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          IEC電能質量標準化的進展

          時間:2016-01-25 點擊:


                  關鍵詞: 電能質量  公用電網  電力系統

          電能質量關系到電力系統及其電氣設備的安全和效率,關系到節能降耗,關系到生產和生活以及國民經濟的總體效益。實施對電能質量的科學監管是建設節約型社會的重要條件之一。電能質量標準是保障電能質量的基本技術依據。2000年以來,為適應電網的發展和電力市場的變化,國內外均加快了電能質量標準的制、修訂步伐。本文扼要地介紹并分析了近年來IEC電能質量標準化的進展,重點介紹2015年4月最新發布的IEC TS 62749《公用電網電能質量限值及評估》內容,對比現行國標的規定,做簡要的評述,可以供相關專業人員,特別是電能質量標準制、修訂人員參考。

          1、IEC電能質量標準化的歷史回顧

          電能質量的標準以研究電力系統中的電磁現象為基礎。為了統一各國電氣設備或系統的電磁環境,以促進電氣和電子技術領域有關標準的國際化,國際電工委員會(IEC)于1973年建立了第77技術委員會(IEC/TC 77),IEC/TC 77下設3個分技術委員會:IEC/SC 77A(低頻現象)、IEC/SC 77B(高頻現象)、IEC/SC 77C(瞬時高能現象)。IEC對低頻和高頻的劃分界限是9kHz,即高于9kHz為“高頻”,9kHz及以下為“低頻”。顯然,在電網或電力系統中,主要涉及低頻和高頻傳導電磁現象。IEC/TC 77的工作成果以IEC 61000系列電磁兼容(EMC)標準文件出版,EMC的范圍既有低頻也有高頻,既包括傳導性也包括空間電磁場干擾。該系列標準,目前包括6個部分(總則、環境、限值、試驗與測量、安裝與抑制、通用標準),每個部分又可分若干項,以國際標準、技術規范或技術報告和導則形式出版。技術報告(TR)按其內容有的(注意:并不是所有)標明類型,共分3類,性質上有所不同。2000年以后,IEC 61000文件的技術報告又取消了類型劃分。

          在上述框架內,IEC出版了大量和電能質量相關的EMC標準文件,其中相當部分已被等同采用為國家標準文件。應注意的是,EMC水平是為了設備(或裝置、系統)性能協調目的而定出的一個參考值,有了這一參考值,便可以采用適當的方法和裕度,確定干擾源發射限值,以及電氣設備抗擾限值。不能把EMC水平完全等同于電能質量的限值,兩者既有密切聯系,又有所區別。

          電磁兼容性參數是指在同一電磁環境下的發射方和接受方之間的相容性技術參數,包括發射、抗擾以及兼容水平。電磁兼容的基本任務就是協調干擾發射方和承受方之間的關系,使之融洽和諧工作。兼容值是一個參考值,發射值不應超過兼容值,并且宜留有一定的裕度;相反,抗擾值不能低于兼容值,而應略大些,以使設備有足夠抗擾水平。電磁兼容性參數關系見圖1和圖2。此外,還提出規劃值或規劃水平作為企業內部質量目標值,規劃值一般不超過兼容值。

          圖1 各擾動水平之間關系示意

          圖2 電磁兼容協調中有關參數的關系

          電能質量是針對電網中的“電”是一種產品,規定各種指標限值,以保證其質量,作為電網運行和供用電合同中相應條款的依據。由于電能質量的特殊性(這里主要指在時間上、空間分布上的變化特點),限值一般針對電網中具體衡量點(例如國標中規定供電點或公共連接點)。也就是說,電能質量標準只針對電網中特定點上傳導性干擾指標(頻率除外)。

          需指出:IEC/TC 77是專注于EMC的標準化,主要是針對電氣設備的發射水平與抗擾水平以及電氣產品質量認證制定的,沒有電網中電能質量指標方面限制規定,在61000系列標準中目前僅見IEC 61000-4-30規定的電能質量測量方法。為此,1996年國際電磁兼容顧問委員會決定擴展IEC/TC8(電壓電流等級和頻率標準化技術委員會)工作范圍。從2003年開始,IEC/TC8工作范圍正式由原來“電壓、電流等級和頻率標準化”擴展到供電系統領域,改名為“電能供應系統方面”(System Aspects of Electrical Energy Supply),其發布的標準框架中包括:術語、電力系統可靠性、連接規程、運行、電網職責、計量、通信、電能供應的特性(包括電壓、電流、頻率標稱值及其變動范圍,供電的連續性,電壓暫降、過電壓/欠電壓,電壓不平衡,電壓波動以及諧波和間諧波等)。2004年9月TC8發表了第3特別工作組(AHG3)關于電能供應特性的活動方面的報告。

