کیفیت توان تعاریف، شاخص ها، استانداردها و ضرورت های آن

مطالعه و ارزیابی کیفیت توان

مطالعه کیفیت برق چیست
مطالعه کیفیت توان یک تحلیل سیستماتیک برای شناسایی مسائل مربوط به کیفیت برق، جستجوی علل ریشه‌ای و توصیه‌هایی برای بهبود سیستم الکتریکی است. این مسائل مانند نویزها، هارمونیک ها، نویز فرکانس بالا، ولتاژهای گذرا، اعوجاج شکل موج، اینتراپت ها، تغییرات فرکانس و... هستند. همچنین مطالعات کیفیت توان به معنای یک رویکرد متمرکز و سیستماتیک برای حل مشکلات پیچیده در یک سیستم قدرت است و عملکرد سیستم الکتریکی و بارها را بالا می برد.

خسارات اقتصادی ناشي از کاهش ولتاژ در تعدادی مرکز صنعتي در جهان 

تعریف کیفیت برق
اصطلاح کیفیت توان از اواخر دهه 1980 به یکی از پرکاربردترین کلمات در صنعت برق تبدیل شده است. این اصطلاح یک مفهوم کلی برای انواع اختلالات سیستم قدرت است. مسائلی که در این دسته قرار می گیرند لزوماً جدید نیستند. چیزی که جدید است این است که مهندسان در حال حاضر تلاش می کنند به جای اینکه مانند گذشته مشکلات را به صورت جداگانه مدیریت کنند، به عنوان یک رویکرد سیستمی با این مسائل برخورد نمایند.
کیفیت توان معیاری است که نشان می دهد یک سیستم تا چه اندازه از عملکرد قابل اعتماد بارهای خود پشتیبانی می کند. یک اختلال یا رویداد برق می تواند شامل ولتاژ، جریان یا فرکانس باشد. اختلالات برق می تواند در سیستم های برق مصرف کننده، بار مصرف کننده یا شبکه برق ایجاد شود.
در بررسی و تجزیه و تحلیل کیفیت توان باید در نظر داشت که کیفیت توان بیشتر متوجه ولتاژ است تا توان یا جریان.  زیرا منبع تغذیه فقط می تواند کیفیت ولتاژ را کنترل کند و هیچ کنترلی روی جریانی که بارهای خاص ممکن است بکشند ندارد. بنابراین، استانداردهای حوزه کیفیت توان به حفظ ولتاژ منبع تغذیه در محدوده های معین تمرکز دارد.
البته همیشه در عمل در یک سیستم قدرت رابطه نزدیکی بین ولتاژ و جریان وجود دارد. زیرا با اینکه ژنراتورها ممکن است ولتاژ موج سینوسی کاملی را ارائه دهند، جریان عبوری از امپدانس سیستم می تواند باعث ایجاد اختلالات مختلفی در ولتاژ شود. مثلا

1. جریان حاصل از اتصال کوتاه، حسب مورد باعث کاهش یا ناپدید شدن کامل ولتاژ می شود.
2. جریان های صاعقه ای که از سیستم قدرت می گذرد باعث ایجاد ولتاژهای ضربه ای می شود که اغلب منجر به پدیده هایی مانند اتصال کوتاه می شود.
3. جریان های اعوجاجی ناشی از بارهای تولید کننده هارمونیک نیز ولتاژ را هنگام عبور از امپدانس سیستم خراب می کند. بنابراین یک ولتاژ اعوجاجی به کاربر نهایی ارائه می شود.

بنابراین، در حالی که این ولتاژ است که در نهایت به آن توجه می کنیم، باید به پدیده هایی در جریان نیز بپردازیم تا اساس بسیاری از مشکلات کیفیت توان را درک کنیم.

