控制电力

控制工程师容易简单地认为，设施管理人员会神奇地提供足够数量和足够质量的电力，为他们创建的自动化系统供电。然而，这些系统的胃口大到足以破坏精细平衡的配电系统，降低电力质量。与此同时，他们常常挑剔到在消费质量不完美的电力时感到肚子痛。

因此，对于控制工程师来说，了解如何分析电能质量以及如何修复病态配电系统的基础知识是非常重要的。

正如独立电力系统分析师Gerald Hajek所说:“电力分析几乎涉及到所有可能与电力有关的东西，从发电站到直流供电设备的电池。它将期望与实际情况进行比较，或者将我们遇到的问题与可能导致问题的原因进行比较。”

福禄克公司电能质量产品营销经理弗兰克·希利指出:“谐波并不是引起抱怨最多的原因。当设备由于某种未知原因出现故障时，通常是由于电机启动、开关模式、故障断路器等原因引起的电压下降。”

“此外，”伊顿公司电能质量解决方案经理Dan Carnovale说，“问题还包括能源管理和运营成本效率。我们喜欢把它分解成症状、根源和解决方案。这是我们做任何分析的方式。”

“电力链管理，”伊顿公司软件和仪表组高级业务经理布兰登·埃克伯格说，“就是我们所说的控制整个配电系统。我们的目标是提供工具、设备和服务，帮助我们的客户优化电力链的操作和使用。基本的电力链管理包括设施审计，以了解当前的情况，您的系统在安全和承受停电能力方面可能构成什么样的风险。”

“很多人都认为谐波是个大问题，”卡诺维尔说。“虽然它们很重要，但电能质量实际上有四个主要部分，谐波只是其中之一。另一个是瞬态。第三是电压变化(下降、中断和膨胀)。最后一个是接地气。”

能够量化这种电力异常，就有可能了解其原因，从而为如何解决这些问题提供线索。量化需要测量。简单地捕捉虚构的观察，比如“某某人看到灯光闪烁”是不够的。你不知道这个事件有多深，持续了多久。没有量化，你真的不知道如何修复它。

量化需要使用专门的记录设备进行测量。当我们说到“录音设备”的时候，我们就是这个意思。这是一种能够捕捉相当长一段时间内电力异常情况并将其存档以备将来分析的设备。

第一步:测量

“计量，”埃克伯格说，“是精确地测量输入电力质量的能力。在采取任何补救措施之前，您需要基线信息以及异常情况来了解情况。”

在选址电力监控设备时，采用“分而治之”策略。

如果标称条件是480 V的线路电压，则偏离标称条件有两个变量:偏差的大小和持续的时间。这些偏差以各种方式影响下游设备。在某种程度上，偏差可能会导致自动关闭或产生其他不愉快的行为。长期的过压或欠压会导致电机过热。

希利说:“我们发现越来越多的客户采取积极主动的方式。他们有效地做到了我们所说的标杆。他们在安装设备之前进行测量，然后进行后续研究，看看安装新设备可能对他们产生了什么影响。”

选址监控设备遵循凯撒大帝的“分而治之”策略。如果你有问题，把一个或多个监视器放在行为不正常的设备附近，找出发生了什么。然而，要监视配电网络的整体健康状况，您应该首先查看主(传入)服务面板。然后你可以把监视器安装在离各种负载更近的地方，向下游的负载移动。

“我们有相当多的用户使用相当多的监视器，”Healy报告说。“他们所做的就是把一大堆监视器放在系统上三到四天，然后移动它们。上周我和一位客户交谈时，他至少用了12台监视器来观察建筑物的进入部分，然后再往下看，靠近负载，然后再往下看单个负载。”

监控设备捕获电压输入和电流输入。在电压方面，监测三相电源需要五个输入:接地，中性和三个电压相位。理想情况下，你想对电流做同样的事情。希利建议至少测量四种电流。你应该总是测量中性电流，因为它显示了谐波的影响。

