電能質(zhì)量問題成本

隨著電力市場(chǎng)越來(lái)越關(guān)注電價(jià)和電力監(jiān)管越來(lái)越關(guān)注能效, 電能質(zhì)量問題日益突出。如果無(wú)法保證供電的電能質(zhì)量，可能給用戶造成損失, 使用電的總成本成倍增加。  

供電中斷的成本對(duì)整個(gè)社會(huì)都是昂貴的。還有一些工業(yè)部門如連續(xù)制造或IT產(chǎn)業(yè)則對(duì)電壓暫降特別敏感。無(wú)論長(zhǎng)時(shí)或短時(shí)中斷、電壓暫降、瞬態(tài)沖擊或其他電壓擾動(dòng)，最終的后果都是導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。中斷的持續(xù)時(shí)間與電能質(zhì)量問題發(fā)生的頻次都會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

雖然在大多數(shù)情況下電能質(zhì)量的成本較低,但根據(jù)EPRI的報(bào)告，在極端情況下, 電能質(zhì)量問題的成本也可能達(dá)到百萬(wàn)美元，因此需要得到足夠的重視。電能質(zhì)量問題的成本具有差異性非常大的特點(diǎn)。盡管看上去情況類似，但產(chǎn)生的成本則可能千差萬(wàn)別。電能質(zhì)量問題成本的決定性因素在于設(shè)備的免疫力和電力供應(yīng)的擾動(dòng)水平。

因此，有必要深入了解電能質(zhì)量問題的成本構(gòu)成，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)查。合同談判、電能質(zhì)量治理的投資決策、提高市場(chǎng)各參與方，包括監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)知都需要對(duì)電能質(zhì)量問題的成本進(jìn)行量化。

傳統(tǒng)電能的應(yīng)用主要是提供動(dòng)力和照明。但近幾十多年來(lái)，電子行業(yè)的興起以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得整個(gè)社會(huì)對(duì)電能的依賴性越來(lái)越強(qiáng)，電能已經(jīng)成為無(wú)可替代的能源。最近,電能進(jìn)一步延伸到了城市供暖和交通運(yùn)輸行業(yè)，成為了電能替代的重要領(lǐng)域。

隨著能源市場(chǎng)化進(jìn)程加快，電力市場(chǎng)自由化使得電能質(zhì)量問題造成的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，最終必須由電力監(jiān)管部門來(lái)保障電能供應(yīng)的質(zhì)量。

現(xiàn)代社會(huì)人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都依賴于連續(xù)可靠的供電。在將來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)在智能電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用將有助于減少連續(xù)可靠供電對(duì)集中發(fā)電形式的依賴。但同時(shí)也增加了系統(tǒng)對(duì)可再生能源高度隨機(jī)性的依賴，從而增加在極端天氣下系統(tǒng)停電的風(fēng)險(xiǎn)。

一旦連續(xù)供電可以滿足，電壓質(zhì)量問題就必須進(jìn)入議題。一方面，電壓質(zhì)量問題受配電網(wǎng)中的眾多事件影響（如故障、諧波干擾、雷擊等），因此追求完美的電壓質(zhì)量是不可能的。另一方面，終端用戶設(shè)備對(duì)電壓擾動(dòng)的免疫水平有限，電壓擾動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障或損壞。平衡電網(wǎng)擾動(dòng)水平和設(shè)備免疫程度的問題稱為“兼容性”問題。找到合適的電網(wǎng)擾動(dòng)水平與實(shí)際可行的設(shè)備免疫度，是大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的努力方向。電網(wǎng)擾動(dòng)水平由規(guī)劃限值和設(shè)備發(fā)射限值確定。設(shè)備免疫程度則由包括安裝和運(yùn)行的產(chǎn)品性能標(biāo)準(zhǔn)確定。

標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)努力制定更加詳細(xì)的IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)和EN 50160 標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于保證電網(wǎng)和用戶設(shè)備之間的兼容性是至關(guān)重要。兼容性是電網(wǎng)和用戶雙方需要共同承擔(dān)的責(zé)任。供電企業(yè)負(fù)責(zé)保證電網(wǎng)運(yùn)行水平，用戶負(fù)責(zé)在相應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行水平下，確保其設(shè)備能正常工作。標(biāo)準(zhǔn)承擔(dān)著準(zhǔn)確定義電能質(zhì)量水平的重要角色，以進(jìn)行責(zé)任劃分（responsibilitysharing）。