استانداردهای کیفیت توان
در حالت ایده آل ولتاژ ها و جریان ها باید در تمام نقاط کاملا سینوسی با فرکانس ثابت، مقدار موثر ثابت و بدون تغییرات لحظه ای باشد. اما ایجاد چنین شرایطی اگر محال نباشد، نیاز به سرمایه گذاری هنگفتی دارد که در صنعت قابل توجیه نیست. از این رو شرکت های استاندارد بین المللی تلاش کرده اند تا به یک تعریف مشترک و تفاهمی همه جانبه بین مصرف کنندگان و توزیع کنندگان برسند. از جمله تعریف آنها در استاندارد های توانیر، IEEE و IEC
استاندارد «مشخصات و خصوصيات انرژي الكتريكي (كيفيت برق)» كه پيش نويس آن توسط وزارت نيرو- سازمان توانير- معاونت پژوهشي- دفتر استانداردها و در كميسيون مربوطه تهيه و تدوين شده و طي بخشنامه شماره ۱۰۰/۳۰/۷۰۱۰ مورخ ۱۰/۲/۸۱ مقام محترم وزارت قرار گرفته، به استناد بندهاي مربوطه در قانون تاسيس وزارت نيرو (سال ۱۳۵۳)، قانون سازمان برق ايران (سال ۱۳۴۶) و قانون برنامه سوم توسعه اقتصادي و اجتماعي و فرهنگي ايران بعنوان استاندارد صنعت برق ايران منتشر شده است.
در IEEE،  کیفیت توان به صورت «مفهوم توان دهی و اتصال زمین تجهیزات حساس به شکلی که برای کارکرد آن تجهیزات مناسب باشد» تعریف می شود.
کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC)  کیفیت توان را به عنوان مجموعه ای از پارامترها تعریف می کند که ویژگی های منبع تغذیه تحویل شده به کاربر را در شرایط عملیاتی عادی از نظر تداوم تغذیه و ویژگی های ولتاژ (میزان، فرکانس، شکل موج) تعیین می کند. 

استاندارد توانیر 
استاندارد «مشخصات و خصوصيات انرژي الكتريكي (كيفيت برق)» مشتمل بر قسمتهاي ذيل است :
قسمت اول – كليات
قسمت دوم – حدود مجاز هارمونيك ها
قسمت سوم – فلش و قطعي ولتاژ
قسمت چهارم – تغييرات ولتاژ و فركانس
قسمت پنجم – پايداري و پديده هاي گذرا
قسمت ششم – زمين كردن
قسمت هفتم – كيفيت برق تحويلي به انواع مشتركين
قسمت هشتم – مشخصات فني وسايل اندازه گيري و معيارهاي انتخاب آنها
قسمت نهم – دستورالعمل اندازه گيري كيفيت برق، بازرسي و اطمينان از كيفيت آن

استانداردهای کیفیت برق IEEE
چندین نوع استاندارد کیفیت توان الکتریکی توسط IEEE منتشر شده است.
IEEE SCC-22  کمیته هماهنگی استانداردهای کیفیت توان
IEEE 1159 نظارت بر کیفیت توان الکتریکی
IEEE 1159.1 راهنما و الزامات ضبط و ذخیره‌سازی دادهها
IEEE 1159.2 توصیف پدیده‌ی کیفیت توان
IEEE 1159.3 فرمت فایل داده‌ها برای تبادل داده‌های کیفیت توان
IEEE P1564 شاخص های فرورفتگی ولتاژ
IEEE 1346 سازگاری سیستم قدرت با تجهیزات پردازش
IEEE P1100 برقدار و زمین کردن تجهیزات الکترونیکی
IEEE 1433 تعاریف کیفیت توان
IEEE P1453  فلیکر ولتاژ
IEEE 519 کنترل هارمونیک در سیستم های قدرت الکتریکی
IEEE P519A راهنمای اعمال محدودیت های هارمونیک در سیستم های قدرت
IEEEP446 منبع تغذیه اضطراری و آماده به کار
IEEEP1409  توزیع توان با شرایط خاص
IEEEP1547  توزیع گسترده و اتصالات درون شبکه‌ای سیستم‌های قدرت 

استانداردهای کیفیت برق IEC
IEC 61000-4-11 ایمنی فرورفتگی ولتاژ-16 آمپر و یا کمتر
IEC 61000-4-34 ایمنی فرورفتگی ولتاژ- بیشتر از16 آمپر
IEC 61000-4-30 روش‌های اندازه‌گیری کیفیت توان 

شاخص های کیفیت توان
انواع پدیده ها (شاخص های) کیفیت توان عبارتند از:

• گذراها (موج ضربه گذرا، موج ضربه نوسانی)
  گذرا زمانی اتفاق می‌افتد که سنبله‌ها روی یک موج سینوسی ولتاژ یا جریان قرار می‌گیرند که دامنه آن از چند ولت تا چند هزار ولت متغیر است. 