为了尽可能少地干扰配电系统，电力监测器使用高阻抗模拟电压放大器来收集电压数据。为了测量电流，他们使用钳形传感器，该传感器对导线周围的磁场做出反应，导线周围的磁场为每个相位、接地和中性点携带电流。

通常，监视器使用电流互感器(CTs)来检测携带交流电的导线周围的交变磁场。ct根据法拉第感应定律响应导线中的电流:

在哪里E为CT次级感应电动势(EMF)，k是基于CT构造细节的常数，我电流是否穿过变压器的铁芯t是时间。

显然，ct只响应交流电，所以它们不能测量直流电。法拉第定律还保证了电动势振幅直接随频率变化，因此ct会扭曲含谐波的波形。

要检测直流电流或出现在交流线路上的直流元件，请使用霍尔效应电流钳。霍尔效应传感器使用一种被称为霍尔效应磁力计的半导体芯片，它直接对磁场做出反应。因此，它既可以测量直流电流，也可以测量交流电流，并忠实地再现谐波波形。

“我们拥有的最简单的产品，”希利说，“是一个插入式记录仪，它只需要插入一个标准插座，就可以寻找下降，也可以测量有效值电压。随着负载的输入和输出切换，你可以看到对电力系统的影响，以及它们是否会影响控制设备、pc或其他任何负载。”

在频谱的另一端，有三相监视器，它捕获的信息范围更全面。除了电压事件外，它们还可以测量谐波，量化闪烁事件、相移和其他表征配电网质量的重要数量。

“重要的是，这不仅仅是拍快照，”希利指出。“数据应涵盖至少连续24小时(或一个工作日)，理想情况下，研究应延长至少7天。”在很多情况下，它会超出这个范围。”

“如果我们在做一个谐波研究，”他继续说，“我们取谐波的平均值，然后在一个周期内寻找最小值和最大值——一个典型的周期是10分钟。这提供了一组显示当前正在发生的情况的度量。然后我们进行后续研究，看看新设备的安装带来了什么变化。我们会记录几天，甚至几周，然后研究那段时间的谐波趋势。”

原始数据转化为有用的信息

捕获的数据在进行分析和报告之前没有任何用处。工程师有三种方法将原始数据转化为有用的信息:

• 大多数电源监视器都有一些板载存储器用于数据存储。许多还内置了分析软件。这些设备至少还有基本的人机界面，可以帮助用户快速分析和报告结果。

• 本地上传-监视器通常有一些将存档数据上传到主机以供后续分析的方法。这通常是通过内置USB，串行或其他短距离连接，甚至是通过记忆棒的“球鞋网”进行的。

• 网络连接——越来越多的监视器能够通过局域网(lan)(如以太网)上传数据。该策略允许用户将电力监控设备永久安装在服务面板后面的机柜和控制框中。然后工程师们在他们的个人工作站上运行软件包，这些软件包定期将数据上传到工厂的局域网，保存数据并生成定期报告。

特别是在涉及许多分散在配电系统中的独立监测器的复杂系统中，异常报告会汇集到工程师的系统中进行更复杂的分析。运行在主机上的软件可以发现系统中不同点的相关影响，甚至可以自动推测可能导致这些影响的原因。

第二步:分析

伊顿的Carnovale说:“监视器本身可以通过采集波形来帮助你分析你所看到的症状，捕捉电流和功率的趋势。”复杂的触发方法使监测器能够捕捉到信号波形，如电压下降、电机启动时的涌流、闪电等事件的瞬态活动，以及谐波等稳态异常。

例如，如果您有电压下降，您将看到的症状可能包括灯光闪烁，变频驱动器可能失效，计算机可能锁定等。然后，您将尝试将这些定性行为与监视器中捕获的事件关联起来。

假设你有一个事件，其中输入电压下降到正常电压的80%，它持续了10个周期或1/6秒。这可能会导致车灯闪烁，但并不一定会导致变速驱动器失灵。一些负载可能会退出，而其他负载可能不会退出。

