电能质量监测系统 -   
        科学园区电能质量监测系统建立与网际网路应用之介绍
 
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   前言
   前端监测系统组成
       新竹科学园区电压骤降监测系统
       台中科学园区电压骤降监测系统
       台南科学园区电压骤降监测系统
       高雄科学园区电压骤降监测系统
   电压骤降SQL资料库相量与骤降资料结构
       相量数据表
       骤降数据表
   网页程式应用
       浏览即时监视 ( 观察即时电气量 )
       浏览历史趋势 ( 事后分析历史相量数据 )
       浏览分析统计 ( 电压骤降资料统计与分析 )
       浏览压降记录 ( 事后分析动态录波数据 )
       浏览故障文件 ( 事后分析动态录波数据 )
       系统管理 ( 设定网站系统的运行参数及相关管理工具 )
       系统条件 ( 说明 ADX PowerWeb 网站设置条件 )
       骤降事故触发警示
       Email 传送压降事故索引
       手机简讯传送压降讯息
   电压骤降标准
 
 前言

高科技科学园区供电系统提供大部分高产值半导体产业生产控制设备之电源。 由于其生产设备对电源具有高灵敏度之特性,往往因供电品质问题造成生产线停顿而蒙受重大损失, 导致电力公司与用户间起争议。

近年来,寻求改善半导体业电压骤降之冲击亦为全球研究电能质量问题之焦点。 美国电力研究院(EPRI)更于PEAC(Power electronics applications center)成立电能质量工作小组, 推动半导体业电压骤降问题研究。台湾电力公司也成立「高科技工业电能质量管理及改善专案小组」 专责推动高科技工业电能质量管理及改善专案相关工作。

对于特定供电地区电压骤降之发生时间、大小及频度等统计资料,需有系统长期监录分析, 以作为提供厘清事故责任、规划供电网路,以及安装改善设备之参考。本系统系依台电规划, 主要整合不同的系统与技术,建立科学园区电能质量监测系统与资料库,利用网际网路技术, 进行电能质量监测资料之传输与监录分析,透过 SQL 资料库与网页伺服器, 使公司内各单位透过企业网路(Intranet),对资料库所搜集之高科技科学园区骤降资料,进行同步处理与分析。

 
 前端监测系统组成
新竹科学园区电压骤降监测系统

新竹科学园区电压骤降监测系统主要分成三部份: 远端监录设备、中央监控工作站与远端工作站等三部份。远端监录设备主要为放置于变电所之电能质量监测仪器, 目前选定新竹一次变电站、龙秀一次变电站、龙松配电变电站、龙明二次变电站、龙明配电变电站、 顶园配电变电站、乐善配电变电站、观音一次变电站、龙潭超高压变电站、梅湖一次变电站、 新工配电变电站与国安配电变电站等站装设电能质量监测仪器。 本系统采用ADX3010电能质量分析器为前端电能质量监测仪器。

另于新竹区域调度控制中心 (ADCC) 放置中央监控工作站, 监测控制放置于变电所之电能质量监测仪器,可由此对各电能质量监测仪器进行参数修改、 资料传送或即时监控等作业。当监测系统因电力系统电压骤降、过流、频率降低等因素触发, 可由中央监控工作站印出事故报表;为确实掌握事故资讯,于新竹配电调度控制中心 (DDCC) 与综研所各别设置远端工作站,透过远端工作站与中央监控工作站之联结,可于远端工作站进行事故资料之下载功能, 以做为进一步之研判分析。

当新竹科学园区邻近系统电压骤降发生时,并达到电能质量监测仪器预设之触发值, 电压骤降监录设备将触发,并由ADCC资料撷取主机,同步通知未达触发值之监录设备,进行同步触发, 最后所有监录设备将所撷取的资料经由MODEM回传至ADCC资料撷取主机,并在ADCC资料撷取主机即时印出所有 电压骤降资料,同时通知DDCC及综研所远端资料撷取主机同步列印出骤降资料。

