油田电网功率因数的测量与表达方法

赵立新 （中国石油天然气集团公司西北油田节能监测中心）

油田电网功率因数的测量与表达方法

赵立新 （中国石油天然气集团公司西北油田节能监测中心）

油田电网用电设备和负荷的特殊性导致电网中存在着谐波干扰、短期过补偿现象、短期发电现象等。采用不同的计算方法会带来不同的结果和结论，对油田用电单位确定节能技改措施会造成一定影响。根据功率因数的定义与计算理论，结合测量结果的合理性及对生产实践的指导与促进作用，可以确定油田电网在各种电气状态下功率因数的测量与表达方法，为用电单位和用电管理部门进一步提高功率因数、改善电能质量，实现节电降耗提供更准确有效的参考数据。

油田电网；功率因数；谐波；容性负载；发电状态

油田生产中电能消耗约占油田各类能耗总额的30%。为减少电能消耗、提高用电效率，油田各生产单位针对常用的耗电设备，如抽油机、注水泵、输油泵、压缩机、变压器等，实施了大量的节能改造项目，采用的节能技术包括变频技术、无功补偿技术、永磁电动机技术等。这些节能技术的运用在实现节能降耗的同时，也给电网环境带来很大影响，使油田电网的电气环境更为复杂，有的甚至对电网供电质量造成较大伤害，如谐波影响、负荷波动等。在反映电网电能质量的各项监测指标中，功率因数是其中一个重要和关键性指标，而在油田电网这种复杂电气环境下，功率因数不同的测量与表达方法会产生不同的结果，对判断电网或用电设备的功率因数状况、分析存在问题、制定对应的节能和改造措施都带来较大影响。

1 功率因数的概念及意义

在交流电路中，电压与电流之间的相位差φ的余弦叫做功率因数，用符号cosφ表示。在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值[1]，即

式中：P——有功功率，W；

S——视在功率，VA；

U——电路电压值，V；

I——电路电流值，A。

功率因数是表征用电设备电气特性的一个参数。功率因数低，会导致线路供电损失的增加。通过改善和提高功率因数，可以减少线路中总电流和供电系统中的电气元件的容量，如变压器、电动机、导线等，还可减少投资费用，降低线路及设备本身的电能损耗；藉由良好的功率因数，可以减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能质量；可以增加系统的裕度，充分挖掘发供电设备的潜力，在既有设备容量不变的情况下，提高功率因数后，可以增加供电系统负载的容量。

在油田生产中，各单位对电网功率因数都非常重视，如果用电单位电路及设备的功率因数偏低，供电部门会对其征收惩罚电费，用能管理部门会对其进行用能考核。因此，用电单位为减少电能损耗、改善电能质量、增加供配电系统负载的容量、避免被征收惩罚电费和考核，希望尽量提高电路和用电设备的功率因数，而提高功率因数的前提是准确测量现有的功率因数状况，并根据测量结果来确定采取的措施。

2 功率因数的测量和计算方法

2.1测算方法

功率因数的测量目前有三种方法。

1）功率因数表法直接测量：根据功率因数的定义，直接测量电压与电流的相位差φ，进而计算出功率因数。用功率因数表测量的是瞬时功率因数值。

2）功率法测量：测量负载的有功功率和视在功率（或无功功率），用勾股定理或三角函数，按照公式（1）计算出功率因数，这是依据功率因数定义的计算公式得出的测量方法。测量结果可以是瞬时功率因数值，也可以是一段时间的平均值，关键取决于测量仪器的数据采集频率和测量时间的设定。

3）电量法测量：测量一段时间的有功电量和无功电量数据，用三角函数计算出功率因数值。这种方法测量的是一段时间的平均功率因数值。

三种方法在生产实际中都有应用，只不过在不同的测量环境和要求下，会采用不同的对应方法。其中，功率因数表法适合测量电路瞬间的功率因数，其测量数值变化快，在复杂电气环境下对测量仪器的性能要求较高，需要对电路功率因数进行实时分析的情况下可采用该方法；电量法适合测量较长时期内电路总体的功率因数，供电单位一般采用这种方法；功率法既适合瞬时功率因数测量，也可以对一定时期平均功率因数值进行测量，大多数电能测量仪器都具有这种测量模式，也是技术检测机构通常采用的测量方法。

