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IEC61000标准中的电能质量


关口计量产品介绍
任照南

关口计量产品介绍
ION系列产品 ? RAIDIAN系列产品 ? ELSPEC系列产品 ? 电测相关概念 ? 电能质量相关概念

ION产品在关口计量中的应用
? ION品牌变迁
– 加拿大PML公司是一家专业致 力于电能计量和电能质量分析 的高技术公司 – 施耐德全面

收购了加拿大PML 公司,ION电表已成为 SCHNEIDER品牌库中的一个 子品牌 – 在中国,施耐德将利用已有的 组织机构和行销渠道继续销售 ION电表,并提供服务 – 上海罗珊纳公司作为施耐德电 能产品以及电能质量产品的专 业代理公司,在华东电网推广 ION系列产品,并提供专业服 务

PowerLogic ION 在电力行业的应用

计费系统-关口计量ION8000系列
– 国家级电网: 国家级电网: – 国家电网公司: 三峡外送,东北-华北加强联网,华北-华中联网 等 – 南方电网公司: 柳州沙塘变500kV, 贵广河池变500kV – …… – 区域性电网: 区域性电网: – 华东电网: 褚暨,宜兴,海门,崇明,王店,宣城,徐行….500kV – 华中电网: 荆门,孝感,开封,长沙,益阳,玉贤… 500kV – 西北电网: 黄河苏只 – 东北电网: 高岭开关站500kV – …… – 省级电网 – 江西省网关口(500kV,220kV) – 重庆电力公司(500kV,220kV) – 福建省电力公司(500kV,220kV) – ……

PowerLogic ION8000 系列
关口计费表
? ? 世界上最先进的关口表: 世界上最先进的关口表: 测量
– – – – 高精度的电量计量满足ANSI/IEC标准 3相的电压、电流、功率有效值 谐波,K因子,三相不平衡 谐波 变损和线损补偿

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数据记录
– 定时或事件触发,记录波形,跌落/上升,故障,瞬变 (65us@60Hz,78us@50Hz),事件发生顺序,最大/最小值记录。 – 越限控制

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多通讯口和通讯协议
– – – – Modbus, DNP3.0, Itron MV-90? RS-485, RS-232, 光电口, modem,以太网口(连接其他设备的网关) 连接网络服务器, email方式传送数据或告警, GPS 同步 远程告警和事件通知

? ?

数字输入/输出,模拟输入/输出 ION模块化编程适合未来需求。

ION 8600系列与机器人

模块化电表-真正可以“编程”的电表
? 机器人用LABVIEW*软件编写的一个简单例子

? ION电表的设计程序,与之相似,但是更为复杂,也给用户提供了更 大的灵活度 ? 一般电表的编程其实称为参数设定更为合适,而ION电表的编程是 将电表内部的功能模块组合起来完成某一种功能的过程,用户拥有了 设计自己功能的权利 ? 针对特定用户编写的标准程序,也为不愿做二次开发的用户提供了可 以立刻使用的方案,并提供参数设定软件ION SETUP

LABVIEW是美国NI公司开发的广泛用于自动化控制和仪器仪表行业的开发软件

ION 8600系列型号
? ? ? ? 型号 ION 8600A ION 8600B ION 8600C

? 外形 ? 圆表:A-base ? 方表:Switchboard

A Base的优势与代价
优势 ? 方便的现场更换 ? 方便的现场检定 ? 降低采购成本 代价 ? 起动电流约为2~3mA

0.2S级高精度电能计量
–电能计量:有功0.2s,无功0.2s –四象限电能计量,可为电能计量、计费系统提供关口级 别计量数据,并能单独计量基波和谐波电能。 –双向、四象限(有功):电能kWh的输入、输出、总和、 净值 –双向、四象限(无功):电能kVARh的输入、输出、总和、 净值 –双向、四象限(视在):电能kVAh的输入、输出、总和、 净值 –电压小时,电流小时

精度及通过标准
– – – – – – – 中国电科院 华东等多个区域电网; 广西、重庆、江西、云南等多个省网 KEMA(荷兰):IEC 62053-22 Class 0.2S MET实验室(美国):C12.20-1998,class 0.2 Industry Canada Approval(AE-0924) California ISO,New England ISO,ERCOT and New York State – Mexico Comision Federal de Electricdad and LAPEM ERCOT – 阿根廷INTI

关口电能表 Gateway Meter
? Gateway meter 与C&I meter的区别
– – – – 精度 通讯能力 存储能力 附加的更多功能

ION系列电表的现场检定
? 电压/电流波动对关口电表现场检定结果的影响
– 电压/电流的稳定度,对电表的现场精度测试是有影 响的 – 拉长测试时间,可以消除测试时间内个别电压,电流 瞬变的影响,但是对无规律电压/电流波动的测试结 果没有根本改善

? 光电头的固定方式对关口电表现场检检定结果的影响
– 理论上不存在,但是不排除固定不好丢失或者反射脉 冲的现象

需量计量
? ION 8000系列支持所有标准需量算法,包括区间需 量、滑差需量、预测需量。可计算所有实时测量量的 各种需量峰值及其发生时间。 ? 最大需量寄存器可手动清零或按设定的条件自动清零。 ? kW、kVAR、kVA需量及其最大值、最小值 ? V、I需量及其最大值、最小值 ? 其它实时测量量的需量

实时量测量
? ION 8000系列提供高精度实时测量(秒级分辨率)及高速 (1/2周波)测量(ION 8600A、ION 8600B),包括:
–相 电 压:Va、Vb、Vc、Vlnavg –线 电 压:Vab、Vbc、Vca、Vllavg –电 流:Ia、Ib、Ic、Iavg –电 流:中性点或接地电流 –有功功率:双向kWa、kWb、kWc、kW的总值 –无功功率:双向kVARa、kVARb、kVARc、kVAR总值 –视在功率:双向kVAa、kVAb、kVAc、kVA的总 –功率因数:三相CosΦ、总CosΦ –频 率:f –电压、电流不平衡度 –相序

技术指标-测量精度
电压(Vln、Vll) 频率(47~63Hz) 电流(I1、I2、I3) 电流(I4) KW、kVAR、kVA(@单位PF) KW、kVAR、kVA(@-0.5, 0.8 PF) kWh、kVARh、kVAh PF (@单位PF) 谐波 (ION 8400、ION 8500至63次 ION 8300至31次) 间谐波(至40次) K因子 峰值因数 0.1% 0.01Hz 0.1% 0.4% 0.2% 0.3% Class 0.2 0.5% 1% IEC 61000-4-7 5% 1.0%满量程

多种计费方式
? ION 8000系列提供全面的分时计费(TOU) 功能,以 适应各种电价收费结构。 ? kWh、kVARh、kVAh分时计费 ? kW、kVAR、kVA需量分时计费 ? 自动记录每个复费率时段的需量最大值 ? 20年日历(闰年和夏时制自动调整) ? 日历支持4季节 ? 支持4种费率,5种日类型 ? 可灵活定义复费率时段,如季节,公众假期,工作日 等 ? 支持季中费率自动转换

变压器/线路损耗补偿
? ? ? ? 灵活的补偿方法 设置简易 每秒刷新 适用于支持的所有通信规约

电能质量监控
? 监控(ION8600A)
– IEC 61000-4-7谐波和间谐波 – IEC 61000-4-15闪变 – CBEMA/ITIC

? ION 8000系列还可被设置监测: 8000
– EN50160 – IEEE 519和IEEE 1159

? ION8000的模块化功能可以使得它在按客户需求编程 后完成大多数电能质量监控工作

故障录波
? ? ? ? ? 可同时捕捉所有电压、电流通道的波形。 扰动捕捉 最长可连续记录96周波的故障波形 采样率高达256点/周波 电压回路A/D位数为14位;电流回路A/D位数为18位

供电可靠性
? 检测供电可靠性(以“9”的个数表示) ION 8000系列具备以“9”的个数表示供电可靠性的功能。(3个9表 示每年8.8小时故障时间; 9个9表示每年2个周波故障时间) ? 越限监视 ION 8000系列提供电压、电流、不平衡度、频率、功率因数等的 越限监视功能。

谐波监测
– – – – – ION 8600C可监测2~31次谐波 ION 8600B可监测2~63次谐波 ION 8600A可监测2~127次谐波(通过上位机软件) 总谐波畸变率(各相电压、各相电流、中性线电流) 总偶次谐波畸变率、总奇次谐波畸变率(各相电压、各相电 流、中性线电流) – 谐波电能计量 – K因子(各相电压、各相电流、中性线电流) – 波峰因子

