電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)第1部分：符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量測(cè)量的重要性

本文討論了電能質(zhì)量(PQ)測(cè)量在當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施中的重要性，并回顧了PQ監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。本文將介紹IEC電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及其參數(shù)。最后，本文總結(jié)了A類(lèi)和S類(lèi)電能質(zhì)量儀表的主要區(qū)別。后續(xù)文章將闡述關(guān)于"如何設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量?jī)x表"的推薦解決方案。

當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)電能質(zhì)量測(cè)量的需求

由于發(fā)電模式以及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷變化，電能質(zhì)量重新受到關(guān)注。不同電壓水平的可再生能源實(shí)現(xiàn)了前所未有的增長(zhǎng)，導(dǎo)致PQ相關(guān)的問(wèn)題增多。由于在電網(wǎng)的多個(gè)入口點(diǎn)增加了多種電壓水平的不同步負(fù)載，消費(fèi)模式也發(fā)生了廣泛的變化。例如，電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電樁可能需要數(shù)百千瓦功率和大量數(shù)據(jù)中心及其相關(guān)設(shè)備，如供暖、通風(fēng)和空調(diào)。在工業(yè)應(yīng)用中，由變頻驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的電弧爐、開(kāi)關(guān)變壓器等不僅會(huì)給電網(wǎng)增加許多不良諧波，而且會(huì)導(dǎo)致電壓突降、突升、瞬時(shí)掉電和閃爍。

圖1.電能質(zhì)量問(wèn)題

電力領(lǐng)域的電能質(zhì)量是指輸送給消費(fèi)者的電壓質(zhì)量。關(guān)于幅度、相位和頻率的一系列規(guī)定決定了這種服務(wù)質(zhì)量。然而，根據(jù)定義，它表示電壓和電流兩者。電壓很容易由發(fā)電方控制，但電流在很大程度上取決于消費(fèi)者的使用情況。根據(jù)最終用戶(hù)的不同，PQ問(wèn)題的概念和含義相當(dāng)廣泛。

過(guò)去幾年里，人們對(duì)不良PQ的經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行了廣泛的研究和調(diào)查。據(jù)估計(jì)，其在全球范圍內(nèi)造成的經(jīng)濟(jì)影響約為數(shù)十億美元1。所有這些研究的結(jié)論是，監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量對(duì)許多商業(yè)部門(mén)的經(jīng)濟(jì)效益有直接影響。盡管不良PQ對(duì)商業(yè)經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響顯而易見(jiàn)，但有效且高效地大規(guī)模監(jiān)測(cè)PQ并非易事。監(jiān)測(cè)設(shè)施中的PQ需要訓(xùn)練有素的人員和昂貴的設(shè)備，這些設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間或無(wú)限期地安裝在電力系統(tǒng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)常被一些商業(yè)部門(mén)視為成本節(jié)約策略，而對(duì)另一些商業(yè)部門(mén)來(lái)說(shuō)，它是一項(xiàng)關(guān)鍵活動(dòng)。如圖2所示，電能質(zhì)量問(wèn)題可能出現(xiàn)在各種電力基礎(chǔ)設(shè)施中。正如我們將在后面所討論的，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)在發(fā)電和配電、電動(dòng)汽車(chē)充電、工廠(chǎng)、數(shù)據(jù)中心等商業(yè)領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。

圖2.發(fā)電和用電的動(dòng)態(tài)變化可能導(dǎo)致各種電力基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題

電力公司和輸配電

電力公司通過(guò)輸配電系統(tǒng)為消費(fèi)者服務(wù)，輸配電系統(tǒng)包括變電站，變電站經(jīng)由輸電線(xiàn)路供應(yīng)電力。通過(guò)這些輸電線(xiàn)路提供的電壓由變電站變壓器降壓到較低電平，變壓器會(huì)向系統(tǒng)注入一些諧波或間諧波。配電系統(tǒng)中的諧波電流可能導(dǎo)致諧波失真、低功率因數(shù)、額外損耗以及電氣設(shè)備過(guò)熱2，進(jìn)而造成設(shè)備壽命縮短和散熱成本增加。由這些變電站變壓器供電的非線(xiàn)性單相負(fù)載會(huì)使電流波形變形。非線(xiàn)性負(fù)載的不平衡會(huì)導(dǎo)致電力變壓器的額外損耗、額外中性負(fù)載、低功率斷路器的意外操作以及用電量的不正確測(cè)量3。圖3顯示了此類(lèi)非線(xiàn)性負(fù)載的影響。

風(fēng)力和光伏(PV)太陽(yáng)能系統(tǒng)產(chǎn)生的電力注入電網(wǎng)后，也會(huì)導(dǎo)致一些電能質(zhì)量問(wèn)題。在風(fēng)力發(fā)電方面，風(fēng)的間歇性會(huì)產(chǎn)生諧波和短期電壓變化4。光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)中的逆變器會(huì)產(chǎn)生噪聲，這些噪聲可能引起電壓瞬變、失真諧波和射頻噪聲，因?yàn)槟孀兤魍ǔＪ褂酶咚匍_(kāi)關(guān)來(lái)提高能量手機(jī)的效率。

