制定PQM裝置檢測標準值得關注的幾個問題

胡文曦，黃勇，肖先勇，周勝軍，汪穎

（1.四川大學 電氣信息學院，成都610065；2.國網全球能源互聯網研究院，北京102209）

0 引 言

自電力得到實際應用以來就存在電能質量問題。19世紀40年代初，在遠距離輸油管道運維中就發現了電壓暫降等事件型擾動的影響［1］；20世紀60年代起，國內外對電力諧波等連續型電能質量擾動開展了大量研究［2］；1968年，第一次提出了電能質量（power quality）術語［3］；1990年以來，電能質量成為了工業界和學術界的研究熱點，尤其21世紀以來，電力系統和社會經濟飛速發展的同時，大規模可再生能源利用、高新技術在各領域的普及等，使電能質量問題日益突出［2］。為了準確把握和更好理解以解決電能質量問題，對電能質量進行在線監測并形成監測系統是有效途徑。早在20世紀20年代，某電氣公司就已開發出可定性地提供脈沖幅值和時間的雷擊記錄儀；1960年以來，具有電能質量監測功能的裝置已經廣泛應用于數據處理精度要求較高的場合［4］；到20世紀末，隨著信息技術的發展，電能質量監測系統開始被大量研究。包括我國在內的世界各國從上世紀80年代起就開展了電能質量監測工作，國內外對電能質量檢測、監測、監測裝置、數據格式等，從不同角度制定了標準或技術規范［5-13］，以確保電能質量數據安全可靠起到了積極作用，遺憾的是，自電能質量監測（power quality monitor，PQM）裝置投入工業應用以來，專門針對PQM裝置檢測的技術規范極少，制定PQM裝置檢測標準已成為工業應用的迫切需要。

國內外針對電能質量檢測與監測相關標準已開展了大量研究，國際上影響力最大的標準化組織是IEC和IEEE，我國該領域的標準主要是國家標準（GB）和電力行業標準（DL）。與電能質量檢測和檢測裝置相關的國內外主要標準有：IEC 61000-4-7，IEC 61000-4-30，GB／T 17626.7-2008和 GB／T 17626.30-2012等［7-10］。與電能質量監測相關的國內外主要標準有IEEE 1159-2009［11］。與 PQM裝置和系統相關的國內外主要標準有：GB／T 19862-2005，DL／T 1297-2013等［12-13］。但是，國內外對 PQM裝置檢測具有代表性的標準還僅有DL／T 1028-2006［14］和IEC 62586-2013［15-16］，這些標準內容主要集中在技術要求、試驗方法、檢驗規則等方面，標準針對檢測范圍與基本要求制定的核心內容并不全面。而實際工業應用中對PQM檢測標準的需求迫切，因此，盡快結合實際應用需要，并以現有其他領域檢測和監測裝置檢測技術規范等為基礎，制定能滿足工業應用需要的PQM裝置檢測標準很有必要。

制定PQM裝置檢測標準必須在堅持通用監測裝置檢測要求的基礎上，更多考慮PQM裝置檢測的特殊要求，為此，本文就制定PQM裝置檢測標準時值得關注的幾個問題進行探討。首先分析測量、檢測、試驗和檢驗等基本概念分別在通用范圍和PQM裝置檢測背景下的內涵、外延和目的，將通用監測裝置檢測技術規范和要求與PQM裝置檢測的特殊性相結合，綜合幾個典型場景下裝置的檢測目的和技術要求，從而明確制定PQM裝置檢測標準的核心目標和范圍。在此基礎上，以保證PQM裝置檢測能滿足工業應用為目標，對制定PQM裝置檢測標準時值得重視的幾個問題進行分析，提出一些建議，以期能為PQM裝置檢測標準的制定起到拋磚引玉作用。

1 幾個基本概念及其內涵、外延和目的

1.1 通用概念及其特點

測量、檢測、檢驗、試驗是對客觀事物參數、過程、特性或性能進行刻畫的常見計量方法，各自的內涵、外延、目的與區別如表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；檢測是采取特定方法以獲取技術性能指標的測量活動；試驗是在已知結果或性能的前提下，通過預定的程序進行探測性的活動；檢測得到的結果數據和試驗得到的性能描述，需進一步與標準或規范進行對比判斷是否符合要求，從而對技術性能得到符合性的評價，整個過程即為檢驗。

表1 計量相關概念的內涵與外延Tab.1 Intension and extension of relevant concepts of metering

表2 計量相關概念對比Tab.2 Comparison of relevant concepts of metering

1.2 與PQM裝置檢測相關的概念及其特點

對PQM裝置的檢測是以獲取裝置性能等相關信息為目的的活動。對于檢測標準的制定，首先應該明確PQM裝置進行檢測所涉及的計量相關概念（見圖1），以區分不同場合需要進行的計量活動其各自的特點，從而更為準確的指導檢測過程中不同場景下檢測的主要范圍以及技術要求。在通用的概念及其特點的基礎上，表3明確了與PQM裝置檢測相關概念的內涵與外延，并在表4中做出了對比。

