无论是电力公司（electric utilities），还是电力终端用户（end users of electric power），都越来越关注电力质量（the quality of electric power）。“电能质量（power quality）”这一术语，自 20 世纪 80 年代末以来，已经成为电力行业最常见的流行词之一。它是一个“总括性概念（umbrella concept）”，用来涵盖多种不同类型的电力系统扰动（power system disturbances）。这个“伞”下面所包含的问题本身并不一定是新的。真正新的地方在于，工程师现在正尝试用一种系统化的方法（system approach）来处理这些问题，而不是把它们作为一个个孤立问题分别处理。
人们对电能质量关注增加，主要有四个原因：
新一代负荷设备采用基于微处理器的控制（microprocessor-based controls）和电力电子装置（power electronic devices），与过去使用的设备相比，对电能质量变化更敏感。
对整个电力系统效率（overall power system efficiency）的日益重视，使得高效率可调速电机驱动（adjustable-speed motor drives）以及用于功率因数校正（power factor correction）的并联电容器（shunt capacitors）等装置的应用持续增长，以减少损耗。其结果是电力系统上的谐波水平不断增加，这使很多人担心未来对系统能力的影响。
终端用户对电能质量问题的认识提高了。公用事业客户越来越了解中断（interruptions）、暂降（sags）和开关暂态（switching transients）等问题，并开始要求电力公司提高供电质量。
现在许多事物都互联在网络中。集成化流程（integrated processes）意味着任何一个部件的失效都会带来更严重的后果。
上述原因背后的共同主线，是所有公用事业客户都在持续追求更高生产率（productivity）。制造商希望机器更快、产出更高、效率更高。电力公司也鼓励这种努力，因为这有助于客户提高盈利能力，同时也能通过使用更高效的负荷设备来推迟在变电站和发电设施上的大规模投资。有意思的是，用来提高生产率而安装的设备，往往也正是最容易受到常见电力扰动影响的设备。而且，这些设备有时本身也是附加电能质量问题的来源。当整个流程实现自动化后，机器及其控制系统的高效运行会越来越依赖于高质量电力。
自本书第一版出版以来，出现了一些对电能质量产生影响的新发展：
在世界范围内，很多政府修订了监管电力公司的法律，目标是实现更具成本竞争力的电能供应。电力行业放松管制（deregulation）使电能质量问题变得更加复杂。在许多地区，已经不再存在从发电到终端负荷的紧密协调控制。监管机构可以改变资金流动的法律，但无法改变电力潮流（power flow）的物理规律。为了避免客户供电质量恶化，监管者将不得不把思路从传统可靠性指标扩展出去，把电能质量报告和对输配电公司的激励机制纳入考虑。
人们对分布式发电（distributed generation, DG）的兴趣大幅增加，即发电分散布置在整个电力系统中。DG 并网总体评估中必须处理若干重要的电能质量问题。因此，本书增加了一章关于 DG 的内容。
产业全球化提高了人们对世界各地电能质量不足问题的认识。企业在新的地区建厂时，常会因为系统较弱或气候不同而突然遇到未预见的供电问题。已经有若干工作尝试对不同地区电能质量进行基准比较（benchmark）。
已经发展出一些指标（indices）来对电能质量的不同方面进行基准评估。监管机构开始参与基于性能的费率制定（performance-based rate-making, PBR），该机制针对的是与中断相关的可靠性这一特定方面。一些客户也与电力公司签订了关于满足某种供电质量的合同。因此，本书新增一章讨论该主题。
1.1 什么是电能质量？（What Is Power Quality?）
对于“电能质量（power quality）”可以有完全不同的定义，这取决于观察者所处的参照框架（frame of reference）。例如，电力公司可能把电能质量定义为可靠性（reliability），并用统计数据说明其系统达到 99.98% 的可靠水平。监管机构所建立的考核标准通常也大致属于这一类定义。负荷设备制造商则可能把电能质量定义为“能使设备正常工作的供电特性（those characteristics of the power supply that enable the equipment to work properly）”。而这些特性对于不同设备可能完全不同。
归根结底，电能质量是一个由用户驱动（consumer-driven）的问题，因此终端用户的参照点应当优先。因此，本书采用如下电能质量问题定义：
任何表现为电压、电流或频率偏差（voltage, current, or frequency deviations），并导致用户设备失效（failure）或误动作（misoperation）的电力问题，均可视为电能质量问题。
关于电能质量问题成因，人们存在许多误解。图 1.1 所示为乔治亚电力公司（Georgia Power Company）的一项调查结果，调查对象同时包括电力公司人员和客户，问题是“什么导致了电能质量问题”。虽然其他行业的调查在各类别比例上可能不同，但这些图表清楚表明了一个在类似调查中反复出现的共同主题：电力公司与客户的视角经常明显不同。虽然双方都倾向于把大约三分之二的事件归因于自然现象（例如雷电），但客户比电力公司人员更经常认为问题是电力公司造成的。
Figure 1.1 Results of a survey on the causes of power quality problems. (Courtesy of Georgia Power Co.)