當(dāng)用戶希望電網(wǎng)承擔(dān)電能質(zhì)量問題責(zé)任時(shí)，最關(guān)鍵的是從全社會(huì)層面量化解決電能質(zhì)量所需的投資，當(dāng)技術(shù)措施已知時(shí)，投資很容易估算，但電能質(zhì)量問題的成本卻不一定能直接獲得。

不同地點(diǎn)的電能質(zhì)量問題成本差異很大（LPQI的調(diào)查顯示，電能質(zhì)量問題成本均值是中值的3倍，標(biāo)準(zhǔn)差是平均值的5倍），因此電能質(zhì)量問題的經(jīng)濟(jì)影響需要就地分析。這個(gè)現(xiàn)象是相當(dāng)普遍的。例如，在意大利的調(diào)查中，工業(yè)用戶的電壓暫降成本平均值和中值相差六倍。在極端的情況下，在相同的地點(diǎn)和相同時(shí)間段內(nèi)，一些用戶的電能質(zhì)量問題成本巨大，而另一些用戶成本很小。然而，如果采用合理的聚合和推理方法，從總體上掌握電能質(zhì)量問題成本是可行且非常必要的，并能的得到有參考簡(jiǎn)直的結(jié)論。有部分研究已將這種方法應(yīng)用于整個(gè)國(guó)家層面的電能質(zhì)量問題成本。2001年，美國(guó)電科院(EPRI)下屬支持?jǐn)?shù)字社會(huì)的電力基礎(chǔ)設(shè)施組織和Primen公司提交了一份美國(guó)關(guān)于電能質(zhì)量成本的調(diào)查報(bào)告。該報(bào)告(下稱EPRI報(bào)告)估計(jì)停電和其他電能質(zhì)量問題的成本在1190億美元1880億美元之間，其他電能質(zhì)量問題的成本占比少于13%。

2006年萊昂納多電能質(zhì)量組織(LPQI)給出了在歐洲的調(diào)查結(jié)果。這項(xiàng)調(diào)查對(duì)大量的用戶開展了調(diào)查，特別是工業(yè)用戶。調(diào)查結(jié)果表明電能質(zhì)量問題對(duì)工業(yè)用戶，尤其是連續(xù)制造業(yè)用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。約30%對(duì)電能質(zhì)量敏感用戶的電能質(zhì)量成本約為4%的總營(yíng)業(yè)額，其中約60%的電能質(zhì)量問題成本是由電壓暫降和短時(shí)中斷引起的。通過(guò)調(diào)查結(jié)果推算，歐洲的電能質(zhì)量總成本超過(guò)1500億歐元。

在挪威的調(diào)查顯示，用戶每年電壓暫降和中斷的成本介于8.05和11.25億挪威克朗（1歐元為8挪威克朗），其中長(zhǎng)時(shí)停電的成本為4.3億挪威克朗，短時(shí)中斷的成本為2.55億挪威克朗，電壓暫降的成本介于1.2億和4.4億挪威克朗之間。

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議和國(guó)際供電會(huì)議（CIGRE/CIRED）聯(lián)合工作組公布了C4.107報(bào)告，對(duì)目前已有的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)影響方面的的知識(shí)進(jìn)行了總結(jié)。報(bào)告中的一個(gè)主要結(jié)論是無(wú)論是哪種類型的電能質(zhì)量問題，最主要的影響都在于造成了生產(chǎn)過(guò)程中斷，從而引起經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)然，造成生產(chǎn)中斷的原因可能不同，但直接后果是相似的——經(jīng)濟(jì)損失取決于生產(chǎn)中斷的持續(xù)時(shí)間和受影響的范圍。成本構(gòu)成可以標(biāo)準(zhǔn)化為以下內(nèi)容：

• 生產(chǎn)損失：原材料和勞動(dòng)力的浪費(fèi)

• 停工期間閑置人員的人力成本

• 重啟動(dòng)成本

• 設(shè)備損壞

• 其他間接成本，如處罰或賠償?shù)?

此外，可能也會(huì)出現(xiàn)非生產(chǎn)過(guò)程中斷的相關(guān)成本：

• 能量損耗 (由于諧波，電壓降低引起的電流增大或不平衡)

• 由設(shè)備過(guò)熱或不正常運(yùn)行造成的提前老化

• 無(wú)法實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)能生產(chǎn)的效率降低成本

在考慮電能質(zhì)量問題成本時(shí)，需要注意電網(wǎng)公司(在歐洲稱為配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商DSO)也承擔(dān)電能質(zhì)量問題帶來(lái)的后果，如：