电能质量监测
? 上冲下陷电压检测
– 干扰电压曲线:包括干扰电压的幅值和持续时间 – 每相触发以波形记录或控制操作 – 可在上位机上分析电压的上冲下陷。

? 暂态捕捉(ION8600A)
– 可记录最短达78?s(@50Hz)的子周波瞬变。

? 序分量测量
– ION 8000系列可测量所有电压、电流输入的零序、正序、负序分量 并可计算出相间不平衡度。

数据存储
? 定时记录(负荷曲线)
–可设置为电能、需量、电压、电流、谐波等所有测量量。数据记录可由预 设的时间间隔、时间、报警/事件条件或手动触发。 –ION 8600A具有50组数据记录,每组可记录16个参数,共800个。 –ION 8600B具有20组数据记录,每组可记录16个参数,共320个。 –ION 8600C具有2组数据记录,每组可记录16个参数,共32个。

? 最小值/最大值记录
–ION 8000系列提供测量参数的最大值和最小值记录,并可同时记录该最 值发生时刻其它相关参数(可设定)的值,时间分辨率为1ms。

? 事件记录
–500条事件记录 –顺序事件记录 –报警记录 –时间分辨率为1ms

时钟同步和GPS
? ION 8000系列自带实时时钟,同步源如下:
– 内部晶振带温度补偿功能 – 被测系统的线路频率(±10ppm),缺省设置 – 工作时,外部GPS时钟(±1ms精度),可指定一个通信 口专用于GPS同步信号输入。 – 主站或采集终端网络校时。

可编程逻辑和定值越限
? 逻辑、数学计算功能

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数学运算功能 算术运算 (+, -, ×, ÷) 比较运算 (<, >, =, ≤, ≥, ≠) 逻辑运算(AND,OR,NOT,TRUE, FALSE, IF) 三角运算 (sin, cos, tan, asin, acos, atan) 数学运算 (pi, sqrt, power, sum, sumsq, avg, rms, log10, ln, max, min) 声光报警 远传报警(通过modem/寻呼机) 数据记录 故障录波 继电器输出 清除和重设功能 相关其它定值越限

ION 8000系列提供的65个定值越限判断,响应时间达1秒或1/2周,可用于触发

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面板显示
? ION 8000系列带有高亮度背亮式LCD显示面板,对比度 可调。 ? 显示面板可进行工作参数设置,并显示90屏可设定的数据, 包括相位和谐波棒图等。 ? 显示内容任意可设。
Backlit LCD Display

Master Reset Pinhole (located under front label) Demand Reset Switch

Test Mode Button Alt/Enter Button (located under front label) Navigation Buttons

安全性
? ION 8000系列提供高级安全功能,可自动监测、记录:
– – – – – PT断线、CT断线 PT反相、CT反相 最大需量复位 电能表上电、断电 失压记录

? 多级权限
– ION 8000系列提供多用户、多级别权限,多达16个授权用户及从 只读到管理员的多级权限。

? 自诊断
– ION 8000系列本身具有强大的自诊断功能,包括硬件、软件等, 告警和错误信息能立即在面板上显示出来。

强大的通讯功能
? ? 多通信口,多通信规约

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ION 8000系列提供可同时工作的多个通讯接口和多种标准通信规约。 1个RS-232/485口和1个RS-485口可由订货时指定(详见选型表)。 通信规约:ION,DNP 3.0,Modbus RTU,GPS 波 特 率:(RS-232) 300~115,200bps (RS-485) 300~57,600bps 前面板自带红外数据口(ANSI C 12.13 Type 2) 通信规约:ION,DNP 3.0,Modbus RTU 波 特 率:高达19,200bps 可选内置拨号Modem和ModemGateTM(允许相同串口的其它31个设备共享内置Modem)。 通信规约:ION,DNP 3.0,Modbus RTU 波 特 率:高达33.6kbps 可选10Base-T以太网口和EtherGateTM(允许相同串口的其它31个设备与以太网传输数据)。 通信规约:TCP/IP,ION,Modbus TCP

串行通信口

红外数据口

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内置Modem

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以太网口

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Internet连接
? MeterM@IL – 带以太网口的ION 8600B和ION 8600A可以自动发送email,传输报警信息或系统运行状态。 ? WebMeter – Web服务器可直接读取带以太网口的ION 8000的各种 实时数据、基本电能质量参数,而无需任何的专用软 件。 ? XML兼容性 – ION 8000支持以标准工业XML格式交换信息。

WEB(IE 直接浏览)

可定制的WEB功能
? 可以按照用户要求设计界面 ? 完全动态更新的WEB页

Modbus Master
ION 8600既可对Modbus子设备读数据,也可对其写数据。 Modbus Master数据读取功能可从Modbus子网中读取 Modbus子设备(如ION 6200经济型多功能电能表)的各种 数据,并实现保存、报警、显示。Modbus Master写数据 功能可直接向Modbus从设备发送控制命令或数据,如I/O 输出、复位参数等。

输入/输出
? ION 8000系列具有可选的本体I/O,包括4个DO和3个 DI。 ? ION 8000系列同时还可选择外置的I/O扩展模块,以 满足用户多种需求:
– 8 DI / 8 DO – 4路AO可替代4个A型DO,可选0~20mA (可测4~20mA) 和-1~+1mA (可测0~1mA)

ION8600系列比较表
8600A 精度 非易失性存储器 记录容量(16通道, 15分钟间隔) 有功0.2S,无功0.2S 10M 1年 8600B 有功0.2S,无功0.2S 4M 半年 8600C 有功0.2S,无功0.2S 2M 85天

存 储

通道数 事件记录

800个 50组(每组16个) 500个 256点/周波 1ms 63次(40次间谐波) 有 有 65 ?s

320个 20组(每组16个) 500个 256点/周波 1ms 63次 无 无 无

32个 2组(每组16个) 500个 256点/周波 1s 31次 无 无 无

采样速率 越限监视(最小响应) 越限监视(最小响应) 谐波计量 闪变分析 故障录波 暂态捕捉( ) 暂态捕捉(?s)

电能计费系统组成
北美模式(直采方式) 北美模式(直采方式) 关口级电能表 电能量计量计费系统

欧洲模式(采集器方式) 欧洲模式(采集器方式) 关口级电能表 采集器 电能量计量计费系统

表计支持
? 采集器支持:浙江创维ERTU-2000C、北京煜邦 EDAD2000、广州科立采集器EAC5000、兰吉尔FFC、 湖南威远WEFT-3000、电科院PSM-ID等 ? 软件支持:
– Itron MV-90
? ION 8000系列完全与Itron软件平台兼容,包括MV-90, MVP,MVLT以及MVCOMM。ION 8000系列是目前世 界上唯一的能够直接以Ethernet连接到MV-90的关口电 能表。

– 兰吉尔C2000 – 南瑞FPBS-2000

采集系统

PO WERFAU LT DA T A

AL ARM

PO WERFAU LT DA T A

AL ARM

PO WERFAU LT DA T A

AL ARM

Radian 标准表介绍
? Radian Research是一家长时间致力于研发、生产电 能表标准,校准设备,现场检定设备的公司 ? 其RM系列,尤其是RM-10,在中国得到了广泛的应 用 ? RD-3x是其3相标准表系列

RD-3X的精度
误差限: ? RD-30, +/-0.04% [典型值 +/-0.01%] ? RD-31, +/-0.02% [典型值 +/-0.005%] ? RD-33, +/-0.01%.

