制定PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)值得關(guān)注的幾個(gè)問題

胡文曦，黃勇，肖先勇，周勝軍，汪穎

（1.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都610065；2.國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京102209）

0 引 言

自電力得到實(shí)際應(yīng)用以來就存在電能質(zhì)量問題。19世紀(jì)40年代初，在遠(yuǎn)距離輸油管道運(yùn)維中就發(fā)現(xiàn)了電壓暫降等事件型擾動(dòng)的影響［1］；20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外對電力諧波等連續(xù)型電能質(zhì)量擾動(dòng)開展了大量研究［2］；1968年，第一次提出了電能質(zhì)量（power quality）術(shù)語［3］；1990年以來，電能質(zhì)量成為了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，尤其21世紀(jì)以來，電力系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，大規(guī)模可再生能源利用、高新技術(shù)在各領(lǐng)域的普及等，使電能質(zhì)量問題日益突出［2］。為了準(zhǔn)確把握和更好理解以解決電能質(zhì)量問題，對電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測并形成監(jiān)測系統(tǒng)是有效途徑。早在20世紀(jì)20年代，某電氣公司就已開發(fā)出可定性地提供脈沖幅值和時(shí)間的雷擊記錄儀；1960年以來，具有電能質(zhì)量監(jiān)測功能的裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理精度要求較高的場合［4］；到20世紀(jì)末，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開始被大量研究。包括我國在內(nèi)的世界各國從上世紀(jì)80年代起就開展了電能質(zhì)量監(jiān)測工作，國內(nèi)外對電能質(zhì)量檢測、監(jiān)測、監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)格式等，從不同角度制定了標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范［5-13］，以確保電能質(zhì)量數(shù)據(jù)安全可靠起到了積極作用，遺憾的是，自電能質(zhì)量監(jiān)測（power quality monitor，PQM）裝置投入工業(yè)應(yīng)用以來，專門針對PQM裝置檢測的技術(shù)規(guī)范極少，制定PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)已成為工業(yè)應(yīng)用的迫切需要。

國內(nèi)外針對電能質(zhì)量檢測與監(jiān)測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已開展了大量研究，國際上影響力最大的標(biāo)準(zhǔn)化組織是IEC和IEEE，我國該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)主要是國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL）。與電能質(zhì)量檢測和檢測裝置相關(guān)的國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 61000-4-7，IEC 61000-4-30，GB／T 17626.7-2008和 GB／T 17626.30-2012等［7-10］。與電能質(zhì)量監(jiān)測相關(guān)的國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)有IEEE 1159-2009［11］。與 PQM裝置和系統(tǒng)相關(guān)的國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)有：GB／T 19862-2005，DL／T 1297-2013等［12-13］。但是，國內(nèi)外對 PQM裝置檢測具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)還僅有DL／T 1028-2006［14］和IEC 62586-2013［15-16］，這些標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容主要集中在技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等方面，標(biāo)準(zhǔn)針對檢測范圍與基本要求制定的核心內(nèi)容并不全面。而實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中對PQM檢測標(biāo)準(zhǔn)的需求迫切，因此，盡快結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，并以現(xiàn)有其他領(lǐng)域檢測和監(jiān)測裝置檢測技術(shù)規(guī)范等為基礎(chǔ)，制定能滿足工業(yè)應(yīng)用需要的PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)很有必要。

制定PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)必須在堅(jiān)持通用監(jiān)測裝置檢測要求的基礎(chǔ)上，更多考慮PQM裝置檢測的特殊要求，為此，本文就制定PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)時(shí)值得關(guān)注的幾個(gè)問題進(jìn)行探討。首先分析測量、檢測、試驗(yàn)和檢驗(yàn)等基本概念分別在通用范圍和PQM裝置檢測背景下的內(nèi)涵、外延和目的，將通用監(jiān)測裝置檢測技術(shù)規(guī)范和要求與PQM裝置檢測的特殊性相結(jié)合，綜合幾個(gè)典型場景下裝置的檢測目的和技術(shù)要求，從而明確制定PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)的核心目標(biāo)和范圍。在此基礎(chǔ)上，以保證PQM裝置檢測能滿足工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)，對制定PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)時(shí)值得重視的幾個(gè)問題進(jìn)行分析，提出一些建議，以期能為PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定起到拋磚引玉作用。