• 治理電能質(zhì)量問題的成本，如配電網(wǎng)中的各種技術(shù)措施：分段、接地、絕緣、動(dòng)物防護(hù)、防雷和快速切換等

• 提高可靠性（非電能質(zhì)量問題）的成本，如重合閘方案、備用線路和環(huán)形供電等

• 響應(yīng)電能質(zhì)量問題的成本，如呼叫中心，響應(yīng)人員，檢查、監(jiān)測(cè)、咨詢和治理等

• 維護(hù)成本，如巡視、剪枝和設(shè)備維護(hù)等

長(zhǎng)時(shí)中斷

長(zhǎng)時(shí)中斷是因外部因素（如電纜損壞）或內(nèi)部設(shè)備故障造成的電力供應(yīng)中斷，無(wú)法通過(guò)清除故障或倒閘操作快速恢復(fù)供電。IEEE和Cenelec在電壓閾值和區(qū)分長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)中斷的持續(xù)時(shí)間方面存在一些差異，但這些差異并不重要。因?yàn)榇蠖鄶?shù)非永久性短時(shí)中斷的持續(xù)時(shí)間都少于1、2或3分鐘，中斷的殘余電壓要么為零，要么非常接近零，而不是1%、5%或10%的標(biāo)稱值。長(zhǎng)時(shí)中斷有時(shí)被稱為停電（blackout）。blackout通常還表示持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)，覆蓋面非常廣、危害非常大的大停電事件。對(duì)居民住宅而言，停電的后果可能只是增加了生活的不便，如限制了看電視等休閑活動(dòng)或無(wú)法滿足照明等基本功能要求。但有時(shí)后果可能會(huì)更嚴(yán)重。如長(zhǎng)時(shí)間停電且家里沒有儲(chǔ)能裝置，冰箱里的食物就會(huì)變質(zhì)，供暖也無(wú)法工作(即使不是電取暖，但溫度控制和熱水循環(huán)仍然需要用電)。當(dāng)溫度很低時(shí)，水可能會(huì)在管道中凍結(jié)，帶來(lái)嚴(yán)重的后果。家庭自動(dòng)化系統(tǒng)也需要供電，長(zhǎng)時(shí)間停電可能導(dǎo)致家里的警報(bào)、火災(zāi)或爆竊無(wú)法檢測(cè) (備用電源只能保證有限時(shí)間的供電)。

常用于量化上述問題的方法為用戶支付意愿法(WTP)，即用戶為提高供電可靠性愿意支付的金額，和用戶賠償意愿法（WTA），即用戶遭受上述問題后可以接受的賠償金額。這些金額通常與用戶的用電量有關(guān)。用戶往往喜歡更少的支出和更多的補(bǔ)償，因此采用WTA和WTP的平均值作為用戶停電成本比較合適。在意大利的調(diào)查顯示，居民用戶的停電成本約為電價(jià)的100倍，因此需要保障居民用戶的供電連續(xù)性。

電壓暫降和短時(shí)中斷

短時(shí)中斷和長(zhǎng)時(shí)中斷有時(shí)會(huì)被同等對(duì)待，因?yàn)槎叨汲霈F(xiàn)了能源供應(yīng)的中斷。但這種處理方式無(wú)法體現(xiàn)短時(shí)中斷造成的經(jīng)濟(jì)損失。如前所述，停電成本與持續(xù)時(shí)間二者之間是存在一定關(guān)聯(lián)關(guān)系。但在本節(jié)中的短時(shí)中斷成本與持續(xù)時(shí)間卻不是一個(gè)直接的比例關(guān)系。例如1小時(shí)的停電造成的經(jīng)濟(jì)損失可能是1分鐘停電的2-4倍，甚至更大，但生產(chǎn)過(guò)程重啟時(shí)間所占的比重卻相差很大。

短時(shí)中斷實(shí)際上應(yīng)該是一個(gè)電壓質(zhì)量問題。短時(shí)中斷最常見的原因是短路故障。在這種情況下，由于故障引發(fā)大電流從而快速清除，如樹枝被炸開。緊接著一個(gè)成功的自動(dòng)重合閘操作恢復(fù)供電。因此，故障的下游將經(jīng)歷一個(gè)短時(shí)中斷，而故障上游則經(jīng)歷一個(gè)電壓暫降。

電壓暫降第二個(gè)常見的原因是大型負(fù)載的啟動(dòng)或投入（如無(wú)軟啟動(dòng)的電機(jī)）。這個(gè)原因引起的電壓暫降殘余電壓較高，尤其在系統(tǒng)短路容量較小時(shí)更為明顯。