RD-3X的谐波测试精度
对于谐波值对于不同的谐波次数RD-3X有不同的谐波测 量精度 1st – 23rd谐波: ? RD-30, +/-0.25% ? RD-31, +/-0.25% ? RD-33, +/-0.03% 24th – 64th谐波: RD-30, +/-0.50% ? RD-31, +/-0.50% ? RD-33, +/-0.075% 偶次和奇次谐波误差影响:

RD-3X外型
RD-3X具备很好的便携性,可靠性,使其成为现场工作 的不二选择 ? 444.5 mm (17.5”) 宽 ? 172 mm (6.75”) 深 ? 131 mm (5.375”)高

RD-3X配置表(1)
测量功能的选择 ? RD-3X-2xx Whrs, Volts, Amps, Watts, VA, VARs,VARhrs, VAhrs, Qhrs, ? Phase Angle, Power Factor, Frequency ? RD-3X-3xx Whrs, VARhrs, VAhrs, Qhrs, Volts, Amps,Watts, VARs, VA,Vhr, Ahr, V2hr, A2hr, PhaseAngle, Power Factor, Frequency ? Min & Max measurements: All indicatingFunctions ? RD-3X-4xx Whrs, Volts, Amps, VARhrs, Qhrs, Vahrs,Watts, VARs, VA,Vhr, Ahr, V2hr, A2hr, Phase Angle, PF, Frequency ? Min & Max: All indicating functions ? AVG response: VAhrs, VA, Volts, Vhrs, Amps, Ahrs

RD-3X配置表(2)
? x0x 无内置计算机,无功率分析,无模拟信号的输入 ? x1x 有内置计算机(彩色显示, Windows CE 和 RRMobileSuite软件) ? x2x 功率分析 (包括RR-MobileSuite 软件)(谐波、趋 势和矢量分析) ? x3x 内置计算机,功率分析 ? x4x 有Volts, Amps, Watts, VARS, VA (最大2mA DC) 模拟信号测试 ? x5x 内置计算机,模拟信号的输入 ? x6x 功率分析,模拟信号的输入 ? x7x 内置计算机,功率分析,模拟信号的输入

RD-3X配置表(3)
? ? ? ? xx1 120 Amp (6mm 插口)电流输入, 架装式 xx2 200 Amp (螺栓) 电流输入, 架装式 xx3 120 Amp (6mm插口)电流输入, 便携式 xx4 200 Amp (螺栓) 电流输入,便携式

Elspec G4000系列电能质量在线监测

Elspec G4000的特点
? 全时全数据记录
– 得益于大容量闪存卡的普及,使用高速CF卡的G4000 系列可以全时全数据地记录现场的所有相关数据

? 高速采样率
– 高达1024个点/周期

? ? ? ? ? ?

可以测量到511次谐波的谐波分析能力 12通道@250KHz 内建WEB服务器 提供2个高速以太网接口 提供1个标准USB设备接口 提供1个RS-485接口

电测相关概念主要内容
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 电压骤降、骤升及电压中断事件 电压波动与闪变 IEC标准测量仪器与国标的关系问题 有效值测量 电压有效值测量与评估:IEC61000-4-30与EN50160 三相不平衡:IEEE与IEC标准算法差异 线性、非线性与谐波的产生 直流耦合与交流耦合 示波表的带宽、采样率与真实带宽 带宽的选择及意义 FFT及频谱分析 IEC标准谐波分析:FFT谱线的计算 波峰因数:CF FFT分析时间与窗函数 IEC谐波标准:窗函数的要求、同步采样 对数刻度(dB)的意义与用途 非正弦系统的功率、有效值和谐波 捕获瞬变现象 国际标准概述:IEC 61000-4-30

对于谐波测量仪器,不同的标准有不同的测量结果
61000级标准对于谐波测量仪器的要求: IEC 61000-4-30 级标准对于谐波测量仪器的要求: IEC 61000

目前最新的IEC61000-4-7/2002标准,对谐波计算方法有严格规定。如时间窗、同步、窗函数等。 50Hz系统的时间窗必须为10个周波(200ms)。旧的标准允许为400ms、320ms或1个周波等时间间隔。

例:对波动或快速变化谐波的分析 *
基于1个周期窗口采样的谐波分析仪器,与400ms窗口测量仪器结果对比
一台90t交流电弧炉,用不同窗口宽度(矩形窗)测得的35kV谐波电流值(用英国PA4400高精度电力 谐波分析仪,现场实测记录)。宽窗口测得的谐波含量明显减小,特别是偶次谐波(2次,4次)。

英国PA4400测量结果

英国PA4400测量结果

* 林海雪:从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准。电网技术,1999,23(5):64~67.

对用户的意义: 对用户的意义: 谐波治理的投资额度 谐波评估结果的准确性、一致性、权威性

电压骤降、骤升及电压中断事件
61000- 30标准 标准捕获电压事件 IEC 61000-4-30标准捕获电压事件
骤降: 骤降:电压有效值降至额定值的10%~90%,持续时间为0.5个周期至1分钟。 骤升: 骤升:电压有效值上升至额定值的110%以上,典型值为额定值的110%~180%,持续时间为0.5 个周期至1分钟。 电压中断: 电压中断:电压有效值降至额定值的10%以下,持续时间0.5个周期至3s为瞬时中断;持续时 中断 间3s至60s为暂时中断;持续时间大于60s为持续中断。 电压事件的限值可以由EN50160标准定义或用户设定。
电压骤降:IEEE Std. 1159-1995称为sag,IEC61000-4-11-1994称为dips。

例:电压中断。 例:电压骤降与骤升。

● 电压骤降事件是破坏电气系统的主要原因之一。
某美国公司于2005年进行的一项调查显示,98%的电压波动历时少于2秒,只有2%的电压 波动事件(电源断电)历时超过15分钟,并且它们当中的大部分都和计划内停机相关。 深入分析这些短期的电压波动,它们几乎都是电压骤降。该公司最终得出结论:在美国和 加拿大,大部分的电压波动都是少于2秒持续时间的电压骤降。 EPRI的研究报告显示,一般的制造业工厂每年都会遭遇一次均值为12-14V的电压骤降。 大约一半的电压骤降事件没有对生产过程造成影响,另外一半的电压骤降事件可能导致自 动化设备(例如继电器,PLC等)产生错误输出和故障。

对用户的意义: 对用户的意义: 正确分析事故原因,准确评估电能质量

电压骤降:背景知识
电压骤降,是一种新的电能质量现象吗? 电压骤降,是一种新的电能质量现象吗?
不是。电压骤降是配电系统中最常见的一种电压扰动,当电力系统发生短路故障、大容量电 动机启动、雷击、开关操作、变压器或电容器组投切时,都可能引起电压骤降。 电压骤降并不是一个新的电能质量问题。由于过去的绝大多数用电设备对电压的短时突然变 化不敏感,因此,电压骤降问题没有引起人们的关注。

电压骤降,为什么成为近年最受关注的电能质量问题? 电压骤降,为什么成为近年最受关注的电能质量问题?

例:由异物接触或雷 击造成的短路故障

由于目前微处理器控制设备和电力电子设备在工业中的广泛使用,这些设备对电压骤降特别敏感,电压骤降往往会导致这 类设备损坏或误动作。例如:变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动化生产线、计算机系统等。 在欧洲和美国,电力部门和用户对电压骤降的关注程度比对其他电能质量问题的关注程度要强得多。主要原因是,由电压 骤降引起的用户投诉占整个电能质量问题投诉数量的80%以上,而由谐波等引起的电能质量问题投诉数量所占不到20%。

电压骤降,对敏感用电设备有什么影响? 电压骤降,对敏感用电设备有什么影响?
例:短时电压骤降即可导致:计算机系统紊乱(幅值下降大于10%,持续时间大于 0.1s)变频调速设备跳闸(幅值下降大于15%,持续时间0.5周波 ) 另:IBM公司统计表明,48.5%的计算机数据丢失是由电压不合格造成的。

电压骤降问题,如何抑制与解决? 电压骤降问题,如何抑制与解决?
动态电压调节器(DVR)是解决电压质量问题的有效措施。

例:清华大学研制的DVR 对电压骤降的抑制效果

目前的电能质量国家标准中,有类似于谐波等面对电网运行管理的电压骤降标准吗? 目前的电能质量国家标准中,有类似于谐波等面对电网运行管理的电压骤降标准吗?
目前还没有此国标。我国的电磁兼容标准GB/T17626.11-1999《电磁兼容试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变 化的抗扰度试验》等同于IEC61000-4-11:1994,该标准是针对用电设备的抗扰度要求而制定的。 另外,上海、浙江等地区电网提出的电能质量监测技术规范(报批文件),已明确要求监测骤降等电压质量问题。

F430\F1760等完全符合IEC61000- 30的仪器,监测电压骤降等电能质量问题,有什么特点与优势? F430\F1760等完全符合IEC61000-4-30的仪器,监测电压骤降等电能质量问题,有什么特点与优势? 等完全符合IEC61000 的仪器
传统的电能质量测量仪器将电压骤降等也作为谐波与闪变现象重复计算。有学者提 出小波变换法检测电压骤降并分析谐波,尚待研究。IEC61000-4-30采用半周期刷新RMS 值法检测电压骤降,记录其发生时刻、持续时间及幅度,并作出电压事件标记。

