電能質(zhì)量對設(shè)備和電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。用電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測電能質(zhì)量干擾。METAS公司最近完成了 其在瑞士開發(fā)的首個(gè)商業(yè)電能質(zhì)量分析儀的認(rèn)證，該電能質(zhì)量分析儀由Camille Bauer AG公司開發(fā)。這項(xiàng)新的服務(wù)是建立在過去幾年發(fā)展起來的對復(fù)雜信號的產(chǎn)生、采集和分析的專業(yè)知識之上的。

自從托馬斯.愛迪生和尼古拉.特斯拉持久的辯論以來，電能一直以交流電的形式輸送。在這種系統(tǒng)中，電壓和電流波形是正弦的，頻率為50Hz或60Hz。這種波形的選擇源于使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。電流也是正弦的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況是傳統(tǒng)的負(fù)載，如燈、加熱設(shè)備和電機(jī)，都是準(zhǔn)線性負(fù)載。

什么是電能質(zhì)量?

1：電能質(zhì)量是影響電網(wǎng)及其負(fù)荷正常運(yùn)行的重要因素。

70年代電力電子器件如晶閘管的出現(xiàn)，導(dǎo)致了現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展，如調(diào)光器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，在效率和靈活性方面 都有了顯著的提高。缺點(diǎn)是這些負(fù)載是非線性的，消耗的是非正弦電流。這導(dǎo)致電力系統(tǒng)中諧波污染的不斷增加， 增加了系統(tǒng)損耗。在20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)和基于微處理 器的系統(tǒng)的激增使得現(xiàn)代負(fù)載對電力系統(tǒng)中存在的擾動(dòng)更 加敏感。負(fù)荷靈敏度和擾動(dòng)發(fā)射同時(shí)增加的問題催生 了“電能質(zhì)量”這一術(shù)語。光伏發(fā)電的普及進(jìn)一步加劇了高頻擾動(dòng)的產(chǎn)生問題。

2：電磁兼容原理：必須限制電能質(zhì)量擾動(dòng)的發(fā)射，同時(shí)必須降低與電力系統(tǒng)相連的設(shè)備的敏感度。

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化

與其他電磁兼容問題一樣，必須限制電能質(zhì)量干擾的發(fā)射，同時(shí)必須降低與電力系統(tǒng)相連的設(shè)備的敏感度。圖2 說明了電磁兼容性的基本原理。 該原理依賴于為每種類型的干擾建立一個(gè)用于協(xié)調(diào)發(fā)射和抗擾度限值的兼容級別。兼容性級別基于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)權(quán)衡。為了標(biāo)準(zhǔn)化的目的，電能質(zhì)量被視為直流電（DC）至 9kHz范圍內(nèi)的低頻干擾，并計(jì)劃將此范圍擴(kuò)展至 150kHz。IEC委員會SC 7AA負(fù)責(zé)各種標(biāo)準(zhǔn)。 除了設(shè)置發(fā)射和敏感度限值外，還必須對各種干擾的測量 方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在90年代末之前，一些干擾沒有標(biāo)準(zhǔn)化 的測量方法。這導(dǎo)致在比較使用不同制造商的儀器進(jìn)行的測量時(shí)出現(xiàn)分歧。如今，一套標(biāo)準(zhǔn)通常被用來測量電能質(zhì)量擾動(dòng)，大多數(shù)電能質(zhì)量分析儀都符合這些標(biāo)準(zhǔn)。 然而，測量方法的標(biāo)準(zhǔn)化并沒有導(dǎo)致電能質(zhì)量分析儀的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施。在某些情況下，基于上述標(biāo)準(zhǔn)的不同工具沒 有產(chǎn)生可比的結(jié)果。這迫使我們制定了額外的標(biāo)準(zhǔn)來定義電能質(zhì)量分析儀器的類別和標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法。

電力系統(tǒng)中存在的主要電能質(zhì)量干擾有：

供電電壓變化 電力系統(tǒng)的每個(gè)部分設(shè)定一個(gè)標(biāo)稱電壓值。然而，由于線路阻抗和負(fù)載波動(dòng)引起的電壓降，實(shí)際供電電壓不斷變化。

