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

作者：Jose Mendia，產(chǎn)品應(yīng)用高級工程師

摘要

本文討論了電能質(zhì)量(PQ)測量在當(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類和S類電能質(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)計符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量儀表”的推薦解決方案。

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

由于發(fā)電模式以及能源消費結(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現(xiàn)了前所未有的增長，導(dǎo)致PQ相關(guān)的問題增多。由于在電網(wǎng)的多個入口點增加了多種電壓水平的不同步負(fù)載，消費模式也發(fā)生了廣泛的變化。例如，電動汽車(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)動器運行的電弧爐、開關(guān)變壓器等不僅會給電網(wǎng)增加許多不良諧波，而且會導(dǎo)致電壓突降、突升、瞬時掉電和閃爍。

【資料圖】

圖1.電能質(zhì)量問題

電力領(lǐng)域的電能質(zhì)量是指輸送給消費者的電壓質(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者的使用情況。根據(jù)最終用戶的不同，PQ問題的概念和含義相當(dāng)廣泛。

過去幾年里，人們對不良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，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)測電能質(zhì)量對許多商業(yè)部門的經(jīng)濟(jì)效益有直接影響。盡管不良PQ對商業(yè)經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響顯而易見，但有效且高效地大規(guī)模監(jiān)測PQ并非易事。監(jiān)測設(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)備長時間或無限期地安裝在電力系統(tǒng)的多個節(jié)點上。

電能質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域

電能質(zhì)量監(jiān)測常被一些商業(yè)部門視為成本節(jié)約策略，而對另一些商業(yè)部門來說，它是一項關(guān)鍵活動。如圖2所示，電能質(zhì)量問題可能出現(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)測在發(fā)電和配電、電動汽車充電、工廠、數(shù)據(jù)中心等商業(yè)領(lǐng)域變得越來越重要。

圖2.發(fā)電和用電的動態(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)量問題

電力公司和輸配電

電力公司通過輸配電系統(tǒng)為消費者服務(wù)，輸配電系統(tǒng)包括變電站，變電站經(jīng)由輸電線路供應(yīng)電力。通過這些輸電線路提供的電壓由變電站變壓器降壓到較低電平，變壓器會向系統(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性單相負(fù)載會使電流波形變形。非線性負(fù)載的不平衡會導(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量³。圖3顯示了此類非線性負(fù)載的影響。

風(fēng)力和光伏(PV)太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生的電力注入電網(wǎng)后，也會導(dǎo)致一些電能質(zhì)量問題。在風(fēng)力發(fā)電方面，風(fēng)的間歇性會產(chǎn)生諧波和短期電壓變化4。光伏太陽能系統(tǒng)中的逆變器會產(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，因為逆變器通常使用高速開關(guān)來提高能量手機(jī)的效率。

圖3.非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流諧波的影響

電動汽車充電樁

電動汽車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，又有來自電網(wǎng)的電力方面的（見圖4）。從配電公司的角度來看，電動汽車充電樁中使用的基于電力電子的轉(zhuǎn)換器會注入諧波和間諧波。電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計不當(dāng)?shù)某潆姌犊赡軙⑷胫绷麟?DC)。此外，快速電動汽車充電樁會將快速電壓變化和電壓閃爍引入電網(wǎng)。從電動汽車充電樁方面來看，輸電或配電系統(tǒng)中的故障會導(dǎo)致電壓突降或充電樁電源電壓中斷。電動汽車充電樁的電壓容限降低會導(dǎo)致欠壓保護(hù)激活和與電網(wǎng)斷開（這會造成非常糟糕的用戶體驗）⁵。

圖4.電動汽車充電樁面臨的電能質(zhì)量問題

工廠

根據(jù)美國電力研究所(EPRI)的報告，美國工業(yè)設(shè)施每年因為電源變化和電壓擾動引起的電能質(zhì)量問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個歐盟國家每年因為不同的PQ問題而遭受相當(dāng)于1600億美元的財務(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。此類干擾會引起浪涌、突降、諧波失真、中斷、閃爍和信令電壓⁹。為了在工廠設(shè)施內(nèi)部檢測和記錄這些干擾，有必要在整個電氣設(shè)施中的多個節(jié)點上使用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，或在負(fù)載級使用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備會更好。隨著新的工業(yè)4.0技術(shù)的到來，負(fù)載處的電能質(zhì)量監(jiān)測可以通過工業(yè)面板儀表或子儀表來解決，以全面了解輸送到每個負(fù)載的電能質(zhì)量。

