電力品質監測系統 -   
        科學園區電力品質監測系統建立與網際網路應用之介紹
 
            型錄下載
 
   前言
   前端監測系統組成
       新竹科學園區電壓驟降監測系統
       台中科學園區電壓驟降監測系統
       台南科學園區電壓驟降監測系統
       高雄科學園區電壓驟降監測系統
   電壓驟降SQL資料庫相量與驟降資料結構
       相量數據表
       驟降數據表
   網頁程式應用
       瀏覽即時監視 ( 觀察即時電氣量 )
       瀏覽歷史趨勢 ( 事後分析歷史相量數據 )
       瀏覽分析統計 ( 電壓驟降資料統計與分析 )
       瀏覽壓降記錄 ( 事後分析動態錄波數據 )
       瀏覽故障文件 ( 事後分析動態錄波數據 )
       系統管理 ( 設定網站系統的運行參數及相關管理工具 )
       系統條件 ( 說明 ADX PowerWeb 網站設置條件 )
       驟降事故觸發警示
       Email 傳送壓降事故索引
       手機簡訊傳送壓降訊息
   電壓驟降標準
 
 前言

高科技科學園區供電系統提供大部分高產值半導體產業生產控制設備之電源。 由於其生產設備對電源具有高靈敏度之特性,往往因供電品質問題造成生產線停頓而蒙受重大損失, 導致電力公司與用戶間起爭議。

近年來,尋求改善半導體業電壓驟降之衝擊亦為全球研究電力品質問題之焦點。 美國電力研究院(EPRI)更於PEAC(Power electronics applications center)成立電力品質工作小組, 推動半導體業電壓驟降問題研究。台灣電力公司也成立「高科技工業電力品質管理及改善專案小組」 專責推動高科技工業電力品質管理及改善專案相關工作。

對於特定供電地區電壓驟降之發生時間、大小及頻度等統計資料,需有系統長期監錄分析, 以作為提供釐清事故責任、規劃供電網路,以及安裝改善設備之參考。本系統係依台電規劃, 主要整合不同的系統與技術,建立科學園區電力品質監測系統與資料庫,利用網際網路技術, 進行電力品質監測資料之傳輸與監錄分析,透過 SQL 資料庫與網頁伺服器, 使公司內各單位透過企業網路(Intranet),對資料庫所蒐集之高科技科學園區驟降資料,進行同步處理與分析。

 
 前端監測系統組成
新竹科學園區電壓驟降監測系統

新竹科學園區電壓驟降監測系統主要分成三部份: 遠端監錄設備、中央監控工作站與遠端工作站等三部份。遠端監錄設備主要為放置於變電所之電力品質監測儀器, 目前選定新竹一次變電站、龍秀一次變電站、龍松配電變電站、龍明二次變電站、龍明配電變電站、 頂園配電變電站、樂善配電變電站、觀音一次變電站、龍潭超高壓變電站、梅湖一次變電站、 新工配電變電站與國安配電變電站等站裝設電力品質監測儀器。 本系統採用ADX3010電力品質分析器為前端電力品質監測儀器。

另於新竹區域調度控制中心 (ADCC) 放置中央監控工作站, 監測控制放置於變電所之電力品質監測儀器,可由此對各電力品質監測儀器進行參數修改、 資料傳送或即時監控等作業。當監測系統因電力系統電壓驟降、過流、頻率降低等因素觸發, 可由中央監控工作站印出事故報表;為確實掌握事故資訊,於新竹配電調度控制中心 (DDCC) 與綜研所各別設置遠端工作站,透過遠端工作站與中央監控工作站之聯結,可於遠端工作站進行事故資料之下載功能, 以做為進一步之研判分析。