为了永久保存这些宝贵资料与方便日后的统计分析,在综研所远端资料撷取主机中, 并将所撷取到的电压骤降资料, 写入具有丛集(Cluster)功能的SQL资料库主机的骤降资料表,藉由丛集的特性,提高资料库主机的高稳定性与 高可靠性。而为了能让电压骤降资讯服务提供给更多的使用者查询,藉由网际网路技术,建立网站伺服器 (Web Server),在网站上撰写JAVA程式,整合资料库主机上的电压骤降资料,建立起高科技园区电压骤降系统与 资讯服务网站,使用者只需利用作业系统内建的浏览器(Browser),直接连结到网站伺服器,再输入时间、变电所及 电压等级等条件之后,便可以即时查询电压骤降相关资料。

台中科学园区电压骤降监测系统

台中科学园区电压骤降监测系统主要分成三部份:远端监录设备、中央监控工作站与 远端工作站等三部份。远端电能质量监录设备主要放置于选定之监测站变电所控制室内,分别为国安配电变电站等地点。 于台中区域调度控制中心(ADCC)及综研所(树林)设置中央监控站, 可由此对各远端电能质量监录设备进行参数修改、资料传送或即时监控等作业,当监测系统因电力系统电压骤降、 过流、频率降低等因素触发,可由中央监控工作站印出事故报表。

为使运转单位确实掌握事故资讯,另于台中配电调度控制中心(DDCC) 设置远端工作站,透过远端工作站与中央监控工作站( 台中 ADCC )之联结, 可于远端工作站进行事故资料之下载功能,以做为进一步之研判分析。

同样于台中科学园区邻近系统电压骤降发生,并达到前端电能质量监测仪器预设之触发值时, 电压骤降监录设备将触发,并由台中ADCC中控资料撷取主机,同步通知未达触发值之监录设备, 进行同步触发,最后所有监录设备将所撷取的资料经由MODEM同时回传至台中ADCC 中控资料撷取主机与综研所中控资料撷取主机,并即时印出所有电压骤降资料, 同时通知台中DDCC远端资料撷取主机同步列印出骤降资料。

所建立之电压骤降监测系统,其前端电压骤降资料相关之系统操作、 参数设定与分析软体流程,主要包括监测仪器端录波参数的设置、中央连线监控系统、 动态数据处理系统软体等,利用该软体所提供之电力公式,以巨集方式完成电压骤降统计分析工作, 节省分析电压骤降之时间与人力,对后续电压骤降之分析工作提供不少方便性,后续工作将对电压骤降分析结果, 写入丛集资料库,由网站伺服器提供使用者相关之交叉分析与统计结果。

台南科学园区电压骤降监测系统

台南科学园区电压骤降监测系统主要分成三部份:远端监录设备、中央监控工作站与 远端工作站等三部份。远端电能质量监录设备主要放置于选定之监测站变电所控制室内,分别为三竹D/S控制室、 南科E/S 161KV控制室、南科E/S 345KV控制室、南滨配电变电站、虎菁配电变电站等地点。 于南科E/S与综研所(树林)设置中央监控站, 可由此对各远端电能质量监录设备进行参数修改、资料传送或即时监控等作业,当监测系统因电力系统电压骤降、 过流、频率降低等因素触发,可由中央监控工作站印出事故报表。

为使运转单位确实掌握事故资讯,另于台南配电调度控制中心(DDCC)与 新营区域调度控制中心(ADCC)各别设置远端工作站,透过远端工作站与中央监控工作站之联结, 可于远端工作站进行事故资料之下载功能,以做为进一步之研判分析。

