高質(zhì)量的電能對(duì)于設(shè)備和電網(wǎng)平順運(yùn)作是必須的，電力的擾動(dòng)是通過電能質(zhì)量分析儀來監(jiān)測(cè)的。METAS完成了其第一個(gè)針對(duì)商業(yè)化電能質(zhì)量分析儀的認(rèn)證，這是一款由瑞士Camille Bauer公司開發(fā)的設(shè)備：電能質(zhì)量分析儀 LINAX PQ3000。這項(xiàng)新服務(wù)是建立在過去這些年發(fā)展起來的對(duì)于復(fù)雜信號(hào)的生發(fā)、抓取和分析的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上的。

Jean-Pierre Braun 和 Charles Ané

從愛迪生和特斯拉對(duì)于交直流的分歧開始，電能的輸送一直是以交流(AC)的形式來進(jìn)行。在這樣的系統(tǒng)中，電壓和電流是50Hz或60Hz的正弦波。這樣的選擇是根源于產(chǎn)生電力所使用的感應(yīng)發(fā)電機(jī)。電流也是正弦的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳統(tǒng)的負(fù)載，如燈具、加熱裝置和電動(dòng)機(jī)，主要都是線性負(fù)載。

什么是電能質(zhì)量?

20世紀(jì)70年代隨著晶閘管和三極管等電力電子設(shè)備的出現(xiàn)，發(fā)展處理現(xiàn)代控制系統(tǒng)，諸如調(diào)光器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等，這些控制系統(tǒng)可顯著提高運(yùn)行效率和靈活性。弊處是這類負(fù)載是非線性的，會(huì)產(chǎn)生非正弦電流。這導(dǎo)致了電力系統(tǒng)中諧波污染的增加，進(jìn)而增加系統(tǒng)損耗。在80年代開始普及的計(jì)算機(jī)和基于微處理器的系統(tǒng)設(shè)備對(duì)于電力系統(tǒng)中的擾動(dòng)更加敏感。負(fù)載對(duì)于擾動(dòng)的敏感度和發(fā)射出的擾動(dòng)共同構(gòu)成了電能質(zhì)量的概念。光伏發(fā)電的出現(xiàn)和發(fā)展進(jìn)一步加劇了高頻擾動(dòng)的問題。

1: 電能質(zhì)量是電網(wǎng)和其中負(fù)載順暢運(yùn)行的重要因素

與其它電磁兼容問題一樣，必須限制設(shè)備電能質(zhì)量擾動(dòng)的產(chǎn)生，同時(shí)必須降低與電力系統(tǒng)相連的設(shè)備對(duì)于擾動(dòng)的敏感度。圖2說明了電磁兼容性的基本原則。

2: 電磁兼容原則: 限制電能質(zhì)量擾動(dòng)發(fā)射的同時(shí)降低連接到電力系統(tǒng)中設(shè)備的敏感度

對(duì)于每種類型擾動(dòng)的發(fā)射和抵抗能力設(shè)定限值，從而建立兼容性水平評(píng)價(jià)體系。兼容性水平需要基于經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)兩方面權(quán)衡考慮。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，電能質(zhì)量是對(duì)DC~9KHz這一低頻范圍擾動(dòng)的描述，頻率范圍計(jì)劃延申到150KHz范圍。IEC 委員會(huì)SC 77A負(fù)責(zé)這類標(biāo)準(zhǔn)的制定。

除了設(shè)定擾動(dòng)發(fā)射和敏感度(抗擾性)的限值外，對(duì)于這些擾動(dòng)的測(cè)量方法也必須標(biāo)準(zhǔn)化。在90年代后期之前，一些擾動(dòng)的測(cè)量沒有標(biāo)準(zhǔn)化的方法。這導(dǎo)致使用不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備測(cè)量出的結(jié)果不一致?，F(xiàn)在，一系列標(biāo)準(zhǔn)在電能質(zhì)量的測(cè)量中被普遍采用，大部分電能質(zhì)量分析儀都符合這些標(biāo)準(zhǔn)。

然而，測(cè)量方式的高度標(biāo)準(zhǔn)化并沒有實(shí)現(xiàn)不同電能質(zhì)量分析儀的測(cè)量結(jié)果高度一致。在某些情況下，基于上述測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的不同儀器并沒有產(chǎn)生可比較的結(jié)果。這就要求制定額外的標(biāo)準(zhǔn)來定義儀器級(jí)別，并對(duì)這些儀器的測(cè)量方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

■ IEC 61000-4-30:

Testing and measurement techniques Power quality measurement methods

該標(biāo)準(zhǔn)定義了電能質(zhì)量分析儀該如何進(jìn)行上述各種擾動(dòng)的測(cè)量。定義了兩個(gè)級(jí)別的電能質(zhì)量分析儀: A 和S。前者適用于需要連續(xù)測(cè)量或需要使用兩臺(tái)及以上儀器進(jìn)行同步測(cè)量的情況，例如電力訴訟。后者對(duì)于信號(hào)數(shù)據(jù)處理的要求較低，適用于電能質(zhì)量評(píng)估和調(diào)查。

■ IEC 61000-4-15:

Testing and measurement techniques

Flickermeter – Functional and design specifications

該標(biāo)準(zhǔn)定義了如何測(cè)量閃變。閃變或許是電能質(zhì)量測(cè)量中最復(fù)雜的，它是基于這樣一個(gè)模型，將60W的白熾燈置于電壓波動(dòng)中，燈光照度的變化引起的人眼主觀視覺的變化。