当某台设备发生电力问题时，终端用户可能会很快向电力公司投诉，说是某次“停电（outage）”或“毛刺（glitch）”导致了问题。然而，电力公司的记录可能显示，供给该客户的馈线（feed）上并无异常事件。作者举过一个案例：终端设备在 9 个月内掉线 30 次，但电力公司变电站断路器仅动作了 5 次。必须认识到，有很多导致终端用户问题的事件，根本不会出现在电力公司的统计记录中。一个例子是电容器投切（capacitor switching）：这在电力系统中相当常见并且属于正常操作，但它可能引起暂态过电压（transient overvoltages），从而干扰制造设备。另一个例子是系统其他位置的瞬时故障（momentary fault），它会在相关客户位置造成短暂电压暂降（voltage sag）。这可能导致调速驱动（adjustable-speed drive）或分布式发电装置跳闸（trip off），但如果馈线未安装电能质量监测仪（power quality monitor），电力公司就不会知道该馈线上曾发生异常。
除了真实的电能质量问题之外，还存在“感知上的电能质量问题（perceived power quality problems）”，实际上这些问题可能与硬件、软件或控制系统故障有关。电子元件会因反复承受暂态电压而随时间劣化，最终可能在一次幅值相对较低的事件中失效。因此，有时很难把某次失效与某个特定原因直接对应起来。
现在越来越常见的一种情况是，基于微处理器设备的控制软件设计人员对电力系统运行方式了解不完整，因此无法预见所有类型的异常事件。于是，设备可能由于嵌入式软件（embedded software）缺陷而表现异常。这种情况在新型计算机控制负荷设备的早期版本中尤其常见。本书的一个主要目标，就是教育电力公司、终端用户和设备供应商，减少由软件缺陷导致的误动作频率。
为应对人们对电能质量日益增长的关注，电力公司建立了相关项目（programs）来帮助处理客户关切。这些项目的理念范围很广，从被动式（reactive）到主动式（proactive）不等：
被动式：电力公司在客户投诉后才进行响应；
主动式：电力公司参与客户教育，并推广有助于形成电能质量解决方案的服务。
电力公司所面临的监管问题（regulatory issues）可能会在这些项目如何组织方面发挥重要作用。由于电能质量问题经常涉及供电系统、客户设施和设备之间的相互作用，监管者应确保配电公司有足够激励去与客户合作，并帮助客户解决这些问题。
解决电能质量问题的经济性（economics）也必须纳入分析。从供电侧完全消除电能质量波动并不总是经济的。在很多情况下，问题的最优解（optimal solution）可能是让某台敏感设备对电能质量波动不那么敏感。某个设施所需的电能质量水平，应当是能保证该设施设备正确运行的那个水平。
电能质量，像其他商品和服务中的“质量”一样，很难定量化。并不存在一个单一、被普遍接受的“高质量电力”定义。虽然有电压及其他技术指标方面的标准可以测量，但电能质量的最终衡量标准仍取决于终端设备的性能（performance）和生产率（productivity）。如果供电不能满足这些需求，那么其“质量”就是不足的。
也许最能象征电力输送系统与消费技术不匹配的现象，就是“闪烁的电子钟（blinking clock）”。数字时钟设计者创造闪烁显示，本意是提醒断电后时间可能不正确，却无意中制造出了最早的电能质量监视器之一。它让家庭用户意识到，整个供电系统中存在大量轻微扰动；这些扰动可能除了被时钟检测出来之外，并不会产生其他不良影响。现在很多家电都带有时钟，因此一个普通家庭在短时中断后可能要重置十几个时钟。较老技术的电机驱动时钟则只是在轻微扰动期间慢几秒，随后很快重新同步。
1.2 电能质量 - 其实大多是在讨论电压质量（Power Quality = Voltage Quality）
描述本书主题的常用术语是“电能质量（power quality）”；但在多数情况下，真正被讨论的是电压的质量（the quality of the voltage）。从严格工程术语来看，功率（power）是能量传递速率，并与电压和电流的乘积成比例。要以有意义的方式定义这个量的“质量”其实相当困难。供电系统能控制的是电压质量，而无法控制特定负荷会吸取什么电流。因此，电能质量领域的标准主要致力于把供电电压维持在某些限值之内。
交流电力系统（AC power systems）被设计为在给定频率（通常 50 或 60 Hz）和给定幅值下，以正弦电压运行。波形幅值、频率或纯净度（purity）出现任何显著偏离，都可能构成电能质量问题。