1 幾個(gè)基本概念及其內(nèi)涵、外延和目的

1.1 通用概念及其特點(diǎn)

測量、檢測、檢驗(yàn)、試驗(yàn)是對客觀事物參數(shù)、過程、特性或性能進(jìn)行刻畫的常見計(jì)量方法，各自的內(nèi)涵、外延、目的與區(qū)別如表1和表2所示：測量是憑借儀器或器具量化客觀事物的一般性活動(dòng)；檢測是采取特定方法以獲取技術(shù)性能指標(biāo)的測量活動(dòng)；試驗(yàn)是在已知結(jié)果或性能的前提下，通過預(yù)定的程序進(jìn)行探測性的活動(dòng)；檢測得到的結(jié)果數(shù)據(jù)和試驗(yàn)得到的性能描述，需進(jìn)一步與標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范進(jìn)行對比判斷是否符合要求，從而對技術(shù)性能得到符合性的評價(jià)，整個(gè)過程即為檢驗(yàn)。

表1 計(jì)量相關(guān)概念的內(nèi)涵與外延Tab.1 Intension and extension of relevant concepts of metering

表2 計(jì)量相關(guān)概念對比Tab.2 Comparison of relevant concepts of metering

1.2 與PQM裝置檢測相關(guān)的概念及其特點(diǎn)

對PQM裝置的檢測是以獲取裝置性能等相關(guān)信息為目的的活動(dòng)。對于檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定，首先應(yīng)該明確PQM裝置進(jìn)行檢測所涉及的計(jì)量相關(guān)概念（見圖1），以區(qū)分不同場合需要進(jìn)行的計(jì)量活動(dòng)其各自的特點(diǎn)，從而更為準(zhǔn)確的指導(dǎo)檢測過程中不同場景下檢測的主要范圍以及技術(shù)要求。在通用的概念及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，表3明確了與PQM裝置檢測相關(guān)概念的內(nèi)涵與外延，并在表4中做出了對比。

表3 PQM裝置檢測相關(guān)概念的內(nèi)涵與外延Tab.3 Intension and extension of relevant concepts of PQM devices testing

表4 PQM裝置檢測相關(guān)概念對比Tab.4 Comparison of relevant concepts of PQM devices testing

圖1 PQM裝置檢測相關(guān)概念關(guān)系圖Fig.1 Diagram of relevant concepts of PQM devices testing

2 PQM裝置檢測的場景與要求

2.1 通用監(jiān)測裝置檢測技術(shù)規(guī)范與要求

監(jiān)測裝置是評估系統(tǒng)工作運(yùn)行狀態(tài)的有效方式，檢測裝置的正常運(yùn)行和監(jiān)測結(jié)果的可靠性是正確評估系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。因此，各個(gè)領(lǐng)域監(jiān)測裝置檢測技術(shù)規(guī)范與要求制定的可靠性、全面性、適用性是必須滿足的要求。本節(jié)將在上一節(jié)基本概念分析的基礎(chǔ)上，從一般定義出發(fā)綜合分析通用監(jiān)測裝置檢測技術(shù)規(guī)范與要求。

首先，監(jiān)測裝置檢測的目的是對裝置性能進(jìn)行評價(jià)，這就要求針對裝置的各項(xiàng)性能明確檢測范圍。根據(jù)檢測范圍對監(jiān)測裝置的各項(xiàng)性能逐一檢測，從而正確評價(jià)監(jiān)測裝置參數(shù)測量、數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)械結(jié)構(gòu)、環(huán)境影響等性能是否符合要求。其次，根據(jù)計(jì)量的相關(guān)概念，檢測、試驗(yàn)和檢驗(yàn)都是參照特定方法進(jìn)行檢查或驗(yàn)證的活動(dòng)。因此，檢測范圍內(nèi)需執(zhí)行的每一項(xiàng)檢測活動(dòng)應(yīng)制定科學(xué)合理的檢測方法及流程，以有序、有效、規(guī)范地指導(dǎo)監(jiān)測裝置設(shè)備制造商和相關(guān)檢驗(yàn)部門進(jìn)行裝置檢測。最后，為了得到符合性的評價(jià)，技術(shù)規(guī)范中必須明確指出相關(guān)技術(shù)要求作為參考標(biāo)準(zhǔn)。例如：裝置應(yīng)首先具備監(jiān)測、顯示、設(shè)置、輸出、記錄與存儲等基本功能；適用于精確測量場合的裝置需規(guī)定測量誤差的允許范圍；為保證正常工作，裝置的外觀和機(jī)械性能要求也應(yīng)明確規(guī)定等。

