了解如何监控、分析供电质量以及如何修正问题分配系统的基本知识。
控制工程师也许会天真地认为，设备管理者会像变魔术般为他们搭建好的自动化系统提供数量充足、质量上乘的电能。但事实是，这些自动化系统很可能会打乱电力分配体系的平衡状态，并降低供电质量。同时，控制工程师时常会过分追求供电质量，从而心生报怨。
因此，对控制工程师而言，了解一些监控、分析供电质量以及修正问题分配系统方面的基本知识是很有必要的。
正如独立供电系统分析师Gerald Hajek所言：“供电分析需要将几乎所有与电力有关的东西考虑在内，上到一个发电站，下到一节装在直流设备内的电池。做供电分析时，需要将我们的预计与实际情况作比较，或者将我们遇到的问题与引起问题的原因放在一起分析。”
Fluke公司主管供电质量方面产品的市场经理Frank Healy指出：“谐波往往不是引起问题的罪魁祸首。当设备莫名其妙出现故障时，往往是由电压跳变所造成。导致电压跳变的原因可能是电机启动、工作模式切换、断路等等……”
Eaton公司负责供电质量解决方案的主管Dan Carnovale说：“除此之外，还包括能源管理和运转效益方面的问
Eaton公司软件及测量组的高级商业经理Brandon Ekberg说：“控制整个电力分配体系就是我们所谓的‘电源链管理’。其目的旨在为客户提供工具、设备和服务，帮助他们优化电源链。基本的电源链管理包括了一个设备监控装置，用来掌握电流状况、系统的危险承受能力以及运输损耗承受能力。”
Carnovale说：“许多人都把谐波作为首要问题看待。不可否认，谐波确实是一个重要的问题。但事实上，影响供电质量的主要因素有4个，谐波只是其中之一。另外3大因素是瞬态跳变、电压变化（电压下降、电压中断、电压增大）以及接地影响。”
我们只有将供电异常的问题量化，才可能知道它们产生的原因，进而提出改进措施。量化要由测量来完成。简单地收集一些表面现象是不够的。你无法知道问题的严重程度以及持续时间。如果不把现象量化处理，很难提出改进。
只有用专门的记录设备作测量才算得上量化。我们所指的测量强调要用到“记录设备”，这种设备在一长段时间内获取供电异常状况，等待后续分析。
第一步：测量
Ekberg说：“通过测量能够掌握供电质量的详细情况。你需要得到基本信息以及异常信息，从而在采取改进措施之前掌握供电情况。”
如果正常情况下电压值为恒定的480V，那么有两个变量反映了电压的偏移程度：偏移幅度和偏移持续时间。这种偏移会对后级设备产生各种影响。有时候，电压偏移可能会造成电源自行切断或其他负面影响。长时间电压过高或过低可能引起电机过热。
Healy表示：“我们正寻找采用开放式方案的用户。他们采用所谓的基准测试，安装设备之前先进行测量，然后再分析新设备安装之后可能带来的影响。”
安装监控设备顺应了Julius Caesar的“分割解决”策略。当设备发生故障时，我们可以在故障设备周围安装一个或多个监控装置，用以发现问题。但是，若要监控电力分配体系的整体健康状况，首先需要关注主功能面板。然后，你可以为各种各样的负载安装监控设备，并一级一级向后延伸。
Healy说：“据我们所知，许多用户采用了大量监控设备。他们的工作就是把一大堆监控设备安置在系统的各个部分，过3到4天后取下它们。上周，我接触了一位客户，他使用了至少12台监控装置来观察系统的电源输入部分以及每一个负载上的供电情况。”
监控装置采集电压输入信号和电流输入信号。对于电压信号，监控三相电需要占用五个输入端：地线、零线以及3个电压相位。一般而言，对电流信号的监控也应该如此。Healy推荐至少对4组电流进行测量。测量零线电流非常必要，它能够显示谐波的影响，因此需要反复测量。