          據統計,迄今IEC/TC8制定的主要標準如下:

          1)IEC 60038 2009:IEC standard voltages (IEC標準電壓)。

          2)IEC 60059 2009:IEC standard current ratings(IEC標準電流等級)。

          3)IEC 60196 2009:IEC standard frequencies(IEC標準頻率)。

          4)IEC/TR 62510 2008:Standardising the acteristics of electricity (電特性標準化)。

          5)IEC/PAS 62559 2008:IntelliGrid methodology for developing requirements for energy systems(能源系統需求開發的智能電網方法)。

          6)IEC/IEEE/PAS 63547 2011:Interconnecting distributed resources with electric power system(分布式電源并網)。

          7)IEC 62786:Smart Grid User Interface:Domain side energy source interconnection with the grid(智能電網用戶接口:用戶側電源接入電網)。

          8)IEC TS 62749 2015:Assessment of power quality-acteristics of electricity supplied by public network(公用電網電能質量限值及評估)。

          9)IEC/TR 62511:A guide for the design of interconnected power systems (互聯電力系統的設計導則)。

          10)IEC TS 62898-1:Guidelines for the general planning and design of the micro-Grid(微電網的規劃和設計指南)。

          11)IEC TS 62898-2:Technical requirements for operation and control of micro-Grid(微電網運行和控制技術要求)。

          可以看出,IEC/TC8近年來發布的標準中,除了對原有的電壓、電流和頻率等級等標準做適當修改外,其工作領域大大擴展了,涉及智能電網、分布式電源、微電網和公用電網的電能質量。IEC/TR 62510為IEC的技術報告,概述了電能作為一種商品的質量描述方法,闡述了電能質量與電磁兼容的關系,明確了涉及電能質量問題的相關利益方的責任和義務,用于指導電能質量標準化工作。最近發布的IEC TS 62749內容主要有:

          ①規定電力系統正常運行方式下,在供電點需要考核的穩態電能質量現象指標限值包括:電壓偏差、頻率偏差、諧波(間諧波)電壓、三相不平衡、閃變、快速電壓變化、信號電壓;暫態電能質量現象包括:電壓暫降、暫升、短時中斷,雖然不給出限值,但需要進行評估。②給出穩態電能質量現象指標、暫態電能質量現象指標的評估方法;不僅要求對單一供電點電能質量進行評估,而且要求對一個區域或系統進行電能質量評估。下一節將著重介紹此技術規范的一些規定。還必須指出,除了IEC/TC8和IEC/TC 77外,IEC/TC 85(電工儀表)、TC82(太陽能光伏)、TC88(風力機)、TC57(電力系統管理及其信息交換)等技委會也有專門的電能質量方面的標準,或在部分標準中涉及電能質量問題。例如IEC/TC 85的全稱是Measuring equipment for eletrical and electromagnetic quantities(電氣和電磁量的測量設備),最近制定的相關標準:

          1)IEC 62586-1 Power quality measurement in power supply systems-part1:Power Quality Instrument(PQI)[供電系統的電能質量測量-第1部分:電能質量儀器(PQI)]。

          2)IEC 62586-2 Power quality measurement in power supply systems-part 2:Functional tests and uncertainty requirements(供電系統電能質量測量-第2部分:功能測試和不確定度要求)。

          IEC 62586-1和IEC 62586-2是電能質量測量儀器的產品標準,規范了儀器的環境、安全及性能要求,性能驗證方法及不確定度要求。

          2、IEC TS 62749-2015介紹

          2.1標準文件的性質和使用范圍

          本標準文件是IEC的一個技術規范(TS-Technical Specification)?!凹夹g規范”不同于“國際標準”,該規范公布后3年內要進行復審,以確定是否可以轉化為國際標準。

          IEC TS 62749根據電能質量現象的發生頻度,將目前的電能質量現象分為連續變化的現象和非連續變化的現象(事件),見表1。

           

          2.2電能質量指標的推薦值

          2.2.1 頻率

          標準確認電網的標稱頻率為50Hz或60Hz,但沒有給出頻率偏差的具體限值,由各國/地區根據實際情況,在確保電力系統安全穩定和優質的前提下,規定相應的頻率偏差。

          2.2.2 電壓偏差

          電壓偏差的限值規定如下:

          1)低壓:

          ①正偏差U ρ% +10%,的范圍[99,100];

          ②負偏差U β% -10%,β為5或[0,1];

          ③若β>100-ρ,Uβ%限值為-15%。

          2)中壓:

          ①正偏差U 99%+10%;

