根據電力研究機構(EPRI)最近發表的研究報告，美國的大型工業設施每年由於電力問題所導致的損失超過1,000億美元，這類的電源問題包括了電力漂動和電壓擾動。當家裡的燈光出現閃爍現象時，頂多是造成令人不舒服的感覺。但是當工廠電源受到干擾時，則可能造成昂貴設備的故障或提早崩壞。
一些微妙的電力品質問題，常會通過傳統的保護網路而未被檢測出來，並逐漸讓設備的性能退化。此外，許多電力品質干擾的來源，是連接於該網路上的負載，它們會讓干擾被傳遞到相鄰的設施和建築物。為了克服電力品質的挑戰，就有必要對輸入及負載所產生的干擾進行監測。電力品質監測可以為設備提供適當的保護，並有助於找到適合的問題降低技術來提高電力品質。
如果相關業者能充分利用這類技術，則他們的昂貴基礎設施將可受惠於乾淨的電力和長使用壽命。
電源品質不佳引發眾多問題
所謂電力品質，指的是提供給公用設施客戶的電力上所出現的各種變異，包括了接線問題、接地問題、切換瞬變(Switching Transients)、負載變異、以及諧波產生等。在某些情況下，低品質電力可能無法被檢測出來，卻會損壞昂貴的設備。在歐洲，由電力網營運商所提供的電力品質資訊，是根據國家電力網碼(National Grid Codes)及歐洲標準(EN 50160)所制定的參考參數來加以定義的。
當供電電壓出現變形時，設備會接收到非正弦電流而導致許多技術問題，如過熱、故障、和過早老化等。非正弦電流也會讓網路設備，如變壓器和饋送纜線，出現熱和絕緣的問題。低品質電力最終會由於導致設備當機機率升高、維護需求增加、以及壽命縮短等因素，造成財務上的損失。本文中，將從工業設備的角度，分析低品質電力所能造成的影響，並討論如何最大化設備的健康狀態。
多重因素導致電力品質惡化
圖1a摘要了電力研究機構在美國各地的24家公用事業單位，進行配電品質調查所得到的結果。其中，大部分(85％)的電力品質事件，來自於電壓的瞬降(Sags)或瞬升(Swells)、諧波和接線、以及接地問題。圖1b則顯示了不同的歐洲電力品質調查結果，依其估計，歐盟25國的電力品質問題每年造成了超過1,560億美元(1,500億歐元)的財務損失。
在工業環境中，重負載的啟動和停止會導致電壓瞬降和瞬升，造成網路上的電壓超出標準工作狀態。由於大多數設備都是被設計為在一定的動作條件下工作，長時間的電壓瞬降或瞬升會導致當機和進程中斷。在現今的商業環境中，許多公司都在考慮或已經安裝了能現場產生的可再生能源，如太陽能和風能。在許多情況下，這些分散式的發電源會在電氣安裝中，要求到交換式電源。
隨著電力電子和交換式電源的日益普及，諧波將成為工業設備中電力品質問題的一個更常見的來源。這些類型的電源可能會將諧波帶入電力線路中，並降低電力品質，從而讓連結到此供應網路的所有東西都受到影響，包括變壓器和電纜。當網路元件過載時，設備管理者常可以察覺到大諧波電流的影響。在某些情況下，網路元件上總損失增加0.1％至0.5％，就會導致保護裝置跳閘。
其它可能導致電力品質變差的原因，還包括了相位的差分負載(Differential Loading of Phases)、不正確的接線及接地作法、負載交互作用、EMI/ EMC、以及大型反應式網路(Reactive Network)的切換等。圖2為導致電力品質惡化的常見原因。
IEC標準嚴密把關電力品質
為了應付及管理電力品質，必須找到可靠的監測和通報方法。業界所製訂的一些重要的相關標準，包括IEC 61000-4-30的class A及class S、諧波測量相關的IEC61000-4-7、以及閃爍(Flicker)相關的IEC61000-4-15。大多數公用事業都採用了這些電力品質標準，來製訂和執行相關的規定。在某些情況下，如果電力品質標準不符合規定，公用事業單位還可能會懲罰客戶。
業界標準不僅能為現實應用建立出電力品質上的共識，也讓用戶有信心，能夠取得正確的資訊來解決相關的問題事件。在電氣網路中，電壓瞬降、瞬升、閃爍，標稱額定值變異、以及由諧波引起的變形，都包含了和網路的電氣健康狀態相關的關鍵資訊。因此，測量的準確度，是提供可靠且可重複結果的關鍵因素。
現代化的電力品質裝置所提供的資訊，能用來評比整體系統性能、協助實施預防性維護、監控趨勢和狀態、評估網路性能和對進程設備的敏感性、並提高能源利用率。電力品質監測器網路可以安裝於供電系統上，藉由對其原始測量數據的彙整，可有助於關聯並識別出干擾源。電力品質監測器也可以整合到嵌入式設備設計中，以得到更高的整合度和控制。
透過機器的獨有電子簽名的取得，可以了解到該設備的整體健康狀況。數據分析和診斷所得到的結論，可以為下一代的保護演算法和產品的開發，提供可靠的參考依據，以提高電力品質。
如果設備已部署在工廠環境中，則可以利用電力品質分析曲線(Profile)來決定最佳的改善技術。例如，某印度工業設施的電力品質分析曲線，顯示出電壓和電流波形上的明顯變形。經過進一步的分析後，工廠內部安裝了混合電力因數(Hybrid Power Factor)校正系統。在安裝了新的校正系統後，功率因數從-0.5變化到+0.9，而總諧波失真(THD)也提高了50％。
整合型AFE簡化電力品質分析設計
在過去，設計高精度的電力品質分析儀需要相當高的技術，且通常要使用到分立式元件，並開發客製化的電力品質測量演算法。新一代的電力品質類比前端(AFE)，整合了一具有低漂移整體增益的高性能ADC以及DSP核心。這種整合型的AFE，降低了分立式設計方法及編寫客製化演算法的複雜性和成本(圖3)。
整合型AFE能計算並提供電力品質參數，如瞬降、瞬升、均方根(RMS)、相序錯誤(Phase Sequence Error)、以及功率因數值。此外，它也可以從輸入信號中獲取線路頻諧波(Line Frequency Harmonic)的含量。ADI所推出具全球領先水準的電力品質監測前端ADE9000(圖4)，能夠處理掉計算中的絕大部分的複雜性，並簡化了設計電力品質監測系統時，所需的時間和精力(圖5)。
大數據分析有助於實現能源智慧化
隨著工業環境中各設備間的連結變得越加緊密，以及物聯網部署的加快，分散式設備所提供的電力品質資訊，會以新方式被蒐集並運用。舉例來說，相關業者可透過歷史趨勢的分析，及早發現一個即將出現的問題。在網路內，來自多個節點的即時數據，可被用於干擾的識別和隔離。利用數據分析進行機器診斷、預防性的維護作業、以及故障負載的隔離等，都是減少進程中斷、增加設備壽命、以及延長正常運作時間的新方法。
全球的能源需求，預計以每年5%的速度成長。連結到電力網的設備，其規模和複雜度將持續增加，而電力品質的干擾也會隨之成比例增加。現代企業的成長，將越來越依賴於乾淨、可靠、且穩定供電的電能。透過新一代的電力品質監測技術，工業設備擁有者將可享受到較低的機器過早失效或損耗出現率，並從乾淨的電力中獲益。