• تغییرات بلند مدت ولتاژ
  به تغییرات در مقدار موثر ولتاژ گفته می شود که برای بیشتر از یک دقیقه تداوم داشته باشد
  تغییرات بلند مدت ولتاژ به یکی از سه صورت زیر باشند :
  - اضافه ولتاژ بلند مدت
  - کاهش ولتاژ بلند مدت
  - قطعی ولتاژ بلند مدت

• تغییرات کوتاه مدت ولتاژ
  به تغییراتی در مقدار موثر ولتاژ گفته میشود که مدت تداوم آن کمتر یا برابر یک دقیقه باشد.
  - تغییرات کوتاه مدت ولتاژ میتواند به یکی از سه صورت زیر باشند:
  - برآمدگی ولتاژ کوتاه مدت: افزایش ولتاژ موثر به اندازه ۱۰% تا ۸۰%
  - فلش (افتادگی) ولتاژ : کاهش ولتاژ موثر به اندازه ۱۰% تا ۹۰%
  - قطعی ولتاژ کوتاه مدت : ولتاژ موثر کمتر از ۱۰%

• عدم تعادل ولتاژ
  نامتعادلی ولتاژ وقتی پیش می آید که دامنه ولتاژ سه فاز با همدیگر مساوی نبوده و یا اختلاف فاز آنها ۱۲۰ درجه نباشد.

• فلیکر ولتاژ
  تغییرات دامنه ولتاژ با فرکانس یک الی سی هرتز که باعث سوسو زدن منابع روشنایی و تاثیر نامناسب در چشم انسان میشود و مقدار آن با دو شاخص شدت فلیکر کوتاه مدت و شدت فلیکر بلند مدت مشخص میگردد.

• تغییرات فرکانس
  هر کاهش یا افزایش فرکانس از فرکانس نامی را تغییر فرکانس گویند.

• اعوجاج ها
  انواع اعوجاج شکل موج ها در شبکه های برق عبارتند از :
  - هارمونیک ها
  - هارمونیک های میانی
  - نویز
  - شکاف (بریدگی)

چرا ما به مطالعه کیفیت توان نیاز داریم
پیشرفت های اخیر در فناوری باعث افزایش نفوذ بارهای غیرخطی در سیستم های قدرت شده است. کامپیوترهای مورد استفاده در ادارات، مبدل ها و  VFD استفاده شده در صنعت از جمله بارهای غیرخطی هستند. حتی در مناطق مسکونی بسیاری از تهویه مطبوع با تنظیم اینورتر استفاده می کنند. این دستگاه ها منبع انتشار هارمونیک هستند. که باید با اقدامات اصلاحی شناسایی، مطالعه و تصحیح شود تا در هزینه های مصرف برق صرفه جویی و استانداردهای شهری رعایت شود.
در مصارف صنعتی افت و کاهش کیفیت توان باعث کاهش سرعت تولید، افزایش مصرف انرژی، هزینه های مصرف انرژی راکتیو، توقف تولید، آسیب دیدن تجهیزات، بیکاری پرسنل، کاهش طول عمر تجهیزات، از دست رفتن داده ها و... می شود.
در واقع دلیل نهایی اینکه ما به مطالعه کیفیت برق نیاز داریم، ارزش اقتصادی آن است. کیفیت برق می تواند تأثیر اقتصادی مستقیمی بر بسیاری از مصرف کنندگان صنعتی داشته باشد. اخیراً تأکید زیادی بر احیای صنعت با اتوماسیون بیشتر و تجهیزات مدرن تر می شود. ممکن است قطع برق به صورت معمولی و یا لحظه ای منجر به ضرر هزاران دلاری برای یک شرکت صنعتی متوسط با خاموش کردن خط تولیدی شود که برای راه اندازی مجدد آن به 4 ساعت زمان نیاز است.
در کل برای مشتریان، تاثیر اقتصادی اختلالات برق می تواند از چند صد دلار برای تعمیر و یا جایگزینی لوازم خانگی تا میلیون ها دلار در ازای خسارت در خط تولید و ... باشد.
در مقابل بهبود کیفیت قدرت باعث کاهش ریسک، افزایش بهره وری، کاهش هزینه های انجام کسب و کار و بهبود خط مشی می شود.
تجزیه و تحلیل سیستم قدرت، علت اصلی این مسائل را ارزیابی می کند، سپس راه حل های مقرون به صرفه ای را توصیه می کند که شامل بهبود زمین، حفاظت از نوسانات، تهویه برق، منابع تغذیه بدون وقفه و فیلترهای هارمونیک می شود.  بنابراین، اهمیت کیفیت توان الکتریکی (کیفیت برق) مساله‌ای غیرقابل انکار است.

