【導讀】本文討論了電能質量(PQ)測量在當今電力基礎設施中的重要性，並回顧了PQ監測的應用領域。本文將介紹IEC電能質量標準及其參數。最後，本文總結了A類和S類電能質量儀表的主要區別。後續文章將闡述關於"如何設計符合標準的電能質量儀表"的推薦解決方案。

當今電力基礎設施對電能質量測量的需求

由於發電模式以及能源消費結構不斷變化，電能質量重新受到關注。不同電壓水平的可再生能源實現了前所未有的增長，導致PQ相關的問題增多。由於在電網的多個入口點增加了多種電壓水平的不同步負載，消費模式也發生了廣泛的變化。例如，電動汽車(EV)充電樁可能需要數百千瓦功率和大量數據中心及其相關設備，如供暖、通風和空調。在工業應用中
，由變頻驅動器運行的電弧爐、開關變壓器等不僅會給電網增加許多不良諧波
，而且會導致電壓突降
、突升
、瞬時掉電和閃爍。

圖1.電能質量問題

電力領域的電能質量是指輸送給消費者的電壓質量。關於幅度、相(xiang)位(wei)和(he)頻(pin)率(lv)的(de)一(yi)係(xi)列(lie)規(gui)定(ding)決(jue)定(ding)了(le)這(zhe)種(zhong)服(fu)務(wu)質(zhi)量(liang)。然(ran)而(er)，根(gen)據(ju)定(ding)義(yi)，它(ta)表(biao)示(shi)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)兩(liang)者(zhe)。電(dian)壓(ya)很(hen)容(rong)易(yi)由(you)發(fa)電(dian)方(fang)控(kong)製(zhi)，但(dan)電(dian)流(liu)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)消(xiao)費(fei)者(zhe)的(de)使(shi)用(yong)情(qing)況(kuang)。根(gen)據(ju)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)的(de)不(bu)同(tong)
，PQ問題的概念和含義相當廣泛。

過去幾年裏，人們對不良PQ的經濟影響進行了廣泛的研究和調查。據估計，其在全球範圍內造成的經濟影響約為數十億美元1。所有這些研究的結論是，監測電能質量對許多商業部門的經濟效益有直接影響。盡管不良PQ對商業經濟的負麵影響顯而易見，但有效且高效地大規模監測PQ並非易事。監測設施中的PQ需要訓練有素的人員和昂貴的設備，這些設備長時間或無限期地安裝在電力係統的多個節點上。

電能質量監測應用領域

電能質量監測常被一些商業部門視為成本節約策略，而對另一些商業部門來說
，它是一項關鍵活動。如圖2所示，電能質量問題可能出現在各種電力基礎設施中。正如我們將在後麵所討論的
，電能質量監測在發電和配電
、電動汽車充電、工廠、數據中心等商業領域變得越來越重要。

圖2.發電和用電的動態變化可能導致各種電力基礎設施出現電能質量問題

電力公司和輸配電

dianligongsitongguoshupeidianxitongweixiaofeizhefuwu，shupeidianxitongbaokuobiandianzhan，biandianzhanjingyoushudianxianlugongyingdianli。tongguozhexieshudianxianlutigongdedianyayoubiandianzhanbianyaqijiangyadaojiaodidianping
，bianyaqihuixiangxitongzhuruyixiexiebohuojianxiebo。peidianxitongzhongdexiebodianliukenengdaozhixieboshizhen
、低功率因數、額外損耗以及電氣設備過熱2，進(jin)而(er)造(zao)成(cheng)設(she)備(bei)壽(shou)命(ming)縮(suo)短(duan)和(he)散(san)熱(re)成(cheng)本(ben)增(zeng)加(jia)。由(you)這(zhe)些(xie)變(bian)電(dian)站(zhan)變(bian)壓(ya)器(qi)供(gong)電(dian)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)單(dan)相(xiang)負(fu)載(zai)會(hui)使(shi)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)變(bian)形(xing)。非(fei)線(xian)性(xing)負(fu)載(zai)的(de)不(bu)平(ping)衡(heng)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)力(li)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)額(e)外(wai)損(sun)耗(hao)、額外中性負載、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載的影響。

風力和光伏(PV)太陽能係統產生的電力注入電網後

，也會導致一些電能質量問題。在風力發電方麵，風的間歇性會產生諧波和短期電壓變化4。光伏太陽能係統中的逆變器會產生噪聲，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來提高能量手機的效率。

圖3.非線性負載產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麵臨多種電能質量挑戰，既有送至電網的電力方麵的，又有來自電網的電力方麵的（見圖4）。congpeidiangongsidejiaodulaikan，diandongqichechongdianzhuangzhongshiyongdejiyudianlidianzidezhuanhuanqihuizhuruxiebohejianxiebo。dianyuanzhuanhuanqishejibudangdechongdianzhuangkenenghuizhuruzhiliudian(DC)。此ci外wai
，快kuai速su電dian動dong汽qi車che充chong電dian樁zhuang會hui將jiang快kuai速su電dian壓ya變bian化hua和he電dian壓ya閃shan爍shuo引yin入ru電dian網wang。從cong電dian動dong汽qi車che充chong電dian樁zhuang方fang麵mian來lai看kan，輸shu電dian或huo配pei電dian係xi統tong中zhong的de故gu障zhang會hui導dao致zhi電dian壓ya突tu降jiang或huo充chong電dian樁zhuang電dian源yuan電dian壓ya中zhong斷duan。電dian動dong汽qi車che充chong電dian樁zhuang的de電dian壓ya容rong限xian降jiang低di會hui導dao致zhi欠qian壓ya保bao護hu激ji活huo和he與yu電dian網wang斷duan開kai（這會造成非常糟糕的用戶體驗）5。

