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电能质量标准的概况及发展
2017-09-27 16:02:00  作者:林海雪  来源:中国设计师网  
  •   本文扼要地介绍和分析了目前国际电工技术委员会(IEC)、美国电气电子工程师协会(IEEE)和欧洲电能质量标准概况,论述了电磁兼容性标准和电能质量标准关系,综述我国电能质量标准现状并提出进一步完善的建议。

  中国电力科学研究院 林海雪

  1 概述

  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目前国际电工委员会(IEC)、美国电气电子工程师协会(IEEE)和欧洲电能质量标准概况,论述了电磁兼容性标准和电能质量标准的关系,综述我国电能质量标准现状并提出进一步完善的建议,可供相关专业人员参考。

  2 IEC电磁兼容标准

  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下设三个分技术委员会,即: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线是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IEC61000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,目前包括六大部分(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,以国际标准或技术报告形成出版。技术报告(TR)按其内容有的(注意:并不是所有)标明类型,共分三类,性质上有所不同[2]。2000年以后,IEC61000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。下面对此问题先作些论述。

  2.1 电磁兼容性标准和电能质量标准的关系

  可以从以下几方面来理解电磁兼容性标准和电能质量标准的关系:

  (1)电磁兼容性标准是针对电气装置、设备或系统(以下简称为“设施”)在电磁环境中“和谐”工作而制定一个参考值。所谓“和谐”就是设施“在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”[1]。以此为参考,结合具体条件,考虑适当裕度之后,可以制定设施的发射限值(水平)和抗扰度(水平)。电磁兼容性标准既包括传导性干扰指标,也包括空间干扰(辐射性)的指标。而电能质量标准针对电网中的“电”是一种产品,规定其各种指标限值,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)。

  (2)在限值上,电能质量标准受制于电磁兼容性标准,一般不应超过它,留有适当余度更好。这是因为要保证电气设施安全、正常运行,保证电网的电磁环境在电磁兼容水平之内是必要的,电能质量关系到传导性干扰水平的控制,当然不能例外。因此电能质量指标限值和电磁兼容中的发射总限值(在中、高压系统为规划值)概念等同(“规划值”等于或低于兼容值,是电力企业内部质量目标值)。

  (3)为了电气产品的贸易和交流,IEC制定的电磁兼容性标准是国际性的,各国基本上通用。而电能质量标准则不然,由各国或各大电力公司根据自己国情或电网的特点制定,并不强求统一。需要指出的是,对于低压(1000V及以下)设备以及中、高压系统,IEC的61000标准(指IEC 61000-3)中包括一些发射限值的规定或建议(技术报告中规划值),这些标准文件当然应为各国直接采用作为设备制造或电能质量限值的参考。而IEC 61000-4系列标准涉及试验和测量技术,基本上适用于电能质量相应指标(例如IEC 61000-4-7为谐波测量方面规定)。

  (4)作为电能质量一个基本指标——供电电压偏差,并未包括在电磁兼容性的低频传导骚扰指标范围内,可见两者涉及的指标范围有所不同,尽管电能质量指标一般均是电磁兼容标准中的指标。但IEC 61000-2-4(GB/T 18039.4)中也列出电压偏差的电磁兼容水平。

  2.2 与电能质量有关的IEC标准

  表1中列出与电能质量有关的若干IEC系列标准及对应的国家标准。

  从表1可以看出:

  (1)IEC相当部分和电能质量有关的标准文件已等同采用为国家标准文件;

  (2)已采用为国标文件的IEC标准文件,有的已修改,有了新版本,但相应的国标尚未修改,例如表中NO.3,NO.4;

  (3)有些IEC国际标准尚未采用为国标,而实际上已在应用,如NO.19。一般新版本和老版本比,均有实质性修改,所以等同的国家标准应及时跟上修改的步伐;

  (4)由于电能质量问题涉及面很广,除了IEC 61000系列标准之外,IEC其他技术委员会也在制定相关的标准,或者在老标准中增加电能质量的内容。这可以从表1 No.26~No.30中看出。

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  注:①IEC的国际标准,一般等同采用为国家强制性标准(GB)或推荐性标准(GB/T);

  ②IEC的技术报告(TR),一般等同采用为国家标准指导性技术文件(GB/Z);

  ③如IEC标准有修改版本,而国标尚未修改,则在国标下面标明等同采用的IEC版本。

  须指出: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,对于电网中电能质量指标方面限制标准不多,亦不专一。为此,1996年国际电磁兼容顾问委员会将电能质量标准提出,并扩展IEC/TC8(电压电流等级和频率技术委员会)工作范围。从2003年开始,IEC/TC 8工作范围正式由原来“电压、电流等级和频率标准化”扩展到电能质量领域,改名为“电能供应系统”(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)[3]。2004年9月TC8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[4]。2008年6月发表了一个“电特性的标准化”技术报告[5],此报告已采用为国标指导性文件(GB/Z),见表1中No.27。IEC/TC 8和我国“全国电压电流等级和频率标准化技术委员会”(SAC/TC1)对口。

