袁曉冬，柳 丹

（國網(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)濟性損失評估分析方法研究

袁曉冬，柳 丹

（國網(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)濟性分析基本框架，細化了公用配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟損失構(gòu)成，分別詳細闡述了基于分項統(tǒng)計和實驗外推的電能質(zhì)量經(jīng)濟損失評估方法，并以諧波損耗為例分析了某市配電網(wǎng)2014年度的經(jīng)濟性損失。

電能質(zhì)量；經(jīng)濟性損失；公用配電網(wǎng)

為了量化電能質(zhì)量問題的影響，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)電力定價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮電能質(zhì)量的經(jīng)濟杠桿作用，撬動電能質(zhì)量治理、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價管理等相關(guān)市場，開展電能質(zhì)量經(jīng)濟性損失評估顯得尤為必要。

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

1 公共配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟性評估研究現(xiàn)狀

電能質(zhì)量經(jīng)濟性分析涵蓋了電力系統(tǒng)分析、概率統(tǒng)計以及經(jīng)濟學(xué)等多個學(xué)科，內(nèi)容交叉且過程復(fù)雜。目前國內(nèi)外已有部分研究，然而在如何評估電能質(zhì)量經(jīng)濟損失等方面，尚未形成共識，在如何評估其經(jīng)濟價值上還在不斷探索。

1.1 歐美

由國際大電網(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)濟性框架》技術(shù)文件。該文件主要就劣質(zhì)電能成本的評估建立了一套系統(tǒng)化的分析方法，結(jié)合國外電力市場實際分別從電力用戶和電網(wǎng)公司兩個角度提出了電能質(zhì)量經(jīng)濟性分析框架。該技術(shù)文件對于指導(dǎo)我國進一步開展電能質(zhì)量經(jīng)濟性評估有一定借鑒意義。

面向電網(wǎng)的電能質(zhì)量經(jīng)濟性分析研究較少，加拿大魁北克通過試驗測量配電網(wǎng)一條典型線路諧波損耗，通過外推得到整個配電網(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 [1]對某275 kV的高壓網(wǎng)絡(luò)進行了經(jīng)濟性評估，通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的阻抗模型和故障統(tǒng)計模型，簡化的負荷分類，最終得出整個電網(wǎng)的用戶總損失。該方法避免了大量的現(xiàn)場調(diào)查，可操作性強，且通過完善的技術(shù)評估，將結(jié)果的誤差降至最小。文獻 [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

2013年12月，SAC/TC1標(biāo)委會啟動了“電能質(zhì)量經(jīng)濟性評估”國家標(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)濟性評估方法；第2部分，公用配電網(wǎng)的經(jīng)濟性評估方法；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)量問題引起的經(jīng)濟損失評估方法以及治理方案的經(jīng)濟性評估方法，明確了評估對象、評估方法和流程、評估指標(biāo)以及數(shù)據(jù)收集方法。本標(biāo)準(zhǔn)在我國屬首次制定，具有廣泛的指導(dǎo)意義。

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

2 評估流程

電能質(zhì)量的經(jīng)濟損失評估是一個電力技術(shù)與經(jīng)濟管理相結(jié)合的綜合性課題。評估過程可以分為以下三個步驟：電能質(zhì)量問題技術(shù)參數(shù)評估；電能質(zhì)量經(jīng)濟損失計算；年經(jīng)濟損失評估。

圖1 電能質(zhì)量分析流程圖

2.1 技術(shù)參數(shù)評估

一般而言，技術(shù)參數(shù)評估一般按照以下幾個步驟進行，首先選擇評估指標(biāo)，目前電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)涉及的指標(biāo)主要包括：電壓暫降和短時中斷、瞬態(tài)和暫時過電壓、諧波/間諧波、電壓波動與閃變、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)，主要是通過建立電網(wǎng)和負荷的仿真模型以及電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，從中獲得電壓/電流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為滿足經(jīng)濟性評估計算的需要，評估結(jié)果形式可以分為量化指標(biāo)和等級。

2.2 經(jīng)濟損失評估

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

圖2 經(jīng)濟性損失評估指標(biāo)

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

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

3.1 直接經(jīng)濟損失

對于電網(wǎng)而言直接經(jīng)濟損失主要有兩個方面：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用，包括經(jīng)濟賠償，用戶責(zé)任補償收益，針對用戶投訴或電能質(zhì)量問題鑒定而產(chǎn)生的費用等。

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)量問題會導(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)量問題引起配電網(wǎng)設(shè)備故障，對設(shè)備進行非計劃檢修產(chǎn)生的成本即為設(shè)備故障檢修成本，包括以下幾點。

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

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

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)量問題引起設(shè)備損壞，設(shè)備更換成本，計算公式為

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)換安裝運輸調(diào)試費之和。

3.1.5 經(jīng)濟賠償（D5）

因電能質(zhì)量問題對用戶造成損失，配電網(wǎng)運營主體進行的賠償。

3.1.6 用戶責(zé)任補償收益（D6）

因用戶電能質(zhì)量問題給公用配電網(wǎng)造成經(jīng)濟損失，配電網(wǎng)運營主體獲得的補償收益。

3.1.7 其他直接成本（D7）

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

3.2 間接經(jīng)濟損失

間接經(jīng)濟損失包括因電能質(zhì)量問題導(dǎo)致售電量減少造成的利潤損失，資源損失價值及其他損失費用。

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

式中：LR——年累積售電量減少量，kW·h；

PSB——單位售電利潤，元/（kW·h）。

4 評估方法

4.1 分項統(tǒng)計

根據(jù)經(jīng)濟性影響時間尺度的不同，在對公用配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟損失進行統(tǒng)計時通常按以下兩種類型分別統(tǒng)計。

