Sähkönlaatua mitataan monella suureella. Sähkönlaadun ollessa heikko, voi aiheutua haittaa tai vahinkoa verkkoon liitetyille sähkölaitteille, tai se voi häiritä sähkönkäyttäjää vaikkapa valojen välkkymisen kautta.
2.1.1 Epäsymmetria
Symmetrisesti kuormitetun kolmivaiheisen sähköverkon virrat ja jännitteet ovat yhtä suuret, ja vaiheiden välillä on 120° vaihesiirto. Epäsymmetrisen kuormituksen, tai verkossa olevien vikojen seurauksena verkossa voi alkaa esiintyä epäsymmetrisiä komponentteja, joiden seurauksena esimerkiksi loistehdon määrä kasvaa huomattavasti (Chattopadhyay et al., 2011).
Loistehon määrän kasvu aiheuttaa verkkoon ylimääräistä kuormitusta ja lämpöhäviöitä.
SFS-EN 50160-standardissa jakelujännitteen epäsymmetriasta pienjänniteverkossa määritellään seuraavasti: "Normaaleissa käyttöolosuhteissa, kunkin viikon pituisen mittausjakson aikana, jokaisen, jakelujännitteen (perustaajuisen) vastakomponentin 10 minuutin tehollisarvon keskiarvoista 95 % tulee olla välillä 0...2 % (perustaajuisesta) myötäkomponentista." (SFS-EN 50160). Standardissa ei määritellä lyhyempien, hetkellisten epäsymmetrisyyksien suuruutta.
Vastakomponentilla tarkoitetaan epäsymmetrisen kuorman aiheuttamaa jännitettä, jonka pyörimissuunta on vastakkainen myötäkomponenttiin nähden.
IEEE:n standardissa 1159-2019 jännitteessä esiintyvälle epäsymmetrisyydelle annetaan ohjearvoksi 2-15 %. Arvo kuvaa jännitteessä esiintyviä lyhytaikaisia vaihteluita, jotka ovat kestoltaan noin puolesta sekunnista yhteen minuuttiin. Jatkuvan tilan epäsymmetrialle 1159-2019 määrittää jännitteelle 0.5-5% ja virralle 1.0-3.0%
Epäsymmetria-arvo voidaan laskea kaavalla
𝑢𝑛 = |𝑈𝑛𝑒𝑔|
|𝑈𝑝 𝑜 𝑠| ∗100%, (1)
jossa 𝑈𝑛𝑒𝑔 on jännitteen vasta- ja 𝑈𝑝 𝑜 𝑠 myötäkomponentti. Komponenttien laskemiseksi jännitteestä tulee tietää sekä vaihejännite, että vaihekulma. Jos vaihekulmaa ei mitata, voidaan käyttää yhtälöä
Yhtälössä (2)𝑈𝑖 𝑗fundmerkitsee vaiheidenijajvälistä pääjännitettä (IEEE Std 1159-2019). IEC 61000-4-30 suosittelee kuitenkin yhtälön (1) mukaista laskentatapaa, sillä se ottaa huomioon epäsymmetrian vaihesiirtymän, ja on luotettavampi, jos mukana on harmonisia jännitteitä (IEC 61000-4-30).
2.1.2 Yli- ja alijännite
Pienjänniteverkon nimellinen jakelujännite 𝑈𝑛 on Suomessa 230 𝑉. Normaaleissa käyttöolosuhteissa jännitevaihtelua tapahtuu verkon kuormituksen mukaan. Sähkölaitteet on suunniteltu kestämään tietynsuuruista vaihtelua käyttöjännitteessä, joten pieni jännitteen vaihtelu on sallittavissa (SFS-EN 50160). IEEE Std 1250-2018 määrittelee sähkönsyöttöjärjestelmälle ja sähkölaitteiden sietokyvylle asetettujen rajojen keskinäiset suhteet. Kuvassa 1 esitetään sähkölaitteiden ja syöttöjärjestelmien suunnittelukriteerien keskinäisiä suuruussuhteita. Kuvasta nähdään, että laitteet suunnitellaan tuottamaan vain vähän häiriöitä, mutta kestämään niitä paremmin. Laitteet testataan korkeammilla häiriötasoilla, kuin verkossa oletetaan häiriöitä olevan.
