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，并回顧了PQ監測的應用領域。它將涵蓋電能質量及其參數的IEC標準。最后，總結了A類和S類電能質量計之間的主要區別。后續文章將說明“如何設計符合標準的電能質量計”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

由于發電模式和用電動態的變化，電能質量重新引起了人們的興趣。不同電壓水平的可再生能源的空前增長增加了PQ相關問題的數量。由于在電網的多個入口點和電壓水平增加了不同步負載，消費模式也發生了廣泛的變化。一些例子是電動汽車 （EV） 充電器，可能需要數百千瓦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、開關變壓器等運行的電弧爐不僅會給電網增加大量不需要的諧波，而且還會導致電壓驟降、驟升、瞬態掉電和閃爍。

圖1.電能質量問題。

公用事業空間的電能質量是指輸送給消費者的電壓質量;一系列關于幅度、相位和頻率的規定決定了這種服務質量。但是，根據定義，它表示電壓和電流。雖然電壓很容易由發電側控制，但電流主要由消費者使用情況控制。PQ問題的概念和影響相當廣泛，具體取決于最終用戶。

在過去幾年中，對不良PQ的經濟影響進行了廣泛的研究和調查;據估計，其影響在全世界數十億美元左右。1所有這些研究都得出結論，監測電力質量對許多商業部門的經濟效益有直接影響。盡管很明顯PQ對業務經濟的負面影響有多大，但大規模有效地監控它并非易事。監控設施中的PQ涉及在電力系統的多個點上長時間或無限期地將訓練有素的人員和昂貴的設備安裝在一起。

電能質量監測應用領域

電能質量監測通常被視為某些業務部門的成本節約策略，而其他業務部門則被視為一項關鍵活動。電力質量問題可能出現在廣泛的電力基礎設施中，如圖2所示。正如我們稍后將討論的那樣，電能質量監測在發電和配電、電動汽車充電、工廠和數據中心等商業領域變得越來越重要。

圖2.發電和用電的動態可能導致整個電力基礎設施的電能質量問題。

電力公司、輸配電

公用事業公司通過包括發電站在內的配電系統為消費者提供服務，發電站是通過輸電線路供電的變電站。通過這些傳輸線提供的電壓由變電站變壓器降壓到較低水平，從而向系統注入某些諧波或間諧波。配電系統中的諧波電流會導致諧波失真、低功率因數、額外的損耗以及電氣設備過熱2，導致設備壽命縮短和冷卻成本增加。這些變電站變壓器服務的非線性單相負載會使電流波形變形。非線性負載的不平衡會導致電力變壓器的額外損耗、中性線的額外負載、低功率斷路器的意外運行以及用電量的錯誤測量。3圖3說明了這些線性負載的影響。

注入電網的風能和光伏（PV）太陽能系統發電也會導致一些電能質量問題。在風力發電側，風的間歇性會產生諧波和短時間的電壓變化。4光伏太陽能系統中的逆變器產生的噪聲會產生電壓瞬變、失真諧波和射頻噪聲，因為通常用于提高收集能量效率的高速開關。

圖3.非線性負載產生的電流諧波的影響。

電動汽車充電器

電動汽車充電器在向電網發送和從電網發送的電力方面可能面臨多種電能質量挑戰（見圖 4）。從配電公司的角度來看，電動汽車充電器中使用的基于電力電子的轉換器會注入諧波和間諧波。電源轉換器設計不當的充電器可能會注入直流電 （DC）。此外，快速電動汽車充電器會向電網引入快速電壓變化和電壓閃爍。從電動汽車充電器方面來看，輸電或配電系統的故障會導致電壓驟降或充電器電源電壓中斷。降低電動汽車充電器容差限制的電壓將導致欠壓保護激活和與電網斷開連接（這會導致非常糟糕的用戶體驗）。5

圖4.電動汽車充電器的電能質量問題。

工廠

根據電力研究所（EPRI）的報告，由電源變化和電壓干擾引起的電能質量問題每年為美國的工業設施造成約119億美元的損失。6此外，根據歐洲銅業研究所的數據，由于不同的PQ問題，25個歐盟國家每年遭受相當于160億美元（美國）的經濟損失。7這些數字與隨后的停機時間和生產損失以及相當于智力生產力損失有關。8