2.2 PQM裝置檢測的特殊要求

PQM裝置作為監(jiān)測電能質(zhì)量擾動(dòng)的用電設(shè)備，系統(tǒng)可能對裝置性能造成影響。一方面，雖然高阻抗的互感器已經(jīng)極大地削弱了電力系統(tǒng)與監(jiān)測裝置之間因連接造成的影響，但是當(dāng)裝置的供電電能質(zhì)量存在擾動(dòng)時(shí)，其工作性能仍可能發(fā)生變化［4］，這就要求在通用檢測范圍的基礎(chǔ)上還應(yīng)該檢測其電氣性能。另一方面，監(jiān)測裝置一次側(cè)通常是高壓系統(tǒng)，存在絕緣擊穿的危險(xiǎn)，安全性能如絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度的檢測應(yīng)必不可少。

考慮到PQM裝置廣泛應(yīng)用于精確測量擾動(dòng)信號的場合，而擾動(dòng)事件通常造成多種擾動(dòng)現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生，因此通用檢測規(guī)范中對測量準(zhǔn)確度在標(biāo)況下進(jìn)行檢測的方法并不完備，需進(jìn)一步檢測各類擾動(dòng)對裝置測量準(zhǔn)確度的影響。

設(shè)備和環(huán)境的差異性可能造成不能正確評價(jià)裝置的性能與技術(shù)要求之間的偏差，得到錯(cuò)誤的結(jié)論。因此在通用監(jiān)測裝置技術(shù)性能要求的基礎(chǔ)上，需明確規(guī)定PQM裝置檢測環(huán)境的技術(shù)要求，對檢測的儀器設(shè)備、外部環(huán)境做出合理的規(guī)范。

2.3 幾個(gè)典型場景及其檢測目的與要求

實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測裝置在研發(fā)、批量生產(chǎn)、并網(wǎng)運(yùn)行等不同階段，出于不同目的，檢測要求也有所差異。新型研發(fā)產(chǎn)品因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)、材料或工藝的改變，相關(guān)性能可能發(fā)生變化，研發(fā)過程中需對PQM裝置的性能在實(shí)驗(yàn)室中按特定方法進(jìn)行試驗(yàn)，以鑒定新產(chǎn)品性能是否達(dá)到預(yù)期。對于新型產(chǎn)品在批量生產(chǎn)前的研發(fā)階段，PQM裝置的所有性能全部需要進(jìn)行試驗(yàn)。其次，PQM裝置批量生產(chǎn)后，出廠時(shí)需檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格。由于結(jié)構(gòu)、材料和工藝均不會(huì)發(fā)生變化，因此對每一個(gè)產(chǎn)品每一項(xiàng)性能逐項(xiàng)試驗(yàn)是沒有必要的。考慮到生產(chǎn)過程中的諸多不確定性，仍需對PQM裝置的基本功能、準(zhǔn)確度、電氣性能等主要技術(shù)要求進(jìn)行檢驗(yàn)。由制造商檢驗(yàn)部門憑借標(biāo)準(zhǔn)源和測量儀器儀表等理想檢驗(yàn)條件對生產(chǎn)的每個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，若主要性能滿足技術(shù)要求則加封印出廠，發(fā)給質(zhì)量合格證書。當(dāng)用戶購買到裝置，并準(zhǔn)備投入使用時(shí)，用戶會(huì)對裝置在實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行檢測，鑒定是否能夠安全可靠并網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)沒有檢驗(yàn)部門和實(shí)驗(yàn)室提供試驗(yàn)條件，在一次設(shè)備不帶電和帶電試運(yùn)行時(shí)對裝置的準(zhǔn)確度、電氣性能進(jìn)行檢測，基本功能和外觀可主觀鑒定。此外，考慮到數(shù)據(jù)兼容性和通信規(guī)約一致性，還需在現(xiàn)場對裝置的數(shù)據(jù)通信性能進(jìn)行檢測。最后，裝置投入使用一定年限后，受老化、損壞等影響，為鑒定裝置是否正常工作，需要進(jìn)行周期性檢測以鑒定裝置基本功能和準(zhǔn)確度是否滿足要求。

