面向公用配電網(wǎng)的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性損失評(píng)估分析方法研究

袁曉冬，柳 丹

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103）

面向公用配電網(wǎng)的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性損失評(píng)估分析方法研究

袁曉冬，柳 丹

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103）

提出了面向公用配電網(wǎng)的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析基本框架，細(xì)化了公用配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失構(gòu)成，分別詳細(xì)闡述了基于分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)外推的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法，并以諧波損耗為例分析了某市配電網(wǎng)2014年度的經(jīng)濟(jì)性損失。

電能質(zhì)量；經(jīng)濟(jì)性損失；公用配電網(wǎng)

為了量化電能質(zhì)量問(wèn)題的影響，為電能質(zhì)量罰款、賠償、電能質(zhì)量治理投資和優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)電力定價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)杠桿作用，撬動(dòng)電能質(zhì)量治理、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)管理等相關(guān)市場(chǎng)，開(kāi)展電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性損失評(píng)估顯得尤為必要。

本文以公用配電網(wǎng)為研究對(duì)象，首先對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性損失分析研究進(jìn)行了梳理和總結(jié)，然后提出了公用配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失的組成和評(píng)估方法，最后以江蘇某市配電網(wǎng)為例給出了電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性損失評(píng)估的案例。

1 公共配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性評(píng)估研究現(xiàn)狀

電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析涵蓋了電力系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，內(nèi)容交叉且過(guò)程復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外已有部分研究，然而在如何評(píng)估電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失等方面，尚未形成共識(shí)，在如何評(píng)估其經(jīng)濟(jì)價(jià)值上還在不斷探索。

1.1 歐美

由國(guó)際大電網(wǎng)組織（CIGRE）組織成立的聯(lián)合工作組JWG C4.107在2010年發(fā)布了《電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性框架》技術(shù)文件。該文件主要就劣質(zhì)電能成本的評(píng)估建立了一套系統(tǒng)化的分析方法，結(jié)合國(guó)外電力市場(chǎng)實(shí)際分別從電力用戶和電網(wǎng)公司兩個(gè)角度提出了電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析框架。該技術(shù)文件對(duì)于指導(dǎo)我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)展電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性評(píng)估有一定借鑒意義。

面向電網(wǎng)的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析研究較少，加拿大魁北克通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量配電網(wǎng)一條典型線路諧波損耗，通過(guò)外推得到整個(gè)配電網(wǎng)的諧波損耗，其中諧波損耗涵蓋了功率損耗（散熱）和設(shè)備壽命縮短。文獻(xiàn) [1]對(duì)某275 kV的高壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，通過(guò)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的阻抗模型和故障統(tǒng)計(jì)模型，簡(jiǎn)化的負(fù)荷分類，最終得出整個(gè)電網(wǎng)的用戶總損失。該方法避免了大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可操作性強(qiáng)，且通過(guò)完善的技術(shù)評(píng)估，將結(jié)果的誤差降至最小。文獻(xiàn) [2,3]給出了中低壓系統(tǒng)中常用設(shè)備和元件的電熱模型，可用于分析設(shè)備的提前老化成本。

1.2 中國(guó)

2013年12月，SAC/TC1標(biāo)委會(huì)啟動(dòng)了“電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性評(píng)估”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定，目前已完成送審稿。標(biāo)準(zhǔn)按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分為三部分：第1部分，電力用戶的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法；第2部分，公用配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法；第3部分，數(shù)據(jù)收集方法。標(biāo)準(zhǔn)給出了典型電能質(zhì)量問(wèn)題引起的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法以及治理方案的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法，明確了評(píng)估對(duì)象、評(píng)估方法和流程、評(píng)估指標(biāo)以及數(shù)據(jù)收集方法。本標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)屬首次制定，具有廣泛的指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)已有部分研究就電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析中的具體問(wèn)題進(jìn)行了初步探討，這其中包括：文獻(xiàn)[4]借鑒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊學(xué)在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，建立技術(shù)影響和經(jīng)濟(jì)損失之間的關(guān)系，但沒(méi)有考慮連續(xù)型和事件型電能質(zhì)量問(wèn)題的差異性。文獻(xiàn) [5]對(duì)電壓暫降和短時(shí)中斷的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估進(jìn)行了初探，以蒙特卡羅法獲取電壓暫降特征。