  3 IEC关于低频传导方面的兼容水平规定(见表2)

  表2 IEC关于公用低压(中压)供电系统中,低频传导骚扰及信号传输的兼容水平(摘要)

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  目前许多国家的电能质量标准中有的指标直接采用了IEC的兼容水平,例如低压电压谐波的规定就是如此。这意味着设备对谐波的耐受裕度(即抗扰度)应由产品制造考虑,而不在谐波的电能质量标准中预留。

  4 美国电磁兼容和电能质量标准

  美国的国家标准主要由美国国家标准化委员会ANSI和IEEE制定。IEEE在国际上是一个非常有影响的组织。每年组织举办300次左右的技术交流会。至今,全世界约30%的技术文献出自IEEE。IEEE已制定了900多项标准,另外还有700项左右的标准正在制定中[6]。

  IEEE电能质量分委会成立于2002年,下设多个工作组,分别负责谐波、电压质量、电能质量监测、电能质量分析和治理措施,以及电能质量教育等标准化工作。在此之前,美国也已制定了不少EMC和电能质量方面的标准。1990年以后出版的主要标准概况见表3。

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  从表3可以看出,美国对电能质量领域标准化工作起步较早,涉及面较广,和IEC 61000标准相比,虽然系统性方面欠缺一些,但内容上有一定的互补性,表现在:

  ①针对敏感负荷供电,已发布多项标准(见表3中NO.4,NO.8,NO.10);②对于电能质量测量给予相当的关注(见NO7,NO.15,NO.16,NO.18);③对谐波标准补充了实施导则(见NO.9,NO.14);④对于电能质量改善措施,制定了不少规程和导则(见NO.2,NO.5,NO.12,NO.17,NO.22~NO.25);⑤涉及电能质量术语、分析和关键的理论问题也制定了一些导则或标准(见NO.1,NO.13,NO.20)。⑥针对分布式电源的发展,制定了系列互联标准(见NO.21);⑦为智能电网的发展制定系列标准(见NO.26)。

  如上分析,从应用角度,美国IEEE标准提供了不少电能质量方面实用技术和相关准则,是很有参考价值的。但美国标准不如IEC标准规范,内容较庞杂。

  5 欧洲配电网的电能质量规定[7]

  由于IEC文件主要由欧洲国家主持起草,因此,欧洲国家的相关标准文件大部分(约70%)直接采用IEC的标准,结合欧盟国家特点制定电能质量标准主要是EN50160,此标准的规定见表4。

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  6 我国电能质量标准概况

  从上世纪80年代开始,改革开放促进了我国经济快速发展,电网负荷结构发生很大的变化。随之,电能质量问题渐显突出,国家标准主管部门将制定电能质量系列标准列为重点项目之一,同时大量引进以IEC 61000系列为主的先进国际标准(基本上为等同采用,见表1)。至今由国内标准化技术委员会及相关行业标委会组织制定的电能质量方面主要标准有:

  (1)电能质量指标国家标准八项:

  ①供电电压偏差(GB/T 12325-2008);

  ②电压波动和闪变(GB/T 12326-2008);

  ③公用电网谐波(GB/T 14549-1993);

  ④三相电压不平衡(GB/T 15543-2008);

  ⑤电力系统频率偏差(GB/T 15945-2008);

  ⑥暂时过电压和瞬态过电压(GB/T 18481-2001);

  ⑦公用电网间谐波(GB/T 24337-2009);

  ⑧电能质量 电压暂降与短时中断(正在制定中)。

  (2)电能质量测量国家标准一项:电能质量监测设备通用要求(GB/T 19862-2005)。

  (3)相关设备的国家标准一项:半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则(GB/T 10236-2006)。

  (4)分布式电源接入电网的国家标准三项:

  ①地热电站接入电力系统技术规定(GB/T 19962-2005);

  ②风电场接入电力系统技术规定(GB/T 19963-2011);

  ③光伏发电站接入电力系统技术规定(GB/Z 19964-2005)。

  (5)电能质量治理设备(装置)国家标准四项:

  ①静止型无功功率补偿装置(SVC)现场试验(GB/T 20297-2006);

  ②静止型无功功率补偿装置(SVC)功能特性(GB/T 20298-2006);

  ③输配电系统静止无功补偿器用晶闸管阀的试验(GB/T 20995-2007);

  ④高压滤波装置设计与应用导则(GB/T 26868-2011)。

  (6)能源行业标准八项(正在制定中)

  ①电能质量现象分类;

  ②电能质量控制设备特性要求 通则;

  ③配网动态无功谐波综合补偿装置;

  ④交流电弧炉供电技术导则 第1部分:通则;

