电能质量的测量

1. 测量任务

测量电网电能质量首先要选择合适的测量仪器，明确测量任务、电网条件和互感器接线情况。测量项目对应的频率和幅值范围见图1。

图1.　测量频率和幅值范围

谐波和中间谐波的测量频率范围在50Hz~2kHz之间，有时达到2.5kHz。高于2.5kHz的频率目前标准没有规定。谐波电压的幅值最大约为10%电网额定电压，而谐波电流值有时达到或者超过额定电流值。

如果出现频率小于50Hz的谐波，称为分数次谐波，即在0Hz~50Hz之间，幅值范围和谐波电压相同，而谐波电流则小于额定电流。

闪变的变化范围在>0Hz~35Hz之间，电压幅值约为额定电压的4%以下。

电压波动是变量，频率基本不变，其幅值一般在几个百分数。

电压不对称在几个百分比之间变化。上述百分比均为与电网额定电压的百分比。

表1 测量值

2. 测量过程和扫描频率

目前主要使用数字式测量仪器，测量精度取决于模数转换的幅值分解和扫描频率、通道数和数据存储功能。数字测量仪器可以将测量值按12、14甚至16Bit进行分解。输入量分解为2.048，8.192，32.768等级，测量值标记使用1个Bit。扫描频率采用Shannon扫描理论，即扫描频率至少为2倍的被测量信号的频率，实际可以达到3~4倍。仪器至少可以分析到40次谐波，50Hz电网扫描频率至少为8kHz，60Hz电网扫描频率至少为9.6kHz。如果仪器有多个通道，则每个通道的扫描频率必须相同。谐波测量时测量信号的基波频率需要与扫描频率同步化。为此设置PLL电路用于产生扫描和控制频率。注意此处并没有时间的概念，因为扫描频率是电网频率的多倍。测量后的准确配置需要附加电路。

3. 测量准确度要求

电能质量标准中规定了对谐波分析仪器的具体要求，傅立叶级数的分析周期(即时间)必须与测量目的相吻合。具体要求见表2。

表2 谐波测量推荐分析周期

A级仪表用于实验室，B级用于现场测量。仪器测量误差角度小于+/-5º，或者小于h1º，h为谐波次数。见图2。

图2 谐波测量的准确度要求

4. 电流电压互感器

测量系统必须根据相关标准中准确度要求确定频率和幅值范围。一个完整的测量系统包括电流电压互感器，中间互感器，计算和计值部分，见图3。只有仪器的参数设定符合标准中规定的参数，测量结果才具有重现性和可比较性。

-- 低压

低压系统的电流电压互感器比较好配置，例如电流测量钳和带电压输出的电流测量钳，以及Rogowski线圈都可以使用。幅值误差小于1.5%，角度误差小于15º。

-- 中压

电压互感器在1kHz以下的测量误差小于5%，至700Hz角度误差小于5º。电流互感器在1.5kHz以下基本可以保证测量精度。

-- 高压

电压互感器在500Hz以下的测量误差小于5%。电流互感器在整个谐波范围内适于测量。如果需要准确的测量电压，需要使用电阻分压器(Un<1kV)或者电容分压器(Un>1kV)。

图3 测量系统的基本构成

5. 测量接线

测量地点与电流电压互感器的安装地点有关。在低压电网中不需电压互感器，直接测量。可以通过仪器自带的测量钳测量电流，也可以从电流互感器二次引出电流信号，但接线比较费事，推荐使用测量钳。低压电网有时作为TN电网运行，相电压和线电流直接对应。因此可在谐波范围内测量功率。对于闪变测量由于相线和地线之间接有照明灯具同样适用。

中压和高压电网测量只能通过电流互感器和电压互感器或者分压器，应考虑互感器传递函数对测量的影响，特别是测量谐波和中间谐波，而对于闪变测量基本没有问题。中压电网用三台互感器测量的误差相对较低，而使用2个互感器则会出现误差。图4 表示互感器的接线。

2个电流互感器采用2相差接线，也可以等效为3个互感器。测量谐波功率时必须测量相/地电压。有时需要通过相/地电压造一个人工中性点。此时需注意，因为形成了零序系统，不能测量3的倍数次谐波。另外，相对地电压只有在忽略零序系统时才可以根据线电压确定。

因为中压电网为线电压，比较适合测量闪变。中压电网的电压互感器的接线方式不适合测量线对地电压。

注意：有些中压和低压电网的互感器接线不适合测量电网干扰。

图4 中压电网互感器的接线

6. 测量输入

本文所描述的方式假定在三相系统中进行测量，因此必须有3个电流互感器和3个电压互感器。如果低压系统为3相4线制，测量仪器必须具有零线输入端口。

测量仪器必须具有信号转换特性，要求见表3。

测量仪器采用的计算和分析方法必须和标准要求一致。一般用户不会研究测量仪器的内部工作原理，并确定测量仪器的适用性。

仪器本身应该注明适用的标准。

表3

7. 测量输出

测量仪器的测量数据必须以便于观察的形式输出，以便进一步分析。例如谐波测量，需要分析0-40次的3相谐波电压和电流。每分钟有一个160ms的扫描窗口。如果连续测量一周，则谐波幅值的数据量超过145个百万。数据流必须通过测量系统处理和表示。测量数据的综合见表4。

表 4

在电网干扰范围，测量的所有参数和时间顺序必须可以按概率表示。是按95%概率还是按99%概率，可以任意选择。另外必须测量完整的负荷周期，才能取得全面数据。如果不明确典型的负荷周期，则可以任意确定测量时间和分析时间段。

相对概率给出在整个测量期间有多少测量值处在定义的幅值范围内。由此将众多测量数据按简单的方式表现。但是此种表示方法不再具有时间的概念。

相对总概率由各个相对概率综合而成，大于或者小于单个概率的幅值。相对总概率表示总测量值大于定义值的百分比。分析电网干扰通常采用95%概率值。

需注意，95%总概率虽然与标准吻合，但是如果没有附加说明有时会导致不明晰。尽管都是95%概率分配，但是在不同时间段会出现差异。除了按概率表示外，还可以按时间表示，例如大型负荷的投入，或者电网改变接线方式时。有时并不需要将所有测量段都进行处理，仅显示几个特征段即可。标准中给出了不同间隔的数据压缩，见表5。

将数据综合处理和显示可以对整个测量结果有直观的掌握。

表 5

图5 一周内5次谐波的相对总概率

8. 测量仪器的选择

测量电网干扰或者研究电能质量通常需要研究干扰量的各种坐标，具有谐波分析和示波功能的组合仪器比较适用。现代测量仪器可以满足各种要求。表6 列出了测量仪器的主要功能。

表6

9. 实际测量

电能质量的测量除了选择合适的仪器外，还要明确测量的目的，例如：

-- 分析某种干扰现象;

-- 测量电能质量现状;

-- 新用户的干扰发射允许值测量。

在分析研究时需要标明仪器、设备和电网的数据，使用标准格式的表格进行汇总，见表7。

应该尽可能全面的收集数据表中列出的项目。测量时注明地点，时间，测量人员等。接好测量仪器后首先校对相位和基准时间，日期。有时需要注明变压器调压接头的位置。大型负荷的运行情况。

测量结束后应确认，测量项目是否完整，有些数据可以现场显示。

注意，一次有效的测量必须包括所有必要的电网参数和运行条件。

表7