當新竹科學園區鄰近系統電壓驟降發生時,並達到電力品質監測儀器預設之觸發值, 電壓驟降監錄設備將觸發,並由ADCC資料擷取主機,同步通知未達觸發值之監錄設備,進行同步觸發, 最後所有監錄設備將所擷取的資料經由MODEM回傳至ADCC資料擷取主機,並在ADCC資料擷取主機即時印出所有 電壓驟降資料,同時通知DDCC及綜研所遠端資料擷取主機同步列印出驟降資料。

為了永久保存這些寶貴資料與方便日後的統計分析,在綜研所遠端資料擷取主機中, 並將所擷取到的電壓驟降資料, 寫入具有叢集(Cluster)功能的SQL資料庫主機的驟降資料表,藉由叢集的特性,提高資料庫主機的高穩定性與 高可靠性。而為了能讓電壓驟降資訊服務提供給更多的使用者查詢,藉由網際網路技術,建立網站伺服器 (Web Server),在網站上撰寫JAVA程式,整合資料庫主機上的電壓驟降資料,建立起高科技園區電壓驟降系統與 資訊服務網站,使用者只需利用作業系統內建的瀏覽器(Browser),直接連結到網站伺服器,再輸入時間、變電所及 電壓等級等條件之後,便可以即時查詢電壓驟降相關資料。

台中科學園區電壓驟降監測系統

台中科學園區電壓驟降監測系統主要分成三部份:遠端監錄設備、中央監控工作站與 遠端工作站等三部份。遠端電力品質監錄設備主要放置於選定之監測站變電所控制室內,分別為國安配電變電站等地點。 於台中區域調度控制中心(ADCC)及綜研所(樹林)設置中央監控站, 可由此對各遠端電力品質監錄設備進行參數修改、資料傳送或即時監控等作業,當監測系統因電力系統電壓驟降、 過流、頻率降低等因素觸發,可由中央監控工作站印出事故報表。

為使運轉單位確實掌握事故資訊,另於台中配電調度控制中心(DDCC) 設置遠端工作站,透過遠端工作站與中央監控工作站( 台中 ADCC )之聯結, 可於遠端工作站進行事故資料之下載功能,以做為進一步之研判分析。

同樣於台中科學園區鄰近系統電壓驟降發生,並達到前端電力品質監測儀器預設之觸發值時, 電壓驟降監錄設備將觸發,並由台中ADCC中控資料擷取主機,同步通知未達觸發值之監錄設備, 進行同步觸發,最後所有監錄設備將所擷取的資料經由MODEM同時回傳至台中ADCC 中控資料擷取主機與綜研所中控資料擷取主機,並即時印出所有電壓驟降資料, 同時通知台中DDCC遠端資料擷取主機同步列印出驟降資料。

所建立之電壓驟降監測系統,其前端電壓驟降資料相關之系統操作、 參數設定與分析軟體流程,主要包括監測儀器端錄波參數的設置、中央連線監控系統、 動態數據處理系統軟體等,利用該軟體所提供之電力公式,以巨集方式完成電壓驟降統計分析工作, 節省分析電壓驟降之時間與人力,對後續電壓驟降之分析工作提供不少方便性,後續工作將對電壓驟降分析結果, 寫入叢集資料庫,由網站伺服器提供使用者相關之交叉分析與統計結果。

台南科學園區電壓驟降監測系統

台南科學園區電壓驟降監測系統主要分成三部份:遠端監錄設備、中央監控工作站與 遠端工作站等三部份。遠端電力品質監錄設備主要放置於選定之監測站變電所控制室內,分別為三竹D/S控制室、 南科E/S 161KV控制室、南科E/S 345KV控制室、南濱配電變電站、虎菁配電變電站等地點。 於南科E/S與綜研所(樹林)設置中央監控站, 可由此對各遠端電力品質監錄設備進行參數修改、資料傳送或即時監控等作業,當監測系統因電力系統電壓驟降、 過流、頻率降低等因素觸發,可由中央監控工作站印出事故報表。