2 評(píng)估流程

電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估是一個(gè)電力技術(shù)與經(jīng)濟(jì)管理相結(jié)合的綜合性課題。評(píng)估過(guò)程可以分為以下三個(gè)步驟：電能質(zhì)量問(wèn)題技術(shù)參數(shù)評(píng)估；電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算；年經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估。

圖1 電能質(zhì)量分析流程圖

2.1 技術(shù)參數(shù)評(píng)估

一般而言，技術(shù)參數(shù)評(píng)估一般按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行，首先選擇評(píng)估指標(biāo)，目前電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)涉及的指標(biāo)主要包括：電壓暫降和短時(shí)中斷、瞬態(tài)和暫時(shí)過(guò)電壓、諧波/間諧波、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、電壓偏差和頻率偏差。然后收集電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，主要是通過(guò)建立電網(wǎng)和負(fù)荷的仿真模型以及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，從中獲得電壓/電流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為滿足經(jīng)濟(jì)性評(píng)估計(jì)算的需要，評(píng)估結(jié)果形式可以分為量化指標(biāo)和等級(jí)。

2.2 經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估

在上述技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，若要獲得經(jīng)濟(jì)損失，還需結(jié)合電能質(zhì)量具體的后果，細(xì)化損失構(gòu)成，確定計(jì)算所需的數(shù)據(jù)項(xiàng)。為方便比較與評(píng)估，通常需要定義統(tǒng)一的評(píng)估指標(biāo)以描述電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)影響。一般可將經(jīng)濟(jì)評(píng)估指標(biāo)分為兩類，基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和單位經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如圖2所示。

圖2 經(jīng)濟(jì)性損失評(píng)估指標(biāo)

3 公用配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失構(gòu)成

公用配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失是指電網(wǎng)因電能質(zhì)量問(wèn)題而承受的經(jīng)濟(jì)損失，通常包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。間接經(jīng)濟(jì)損失并不直接體現(xiàn)，而通常是隱性的，其往往表現(xiàn)為因電能質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的利潤(rùn)損失，資源損失及其他損失費(fèi)用。

3.1 直接經(jīng)濟(jì)損失

對(duì)于電網(wǎng)而言直接經(jīng)濟(jì)損失主要有兩個(gè)方面：一方面是直接造成電網(wǎng)設(shè)備的額外損耗、損壞、老化所引起的損失；另一方面是善后處理費(fèi)用，包括經(jīng)濟(jì)賠償，用戶責(zé)任補(bǔ)償收益，針對(duì)用戶投訴或電能質(zhì)量問(wèn)題鑒定而產(chǎn)生的費(fèi)用等。

3.1.1 設(shè)備額外損耗成本（D1）

諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生附加的損耗，從而造成額外電能損耗成本，計(jì)算公式為

式中：LE——年額外累積電能損耗，kW·h；

PSC——單位供電成本，元/（kW·h） 。

3.1.2 設(shè)備檢修成本（D2）

因電能質(zhì)量問(wèn)題引起配電網(wǎng)設(shè)備故障，對(duì)設(shè)備進(jìn)行非計(jì)劃?rùn)z修產(chǎn)生的成本即為設(shè)備故障檢修成本，包括以下幾點(diǎn)。

a）故障現(xiàn)場(chǎng)檢修成本：設(shè)備維修人工成本等于維修工時(shí)乘以人工單價(jià)；設(shè)備維修耗材成本；檢修工具的租賃使用費(fèi)；設(shè)備維修后所需調(diào)試費(fèi)。

b）設(shè)備返廠修理引起的費(fèi)用：土建及環(huán)境破壞后修復(fù)費(fèi)用；設(shè)備起吊費(fèi)用；運(yùn)輸費(fèi)用；修理費(fèi)用。

3.1.3 設(shè)備加速老化年成本（D3）

因受電能質(zhì)量影響設(shè)備使用壽命縮短，從而增加的設(shè)備年成本，計(jì)算公式為

式中：AO——因加速老化使用壽命縮短后的折舊年值，元；

3.1.4 設(shè)備損壞調(diào)換成本（D4）

因電能質(zhì)量問(wèn)題引起設(shè)備損壞，設(shè)備更換成本，計(jì)算公式為

式中：PES——調(diào)換設(shè)備初始成本現(xiàn)值，元；

LRES——按正常折舊年限，損壞設(shè)備尚未提折舊的年數(shù)，年；

I——折現(xiàn)率（%）。

若調(diào)換設(shè)備為新設(shè)備，則PES為新設(shè)備初始成本；若非新設(shè)備，PES為調(diào)換設(shè)備的凈值與調(diào)換安裝運(yùn)輸調(diào)試費(fèi)之和。