电压波动与闪变
闪变: 闪变:人对变化的亮度的主观感觉,由于电源电压有效值的变化引起。 如果电压变化达到0.5%,每秒钟6到8次,就会引起明显的闪变! 闪变算法: 闪变算法:由IEC61000-4-15标准定义。
周期性的电压波动引起的明显的照明灯的闪烁。 由统计学上的“灯-眼-脑”模型测量,该模型反映了大多数人如何受闪烁的白炽灯影响。

原因:电弧炉、轧机引起的电压波动。 原因 注意: 注意:▲ 波动与闪变测量的分类范围:电压有效值的变动范围在±10%之内。
▲ 闪变国际标准从1986年的IEC868,到1996年的IEC61000-3-7,直至2002年的IEC 61000-4-15,算法没有变化。 ▲ 限值Pst为1.0,Plt为0.65。 ▲ 国标1990年版《电能质量 电压允许波动和闪变》,参照日本的 标准制定。 2000年版《电能质量 电压波动和闪变》,等同于IEC标准。

基本测量
Pst:10分钟短时闪变的的统计描述。1.0的读数将会引起50%的人能感觉到的闪变。 Plt:2小时长时间闪变的统计描述。

● 电压波动与闪变问题并不会影响电气设备(如计算机及控制设备、电动机等)的正常工 作。但其引发的照明灯光闪烁现象,可能会刺激人的视感神经。

IEC标准测量仪器与国标的关系问题
国标: 国标:现行电能质量国标主要是谐波、闪变与三相不平衡。 闪变、三相不平衡国标与IEC相同。需要注意的是谐波标准。 标准包括两方面:限值与测量算法。 限值: 限值:国标要求低压380V谐波THD限值为5%,而IEC标准对中低压网(≤35kV)电压谐波THD限值为8%。 国标要求35kV、10kV系统按用户设备容量(或最小短路容量)来计算允许注入电网的谐波电流限值。 测量算法: 测量算法: 国标GB/T 14549-1993:《电能质量:公用电网谐波》,推荐采用3s平均法,对仪器的采样与计算周期 没有明确规定。 与谐波测量仪器有关的另一个国标:GB/T 17626.7-1998,《电磁兼容试验和测量技术:供电系统及所 连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》,等同于IEC 61000-4-7:1991。 电磁兼容国标基本上与IEC同步。 说明: 说明: 电能质量分析与测量是一个相对较新而且发展迅速的领域,随着该领域研究的深入,IEC标准的修订与 改变是相当大的。例如最近几年的变化: IEC 61000-3-2 V2.1 (或EN 61000-3-2 A14)标准,规定了相应的谐波限值与统计方法。现在已更改 为IEC 61000-3-2 V2.2 (或EN61000-3-2 2000)标准。 IEC标准对测量仪器的谐波分析方法也有具体而明确规定。如目前的IEC 61000-4-30标准,谐波部分引 用IEC 61000-4-7 2002,闪变部分引用IEC 61000-4-15。 相应的测量方法,IEC 61000-4-7 1991标准要求仪器的谐波分析计算周期为16个周波。目前的IEC 61000-4-7 2002标准,要求测量仪器谐波分析的计算周期为10个周波(50Hz系统)。
最新颁布的谐波标准IEC 61000-3-2 2005-11 edition 3.0,闪变标准IEC 61000-3-3 2005-10 edition 1.2,已于2006年4月发表,将于2009年2月起执行。

有效值测量
有效值测量方法 — 平均整流原理(MEAN):
正弦波:算术平均值为零。 正弦波:算术平均值为零。

标准正弦波: 标准正弦波:
平均整流原理测量有效值:绝对值平均, 1.11倍 平均整流原理测量有效值:绝对值平均,乘1.11倍。

峰值为Im。 表示正弦波的幅度:有效值。 表示正弦波的幅度:有效值。
DMM测量的电压、电流读数,就是被测物理量的有效值。 标准电压220V,也是指供电电压的有效值。

问题:只适用于正弦波。 问题:只适用于正弦波。

什么是有效值? 什么是有效值?
交流电流i通过电阻R在一个周期T 内产生的热量与一直流电流I通过同一 电阻在同一时间T内产生的热量相等, 则称I的数值为i的有效值
则有

真有效值原理(True RMS): 有效值测量方法 — 真有效值原理(True RMS):
适用于正弦与非正弦波形 例:128点采样值的有效值计算

I =

1 T



T

0

i 2 dt




i = I m sin(ω t + ? )
I = Im 2

(方均根值) Root Mean Square,RMS 有效值

有效值

峰值检测法: 有效值测量方法 -- 峰值检测法:
标准正弦波:峰值与有效值的关系为1.414倍。 以峰值检测电路测量有效值。

例:F1760电压有效值监测算法:10周期、2048个采 样点计算一个RMS值。

电压有效值测量与评估:IEC61000- 30与 电压有效值测量与评估:IEC61000-4-30与EN50160
IEC61000- 30计算电压有效值的时间间隔为: IEC61000-4-30计算电压有效值 计算电压有效值 200ms(10周期)、3s、10min、2h。 200ms有效值 200ms有效值: 有效值 由10周期内采样到的N个电压瞬时值作方均根计算。 (每10周期间隔的要求:连续,无重叠) 3s有效值 有效值: 3s有效值:由3秒内得到的上述15个“200ms有效值”作方均根计算。 10min有效值 有效值: 10min有效值:由10分钟内得到的上述200个“3s有效值”作方均根计算。 2h有效值 有效值: 2h有效值:由2小时内得到的上述12个“10min有效值”作方均根计算。 例:EN50160监测与评估230V系统电压,时间为7天。 EN50160监测与评估 EN50160监测与评估 每10个周期(200ms)计算一次RMS电压,由连续、无重叠的“200ms有效值”作方 均根计算,得10min有效值”。7天共有 168 小时 x 6 = 1008 个“10min有效值” 95%的读数(958个数据)必需在额定值10%的范围之内,不能有读数高于额定值 10%或低于额定值15%。因此,最多有5%的读数(50个数据)可能会低于207V,但不 会低于195.5V。 7天的有效值数据,95%必需在此范围之内。
“10min有效值”不得超出该范围

国标《 供电电压允许偏差》 国标《电能质量 供电电压允许偏差》
GB12325-90 10kV及以下三相: ±7%。 220V单相:+7%,-10%。

国标《 公用电网谐波》 国标《电能质量 公用电网谐波》
GB/T 14549—93 3s平均、95%概率。

三相不平衡:IEEE与IEC标准算法差异
IEC标准(IEC 61000-4-30 5.7 不平衡 标准( 不平衡) 标准
(国标的说明:本标准适用于交流额定频率为50Hz的电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的公共连接点的 电压不平衡。) 三相不平衡的程度,用电压负序分量Vn与正序分量Vp的百分比表示。IEC标准要求的计算时间为200ms。 三相四线系统: 三相四线系统:

V1、V2、V3为三相电压基波有效值, 三相三线系统: 三相三线系统: V2 =
V +V +V 1 ? 3 ? 6β * 100 % 其中 β = 2 2 2 1 + 3 ? 6β (V12 fund + V23 fund + V31 fund )2
4 12 fund 4 23 fund 4 31 fund

为基波电压相角。

V12、V23、V31为线电压基波有效值。 优点: 优点:评价三相基波的幅值与相角情况。 可能的问题: 可能的问题:计算三相基波序分量的有效值,不包含高次谐波。 电网的额定运行频率;规定电压不平衡度限值。

IEEE定义的方法 定义的方法

优点:基于通用的RMS计算,使用方便。 优点 包括高次谐波的影响, 适应于畸变波形情况 没有限定基波频率 可能的问题: 可能的问题:不包括相角影响
IEEE:不平衡度测量结果

线性、非线性与谐波的产生
例:半波整流电路的输出信号

线性系统: 线性系统:
判断标准:对正弦波输入的响应

谐波产生的原因: 谐波产生的原因: 整流负载的非线性
例:整流负载的非线性 例:三相桥式整流电路的非线性

线性系统特点: 线性系统特点:
输入正弦波,输出为同一频率的正弦波。 输入输出之间有幅值差异及相移。

(电网侧电流:THD为136%)

(A相电流:THD为99%)

线性负载: 线性负载:
电阻性,电感性,电容性等

(电网侧电流:典型频谱)

(A相电流:THD为31.9%)

非线性负载: 非线性负载:
内含整流电路等。当电流流经负 载时,与所加的电压不呈线性关系,就 形成非正弦电流,从而出现其他频率分 量,即:谐波。

直流耦合与交流耦合
AC\DC测量结果 AC耦合 ● AC耦合
测量输入信号中AC分量,不包含直流分量。 例:当测量一个峰值为2V的正弦波信号的均方根值时,测量结果显示为幅 值约1.4V的直流波形。右图。 有效值: 其中,u(t)为输入信号,T为输入信号的一个周期。 如果u(t)=Vm sinωt,其中Vm为峰值,ω为角频率,ω=2πf,f为正弦信 号的频率。其均方根值:

