智能監(jiān)測提高配電網可靠性
電網面臨的挑戰(zhàn)
在過去的一個世紀，配電網變化很小;然而，在過去的幾十年中，用電量卻大幅增加。據國際能源署(IEA®)估算，1973年至2010年間，全球電力需求從5.1PWh增長至17.9PWh (1015 Wh)。
配電基礎設施的升級改造是非常昂貴的。根據美國愛迪生電氣協(xié)會(Edison Electric Institute，EEI)的數據，新的架空配電線的費用為$86,700至$1,000,000 (USD)每英里2;地下配電線的費用則要三倍還多。電力公司自然渴望盡可能榨取已有配電網的每一分使用價值。
用戶為有功功率買單——電壓和電流波形的瞬時積。非電阻性負載產生的電流波形與電壓波形不同相。功率因數是衡量有功功率的一個參數，是占有功與無功功率之和的比例。即使功率因數高達0.9，電網的利用率仍有高達11%的損失(圖1)。然而大量仍在服役的老舊設備的功率因數低到只有0.5(表1)。
圖1. 如果功率因數低于1.0，迫使電力公司要提供高于其有用功率的電流。感謝JAS Technical Media ©2013提供數字和圖表。
表1.3 常見電子設備的功率因數及對應的電網利用率余度
|
設備 |
功率因數 |
電網利用率余度 |
|
當前的大屏幕、平面電視 |
0.96 |
4 |
|
窗式空調 |
0.90 |
11 |
|
老式CRT彩電 |
0.70 |
43 |
|
老式平面監(jiān)視器 |
0.64 |
56 |
|
白色LED燈具 |
0.61 |
64 |
|
老式筆記本電腦電源適配器 |
0.55 |
82 |
|
激光打印機 |
0.50 |
100 |
電子設備為非線性負載，是耗電量增長的主要原因。非線性負載產生電流諧波，降低功率因數及電網效率。此外，分布式發(fā)電要求配電網成為動態(tài)雙向系統(tǒng)?；谟脩舻墓夥l(fā)電和小型風力發(fā)電在發(fā)電量超過用戶的當前使用量時將電力回送給配電網。
根據配電網的歷史運營模型，電力公司竭力檢測和應對各種條件的電網，例如分布式發(fā)電電網邊緣的電壓。
高故障成本
電力公司面臨用戶、行業(yè)組織以及監(jiān)管機構要求將可靠性事故降至最低的壓力。整個配電網中的電力線監(jiān)視器與自動開關裝置相協(xié)作，快速判斷異常工作條件、繞開受災區(qū)域并加快問題解決4。
監(jiān)測也提供了寶貴的配電網邊緣數據。預計截止到2015年，次級變壓器的電力線監(jiān)測將超過傳統(tǒng)的電源變壓器市場(圖2)5。
圖2. 次級變壓器監(jiān)測市場增長快速。感謝GTM Research提供數據和圖表。
智能監(jiān)測
電力線監(jiān)視器中，電壓和電流變壓器分別按比例提供各階段每一相的電壓和電流。監(jiān)視器的模擬前端(AFE)電子裝置對形成的信號進行緩沖和測量(圖3)。
圖3. 陰影區(qū)域表示電力線監(jiān)視器的電子元件6。
配電系統(tǒng)中，電力公司驅動三相，各相之間彼此相差120°。在平衡負載條件下，100%的電流通過相線。如果中性線中存在電流，則說明存在不平衡現象。不平衡現象可能說明，比如說，次級變壓器絕緣系統(tǒng)出現缺陷。這就使得電力公司能夠按照計劃維修變壓器，節(jié)省應急響應成本，減少用戶不便。
歐盟標準IEC 62053要求0.2級設備(典型適用于電力監(jiān)測儀)的測量誤差小于標稱電壓和電流的0.2%。功率因數測量要求相匹配電壓和電流采樣小于或等于0.1%。這些技術指標需要嚴格匹配的數字化轉換器。模擬和混合信號IC制造商，例如Maxim Integrated，提供適合于這些測量的多通道ADC，通常允許以多達32路通道分組進行同時采樣。
數據送至微控制器或數字信號處理器，由后者準確計算功率和功率因數。系統(tǒng)可通過安裝電容器組來修正功率因數，從而提供電網的總體利用率。保護裝置可利用功率數據快速觸發(fā)自動斷路器。此類系統(tǒng)也可利用相同的數據流閉合斷路器，將下行電力中斷的持續(xù)時間降至最小。
參考：
1. 1.Key World Energy Statistics 2012 © OECD/IEA, 2012, http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/kwes.pdf, restated in PWh units by JAS Technical Media.
2. Hall, Kenneth L., Out of Sight, Out of Mind 2012, An Updated Study on the Undergrounding Of Overhead Power Lines, Edison Electric Institute, January 2013.
3. 表1的數據來源于直接測量。數據來源為JAS Technical Media ©2013。
4. Smart-Grid Technologies Can Reduce Power Outages, but Legislative Action Is Needed, National Electrical Manufacturers Association, July 2012, http://www.nema.org/News/Pages/Smart-Grid-Technologies-Can-Reduce-Power-Outages,-but-Legislative-Action-Is-Needed.aspx .
5. Kellison, Ben, Transformer Monitoring Markets, 2013-2020:Technologies, Forecasts, and Leading Venders, greentechgrid, April 2013, http://www.greentechmedia.com/articles/read/gtm-research-qa-transformer-monitoring-markets-part-i.
6. 關于Maxim適用于PT/CT模塊的產品信息，請參考http://www.maximintegrated.com/solutions/distribution-automation/pt-ct-module/。
IEC是International Engineering Consortium, Inc.的注冊服務商標。
About the Author:
David Andeen is the reference design manager at Maxim Integrated. He joined Maxim in 2005 in the sales department and assumed responsibility for the energy segment from 2011 through 2013.He holds a Ph.D. in Materials Science from the University of California, Santa Barbara.
下載文檔
