智能监测提高配电网可靠性

电网面临的挑战

在过去的一个世纪，配电网变化很小;然而，在过去的几十年中，用电量却大幅增加。据国际能源署(IEA®)估算，1973年至2010年间，全球电力需求从5.1PWh增长至17.9PWh (1015 Wh)。

配电基础设施的升级改造是非常昂贵的。根据美国爱迪生电气协会(Edison Electric Institute，EEI)的数据，新的架空配电线的费用为$86,700至$1,000,000 (USD)每英里2;地下配电线的费用则要三倍还多。电力公司自然渴望尽可能榨取已有配电网的每一分使用价值。

用户为有功功率买单——电压和电流波形的瞬时积。非电阻性负载产生的电流波形与电压波形不同相。功率因数是衡量有功功率的一个参数，是占有功与无功功率之和的比例。即使功率因数高达0.9，电网的利用率仍有高达11%的损失(图1)。然而大量仍在服役的老旧设备的功率因数低到只有0.5(表1)。

图1. 如果功率因数低于1.0，迫使电力公司要提供高于其有用功率的电流。感谢JAS Technical Media ©2013提供数字和图表。

表1.3 常见电子设备的功率因数及对应的电网利用率余度

电子设备为非线性负载，是耗电量增长的主要原因。非线性负载产生电流谐波，降低功率因数及电网效率。此外，分布式发电要求配电网成为动态双向系统。基于用户的光伏发电和小型风力发电在发电量超过用户的当前使用量时将电力回送给配电网。

根据配电网的历史运营模型，电力公司竭力检测和应对各种条件的电网，例如分布式发电电网边缘的电压。

高故障成本

电力公司面临用户、行业组织以及监管机构要求将可靠性事故降至最低的压力。整个配电网中的电力线监视器与自动开关装置相协作，快速判断异常工作条件、绕开受灾区域并加快问题解决4。

监测也提供了宝贵的配电网边缘数据。预计截止到2015年，次级变压器的电力线监测将超过传统的电源变压器市场(图2)5。

图2. 次级变压器监测市场增长快速。感谢GTM Research提供数据和图表。

智能监测

电力线监视器中，电压和电流变压器分别按比例提供各阶段每一相的电压和电流。监视器的模拟前端(AFE)电子装置对形成的信号进行缓冲和测量(图3)。

图3. 阴影区域表示电力线监视器的电子元件6。

配电系统中，电力公司驱动三相，各相之间彼此相差120°。在平衡负载条件下，100%的电流通过相线。如果中性线中存在电流，则说明存在不平衡现象。不平衡现象可能说明，比如说，次级变压器绝缘系统出现缺陷。这就使得电力公司能够按照计划维修变压器，节省应急响应成本，减少用户不便。

欧盟标准IEC 62053要求0.2级设备(典型适用于电力监测仪)的测量误差小于标称电压和电流的0.2%。功率因数测量要求相匹配电压和电流采样小于或等于0.1%。这些技术指标需要严格匹配的数字化转换器。模拟和混合信号IC制造商，例如Maxim Integrated，提供适合于这些测量的多通道ADC，通常允许以多达32路通道分组进行同时采样。

数据送至微控制器或数字信号处理器，由后者准确计算功率和功率因数。系统可通过安装电容器组来修正功率因数，从而提供电网的总体利用率。保护装置可利用功率数据快速触发自动断路器。此类系统也可利用相同的数据流闭合断路器，将下行电力中断的持续时间降至最小。

参考：

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的数据来源于直接测量。数据来源为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. 关于Maxim适用于PT/CT模块的产品信息，请参考http://www.maximintegrated.com/solutions/distribution-automation/pt-ct-module/。

IEC是International Engineering Consortium, Inc.的注册服务商标。

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.