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林海雪:IEC电能质量标准化的进展

2015-10-08 来源:供用电杂志 作者: 林海雪

 引言:电能质量关系到电力系统及其电气设备的安全和效率,关系到节能降耗,关系到生产和生活以及国民经济的总体效益。实施对电能质量的科学监管是建设节约型社会的重要条件之一。电能质量标准是保障电能质量的基本技术依据。2000年以来,为适应电网的发展和电力市场的变化,国内外均加快了电能质量标准的制、修订步伐。本文扼要地介绍并分析了近年来IEC电能质量标准化的进展,重点介绍20154月最新发布的IEC TS 62749《公用电网电能质量限值及评估》内容,对比现行国标的规定,做简要的评述,可以供相关专业人员,特别是电能质量标准制、修订人员参考。

 

1.IEC电能质量标准化的历史回顾

电能质量的标准以研究电力系统中的电磁现象为基础。为了统一各国电气设备或系统的电磁环境,以促进电气和电子技术领域有关标准的国际化,国际电工委员会(IEC)于1973年建立了第77技术委员会(IEC/TC 77),IEC/TC 77下设3个分技术委员会:IEC/SC 77A(低频现象)、IEC/SC 77B(高频现象)、IEC/SC 77C(瞬时高能现象)。IEC对低频和高频的划分界限是9kHz,即高于9kHz为“高频”,9kHz及以下为“低频”。显然,在电网或电力系统中,主要涉及低频和高频传导电磁现象。IEC/TC 77的工作成果以IEC 61000系列电磁兼容(EMC)标准文件出版,EMC的范围既有低频也有高频,既包括传导性也包括空间电磁场干扰。该系列标准,目前包括6个部分(总则、环境、限值、试验与测量、安装与抑制、通用标准),每个部分又可分若干项,以国际标准、技术规范或技术报告和导则形式出版。技术报告(TR)按其内容有的(注意:并不是所有)标明类型,共分3类,性质上有所不同。2000年以后,IEC 61000文件的技术报告又取消了类型划分。

在上述框架内,IEC出版了大量和电能质量相关的EMC标准文件,其中相当部分已被等同采用为国家标准文件。应注意的是,EMC水平是为了设备(或装置、系统)性能协调目的而定出的一个参考值,有了这一参考值,便可以采用适当的方法和裕度,确定干扰源发射限值,以及电气设备抗扰限值。不能把EMC水平完全等同于电能质量的限值,两者既有密切联系,又有所区别。

电磁兼容性参数是指在同一电磁环境下的发射方和接受方之间的相容性技术参数,包括发射、抗扰以及兼容水平。电磁兼容的基本任务就是协调干扰发射方和承受方之间的关系,使之融洽和谐工作。兼容值是一个参考值,发射值不应超过兼容值,并且宜留有一定的裕度;相反,抗扰值不能低于兼容值,而应略大些,以使设备有足够抗扰水平。电磁兼容性参数关系见图1和图2。此外,还提出规划值或规划水平作为企业内部质量目标值,规划值一般不超过兼容值。

电能质量是针对电网中的“电”是一种产品,规定各种指标限值,以保证其质量,作为电网运行和供用电合同中相应条款的依据。由于电能质量的特殊性(这里主要指在时间上、空间分布上的变化特点),限值一般针对电网中具体衡量点(例如国标中规定供电点或公共连接点)。也就是说,电能质量标准只针对电网中特定点上传导性干扰指标(频率除外)。

需指出:IEC/TC 77是专注于EMC的标准化,主要是针对电气设备的发射水平与抗扰水平以及电气产品质量认证制定的,没有电网中电能质量指标方面限制规定,在61000系列标准中目前仅见IEC 61000-4-30规定的电能质量测量方法。为此,1996年国际电磁兼容顾问委员会决定扩展IEC/TC8(电压电流等级和频率标准化技术委员会)工作范围。从2003年开始,IEC/TC8工作范围正式由原来“电压、电流等级和频率标准化”扩展到供电系统领域,改名为“电能供应系统方面”(System Aspects of Electrical Energy Supply),其发布的标准框架中包括:术语、电力系统可靠性、连接规程、运行、电网职责、计量、通信、电能供应的特性(包括电压、电流、频率标称值及其变动范围,供电的连续性,电压暂降、过电压/欠电压,电压不平衡,电压波动以及谐波和间谐波等)。20049TC8发表了第3特别工作组(AHG3)关于电能供应特性的活动方面的报告。