● 输入耦合电路示意图:

例:Vm为2V,则均方根值约为1.4V。

DC耦合 ● DC耦合
测量输入信号中AC与DC成分。 例:当信号为一个2V峰值的正弦波叠加一个1V的直流信号,测量该信号的 均方根值时,测量结果显示为幅值约1.7V的直流波形。如下右图所示。 如果直流分量表述为Vdc,交流分量为u(t)=Vm sinωt,则含有直流分量 的正弦信号的DC-RMS均方根值可由下式得出:

● 输入耦合和频率特性

AC耦合:低频信号和低频成份不能采样到。

例:Vdc为1V,Vm为2V,则DC-RMS值约为1.7V。

A/D采样的混叠现象
对模拟信号进行A/D采样,将出现混叠现象。简单地说,混叠现象会产生错误的信号,而测量仪器如 果对这些错误的信号进行处理,就会得到不正确的结果。 原始输入信号
采样点 实际上不存在的低频信号

问题

输入信号(红色)的频率f大于fs/2 测量结果:混叠信号(蓝色),频率为fs-f 采样率低于输入信号的频率时,带来两个问题: ◆ 输入信号中的高频分量不能测量 ◆ 更严重的是,将会把高频信号计算成为低频分量

如何从抽样信号中恢复原连续信号? 在什么条件下才可以无失真地完成这种恢复作用?

“奈奎斯特采样定理”作出明确面精辟的回答。 Nquist 1928年提出的。

解决方法
选择合适的采样频率,fs > 2 f max 加抗混滤波器,f c > f max
F1760的频率特性

国标对谐波测试的抗混叠要求: 国标对谐波测试的抗混叠要求:f>78×50Hz,幅值衰减至20%以下

低通滤波器
消除混叠现象
理想的低通滤波器: 理想的低通滤波器 理想的低通滤波器应该具有如右边图a所示性能,在截止频 率内的信号可以无衰减通过,高于截止频率的信号不能通过。但 实际上这样的滤波器做不出来。 实际的滤波器 实际的滤波器如图b所示。由于实际低通滤波器的性能,采 样频率应该取在截止频率的2.5倍以上,才能消除低频混叠现象。 例如:为了测量带宽为100kHz的信号,采样频率应该设为 250kHz,而不是奈奎斯特采样定理所表明的200kHz。在这个例子 中,截止频率fc设为100kHz,采样频率fs设为250kHz。以保证频 宽从DC到100kHz都没有混叠现象。

图a 理想的抗混叠滤波器

图b 实际的抗混叠滤波器

低通滤波器: 低通滤波器:截止频率

低通滤波器截止频率位于-3dB处的意义 处的意义 低通滤波器截止频率位于
例如:100MHz正弦波输入到一台带宽为100MHz的示波器中,示波 器的测量结果:幅值将衰减-3dB,约为原始信号幅值的70%。
一阶低通滤波器的频率响应
1Vp-p 700mVpp 100MHz 100MHz

FFT与谐波分析
● 专业术语(名词) 专业术语(名词)
傅立叶变换、频谱分析、谐波分析、DFT、FFT、时间域、频率域 时域分析:波形的光标测量,各通道波形的算术运算 :波形的光标测量, 频域分析:线性频谱、功率谱等 :线性频谱、 傅立叶级数:1811年,法国数学家傅里叶(J.Fourier,1768-1830)在研究热传导理论时发表了“热的分析理 1811年 法国数学家傅里叶(J.Fourier,1768-1830)在研究热传导理论时发表了“ 1811 著作,提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理,奠定了傅里叶级数的理论基础。 论”著作,提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理,奠定了傅里叶级数的理论基础。 离散傅立叶变换,即DFT。 , 。 快速付立叶变换:1965年,柯立杜开(Cooleg-Tukey)研究DFT算法后,发表了一个新的计算方法。柯立杜开 1965年 柯立杜开(Cooleg-Tukey)研究DFT算法后,发表了一个新的计算方法。 1965 DFT算法后 巧妙的利用了复指数函数的周期性和对称性,充分利用中间运算结果,使计算工作量大大减少了。 巧妙的利用了复指数函数的周期性和对称性,充分利用中间运算结果,使计算工作量大大减少了。该法称为快 速付立叶变换法, FFT。 速付立叶变换法,即FFT。

● 频谱分析原理
任何波形都可以由多个正弦波叠加而产生。

时间域信号的波形实例

该信号可以由两个不同频率的正弦波叠加而成。

● 生活中的例子:钢琴和电子琴

频谱分析原理
● 时域与频域之间的关系
右图形象地反映了时域与频域之间的关系
图a)为时间、频率与幅值之间的三维关系。 图b)为时域图。 图c)为频域图,其中每条线代表了一个正弦波。

● 频谱分析示意图

频谱分析方法
在60年代FFT出现之前,频谱分析的模拟实现 方法如下所示。右图a为对同一输入信号采用一组 并联的带通滤波器。带通滤波器组的输出幅值就 得出了图b所示的频谱分析结果。 频谱分析仪是滤波器的组合,频谱分析结果 为一组具有不同中心频率的带通滤波器组的输出。

带通滤波器的中心频率:f0 滤波器的带宽:f2-f1 带通滤波器的高低端截止频率:f1,f2

FFT分析的优点
● FFT分析的优点
右图中,从时间域波形图上看起来就是一个正弦波,无法观察 到其中包含的幅值较小的其他信号成分。但从频率域图可以明显分 辨出其中的小信号成分来。

● FFT相位分析结果的重要性
频谱分析或谐波分析结果中,不仅有幅值频谱,还有相位频谱。 下图显示出,由三个正弦波合成的波形,如果移动其中一个高频正 弦波的相位,则合成波形与原始波形的差异就非常大。

● IEC谐波标准对A类测试仪器的谐波相位测量误差有相关精度要求。

典型信号的频谱
正弦波、方波、暂态过程、脉冲信号的频谱。

IEC标准谐波分析:FFT谱线的计算
● IEC 61000-3-2 V.2002 FFT分析窗口:10周期(约200ms)
(RMS、不平衡计算时间)

300 Hz

325 Hz

350 Hz

● 如何对FFT 谱线求方均根值来计算谐波和间谐波?
谐波与间谐波:对FFT谱线的处理方法。IEC 50Hz:采样率fs为10.24KS/s, 窗口时间200ms, 2002版与1991版的区别。 窗口时间200ms, 50Hz:采样率fs为 fs FFT数据点 2048。 数据点N FFT数据点N为2048。 YES 频率分辨率: 频率分辨率:△f=fs/N=5Hz 谐波次数 谐波阶次:DC, 50次 谐波阶次:DC,1~50次 n 间谐波阶次: 49次 间谐波阶次:1~49次 S
NO 谐波次数

谐波 subgroup n+1

间谐波 subgroup n+2,5

n+1

n+2

n+3

DFT 输出

n

n+1

n+2

n+3

DFT 输出

● 电力线载波(PLC)通信:

谐波与间谐波算法:IEC 2002版与1991版

使用普通电力线为载体,通过载波方式将模拟或数字信号进行传输。利用电力通讯可以实现宽带网络、 电话、有线电视、电力网四网合一。国家标准《单边带电力线载波系统设计导则》GB/T 14430-93与IEC 标准相同。 电能质量问题中,电力线载波通常被归纳为间谐波。

FFT分析时间与窗函数
FFT为什么要加窗函数 为什么要加窗函数? ● FFT为什么要加窗函数?
泄漏:对有限点数的波形数据作FFT分析与对原始信号的分析结果存在差异。 对波形的截断产生了泄漏问题。 使用窗函数可以减少泄漏。

● 时间窗的影响
FFT计算基于周期信号,即假定信号一直是重复性的。 对于暂态信号没有问题。但是,如果信号是连续信号,例如正弦波的 情况,FFT分析时数据块的选取就有问题了。如下图所示,实际信号是连续 正弦波,如果精确地选定FFT数据块的起点和终点,该取出的数据块能匹配 原始波形,分析结果准确。