供电监控装置采用高阻抗模拟电压放大器采集电压数据，从而最大程度地减轻它对电力分配系统的影响。测量电流时，监控装置采用可夹断传感器来感应相位线、地线和零线周围的磁场。
一般情况下，监控装置靠电流转换器(CT)接收导线周围变化的磁场，从而间接接收变化的电流。CT按照法拉第电磁感应定律接收导线上的电流：
其中E代表CT次级绕组感应到的电动势(EMF)，k是一个与CT结构有关的常数，I代表变流器线圈上流过的电流，t代表时间。
显然，CT只能反映变化的电流，不能用来测量直流电流。法拉第定律同时证明EMF的幅度随频率变化，因此CT会使包含谐波的波形发生扭曲。
我们可以使用霍尔效应电流夹测量直流电流或者交流电流中的直流分量。霍尔效应传感器中装有名为霍尔效应磁力计的半导体芯片。这种芯片直接反映磁场大小。因此，它既可以测量直流电流又可以测量交流电流，并 且能真实地还原受到谐波影响的波形。
Healy说：“我们最简单的产品就是一个带插头的小玩意儿。只要将它插入标准插座中，就可以用来寻找电流跳变，同时测量均方根电压。你可以看到负载开关的切换对供电系统的影响。还可以看到他们对控制设备、个人电脑或者其他负载设备的影响。”
在高端产品方面，有一种三相监控装置，用来采集更全面的数据信息。除了测量电压以外，这种装置还可以用来测量谐波，并将波动、相位变换以及其他表征电力分配体系质量的重要参数量化处理。
Healy指出：“重要的是，我们不能仅仅采集瞬时数据。数据需要至少覆盖连续的24个小时（或一个工作日），最好能够延长到7天。许多情况下，采集的时间还会更长。”
他还说：“在做谐波分析时，我们取一个谐波的平均值，然后在10分钟左右的一段时间内寻找谐波的最大值和最小值。这样做能够得到一系列测量结果。然后，我们进行后续研究，看看安装了新设备会带来什么变化。我们会花几天甚至几周的时间作记录，然后分析这段时间内的谐波变化趋势。”
典型电力监测系统
安装供电监控设备时使用了“分割解决”策略。从接入点开始，逐级监控每一个分支、
每一个负载设备
。 在某些位置，你可能需要永久安装监控设备，
以便建立监控记录并注意那些可能越发严重的问题。
从原始数据到可用信息
采集到的数据在经过分析、处理之后，才可能变成有用数据。工程师采用三种方法将原始数据转化为有用信息。
■ 内部转换——大多数的电力监控装置带有内部数据存储器，许多还带有内建分析软件。这些软件拥有基本的人机界面，用来帮助用户快速分析数据并得出结论。
■ 本地上传——监控装置可以把采集到的数据上传到一台主机上，以备后续分析。通常情况下，这一操作通过内建USB或其他短程连接设备实现，当然也可以用记忆棒实现。
■ 网络连接——越来越多的监控装置能够通过以太网之类的本地网络(LANs)上传数据。这样，用户就可以把监控设备永久安装在设备功能面板后面的机柜内或是安装在控制回路中。工程师可以在他们的工作站上运行专门的软件，通过网络定期上传、保存并播报数据。
在那些相对复杂的电力分配系统中，监控装置往往散布在各个角落。这种情况下，异常报告就可以经过筛选再传递给工程师作进一步分析。主机上的软件可以发现系统中不同位置的关联效应，甚至可以自行推断造成这种效应的根源。
电力系统异常的影响
第二步：分析
Eaton的Carnovale说：“监控装置可以通过截取波形、采集电流和采集功率变化趋势的手段帮助你分析问题所在。”那些能够反映出问题的波形可以通过高级触发模式捕捉。这些问题涵盖了电压下降、电机启动时的电涌、由放电等情况引起的瞬态变化以及诸如谐波之类的稳态异常。
举个例子来说，如果电压低于正常值，你可能观察到灯光闪烁、变频器关闭、计算机失灵等现象。你会马上尝试把这些定性情况与监控装置采集到的事件关联起来。
假设输入电压下降到正常值的80%并持续10个周期，即1/6秒。这可能会引起指示灯闪烁，但不一定会引起变速驱动器停转。有些负载设备可能会停止工作，另一些则不会。