圖4.電動汽車充電樁麵臨的電能質量問題

工廠

根據美國電力研究所(EPRI)的報告，美國工業設施每年因為電源變化和電壓擾動引起的電能質量問題而蒙受的損失約為1190億美元6。此外，根據歐洲銅業研究所的數據，25個歐盟國家每年因為不同的PQ問題而遭受相當於1600億美元的財務損失7。這些數字與後續的停工和生產損失以及知識生產力的折算損失直接相關8。

電能質量的下降通常是由電弧爐和工業電機的間歇性負載和負載變化引起的。此類幹擾會引起浪湧、突降、諧波失真、中斷、閃爍和信令電壓9。為wei了le在zai工gong廠chang設she施shi內nei部bu檢jian測ce和he記ji錄lu這zhe些xie幹gan擾rao，有you必bi要yao在zai整zheng個ge電dian氣qi設she施shi中zhong的de多duo個ge節jie點dian上shang使shi用yong電dian能neng質zhi量liang監jian測ce設she備bei，或huo在zai負fu載zai級ji使shi用yong電dian能neng質zhi量liang監jian測ce設she備bei會hui更geng好hao。隨sui著zhe新xin的de工gong業ye4.0技術的到來，負載處的電能質量監測可以通過工業麵板儀表或子儀表來解決，以全麵了解輸送到每個負載的電能質量。

數據中心

目前

，大多數商業活動都以這樣或那樣的方式依賴數據中心來提供電子郵件、數據存儲、雲服務等。數據中心需要高水平
、清潔、可靠、不間斷的電力供應。出色的PQ監測有助於管理人員預防代價高昂的停電，並幫助管理因電源單元(PSU)問題而需要進行的設備維護或更換。不間斷電源(UPS)係統集成到機架配電單元(PDU)中
，是需要向數據中心內的IT機架添加PQ監測的另一個原因。這種集成可以提供電源插座級別的電源問題可見性。

根據Emerson Network Power的一份報告，UPS係統故障（包括UPS和電池）是數據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。每個數據中心都會使用UPS係統，以確保清潔和不間斷的電力供應。這些係統隔離並減輕了電力公司方麵的大部分電力問題，但它們不能防範IT設備本身的PSU產生的問題。IT設備PSU是(shi)非(fei)線(xian)性(xing)負(fu)載(zai)，此(ci)類(lei)負(fu)載(zai)可(ke)能(neng)引(yin)入(ru)諧(xie)波(bo)失(shi)真(zhen)和(he)其(qi)它(ta)由(you)設(she)備(bei)造(zao)成(cheng)的(de)問(wen)題(ti)，有(you)些(xie)問(wen)題(ti)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)帶(dai)有(you)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)風(feng)扇(shan)的(de)高(gao)密(mi)度(du)散(san)熱(re)係(xi)統(tong)。除(chu)了(le)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)
，PSU還麵臨多種形式的幹擾

，如電壓瞬變和浪湧、電壓突升、下降和尖峰、不平衡或波動、頻率變化
、設備接地不良。

電能質量標準說明

電dian能neng質zhi量liang標biao準zhun規gui定ding了le電dian力li幅fu度du的de可ke測ce量liang限xian值zhi，即ji它ta們men可ke以yi偏pian離li標biao稱cheng額e定ding值zhi多duo遠yuan。不bu同tong的de標biao準zhun適shi用yong於yu電dian力li係xi統tong的de不bu同tong組zu成cheng部bu分fen。具ju體ti來lai說shuo

，國guo際ji電dian工gong委wei員yuan會hui(IEC)在IEC 61000-4-30標準中定義了交流(AC)電力係統PQ參數的測量方法和結果解釋。PQ參數是針對50 Hz和60 Hz的基頻聲明的。此標準還規定了兩類測量設備：A類和S類。

●   A類定義了PQ參數測量的最高準確度和精確度，用於合同事務和爭議解決中需要非常精密測量的儀器。它也適用於需要驗證標準合規性的設備。

●   S類用於電能質量評估、統計分析應用和低不確定度的電能質量問題診斷。此類儀器可以報告標準定義的參數的一個有限子集。使用S類儀器進行的測量可以在網絡上的多個站點、在全部位置、甚至在單台設備上進行。

圖5.IEC電能質量標準

需要注意的是，該標準定義了測量方法，說明了解釋結果的指南，並規定了電能質量儀表的性能。它沒有給出儀器本身的設計指南。

IEC 61000-4-30標準為A類和S類測量設備定義了如下PQ參數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.電能質量參數在時間尺度上的分類

IEC 61000-4-30標準定義的A類和S類的主要區別

盡管A類定義了比S類更高的準確度和精確度，但差異不僅僅是精度水平。儀器必須符合時間同步、探頭質量、校準周期、溫度範圍等要求。表1列出了儀器要獲得某類認證所應當滿足的要求。

表1.IEC 61000-4-30 A類和S類的主要區別

結語

電能質量問題存在於整個電力基礎設施中。擁有監測這些PQ問題的設備有助於改善性能、服務質量和設備壽命
，同時減少經濟損失。在後續文章"如何設計符合標準的電能質量儀表"中，我們將介紹一種集成解決方案和一個即用型平台

，它們能夠顯著加快開發速度並降低PQ監測產品的開發成本。

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. Diniş. “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.

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