据统计,迄今IEC/TC8制定的主要标准如下:

1IEC 60038 2009IEC standard voltages IEC标准电压)。

2IEC 60059 2009IEC standard current ratingsIEC标准电流等级)。

3IEC 60196 2009IEC standard frequenciesIEC标准频率)。

4IEC/TR 62510 2008Standardising the acteristics of electricity (电特性标准化)。

5IEC/PAS 62559 2008IntelliGrid methodology for developing requirements for energy systems(能源系统需求开发的智能电网方法)。

6IEC/IEEE/PAS 63547 2011Interconnecting distributed resources with electric power system(分布式电源并网)。

7IEC 62786Smart Grid User InterfaceDomain side energy source interconnection with the grid(智能电网用户接口:用户侧电源接入电网)。

8IEC TS 62749 2015Assessment of power quality-acteristics of electricity supplied by public network(公用电网电能质量限值及评估)。

9IEC/TR 62511A guide for the design of interconnected power systems (互联电力系统的设计导则)。

10IEC TS 62898-1Guidelines for the general planning and design of the micro-Grid(微电网的规划和设计指南)。

11IEC TS 62898-2Technical requirements for operation and control of micro-Grid(微电网运行和控制技术要求)。

可以看出,IEC/TC8近年来发布的标准中,除了对原有的电压、电流和频率等级等标准做适当修改外,其工作领域大大扩展了,涉及智能电网、分布式电源、微电网和公用电网的电能质量。IEC/TR 62510IEC的技术报告,概述了电能作为一种商品的质量描述方法,阐述了电能质量与电磁兼容的关系,明确了涉及电能质量问题的相关利益方的责任和义务,用于指导电能质量标准化工作。最近发布的IEC TS 62749内容主要有:

①规定电力系统正常运行方式下,在供电点需要考核的稳态电能质量现象指标限值包括:电压偏差、频率偏差、谐波(间谐波)电压、三相不平衡、闪变、快速电压变化、信号电压;暂态电能质量现象包括:电压暂降、暂升、短时中断,虽然不给出限值,但需要进行评估。②给出稳态电能质量现象指标、暂态电能质量现象指标的评估方法;不仅要求对单一供电点电能质量进行评估,而且要求对一个区域或系统进行电能质量评估。下一节将着重介绍此技术规范的一些规定。还必须指出,除了IEC/TC8IEC/TC 77外,IEC/TC 85(电工仪表)、TC82(太阳能光伏)、TC88(风力机)、TC57(电力系统管理及其信息交换)等技委会也有专门的电能质量方面的标准,或在部分标准中涉及电能质量问题。例如IEC/TC 85的全称是Measuring equipment for eletrical and electromagnetic quantities(电气和电磁量的测量设备),最近制定的相关标准:

1IEC 62586-1 Power quality measurement in power supply systems-part1Power Quality InstrumentPQI[供电系统的电能质量测量-1部分:电能质量仪器(PQI]

2IEC 62586-2 Power quality measurement in power supply systems-part 2Functional tests and uncertainty requirements(供电系统电能质量测量-2部分:功能测试和不确定度要求)。

IEC 62586-1IEC 62586-2是电能质量测量仪器的产品标准,规范了仪器的环境、安全及性能要求,性能验证方法及不确定度要求。

2.IEC TS 62749-2015介绍

2.1标准文件的性质和使用范围

本标准文件是IEC的一个技术规范(TS-Technical Specification)。“技术规范”不同于“国际标准”,该规范公布后3年内要进行复审,以确定是否可以转化为国际标准。 

IEC TS 62749根据电能质量现象的发生频度,将目前的电能质量现象分为连续变化的现象和非连续变化的现象(事件),见表1

电能质量指标的推荐值

2.2.1 频率

标准确认电网的标称频率为50Hz60Hz,但没有给出频率偏差的具体限值,由各国/地区根据实际情况,在确保电力系统安全稳定和优质的前提下,规定相应的频率偏差。

2.2.2 电压偏差

电压偏差的限值规定如下:

1)低压:

①正偏差U ρ% +10%,的范围[99100]

②负偏差U β% -10%,β为5[01]