如果电压进一步下降到正常值的50%并同样持续10个周期，那么电机的接触器和驱动器以及高亮度照明设备就可能停止工作。更严重的情况可能会危及整个系统的供电。
你需要根据实际要求来看待这些问题。不管是从提高能源利用率的角度看，还是从节约开支的角度来看，了解用电时的高峰状况可以帮助你找到降低它的方法，同时避免系统超负荷运行。
从可靠性角度来看，如果你在系统中增加了过多容易引入谐波的设备，造成谐波肆意，就可能引起设备过热以及变压器损坏。运行在工作站上的软件可能会记录下这类现象。
Hajek顾问指出：“我首先要做的事情就是谐波分析。除此之外还有什么方法呢？我很喜欢在设备运行情况下观察零线和地线间的电压信号。我还会留意负载设备与电源之间有多远得距离。换句话说，我们是在对一个距离电源400到500英尺远的设备作分析，还是在对一个距离电源50英尺远的设备作分析。”
分布在电力分配系统各个角落的监控装置将数据筛选后送入中央数据库。
之后，电力监控及分析软件会帮助工程师了解各种的情况。
第三步：改进
在对供电系统作改进时，控制工程师听到最多的建议是为驱动装置增加滤波器。其实，只有当问题由驱动装置自身引起时，这才是一个好的建议。而且，这样做也仅有助于排除谐波干扰。
正如Fluke的Healy在文章开始处就提到的，谐波不是问题的罪魁祸首。普遍情况下，电压下降、瞬态跳变和接地是问题所在。
Hajek说：“我告诉所有人的第一件事情就是尽量降低整个回路的感抗值和容抗值。”
你也可以通过精心挑选变压器和发电机来降低感应阻抗。低阻抗设备的价格可能会贵一些，但是它们能减少供电质 量问题所引起的麻烦。
尽量使用高电压低电流。把电流降低后，你就可以比较细的导线了。细导线每英尺的感应阻抗比粗导线小。在相同的传输距离内，采用细导线可以得到较低的感应阻抗。
当然，你可以通过缩短导线长度降低总阻抗，也就是通过精心布置走线使传输距离达到最短。缩短走线长度同时可以获得一定的经济效益。
但是，这样的布置可能与整洁、人性化的安装要求之间存在矛盾。适当合并一些走线以简化传输线路并且避免安全隐患是极为重要的。对大多数设计来说，就是要寻求一个最佳的折衷方案，让走线长度符合其他的设计要求。
Hajek同时强调要对每一条支路运用独立的零线。他说：“当我谈到这些时，哀叹和抱怨之声不绝于耳，因为这样做势必会提高布线成本。但是这样做最终会节约总成本。”
说到底，并不存在一种适用于任何情况的完美解决方案。Hajek说：“在这个行业中，最困难的问题是无法在一个小时或者半个上午之内就得到解决。对于这样的问题，可能要潜心研究上一段时间才能找到解决方案。”
要想取得成功，你所做的分析必须基于基本的物理原理。电磁学方面的原理告诉你采用细导线可以降低电抗；电化学方面的原理告诉你接地会影响电路。在
Eaton的Ekberg假设说：“如果有一台机器偶尔停止工作，而你发现PLC正在经历重启。对这台PLC的输入电能实施监控的装置可能会显示电压巨变，超出了PLC的承受能力。相应的改进方案就是在控制机柜中安置一个小型的持久电源。这样可以保证为PLC提供纯净的电源，即使在主电源断开几秒钟的情况下也不例外。”
Hajek说：“只有当某些设备没有按照预计情况工作时，才需要作供电分析。分析者必须仔细比较预计情况与实际情况间的区别。正因为两者间存在不同，才需要改进。”
Ekberg指出：“如果一间金工车间发生了供电故障，可能会损失5到10分钟的生产时间，问题还不算大。但是，如果这样的事情发生在一家硅片制造工厂，问题就很不一样了。一次严重的供电故障可能会让所有设备停摆，造成百万美元的损失。当我们着手处理电力分配问题时，有必要了解一下这一问题可能引起的后果。”