当然，在任何实际电力系统中，电压与电流之间始终密切相关。尽管发电机可能提供接近完美的正弦电压，流过系统阻抗的电流仍会在电压上造成多种扰动。例如：
短路电流会导致电压暂降，严重时甚至完全消失。
雷击电流流经电力系统会引起高冲击电压（high-impulse voltages），这常会造成绝缘闪络（flashover），并引出其他现象，如短路。
谐波源负荷产生的畸变电流在系统阻抗上流动时，也会使电压发生畸变，从而把畸变电压施加给其他终端用户。
因此，虽然我们最终关心的是电压，但为了理解许多电能质量问题的根本原因，也必须讨论电流方面的现象。
1.3 我们为什么关心电能质量？（Why Are We Concerned About Power Quality?）
我们关心电能质量的根本原因，是经济价值（economic value）。电能质量会对电力公司、其客户以及负荷设备供应商产生经济影响。
电力质量可以直接对许多工业用户产生经济影响。近来，人们高度强调通过更高自动化程度和更现代的设备来振兴工业。这通常意味着采用电子控制、高能效的设备；而这类设备往往比其机电式前代设备（electromechanical predecessors）对供电电压偏差更敏感。因此，就像居民用户看到“闪烁的电子钟”一样，工业客户如今也更加敏锐地意识到电力系统中的轻微扰动。这些扰动背后牵涉的是大笔金钱。对于一家中等规模工业企业来说，一次普通且常见的公用电网断路器瞬时动作，就可能造成 1 万美元损失，因为生产线停机后可能需要 4 小时才能重新启动。在半导体制造行业，由于设备对瞬时电压暂降（momentary voltage sags）的敏感性所带来的经济影响，甚至催生了一项全新的设备穿越（ride-through）标准，即 SEMI Standard F-47（半导体工艺设备电压暂降抗扰度规范）。
电力公司同样关注电能质量问题。满足客户期望并保持客户信任，是非常强的驱动因素。在当前走向放松管制与电力公司竞争的环境下，这一点比以往任何时候都更重要。一个不满客户转而投向竞争对手供电商，可能会对电力公司的财务造成非常显著的影响。
除了电力公司和工业用户显而易见的直接财务影响之外，电能质量问题还会产生大量间接和无形成本（indirect and intangible costs）。居民用户通常不会因为大多数电能质量问题而遭受直接财务损失，也不会因此失去收入机会。但是，一旦他们认为电力公司提供的是劣质服务，他们就可能成为一股强大的压力力量。
近几年家庭计算机的使用显著增加，越来越多的交易通过互联网完成。当用户依赖这些技术时，他们对中断会变得更加敏感。大量投诉会迫使电力公司配备人员来处理这些问题。此外，公共利益团体（public interest groups）还经常会向公用事业委员会施压，使电力公司不得不在律师、顾问、研究等方面投入财务资源来应对。当然，这些情况并不全是电能质量问题造成的，但“供电质量差”的声誉显然不会让事情变得更容易。
负荷设备供应商通常处在竞争激烈、客户普遍按最低价格采购的市场中。因此，除非客户明确提出要求，否则制造商通常缺乏动力去增加设备特性以抵御常见扰动。许多制造商也并不了解电力系统中实际会出现哪些类型的扰动。最终，纠正负荷设备不足的首要责任在终端用户一侧，因为终端用户负责采购并运行这些设备。设备规格书（specifications）必须包含电源性能准则（power performance criteria）。由于许多终端用户同样不了解这些陷阱，电力公司可以提供的一项有价值服务，就是传播电能质量知识，并说明负荷设备在真实电力系统环境中正常运行所需满足的要求。例如，前文提到的 SEMI F-47 标准，就是由半导体行业和电力公司工程师组成的联合工作组共同制定的。
1.4 电能质量评估流程（The Power Quality Evaluation Procedure）
电能质量问题包含范围很广的现象（第 2 章将进行描述）。每一种现象都可能有多种原因，也可能有多种改善电能质量和设备性能的方案。尽管如此，仍然有必要从一般层面审视调查这类问题时所遵循的步骤，特别是在问题涉及电力公司供电系统与客户设施之间相互作用时。图 1.2 给出了电能质量调查中常见的一般步骤，以及每一步需要考虑的主要事项。
Figure 1.2 Basic steps involved in a power quality evaluation.
