作者：Jose Mendia，產品應用高級工程師

摘要

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。本文將介紹IEC電能質量標準及其參數。最后，本文總結了A類和S類電能質量儀表的主要區別。后續文章將闡述關于“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

由于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。由于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。

【資料圖】

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。關于幅度、相位和頻率的一系列規定決定了這種服務質量。然而，根據定義，它表示電壓和電流兩者。電壓很容易由發電方控制，但電流在很大程度上取決于消費者的使用情況。根據最終用戶的不同，PQ問題的概念和含義相當廣泛。

過去幾年里，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，其在全球范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對商業經濟的負面影響顯而易見，但有效且高效地大規模監測PQ并非易事。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系統的多個節點上。

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。正如我們將在后面所討論的，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

電力公司通過輸配電系統為消費者服務，輸配電系統包括變電站，變電站經由輸電線路供應電力。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，變壓器會向系統注入一些諧波或間諧波。配電系統中的諧波電流可能導致諧波失真、低功率因數、額外損耗以及電氣設備過熱²，進而造成設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、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)太陽能系統產生的電力注入電網后，也會導致一些電能質量問題。在風力發電方面，風的間歇性會產生諧波和短期電壓變化4。光伏太陽能系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面臨多種電能質量挑戰，既有送至電網的電力方面的，又有來自電網的電力方面的（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換器會注入諧波和間諧波。電源轉換器設計不當的充電樁可能會注入直流電(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。從電動汽車充電樁方面來看，輸電或配電系統中的故障會導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致欠壓保護激活和與電網斷開（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問題而遭受相當于1600億美元的財務損失⁷。這些數字與后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。為了在工廠設施內部檢測和記錄這些干擾，有必要在整個電氣設施中的多個節點上使用電能質量監測設備，或在負載級使用電能質量監測設備會更好。隨著新的工業4.0技術的到來，負載處的電能質量監測可以通過工業面板儀表或子儀表來解決，以全面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、云服務等。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監測有助于管理人員預防代價高昂的停電，并幫助管理因電源單元(PSU)問題而需要進行的設備維護或更換。不間斷電源(UPS)系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系統故障（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系統，以確保清潔和不間斷的電力供應。這些系統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設備本身的PSU產生的問題。IT設備PSU是非線性負載，此類負載可能引入諧波失真和其它由設備造成的問題，有些問題可能導致需要使用帶有變頻調速風扇的高密度散熱系統。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、設備接地不良。

電能質量標準說明

電能質量標準規定了電力幅度的可測量限值，即它們可以偏離標稱額定值多遠。不同的標準適用于電力系統的不同組成部分。具體來說，國際電工委員會(IEC)在IEC 61000-4-30標準中定義了交流(AC)電力系統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，用于合同事務和爭議解決中需要非常精密測量的儀器。它也適用于需要驗證標準合規性的設備。

?S類用于電能質量評估、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、甚至在單臺設備上進行。

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，并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、溫度范圍等要求。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

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	單周期步進
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	50th	40th
每24小時時鐘不確定度	±1秒	±5秒
時間同步	GPS接收機、無線電定時信號或網絡定時信號	不需要
工作溫度范圍	0°C至45°C	由制造商指定

結語

電能質量問題存在于整個電力基礎設施中。擁有監測這些PQ問題的設備有助于改善性能、服務質量和設備壽命，同時減少經濟損失。在后續文章“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臺，它們能夠顯著加快開發速度并降低PQ監測產品的開發成本。

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.

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Jose Mendia擁有電子和計算機科學工程學士學位，于2016年加入ADI公司的能源和工業系統部。目前，他是愛丁堡英國設計中心的產品應用高級工程師。

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