电能质量测量在当今电力基础设施中的重要性

本文讨论了电能质量（PQ）测量在当今电力基础设施中的重要性，并回顾了PQ监测的应用领域。它将涵盖电能质量及其参数的IEC标准。最后，总结了A类和S类电能质量计之间的主要区别。后续文章将说明“如何设计符合标准的电能质量计”的推荐解决方案。

当今电力基础设施对电能质量测量的需求

由于发电模式和用电动态的变化，电能质量重新引起了人们的兴趣。不同电压水平的可再生能源的空前增长增加了PQ相关问题的数量。由于在电网的多个入口点和电压水平增加了不同步负载，消费模式也发生了广泛的变化。一些例子是电动汽车 （EV） 充电器，可能需要数百千瓦和大量数据中心及其相关设备，如供暖、通风和空调。在工业应用中，由变频驱动器、开关变压器等运行的电弧炉不仅会给电网增加大量不需要的谐波，而且还会导致电压骤降、骤升、瞬态掉电和闪烁。

图1.电能质量问题。

公用事业空间的电能质量是指输送给消费者的电压质量;一系列关于幅度、相位和频率的规定决定了这种服务质量。但是，根据定义，它表示电压和电流。虽然电压很容易由发电侧控制，但电流主要由消费者使用情况控制。PQ问题的概念和影响相当广泛，具体取决于最终用户。

在过去几年中，对不良PQ的经济影响进行了广泛的研究和调查;据估计，其影响在全世界数十亿美元左右。1所有这些研究都得出结论，监测电力质量对许多商业部门的经济效益有直接影响。尽管很明显PQ对业务经济的负面影响有多大，但大规模有效地监控它并非易事。监控设施中的PQ涉及在电力系统的多个点上长时间或无限期地将训练有素的人员和昂贵的设备安装在一起。

电能质量监测应用领域

电能质量监测通常被视为某些业务部门的成本节约策略，而其他业务部门则被视为一项关键活动。电力质量问题可能出现在广泛的电力基础设施中，如图2所示。正如我们稍后将讨论的那样，电能质量监测在发电和配电、电动汽车充电、工厂和数据中心等商业领域变得越来越重要。

图2.发电和用电的动态可能导致整个电力基础设施的电能质量问题。

电力公司、输配电

公用事业公司通过包括发电站在内的配电系统为消费者提供服务，发电站是通过输电线路供电的变电站。通过这些传输线提供的电压由变电站变压器降压到较低水平，从而向系统注入某些谐波或间谐波。配电系统中的谐波电流会导致谐波失真、低功率因数、额外的损耗以及电气设备过热2，导致设备寿命缩短和冷却成本增加。这些变电站变压器服务的非线性单相负载会使电流波形变形。非线性负载的不平衡会导致电力变压器的额外损耗、中性线的额外负载、低功率断路器的意外运行以及用电量的错误测量。3图3说明了这些线性负载的影响。

注入电网的风能和光伏（PV）太阳能系统发电也会导致一些电能质量问题。在风力发电侧，风的间歇性会产生谐波和短时间的电压变化。4光伏太阳能系统中的逆变器产生的噪声会产生电压瞬变、失真谐波和射频噪声，因为通常用于提高收集能量效率的高速开关。

图3.非线性负载产生的电流谐波的影响。

电动汽车充电器

电动汽车充电器在向电网发送和从电网发送的电力方面可能面临多种电能质量挑战（见图 4）。从配电公司的角度来看，电动汽车充电器中使用的基于电力电子的转换器会注入谐波和间谐波。电源转换器设计不当的充电器可能会注入直流电 （DC）。此外，快速电动汽车充电器会向电网引入快速电压变化和电压闪烁。从电动汽车充电器方面来看，输电或配电系统的故障会导致电压骤降或充电器电源电压中断。降低电动汽车充电器容差限制的电压将导致欠压保护激活和与电网断开连接（这会导致非常糟糕的用户体验）。5

图4.电动汽车充电器的电能质量问题。

工厂

根据电力研究所（EPRI）的报告，由电源变化和电压干扰引起的电能质量问题每年为美国的工业设施造成约119亿美元的损失。6此外，根据欧洲铜业研究所的数据，由于不同的PQ问题，25个欧盟国家每年遭受相当于160亿美元（美国）的经济损失。7这些数字与随后的停机时间和生产损失以及相当于智力生产力损失有关。8