為使運轉單位確實掌握事故資訊,另於台南配電調度控制中心(DDCC)與 新營區域調度控制中心(ADCC)各別設置遠端工作站,透過遠端工作站與中央監控工作站之聯結, 可於遠端工作站進行事故資料之下載功能,以做為進一步之研判分析。

同樣於台南科學園區鄰近系統電壓驟降發生,並達到前端電力品質監測儀器預設之觸發值時, 電壓驟降監錄設備將觸發,並由南科E/S中控資料擷取主機,同步通知未達觸發值之監錄設備, 進行同步觸發,最後所有監錄設備將所擷取的資料經由MODEM同時回傳至南科E/S中控資料擷取主機與 綜研所中控資料擷取主機,並即時印出所有電壓驟降資料,同時通知新營ADCC、台南DDCC遠端資料擷取主機 同步列印出驟降資料。

所建立之電壓驟降監測系統,其前端電壓驟降資料相關之系統操作、 參數設定與分析軟體流程,主要包括監測儀器端錄波參數的設置、中央連線監控系統、 動態數據處理系統軟體等,利用該軟體所提供之電力公式,以巨集方式完成電壓驟降統計分析工作, 節省分析電壓驟降之時間與人力,對後續電壓驟降之分析工作提供不少方便性,後續工作將對電壓驟降分析結果, 寫入叢集資料庫,由網站伺服器提供使用者相關之交叉分析與統計結果。

高雄科學園區電壓驟降監測系統

高雄科學園區電壓驟降監測系統主要分成三部份:遠端監錄設備、中央監控工作站與 遠端工作站等三部份。遠端電力品質監錄設備主要放置於選定之監測站變電所控制室內,分別為 路北E/S 345KV控制室、路北E/S 161KV控制室等地點。 於路北E/S及綜研所(樹林)設置中央監控站, 可由此對各遠端電力品質監錄設備進行參數修改、資料傳送或即時監控等作業,當監測系統因電力系統電壓驟降、 過流、頻率降低等因素觸發,可由中央監控工作站印出事故報表。

為使運轉單位確實掌握事故資訊,另於高雄區域調度控制中心(ADCC) 設置遠端工作站,透過遠端工作站與中央監控工作站( 路北 E/S )之聯結, 可於遠端工作站進行事故資料之下載功能,以做為進一步之研判分析。

同樣於台中科學園區鄰近系統電壓驟降發生,並達到前端電力品質監測儀器預設之觸發值時, 電壓驟降監錄設備將觸發,並由路北 E/S中控資料擷取主機,同步通知未達觸發值之監錄設備, 進行同步觸發,最後所有監錄設備將所擷取的資料經由MODEM同時回傳至路北 E/S 中控資料擷取主機與綜研所中控資料擷取主機,並即時印出所有電壓驟降資料, 同時通知台中ADCC遠端資料擷取主機同步列印出驟降資料。

所建立之電壓驟降監測系統,其前端電壓驟降資料相關之系統操作、 參數設定與分析軟體流程,主要包括監測儀器端錄波參數的設置、中央連線監控系統、 動態數據處理系統軟體等,利用該軟體所提供之電力公式,以巨集方式完成電壓驟降統計分析工作, 節省分析電壓驟降之時間與人力,對後續電壓驟降之分析工作提供不少方便性,後續工作將對電壓驟降分析結果, 寫入叢集資料庫,由網站伺服器提供使用者相關之交叉分析與統計結果。

 
 電壓驟降SQL資料庫相量與驟降資料結構

本文所建置之高科技園區電壓驟降監測系統中, 有關電壓驟降SQL資料庫中的資料表單主要有兩種:相量資料表單與驟降資料表單。

相量數據表

在本文所建置電壓驟降監測系統之監測點,對應每一條饋線監視點建立一個相量數據表。 這個資料表存放著該監視點三相饋線每天的三相電壓相量或三相電流相量與頻率的數據資料, 做為後續透過網際網路技術,對各監測點之穩態相量資料進行短期與長期電力歷史趨勢之查閱與分析。