3 不同場景下PQM裝置檢測范圍與主要技術(shù)參數(shù)

3.1 不同場景下PQM裝置檢測范圍

根據(jù)上述幾個(gè)典型場景的檢測目的可將檢測劃分為型式試驗(yàn)，出廠檢驗(yàn)，投運(yùn)檢測和周期檢測。根據(jù)不同場景下的要求，制定相應(yīng)檢測范圍如表5所示：型式試驗(yàn)因?yàn)檠b置內(nèi)部工藝發(fā)生變化，需對裝置基本監(jiān)測、氣候環(huán)境影響、安全、電磁兼容和數(shù)據(jù)通信等所有性能進(jìn)行試驗(yàn)；而在其他場合下只需對基本性能和外觀進(jìn)行檢測，投運(yùn)檢測時(shí)為了與系統(tǒng)兼容需檢測數(shù)據(jù)兼容和通信規(guī)約的一致性。

表5 檢測范圍Tab.5 Testing scope

3.2 主要技術(shù)性能指標(biāo)及其要求

3.2.1 基本功能

對PQM裝置的監(jiān)測、設(shè)置、記錄存儲、觸發(fā)、標(biāo)記、分析統(tǒng)計(jì)、報(bào)表與輸出、顯示和對時(shí)等基本功能按照裝置說明書的使用方法對裝置通電，施加標(biāo)稱電壓、電流信號，分項(xiàng)檢測裝置是否具有標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)［8］中描述的各項(xiàng)基本功能［17］。

3.2.2 準(zhǔn)確度

標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)［7］中對頻率、電壓、諧波、間諧波、三相不平衡、電壓暫降／暫升和短時(shí)中斷等電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)規(guī)定了測量允許的最大誤差范圍，各指標(biāo)應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

3.2.3 電氣性能

電源電壓和信號輸入回路電壓電流在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)變化時(shí)，裝置應(yīng)能正常工作，其基本功能和準(zhǔn)確度應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.4 其他性能

當(dāng)裝置外部工作環(huán)境，如氣候環(huán)境、電磁環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，在一定變化范圍內(nèi)裝置應(yīng)能正常工作，其基本功能和準(zhǔn)確度應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 值得關(guān)注的幾個(gè)問題

4.1 值得關(guān)注的問題

4.1.1 不同環(huán)境下的檢測技術(shù)規(guī)范與要求

由不同場合下對檢測范圍的分析可知，除型式試驗(yàn)需要檢測所有性能外，其余檢測主要針對裝置基本性能。但是，這是建立在PQM裝置實(shí)際工作環(huán)境符合型式試驗(yàn)施加外部環(huán)境范圍的假設(shè)基礎(chǔ)上，若實(shí)際環(huán)境并不在環(huán)境要求范圍內(nèi)，型式試驗(yàn)條件下性能達(dá)標(biāo)的裝置將無法適用于某些極端工作環(huán)境條件。受地理環(huán)境、氣候條件等因素影響，裝置工作環(huán)境差異性較大，若堅(jiān)持同一環(huán)境下的檢測技術(shù)規(guī)范與要求，型式試驗(yàn)結(jié)果將失去指導(dǎo)意義。

4.1.2 測量方法的正確性

監(jiān)測是一段時(shí)間對性能指標(biāo)進(jìn)行重復(fù)檢測的測量活動(dòng)，因此檢測裝置準(zhǔn)確度性能是標(biāo)準(zhǔn)中最為核心的內(nèi)容。標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)［7］中規(guī)范了PQM裝置測量方法的要求：參數(shù)測量值基本測量時(shí)間窗口為10個(gè)周波的時(shí)間間隔，裝置必須無縫測量；集合算法要求裝置的示值采用均方根累加方法，集合時(shí)間間隔分別為150周波，10分鐘和2小時(shí)，集合間隔之間應(yīng)無縫隙和重疊。測量方法的準(zhǔn)確可靠是測量準(zhǔn)確度滿足要求的先決條件，因此在檢測規(guī)范中應(yīng)首先對測量方法制定檢測方案。