同样于台南科学园区邻近系统电压骤降发生,并达到前端电能质量监测仪器预设之触发值时, 电压骤降监录设备将触发,并由南科E/S中控资料撷取主机,同步通知未达触发值之监录设备, 进行同步触发,最后所有监录设备将所撷取的资料经由MODEM同时回传至南科E/S中控资料撷取主机与 综研所中控资料撷取主机,并即时印出所有电压骤降资料,同时通知新营ADCC、台南DDCC远端资料撷取主机 同步列印出骤降资料。

所建立之电压骤降监测系统,其前端电压骤降资料相关之系统操作、 参数设定与分析软体流程,主要包括监测仪器端录波参数的设置、中央连线监控系统、 动态数据处理系统软体等,利用该软体所提供之电力公式,以巨集方式完成电压骤降统计分析工作, 节省分析电压骤降之时间与人力,对后续电压骤降之分析工作提供不少方便性,后续工作将对电压骤降分析结果, 写入丛集资料库,由网站伺服器提供使用者相关之交叉分析与统计结果。

高雄科学园区电压骤降监测系统

高雄科学园区电压骤降监测系统主要分成三部份:远端监录设备、中央监控工作站与 远端工作站等三部份。远端电能质量监录设备主要放置于选定之监测站变电所控制室内,分别为 路北E/S 345KV控制室、路北E/S 161KV控制室等地点。 于路北E/S及综研所(树林)设置中央监控站, 可由此对各远端电能质量监录设备进行参数修改、资料传送或即时监控等作业,当监测系统因电力系统电压骤降、 过流、频率降低等因素触发,可由中央监控工作站印出事故报表。

为使运转单位确实掌握事故资讯,另于高雄区域调度控制中心(ADCC) 设置远端工作站,透过远端工作站与中央监控工作站( 路北 E/S )之联结, 可于远端工作站进行事故资料之下载功能,以做为进一步之研判分析。

同样于台中科学园区邻近系统电压骤降发生,并达到前端电能质量监测仪器预设之触发值时, 电压骤降监录设备将触发,并由路北 E/S中控资料撷取主机,同步通知未达触发值之监录设备, 进行同步触发,最后所有监录设备将所撷取的资料经由MODEM同时回传至路北 E/S 中控资料撷取主机与综研所中控资料撷取主机,并即时印出所有电压骤降资料, 同时通知台中ADCC远端资料撷取主机同步列印出骤降资料。

所建立之电压骤降监测系统,其前端电压骤降资料相关之系统操作、 参数设定与分析软体流程,主要包括监测仪器端录波参数的设置、中央连线监控系统、 动态数据处理系统软体等,利用该软体所提供之电力公式,以巨集方式完成电压骤降统计分析工作, 节省分析电压骤降之时间与人力,对后续电压骤降之分析工作提供不少方便性,后续工作将对电压骤降分析结果, 写入丛集资料库,由网站伺服器提供使用者相关之交叉分析与统计结果。

 
 电压骤降SQL数据库相量与骤降数据结构

本文所建置之高科技园区电压骤降监测系统中, 有关电压骤降SQL数据库中的数据窗体主要有两种:相量数据窗体与骤降数据窗体。

相量数据表

在本文所建置电压骤降监测系统之监测点,对应每一条馈线监视点建立一个相量数据表。 这个数据表存放着该监视点三相馈线每天的三相电压相量或三相电流相量与频率的数据, 做为后续透过内联网技术,对各监测点之稳态相量数据进行短期与长期电力历史趋势之查阅与分析。

相量数据表名称的组合规则为:'TP_PHA_' + 站码 + 馈线号。例如:
在站码为A1的监测站中被监测的馈线号为2305,则相量数据表名称就会是 TP_PHA_A1_2305