如果系統(tǒng)的免疫度無(wú)法抵御電壓暫降或短時(shí)中斷，將導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中斷。雖然電機(jī)能夠在其慣性作用下繼續(xù)保持運(yùn)行，但如果遭遇非常嚴(yán)重的電壓暫降時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速將會(huì)降低，并可能無(wú)法恢復(fù)。當(dāng)有變頻調(diào)速時(shí)，由于控制的作用，電機(jī)將會(huì)對(duì)電壓暫降更為敏感。其他對(duì)電壓暫降敏感的設(shè)備還包括繼電器、接觸器、電機(jī)啟動(dòng)器和所有電子控制設(shè)備，如計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制器等。白熾燈的光照度與電壓值密切相關(guān)，并會(huì)收到電壓閃變的影響。氣體放電燈，如常見的高壓鈉燈，則對(duì)電壓暫降非常敏感，如果其他放電燈中斷，只能等燈冷卻后才能重新點(diǎn)亮。

電壓暫降免疫度是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。由UPS保護(hù)整個(gè)工廠能保證免疫度，但投資巨大。正確的方法是找到那些對(duì)生產(chǎn)過(guò)程至關(guān)重要的組件，例如對(duì)電壓暫降敏感的可編程序控制器電源和接觸器等。

電壓暫降的成本通常低于短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)中斷，但電壓暫降的發(fā)生頻率更高。中斷將影響所有無(wú)保護(hù)的生產(chǎn)過(guò)程，但電壓暫降只影響最敏感的生產(chǎn)過(guò)程。如果生產(chǎn)過(guò)程采用并行設(shè)計(jì)，那些未被影響的生產(chǎn)過(guò)程仍能繼續(xù)運(yùn)行。

電壓暫降在工業(yè)生產(chǎn)中尤為突出。不同的調(diào)查都表明連續(xù)制造業(yè)和IT業(yè)是最敏感的。半導(dǎo)體行業(yè)的電壓暫降成本在所有行業(yè)中最高，其他的調(diào)查也有相同的結(jié)果。

LPQI的調(diào)查結(jié)論是最敏感的行業(yè)約占全歐洲產(chǎn)值的20%和工業(yè)產(chǎn)值的30%。，其電能質(zhì)量問題成本約為產(chǎn)值的4%。24%的電能質(zhì)量問題成本是由于電壓暫降引起的，19%是由于短時(shí)中斷引起的。每次電壓暫降事件成本介于2.120 和4.682€。工業(yè)的短時(shí)中斷成本是電壓暫降成本的3倍，工業(yè)的短時(shí)中斷成本是電壓暫降成本的9倍。所有用戶平均每年經(jīng)受13起電壓暫降和6起短時(shí)中斷。

2007年的一項(xiàng)意大利調(diào)查顯示，工業(yè)用戶的平均損失為746€/千瓦，而損失中值 (被認(rèn)為更切合實(shí)際的影響分析)為21.3 €/千瓦。最敏感的行業(yè)是金屬加工業(yè)和電機(jī)制造業(yè)。單一電壓暫降事件損失中值為1.1 €/千瓦，一年內(nèi)約發(fā)生20次。

迄今為止，中斷和電壓暫降造成的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)開展了較多的研究，并有一定的量化結(jié)果。EPRI調(diào)查表明，除中斷事件外，電壓暫降在整個(gè)電能質(zhì)量問題的占比為48%。

在以下部分將會(huì)簡(jiǎn)要地描述其他電能質(zhì)量問題的成本。

諧波

諧波是一種由于非線性負(fù)荷增多，尤其是電力電子設(shè)備增多，造成的一種電能質(zhì)量問題。設(shè)備允許發(fā)射水平受到標(biāo)準(zhǔn)的限制。設(shè)備制造商必須想辦法降低設(shè)備產(chǎn)生的諧波，如增加三相設(shè)備中的脈動(dòng)數(shù)，在單相供電設(shè)備中采用功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)等。諧波治理技術(shù)目前比較便宜且有效。但是各種電子設(shè)備的使用增多使得諧波問題仍然存在。電壓畸變，更多情況下，電流畸變可能導(dǎo)致供電中斷從而造成損失。諧波會(huì)造成變壓器或電力電纜過(guò)熱，從而引起供電中斷。諧波的影響包括以下幾個(gè)方面:

諧波電流：

• 斷路器因諧波造成電流峰值增大而誤動(dòng)

• 三相四線中的中性線過(guò)熱

• 變壓器渦流損耗增加而導(dǎo)致變壓器過(guò)熱

• 造成電容器過(guò)流

諧波電壓：

• 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)損耗增大

• 產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償電容器過(guò)應(yīng)力

• 基于過(guò)零點(diǎn)控制的紊亂

  
  

