电力基础设施电能质量监测的必要性与挑战

时间： 2024-05-15 来源：TOPPOWER（顶源科技）官网

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当今电力基础设施中电能质量测量的需求

一些例子是电动汽车(EV)充电器，可能需要数百千瓦以及大量数据中心及其相关设备，例如供暖、通风和空调。在工业应用中，由变频驱动器、开关变压器等运行的电弧炉不仅会向电网添加大量不需要的谐波，还会造成电压骤降、骤升、瞬态断电和闪变。

图1. 电能质量问题。图片由博多电力系统提供

公用事业领域的电能质量是指输送给消费者的电压质量；一系列有关幅度、相位和频率的规定规定决定了这种服务质量。然而，根据定义，它既表示电压又表示电流。虽然电压很容易由发电侧控制，但电流很大程度上取决于消费者的使用情况。PQ问题的概念和影响相当广泛，具体取决于终用户。

过去几年，人们对不良PQ的经济影响进行了广泛的研究和调查。据估计，其影响在全世界范围内达到数十亿美元。1所有这些研究都得出结论，电力质量监测对许多行业的经济成果有直接影响。尽管很明显PQ对商业经济产生了多么严重的负面影响，但大规模、有效地对其进行监控并不是一件容易的事。监测设施中的电能质量需要在电力系统的多个点上长期或无限期地安装训练有素的人员和昂贵的设备。

电能质量监测应用

电能质量监测通常被视为某些业务部门的成本节约策略，而对于其他业务部门则被视为关键活动。电能质量问题可能出现在广泛的电力基础设施中，如图2所示。正如我们稍后将讨论的，电能质量监测在发电和配电、电动汽车充电、工厂和数据等业务领域变得越来越重要中心。

电力公司、输电和配电

公用事业公司为消费者提供包括发电站在内的配电系统，这些发电站是通过输电线路供电的变电站。通过这些传输线提供的电压通过变电站变压器降压至较低水平，从而将某些谐波或间谐波注入系统。配电系统中的谐波电流会导致谐波畸变、功率因数低、附加损耗以及电气设备过热2，导致设备寿命缩短和冷却成本增加。这些变电站变压器提供的非线性单相负载使电流波形变形。非线性负载的不平衡会导致电力变压器的额外损耗、额外的中性负载、小功率断路器的意外操作以及消耗电量的错误测量。图3说明了这些线性负载的影响。

图2. 发电和消费的动态可能导致整个电力基础设施的电能质量问题。图片由博多电力系统提供

风能和太阳能光伏（PV）系统发电并入电网也会导致一些电能质量问题。在风力发电方面，风力间歇性会产生谐波和短时电压变化。4由于通常使用高速开关来提高所收集能量的效率，光伏太阳能系统中的逆变器会产生噪声，从而产生电压瞬变、谐波失真和射频噪声。

电动汽车充电器

电动汽车充电器可能面临多种电能质量挑战，无论是输入还是输出电网的电力（见图4）。从配电公司的角度来看，电动汽车充电器中使用的基于电力电子的转换器会注入谐波和间谐波。电源转换器设计不当的充电器可能会注入直流电(DC)。此外，快速电动汽车充电器会给电网带来快速的电压变化和电压闪烁。从电动汽车充电器方面来看，输电或配电系统的故障会导致电压骤降或充电器供电电压中断。电动汽车充电器容差限制的电压降低将导致欠压保护激活并与电网断开（这会导致非常糟糕的用户体验）。

图3. 非线性负载产生的电流谐波的影响。图片由博多电力系统提供

根据电力研究所(EPRI)的，美国工业设施每年因电源变化和电压干扰引起的电能质量问题造成的损失约为1,190亿美元。6此外，根据欧洲铜业协会 (European Copper Institute)的数据，由于不同的PQ问题，25个欧盟国家每年蒙受相当于1600亿美元的财务损失。7这些数字与随后的停机时间和生产损失以及相当于智力生产力损失有关。