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

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

圖1 PQM裝置檢測相關概念關系圖Fig.1 Diagram of relevant concepts of PQM devices testing

2 PQM裝置檢測的場景與要求

2.1 通用監測裝置檢測技術規范與要求

監測裝置是評估系統工作運行狀態的有效方式，檢測裝置的正常運行和監測結果的可靠性是正確評估系統性能的關鍵。因此，各個領域監測裝置檢測技術規范與要求制定的可靠性、全面性、適用性是必須滿足的要求。本節將在上一節基本概念分析的基礎上，從一般定義出發綜合分析通用監測裝置檢測技術規范與要求。

首先，監測裝置檢測的目的是對裝置性能進行評價，這就要求針對裝置的各項性能明確檢測范圍。根據檢測范圍對監測裝置的各項性能逐一檢測，從而正確評價監測裝置參數測量、數據傳輸、機械結構、環境影響等性能是否符合要求。其次，根據計量的相關概念，檢測、試驗和檢驗都是參照特定方法進行檢查或驗證的活動。因此，檢測范圍內需執行的每一項檢測活動應制定科學合理的檢測方法及流程，以有序、有效、規范地指導監測裝置設備制造商和相關檢驗部門進行裝置檢測。最后，為了得到符合性的評價，技術規范中必須明確指出相關技術要求作為參考標準。例如：裝置應首先具備監測、顯示、設置、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定測量誤差的允許范圍；為保證正常工作，裝置的外觀和機械性能要求也應明確規定等。

2.2 PQM裝置檢測的特殊要求

PQM裝置作為監測電能質量擾動的用電設備，系統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極大地削弱了電力系統與監測裝置之間因連接造成的影響，但是當裝置的供電電能質量存在擾動時，其工作性能仍可能發生變化［4］，這就要求在通用檢測范圍的基礎上還應該檢測其電氣性能。另一方面，監測裝置一次側通常是高壓系統，存在絕緣擊穿的危險，安全性能如絕緣電阻、絕緣強度的檢測應必不可少。

考慮到PQM裝置廣泛應用于精確測量擾動信號的場合，而擾動事件通常造成多種擾動現象同時發生，因此通用檢測規范中對測量準確度在標況下進行檢測的方法并不完備，需進一步檢測各類擾動對裝置測量準確度的影響。

設備和環境的差異性可能造成不能正確評價裝置的性能與技術要求之間的偏差，得到錯誤的結論。因此在通用監測裝置技術性能要求的基礎上，需明確規定PQM裝置檢測環境的技術要求，對檢測的儀器設備、外部環境做出合理的規范。

2.3 幾個典型場景及其檢測目的與要求

實際應用中，監測裝置在研發、批量生產、并網運行等不同階段，出于不同目的，檢測要求也有所差異。新型研發產品因為結構、材料或工藝的改變，相關性能可能發生變化，研發過程中需對PQM裝置的性能在實驗室中按特定方法進行試驗，以鑒定新產品性能是否達到預期。對于新型產品在批量生產前的研發階段，PQM裝置的所有性能全部需要進行試驗。其次，PQM裝置批量生產后，出廠時需檢驗產品是否合格。由于結構、材料和工藝均不會發生變化，因此對每一個產品每一項性能逐項試驗是沒有必要的。考慮到生產過程中的諸多不確定性，仍需對PQM裝置的基本功能、準確度、電氣性能等主要技術要求進行檢驗。由制造商檢驗部門憑借標準源和測量儀器儀表等理想檢驗條件對生產的每個產品進行檢驗，若主要性能滿足技術要求則加封印出廠，發給質量合格證書。當用戶購買到裝置，并準備投入使用時，用戶會對裝置在實際現場進行檢測，鑒定是否能夠安全可靠并網運行。此時沒有檢驗部門和實驗室提供試驗條件，在一次設備不帶電和帶電試運行時對裝置的準確度、電氣性能進行檢測，基本功能和外觀可主觀鑒定。此外，考慮到數據兼容性和通信規約一致性，還需在現場對裝置的數據通信性能進行檢測。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，需要進行周期性檢測以鑒定裝置基本功能和準確度是否滿足要求。

3 不同場景下PQM裝置檢測范圍與主要技術參數

3.1 不同場景下PQM裝置檢測范圍

根據上述幾個典型場景的檢測目的可將檢測劃分為型式試驗，出廠檢驗，投運檢測和周期檢測。根據不同場景下的要求，制定相應檢測范圍如表5所示：型式試驗因為裝置內部工藝發生變化，需對裝置基本監測、氣候環境影響、安全、電磁兼容和數據通信等所有性能進行試驗；而在其他場合下只需對基本性能和外觀進行檢測，投運檢測時為了與系統兼容需檢測數據兼容和通信規約的一致性。