FFT分析时间与窗函数(2)
通常情况下,对于周期性的原始波形,取出的 数据块很难保证其原始的周期性。如下图C所示,FFT 分析结果将认为此波形不是正弦波,而是严重畸变、 包含很多频率成分的波形。实际原始波形(图a)的 频谱结果应该是一条单线,但从图b的数据块计算得 出的FFT频谱将完全不同。

例:实际的测量结果。图a的波形数据块选择保证了 信号的周期性,其分析结果(图b)是正确的。图c 的FFT分析结果为图d所示,功率扩散到整个频谱段, 泄漏非常严重。

FFT分析时间与窗函数(3)
● 加窗函数后的结果
使数据块的起点与终点数值接近于零, 保证数据块对于原始波形的周期性。 实测结果表明,窗函数有效地减少了泄漏现象。

FFT分析时间与窗函数(4)
● 如何选择窗函数?
对于连续信号,汉宁窗有很好的分析结果。 然而,对于暂态信号的FFT分析,不能使用汉宁 窗或平顶窗。如下图所示,汉宁窗反而丢失了暂 态现象的一些特征。 分析暂态过程应该使用矩形窗。矩形窗相当 于FFT数据块的选取过程加了幅值为1。下图a为 暂态过程不加窗时的正确结果,显然,暂态现象 中能量应该分布在很宽的频域上。下图b为暂态 过程使用汉宁窗的情况,结果看起来更像是一个 正弦波的频谱,这显然是错误的。

FFT分析时间与窗函数(5)
矩形窗: ◎ 矩形窗:适合于暂态信号的分析,例如脉冲波形, 其幅值在时间窗内已完全衰减。 从右图可以看出:矩形窗对连续信号不合适。其功率谱 旁瓣较多,泄漏较大。 汉宁窗:适合于连续信号的分析,因为汉宁窗函数 ◎ 汉宁窗 可以使信号在窗函数的起始点、终止点逐步衰减至0。汉宁 窗的频率分析精度较高,但幅值精度较低。 从下图可以看出,对于连续信号的分析,汉宁窗的功率 谱主瓣较窄,即频率分辨力很强,中心频率可以准确定位。 平顶窗:适合于连续信号的分析,因为平顶窗函数 ◎ 平顶窗 也可以使信号在窗函数的起点、终点逐步衰减至0。平顶窗 的频率分析精度较低,但幅值精度较高。 从下图可以看出,平顶窗的功率谱主瓣较宽,频率分辨 力较差一些。
与汉宁窗相比,平顶窗降低了频率分析精度。 正弦波 时间窗 积分 功率谱

应用总结: 应用总结: 窗函数的选取原则 — 使泄漏效应最小。 通常做法 — 暂态波形、冲击波形,选择矩形窗, 连续函数波形,选择汉宁窗或平顶窗。

IEC谐波标准与窗函数、同步采样
窗函数减少了泄漏现象,但并不能完全消除泄漏。 ● IEC标准要求:
窗函数为矩形窗。(即FFT数据块不加权) 谐波分析仪器为基波同步采样(PLL等) ,10周期数 据点的时间窗误差小于0.03%。
图a为整周期数据点的频谱。不加权,无泄漏。 图b为非周期数据点加窗函数的频谱。有泄漏。

例:时间窗误差对谐波分析的影响

对数刻度(dB)的意义与用途
问题: 问题:
假设需要测量的畸变分量为0.1%,在一个10cm高的显示屏上,如果设置基频分量(100%)为刻度全长,则谐波分量仅 为0.1mm。显然,这个分量在屏幕上几乎看不到了。 为了易于同时观察所有的频率分量,唯一的做法是改变幅值刻度。对数幅值刻度可以压缩大的信号幅值,扩展小信号 幅值。 使用dB刻度,在小信号状况下,对数幅值谱可以测量 解决方法: 解决方法: 更精确。如下图所示,基波电压成分100%即0dB,谐波电 Alexander Graham Bell发现了人的耳朵对声音功率大 压成分0.1%即-60dB,在一个80dB的显示图上,畸变成分 小差别的对数反应。他发明了单位“贝”,用以测量人的 表现在刻度的1/4处。而在线性刻度上,畸变成分表现在 听觉能力。如今,“分贝”,即“贝”的十分之一,已经 刻度的1/1000处。 成为了频域分析中最常用的单位。 下表所示为分贝值与功率、电压值之间的关系。

例:右图为一个标准音源信号(1kHz)的谐波分析结果,采用 平顶窗。 图a为对数幅值刻度,图b采用线性幅值刻度。显然,在图 b中看到的是一个标准的1kHz的正弦波信号,但图a显示,信号 中还包含有一些2kHz的成分。

非正弦系统的功率和谐波
● 对于正弦、线性负载,传统的功率测量方法 DC: W = V * I AC: W= Vrms * Irms * cosφ ● 对于非正弦系统,宽带测量仪器、谐波分析仪的功率计算方法: 瞬时功率:p(t) = v(t)×i(t) 一周期内传输至负载的能量为: 有功功率(瞬时功率在一周期内的平均值): 电压与电流以谐波形式表示: 以谐波形式表示的有功功率:

利用三角函数的正交性,整理可得积分结果:

因此,有功功率为:

P = P + P + P + ...... 0 1 2
结论:只有电压与电流同频率的成分,才能构成负载的平均有功功率。 总有功功率=直流分量的功率+各次谐波的有功功率

非正弦系统的功率和谐波(2)
例1:电压为基波,电流为三次谐波 计算结果:瞬时功率曲线 有功功率为零。 有功功率为零 例2:电压为三次谐波,电流也是三次谐波,相位相同 瞬时功率曲线 有功功率为0.5 0.5。 有功功率为0.5。

例3:电压为1st、3rd、5th,电流为1st、5th、7th, 瞬时功率曲线 总有功功率为基波有功功率与5次谐波有功功率之和,此例为0.32 0.32。 总有功功率为基波有功功率与5次谐波有功功率之和,此例为0.32。

非正弦系统的有效值和谐波
非正弦电压或电流以谐波形式表示: 有效值公式: 利用三角函数的正交性,整理可得有效值积分结果: 即 结论:1、总有效值为直流分量及各次谐波分量有效值平方和的方根。 总有效值为直流分量及各次谐波分量有效值平方和的方根。 结论 总有效值为直流分量及各次谐波分量有效值平方和的方根 2、谐波分量通常将使有效值增大。 3、谐波,并不一定增大有功功率。 畸变因数的定义: 畸变因数的定义: 正弦波电源电压,非线性动态负载 正弦波电源电压,
对于正弦波的电源电压,谐波电流不产生有功功率。 但谐波电流使总的有效值增大,从而降低了功率因数。 有功功率: 电流有效值: 真功率因数与基波功率因数的关系: 比较THD的定义: 可知畸变因数 总谐波畸变 畸变因数与总谐波畸变 畸变因数 总谐波畸变THD的关系:

U = U 02 + U 12 + U 22 + ? ? ? ? ? ?

总需量畸变率(TDD): 总需量畸变率
以基波为基准的比值, 用百分数表示。其值为谐波电流的均方根 值除以额定需求基波电流(或最大需求基波电流)的均方根值。 (TDD为IEEE 519的要求,考虑了轻载的影响,实用性较强。例如 PWM调速电机,轻载时THD很大,TDD较小;满载时两者相同。)

捕获瞬变现象
电压瞬变,包括冲击型瞬变现象、振荡瞬变现象。
瞬态: 瞬态:半个周波(10ms)以内,瞬变现象。测量与评估方法:与标准正弦波比较。 暂态: 暂态:从10ms到1min,骤升、骤降与短时电压中断事件。测量与评估方法:半周期有 效期计算。

包络线触发

捕获的波形

电压波形

包络线限值

电能质量相关概念
电能质量主要指标: ? 电压偏差; ? 频率偏差; ? 三相电压不平衡度; ? 电压畸变; ? 电压波动与闪变; ? 暂时过电压与瞬态过电压。

低劣电能质量的代价
? 钢铁厂的非线性、冲击性和不对称性负荷会使公用电网电能质量变坏, 钢铁厂无法正常生产,废品率上升,一次停电事故会造成数百万元至 数千万元的经济损失。 一次瞬间过电压及电压跌落会使微电子工厂或精密加工工厂损失数百 万元。 电气化铁路产生的谐波电压或负序电压引起电力系统自动装置误动作, 会造成大面积停电,损失数亿元人民币。 谐波电压会使配电系统损耗增加,设备故障率升高;3%的负序电压 会使电动机的寿命减半。 数据通讯中50%以上的数据丢失事故是电能质量引起的。 电力系统中运行的电容器30%以上的事故是谐波造成的。 电力系统的谐波和电压偏差严重干扰通讯系统的正常工作。 ……

? ? ? ? ? ? ?