  ⑤交流电弧炉供电技术导则 第2部分:供电设计与技术;

  ⑥交流电弧炉供电技术导则 第3部分:电能质量测试评估技术;

  ⑦交流电弧炉供电技术导则 第4部分:电能质量控制技术;

  ⑧交流电弧炉供电技术导则 第5部分:供电运行技术。

  (7)电能质量行业标准计有四十项,如表5所示。

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  从上述统计中可以看出,有五项指标的国标是2008年、2009年修改或制定的,这次制修订的宗旨是提高标准的科学性、实用性和可操作性,做到既向国际先进标准靠扰、又符合国情。目前只剩谐波标准的修订拖延时间较长。

  行业标准是国家标准的必要补充和细化。从上述统计中可看出,近年来,在电能质量领域,行业标准已受到关注,并有长足进展,这个趋势随着电能质量产业(监测和治理装置等方面)的崛起,智能电网的发展,分布式电源的广泛应用,必有更大的进展。涉及电能质量的企业标准更多,限于幅篇,这里就不介绍了。

  7 关于完善我国电能质量标准体系若干建议

  我国电能质量标准方面尚有大量工作要做。电能质量应遵循《电力法》的规定,制定相关的国家标准、行业标准(或地方标准)、企业标准等构成一个标准体系;从内容上讲应包括电网中电能质量指标、管理、相关产品的设计、技术和运行规范以及电能的交换、电价等;有关电能质量问题应广泛渗透到电力规划、设计、安装、试验、运行和管理的规程中。

  现行《电力法》(1996年4月起实施)中关于电能质量的规定应明确维护公用电网的电能质量是供电企业和用户的共同责任,尽管供电企业应起主导作用。按《电力法》规定,上网电价应实行“同网同质同价”,至今尚未颁布相应的行政规定。此条规定实际上是对电能长期执行“以量计价”的重要补充。实行“同质同价”,就是意味着“优质优价”、“劣质低价”,并必然导致“污染罚款”,这是促使电能质量提高的经济杠杆,具有十分重要意义。当然,由于电能质量问题的复杂性,“同质同价”难以一步到位,宜由简到繁分步骤分指标实施,并先做好试点工作。

  2004年,全国电压电流等级和频率标准化技术委员会秘书处主持完成了《电能质量标准体系完善化研究》,该项目是由国家发改委下达的。研究报告提出的电能质量标准框架如下[8]:

  (1)术语;

  (2)限值和基本要求系列标准,包括以下十个指标;①供电电压偏差;②电力系统频率偏差;③谐波(包括间谐波);④电压不平衡度;⑤电压波动和闪变;⑥电压暂升、暂降;⑦短时和长时断电;⑧暂时过电压和瞬态过电压;⑨电压波形缺口;10信号电压;

  (3)监视、测量、评估方法系列标准;

  (4)监视、测量、分析仪器设备系列标准;

  (5)电能质量控制装置及应用导则系列标准:包括用于吸收电网谐波、改善电网静态和动态电能质量特性的设备、装置及其应用的标准,例如:①静止无功补偿装置(SVC);②串联补偿装置(SC);③无源滤波兼无功补偿装置(PF);④晶闸管投切电容器或电抗器(TSC或TSR);⑤有源电力滤波器(APF);⑥静止无功发生器(SVG)等;

  (6)电能质量管理的系列标准,此系列标准需结合电力监管体制的改革和完善,在不断总结国内外电力市场运行经验基础上逐渐形成。

  8 总结

  电能质量标准化工作随着电能质量重要性的提高,电能质量产业的崛起,智能电网的建设,分布式电源接网以及电力市场的发展,受到广泛的关注。本文论述了近年来国外电能质量标准的一些新进展。主要介绍了IEC 61000系列标准、美国IEEE和欧洲相关标准,以及国内电能质量标准的现状,并提出进一步完善的建议,可供相关专业人员参考。

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  参考文献

  [1] 姚世全等.电磁兼容标准实施指南(M).北京:中国标准出版社,1999.

  [2] 林海雪.谈IEC 61000系列标准文件对电网谐波国标的指导作用(J).电力设备,2003,4(2):45-48.

  [3] IEC:Technical Committee No8:System Aspects of Electrical Energy Supply[R],2003-06-27.

  [4] IEC:Report on the activity of AHG3 of TC8:“Characteristics of energy supplied”[R],2004-09-17.

  [5] IEC:Technical Report IEC/TR 62510“Standardizing the characteristics of electricity”[S],Edition 1.0 2008-06.

  [6] 李世林,刘军成.电能质量国家标准应用手册[M].北京:中国标准出版社,2007.10.

  [7] EN50160:Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution networks[S].2007 CENELEC.

  [8] 《电能质量标准体系完善研究》项目研究报告[R].全国电压电流等级和频率标准化技术委员会秘书处,2004-11.

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