          ②負偏差U 1% -10%,

          ③U 0% -15%。

          3)高壓:

          ①正偏差U 99%+10%;

          ②負偏差U 1% -10%。

          可以看出:電壓偏差的限值相對于國家標準在不同電壓等級、不同情況下略有放寬,但比傳統的95%概率大值的要求更嚴格;特別是若不對供電電壓最大值進行限制,例如僅規定%概率大值,那么,(100-)%時間的電壓可能使電氣設備損壞無所適從;同樣,供電電壓的最小值也需要規定。本規范在這方面給予一定的關注。

          2.2.3 三相電壓不平衡

          對于三相LV、MV和HV供電系統,負序電壓不平衡因數推薦值為2%,基本規定條件和國標一致,但沒有推薦最大值的規定。

          2.2.4 閃變

          僅規定了正常運行條件下長期閃變lt為1,沒有規定短期閃變st限值,而且不分電壓等級,LV、MV和HV均用此限值,和國標有點差別[6]。目前閃變仍是以60W白熾燈為參考對象進行確定,在節能燈、LED燈等大力推廣的情況下(很多國家已禁止使用白熾燈),需要研究更進一步的其他指標。

          2.2.5 諧波和間諧波電壓

          單次諧波電壓的推薦值見表2和表3,需要說明幾點:

           

          1)表2中的值是指正常運行條件下一周(星期)內每10min單次諧波有效值(rms)的95%概率大值h95%。其中3的倍數次諧波在括號中的限值是考慮到某些國家或地區的電網因接地方式及變壓器聯結方式的原因,允許較大的3倍數次諧波電壓限值;表2中的限值同樣適用于諧波集的測量結果。

          2)除高壓系統考慮到CVT諧波傳遞的特性,僅規定到13次諧波(見表3)以外,其他電壓等級諧波次數規定到50次。

          3)間諧波以間諧波中心子集進行約束,其限值同相鄰的諧波電壓(見表2、表3)。

          4)供電電壓總諧波畸變率(THD)對于LV/MV系統為8%;對HV系統為3%~6%(包括到50次諧波)。

          可以看出,對照國內公用電網國標諧波電壓的規定,IEC規范的限值要放寬許多,這值得認真關注。

          另外,在本規范中沒有諧波電流的限值,起草工作組認為諧波電流是騷擾發射現象,屬于電磁兼容的范疇。在實際控制電網諧波電壓時,對用戶的諧波電流當然必須有規定,放在電能質量(或諧波)標準中,使用上應更方便。

          2.2.6 信號電壓

          公用電網可以用于信號傳輸,本規范中考慮了3種類型信號系統:

          1)電力公司在公用電網中使用的脈動控制系統,頻率范圍為100Hz到3kHz(一般低于500Hz),正常情況下在5%N以內,有諧振時可達9%N。

          2)電力公司在公用電網中使用的電力載波,頻率范圍為3~95kHz,允許信號水平為5%N,這些信號在電網中傳輸時會很快衰減(大于40dB)。

          3)末端用戶(居民區或工業用戶)的信號系統,如歐洲(ITU區域1)頻率范圍為95kHz到148.5kHz,允許信號水平分別為0.6%N或5%N。在某些國家或地區,頻率上限到500kHz,允許信號水平為2~0.6mV。

          根據上述情況,提出中低壓公用電網的信號電壓推薦限值,見圖3。眾所周知,目前國內電能質量系列標準中尚無這方面限值規定。

          圖3 中低壓公用電網中信號電壓推薦值

          2.2.7 快速電壓變化

          對快速電壓變化(RVC)進行限值設定的目的在于量化評價實際系統運行中電容器的頻繁投切及電動機的頻繁啟動對電壓的影響。當這些操作(動作)導致的電壓變化不足以引起電壓暫降、暫升時(沒有達到其設定的閾值),則以快速電壓變化進行評價。

          值得一提的是,IEC TS 62749也給出了快速電壓變化的測量方法,即以IEC 61000-4-30的150/180周波有效值進行測量評估。當然,這一方法也需要實踐的檢驗。

          事實上,快速電壓變化現象是在電壓波動現象中抽取的一種特殊現象,見圖4。圖中ΔUc為穩態電壓變動,ΔU dyn為動態電壓變動。IEC TS 62749中規定快速電壓變化指穩態電壓變動,并給出了限值范圍為3%~5%,適用于LV、MV和HV系統。值得注意的是規定中沒有頻度的要求,也沒有最小短路容量要求,這就使標準的可操作性大為增加,但嚴謹性欠缺些。

