高質量的電能對于設備和電網平順運作是必須的。電力的擾動是通過電能質量分析儀來監測的。METAS完成了其第一個針對商業化電能質量分析儀的認證，這是一款由瑞士Camille Bauer公司開發的設備：電能質量分析儀 LINAX PQ3000。。這項新服務是建立在過去這些年發展起來的對于復雜信號的生發、抓取和分析的專業知識基礎上的。

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。在這樣的系統中，電壓和電流是50Hz或60Hz的正弦波。這樣的選擇是根源于產生電力所使用的感應發電機。電流也是正弦的，因為大多數傳統的負載，如燈具、加熱裝置和電動機，主要都是線性負載。

什么是電能質量?

20世紀70年代隨著晶閘管和三極管等電力電子設備的出現，發展處理現代控制系統，諸如調光器、電機驅動器等，這些控制系統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，會產生非正弦電流。這導致了電力系統中諧波污染的增加，進而增加系統損耗。在80年代開始普及的計算機和基于微處理器的系統設備對于電力系統中的擾動更加敏感。負載對于擾動的敏感度和發射出的擾動共同構成了電能質量的概念。光伏發電的出現和發展進一步加劇了高頻擾動的問題。

1: 電能質量是電網和其中負載順暢運行的重要因素

電能質量分析儀 標準化

與其它電磁兼容問題一樣，必須限制設備電能質量擾動的產生，同時必須降低與電力系統相連的設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: 限制電能質量擾動發射的同時降低連接到電力系統中設備的敏感度

對于每種類型擾動的發射和抵抗能力設定限值，從而建立兼容性水平評價體系。兼容性水平需要基于經濟性和技術兩方面權衡考慮。為了實現標準化，電能質量是對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。

除了設定擾動發射和敏感度(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。這導致使用不同制造商生產的設備測量出的結果不一致。現在，一系列標準在電能質量的測量中被普遍采用，大部分電能質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不同電能質量分析儀的測量結果高度一致。在某些情況下，基于上述測量標準的不同儀器并沒有產生可比較的結果。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。

電能質量分析儀 最相關的標準是：

■ IEC 61000-4-30:

Testing and measurement techniques Power quality measurement methods

該標準定義了電能質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量分析儀: A 和S。前者適用于需要連續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。后者對于信號數據處理的要求較低，適用于電能質量評估和調查。

■ 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。閃變或許是電能質量測量中最復雜的，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grouping，以降低數值波動帶來的影響。該方法也用于簡諧波的測量。

■ EN 50160:

Voltage characteristics of public distribution systems

該標準規定了低壓、中壓、高壓網絡中可接受的各類電能質量擾動限值。實際值是根據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執行對電能質量分析儀的認證。

METAS 電能質量相關設施設備

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生器，并且可以添加各種電能質量擾動。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，所有產生的信號必須可以溯源到SI。測試系統必須采集和存儲電能質量分析儀產生的大量數據。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據的格式，以此必須為每個儀器編制特定的數據讀出表。為了產生波形，三相校準源Fluke 6105A與METAS開發的相量測量單元(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，電能質量測量不是與參考儀器進行比較，而是與參數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校準器的校準設置。

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

5: 電能質量測量不是與參考儀器進行比較，而是與參數已被表征的信號進行比較

電能質量分析儀認證流程

圖6顯示的是Camille Bauer制造的型號為PQ3000的三相(電壓和電流)電能質量分析儀，它適用于50Hz和60Hz系統。該儀器是IEC 61000-4-30標準規定的A級電能質量分析儀。當數據通過以太網導出時，可以通過web瀏覽器直接查看數據和波形。為了數據讀取并將之保存到文件中，開發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值。圖7顯示了完整的測試設置。

6: Camille Bauer PQ3000: 三相(電壓和電流) 電能質量分析儀，適用于50Hz 和 60Hz電力系統

7: 依據IEC 62586-2標準，對電能質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，才會發出標準符合性證書。第三方獨立認證是電能質量分析儀用戶的十項要求之一。

隨著該項目的完成，METAS已經成為少數幾個能夠完全認證電能質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略相一致，發展新的測量專業知識，并將其轉化為具有成本效益的服務