③若β>100-ρ,Uβ%限值为-15%

2)中压:

①正偏差U 99%+10%

②负偏差U 1% -10%

U 0% -15%

3)高压:

①正偏差U 99%+10%

②负偏差U 1% -10%

可以看出:电压偏差的限值相对于国家标准在不同电压等级、不同情况下略有放宽,但比传统的95%概率大值的要求更严格;特别是若不对供电电压最大值进行限制,例如仅规定%概率大值,那么,(100-%时间的电压可能使电气设备损坏无所适从;同样,供电电压的最小值也需要规定。本规范在这方面给予一定的关注。

2.2.3 三相电压不平衡

对于三相LVMVHV供电系统,负序电压不平衡因数推荐值为2%,基本规定条件和国标一致,但没有推荐最大值的规定。

2.2.4 闪变

仅规定了正常运行条件下长期闪变lt1,没有规定短期闪变st限值,而且不分电压等级,LVMVHV均用此限值,和国标有点差别[6]。目前闪变仍是以60W白炽灯为参考对象进行确定,在节能灯、LED灯等大力推广的情况下(很多国家已禁止使用白炽灯),需要研究更进一步的其他指标。

2.2.5 谐波和间谐波电压 

单次谐波电压的推荐值见表2和表3,需要说明几点:

1)表2中的值是指正常运行条件下一周(星期)内每10min单次谐波有效值(rms)的95%概率大值h95%。其中3的倍数次谐波在括号中的限值是考虑到某些国家或地区的电网因接地方式及变压器联结方式的原因,允许较大的3倍数次谐波电压限值;表2中的限值同样适用于谐波集的测量结果。

2)除高压系统考虑到CVT谐波传递的特性,仅规定到13次谐波(见表3)以外,其他电压等级谐波次数规定到50次。

3)间谐波以间谐波中心子集进行约束,其限值同相邻的谐波电压(见表2、表3)。

4)供电电压总谐波畸变率(THD)对于LV/MV系统为8%;对HV系统为3%6%(包括到50次谐波)。

可以看出,对照国内公用电网国标谐波电压的规定,IEC规范的限值要放宽许多,这值得认真关注。

另外,在本规范中没有谐波电流的限值,起草工作组认为谐波电流是骚扰发射现象,属于电磁兼容的范畴。在实际控制电网谐波电压时,对用户的谐波电流当然必须有规定,放在电能质量(或谐波)标准中,使用上应更方便。

2.2.6 信号电压

公用电网可以用于信号传输,本规范中考虑了3种类型信号系统:

1)电力公司在公用电网中使用的脉动控制系统,频率范围为100Hz3kHz(一般低于500Hz),正常情况下在5%N以内,有谐振时可达9%N

2)电力公司在公用电网中使用的电力载波,频率范围为395kHz,允许信号水平为5%N,这些信号在电网中传输时会很快衰减(大于40dB)。

3)末端用户(居民区或工业用户)的信号系统,如欧洲(ITU区域1)频率范围为95kHz148.5kHz,允许信号水平分别为0.6%N5%N。在某些国家或地区,频率上限到500kHz,允许信号水平为20.6mV 

根据上述情况,提出中低压公用电网的信号电压推荐限值,见图3。众所周知,目前国内电能质量系列标准中尚无这方面限值规定。

2.2.7 快速电压变化

对快速电压变化(RVC)进行限值设定的目的在于量化评价实际系统运行中电容器的频繁投切及电动机的频繁启动对电压的影响。当这些操作(动作)导致的电压变化不足以引起电压暂降、暂升时(没有达到其设定的阈值),则以快速电压变化进行评价。

值得一提的是,IEC TS 62749也给出了快速电压变化的测量方法,即以IEC 61000-4-30150/180周波有效值进行测量评估。当然,这一方法也需要实践的检验。 

事实上,快速电压变化现象是在电压波动现象中抽取的一种特殊现象,见图4。图中ΔUc为稳态电压变动,ΔU dyn为动态电压变动。IEC TS 62749中规定快速电压变化指稳态电压变动,并给出了限值范围为3%5%,适用于LVMVHV系统。值得注意的是规定中没有频度的要求,也没有最小短路容量要求,这就使标准的可操作性大为增加,但严谨性欠缺些。