電力系統(tǒng)頻率變化 當(dāng)電力系統(tǒng)的額定頻率設(shè)定為標(biāo)稱值時(shí)，實(shí)際頻率圍繞該值波動(dòng)， 反映了發(fā)電和能耗之間的瞬時(shí)失配。

閃變 電力系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)可以影響燈的亮度。這種光線的波動(dòng)會造 成視覺不穩(wěn)定的印象。

電壓驟降 電壓幅度暫時(shí)降低到規(guī)定的閾值以下，持續(xù)半個(gè)周期到6 0 秒。

電壓驟升 電壓幅度暫時(shí)性增加超過規(guī)定閾值并持續(xù)半個(gè)周期到60秒。

電壓中斷 電源中斷持續(xù)半秒到三分鐘。它們可能導(dǎo)致關(guān)閉或損壞敏感設(shè)備或系統(tǒng)。

三相不平衡 在三相系統(tǒng)中，當(dāng)每個(gè)相位的有效電壓和/或相位之間的相位角不相等時(shí)發(fā)生。它們會使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。

諧波 頻率為基頻整數(shù)倍的電壓或電流的分量。

間諧波 頻率不是基頻整數(shù)倍的電壓或電流分量。

電力線發(fā)信 電力線發(fā)信用于更改配電網(wǎng)中使用的電表的費(fèi)率。頻率設(shè)置在50 赫茲到 60 赫茲之間，通常設(shè)置在基頻的兩個(gè)諧波之間。電源信號可以刺激配電網(wǎng)中存在的諧振。

快速電壓變化 快速電壓變化通常發(fā)生在大負(fù)載連接到電力系統(tǒng)或變壓器抽頭變化期間。電壓的快速變化會導(dǎo)致照明設(shè)備的可見變化。

電能質(zhì)量相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是：

IEC 61000-4-30:

測試和測量技術(shù)——電能質(zhì)量測量方法

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電能質(zhì)量分析儀應(yīng)如何測量先前描述的 各種電能質(zhì)量擾動(dòng)。它定義了兩類儀器：A和S。前 者用于需要測量連續(xù)性或需要兩個(gè)或多個(gè)儀器進(jìn)行時(shí) 間同步測量時(shí)，例如在訴訟情況下。后者在處理方面 要求較低，用于調(diào)查或電能質(zhì)量評估。

IEC 61000-4-15:

測試和測量技術(shù)——閃變測量裝置的功能和設(shè)計(jì)規(guī)范

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如何測量閃變。閃變可能是復(fù)雜的電能質(zhì)量測量，因?yàn)樗谝粋€(gè)模型，該模型包括60w 白熾燈在電壓波動(dòng)下的行為、人眼的帶通響應(yīng)以及人 眼對光調(diào)制的視覺靈敏度的Rashbass模型。

IEC 61000-4-7:

測試和測量技術(shù)——供電系統(tǒng)及其連接設(shè)備的諧波和間諧波測量和儀表的一般指南

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力系統(tǒng)諧波的測量。該方法基于FFT 分析，但對相鄰的取樣使用分組方法，以最小化震級波動(dòng)的影響。該方法也被用于最小化諧波測量中的泄漏效應(yīng)。 

EN 50160: 公用配電系統(tǒng)電壓特性

 本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低、中、高壓電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)的可接受限值。實(shí)際值用前三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中描述的方法測量。本標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)歐洲使用，通常在訴訟中提及。

這就需要對這些產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證。以下標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)用于電能質(zhì)量 分析儀的認(rèn)證：

IEC 62586-1: Power quality measurement in power supply systems – Part 1: Power quality instruments

IEC 62586-2: Power quality measurement in power supply systems – Part 2: Functional tests and uncertainty  requirements

正是通過這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，METAS進(jìn)行了電能分析的認(rèn)證。符合這些要求可確保符合電能質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)。