相量資料表名稱的組合規則為:'TP_PHA_' + 站碼 + 饋線號。例如:
在站碼為A1的監測站中被監測的饋線號為2305,那麼相量數據表名稱就會是 TP_PHA_A1_2305

相量數據表的結構如下:資料形式參照 SQL 資料庫定義。
{
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,各欄資料名稱及內容說明如下表所示:
#欄位名稱 名稱說明 內容說明
1Seq_No 流水號 利用一天的秒數0 - 86399當成流水號。
2Timestamp 時間標簽 每次寫入資料時,自動更新時間標籤。
3GPS_Time 衛星時間 相角資料的衛星時間。
4GPS_Status衛星信號狀態 兩站的衛星信號接收狀態。
5Phasor_D01相量數據 各秒第1組相量數據。
6Phasor_D02相量數據 各秒第2組相量數據。
7..... ..... .....
8Phasor_D20相量數據 各秒第20組相量數據。

驟降數據表

驟降數據表主要是針對系統內發生事故之事件,導致科學園區內所裝置之電力品質監測儀 達到觸發條件時,各監測儀將所監錄到之暫態資料傳回中控站,由中控站即時算出各監測點之降幅大小與持續時間 ,隨即將所算出之結果寫入SQL資料庫驟降數據表內,做為後續透過公司內部企業網路,對該驟降資料進行統計與分析 ,如此可加速瀏覽器對驟降資料之處理速度。

有關驟降數據表之結構如下:資料形式參照 SQL 資料庫定義。
{
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,各欄資料名稱及內容說明如下表所示:
#欄位名稱 名稱說明 內容說明
1FileName 檔案名稱 動態事故記錄檔案名稱。
2Sag_Time 發生時間 壓降發生時間。
3ID 站碼 格式:兩個英數字。
4Location 站址 量測地點所在位置。
5Feeder_Name 饋線線路號碼 格式:四個英數字
6Percentage 壓降率 壓降多少百分比。
7Duration 持續秒數 壓降發生持續之秒數。
8Cycles 壓降週數 壓降發生之週波數。
9A_PU R 相 PU A相電壓標么幅值。
10B_PU S 相 PU B相電壓標么幅值。
11C_PU T 相 PU C相電壓標么幅值。
12SEMI 愈限 是否符合SEMI F47標準
13Description 事故說明 壓降發生之原因說明。
14Inpark 壓降地點 是否在科學園區內。
15Category 統計分類 壓降發生之原因歸屬。
16Extra_High 停電特高戶數 造成特高用戶停電之戶數
17High 停電普高戶數 造成普高用戶停電之戶數
18General 停電一般用戶 造成一般用戶停電之戶數
19Int_Duration停電分鐘數 停電時間 ( 分 )
 
 網頁程式應用

本文在電力品質電壓驟降監測系統網站上利用JSP、Servlet與Java Applet程式, 發展一段Web Server應用程式,讓使用者上網透過網頁登入電力品質電壓驟降監測系統網站, 本網站登入畫面如圖一所示,需輸入正確之使用者名稱與密碼始可登入。

圖一 登入畫面

使用者登入完成後,即進入電力品質電壓驟降監測系統網頁主畫面,如圖二所示, 透過網頁對電力品質電壓驟降監測系統內的驟降與相量資料庫資料,進行瀏覽即時電氣量 、長短期相量資料的歷史趨勢分析、驟降資料的分析統計與驟降紀錄的維護等。

圖二 即時監視主畫面

在驟降資料的分析統計上,可根據所選定的電壓監測點,輸入電壓驟降分析期間, 對該監測點的電壓驟降資料進行分析統計,並將所統計之結果繪製於SEMI F47-0200標準曲線上 [ SEMI F47-0200, specification for semiconductor processing equipment voltage sag immunity, SEMI, February 2000. ] ,或對該監測點之所有驟降資料表進行瀏覽。