2.2单相和三相电路功率因数的测量

单相和三相电路系统的功率因数测量计算方法略有不同。对单相电路系统，功率因数可以直接测量，而对于三相电路系统，通常是测量三相电路的平均功率因数。如果三相电路是均衡负载，则平均功率因数与各单相电路的功率因数差别不大；如果三相电路负载不均衡，则平均功率因数与各单相电路的功率因数差别很大，平均功率因数就不能准确反映三相电路系统的实际用电状况。对于油田生产系统的用电，其三相用电系统的负载是近似均衡的。

2.3谐波对功率因数测量的影响

随着电子技术的普及应用，电路中能够产生各种谐波的用电设备越来越多，谐波的含量越来越大，对电路中其他设备的正常运行造成不利影响[2]。谐波环境下的功率因数测量有两种方式：测量全波的功率因数，见公式（1）；测量基波的功率因数，见公式（2）或公式（3）。

或

式中：P1——基波有功功率，W；

S1——基波视在功率，VA；

U1——电路基波电压值，V；

I1——电路基波电流值，A；

Q1——基波无功功率，var。

从公式（1）和公式（2）可以看出，由于电路电压值U和电路电流值I总是大于电路基波电压值U1和电路基波电流值I1，而谐波不产生有效功率，使得电路有功功率P近似等于电路基波有功功率P1；因此，电路的基波功率因数值cosφ1总是大于其全波功率因数值cosφ。

3 油田电网的电气环境

在通常情况下，油田用电设备大部分是感性负载或电阻性负载，但随着各类电子设备的大量应用，尤其是电子开关类设备和变频器的大量运用，在油田电网中产生了极大的谐波干扰，电网中谐波含量很高，导致各类设备误动作甚至损坏；同时，由于无功补偿、永磁电动机等技术的运用，部分电路会出现过补偿现象，导致电路呈现为容性负载；再有，就是油田机械采油设备的用电负荷呈现较大的波动状态，极端情况下甚至会出现反发电现象。综上所述，油田电网的电气环境比较复杂，相较普通电网在功率四象限图中通常只出现第一象限的情况，油田用电在功率四象限图中的四个象限都可能出现，并且可能同时伴有较大的谐波含量（图1）。

图1 功率四象限

4 不同测量与表达方法分析

油田电网功率因数的测量与表达方法，一直是困扰技术检测机构的一个问题。正确测量和表达电路功率因数，需要考虑测量理论、测量对象、测量设备、测量结果是否有利于用电质量提高等多个方面的要求。

4.1谐波条件下的测量与表达方法

从测量理论看，功率因数主要可以分为全波功率因数和基波功率因数两种，见公式（1）和公式（2）。其中，基波功率因数只反映无功功率对功率因数的影响，而全波功率因数可以反映无功功率和谐波共同对功率因数的影响。目前提高功率因数的主要方法是加装补偿电容器，这种方式只对无功功率偏大导致的电路功率因数较低情况有改善作用，但对谐波导致的电路功率因数较低的情况基本没有作用。对于谐波导致电路功率因数较低的情况，可以通过安装有源滤波器或无源滤波器来减少谐波分量，进而从根本上提高电路功率因数。因此，测量全波功率因数可以更全面反映电路的实际电能质量情况，对用电单位和用电管理部门进一步提高电路功率因数、改善电能质量，具有更有效的指导作用。

4.2短期容性负载条件下的测量与表达方法

当用电设备采用永磁电动机技术或无功补偿技术时，部分油田电路可能会在一个运行周期的一段时间内呈现为容性负载；如果采用公式（3）计算，即计算基波功率因数，短时间出现的容性无功功率会在累计的总无功功率中被扣减，使得最终计算的功率因数结果会比较高，但这并不符合电路功率因数的实际情况。因为功率因数的一个重要作用是体现电路中无功电流的大小，实际上无论是感性无功电流还是容性无功电流，都会在电路中带来线路损耗。如果采用基波功率因数，会造成线路损耗较大、功率因数却很高的假象，这是不合理的；如果采用全波功率因数，不仅能体现容性电流对线路损耗的影响，也能体现感性电流对线路损耗的影响。