一般流程还必须考虑评估对象到底是：
已经存在的电能质量问题；
还是在新设计或拟议系统改造中可能出现的问题。
对于几乎所有电能质量问题，测量（measurements）都起着重要作用。它是表征问题、或表征待评估现有系统的主要方法。在进行测量时，重要的一点是同时记录电能质量变化所造成的影响（impacts），以便把问题与可能原因进行关联。
解决方案必须从系统视角（system perspective）进行评估，同时考虑经济性和技术限制。应当在从公用供电系统到受影响终端设备的所有层级上识别可能方案。技术上不可行的方案应被排除；剩余可行方案再从经济性角度比较。
最优方案（optimum solution）取决于问题类型、受影响终端用户数量以及可选方案情况。本节在这里介绍这个总体流程，是为了给本书后续各章中更细致的技术信息和分析步骤提供一个框架。对于每一种电能质量现象，各章都会分别说明仿真（simulations）与测量（measurements）在评估中的相对作用。各章也会讨论可用方案及其经济性。
1.5 谁应该使用这本书（Who Should Use This Book）
电能质量问题经常跨越电表边界（energy meter boundary），涉及电力公司与终端用户两侧。因此，本书同时讨论电力公司工程师以及工业工程师和技术人员关心的问题。作者尽力以平衡方式来呈现问题与解决方案。
本书也应当对制造设备、计算机、家电以及其他负荷设备的设计人员有帮助。它将帮助设计人员了解其设备必须运行的环境，以及客户在尝试运行这些设备时可能遇到的特殊困难。作者希望本书可以成为电力公司、客户和设备供应商这三方会面并解决问题的共同基础（common ground）。
本书既旨在作为参考书（reference book），也旨在作为教材（textbook），面向电力公司配电工程师和工业终端用户中的关键技术人员。书中有些部分具有教程性质（tutorial），适合刚接触电能质量和电力系统的读者；另一些部分则技术性很强，更适合作为有经验工程人员的参考资料。
1.6 内容概览（Overview of the Contents）
本书各章安排如下。
第 2 章提供不同电能质量现象类型的背景材料，并给出电能质量现象的标准术语和定义。
第 3 章至第 7 章是本书核心部分，详细描述四大类电能质量变化：暂降与中断、暂态、谐波以及长时电压变化。与第一版相比，谐波部分内容有所扩展，并拆分为两章。第 5 章描述基本谐波现象；第 6 章则集中讨论处理谐波畸变的方法。
第 8 章和第 9 章是本版新增内容。第 8 章介绍电能质量基准评估（benchmarking）技术，以及如何应用电能质量标准。与电能质量问题相关的重要标准，主要由国际电工委员会（IEC）和电气电子工程师学会（IEEE）制定，并在相关章节中给出说明和引用。第 8 章还概述了整体电能质量标准体系及其发展方向。第 9 章讨论并网于配电系统的分布式发电（DG）。由于电力监管规则变化和新技术发展，自第一版出版以来，DG 再次受到重视。本章讨论 DG 与电能质量之间的关系。
第 10 章简明总结了关键布线与接地问题（wiring and grounding problems），并给出识别和纠正这些问题的一般指导。终端用户遇到的很多电能质量问题，实际上是由于布线不足或安装错误造成的。不过，本书重点仍然放在那些可以进行工程分析、并且影响电表两侧的电能质量现象上。加入本章的目的，是让电能质量工程师对与电能质量问题相关的布线和接地原则有一个基本理解。
最后，第 11 章提供现场调查（site surveys）和电能质量监测（power quality monitoring）指南。近几年电能质量监测技术有了重大进展。当前趋势是对电能质量进行永久性监测，并通过 Web 连续访问信息。第 11 章已经完全更新，以覆盖这些新的监测技术。
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原著信息：《Electrical Power Systems Quality, Second Edition》，原著作者（常见版权页署名）：Roger C. Dugan、Mark F. McGranaghan、Surya Santoso、H. Wayne Beaty。本译文仅供个人学习与学术交流使用，严禁以任何形式用于商业目的（包括但不限于销售、授权、付费传播、商业培训等）。本文档不代表原作者或出版社观点，书名、作者名及相关版权均归原权利人所有。