Kuva 1. IEEE Std 1250-2018 määritelmä sähkölaitteiston sähkömagneettisen sietokyvyn suunnittelu- ja testausrajoista
SFS 50160 määrittelee julkiseen jakeluverkon jännitetasolle ±10% sallitun vaihtelun normaalissa käyttöolosuhteessa pienjänniteverkossa. Jos jännitetason muutos on suurempi, voidaan puhua jännitekuopasta tai ylijännitteestä. Jännitekuopat voivat johtua muun muassa suurista verkkoon kytketyistä kuormista, suurien oikosulkumoottorien käynnistysvirrasta tai
oikosulusta verkossa. (Bollen, 2000) Ylijännitteet puolestaan voivat syntyä kytkettäessä verkkoon suuri määrä kapasitanssia, kytkettäessä pois jokin suuri kuorma tai epäsymmetrisessä vikatilanteessa, jossa jokin vaiheista kytkeytyy maahan, jolloin muiden vaiheiden jännitteet voivat nousta. (Chattopadhyay et al., 2011)
Chattopadhyayn mukaan alijännite voidaan luokitella käyttökeskeytykseksi, jos verkkojännite laskee alle 10% sen nimellisjännitteen. Keskeytyksen syitä voivat olla esimerkiksi laitevika, ohjaushäiriö tai sulakkeen palaminen. Eritasoisia jännitekuoppia voi esiintyä maantieteellisestä sijainnista riippuen jopa useita kertoja päivässä. Magnitudiltaan pienempiä ja lyhyempiä jännitekuoppia esiintyy useammin kuin suurempia tai pidempiä. (Vinnal et al., 2018) (Bayindir et al., 2016)
Information Technology Industry Council:n tuottama kuvaaja (kuva 2), kuvaa IT-laitteiden sietokykyä jännitteen vaihteluille 60Hz 120V sähköverkossa (ITI, 2000). Kuvaajasta voidaan lukea jännitekuopan tai ylijännitteen amplitudin ja kestoajan välistä sallittua suhdetta:
pidemmällä aikavälillä - kuvassa 10 sekunnista jatkuvuustilaan - on jännitteelle sallittu huomattavasti pienempi vaihteluväli kuin verrattuna esimerkiksi alle 20 millisekunnin alueella.
Koska ITI-kuvaaja on koostettu eri jännitealueen aineistosta, se ei päde täysin 230 V 50 Hz sähköverkkoalueella, jossa sähkölaitteet voivat sietää ITI-käyrän mukaista suurempia kuoppia (Elphick & Smith, 2010).
2.1.3 Transientti
Transientit ovat nopeita tapahtumia, joiden amplitudi voi olla hyvinkin suuri. Transientit voidaan jakaa kahteen kategoriaan: impulssimaisiin ja värähteleviin. Impulssimaiset transientit voivat syntyä esimerkiksi salamaniskusta tai verkon kytkentätapahtumista. Värähteleviä transientteja voi syntyä kytkettäessä suuria kapasitansseja verkkoon. (IEEE Std 1250-2018), (Benysek &
Pasko, 2012)
Sähkölaitteistoon iskevä transientti voi aiheuttaa suoraa vahinkoa, käyttöhäiriön, kuten uudelleenkäynnistymisen tai suorituskyvyn laskemisen, jota voi olla vaikea havaita ennen vikaantumista. (IEEE Std C62.41.2-2002)
Transientteja voidaan karakterisoida niiden nousuajan, huippuarvon, kestoajan, polariteetin ja taajuuden perusteella (IEEE Std 1159-2019). Transienteille on määritetty käyrämuotoja
Kuva 2. ITI-kuvaaja, joka kuvaa 120-voltin nimellisjännitteisten IT-laitteiden häiriöidensietoa 60 Hz:n sähköverkkoalueella (ITI, 2000)
standardissa IEEE Std C62.41.2-2002, joilla kuvataan erityyppisiä ilmiöitä, joita sähkölaitteen voidaan olettaa kohtaavan: 100 kilohertsin vaimeneva värähtelyllä kuvataan värähteleviä transientteja. Toinen käyrämuoto sisältää avoimen piirin jännitteen ja oikosulkuvirran. Käyrien parametreille, kuten huippujännitteelle ja efektiiviselle impedanssille on standardissa annettu eri arvoja, jotka kuvaavat eri toimintaympäristöjä ja vikojen sijainteja. Esimerkiksi kaukana tapahtuneelle transientille huippujännitteeksi 100 kHz:n värähtelevälle käyrämuodolle standardi antaa ohjearvoksi 3 kV ja impedanssiksi 30Ω.
2.1.4 Taajuusvaihtelu
Standardi SFS-EN 50160-2010 antaa verkkotaajuudelle ohjearvoksi yhteiskäyttöverkossa 50 Hz
±1%, joka on toteuduttava 99,5 % ajasta vuodessa. Taajuuden ei tulisi kuitenkaan milloinkaan alittaa 47 tai ylittää 52 hertsiä.
Järjestysluku Suhteellinen jännite Järjestysluku Suhteellinen jännite
3 5,0 % 2 2,0 %
5 6,0 % 4 1,0 %
7 5,0 % 6-24 (parilliset) 0,5 %
9 1,5%
11 3,5%
13 3,0 %
15 1,0 %
17 2,0 %
19 1,5 %
21 0,75 %
23 1,5 %
25 1,5 %
Taulukko 1. SFS-EN 50160 mukaiset harmonisten yliaaltojen sallitut suhteelliset jännitteet
Fingrid määrittelee sähkövarastojen järjestelmäteknisissä vaatimuksissaan SJV2019:
"Sähkövaraston tulee kyetä jatkamaan toimintaansa normaalisti taajuuden muutosnopeuden ollessa alle 2,0Hz/s" (Fingrid, 2020)
2.1.5 Harmoniset yliaaltojännitteet
Sähköverkossa esiintyy harmonisia yliaaltojännitteitä, jotka ovat verkon perustaajuudeen monikertoja. Harmonisia yliaaltoja syntyy usein epälineaarisista kuormista, kuten tehoelektroniikasta. (IEEE Std 1250-2018, IEEE Std 519-2014)
Harmonisille yliaaltojännitteille on säädetty standardeissa raja-arvoja, joita niiden amplitudin ei tulisi ylittää. Taulukossa 1 on SFS-EN 50160-standardissa määritellyt suurimmat sallitut suhteelliset jännitteet.