2.2.8 其他指标

描述非连续变化的瞬态过电压、电压暂降、电压暂升和电压中断等指标和现行国标相比没有太多新意,其中电压暂升(voltage swell)是指电气系统某点的电压突然升高,经短时(一般为几个周波至几秒)之后又恢复的现象,电压暂升的起始门槛值(阈值)一般为110%参考电压(参考电压是指系统标称电压或公称电压),此指标基本上已包含在国标GB/T 18481《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》之中。

2.3电能质量的评估

电能质量的评估主要用于电力公司和用户评价电网的电能质量是否符合相关的标准,检验其是否满足接网协议和质量规程,用以诊断和排除电能质量的异常问题(例如系统谐波谐振、生产过程异常中断、设备故障等),同时对于电网的规划和发展,新的敏感性或干扰性设施(既可能是负荷,也可能是发电机)接入具有重要意义。电能质量评估应关注以下几点:

①推荐的限值;

②与限值有关的系统条件;

③限值的评估点;

④电能质量参数的测量方法;

⑤怎样从大量的现场测量数据中得出评估结论的方法。

应注意,即使是连续变化型的电能质量现象,随时间的变化范围也可能很大,因此任何所使用的评估方法,应细致地考虑是否适合这类干扰随时间的变化特性。

我国电能质量监测评估一般考虑公共连接点(PCC)。实际上,PCC的概念来源于电磁兼容,其目的在于针对确定的电磁环境,方便地规定其兼容限值,进而在确定的发射限值和抗扰度限值情况下,设备与系统能够正常运行。但是电能质量属于利益体之间的考量因素,因此,电能质量限值及其评估作用于利益体之间的分界点即供电点是比较合理的,见图5。当然,PCC点有时与供电点重合。

IEC TS 62749最终给定的电能质量评估内容包括:

①限值评估;

②短时指标评估;

③短时指标最大值评估;

④系统评估。

2.3.1 连续变化的电能质量现象指标评估

2.3.1.1 单一供电点评估 

单一供电点连续变化的电能质量现象指标评估见图6

该方法需要强调下述几个方面内容: 

1)限值评估尽管规定评估时间最少一周,但是采用了一周窗口按日滑动的评估方法,见图7

2)短时指标限值等于对应长时指标限值的倍(因为短时记录值肯定比长时记录值大),但值目前仍处于考虑中。

3)短时指标最大值没有限值,主要为事故分析提供协助。

2.3.1.2 系统评估(略)

2.3.2 非连续变化的电能质量现象指标评估

2.3.2.1 单一事件评估 

单一事件评估仍采用“剩余电压+持续时间”的特征指标评估方法。标准给出的一个评估模式见表4和图8

2.3.2.2 单点、系统事件集合评估

单一供电点、系统性事件集合评估采用“SARFI-x”与“剩余幅值-持续时间表格”相结合的评估方法。应注意:①评估前事件集合首先需要进行简约,即1min内发生的多次事件,选择最严重的作为代表。②SARFI-x方法缺乏事件的时间特征,采用“剩余幅值-持续时间表格”进行补充。

2.4其他

标准还以附录的形式给出了下述内容:

①一些国家、地区现有的电能质量规范标准,包括中国、欧共体、加拿大、澳大利亚等。

②劣质电能质量危害。

③电能质量与分布式电源、微电网。

④提高电能质量的方法。

⑤电能质量与电磁兼容的关系。

3.结语 

IEC从成立TC8TC77标技委开始大规模介入电能质量标准化工作。TC77主要从事电磁兼容领域的标准制定,而TC8则由原来仅限于制定电压、电流和频率等级标准扩大至整个电能供应系统领域,在电力市场化及新能源、智能电网和微电网发展的推动下,电能质量的标准化更显其重要性。本文对IEC电能质量的标准化的进展做了简单回顾,重点介绍了最新发布的IEC TS 62749,并和现行国标做了对比评述。IEC TS 62749的出版,构成了IEC包括电能质量限值评估、电能质量监测方法、电能质量监测设备、电能质量通信规约(IEC 61850)在内的电能质量标准体系;IEC TS 62749毕竟属于IEC制定的第一部电能质量限值评估的技术规范,还需要在实践过程中进一步完善;IEC已成立了专门的MT 62749维护工作组,将继续收集各国对该技术规范的反馈意见,为下一次修订做铺垫。