設(shè)備過(guò)熱將導(dǎo)致了設(shè)備使用壽命嚴(yán)重縮短。

LPQI調(diào)查顯示，諧波的成本占所有電能質(zhì)量問題成本的5.4%。然而，受訪者很難區(qū)分因諧波問題造成的生產(chǎn)中斷，而主要是考慮諧波導(dǎo)致生產(chǎn)減緩的成本，如精度變差、簡(jiǎn)單的誤操作、失步和廢品增加等。25%的諧波成本與設(shè)備有關(guān)，如設(shè)備損壞或維護(hù)增加。雖然已知諧波會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，但受訪者無(wú)法提供有關(guān)這些損耗的信息，因此這一成本要素仍然難以量化。

EPRI調(diào)查顯示，諧波成本站所有電能質(zhì)量問題成本的22%(不含中斷)。

最近，超級(jí)諧波（supra-harmonics，2kHz~150kHz）日益受到關(guān)注。這些諧波由不同類型的電子器件產(chǎn)生的，會(huì)對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化中的電力線路通信信號(hào)產(chǎn)生干擾。

瞬態(tài)電能質(zhì)量問題

瞬態(tài)電能質(zhì)量問題指是時(shí)間非常短（最多為幾毫秒）、幅值非常高（可達(dá)幾kV）和上升速度快的電壓擾動(dòng)問題。瞬態(tài)電能質(zhì)量問題中包含有高頻分量，在電網(wǎng)中很難傳播，通常研究其就近的影響，而忽略其他地方的影響。

造成瞬態(tài)電能質(zhì)量問題的原因包括電網(wǎng)中的開關(guān)操作或雷擊，以及用戶感性負(fù)荷的投入。瞬態(tài)電能質(zhì)量問題有幾kV的幅值，會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞。電網(wǎng)企業(yè)和電信企業(yè)都采取了相應(yīng)的措施，以保證設(shè)備不會(huì)受到瞬態(tài)電能質(zhì)量問題的影響，且不會(huì)傳播到用戶處。盡管如此，瞬態(tài)電能質(zhì)量問題會(huì)破壞數(shù)據(jù)，因此還是會(huì)引起生產(chǎn)中斷。

令人有些吃驚的是，在LPQI調(diào)查中，瞬態(tài)電能質(zhì)量問題的關(guān)注度非常高。雖然瞬態(tài)電能質(zhì)量問題不常發(fā)生，但一旦發(fā)生，后果非常嚴(yán)重。EPRI報(bào)告也表明，瞬態(tài)電能質(zhì)量問題的用戶關(guān)注度排在第二位。

其它問題

電壓暫升比電壓暫降發(fā)生次數(shù)上，但當(dāng)電壓暫升幅值較大時(shí)，也可能造成設(shè)備損壞。電壓暫升帶來(lái)的設(shè)備損壞要比電壓暫降少得多。三相不平衡會(huì)造成線路和變壓器過(guò)熱、損耗增加和使用壽命縮短等后果。電壓閃變會(huì)造成病態(tài)建筑綜合癥（sick building syndrome）。雖然白熾燈（對(duì)閃變最敏感）的使用量越來(lái)越少，但電子換流器中的開關(guān)抖動(dòng)也會(huì)造成緊湊型熒光燈（CFL）和LED燈的閃爍，帶來(lái)同樣的問題。當(dāng)然，上述電能質(zhì)量成本較低。LPQI調(diào)查表明，其他電能質(zhì)量問題成本不到整個(gè)電能質(zhì)量問題成本的5%，其主要后果是生產(chǎn)減緩和失靈。

世界范圍內(nèi)的不同調(diào)查顯示，劣質(zhì)電能的成本巨大，甚至可以和電費(fèi)收入相當(dāng)。在敏感行業(yè)中，電能質(zhì)量問題的成本會(huì)大大影響企業(yè)的產(chǎn)能。LPQI調(diào)查顯示，電能質(zhì)量治理設(shè)備的容量與已治理電能質(zhì)量問題成本存在較大的相關(guān)性。同時(shí)，電能質(zhì)量治理設(shè)備的投資費(fèi)用與未治理電能質(zhì)量問題成本存在較大的差異，所占比重約為10%。

雖然統(tǒng)計(jì)值和各種指示對(duì)該問題的分析是有幫助的，但即使在同一行業(yè)，也沒任何兩家企業(yè)的電能質(zhì)量問題成本相同，因此電能質(zhì)量問題成本需要單獨(dú)進(jìn)行校核。