电能质量费用迅速增长
电能质量敏感设备大量使用和对电力干扰控制使电能质量费用迅速增长: – 1970年,美国为解决电压中断问题投入费用为﹩10 million; – 1980年,美国为改善电能质量投入费用为﹩100 million; – 1990,美国为解决电压瞬变投入费用为﹩1 billion; – 2000年,全球为改善电能质量投入费用为$10 billion; – 2002 2002年,全球为改善电能质量投入费用为$20 to $50 billion $20 billion; – 目前,非线性电力负荷用电量为总用电量的25%,15年后将达到 75%,为改善电能质量费用将迅速增长。

GB12326—2000 电能质量 电压允许波动和闪变
? 波动负荷 fluctuating load 运行过程从电网吸收快速变动功率的负荷。 ? 电压方均根值曲线u(t) R.M.S. voltage shape,u(t) 每半个基波电压周期方均根值(r.m.s.)的时间函数。 ? 电压变动特性d(t) 电压变动百分数(相对标称电压)的时间函数。 ? 电压变动d relative voltage change, d d(t)上相邻两个极值之差。

GB12326—2000 电能质量 电压允许波动和闪变
? 一次电压变动 电压由大到小或由小到大变化,且时间间隔小于30ms, 算作一次电压变动。 ? 电压变动频度r rate of occurrence of voltage change, r 单位时间内电压变动的次数。 ? 电压波动 voltage fluctuation 电压方均根值一系列的变动或连续的改变。 ? 电压闪变 flicker 灯光照度不稳定造成的视感。

GB12326—2000 电能质量 电压允许波动和闪变
? 短时间闪变值Pst short term severity, Pst 衡量短时间(若干分钟)内闪变强弱的一个统计量值。 ? 长时间闪变值PLt long term severity, PLt 长时间(若干小时)闪变强弱的量值。

n为计算周期内Pst的个数

电压变动和闪变的限值
电压闪变限值
电压等级 PSt PLt LV 1.0 0.8 MV 0.9(1.0) 0.7(0.8) HV 0.8 0.6

注:PSt测量周期为10min,PLt测量周期为2h;MV括号中值仅适用于pcc连 接的所有用户为同电压等级的用户场合。

电压变动限值(%)
r,h-1 r≤1 1< r ≤ 10 10 < r ≤ 100 100 < r ≤ 1000 LV、MV 4 3 2 1.25 HV 3 2.5 1.5 1

电压变动和闪变的评估
? 电压变动评估计算 对于平衡的三相负荷 在高压电网中 d ≈

式中:△Si为负荷容量的变化量,Ssc为考察点pcc的短路容量。 对于单相负荷变化引起的电压变动 ≈ 3 ? S i × 100% d S sc ? 电压闪变评估计算

d ≈ ?S S
sc

i

× 100%

?Q×100% , △Qi为负荷无功变化量。 S
i sc

Pstmax=100kdmax
式中,dmax为最大电压变动,k为系数,与负荷性质有关, 对于交流电弧炉,k=0.5~0.6

电压变动和闪变的传递
设高压侧pcc短路容量为SHsc,电压变动为dH,电 压闪变为PHst,低压侧 pcc短路容量为SLsc,电压变 动为dL,电压闪变为PLst 当电压变动和电压闪变由LV侧向HV侧传递时,

d

H

=

S d S
Lsc Hsc

L

= SLsc PLst PHst

S

Hsc

当电压变动和电压闪变由HV侧向LV侧传递时, dL=(0.8~1.0)×dH PLst=(0.8~1.0)×PHst

电压变动和闪变的测量
A.在电力系统正常运行的较小方式下,波动负荷最大工 作周期时测量d、PSt和PLt。对三相不平衡负荷,取最 严重一相的值。 B.每10min作为PSt的一个测量周期,测量一个PSt值和一 个d 的95%概率大值,每2小时得到一个PLt值。 C.在统计周期内,以d、PSt、PLt的95%概率大值作为判断 是否越限的依据。

电压闪变的叠加
几个波动负荷各自引起的闪变及背景闪变在同一结点上相互叠加, 其短时闪变值按下式计算:
n =? ∑ P St ? ?i = 1

(P Sti )m ? ?
?

1 m

m值与各负荷重叠率有关: m=1 重叠率很高; m=2 随机波动负荷同时发生; m=3 随机波动负荷同时发生概率很小(常用); m=4 仅用于熔化期不重叠的电弧炉的电压闪变合成。

GB12325—90 电能质量 供电电压允许偏差

(1) 35KV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电 压的10%; 10KV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%; 220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%,-10%。 (2) 对电压有特殊要求的用户,供电电压允许偏差按照优质优价原 则由供电协议确定。 (3) 系统无功引起的电压偏差计算: 设额定电压为UN,系统吸收无功为Q(感性无功为正值,容性 无功为负值),公共供电点pcc的短路容量为SK,由无功引起 pcc的电压偏差为△U,则:

ΔU = Q U S
N

K

GB/T15945—95 电能质量 电力系统频率允许偏差
①频率偏差:系统频率实际值和标称值之差。 ②频率偏差允许值: 正常频率偏差允许值: ±0.2HZ; 当系统容量较小时,频率偏差允许值:±0.5HZ; 孤立电网:根据系统条件,在保证发电机组和网内 电力用户安全稳定运行及正常供电前提下,可适当 放宽频率偏差限值。 ③冲击负荷引起频率偏差的计算: 变化幅度大,变化周期短(<10S)的负荷为冲击负荷,设系统总有功负荷为 PDN,最大有功冲击为PDmax,发电机单位调节功率(频率变化1HZ时,发电机 输出功率的变化)为KG(标么值),负荷的频率调节系数(频率变化1HZ时, 负荷功率变化)为KD(标么值),系统额定频率为fN,冲击负荷引起的频率偏 差为△f,则

式中:KD=1~3,此值由实测获得,它取决于负荷的组成,是不 可调整的; 对于汽轮发电机,KG=16.7~25 对于水轮发电机, KG=25~50.

?f ?P = f P (K + K )
Dmax N DN G D

GB/T15543—95 电能质量 三相电压允许不平衡度

? 不平衡度ε unbalance factor ε 指三相电力系中三相不平衡的程度。 ? 正序分量 positive—sequence component 将不平衡的三相系统的电量按对称分量分解后, 其正序对称系统中的分量。 正序电压记作U1 ? 负序分量 negative—sequence component 将不平衡的三相系统的电量按对称分量分解后, 其负序对称系统中的分量。 负序电压记作U2 ? 三相电压不平衡度 = 2 × 100% U

U ε U

1

三相电压不平衡度允许值
? 电力系统公共连接点正常三相电压不平衡允许值为 2%,长期不得超过4%。 ? 接于公共连接接点的每个用户,引起该点正常三相电 压不平衡度允许值为1.3%。 ? 值指电力系统正常运行的最小方式下,负荷引起 最大时的实测值,以 的95%概率大值作为是否越 限的判断依据。

三相电压不平衡度评估计算
? 设公共连接点的正序阻抗与负序阻抗相等,则

式中:I2—电流的负序值,A; UL—线电压,KV; SK—公共连接点的短路容量,MVA。 ? 相间单相负荷引起的电压不平衡度表达式 式中SL—单相负荷容量,MVA ? 已知三相XA、XB、XC,计算零序分量X0、正序分量X1、负序分量X2。
? X 0? ?1 1 1 ? ? X A ? ? ? ? 1? 2? ? ? X 1 ? = 3 ?1 α α ? ? X B ? ?X ? ?1 α 2 α ? ? X C ? ? ?? ? 2? ?

3 I2 ×UL εu = 10SK (%)

εu =

SL × 100% SK

式中

α=e

j1200

GB/T18481—2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过 电压
? ? ? ? 过电压 overvoltage 在任何时间,系统上任何一点出现的峰值电过超过额定峰值电压。 暂时过电压 temporary 在给定安装点上持续时间较长(>30ms,<1h)的振荡过电压。标么值 1.0p.u.=Um/ 3 瞬态过电压 transient overvoltage 叠加于暂时过电压上,持续时间<10ms的过电压。标么值1.0p.u.= 2 Um/ 缓波前过电压 slow—front overvoltage 操作过电压 switching overvoltage 单极性的峰值时间在20 s~5000 s之间,半峰值时间小于20ms的瞬态过电压。 谐振过电压 reasonance overvoltage 由于电容电感不利组合产生的谐波而出现的暂时过电压,一般持续时间较长。 工频过电压 一般由线路空载、接地故障和甩负荷产生的。 快波前过电压 fast—front overvoltage 雷击过电压 lightning overvoltage 单极性的峰值时间在0.1 s和20 s之间,半峰值时间小于300 s的瞬态过电压。

3

? ? ?