圖3.非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的電流諧波的影響

電動(dòng)汽車(chē)充電樁

電動(dòng)汽車(chē)充電樁可能面臨多種電能質(zhì)量挑戰(zhàn)，既有送至電網(wǎng)的電力方面的，又有來(lái)自電網(wǎng)的電力方面的（見(jiàn)圖4）。從配電公司的角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)充電樁中使用的基于電力電子的轉(zhuǎn)換器會(huì)注入諧波和間諧波。電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)某潆姌犊赡軙?huì)注入直流電(DC)。此外，快速電動(dòng)汽車(chē)充電樁會(huì)將快速電壓變化和電壓閃爍引入電網(wǎng)。從電動(dòng)汽車(chē)充電樁方面來(lái)看，輸電或配電系統(tǒng)中的故障會(huì)導(dǎo)致電壓突降或充電樁電源電壓中斷。電動(dòng)汽車(chē)充電樁的電壓容限降低會(huì)導(dǎo)致欠壓保護(hù)激活和與電網(wǎng)斷開(kāi)（這會(huì)造成非常糟糕的用戶(hù)體驗(yàn)）5。

圖4.電動(dòng)汽車(chē)充電樁面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題

工廠(chǎng)

根據(jù)美國(guó)電力研究所(EPRI)的報(bào)告，美國(guó)工業(yè)設(shè)施每年因?yàn)殡娫醋兓碗妷簲_動(dòng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題而蒙受的損失約為1190億美元6。此外，根據(jù)歐洲銅業(yè)研究所的數(shù)據(jù)，25個(gè)歐盟國(guó)家每年因?yàn)椴煌腜Q問(wèn)題而遭受相當(dāng)于1600億美元的財(cái)務(wù)損失7。這些數(shù)字與后續(xù)的停工和生產(chǎn)損失以及知識(shí)生產(chǎn)力的折算損失直接相關(guān)8。

電能質(zhì)量的下降通常是由電弧爐和工業(yè)電機(jī)的間歇性負(fù)載和負(fù)載變化引起的。此類(lèi)干擾會(huì)引起浪涌、突降、諧波失真、中斷、閃爍和信令電壓9。為了在工廠(chǎng)設(shè)施內(nèi)部檢測(cè)和記錄這些干擾，有必要在整個(gè)電氣設(shè)施中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上使用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，或在負(fù)載級(jí)使用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備會(huì)更好。隨著新的工業(yè)4.0技術(shù)的到來(lái)，負(fù)載處的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)可以通過(guò)工業(yè)面板儀表或子儀表來(lái)解決，以全面了解輸送到每個(gè)負(fù)載的電能質(zhì)量。

數(shù)據(jù)中心

目前，大多數(shù)商業(yè)活動(dòng)都以這樣或那樣的方式依賴(lài)數(shù)據(jù)中心來(lái)提供電子郵件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云服務(wù)等。數(shù)據(jù)中心需要高水平、清潔、可靠、不間斷的電力供應(yīng)。出色的PQ監(jiān)測(cè)有助于管理人員預(yù)防代價(jià)高昂的停電，并幫助管理因電源單元(PSU)問(wèn)題而需要進(jìn)行的設(shè)備維護(hù)或更換。不間斷電源(UPS)系統(tǒng)集成到機(jī)架配電單元(PDU)中，是需要向數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT機(jī)架添加PQ監(jiān)測(cè)的另一個(gè)原因。這種集成可以提供電源插座級(jí)別的電源問(wèn)題可見(jiàn)性。

根據(jù)Emerson Network Power的一份報(bào)告，UPS系統(tǒng)故障（包括UPS和電池）是數(shù)據(jù)中心意外停電的首要原因10。在所有報(bào)告的停電事件中，約有三分之一給公司造成了接近25萬(wàn)美元的損失11。每個(gè)數(shù)據(jù)中心都會(huì)使用UPS系統(tǒng)，以確保清潔和不間斷的電力供應(yīng)。這些系統(tǒng)隔離并減輕了電力公司方面的大部分電力問(wèn)題，但它們不能防范IT設(shè)備本身的PSU產(chǎn)生的問(wèn)題。IT設(shè)備PSU是非線(xiàn)性負(fù)載，此類(lèi)負(fù)載可能引入諧波失真和其它由設(shè)備造成的問(wèn)題，有些問(wèn)題可能導(dǎo)致需要使用帶有變頻調(diào)速風(fēng)扇的高密度散熱系統(tǒng)。除了這些問(wèn)題，PSU還面臨多種形式的干擾，如電壓瞬變和浪涌、電壓突升、下降和尖峰、不平衡或波動(dòng)、頻率變化、設(shè)備接地不良。