چگونه مطالعات کیفیت توان را انجام دهیم
بررسی کیفیت برق در تجارت و صنعت عبارتند از:
   - نصب و نظارت بر ابزار کیفیت توان مانند پاورآنالایزرها برای ثبت و جمع آوری داده ها در شرایط عملیاتی
   - تجزیه و تحلیل داده ها برای شناسایی علل ریشه ای مشکلات کیفیت برق
   - مراجعه به IEEE 141، IEEE 399 و IEEE 519 هنگام انجام مطالعات کیفیت توان 

روش مطالعه مختصر کیفیت توان

به طور خلاصه، روش مطالعه کیفیت توان شامل موارد زیر است:

1. نظارت از طریق تجهیزات کیفیت توان
   تجهیزات کیفیت توان مانند پاورآنالایزرها  در مکان‌های کلیدی در سراسر منطقه مورد مطالعه نصب می‌شوند. این دستگاه ها به گونه‌ای برنامه‌ریزی شده‌اند که هر پارامتر کیفیت توان را برای یک یا چند پریود از فعالیت‌های روزمره تاسیسات ثبت کنند.

2. شناسایی منابع انتشار هارمونیک
   هنگامی که اطلاعات در مدت زمان کافی ثبت شدند، به طور کامل تجزیه و تحلیل می شوند و الگوهای تولید پارامترهای کیفیت توان مورد مطالعه قرار می گیرند. توان پس از ارزیابی داده های ثبت شده ممکن است مشاور و مهندسان کیفیت، اقدام اصلاحی را در این مرحله پیشنهاد بدهند.

3. مدل سازی و شبیه سازی
   سیستم قدرت مورد بررسی با استفاده از برنامه استاندارد صنعتی Electrical Transient and Analysis Program (ETAP) مدل‌سازی می‌شود و یک سناریوی کامل «بدترین حالت» مسائل کیفیت توان روی نرم‌افزار شبیه‌سازی شده است.

4. طراحی یک طرح کاهش مناسب
   سپس تجزیه و تحلیل با ابزارهای تحلیل کیفیت توان در ETAP برای طراحی بهینه، مقرون به صرفه و کارآمد طرح کاهش کیفیت توان ضعیف برای تاسیسات استفاده می شود. 

ابزارهای اندازه گیری کیفیت قدرت
ابزارهای مختلفی برای اندازه گیری کیفیت توان و در نتیجه تجزیه و تحلیل آن وجود دارد که هر کدام هدف منحصر به فرد خود را دنبال می کنند. آنالایزرهای کیفیت برق (پاورآنالایزرها) رایج‌ترین ابزار مورد استفاده برای مشاهده قرائت‌های برخط و همچنین جمع‌آوری داده‌ها با سرعت بالا برای دانلود در رایانه هستند.
اغلب اوقات اختلالات برق غیرقابل پیش بینی  هستند به همین خاطر فقط با استفاده از یک میتر کیفیت برق (PQM) نصب شده در طی چند روز، هفته یا ماه قابل ثبت است. 
چرخه زمانی است که شکل موج از خط صفر به سمت قله مثبت خود، بازگشت به اوج منفی خود و سپس بازگشت به صفر طول می کشد. کنتورهای کیفیت توان می توانند دستگاه هایی با سرعت بسیار بالا باشند که برای ثبت رویدادها تا سطح زیر چرخه طراحی شده اند. 
نوع میتری که باید نصب شود به داده هایی که قرار است اندازه گیری شود بستگی دارد اما برخی از پاورآنالایزرها امکان اندازه گیری و ثبت اکثر پارامترهای کیفیت توان در به صورت یکجا را دارند و نیازی به نصب چند تجهیز وجود ندارد.

توجه: انتشار یا اشتراک محتوا با ذکر منبع بلامانع می باشد