GB/T18481—2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压

? 谐振过电压 reasonance overvoltage 由于电容电感不利组合产生的谐波而出现的暂时过电 压,一般持续时间较长。 ? 工频过电压 一般由线路空载、接地故障和甩负荷产 生的。 ? 快波前过电压 fast—front overvoltage 雷击过电压 lightning overvoltage 单极性的峰值时间在0.1 s和20 s之间,半峰值时间 小于300 s的瞬态过电压。

电气设备过电压限值(1)
? 系统工频过电压限值 a) Um>252kv 线路断路器的变电所侧1·3p.u. 线路断路器的线路侧1·4p.u. b) Um=110kv~220kv 系统: 1.3p.u. c) Um=3kv~10kv 系统: 11 3 p.u. Um=35kv~66kv 系统: 3 p.u. ? 谐振过电压 包括线性谐振和非线性(铁磁)谐振过电压。 采取措施:消除出现谐振过电压的条件; 采用保护装置限制其幅值和持续时间。

电气设备过电压限值(2)
? 线路合闸和重合闸过电压及非对称故障和振荡解列过程过电压限值 (对地电压) 330KV系统:≤2·2p.u. 500KV系统:≤2·0p.u. <252KV系统:≤3·0p.u. ? 空载线路分闸过电压限值 Um>25KV系统:线路断路器电源对地电压≤1·3p.u.条件下,开 断空载线路不发生重击穿,即不应产生过电压。 Um=110KV~220KV:开断空载线路过电压应不超过3·0p.u. Um=66KV及以下非电阻接地系统:开断空载线路过电压不超过 4·0p.u. Um=66KV及以下低电阻接地系统:开断空载线路过电压不超过 3·2p.u.

电气设备过电压限值(3)
? 3KV~66KV用断路器开断并联电容器时: 电容器高压端对地过电压不超过4·0p.u.; 电容器极间过电压不超过2.15 Un·c。 注: Un·c为电容器的额定电压。 ? 用断路开断变压器时过电压限值: 2 冷轧硅钢片变压器:≤2·0p.u. 热轧硅钢片的110KV和220KV变压器:≤3·0p.u. 热轧硅钢片的66KV及以下变压器:≤4·0p.u.

电气设备过电压限值(4)
? 空载变压器和并联电抗器补偿装置合闸产生的 操作过电压限值: 2·0p.u. ? 高压感应电动机合闸过电压限值: 2·0p.u. ? 高压感应电动机空载分闸过电压限值: 2·5p.u. ? 1KV<Um≤66KV系统单相间隙性电弧接地过 电压限值: ? 不接地: 3·5p.u. ? 消弧线圈接地: 3·2p.u. ? 电阻接地: 2·5p.u.

GB/T14549—93 电能质量 公用电网谐波
? 公共连接点pcc: point of common coupling 用户接入公用电网的连接处 ? 对周期交流电压(电流)进行付立叶分解目标得到

U( ) =U + ∑ 2U
t o h=1

m

h

Sin 2ππ

(

f

1

t + αh

)

I( ) = I +∑ 2 I Sin(2ππ f
m t o h=1 h

1

t+β

h

)

式中: f1——系统基波电压(电流)频率; Uo,Io—直流电压(电流); U1,I1—基波电压(电流); Uh,Ih(h>1)—第h次谐波电压(电流)。 谐波电压含量:

UH =

∑(Uh)
m h=2

2

谐波电流含量:

I

H

=

∑(Ih)
m h=2

2

GB/T18481—2001 电能质量 暂时过电压和瞬态过 电压
第h次谐波电压含有率: 第h次谐波电流含有率: 电压总谐波畸变率: 电流总谐波畸变率: 。
= U h × 100% h
1

HRU

U = I × 100% HRI I
h 1 h
u

THD

=U

H 1

U

× 100%

THI

u

= I H × 100% I1

谐波电压限值公用电网谐波电压(相电压) 限值如下表所示
电压总谐波 畸变率 % 5.0 4.0 各次谐波电压含有率:% 奇次 4.0 3.2 偶次 2.0 1.6

电网标称 电压KV 0.38 6 10 35 66 110

3.0 2.0

2.4 1.6

1.2 0.8

谐波电流限值(1) A.pcc点的全部用户向该点注入的谐波电流限值如下表所示
基准短 标准电 路容量 压KV MVA

谐波次数及谐波电流允许值,A
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

0.38 6 10 35 66 110

10 100 100 250 500 750

78

62

39

62

26

44

19

21

16

28

13

24

11

12

9.7

18

8.6

16

7.8

8.9

7.1

14

6.5

12

43

34

21

34

14

24

11

11

8.5

16

7.1

13

6.1

6.8

5.3

10

4.7

9.0

4.3

4.9

3.9

7.4

3.6

6.8

26

20

13

20

8.5

15

6.4

6.8

5.1

9.3

4.3

7.9

3.7

4.1

3.2

6.0

2.8

5.4

2.6

2.9

2.3

4.5

2.1

4.1

15

12

7.7

12

5.1

8.8

3.8

4.1

3.1

5.6

2.6

4.7

2.2

2.5

1.9

3.6

1.7

3.2

1.5

1.8

1.4

2.7

1.3

2.5

16

13

8.1

13

5.4

9.3

4.1

4.3

3.3

5.9

2.7

5.0

2.3

2.6

2.0

3.8

1.8

3.4

1.6

1.9

1.5

2.8

1.4

2.6

12

9.6

6.0

9.6

4.0

6.8

3.0

3.2

2.4

4.3

2.0

3.7

1.7

1.9

1.5

2.8

1.3

2.5

1.2

1.4

1.1

2.1

1.0

1.9

谐波电流限值(2)
B.当pcc的最小短路容量SK1不同于基准短路容量SK2时,按下式计 算谐波电流限值。

I=
h

S I S
K1 k2

hp

式中:Ihp—pcc最小短路容量为基准短路容量Sk2 时谐波电 流限值; Ih—pcc最小短路容量为Sk1时谐波电流限值。 C.pcc处第i个用户的谐波电流允许值Ihi计算如下: 式中:Si —第i个用户的用电协议容量; St —pcc的供电设备容量; α—相位迭加系数。

? ? = Ih? Si ? Ihi ? St ? ? ?

1 α

h α

3 1.1

5 1.2

7 1.4

11 1.8

13 1.9

9│>13│偶次 2

谐波电流限值(3)
D.两个谐波源的同次谐波电流在同一条线路上同一相迭加,当相位角已知 时 式中:Qh:谐波源1和2的第h次谐波电流之间的相位差。 当相位角不确定时 式中Kh按下表选取
h Kh
3 1.62

Ih =

I h1 + I h2 + 2 I h1 I h2 cosQ
2 2

h

Ih =

I h1 + I h2 + Kh I h1 I h2
2 2

5 1.28

7 0.72

11 0.18

13 0.08

9│>13│偶次 0

谐波电压计算及谐波传递
? 设注入pcc的h次谐波电流为Ih,从谐波电流源看pcc的谐波阻抗为Zh, 则pcc的h次谐波电压为Uh=IhZh ? 设高压侧的额定电压为UH,pcc的短路容量为SHK,注入pcc的h次谐波电 流为IHh,pcc的h次谐波电压含有率为HRUHh;低压侧的额定电压为UL,

pcc的短路容量为SLK,注入pcc的h次谐波电流为ILh,pcc的h次谐波电
压含有率为HRULh,当谐波电流和谐波电压由LV向HV传递时: 当谐波电压由HV侧向LV侧传递时:

HRULh=(0.8~1.0)×HRUHh

U I Hh = L I Lh U
H

HRU

= Hh

S HRU S
LK HK

LK

THR

HU

= S LK THR LU

S

HK

测量谐波的方法
A.电力系统最小运行方式下,测量谐波应在谐波源工作 周期中产生的谐波量大的时段内进行; B.负荷变化快的谐波源,测量间隔5s~2min,负荷变化 慢的谐波源,测量间隔取5min~10min; C.谐波测量的数据应取测量时段内各相实测值中最大的 一相值,作为判断谐波是否越限的依据; D.每次测量结果应为3s内所测值(≥6个值)平均值或均 方根值

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