3.1.5 經(jīng)濟(jì)賠償（D5）

因電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)用戶造成損失，配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體進(jìn)行的賠償。

3.1.6 用戶責(zé)任補(bǔ)償收益（D6）

因用戶電能質(zhì)量問(wèn)題給公用配電網(wǎng)造成經(jīng)濟(jì)損失，配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體獲得的補(bǔ)償收益。

3.1.7 其他直接成本（D7）

針對(duì)用戶投訴或電能質(zhì)量問(wèn)題鑒定而產(chǎn)生的費(fèi)用，例如額外檢測(cè)、應(yīng)急服務(wù)等費(fèi)用。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)損失

間接經(jīng)濟(jì)損失包括因電能質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致售電量減少造成的利潤(rùn)損失，資源損失價(jià)值及其他損失費(fèi)用。

考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，只統(tǒng)計(jì)因電能質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致售電量減少造成的利潤(rùn)損失（售電利潤(rùn)損失，D8）。

式中：LR——年累積售電量減少量，kW·h；

PSB——單位售電利潤(rùn)，元/（kW·h）。

4 評(píng)估方法

4.1 分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性影響時(shí)間尺度的不同，在對(duì)公用配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)通常按以下兩種類型分別統(tǒng)計(jì)。

4.1.1 事件型

指突然發(fā)生的電能質(zhì)量問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)影響。事件型電能質(zhì)量問(wèn)題的重要特征表現(xiàn)為電壓或電流短時(shí)間嚴(yán)重偏離其額定值或理想波形。包括電壓暫降和短時(shí)中斷、瞬態(tài)和暫時(shí)過(guò)電壓。在進(jìn)行年經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算時(shí)，主要包含設(shè)備故障檢修成本（D2），設(shè)備加速老化成本（D3），設(shè)備損壞調(diào)換成本（D4），經(jīng)濟(jì)賠償（D5），用戶責(zé)任補(bǔ)償收益（D6），其他直接費(fèi)用 （D7） 和售電利潤(rùn)損失（D8）。

式中,i=1，2；A1為電壓暫降和短時(shí)中斷年經(jīng)濟(jì)損失；A2為瞬態(tài)和暫時(shí)過(guò)電壓年經(jīng)濟(jì)損失；若事件型電能質(zhì)量問(wèn)題還產(chǎn)生3.1節(jié)中所描述的其他成本項(xiàng)，則應(yīng)在式（6）中累積；D8為年內(nèi)事件型電能質(zhì)量問(wèn)題引起的售電利潤(rùn)損失。

4.1.2 連續(xù)型

指連續(xù)出現(xiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)影響。連續(xù)型電能質(zhì)量問(wèn)題的重要特征表現(xiàn)為電壓或電流的方均根值、頻率、相位差等在時(shí)間軸上的任一時(shí)刻總是在發(fā)生著小的變化。包括諧波/間諧波（A3）、電壓波動(dòng)與閃變（A4）、三相不平衡（A5）、電壓偏差（A6） 和頻率偏差（A7） 等。連續(xù)型電能質(zhì)量通常會(huì)造成公用配電網(wǎng)設(shè)備利用率降低、壽命縮短、額外損耗增加等長(zhǎng)期性影響。其測(cè)量評(píng)估往往采用概率統(tǒng)計(jì)方法來(lái)處理。以諧波/間諧波為例，式（7）給出了其年經(jīng)濟(jì)損失的計(jì)算方法。

4.1.3 年經(jīng)濟(jì)損失成本計(jì)算方法

取1年為統(tǒng)計(jì)周期，計(jì)算1年內(nèi)配電網(wǎng)因?yàn)殡娔苜|(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，其包括事件型電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失和連續(xù)型電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失，其計(jì)算方法為