电能质量下降通常是由电弧炉和工业电机的间歇性负载和负载变化引起的。这种干扰会导致浪涌、骤降、谐波失真、中断、闪烁和信号电压。9为了检测和记录工厂装置内的这些干扰，有必要在整个电气装置的多个点安装电能质量监测设备，或者更好的是，将其安装在负载水平。随着新工业的到来 4.0技术，负载下的电能质量监控可以通过工业面板仪表或分表来解决，以全面了解输送到每个负载的电力质量。

数据中心

目前，大多数业务活动都以某种方式依赖于数据中心来提供电子邮件，数据存储，云服务等。数据中心需要高水平的清洁、可靠和不间断的电力供应。卓越的 PQ 监控可帮助管理人员防止代价高昂的停机，并帮助管理由于电源单元 （PSU） 问题而需要的设备维护或更换。将不间断电源 （UPS） 系统集成到机架配电单元 （PDU） 中是将 PQ 监控添加到数据中心内 IT 机架的另一个原因。这种集成可以在电源插座级别提供对电源问题的可见性。

根据艾默生网络能源的一份报告，UPS系统故障，包括UPS和电池，是计划外数据中心中断的主要原因。10在所有报告的停电中，约有三分之一使公司损失了近 250，000 美元。11每个数据中心都使用UPS系统，以确保清洁和不间断的电力。这些系统从公用事业方面隔离和缓解大多数电源问题，但它们不能防止IT设备本身的PSU产生的问题。IT设备PSU是非线性负载，除了由设备引起的其他问题外，还可能引入谐波失真，例如可能导致具有变频速度控制风扇的高密度冷却系统的问题。除了这些问题之外，PSU 还面临多种形式的干扰，例如电压瞬变和浪涌、电压骤升、骤降和尖峰、不平衡或波动、频率变化以及设施接地不良。

定义的电能质量标准

电能质量标准规定了电大小的可测量限制，即它们可以偏离标称指定值的程度。不同的标准适用于电力系统的不同组成部分。具体而言，国际电工委员会 （IEC） 在 IEC 61000-4-30 标准中定义了交流 （AC） 电力系统 PQ 参数的测量和结果解释方法。PQ 参数声明为 50 Hz 和 60 Hz 的基频。该标准还为测量设备规定了两个等级：A类和S类。

A类定义了PQ参数测量的最高准确度和精密度，用于合同事项和争议解决中需要非常精确测量的仪器。它也适用于需要验证标准合规性的设备。

S 类用于低不确定性的电能质量评估、统计分析应用和电能质量问题的诊断。此类仪器可以报告标准定义的有限参数子集。使用S类仪器进行的测量可以在网络上的多个站点，整个位置甚至单个设备上进行。

图5.IEC电能质量标准。

需要注意的是，该标准定义了测量方法，建立了解释结果的指南，并规定了电能质量表的性能。它没有给出仪器本身设计的指南。

IEC 61000-4-30 标准为 A 类和 S 类测量设备定义了以下 PQ 参数。12

工频

电源电压和电流的大小

闪烁

电源电压骤降和骤升

电压中断

电源电压不平衡

电压和电流谐波以及间谐波

快速电压变化

欠偏差和过度偏差

电源电压上的电源信号电压

图6.在时间尺度上对电能质量参数进行分类。

IEC 61000-4-30标准定义的A类和S类之间的主要区别

尽管 A 类定义了比 S 类更高的准确度和精度级别，但差异不仅仅是精度级别。仪器必须符合时间同步、探头质量、校准周期、温度范围等要求。表1列出了仪器必须满足的要求才能获得一类或另一类认证。

	A类	S 类
电压测量精度	±0.1%	±0.5%
电流测量精度	±1%	±2%
电压和电流均方根计算	半周期步骤	单周期步骤
频率测量精度	±10 毫赫兹	±50 毫赫兹
150/180 周期聚合	不允许有间隙，与 UTC 10 分钟刻度同步	允许聚合之间的间隙
谐波测量达到阶数	50千	40千
每 24 小时的时钟不确定性	±1 秒	±5秒
时间同步	GPS接收机，无线电定时信号或网络定时信号	不需要
工作温度范围	0°C 至 45°C	由制造商指定

结论

整个电力基础设施都存在电能质量问题。拥有监控这些 PQ 问题的设备有助于提高性能、服务质量和设备使用寿命，同时减少经济损失。在随后的文章“如何设计符合标准的电能质量计”中，我们将介绍一个集成解决方案和一个即用型平台，可以显著加快开发速度并降低开发PQ监控产品的成本。

审核编辑：郭婷