■ IEC 61000-4-7:

Testing and measurement techniques

General guide on harmonics and interharmonics mea- surements and instrumentation, for power supply sys- tems and equipment connected thereto

該標(biāo)準(zhǔn)定義了電力系統(tǒng)中諧波的測(cè)量方法。該方法基于FFT分析，并對(duì)相鄰諧波子值進(jìn)行g(shù)rouping，以降低數(shù)值波動(dòng)帶來的影響。該方法也用于簡(jiǎn)諧波的測(cè)量。

■ EN 50160:

Voltage characteristics of public distribution systems

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低壓、中壓、高壓網(wǎng)絡(luò)中可接受的各類電能質(zhì)量擾動(dòng)限值。實(shí)際值是根據(jù)上述三種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量而得。該標(biāo)準(zhǔn)適用于整個(gè)歐洲，且在訴訟中常被引用。

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

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

正是基于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，METAS執(zhí)行對(duì)電能質(zhì)量分析儀的認(rèn)證。

為了進(jìn)行測(cè)試、校驗(yàn)和認(rèn)證，首先必須要有單相/三相電壓和電流波形發(fā)生器，并且可以添加各種電能質(zhì)量擾動(dòng)。此外，信號(hào)源必須能夠生成IEC 62586-2標(biāo)準(zhǔn)要求的各種測(cè)試模式。并且，所有產(chǎn)生的信號(hào)必須可以溯源到SI。測(cè)試系統(tǒng)必須采集和存儲(chǔ)電能質(zhì)量分析儀產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。實(shí)際上，這些儀器以不同的時(shí)間間隔，即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(cè)量擾動(dòng)。并且，對(duì)每一相(電壓和電流)都要進(jìn)行測(cè)量。由于當(dāng)前沒有標(biāo)準(zhǔn)來定義這些數(shù)據(jù)的格式，以此必須為每個(gè)儀器編制特定的數(shù)據(jù)讀出表。為了產(chǎn)生波形，三相校準(zhǔn)源Fluke 6105A與METAS開發(fā)的相量測(cè)量單元(PMU)校準(zhǔn)源一起使用。前者主要用于與時(shí)間沒有已知關(guān)系的信號(hào)，而后者用于UTC同步波形和無法用Fluke校準(zhǔn)源生成的測(cè)試信號(hào)。雖然測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并沒有嚴(yán)格要求，但是一些干擾對(duì)UTC的同步極大地有助于了諸如跌落之類事件的測(cè)試。

與普通功率測(cè)量相反，電能質(zhì)量測(cè)量不是與參考儀器進(jìn)行比較，而是與參數(shù)已被表征的信號(hào)進(jìn)行比較。6105A校準(zhǔn)源的可追溯性是在另一個(gè)METAS項(xiàng)目的框架內(nèi)建立的。6105A校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)工作非常容易，它提供了一個(gè)時(shí)鐘，其頻率是基頻的整數(shù)倍。這使得使用3458A萬用表對(duì)波形進(jìn)行同步采樣變得可行。針對(duì)每個(gè)擾動(dòng)，用特定的算法對(duì)采樣值進(jìn)行處理。圖5顯示了Fluke校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)設(shè)置。

3: 為了產(chǎn)生波形，三相校準(zhǔn)源Fluke 6105A與METAS開發(fā)的相量測(cè)量單元(PMU)校準(zhǔn)源聯(lián)合使用

5: 電能質(zhì)量測(cè)量不是與參考儀器進(jìn)行比較，而是與參數(shù)已被表征的信號(hào)進(jìn)行比較

圖6顯示的是Camille Bauer制造的型號(hào)為PQ3000的三相(電壓和電流)電能質(zhì)量分析儀，它適用于50Hz和60Hz系統(tǒng)。該儀器是IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級(jí)電能質(zhì)量分析儀。當(dāng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)導(dǎo)出時(shí)，可以通過web瀏覽器直接查看數(shù)據(jù)和波形。為了數(shù)據(jù)讀取并將之保存到文件中，開發(fā)了一種特殊的讀出軟件，該軟件可以同時(shí)讀出兩個(gè)儀器的數(shù)值。圖7顯示了完整的測(cè)試設(shè)置。

 6: Camille Bauer PQ3000: 三相(電壓和電流) 電能質(zhì)量分析儀，適用于50Hz 和 60Hz電力系統(tǒng)

7: 依據(jù)IEC 62586-2標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電能質(zhì)量分析儀的認(rèn)證必須通過150多個(gè)單獨(dú)的測(cè)試

PQ3000在230V/50Hz和120V/60Hz下均按標(biāo)準(zhǔn)IEC 62586-2進(jìn)行了認(rèn)證測(cè)試。這意味著對(duì)于每一相電壓和電流進(jìn)行了超過150項(xiàng)獨(dú)立的測(cè)試。只有所有測(cè)試都成功通過，才會(huì)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)符合性證書。第三方獨(dú)立認(rèn)證是電能質(zhì)量分析儀用戶的十項(xiàng)要求之一。

隨著該項(xiàng)目的完成，METAS已經(jīng)成為少數(shù)幾個(gè)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，這與幾年前完成的計(jì)費(fèi)表的中間認(rèn)證的自動(dòng)化類似。這與實(shí)驗(yàn)室電能和功率的戰(zhàn)略相一致，發(fā)展新的測(cè)量專業(yè)知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)化為具有成本效益的服務(wù)