ها به شکلی مطمئن و مقرون به صرفه نهفته است.

درباره Unipower

شرکت Unipower AB مجموعه وسیعی از محصولات را در زمینه اندازه‌گیری کیفیت توان (Power Quality) و سیستم‌های شبکه هوشمند (Smart Grid) عرضه می‌کند.

این شرکت که در اواسط دهه ۱۹۸۰ (میلادی) از یک شرکت سوئدی به نام ABB آغاز به کار کرده است، توانسته مزیت رقابتی قوی در زمینه ارائه راه‌حل‌های کیفیت توان و شبکه‌های هوشمند ایجاد نماید. ما بر روی دستگاه‌هایی تمرکز داریم که با استانداردها مطابقت دارند و الزامات تولید، انتقال و توزیع برق را به‌خوبی پوشش می‌دهند.

محصولات ما شامل آنالایزرهای قابل حمل سنتی کیفیت توان و همچنین سیستم‌های مدیریت کیفیت توان به‌صورت خودکار و یکپارچه برای نظارت مستمر بر تأمین انرژی است.

وب‌سایت: unipower.se

Unipower قابل حمل – Unilyzer ۹۰۰

• سایز جمع و جور و حفاظت IP65 به همراه استحکام بالا باعث می‌شود که Unilyzer ۹۰۰ به ابزاری ایده‌آل برای تمامی اندازه‌گیری‌های میدانی تبدیل شود. این دستگاه بدون قطعات متحرک است و در شرایط واقعی و دشوار آزمایش شده است.
• این ابزار با استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ کلاس A همخوانی دارد که بالاترین سطح اطمینان را در هر توصیه و نتیجه‌گیری تضمین می‌کند.
• حافظه استاندارد دستگاه این قابلیت را دارد که داده‌ها را به‌مدت ۳ ماه ذخیره کند. در صورت قطع برق، یک باتری پشتیبان داخلی دارد که دستگاه را فعال نگه‌می‌دارد.

بیشتر بیاموزید درباره Unilyzer ۹۰۰

Unipower دائمی – UP2210

• واحد UP-۲۲۱۰ به عنوان یک کنتور پیشرفته کیفیت توان و همچنین یک ثبت‌کننده خطا عمل می‌کند. تمامی پارامترهای کیفیت توان را می‌توان براساس استانداردهای کیفیت ولتاژ مانند EN ۵۰۱۶۰ یا قوانین ملی همچون EIFS سوئد بررسی کرد. این واحد قادر به ضبط هم اغتشاشات حالت پایدار (هارمونیک‌ها، فلیکر و غیره) و هم تغییرات سریع ولتاژ (رویدادهای افت/افزایش ولتاژ و گذراهای سریع) است. گره‌های سیستم PQ Secure از کنتورهای UP-۲۲۱۰ تشکیل شده‌اند.
• نمایشگر پیشرفته کیفیت توان و گذرای سه فاز
• UP-۲۲۱۰ یک نمایشگر کامل و مطابق با استاندارد کیفیت توان است که هرگونه اغتشاش در شبکه را شناسایی می‌کند.

بیشتر بیاموزید درباره UP-۲۲۱۰

منتشر شده توسط PQBlog | مهندس برق | مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

سیستم مدیریت اطلاعات هارمونیک (HIMS) چیست و چرا ضروری است؟

HIMS یک پلتفرم نرم‌افزاری برای جمع‌آوری خودکار، ذخیره‌سازی فشرده، تحلیل و گزارش‌دهی داده‌های هارمونیک از تعداد زیاد نقاط اندازه‌گیری است. با رشد شبکه و افزایش نقاط پایش، مدیریت دستی داده‌ها غیرممکن و پرخطا می‌شود؛ HIMS این فرآیند را خودکار و قابل‌اعتماد می‌کند.

تفاوت میانگین ۱۰ دقیقه‌ای و حداکثر ۳ ثانیه‌ای هارمونیک چیست؟

استانداردها معمولاً بر اساس میانگین ۱۰ دقیقه‌ای محدودیت‌گذاری می‌کنند، اما بارهای نوسانی سریع (مانند درایوها یا قوس‌های برق) می‌توانند در عرض چند ثانیه آسیب برسانند. پارامتر ۳ ثانیه‌ای ماکزیمم لحظه‌ای را ثبت کرده و برای شناسایی این رویدادها حیاتی است.

جهت جریان قدرت هارمونیک چگونه به یافتن منبع کمک می‌کند؟

با محاسبه زاویه فاز بین هر هارمونیک ولتاژ و جریان، جهت قدرت هارمونیک مشخص می‌شود. مقدار منفی نشان می‌دهد منبع هارمونیک در پایین‌دست (جهت بار) و مقدار مثبت در بالا‌دست (جهت شبکه) قرار دارد. این ویژگی در آنالایزرهای Unipower وجود دارد.

مطالعه موردی معدن در شمال اروپا چه نکته‌ای را اثبات کرد؟

سیستم HIMS (PQ Secure) توانست افزایش هارمونیک ۷ام را پیش از تجاوز THD شناسایی و هشدار دهد. بررسی-place نشان داد یک فیلتر هارمونیک به اشتباه قطع شده بود. این یعنی نظارت بر هارمونیک‌های منفرد حساسیت و سرعت عیب‌یابی را به مراتب افزایش می‌دهد.

برای رعایت استانداردهای IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ و IEC ۶۱۰۰۰-۴-۷ چه تجهیزاتی لازم است؟

باید از آنالایزرهای کلاس A یا S (مانند UP2210 یا Unilyzer ۹۰۲) استفاده شود که گواهی تطبیق با این استانداردها را داشته باشند. این تضمین می‌کند نتایج اندازه‌گیری در نقاط مختلف و با دستگاه‌های مختلف قابل مقایسه و حقوقی هستند.

منبع: powerquality.blog