استانداردهای خطای اندازه‌گیری THD برای سیستم‌های برق

خطای تحمل تحریف هارمونیک کل (THD): تجزیه و تحلیل جامع بر اساس سناریوهای کاربرد، دقت تجهیزات و استانداردهای صنعتی

محدوده قابل قبول خطا برای تحریف هارمونیک کل (THD) باید بر اساس زمینه‌های کاربرد خاص، دقت تجهیزات اندازه‌گیری و استانداردهای صنعتی قابل اعمال ارزیابی شود. در ادامه تجزیه و تحلیل دقیق شاخص‌های عملکرد کلیدی در سیستم‌های برق، تجهیزات صنعتی و کاربردهای اندازه‌گیری عمومی آورده شده است.

1. استانداردهای خطای هارمونیک در سیستم‌های برق

1.1 نیازمندی‌های استاندارد ملی (GB/T 14549-1993)

• THD ولتاژ (THDv):
  برای شبکه‌های برق عمومی، THDv مجاز ≤5% برای سیستم‌های با ولتاژ اسمی تا 110kV است.
  مثال: در سیستم رولاندن فولادخانه، THDv پس از اجرای اقدامات کاهش هارمونیک از 12.3% به 2.1% کاهش یافت و به طور کامل با استانداردهای ملی منطبق شد.

• THD جریان (THDi):
  THDi مجاز معمولاً بین ≤5% تا ≤10% متغیر است، بسته به نسبت بار مشتری به ظرفیت کوتاه مدار در نقطه اتصال مشترک (PCC).
  مثال: وارونگرهای فتوولتائیک متصل به شبکه باید THDi را زیر 3% حفظ کنند تا با نیازمندی‌های IEEE 1547-2018 مطابقت داشته باشند.

1.2 استانداردهای بین‌المللی (IEC 61000-4-30:2015)

• وسایل کلاس A (با دقت بالا):
  خطای اندازه‌گیری THD باید ≤ ±0.5% باشد. مناسب برای نقاط اندازه‌گیری مصرف کنندگان برق، نظارت بر کیفیت برق در زیرстанسیون‌های انتقال و حل اختلافات.

• وسایل کلاس S (اندازه‌گیری ساده):
  میزان تحمل خطا می‌تواند به ≤ ±2% آزاد شود. قابل استفاده برای نظارت صنعتی معمولی که دقت بالا ضروری نیست.

1.3 رویکردهای صنعتی

• در سیستم‌های برق مدرن، دستگاه‌های نظارت با دقت بالا (مانند CET PMC-680M) معمولاً خطای اندازه‌گیری THD را در محدوده ±0.5% حفظ می‌کنند.

• برای یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر (مانند پارک‌های بادی یا خورشیدی)، THDi معمولاً باید ≤ 3%–5% باشد تا آلودگی هارمونیک به شبکه را جلوگیری کند.

2. خطاهای تجهیزات صنعتی و وسایل اندازه‌گیری

2.1 دستگاه‌های صنعتی

• کنتورهای چندکاره برق (مانند HG264E-2S4):
  قادر به اندازه‌گیری هارمونیک‌ها از مرتبه ۲ تا ۳۱، با خطای THD ≤ 0.5%. به طور گسترده در صنایع فولاد، شیمی و تولید استفاده می‌شود.

• تجهیزات تحلیل قابل حمل (مانند PROVA 6200):
  خطای اندازه‌گیری هارمونیک ±2% برای مرتبه‌های ۱-۲۰ و ±4% برای مرتبه‌های ۲۱-۵۰ است. مناسب برای تشخیص‌های میدانی و ارزیابی‌های سریع محلی.

2.2 تجهیزات آزمایشی تخصصی

• تجهیز تحلیل ولتاژ/جریان هارمونیک (مانند HWT-301):

• هارمونیک‌های ۱ تا ۹: ±0.0%rdg ±5dgt

• هارمونیک‌های ۱۰ تا ۲۵: ±2.0%rdg ±5dgt
  مناسب برای استفاده در آزمایشگاه‌ها، آزمایشگاه‌های کالیبراسیون و وظایف تأیید دقت بالا.

3. منابع خطا و اقدامات بهینه‌سازی

3.1 منابع اصلی خطا

• محدودیت‌های سخت‌افزاری:
  دقت نمونه‌برداری ADC، تغییرات دما (مانند ضریب افت ADC ≤5 ppm/°C) و عملکرد فیلتر به طور قابل توجهی بر دقت تأثیر می‌گذارند.

• نقص‌های الگوریتمی:
  انتخاب نامناسب پنجره FFT (مانند پنجره مستطیلی که باعث نشت طیفی می‌شود) و برش هارمونیک (مانند محاسبه فقط تا مرتبه ۳۱) خطاهای محاسباتی ایجاد می‌کنند.

• داخل‌دادهای محیطی:
  داخل‌دادهای الکترومغناطیسی (EMI >10 V/m) و نوسانات تأمین برق (±10%) می‌توانند باعث انحراف اندازه‌گیری شوند.

3.2 استراتژی‌های بهینه‌سازی

• 冗余硬件：
  使用双通信模块和冗余电源以消除影响数据完整性的单点故障风险。

• دینامیک کالیبراسیون:
  با استفاده از منابع استاندارد (مانند Fluke 5522A) به طور فصلی کالیبراسیون انجام داده تا دقت بلندمدت در محدوده تعیین شده حفظ شود.

• طراحی مقاوم در برابر EMI:
  در محیط‌های با داخل‌دادهای با فرکانس بالا، CRC-32 + کد همینگ دوگانه برای افزایش قابلیت اطمینان داده و استحکام انتقال پیاده‌سازی شود.

4. مثال‌های معمولی خطاهای اندازه‌گیری THD

5. خلاصه

• محدوده‌های استاندارد: در سیستم‌های برق، THDv معمولاً به ≤5% و THDi به ≤5%–10% محدود می‌شود. دستگاه‌های با دقت بالا می‌توانند خطای اندازه‌گیری را در محدوده ±0.5% حفظ کنند.

• انتخاب تجهیزات: در مواردی که دقت بالا لازم است (مانند نقاط اندازه‌گیری مصرف کنندگان برق) از دستگاه‌های کلاس A و در نظارت صنعتی معمولی از دستگاه‌های کلاس S استفاده شود.

• کنترل خطا: دقت بلندمدت اندازه‌گیری می‌تواند از طریق سخت‌افزارهای پشتیبان، کالیبراسیون دینامیکی منظم و طراحی مقاوم در برابر EMI در محدوده قابل قبول حفظ شود.