4.1.1 事件型

指突然發(fā)生的電能質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟影響。事件型電能質(zhì)量問題的重要特征表現(xiàn)為電壓或電流短時間嚴(yán)重偏離其額定值或理想波形。包括電壓暫降和短時中斷、瞬態(tài)和暫時過電壓。在進行年經(jīng)濟損失計算時，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)濟賠償（D5），用戶責(zé)任補償收益（D6），其他直接費用 （D7） 和售電利潤損失（D8）。

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

4.1.2 連續(xù)型

指連續(xù)出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟影響。連續(xù)型電能質(zhì)量問題的重要特征表現(xiàn)為電壓或電流的方均根值、頻率、相位差等在時間軸上的任一時刻總是在發(fā)生著小的變化。包括諧波/間諧波（A3）、電壓波動與閃變（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、額外損耗增加等長期性影響。其測量評估往往采用概率統(tǒng)計方法來處理。以諧波/間諧波為例，式（7）給出了其年經(jīng)濟損失的計算方法。

4.1.3 年經(jīng)濟損失成本計算方法

取1年為統(tǒng)計周期，計算1年內(nèi)配電網(wǎng)因為電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的經(jīng)濟損失，其包括事件型電能質(zhì)量經(jīng)濟損失和連續(xù)型電能質(zhì)量經(jīng)濟損失，其計算方法為

4.2 試驗外推

除了通過以上方法對各損失成本項進行累加計算外，還可以通過實測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。實際計算時可以采用試驗測量配電網(wǎng)一條典型線路諧波損耗，通過外推得到整個配電網(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配電網(wǎng)中電壓電流諧波的影響，開展了技術(shù)性和經(jīng)濟性的研究，給出了世界范圍的諧波損耗特性矩陣，見表1。電壓諧波的三個等級分別對應(yīng)于國際電工技術(shù)委員會（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，為進一步準(zhǔn)確評估實際諧波損耗，需要按實際評估情況確定不同諧波水平下的變壓器、線路和電容器占比，進行加權(quán)得到各元件的總損耗，最后通過對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、負載率，即可按照公式（9）計算整個配網(wǎng)的年諧波損耗。

5 案例分析

的額外損耗，本案例采用4.2中提出方法對某市配電網(wǎng)由于諧波損耗造成的年經(jīng)濟損失（D1）進行評估。本案例參考了魁北克水電公司通過實測獲得的諧波損耗特征矩陣值，結(jié)合該市的配網(wǎng)的實測負載率以及電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算。

5.1 諧波損耗特征矩陣

為進一步準(zhǔn)確評估實際諧波損耗，在表1的基礎(chǔ)上，通過拉格朗日插值，可以得到諧波水平為IEC規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的25%、75%、125%時的諧波能量損耗的標(biāo)幺值，見表2。

表2 額定負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 諧波損耗評估

已知該市在計算年總供電量為：21.4 TW·h，負載率如表3所示。

表3 負載率(%)

由此可計算得出線路、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，共計諧波損耗5.2 GW·h，僅此一項造成的電量損失成本為27.67萬元。

6 總結(jié)

隨著電能質(zhì)量問題日益突出和電力市場改革日益深化，電能質(zhì)量問題已轉(zhuǎn)化為技術(shù)和經(jīng)濟交融的問題，針對電能質(zhì)量問題開展經(jīng)濟性分析是實現(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)濟性分析仍處在實踐階段，本文提出的配電網(wǎng)電能質(zhì)量經(jīng)濟損失評估方法為進一步開展經(jīng)濟性分析提供了思路，具有一定的借鑒意義。

[1]C.P.Gupta,J.V.Milanovic.Costs of voltage sags:Comprehensive assessment procedure[C].IEEE Power Tech Russia,2005,1(1): 71-75.

[2]J.Pileggi,T.J.Gentile,A.E.Emanuel,E.M.Gulachenski,M. Breen,D.Sorensen.Distribution feeders with nonlinear loads in the Northeast U.S.A:PartⅡ-Economic evaluation of harmonic effects[C].IEEE/PESWinter Meeting-New York (USA),1994 (01):140-145.

[3]P.Caramia.A simplified method for the probabilistic evaluation of the economical damage due to harmonic losses[C] .8th International Conference on Harmonics and Quality of Power Proceedings,1998,1(1):146-150.

[4]金廣厚,宋建永,程曉榮.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量指標(biāo)的經(jīng)濟性評估 [J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2004,6(16): 18-23.

[5]陶順,肖湘寧,劉曉娟.短路故障引起的電壓暫降與短時間中斷事件的技術(shù)經(jīng)濟評估初探 [J].電氣技術(shù),2005(07):19-25.

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)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)、主動配電網(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)于中國科學(xué)院電工研究所電力系統(tǒng)及其自動化專業(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。