針對網頁程式應用簡要說明如下,

瀏覽即時監視 ( 觀察即時電氣量 )
即時監視主畫面如圖二所示,功能包含以下五項,
  • 單線電氣量
    監視各個現場三相饋線電氣量的動態變化
  • 群線電氣量
    同步監視不同地點的多組三相饋線電氣量的穩態趨勢的變化。
  • 線間電氣量
    同步監視不同地點的多組三相饋線電氣量之間的穩態趨勢的變化
  • 同步相量
    同步顯示兩組監測饋線的三相電壓或三相電流的大小及角度和兩組監測饋線間的相角差變化趨勢
  • 功率耗損
    同步顯示兩組監測饋線的三相電壓及三相電流的大小及角度和兩組監測饋線間的功率耗損數據
  • 單線電氣量 群線電氣量 線間電氣量
     
    同步相量 功率耗損  

    瀏覽歷史趨勢 ( 事後分析歷史相量數據 )
    圖三 歷史趨勢主畫面
    功能包含以下六項,
  • 短 ( 長 ) 期電力趨勢
    瀏覽各條線路的電氣量長短期的變化趨勢
  • 多站電力
    瀏覽多條線路的電氣量長短期的同步變化趨勢
  • 功率總和 / 線路損耗
    適於分析輸電線間的線路損耗
  • 多站功角 / 多站頻差
    瀏覽多條下游線路對單一源頭的功角與頻率差值
  • X-Y 關係圖
    適於分析兩種電氣量的同步對應關係
  • 低頻振盪分析
    計算出阻尼係數等參數
  • 短(長)期電力趨勢 多站電力 功率總和 / 線路損耗
    多站功角 / 多站頻差 X-Y 關係圖 低頻振盪分析

    相量電力數據 ( 數十種電力分析公式 )
  • 電壓、電流的頻率
  • 單相電壓、電流(A,B,C三相)
  • 正序、負序、零序電壓與電流
  • 有效功率、無效功率、視在功率、功率因數
  • 負序電壓、電流不平衡因數 [相序、平均]
  • 零序電壓、電流不平衡因數
  • 視在阻抗、視在電阻、視在電抗
  • 負序不平衡因數公式

    瀏覽分析統計 ( 電壓驟降資料統計與分析 )
    瀏覽分析統計會提供以下各項訊息,
  • SEMI F47 : 根據 SEMI F47 驟降規範進行壓降事件統計
  • 園區比例  : 以事故地點落於園區內外進行分類
  • 園區停電  : 停電影響戶數進行統計
  • 責任歸屬  : 進行事故責任的分類
  • 驟降歸類  : 電壓驟降 ABCD 嚴重性分類
  • 驟降密度  : 電壓驟降分布的密度
  • 驟降累積  : 電壓驟降累積的情形
  • SAFI統計  : 包含SAFI90、SAFI80 ... 等統計
  • 驟降記錄  : 電壓驟降索引表的詳細訊息
  • SEMI F47 園區比例
    園區停電 責任歸屬
    驟降歸類 驟降密度
    驟降累積 SAFI統計
     
    驟降記錄  

    瀏覽壓降記錄 ( 事後分析動態錄波數據 )
    提供壓降文件〔事故前後的原始波形〕,瀏覽步驟如下所示,
  • 選擇區域
  • 搜尋條件選擇 : 單站或多站搜尋
  • 搜尋條件選擇 : 瀏覽的饋線、日期、時間選擇
  • 按下文件名稱進行電壓驟降分析或瀏覽原始波形
  • 選擇區域 單站或多站搜尋 饋線、日期、時間選擇
    搜尋結果 電壓驟降分析 瀏覽原始波形

    瀏覽故障文件 ( 事後分析動態錄波數據 )
    瀏覽故障文件〔事故前後的原始波形〕,瀏覽步驟如下所示,
  • 搜尋條件選擇 : 選擇故障文件類別、站址、開始日期時間及結束日期時間
  • 按下文件名稱瀏覽原始波形
  • 搜尋條件選擇 搜尋結果 瀏覽原始波形