3 ALGORITMIT JA METODIT
Jotta UPS kykenee suojaamaan kuormaansa, sen täytyy mitata verkon tilaa lakkaamatta. Verkon tilatiedon perusteella UPS voi päättää milloin kuormaa voidaan syöttää verkosta ja milloin täytyy kytkeytyä siitä irti.
Verkosta voidaan mitata muutamia sähköisiä suureita, joiden avulla voidaan laskea luvussa 2 mainittuja sähkönlaatuparametreja. Koska UPS tarvitsee tilatiedon reaaliajassa, eivät standardeissa mainitut laskentatavat välttämättä sovellu tähän käyttötarkoitukseen kaikissa tapauksissa. Esimerkiksi tehollisjännitteen laskeminen puolijaksosta voi soveltua jännitekuoppien jälkikäteiseen analysointiin ja tilastointiin, mutta UPS:lle laskentatavasta johtuva viive voi joissain tapauksissa olla liian pitkä, joten tarvitaan nopeampia mittaustapoja (Barros & Perez, 2005).
Kirjallisuudessa on esitetty useita menetelmiä jännitekuoppien evaluointiin. Farkas ja Dán (2014) esittävät metodin jännitekuoppien arviointiin, jossa tarkastellaan aika-jännite-kuvaajan alle jäävää pinta-alaa. Metodissa lasketaan ero ideaalisen sinimuotoisen referenssikäyrän ja mitatun jännitekäyrän välillä. Erotuksena saatavan jännite-aika pinta-alan avulla voidaan sumealla logiikalla määrittää jännitekuopalle sitä kuvaava luku, joka kertoo kuopan vakavuudesta ja vaikutuksesta sähkölaitteisiin. (Shen & Lu, 2007) Metodi käyttää kuitenkin IEC 61000-4-30 mukaista laskentatapaa, jossa jännitteen tehollisarvo lasketaan siniaallon puolikkaille erikseen. Laskentatapa voi täten aiheuttaa mittaustiedolle jopa 10 millisekunnin viiveen.
Koska verkkojännitteen tehollisarvon laskeminen kyseisellä tavalla ei anna reaaliaikaista kuvaa verkon tilasta, on kehitetty muitakin metodeja jännitekuoppien arviointiin. Menetelmät perustuvat joko jännitearvoihin, vaihekulmiin ja niiden muutoksiin tai jännitteen taajuussisältöön (Katić & Stanisavljević, 2018), (Danbumrungtrakul et al., 2016), (Dantas et al., 2015), (Gencer, Özgur et al., 2010), (Sillapawicharn & Kumsuwan, 2011), (Fitzer et al., 2004) ja (Barros & Perez, 2005). Kullakin metodilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa.
Tutkimuksissa, joissa esitetään metodeja, on vikatilanteiden havaitsemista testattu toisistaan suurestikin eroavilla menetelmillä, joten suoraa vertailua niiden suorituskyvystä ei voida tehdä. Tutkimuksissa ilmoitetut havaintoajat vaihtelevat 0.2 millisekunnista jopa yli
viiteen millisekuntiin. Nopeiten jännitekuoppiin reagoi Katić:n ja Stanisavljević:n (2018) neuroverkkoihin pohjautuva menetelmä, jossa havainnoidaan jännitteen taajuuden harmonisia komponetteja. Menetelmä ei kuitenkaan ota kantaa jännitekuopan suuruuteen, vaan reagoi samalla tavalla sekä suuriin että pieniin jännitteenmuutoksiin. Danbumrungtrakuln (2016) yleistettyä takaisinkytkettyä integraattoria hyödyntävä järjestelmä havaitsee tutkimuksen mukaan 50% jäännösjännitteellisen jännitekuopan 0.25-3.67 millisekunnissa.
Danbumrungtrakuln sekä Katić:n ja Stanisavljević:n menetelmien välimaastoon sijoittuu Styvakis:n (2001) Kalman-suodattimeen perustuva metodi, jolla 85% jäännösjännitteellisen jännitekuopan havaitsemiseen kuluu vian vaihekulmasta riippuen 0.6-3 millisekuntia.
Kalman-suodattimen etuna on sen virheensietokyky verrattuna muihin työssä esitettyihin menetelmiin. Kalman-suodatin olettaa mittaustiedon sisältävän virhettä, joten se säätää itseään adaptiivisesti minimoidakseen virheen estimaateissa.