數(shù)據(jù)中心

目前，大多數(shù)商業(yè)活動都以這樣或那樣的方式依賴數(shù)據(jù)中心來提供電子郵件、數(shù)據(jù)存儲、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)測有助于管理人員預(yù)防代價高昂的停電，并幫助管理因電源單元(PSU)問題而需要進(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)測的另一個原因。這種集成可以提供電源插座級別的電源問題可見性。

根據(jù)Emerson Network Power的一份報告，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。在所有報告的停電事件中，約有三分之一給公司造成了接近25萬美元的損失¹¹。每個數(shù)據(jù)中心都會使用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題，但它們不能防范IT設(shè)備本身的PSU產(chǎn)生的問題。IT設(shè)備PSU是非線性負(fù)載，此類負(fù)載可能引入諧波失真和其它由設(shè)備造成的問題，有些問題可能導(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、頻率變化、設(shè)備接地不良。

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)說明

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力幅度的可測量限值，即它們可以偏離標(biāo)稱額定值多遠(yuǎn)。不同的標(biāo)準(zhǔn)適用于電力系統(tǒng)的不同組成部分。具體來說，國際電工委員會(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)的測量方法和結(jié)果解釋。PQ參數(shù)是針對50 Hz和60 Hz的基頻聲明的。此標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了兩類測量設(shè)備：A類和S類。

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

?S類用于電能質(zhì)量評估、統(tǒng)計分析應(yīng)用和低不確定度的電能質(zhì)量問題診斷。此類儀器可以報告標(biāo)準(zhǔn)定義的參數(shù)的一個有限子集。使用S類儀器進(jìn)行的測量可以在網(wǎng)絡(luò)上的多個站點、在全部位置、甚至在單臺設(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)定義了測量方法，說明了解釋結(jié)果的指南，并規(guī)定了電能質(zhì)量儀表的性能。它沒有給出儀器本身的設(shè)計指南。

IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)為A類和S類測量設(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)在時間尺度上的分類

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

盡管A類定義了比S類更高的準(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認(rèn)證所應(yīng)當(dāng)滿足的要求。

表1.IEC 61000-4-30 A類和S類的主要區(qū)別

A類	S類
電壓測量精度	±0.1%	±0.5%
電流測量精度	±1%	±2%
電壓和電流有效值計算	半周期步進(jìn)	單周期步進(jìn)
頻率測量精度	±10 mHz	±50 mHz
150/180周期聚合	不允許間隙，每10分鐘與UTC同步	聚合之間允許存在間隙
諧波測量最高次數(shù)	50th	40th
每24小時時鐘不確定度	±1秒	±5秒
時間同步	GPS接收機(jī)、無線電定時信號或網(wǎng)絡(luò)定時信號	不需要
工作溫度范圍	0°C至45°C	由制造商指定

結(jié)語

電能質(zhì)量問題存在于整個電力基礎(chǔ)設(shè)施中。擁有監(jiān)測這些PQ問題的設(shè)備有助于改善性能、服務(wù)質(zhì)量和設(shè)備壽命，同時減少經(jīng)濟(jì)損失。在后續(xù)文章“如何設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量儀表”中，我們將介紹一種集成解決方案和一個即用型平臺，它們能夠顯著加快開發(fā)速度并降低PQ監(jiān)測產(chǎn)品的開發(fā)成本。

參考資料

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.” 10^thInternational 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 QualityProblems 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.

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Jose Mendia擁有電子和計算機(jī)科學(xué)工程學(xué)士學(xué)位，于2016年加入ADI公司的能源和工業(yè)系統(tǒng)部。目前，他是愛丁堡英國設(shè)計中心的產(chǎn)品應(yīng)用高級工程師。

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