表5 檢測范圍Tab.5 Testing scope

3.2 主要技術性能指標及其要求

3.2.1 基本功能

對PQM裝置的監測、設置、記錄存儲、觸發、標記、分析統計、報表與輸出、顯示和對時等基本功能按照裝置說明書的使用方法對裝置通電，施加標稱電壓、電流信號，分項檢測裝置是否具有標準文獻［8］中描述的各項基本功能［17］。

3.2.2 準確度

標準文獻［7］中對頻率、電壓、諧波、間諧波、三相不平衡、電壓暫降／暫升和短時中斷等電能質量擾動參數規定了測量允許的最大誤差范圍，各指標應在標準規定的范圍內。

3.2.3 電氣性能

電源電壓和信號輸入回路電壓電流在標準規定的范圍內變化時，裝置應能正常工作，其基本功能和準確度應滿足標準要求。

3.2.4 其他性能

當裝置外部工作環境，如氣候環境、電磁環境發生變化時，在一定變化范圍內裝置應能正常工作，其基本功能和準確度應滿足標準要求。

4 值得關注的幾個問題

4.1 值得關注的問題

4.1.1 不同環境下的檢測技術規范與要求

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裝置實際工作環境符合型式試驗施加外部環境范圍的假設基礎上，若實際環境并不在環境要求范圍內，型式試驗條件下性能達標的裝置將無法適用于某些極端工作環境條件。受地理環境、氣候條件等因素影響，裝置工作環境差異性較大，若堅持同一環境下的檢測技術規范與要求，型式試驗結果將失去指導意義。

4.1.2 測量方法的正確性

監測是一段時間對性能指標進行重復檢測的測量活動，因此檢測裝置準確度性能是標準中最為核心的內容。標準文獻［7］中規范了PQM裝置測量方法的要求：參數測量值基本測量時間窗口為10個周波的時間間隔，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，集合時間間隔分別為150周波，10分鐘和2小時，集合間隔之間應無縫隙和重疊。測量方法的準確可靠是測量準確度滿足要求的先決條件，因此在檢測規范中應首先對測量方法制定檢測方案。

4.1.3 擾動參數的互相影響

不同電能質量擾動參數反應的波形特征的角度不同，但參數的定義存在著重復和交叉。這就造成某參數的測量可能受另一參數擾動而發生變化。而電力系統中電能質量擾動事件通常伴隨著多種擾動現象的發生，因此實際應用中往往不是理想情況下的單一參數測量，還伴隨著其他擾動參數影響。這就要求測量在一些合理范圍內伴隨小擾動時，裝置保持原有精密度，即穩態性能。

4.2 原則性建議

4.2.1 按監測裝置類型制定技術要求

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（統計應用）；按照工作環境分為I類（室內）和O類（室外）；按安裝方式分為F類（固定安裝）和P類（便攜式）。根據適用場合不同，對監測裝置的技術性能要求應不一致。實際上，眾多標準對A類和S類裝置已經采用不同的準確度要求［7-8］。采用同樣思想，由于I類和O類裝置工作環境不同，應針對高溫、低溫、交變濕熱、溫度變化、濕度、氣壓等影響確定不同的技術要求。對F類和P類裝置考慮到結構和工藝不同，對電氣性能、機械性能應制定不同技術要求。

4.2.2 測量方法檢測建議

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

4.2.3 穩態性能檢測方法

在標準情況檢測裝置測量準確度的基礎上，引入穩態影響量，當影響量在一定范圍內變化時，對電能質量參數進行測量，若測量結果滿足準確度要求，則PQM裝置仍保有精確測量的能力，即裝置穩態性能滿足要求。

5 結束語

基于PQM裝置檢測相關概念的區別和目的，明確了檢測活動的一般要求。在此基礎上對通用監測裝置檢測技術規范和要求進行綜合分析，歸納提煉出檢測規范應具備檢測范圍、檢測方法和技術要求等核心內容，并結合PQM裝置檢測的特殊要求，分析了PQM裝置檢測在性能研發、批量生產和并網運行等諸多階段的檢測目的和要求。基于上述工作，明確了制定PQM裝置檢測標準在不同場景下的檢測范圍和主要技術參數。最后，重點針對不同環境下的檢測技術規范和要求，測量方法的正確性，擾動參數的互相影響這幾個值得關注的基本問題提出原則性建議，以保證PQM裝置檢測規范的全面性、可靠性和適用性。本文僅對標準的制定提供了可深入研究的部分命題，如何制定和完善標準是下一步的研究重點。