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力幅度的可測(cè)量限值，即它們可以偏離標(biāo)稱(chēng)額定值多遠(yuǎn)。不同的標(biāo)準(zhǔn)適用于電力系統(tǒng)的不同組成部分。具體來(lái)說(shuō)，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)中定義了交流(AC)電力系統(tǒng)PQ參數(shù)的測(cè)量方法和結(jié)果解釋。PQ參數(shù)是針對(duì)50 Hz和60 Hz的基頻聲明的。此標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了兩類(lèi)測(cè)量設(shè)備：A類(lèi)和S類(lèi)。

●   A類(lèi)定義了PQ參數(shù)測(cè)量的最高準(zhǔn)確度和精確度，用于合同事務(wù)和爭(zhēng)議解決中需要非常精密測(cè)量的儀器。它也適用于需要驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性的設(shè)備。

●   S類(lèi)用于電能質(zhì)量評(píng)估、統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用和低不確定度的電能質(zhì)量問(wèn)題診斷。此類(lèi)儀器可以報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)定義的參數(shù)的一個(gè)有限子集。使用S類(lèi)儀器進(jìn)行的測(cè)量可以在網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)站點(diǎn)、在全部位置、甚至在單臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行。

圖5.IEC電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)定義了測(cè)量方法，說(shuō)明了解釋結(jié)果的指南，并規(guī)定了電能質(zhì)量?jī)x表的性能。它沒(méi)有給出儀器本身的設(shè)計(jì)指南。

IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)為A類(lèi)和S類(lèi)測(cè)量設(shè)備定義了如下PQ參數(shù)12。

●   工頻

●   電源電壓和電流的幅度

●   閃爍

●   電源電壓突降和突升

●   電壓中斷

●   電源電壓不平衡

●   電壓和電流諧波和間諧波

●   快速電壓變化

●   欠偏差和過(guò)偏差

●   電源電壓上的交流電源信令電壓

圖6.電能質(zhì)量參數(shù)在時(shí)間尺度上的分類(lèi)

IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)定義的A類(lèi)和S類(lèi)的主要區(qū)別

盡管A類(lèi)定義了比S類(lèi)更高的準(zhǔn)確度和精確度，但差異不僅僅是精度水平。儀器必須符合時(shí)間同步、探頭質(zhì)量、校準(zhǔn)周期、溫度范圍等要求。表1列出了儀器要獲得某類(lèi)認(rèn)證所應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足的要求。

表1.IEC 61000-4-30 A類(lèi)和S類(lèi)的主要區(qū)別

結(jié)語(yǔ)

電能質(zhì)量問(wèn)題存在于整個(gè)電力基礎(chǔ)設(shè)施中。擁有監(jiān)測(cè)這些PQ問(wèn)題的設(shè)備有助于改善性能、服務(wù)質(zhì)量和設(shè)備壽命，同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)損失。在后續(xù)文章"如何設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量?jī)x表"中，我們將介紹一種集成解決方案和一個(gè)即用型平臺(tái)，它們能夠顯著加快開(kāi)發(fā)速度并降低PQ監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。

參考電路

1Panuwat Teansri, Worapong Pairindra, Narongkorn Uthathip Pornrapeepat Bhasaputra, and Woraratana Pattaraprakorn. “The Costs of Power Quality Disturbances for Industries Related Fabricated Metal, Machines and Equipment in Thailand.” GMSARN International Journal, Vol. 6, 2012.

2Sai Kiran Kumar Sivakoti, Y. Naveen Kumar, and D. Archana. “Power Quality Improvement In Distribution System Using D-Statcom in Transmission Lines.” International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), Vol. 1, Issue 3.

3Gabriel N. Popa, Angela Lagar, and Corina M. Dini?. “Some Power Quality Issues in Power Substation from Residential and Educational Buildings.” 10th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), IEEE, 2017.

4Sulaiman A. Almohaimeed and Mamdouh Abdel-Akher. “Power Quality Issues and Mitigation for Electric Grids with Wind Power Penetration.” Applied Sciences, December 2020.

5George G. Karady, Shahin H. Berisha, Tracy Blake, and Ray Hobbs. “Power Quality Problems at Electric Vehicle’s Charging Station.” SAE Transactions, 1994.

6David Lineweber and Shawn McNulty. “The Cost of Power Disturbances to Industrial and Digital Economy Companies.” Electric Power Research Institute, Inc., June 2001.

7Roman Targosz and Jonathan Manson. “Pan-European Power Quality Survey.” 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, IEEE, 2007.

8Subrat Sahoo. “Recent Trends and Advances in Power Quality.” Power Quality in Modern Power Systems, 2020.

9A. El Mofty and K. Youssef. “Industrial Power Quality Problems.” 16th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, 2001. 第一部分： Contributions. CIRED (IEE Conf. Publ No. 482), IEEE, June 2001.

10“Cost of Data Center Outages.” Ponemon Institute, January 2016.

11“Data Center Outages Are Common, Costly, and Preventable.” Uptime Institute.

12“IEC 61000-4-30:2015: Electromagnetic Compatibility (EMC)-Part 4-30: Testing and Measurement Techniques-Power Quality Measurement Methods.” International Electrotechnical Commission, February 2015.