综合考虑全波功率因数和基波功率因数的测量表达效果，要全面、准确测量和表达具有短时间容性状态电路一段时间内的平均功率因数，应该采用公式（1），这样才能既考虑谐波对平均功率因数的影响，也能体现电路短时间出现的容性状态对平均功率因数的影响。

4.3短期发电条件下的测量与表达方法

由于油田用电设备存在负荷波动较大现象，如抽油机的负荷，导致其在一个负荷波动周期内，可能既存在耗电状态也存在发电状态。此时采用功率法计算电路功率因数时，就存在如何确定有功功率的问题。部分测试仪器采用净消耗有功功率，即正向有功功率与反向有功功率相互抵消之后的结果；有些测试仪器采用正向有功功率；也有观点认为应该采用正向有功功率与反向有功功率的代数和。

功率因数主要作用是表达电路中无功功率和无功电流的状态，以及无功功率与有功功率的比率关系；监测功率因数的主要目的是促进用电单位提高用电设备的功率因数，降低线路损耗。对于用电设备，如果在运行周期内存在既耗电也发电的现象，说明其负荷调整有比较明显的问题，应当避免。产生反向有功功率是因为不合理的负荷状态导致的，净消耗有功功率才是用电设备实际上的有效用电。因此，采用公式（1）计算电路全波功率因数时，分子应采用净消耗有功功率，而分母UI中的电流既包含发电状态的电流也包含耗电状态的电流，也体现了无论发电还是耗电，用电设备都要消耗无功功率的实际情况；如此计算得出的功率因数才能有效反映用电设备存在不合理发电状态的问题。

4.4平均功率因数的测量与表达方法

在监测油田电路或设备的功率因数时，经常需要测算多条电路或多台设备功率因数的平均值，而平均值的计算方法有算术平均法和加权平均法。

在进行功率因数计算时，基波电参数的视在功率与有功、无功是直角三角形关系，可以计算加权平均功率因数，见公式（3）。但全波电参数的视在功率与有功、无功不是直角三角形关系，如果用有功功率、无功功率加权计算功率因数，有时会出现错误的计算结果。

由表1可知，加权平均的计算结果大于单组数据的结果，明显不符合逻辑。因此，当功率因数为全波功率因数时，测算多条电路或多台设备的平均功率因数应当采用算术平均值，不能进行加权平均计算。

表1 功率因数加权平均与算数平均结果对比

5 结论

由于油田电网用电设备和负荷的特殊性，导致电网中存在着谐波干扰、短期过补偿现象、短期发电现象等，采用不同的计算方法会带来不同的结果和结论。根据功率因数的定义与计算理论，结合测量结果的合理性及对生产实践的指导与促进作用，在谐波条件下和短期容性负载条件下，应当采用全波功率因数的测量结果；在短期发电条件下，应当采用净消耗有功功率计算全波功率因数。计算全波功率因数的平均值不能采用加权平均法，应当采用算术平均法，可以避免出现不合理的结果。依据本结论进行油田电网功率因数的测试计算，有利于发现油田电网可能存在的问题，促进用电单位对不合理用电状况的改进，实现油田电网的节能降耗。

[1]陈文光，唐少农.功率因数的概念及测试方法探讨[J].电气电子教学学报，2002（5）：73-75.

[2]张启林，冯天宝，韩冰，等.非线性负载谐波电流测量及功率因数的研究[J].物理实验，2007（10）：37-39.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.006

2016-05-05

（编辑 李发荣）

赵立新，高级工程师，1988年毕业于北京理工大学，从事节能监测及节能评估研究工作，E-mail：zlixin@petrochina.com. cn，地址：新疆克拉玛依市准噶尔路29号实验检测研究院节能监测中心，834000。