相量数据表的结构如下:数据形式参照 SQL 数据库定义。
{
Seq_No int not null,
Timestamp timestamp null,
GPS_Time char(8) null,
GPS_Statuschar(1) null,
Phasor_D01binary(28)null,
Phasor_D02binary(28)null,
Phasor_D03binary(28)null,
..... ..... .....,
..... ..... .....,
..... ..... .....,
Phasor_D17binary(28)null,
Phasor_D18binary(28)null,
Phasor_D19binary(28)null
}
其中,各栏数据名称及内容说明如下表所示:
#字段名称 名称说明 内容说明
1Seq_No 流水号 利用一天的秒数0 - 86399当成流水号。
2Timestamp 时间标签 每次写入数据时,自动更新时间标签。
3GPS_Time 卫星时间 相量数据的卫星时间。
4GPS_Status卫星信号状态 两站的卫星信号接收状态。
5Phasor_D01相量数据 每秒第1组相量数据。
6Phasor_D02相量数据 每秒第2组相量数据。
7..... ..... .....
8Phasor_D20相量数据 每秒第20组相量数据。

骤降数据表

骤降数据表主要是针对系统内发生事故之事件,导致科学园区内所装置之电能质量监测仪 达到启动条件时,各监测仪将所监录到之瞬时数据传回中控站,由中控站实时算出各监测点之降幅大小与持续时间 ,随即将所算出之结果写入SQL数据库骤降数据表内,做为后续透过公司内联网,对该骤降数据进行统计与分析 ,如此可加速浏览器对骤降数据之处理速度。

有关骤降数据表之结构如下:数据形式参照 SQL 数据库定义。
{
FileName varchar(12)null,
Sag_Time datetimenot null,
ID varchar(2)not null,
Location varchar(34)null,
Feeder_Name varchar(20)not null,
Percentage floatnull,
Duration floatnull,
Cycles floatnull,
A_PU floatnull,
B_PU floatnull,
C_PU floatnull,
SEMI varchar(2)null,
Description varchar(100)null,
Inpark char(1)null,
Category char(4)null,
Extra_High intnull,
High intnull,
General intnull,
Int_Durationintnull
}
其中,各栏数据名称及内容说明如下表所示:
#字段名称 名称说明 内容说明
1FileName 文件名称 动态事故记录文件名称。
2Sag_Time 发生时间 压降发生时间。
3ID 站码 格式:两个英数字。
4Location 站址 量测地点所在位置。
5Feeder_Name 馈线线路号码 格式:四个英数字
6Percentage 压降率 压降多少百分比。
7Duration 持续秒数 压降发生持续之秒数。
8Cycles 压降周数 压降发生之周波数。
9A_PU R 相 PU A相电压标幺幅值。
10B_PU S 相 PU B相电压标幺幅值。
11C_PU T 相 PU C相电压标幺幅值。
12SEMI 愈限 是否符合SEMI F47标准
13Description 事故说明 压降发生之原因说明。
14Inpark 压降地点 是否在科学园区内。
15Category 统计分类 压降发生之原因归属。
16Extra_High 停电特高户数 造成特高用户停电之户数
17High 停电普高户数 造成普高用户停电之户数
18General 停电一般用户 造成一般用户停电之户数
19Int_Duration停电分钟数 停电时间 ( 分 )
 
 网页程序应用

本文在电能质量电压骤降监测系统网站上利用JSP、Servlet与Java Applet程序, 发展一段Web Server应用程序,让用户上网透过网页登入电能质量电压骤降监测系统网站, 本网站登入画面如图一所示,需输入正确之用户名称与口令始可登入。

图一 登入画面

用户登入完成后,即进入电能质量电压骤降监测系统网页主画面,如图二所示, 透过网页对电能质量电压骤降监测系统内的骤降与相量数据库数据,进行浏览实时电气量 、长短期相量数据的历史趋势分析、骤降数据的分析统计与骤降纪录的维护等。

图二 实时监视主画面

在骤降数据的分析统计上,可根据所选定的电压监测点,输入电压骤降分析期间, 对该监测点的电压骤降数据进行分析统计,并将所统计之结果绘制于SEMI F47-0200标准曲线上 [ SEMI F47-0200, specification for semiconductor processing equipment voltage sag immunity, SEMI, February 2000. ] ,或对该监测点之所有骤降数据表进行浏览。