如果你有更深的事件，比如在同样的10个周期内电压降至50%，你可能会失去电机接触器、驱动器和高强度灯。更严重的事件可能会导致整个设施的电力中断。

另一件要看的事情是你的需求概况。了解高峰使用时间可以帮助您找到使其平滑的方法，从而从能源使用的角度或节省成本的角度最小化影响，并避免系统过载。

从可靠性的角度来看，如果谐波上升，因为你增加了越来越多的谐波负载，你可能会开始引起过热和变压器损坏。这些事情可以通过在工程师工作站上运行的软件进行例行标记。

“谐波分析是我做的第一件事，”顾问Hajek指出，“但还有什么其他方法呢?我总是喜欢观察在设备使用点的中性导体和接地导体之间发生的电压信号。我还想知道负载离实际电源有多少线性英尺远。换句话说，我们讨论的是距离服务入口400到500英尺的问题还是距离服务入口50英尺的问题?”

第三步:修复

关于电力修复，控制工程师最常得到的建议是在驱动器中添加过滤器。这是一个很好的建议，只有当电源问题是由驱动器本身引起的。它只有助于消除谐波失真。

正如Fluke的Healy在本文开头指出的那样，谐波并不是引起最大抱怨的原因。更多的时候，问题是由电压下降、瞬变或接地问题引起的。

“我要告诉大家做的第一件事就是最小化整个电路中的电感和容抗，”Hajek说。

你也可以通过仔细选择变压器和发电机来减少无功阻抗。低阻抗单元可能会花费更多，但可以通过减少令人头疼的电能质量问题来收回成本。

分散在配电系统各处的监控器将数据汇集到一个中央数据库，在那里，电力监测和分析软件帮助工程师了解全局或挖掘到局部细节。

尽可能使用高电压和低电流。减小电流可以让你使用更小直径的导体。直径较小的导体每英尺的无功阻抗较低。对于给定的导线，直径较小的导线具有较低的无功阻抗。

当然，你可以通过使导线越短越好减小导线的总电抗。换句话说，仔细布置布线路线，以尽量减少距离。最小化电线长度也有很好的经济意义。

然而，这种策略可能与提供整洁的、类似工匠的安装的需求相冲突。正确捆扎电线，有利于线路追踪，避免安全隐患。与大多数设计选择一样，这是找到最有利的折衷方案的问题。因此，尽量减少与其他设计要求一致的导线长度。

Hajek还坚持为每个喂食器使用单独的中性。“当我这么说的时候，每个人都开始抱怨和抱怨，因为电线要花更多的钱，”他说，“但最终成本更低。”

最后，不存在适用于所有情况的局部解决方案。Hajek说:“通常情况下，这个行业中更困难的问题不是你在某个早上一个半小时就能解决的问题。”要找出解决办法需要一些侦探工作。”

要想成功，你的分析必须基于对基本物理原理的理解，无论是电磁学告诉你用更细的电线来减小电抗，还是电化学告诉你影响管道的接地问题。在设计解决方案时，你必须同样具有创造性。

伊顿的埃克伯格假设:“假设一台机器只是偶尔挂起，你发现PLC正在重置。”监控PLC的输入电源可能会显示PLC无法处理的浪涌或电压降。补救措施可能是在控制柜中放置一个小的不间断电源，这样PLC就可以一直获得非常非常干净的电源，即使主电源可能会中断几秒钟。”

“如果需要进行功率分析，”哈耶克说，“就说明有些东西没有按预期工作。一个人必须仔细比较他的意图和结果。不同之处在于修复的幅度。”

埃克伯格指出:“如果是一个机械车间出现了电源故障，你就会损失5到10分钟的生产时间，这没什么大不了的。这与硅晶圆代工厂非常不同，在硅晶圆代工厂，一个大的功率峰值可能会导致所有设备瘫痪，并造成数百万美元的损失。在处理配电问题时，了解问题的影响至关重要。”

作者信息

C.G. Masi是控制工程。打电话给他。charlie.masi@reedbusiness.com．

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