高質(zhì)量的電能對于設(shè)備和電網(wǎng)平順運作是必須的，電力的擾動是通過電能質(zhì)量分析儀來監(jiān)測的。METAS完成了其第一個針對商業(yè)化電能質(zhì)量分析儀的認證，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。這項新服務(wù)是建立在過去這些年發(fā)展起來的對于復(fù)雜信號的生發(fā)、抓取和分析的專業(yè)知識基礎(chǔ)上的。

Jean-Pierre Braun 和 Charles Ané

從愛迪生和特斯拉對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。電流也是正弦的，因為大多數(shù)傳統(tǒng)的負載，如燈具、加熱裝置和電動機，主要都是線性負載。

什么是電能質(zhì)量?

20世紀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、電機驅(qū)動器等，這些控制系統(tǒng)可顯著提高運行效率和靈活性。弊處是這類負載是非線性的，會產(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，進而增加系統(tǒng)損耗。在80年代開始普及的計算機和基于微處理器的系統(tǒng)設(shè)備對于電力系統(tǒng)中的擾動更加敏感。負載對于擾動的敏感度和發(fā)射出的擾動共同構(gòu)成了電能質(zhì)量的概念。光伏發(fā)電的出現(xiàn)和發(fā)展進一步加劇了高頻擾動的問題。

1: 電能質(zhì)量是電網(wǎng)和其中負載順暢運行的重要因素

與其它電磁兼容問題一樣，必須限制設(shè)備電能質(zhì)量擾動的產(chǎn)生，同時必須降低與電力系統(tǒng)相連的設(shè)備對于擾動的敏感度。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)量擾動發(fā)射的同時降低連接到電力系統(tǒng)中設(shè)備的敏感度

對于每種類型擾動的發(fā)射和抵抗能力設(shè)定限值，從而建立兼容性水平評價體系。兼容性水平需要基于經(jīng)濟性和技術(shù)兩方面權(quán)衡考慮。為了實現(xiàn)標準化，電能質(zhì)量是對DC~9KHz這一低頻范圍擾動的描述，頻率范圍計劃延申到150KHz范圍。IEC 委員會SC 77A負責這類標準的制定。

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

然而，測量方式的高度標準化并沒有實現(xiàn)不同電能質(zhì)量分析儀的測量結(jié)果高度一致。在某些情況下，基于上述測量標準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準來定義儀器級別，并對這些儀器的測量方法進行標準化。

■ IEC 61000-4-30:

Testing and measurement techniques Power quality measurement methods

該標準定義了電能質(zhì)量分析儀該如何進行上述各種擾動的測量。定義了兩個級別的電能質(zhì)量分析儀: A 和S。前者適用于需要連續(xù)測量或需要使用兩臺及以上儀器進行同步測量的情況，例如電力訴訟。后者對于信號數(shù)據(jù)處理的要求較低，適用于電能質(zhì)量評估和調(diào)查。

■ IEC 61000-4-15:

Testing and measurement techniques

Flickermeter – Functional and design specifications

該標準定義了如何測量閃變。閃變或許是電能質(zhì)量測量中最復(fù)雜的，它是基于這樣一個模型，將60W的白熾燈置于電壓波動中，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

該標準定義了電力系統(tǒng)中諧波的測量方法。該方法基于FFT分析，并對相鄰諧波子值進行g(shù)rouping，以降低數(shù)值波動帶來的影響。該方法也用于簡諧波的測量。

■ EN 50160:

Voltage characteristics of public distribution systems

該標準規(guī)定了低壓、中壓、高壓網(wǎng)絡(luò)中可接受的各類電能質(zhì)量擾動限值。實際值是根據(jù)上述三種標準測量而得。該標準適用于整個歐洲，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

正是基于這兩個標準，METAS執(zhí)行對電能質(zhì)量分析儀的認證。

為了進行測試、校驗和認證，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。此外，信號源必須能夠生成IEC 62586-2標準要求的各種測試模式。并且，所有產(chǎn)生的信號必須可以溯源到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)。實際上，這些儀器以不同的時間間隔，即10個周期、150個周期、10分鐘和2小時，以無間隙的方式連續(xù)測量擾動。并且，對每一相(電壓和電流)都要進行測量。由于當前沒有標準來定義這些數(shù)據(jù)的格式，以此必須為每個儀器編制特定的數(shù)據(jù)讀出表。為了產(chǎn)生波形，三相校準源Fluke 6105A與METAS開發(fā)的相量測量單元(PMU)校準源一起使用。前者主要用于與時間沒有已知關(guān)系的信號，而后者用于UTC同步波形和無法用Fluke校準源生成的測試信號。雖然測試標準并沒有嚴格要求，但是一些干擾對UTC的同步極大地有助于了諸如跌落之類事件的測試。

與普通功率測量相反，電能質(zhì)量測量不是與參考儀器進行比較，而是與參數(shù)已被表征的信號進行比較。6105A校準源的可追溯性是在另一個METAS項目的框架內(nèi)建立的。6105A校準儀的校準工作非常容易，它提供了一個時鐘，其頻率是基頻的整數(shù)倍。這使得使用3458A萬用表對波形進行同步采樣變得可行。針對每個擾動，用特定的算法對采樣值進行處理。圖5顯示了Fluke校準器的校準設(shè)置。

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

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

圖6顯示的是Camille Bauer制造的型號為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標準規(guī)定的A級電能質(zhì)量分析儀。當數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)導(dǎo)出時，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，該軟件可以同時讀出兩個儀器的數(shù)值。圖7顯示了完整的測試設(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標準，對電能質(zhì)量分析儀的認證必須通過150多個單獨的測試

PQ3000在230V/50Hz和120V/60Hz下均按標準IEC 62586-2進行了認證測試。這意味著對于每一相電壓和電流進行了超過150項獨立的測試。只有所有測試都成功通過，才會發(fā)出標準符合性證書。第三方獨立認證是電能質(zhì)量分析儀用戶的十項要求之一。

隨著該項目的完成，METAS已經(jīng)成為少數(shù)幾個能夠完全認證電能質(zhì)量分析儀的實驗室之一。未來的計劃包括認證過程的完全自動化，這與幾年前完成的計費表的中間認證的自動化類似。這與實驗室電能和功率的戰(zhàn)略相一致，發(fā)展新的測量專業(yè)知識，并將其轉(zhuǎn)化為具有成本效益的服務(wù)