4.2 試驗(yàn)外推

除了通過(guò)以上方法對(duì)各損失成本項(xiàng)進(jìn)行累加計(jì)算外，還可以通過(guò)實(shí)測(cè)獲得典型配電線路的諧波損耗。由于配網(wǎng)中任一區(qū)域諧波損耗與其供電區(qū)域的供電量近似成線性關(guān)系。實(shí)際計(jì)算時(shí)可以采用試驗(yàn)測(cè)量配電網(wǎng)一條典型線路諧波損耗，通過(guò)外推得到整個(gè)配電網(wǎng)的諧波損耗和供電量之間的特征矩陣。加拿大魁北克水電公司針對(duì)配電網(wǎng)中電壓電流諧波的影響，開(kāi)展了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的研究，給出了世界范圍的諧波損耗特性矩陣，見(jiàn)表1。電壓諧波的三個(gè)等級(jí)分別對(duì)應(yīng)于國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）61000—3—6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的規(guī)劃水平的50%、100%和150%。

表1 額定負(fù)載條件下諧波造成的配電系統(tǒng)單位用電量的能量損耗

由于配電網(wǎng)中元件數(shù)量眾多，為進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)際諧波損耗，需要按實(shí)際評(píng)估情況確定不同諧波水平下的變壓器、線路和電容器占比，進(jìn)行加權(quán)得到各元件的總損耗，最后通過(guò)對(duì)不同元件的總損耗求和獲得配網(wǎng)總損耗。

已知配電網(wǎng)總電量、諧波損耗特性矩陣、各元件在不同諧波水平下的占比、負(fù)載率，即可按照公式（9）計(jì)算整個(gè)配網(wǎng)的年諧波損耗。

5 案例分析

的額外損耗，本案例采用4.2中提出方法對(duì)某市配電網(wǎng)由于諧波損耗造成的年經(jīng)濟(jì)損失（D1）進(jìn)行評(píng)估。本案例參考了魁北克水電公司通過(guò)實(shí)測(cè)獲得的諧波損耗特征矩陣值，結(jié)合該市的配網(wǎng)的實(shí)測(cè)負(fù)載率以及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

5.1 諧波損耗特征矩陣

為進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)際諧波損耗，在表1的基礎(chǔ)上，通過(guò)拉格朗日插值，可以得到諧波水平為IEC規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的25%、75%、125%時(shí)的諧波能量損耗的標(biāo)幺值，見(jiàn)表2。

表2 額定負(fù)載條件下諧波造成的配電系統(tǒng)單位用電量的能量損耗

5.2 諧波損耗評(píng)估

已知該市在計(jì)算年總供電量為：21.4 TW·h，負(fù)載率如表3所示。

表3 負(fù)載率(%)

由此可計(jì)算得出線路、變壓器和電容器的諧波損耗（表4—表7）。

表4 中壓線路諧波損耗

配電網(wǎng)中諧波會(huì)引起線路，變壓器和電容器

表5 低壓線路諧波損耗

表6 變壓器諧波損耗

表7 電容器諧波損耗

5.3 諧波損耗成本評(píng)估

每售出1 kW·h電能，將產(chǎn)生0.53元的成本。江蘇該市配電網(wǎng)2014年全年的總供電量21.4 TW·h，共計(jì)諧波損耗5.2 GW·h，僅此一項(xiàng)造成的電量損失成本為27.67萬(wàn)元。

6 總結(jié)

隨著電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出和電力市場(chǎng)改革日益深化，電能質(zhì)量問(wèn)題已轉(zhuǎn)化為技術(shù)和經(jīng)濟(jì)交融的問(wèn)題，針對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性分析是實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量高效管理及各方互利共贏的重要基礎(chǔ)。目前，電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析仍處在實(shí)踐階段，本文提出的配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法為進(jìn)一步開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性分析提供了思路，具有一定的借鑒意義。

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Study on the Assessment Methods of Public Distribution Network Oriented Power Quality Econom ical Loss

YUAN Xiaodong,LIU Dan

（State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute of Jiangsu Electric Power Corporation, Nanjing,Jiangsu 211103,China)

This paper proposes a basic analytical framework for public distribution network oriented power quality economical loss. It also introduces in detail several items contained in economical loss.Moreover,assessmentmethods based on subentry measure and extrapolationmethod are elaborated respectively to quantify economical impactof power quality problems.At last,the economical loss of the distributed network in an urban city in 2014 is studied based on harmonic economic loss.

powerquality;economical loss;public distribution network

TMT11

A

1671-0320（2016）05-0059-05

2016-07-08，

2016-08-16

袁曉冬（1979），男，江蘇南京人，2005年畢業(yè)于東南大學(xué)電氣學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)、主動(dòng)配電網(wǎng)、電能質(zhì)量技術(shù)工作;

柳 丹（1988），女，湖北武漢人，2013年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院電工研究所電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)、電力電子技術(shù)工作。