電能質量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。這種干擾會導致浪涌、驟降、諧波失真、中斷、閃爍和信號電壓。9為了檢測和記錄工廠裝置內的這些干擾，有必要在整個電氣裝置的多個點安裝電能質量監測設備，或者更好的是，將其安裝在負載水平。隨著新工業的到來 4.0技術，負載下的電能質量監控可以通過工業面板儀表或分表來解決，以全面了解輸送到每個負載的電力質量。

數據中心

目前，大多數業務活動都以某種方式依賴于數據中心來提供電子郵件，數據存儲，云服務等。數據中心需要高水平的清潔、可靠和不間斷的電力供應。卓越的 PQ 監控可幫助管理人員防止代價高昂的停機，并幫助管理由于電源單元 （PSU） 問題而需要的設備維護或更換。將不間斷電源 （UPS） 系統集成到機架配電單元 （PDU） 中是將 PQ 監控添加到數據中心內 IT 機架的另一個原因。這種集成可以在電源插座級別提供對電源問題的可見性。

根據艾默生網絡能源的一份報告，UPS系統故障，包括UPS和電池，是計劃外數據中心中斷的主要原因。10在所有報告的停電中，約有三分之一使公司損失了近 250，000 美元。11每個數據中心都使用UPS系統，以確保清潔和不間斷的電力。這些系統從公用事業方面隔離和緩解大多數電源問題，但它們不能防止IT設備本身的PSU產生的問題。IT設備PSU是非線性負載，除了由設備引起的其他問題外，還可能引入諧波失真，例如可能導致具有變頻速度控制風扇的高密度冷卻系統的問題。除了這些問題之外，PSU 還面臨多種形式的干擾，例如電壓瞬變和浪涌、電壓驟升、驟降和尖峰、不平衡或波動、頻率變化以及設施接地不良。

定義的電能質量標準

電能質量標準規定了電大小的可測量限制，即它們可以偏離標稱指定值的程度。不同的標準適用于電力系統的不同組成部分。具體而言，國際電工委員會 （IEC） 在 IEC 61000-4-30 標準中定義了交流 （AC） 電力系統 PQ 參數的測量和結果解釋方法。PQ 參數聲明為 50 Hz 和 60 Hz 的基頻。該標準還為測量設備規定了兩個等級：A類和S類。

A類定義了PQ參數測量的最高準確度和精密度，用于合同事項和爭議解決中需要非常精確測量的儀器。它也適用于需要驗證標準合規性的設備。

S 類用于低不確定性的電能質量評估、統計分析應用和電能質量問題的診斷。此類儀器可以報告標準定義的有限參數子集。使用S類儀器進行的測量可以在網絡上的多個站點，整個位置甚至單個設備上進行。

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，建立了解釋結果的指南，并規定了電能質量表的性能。它沒有給出儀器本身設計的指南。

IEC 61000-4-30 標準為 A 類和 S 類測量設備定義了以下 PQ 參數。12

工頻

電源電壓和電流的大小

閃爍

電源電壓驟降和驟升

電壓中斷

電源電壓不平衡

電壓和電流諧波以及間諧波

快速電壓變化

欠偏差和過度偏差

電源電壓上的電源信號電壓

圖6.在時間尺度上對電能質量參數進行分類。

IEC 61000-4-30標準定義的A類和S類之間的主要區別

盡管 A 類定義了比 S 類更高的準確度和精度級別，但差異不僅僅是精度級別。儀器必須符合時間同步、探頭質量、校準周期、溫度范圍等要求。表1列出了儀器必須滿足的要求才能獲得一類或另一類認證。

結論

整個電力基礎設施都存在電能質量問題。擁有監控這些 PQ 問題的設備有助于提高性能、服務質量和設備使用壽命，同時減少經濟損失。在隨后的文章“如何設計符合標準的電能質量計”中，我們將介紹一個集成解決方案和一個即用型平臺，可以顯著加快開發速度并降低開發PQ監控產品的成本。

審核編輯：郭婷