[科普中国]-电能质量分析仪

电能质量(Power Quality)，从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。

其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。 在现代电力系统中，电压暂降和中断已成为最重要的电能质量问题。

功能及组成电能质量分析仪 ，是对电网运行质量进行检测及分析的专用便携式产品。可以提供电力运行中的谐波分析及功率品质分析，能够对电网运行进行长时间的数据采集监测。同时配备电能质量数据分析软件，对上传至计算机的测量数据进行各种分析。

电能质量分析仪主要由五部分组成，分别为测量变换模块、模数转换模块、数据处理模块、数据管理模块以及外围模块。其中测量变换模块由电压互感器、电流互感器以及信号调理电路组成；数据处理模块包含DSP以及外部存储器SDRAM与FLASH；外围模块由显示、存储以及通信子模块组成。

工作原理电网信号经过电压/电流互感器、信号调理电路转变为符合ADC输入要求的小幅值电压信号；模数转换模块用于将小幅值电压信号转变为数字信号，并将其传送至数据处理模块；数据处理模块以DSP作为运算核心，对ADC的采样信号进行数据处理，从而计算得到电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡度、电压闪变等电能质量参数；数据管理模块用于对数据处理模块计算得到的各项电能质量参数进行数据管理，完成显示、存储以及通信等人机交互功能。1

误差来源（1）测量变换电路引入误差：电能质量分析仪工作时，电网中电压、电流信号需分别经过电压互感器(Potential Transformer，PT)、电流互感器(Current Transformer，CT)送入电能质量分析仪，因此PT、CT的比例误差和相角误差直接影响到测量结果的准确度。当电能质量分析仪工作在谐波条件下，PT、CT相角误差发生改变，对各次谐波电压、电流的转换比例不一致，输入ADC的被测信号发生变形，测量误差增大。

（2）ADC量化误差：ADC量化误差指输入信号进行模数转换时，用有限的数字信号来表示无限精度的模拟信号所造成的误差。电能质量分析仪常采用12位或16位的ADC，且ADC位数越大，其转换精度越高，量化误差越小。

（3）其他误差：包括环境温度、相对湿度等因素导致硬件电路产生的误差，电子器件以及线路老化等因素致使测量结果产生的误差。1

自动校准技术电能质量分析仪自动校准主要涉及三方面技术：虚拟仪器技术、总线技术以及可编程仪器标准命令。

（1）虚拟仪器技术：虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。美国NI公司首先提出虚拟仪器的概念，自20世纪90年代以来，NI公司已先后研制出支持多种总线系统的虚拟仪器，尤其是该公司推出的LabVIEW，通过图形化软件程序流程图来编程实现虚拟仪器的测量、测试功能；

（2）自动校准系统通信的关键是总线技术，用于仪器测量的常用总线主要包括：GPIB(General Purpose Interface Bus，通用接口总线)、LAN(LocalArea Network，局域网)、串口总线(RS-232、RS-422、RS-485)等；

（3）可编程仪器标准命令(Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI)：SCPI是一套标准命令集的规范，和硬件无关，无论是基于GPIB、LAN还是串口的任何仪器都可以使用符合SCPI标准的命令集。SCPI的语句以ASCⅡ文本的方式存在，可以加入到任何计算机测试编程语言之中，例如BASIC、C或C++；也可以用于如LabVIEW、LabWindows/CVI这样的专用测试程序开发环境。1

谐波及无功问题谐波以及无功是电网电能质量的重要指标，无论对于电网还是用户都有重要的意义。谐波和无功虽然是两个相对独立的问题，但是二者之间又有非常紧密的联系。这是因为：

(1)谐波除其本身的问题之外，也影响负荷和电网的无功功率；

(2)产生谐波的装置同时大都也是消耗基波无功功率的装置；

(3)治理谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置。2

具体指标电网频率我国电力系统的标称频率为50Hz ，GB/T15945-2008《电能质量 电力系统频率偏差》中规定：电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差限值可以放宽到±0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规则》中规定"供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300万千瓦及以上者为±0.2HZ；电网容量在300万千瓦以下者，为±0.5HZ。实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持在不大于±0.1HZ范围内。

电压偏差GB/T 12325-2008 《电能质量 供电电压偏差》中规定：35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%；20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的土7%；220V单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%，－10%。

三相电压不平衡GB/T15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》中规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；低压系统零序电压限值暂不做规定，但各相电压必须满足GB/T 12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。

公用电网谐波GB/T14549--93《电能质量-公用电网谐波》中规定：6～220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是0.38kV为5.0%，6～10kV为4.0%，35～66kV为3.0%，110kV为2.0%；用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是：0.38kV为2.6% ， 6～10kV为2.2%，35~66kV为1.9%，110kV为1.5%。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。

波动和闪变GB/T 12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》规定：电力系统公共连接点，在系统正常运行的较小方式下，以一周（168h）为测量周期，所有长时间闪变值Plt满足：≤110kV，Plt=1；>110kV，Plt=0.8。

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学