METAS電能質(zhì)量認(rèn)證基礎(chǔ)設(shè)施

為了測試、校準(zhǔn)或認(rèn)證電能質(zhì)量分析儀，必須能夠產(chǎn)生單 相或三相電壓和電流波形，其中可以添加各種電能質(zhì)量擾 動(dòng)。此外，電源必須能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)IEC 62586-2要求的各種 測試模式。此外，所有生成的信號必須可追蹤到SI。測試 系統(tǒng)必須采集和存儲電能質(zhì)量分析儀產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。實(shí)際上，這些儀器在不同的時(shí)間間隔，即超過10個(gè)周 期、150個(gè)周期、10分鐘和2小時(shí)，以無間隙的方式連續(xù)測量電能質(zhì)量干擾。更重要的是，所有這些測量都是在所有相位（電壓和電流）上進(jìn)行的。由于目前沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定這些數(shù)據(jù)的格式，因此必須為每個(gè)特定儀器定制數(shù)據(jù)讀出裝置。為了產(chǎn)生波形，使用三相校準(zhǔn)儀與METAS開發(fā)的相量測量單元 （PMU）校準(zhǔn)儀一起使用。前者主要用于與時(shí)間沒有已知關(guān)系的信號，而后者則用于UTC同步波形和不能用校準(zhǔn)器產(chǎn)生的測試信號。

與普通功率測量相反，電能質(zhì)量測量不是與參考儀器進(jìn)行比較，而是與參數(shù)已確定的信號進(jìn)行比較。校準(zhǔn)器的可追 溯性是在另一個(gè)METAS項(xiàng)目的框架內(nèi)建立的。校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)通過提供頻率是基頻整數(shù)倍的時(shí)鐘而大大方便。這允許 用萬用表同步采樣波形。對于每一個(gè)干擾，樣本都由一個(gè) 特定的算法進(jìn)行處理。圖5顯示了校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)設(shè)置。

3:對于波形生成，三相校準(zhǔn)器與由METAS開發(fā)的相量測量單元 （PMU）校準(zhǔn)器一起使用。

4：電能質(zhì)量測量值不與參考儀器進(jìn)行比較，而是與參數(shù)已被表征的信號進(jìn)行比較。

PQ電能質(zhì)量認(rèn)證流程

5：Camille Bauer PQ3000: 三相（電壓和電流）電能質(zhì)量分析儀 50赫茲和60赫茲系統(tǒng)。

圖5顯示了 Camille Bauer PQ3000三相（電壓和電流）電能質(zhì)量分析儀。儀器設(shè)計(jì)用于50赫茲和60赫茲系統(tǒng)。該儀器是一個(gè)a級電能質(zhì)量分析儀，符合標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-30的規(guī)定。當(dāng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)端口導(dǎo)出時(shí)，可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器直接配置儀器。為了在文件中提取和保存數(shù)據(jù)，開發(fā)了一種特殊的讀出軟件。該軟件允許同時(shí)讀取兩臺儀器。圖6顯示 了完整的測試設(shè)置。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62586-2對PQ3000進(jìn)行了230V/50HZ和 120V/60HZ的測試。這表示一套150多個(gè)獨(dú)立的測試，必須 應(yīng)用于所有階段。所有測試成功通過后，將頒發(fā)合格證書。電能質(zhì)量分析儀的用戶往往需要獨(dú)立認(rèn)證。

隨著該項(xiàng)目的完成，METAS已經(jīng)成為少數(shù)能夠完全認(rèn)證電能質(zhì)量分析儀的實(shí)驗(yàn)室之一。未來的計(jì)劃包括認(rèn)證過程的 完全自動(dòng)化。這將類似于幾年前完成的收入表中級認(rèn)證的 自動(dòng)化。這與實(shí)驗(yàn)室開發(fā)新的測量專業(yè)知識并將其轉(zhuǎn)化為 具有成本效益的服務(wù)的電能和電力戰(zhàn)略是一致的。

6：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62586-2，電能質(zhì)量分析儀的認(rèn)證必須通過150多項(xiàng)單獨(dú)的試驗(yàn)。

METAS為電能質(zhì)量分析儀提供的服務(wù)包括：