4.1.3 擾動(dòng)參數(shù)的互相影響

不同電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)反應(yīng)的波形特征的角度不同，但參數(shù)的定義存在著重復(fù)和交叉。這就造成某參數(shù)的測量可能受另一參數(shù)擾動(dòng)而發(fā)生變化。而電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量擾動(dòng)事件通常伴隨著多種擾動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，因此實(shí)際應(yīng)用中往往不是理想情況下的單一參數(shù)測量，還伴隨著其他擾動(dòng)參數(shù)影響。這就要求測量在一些合理范圍內(nèi)伴隨小擾動(dòng)時(shí)，裝置保持原有精密度，即穩(wěn)態(tài)性能。

4.2 原則性建議

4.2.1 按監(jiān)測裝置類型制定技術(shù)要求

PQM裝置常用的分類方法主要有：按照測量方法分為A類（精確測量）和S類（統(tǒng)計(jì)應(yīng)用）；按照工作環(huán)境分為I類（室內(nèi)）和O類（室外）；按安裝方式分為F類（固定安裝）和P類（便攜式）。根據(jù)適用場合不同，對監(jiān)測裝置的技術(shù)性能要求應(yīng)不一致。實(shí)際上，眾多標(biāo)準(zhǔn)對A類和S類裝置已經(jīng)采用不同的準(zhǔn)確度要求［7-8］。采用同樣思想，由于I類和O類裝置工作環(huán)境不同，應(yīng)針對高溫、低溫、交變濕熱、溫度變化、濕度、氣壓等影響確定不同的技術(shù)要求。對F類和P類裝置考慮到結(jié)構(gòu)和工藝不同，對電氣性能、機(jī)械性能應(yīng)制定不同技術(shù)要求。

4.2.2 測量方法檢測建議

根據(jù)無縫采樣測量和間接采樣測量對于時(shí)變信號敏感性不同的原理，建議通過調(diào)制10周波內(nèi)信號幅值發(fā)生顯著變化的波形，根據(jù)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差是否在誤差范圍內(nèi)判斷是否無縫測量。由于集合算法采用均方根累加的原理，可調(diào)制周期時(shí)變波形，根據(jù)輸出示值與標(biāo)準(zhǔn)值是否在誤差范圍內(nèi)判斷集合間隔是否存在間隔或重疊［18］。

4.2.3 穩(wěn)態(tài)性能檢測方法

在標(biāo)準(zhǔn)情況檢測裝置測量準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，引入穩(wěn)態(tài)影響量，當(dāng)影響量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測量，若測量結(jié)果滿足準(zhǔn)確度要求，則PQM裝置仍保有精確測量的能力，即裝置穩(wěn)態(tài)性能滿足要求。

5 結(jié)束語

基于PQM裝置檢測相關(guān)概念的區(qū)別和目的，明確了檢測活動(dòng)的一般要求。在此基礎(chǔ)上對通用監(jiān)測裝置檢測技術(shù)規(guī)范和要求進(jìn)行綜合分析，歸納提煉出檢測規(guī)范應(yīng)具備檢測范圍、檢測方法和技術(shù)要求等核心內(nèi)容，并結(jié)合PQM裝置檢測的特殊要求，分析了PQM裝置檢測在性能研發(fā)、批量生產(chǎn)和并網(wǎng)運(yùn)行等諸多階段的檢測目的和要求?；谏鲜龉ぷ鳎鞔_了制定PQM裝置檢測標(biāo)準(zhǔn)在不同場景下的檢測范圍和主要技術(shù)參數(shù)。最后，重點(diǎn)針對不同環(huán)境下的檢測技術(shù)規(guī)范和要求，測量方法的正確性，擾動(dòng)參數(shù)的互相影響這幾個(gè)值得關(guān)注的基本問題提出原則性建議，以保證PQM裝置檢測規(guī)范的全面性、可靠性和適用性。本文僅對標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了可深入研究的部分命題，如何制定和完善標(biāo)準(zhǔn)是下一步的研究重點(diǎn)。