针对网页程序应用简要说明如下,

浏览实时监视 ( 观察实时电气量 )
实时监视主画面如图二所示,功能包含以下五项,
  • 单线电气量
    监视各个现场三相馈线电气量的动态变化
  • 群线电气量
    同步监视不同地点的多组三相馈线电气量的稳态趋势的变化。
  • 线间电气量
    同步监视不同地点的多组三相馈线电气量之间的稳态趋势的变化
  • 同步相量
    同步显示两组监测馈线的三相电压或三相电流的大小及角度和两组监测馈线间的相角差变化趋势
  • 功率耗损
    同步显示两组监测馈线的三相电压及三相电流的大小及角度和两组监测馈线间的功率耗损数据
  • 单线电气量 群线电气量 线间电气量
     
    同步相量 功率耗损  

    浏览历史趋势 ( 事后分析历史相量数据 )
    图三 历史趋势主画面
    功能包含以下六项,
  • 短 ( 长 ) 期电力趋势
    浏览各条线路的电气量长短期的变化趋势
  • 多站电力
    浏览多条线路的电气量长短期的同步变化趋势
  • 功率总和 / 线路损耗
    适于分析输电线间的线路损耗
  • 多站功角 / 多站频差
    浏览多条下游线路对单一源头的功角与频率差值
  • X-Y 关系图
    适于分析两种电气量的同步对应关系
  • 低频振荡分析
    计算出阻尼系数等参数
  • 短(长)期电力趋势 多站电力 功率总和 / 线路损耗
    多站功角 / 多站频差 X-Y 关系图 低频振荡分析

    相量电力数据 ( 数十种电力分析公式 )
  • 电压、电流的频率
  • 单相电压、电流(A,B,C三相)
  • 正序、负序、零序电压与电流
  • 有效功率、无效功率、视在功率、功率因数
  • 负序电压、电流不平衡因数 [相序、平均]
  • 零序电压、电流不平衡因数
  • 视在阻抗、视在电阻、视在电抗
  • 负序不平衡因数公式

    浏览分析统计 ( 电压骤降数据统计与分析 )
    浏览分析统计会提供以下各项信息,
  • SEMI F47 : 根据 SEMI F47 骤降规范进行压降事件统计
  • 园区比例  : 以事故地点落于园区内外进行分类
  • 园区停电  : 停电影响户数进行统计
  • 责任归属  : 进行事故责任的分类
  • 骤降归类  : 电压骤降 ABCD 严重性分类
  • 骤降密度  : 电压骤降分布的密度
  • 骤降累积  : 电压骤降累积的情形
  • SAFI统计  : 包含SAFI90、SAFI80 ... 等统计
  • 骤降记录  : 电压骤降索引表的详细信息
  • SEMI F47 园区比例
    园区停电 责任归属
    骤降归类 骤降密度
    骤降累积 SAFI统计
     
    骤降记录  

    浏览压降记录 ( 事后分析动态录波数据 )
    提供压降文件〔事故前后的原始波形〕,浏览步骤如下所示,
  • 选择区域
  • 搜寻条件选择 : 单站或多站搜寻
  • 搜寻条件选择 : 浏览的馈线、日期、时间选择
  • 按下文件名称进行电压骤降分析或浏览原始波形
  • 选择区域 单站或多站搜寻 馈线、日期、时间选择
    搜寻结果 电压骤降分析 浏览原始波形

    浏览故障文件 ( 事后分析动态录波数据 )
    浏览故障文件〔事故前后的原始波形〕,浏览步骤如下所示,
  • 搜寻条件选择 : 选择故障文件类别、站址、开始日期时间及结束日期时间
  • 按下文件名称浏览原始波形
  • 搜寻条件选择 搜寻结果 浏览原始波形