图4. 电动汽车充电器的电能质量问题。图片由博多电力系统提供

电能质量下降通常是由电弧炉和工业电机的间歇性负载和负载变化引起的。此类干扰会引起浪涌、骤降、谐波失真、中断、闪烁和信号电压。9为了检测和记录工厂装置内的这些干扰，有必要在整个电力装置的多个点安装电能质量监测设备，或者更好的是在负载级别安装电能质量监测设备。随着新工业4.0技术的到来，负载处的电能质量监控可以通过工业面板表或子表来实现，以全面了解输送到每个负载的电力质量。

数据中心

目前，大多数商业活动都以某种方式依赖于数据中心来提供电子邮件、数据存储、云服务等。数据中心需要高水平的清洁、可靠、不间断的电力供应。卓越的PQ监控可帮助管理人员防止代价高昂的停电，并帮助管理因电源装置(PSU)问题而需要的设备维护或更换。将不间断电源(UPS)系统集成到机架配电单元(PDU)中是在数据中心内的IT机架中添加PQ监控的另一个原因。这种集成可以提供电源插座级别的电源问题的可见性。

根据艾默生网络能源的一份，UPS系统故障（包括UPS和电池）是导致数据中心意外停机的主要原因。10在所有的中断中，大约有三分之一给公司造成了近25万美元的损失。11每个数据中心均使用UPS系统，以确保清洁且不间断的电力。这些系统可以隔离并缓解公用事业方面的大部分电源问题，但它们不能防止IT设备本身的PSU产生的问题。IT设备PSU是非线性负载，除了设备引起的其他问题外，还会引入谐波失真，例如导致具有变频调速风扇的高密度冷却系统的问题。除了这些问题外，PSU还面临多种形式的干扰，例如电压瞬变和浪涌、电压骤升、骤降和尖峰、不平衡或波动、频率变化以及设施接地不良等。

电能质量标准的定义

电能质量标准规定了电强度的可测量限制，即电强度与标称指定值的偏差程度。不同的标准适用于电力系统的不同组成部分。具体来说，国际电工委员会（IEC）在IEC 61000-4-30标准中定义了交流（AC）电力系统PQ参数的测量方法和结果解释。PQ参数针对50Hz和60Hz的基频声明。该标准还为测量设备建立了两个类别：A类和S类。

图5. IEC电能质量标准。图片由博多电力系统提供

A级定义了PQ参数测量的准确度和度，用于需要非常的测量来解决合同事务和争议的仪器。它也适用于需要验证标准符合性的设备。

S类用于电能质量评估、统计分析应用以及低不确定性电能质量问题的诊断。此类仪器可以标准定义的参数的有限子集。使用S类仪器进行的测量可以在网络上的多个站点、整个位置甚至单个设备上进行。

值得注意的是，该标准定义了测量方法，建立了结果解释指南，并规定了电能质量计的性能。它没有给出仪器本身设计的指南。

IEC 61000-4-30标准定义了A类和S类测量设备的以下PQ参数。

工频

电源电压和电流的大小

闪烁

电源电压骤降和骤升

电压中断

电源电压不平衡

电压和电流谐波和间谐波

电压快速变化

欠偏差和过偏差

电源电压上的主信号电压

图6. 时间尺度内电能质量参数的分类。图片由博多电力系统提供[PDF]

表1. IEC 61000-4-30A类和S类主要区别。

尽管A级定义了比S级更高的准确度和度级别，但差异不仅仅在于准确度级别。仪器必须符合时间同步、探头质量、校准周期、温度范围等要求。表1列出了仪器要获得某一类别或另一类别应满足的要求。

电能质量总结

整个电力基础设施都存在电能质量问题。拥有监控这些PQ问题的设备有助于提高性能、服务质量和设备使用寿命，同时减少经济损失。在第2部分“如何设计符合标准的电能质量仪表”中，我们将介绍一个集成解决方案和一个即用型平台，可以显着加快开发速度并降低PQ监测产品的开发成本。

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