    系統管理 ( 設定網站系統的運行參數及相關管理工具 )
    圖四 系統管理主畫面
    管理者可進入此功能進行下列各項設定,
  • 站碼管理
  • 站碼排序
  • 區域群組
  • 驟降歸類修正
  • 參數表一致化
  • 保留歷史表
  • 備份資料表 ( 包含參數表、索引表及相量表 )
  • 還原資料表 ( 包含參數表、索引表及相量表 )
  • 使用者管理
  • 建立通訊錄
  • 選擇收件者
  • 網站程式更新
  • 系統條件 ( 說明 ADX PowerWeb 網站設置條件 )
    用戶端配件安裝及系統架構簡要說明
    圖五 系統條件
    驟降事故觸發警示
    5秒掃描一次SQL資料庫內的事故索引資料表,遇到新觸發事故,就自動顯示在圖示位置,並發出警報音響。 點選要瀏覽的事故索引,按下瀏覽按鍵,可進行電壓驟降分析或瀏覽原始波形。
    圖六 驟降事故觸發警示視窗

    Email 傳送壓降事故索引
    可透過網路 Email 傳送,將事故索引盡快的傳送到用戶的信箱。
    圖七 收信內容範例

    手機簡訊傳送壓降訊息
    本系統可透過手機的簡訊功能將壓降訊息傳送給用戶,用戶可由手機、PDA ... 等裝置接收簡訊,使用戶快速取得壓降發生的訊息。
    格式為 :
        日期 + 時間 + 站址 + 線路名稱 + 最嚴重的相 ( Va 或 Vb 或 Vc ) + 壓降率 + 週數 +
        PU值 ( PU:A相 B相 C相 ) + 歸類 ( A 或 B 或 C 或 D 類 )
    圖八 接收簡訊的裝置
     
     電壓驟降標準

    有關電壓驟降之國際標準,主要為歐洲IEC相關文件所彙整出來的定義 [ European standard EN-50160, voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, CENELEC, Brussels, Belgium, 1994. ] ,與北美洲IEEE相關文件所彙整出來的定義 [ 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. ] 。兩大主流對電壓驟降之定義與規範大致上差異不大, 均定義電壓驟降至基頻有效值之0.1 ~ 0.9 pu範圍,時間持續0.5週波(cycle)至1分鐘內, 皆屬於電壓驟降(sag)之定義範圍。

    此外SEMI亦已公佈多項規格,SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International)為一個國際貿易組織,代表半導體機台製造業,已公佈的規格概分為設備(Equipment)及安全 (Safety)兩類,分別以E、S代表之。如:SEMI E20-0697說明緊急電源的相關規定, SEMI E33-94說明半導體製程的耐電磁干擾規定,SEMI E10定義及量測設備可靠性、可利用性及可維護性的標準 ,SEMI E51說明特有設備服務及廢止指南,SEMI F42說明半導體製程設備對電壓降免疫力測試方法, SEMI S2 說明半導體製造設備對環境、健康及安全指導方針。該組織更於1999年12月15日由北美區域標準委員會 認證,於2000年2月正式出版SEMI F47-0200標準[2,6],該文件定義半導體製程、度量、 自動測試設備等對電壓驟降的容忍度。

    SEMI F47-0200標準的目的為提供半導體產業製程設備的規範, 引導半導體設備製造商在設備系統設計製造上加以改良,以符合此標準之需求。 然此標準並非以增加製程設備中使用儲能裝置(如UPS等),以改善電壓驟降對製程設備之影響為意圖; 而是希望藉由檢討改善製程設備的某些元件、或系統的設計,以增加設備的可靠度。

    故有關半導體製程設備對電壓驟降的容忍度,則以SEMI F47-0200標準中定義的較為詳盡, 後續有關電壓驟降的統計與分析,則以此標準為架構下進行。