    系统管理 ( 设定网站系统的运行参数及相关管理工具 )
    图四 系统管理主画面
    管理者可进入此功能进行下列各项设定,
  • 站码管理
  • 站码排序
  • 区域群组
  • 骤降归类修正
  • 参数表一致化
  • 保留历史表
  • 备份数据表 ( 包含参数表、索引表及相量表 )
  • 还原数据表 ( 包含参数表、索引表及相量表 )
  • 使用者管理
  • 建立通讯录
  • 选择收件者
  • 网站程式更新
  • 系统条件 ( 说明 ADX PowerWeb 网站设置条件 )
    客户端配件安装及系统结构简要说明
    图五 系统条件
    骤降事故启动警示
    5秒扫描一次SQL数据库内的事故索引数据表,遇到新启动事故,就自动显示在图标位置,并发出警报音响。 点选要浏览的事故索引,按下浏览按键,可进行电压骤降分析或浏览原始波形。
    图六 骤降事故启动警示窗口

    Email 传送压降事故索引
    可透过网络 Email 传送,将事故索引尽快的传送到用户的信箱。
    图七 收信内容范例

    手机简讯传送压降讯息
    本系统可透过手机简讯功能将压降讯息传送给用户,用户可由手机、PDA ... 等装置接收简讯,使用户快速取得压降发生的讯息。
    格式为 :
        日期 + 时间 + 站址 + 线路名称 + 最严重的相 ( Va 或 Vb 或 Vc ) + 压降率 + 周数 +
        PU值 ( PU:A相 B相 C相 ) + 归类 ( A 或 B 或 C 或 D 类 )
    图八 接收简讯的装置
     
     电压骤降标准

    有关电压骤降之国际标准,主要为欧洲IEC相关文件所汇整出来的定义 [ European standard EN-50160, voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, CENELEC, Brussels, Belgium, 1994. ] ,与北美洲IEEE相关文件所汇整出来的定义 [ IEEE recommended practice for monitoring electric power quality, IEEE Std. 1159-1995, New York: IEEE, 1995. ] [ IEEE recommended practice for evaluating electric power system compatibility with electronic process equipment, IEEE Std. 1346-1998, New Yark: IEEE, 1998. ] 。两大主流对电压骤降之定义与规范大致上差异不大, 均定义电压骤降至基频有效值之0.1 ~ 0.9 pu范围,时间持续0.5周波(cycle)至1分钟内, 皆属于电压骤降(sag)之定义范围。

    此外SEMI亦已公布多项规格,SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International)为一个国际贸易组织,代表半导体机台制造业,已公布的规格概分为设备(Equipment)及安全 (Safety)两类,分别以E、S代表之。如:SEMI E20-0697说明紧急电源的相关规定, SEMI E33-94说明半导体制程的耐电磁干扰规定,SEMI E10定义及量测设备可靠性、可利用性及可维护性的标准 ,SEMI E51说明特有设备服务及废止指南,SEMI F42说明半导体制程设备对电压降免疫力测试方法, SEMI S2 说明半导体制造设备对环境、健康及安全指导方针。该组织更于1999年12月15日由北美区域标准委员会 认证,于2000年2月正式出版SEMI F47-0200标准[2,6],该文件定义半导体制程、度量、 自动测试设备等对电压骤降的容忍度。

    SEMI F47-0200标准的目的为提供半导体产业制程设备的规范, 引导半导体设备制造商在设备系统设计制造上加以改良,以符合此标准之需求。 然此标准并非以增加制程设备中使用储能装置(如UPS等),以改善电压骤降对制程设备之影响为意图; 而是希望藉由检讨改善制程设备的某些组件、或系统的设计,以增加设备的可靠度。

    故有关半导体制程设备对电压骤降的容忍度,则以SEMI F47-0200标准中定义的较为详尽, 后续有关电压骤降的统计与分析,则以此标准为结构下进行。