智能監(jiān)測(cè)提高配電網(wǎng)可靠性
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電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)
在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)，配電網(wǎng)變化很小;然而，在過(guò)去的幾十年中，用電量卻大幅增加。據(jù)國(guó)際能源署(IEA®)估算，1973年至2010年間，全球電力需求從5.1PWh增長(zhǎng)至17.9PWh (1015 Wh)。
配電基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)改造是非常昂貴的。根據(jù)美國(guó)愛(ài)迪生電氣協(xié)會(huì)(Edison Electric Institute，EEI)的數(shù)據(jù)，新的架空配電線(xiàn)的費(fèi)用為$86,700至$1,000,000 (USD)每英里2;地下配電線(xiàn)的費(fèi)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(wǎng)的每一分使用價(jià)值。
用戶(hù)為有功功率買(mǎi)單——電壓和電流波形的瞬時(shí)積。非電阻性負(fù)載產(chǎn)生的電流波形與電壓波形不同相。功率因數(shù)是衡量有功功率的一個(gè)參數(shù)，是占有功與無(wú)功功率之和的比例。即使功率因數(shù)高達(dá)0.9，電網(wǎng)的利用率仍有高達(dá)11%的損失(圖1)。然而大量仍在服役的老舊設(shè)備的功率因數(shù)低到只有0.5(表1)。
圖1. 如果功率因數(shù)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(shù)字和圖表。
表1.3 常見(jiàn)電子設(shè)備的功率因數(shù)及對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)利用率余度
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設(shè)備 |
功率因數(shù) |
電網(wǎng)利用率余度 |
|
當(dāng)前的大屏幕、平面電視 |
0.96 |
4 |
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窗式空調(diào) |
0.90 |
11 |
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老式CRT彩電 |
0.70 |
43 |
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老式平面監(jiān)視器 |
0.64 |
56 |
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白色LED燈具 |
0.61 |
64 |
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老式筆記本電腦電源適配器 |
0.55 |
82 |
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激光打印機(jī) |
0.50 |
100 |
電子設(shè)備為非線(xiàn)性負(fù)載，是耗電量增長(zhǎng)的主要原因。非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生電流諧波，降低功率因數(shù)及電網(wǎng)效率。此外，分布式發(fā)電要求配電網(wǎng)成為動(dòng)態(tài)雙向系統(tǒng)?；谟脩?hù)的光伏發(fā)電和小型風(fēng)力發(fā)電在發(fā)電量超過(guò)用戶(hù)的當(dāng)前使用量時(shí)將電力回送給配電網(wǎng)。
根據(jù)配電網(wǎng)的歷史運(yùn)營(yíng)模型，電力公司竭力檢測(cè)和應(yīng)對(duì)各種條件的電網(wǎng)，例如分布式發(fā)電電網(wǎng)邊緣的電壓。
高故障成本
電力公司面臨用戶(hù)、行業(yè)組織以及監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求將可靠性事故降至最低的壓力。整個(gè)配電網(wǎng)中的電力線(xiàn)監(jiān)視器與自動(dòng)開(kāi)關(guān)裝置相協(xié)作，快速判斷異常工作條件、繞開(kāi)受災(zāi)區(qū)域并加快問(wèn)題解決4。
監(jiān)測(cè)也提供了寶貴的配電網(wǎng)邊緣數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)截止到2015年，次級(jí)變壓器的電力線(xiàn)監(jiān)測(cè)將超過(guò)傳統(tǒng)的電源變壓器市場(chǎng)(圖2)5。
圖2. 次級(jí)變壓器監(jiān)測(cè)市場(chǎng)增長(zhǎng)快速。感謝GTM Research提供數(shù)據(jù)和圖表。
智能監(jiān)測(cè)
電力線(xiàn)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(duì)形成的信號(hào)進(jìn)行緩沖和測(cè)量(圖3)。
圖3. 陰影區(qū)域表示電力線(xiàn)監(jiān)視器的電子元件6。
配電系統(tǒng)中，電力公司驅(qū)動(dòng)三相，各相之間彼此相差120°。在平衡負(fù)載條件下，100%的電流通過(guò)相線(xiàn)。如果中性線(xiàn)中存在電流，則說(shuō)明存在不平衡現(xiàn)象。不平衡現(xiàn)象可能說(shuō)明，比如說(shuō)，次級(jí)變壓器絕緣系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷。這就使得電力公司能夠按照計(jì)劃維修變壓器，節(jié)省應(yīng)急響應(yīng)成本，減少用戶(hù)不便。
歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053要求0.2級(jí)設(shè)備(典型適用于電力監(jiān)測(cè)儀)的測(cè)量誤差小于標(biāo)稱(chēng)電壓和電流的0.2%。功率因數(shù)測(cè)量要求相匹配電壓和電流采樣小于或等于0.1%。這些技術(shù)指標(biāo)需要嚴(yán)格匹配的數(shù)字化轉(zhuǎn)換器。模擬和混合信號(hào)IC制造商，例如Maxim Integrated，提供適合于這些測(cè)量的多通道ADC，通常允許以多達(dá)32路通道分組進(jìn)行同時(shí)采樣。
數(shù)據(jù)送至微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器，由后者準(zhǔn)確計(jì)算功率和功率因數(shù)。系統(tǒng)可通過(guò)安裝電容器組來(lái)修正功率因數(shù)，從而提供電網(wǎng)的總體利用率。保護(hù)裝置可利用功率數(shù)據(jù)快速觸發(fā)自動(dòng)斷路器。此類(lèi)系統(tǒng)也可利用相同的數(shù)據(jù)流閉合斷路器，將下行電力中斷的持續(xù)時(shí)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(shù)據(jù)來(lái)源于直接測(cè)量。數(shù)據(jù)來(lái)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(guān)于Maxim適用于PT/CT模塊的產(chǎn)品信息，請(qǐng)參考http://www.maximintegrated.com/solutions/distribution-automation/pt-ct-module/。
IEC是International Engineering Consortium, Inc.的注冊(cè)服務(wù)商標(biāo)。
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.
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