          2.2.8 其他指標

          描述非連續變化的瞬態過電壓、電壓暫降、電壓暫升和電壓中斷等指標和現行國標相比沒有太多新意,其中電壓暫升(voltage swell)是指電氣系統某點的電壓突然升高,經短時(一般為幾個周波至幾秒)之后又恢復的現象,電壓暫升的起始門檻值(閾值)一般為110%參考電壓(參考電壓是指系統標稱電壓或公稱電壓),此指標基本上已包含在國標GB/T 18481《電能質量暫時過電壓和瞬態過電壓》之中。

          2.3電能質量的評估

          電能質量的評估主要用于電力公司和用戶評價電網的電能質量是否符合相關的標準,檢驗其是否滿足接網協議和質量規程,用以診斷和排除電能質量的異常問題(例如系統諧波諧振、生產過程異常中斷、設備故障等),同時對于電網的規劃和發展,新的敏感性或干擾性設施(既可能是負荷,也可能是發電機)接入具有重要意義。電能質量評估應關注以下幾點:

          ①推薦的限值;

          ②與限值有關的系統條件;

          ③限值的評估點;

          ④電能質量參數的測量方法;

          ⑤怎樣從大量的現場測量數據中得出評估結論的方法。

          應注意,即使是連續變化型的電能質量現象,隨時間的變化范圍也可能很大,因此任何所使用的評估方法,應細致地考慮是否適合這類干擾隨時間的變化特性。

          我國電能質量監測評估一般考慮公共連接點(PCC)。實際上,PCC的概念來源于電磁兼容,其目的在于針對確定的電磁環境,方便地規定其兼容限值,進而在確定的發射限值和抗擾度限值情況下,設備與系統能夠正常運行。但是電能質量屬于利益體之間的考量因素,因此,電能質量限值及其評估作用于利益體之間的分界點即供電點是比較合理的,見圖5。當然,PCC點有時與供電點重合。

          圖5 PCC點及供電點示意

          IEC TS 62749最終給定的電能質量評估內容包括:

          ①限值評估;

          ②短時指標評估;

          ③短時指標最大值評估;

          ④系統評估。

          2.3.1 連續變化的電能質量現象指標評估

          2.3.1.1 單一供電點評估

          單一供電點連續變化的電能質量現象指標評估見圖6。

          圖6 單一供電點連續變化的電能質量現象指標評估

          該方法需要強調下述幾個方面內容:

          1)限值評估盡管規定評估時間最少一周,但是采用了一周窗口按日滑動的評估方法,見圖7。

          2)短時指標限值等于對應長時指標限值的倍(因為短時記錄值肯定比長時記錄值大),但值目前仍處于考慮中。

          3)短時指標最大值沒有限值,主要為事故分析提供協助。

          2.3.2 非連續變化的電能質量現象指標評估

          2.3.2.1 單一事件評估

          單一事件評估仍采用“剩余電壓+持續時間”的特征指標評估方法。標準給出的一個評估模式見表4和圖8。

          圖8 單一事件評估及其波形示例

          2.3.2.2 單點、系統事件集合評估

          單一供電點、系統性事件集合評估采用“SARFI-x”與“剩余幅值-持續時間表格”相結合的評估方法。應注意:①評估前事件集合首先需要進行簡約,即1min內發生的多次事件,選擇最嚴重的作為代表。②SARFI-x方法缺乏事件的時間特征,采用“剩余幅值-持續時間表格”進行補充。

          2.4其他

          標準還以附錄的形式給出了下述內容:

          ①一些國家、地區現有的電能質量規范標準,包括中國、歐共體、加拿大、澳大利亞等。

          ②劣質電能質量危害。

          ③電能質量與分布式電源、微電網。

          ④提高電能質量的方法。

          ⑤電能質量與電磁兼容的關系。

          3、結語

          IEC從成立TC8和TC77標技委開始大規模介入電能質量標準化工作。TC77主要從事電磁兼容領域的標準制定,而TC8則由原來僅限于制定電壓、電流和頻率等級標準擴大至整個電能供應系統領域,在電力市場化及新能源、智能電網和微電網發展的推動下,電能質量的標準化更顯其重要性。本文對IEC電能質量的標準化的進展做了簡單回顧,重點介紹了最新發布的IEC TS 62749,并和現行國標做了對比評述。IEC TS 62749的出版,構成了IEC包括電能質量限值評估、電能質量監測方法、電能質量監測設備、電能質量通信規約(IEC 61850)在內的電能質量標準體系;IEC TS 62749畢竟屬于IEC制定的第一部電能質量限值評估的技術規范,還需要在實踐過程中進一步完善;IEC已成立了專門的MT 62749維護工作組,將繼續收集各國對該技術規范的反饋意見,為下一次修訂做鋪墊。