面向公用配电网的电能质量经济性损失评估分析方法研究

袁晓冬，柳 丹

（国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103）

面向公用配电网的电能质量经济性损失评估分析方法研究

袁晓冬，柳 丹

（国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103）

提出了面向公用配电网的电能质量经济性分析基本框架，细化了公用配电网电能质量经济损失构成，分别详细阐述了基于分项统计和实验外推的电能质量经济损失评估方法，并以谐波损耗为例分析了某市配电网2014年度的经济性损失。

电能质量；经济性损失；公用配电网

为了量化电能质量问题的影响，为电能质量罚款、赔偿、电能质量治理投资和优质电力园区电力定价提供基础数据，充分发挥电能质量的经济杠杆作用，撬动电能质量治理、优质优价管理等相关市场，开展电能质量经济性损失评估显得尤为必要。

本文以公用配电网为研究对象，首先对当前国内外配电网电能质量经济性损失分析研究进行了梳理和总结，然后提出了公用配电网电能质量经济损失的组成和评估方法，最后以江苏某市配电网为例给出了电能质量经济性损失评估的案例。

1 公共配电网电能质量经济性评估研究现状

电能质量经济性分析涵盖了电力系统分析、概率统计以及经济学等多个学科，内容交叉且过程复杂。目前国内外已有部分研究，然而在如何评估电能质量经济损失等方面，尚未形成共识，在如何评估其经济价值上还在不断探索。

1.1 欧美

由国际大电网组织（CIGRE）组织成立的联合工作组JWG C4.107在2010年发布了《电能质量经济性框架》技术文件。该文件主要就劣质电能成本的评估建立了一套系统化的分析方法，结合国外电力市场实际分别从电力用户和电网公司两个角度提出了电能质量经济性分析框架。该技术文件对于指导我国进一步开展电能质量经济性评估有一定借鉴意义。

面向电网的电能质量经济性分析研究较少，加拿大魁北克通过试验测量配电网一条典型线路谐波损耗，通过外推得到整个配电网的谐波损耗，其中谐波损耗涵盖了功率损耗（散热）和设备寿命缩短。文献 [1]对某275 kV的高压网络进行了经济性评估，通过构建网络的阻抗模型和故障统计模型，简化的负荷分类，最终得出整个电网的用户总损失。该方法避免了大量的现场调查，可操作性强，且通过完善的技术评估，将结果的误差降至最小。文献 [2,3]给出了中低压系统中常用设备和元件的电热模型，可用于分析设备的提前老化成本。

1.2 中国

2013年12月，SAC/TC1标委会启动了“电能质量经济性评估”国家标准的制定，目前已完成送审稿。标准按照应用领域划分为三部分：第1部分，电力用户的经济性评估方法；第2部分，公用配电网的经济性评估方法；第3部分，数据收集方法。标准给出了典型电能质量问题引起的经济损失评估方法以及治理方案的经济性评估方法，明确了评估对象、评估方法和流程、评估指标以及数据收集方法。本标准在我国属首次制定，具有广泛的指导意义。

国内已有部分研究就电能质量经济性分析中的具体问题进行了初步探讨，这其中包括：文献[4]借鉴神经网络和模糊学在经济领域的应用，建立技术影响和经济损失之间的关系，但没有考虑连续型和事件型电能质量问题的差异性。文献 [5]对电压暂降和短时中断的经济性评估进行了初探，以蒙特卡罗法获取电压暂降特征。

2 评估流程

电能质量的经济损失评估是一个电力技术与经济管理相结合的综合性课题。评估过程可以分为以下三个步骤：电能质量问题技术参数评估；电能质量经济损失计算；年经济损失评估。

图1 电能质量分析流程图

2.1 技术参数评估

一般而言，技术参数评估一般按照以下几个步骤进行，首先选择评估指标，目前电能质量国家标准涉及的指标主要包括：电压暂降和短时中断、瞬态和暂时过电压、谐波/间谐波、电压波动与闪变、三相不平衡、电压偏差和频率偏差。然后收集电能质量数据，主要是通过建立电网和负荷的仿真模型以及电能质量监测设备，从中获得电压/电流的基础数据。为满足经济性评估计算的需要，评估结果形式可以分为量化指标和等级。

2.2 经济损失评估

在上述技术参数的基础上，若要获得经济损失，还需结合电能质量具体的后果，细化损失构成，确定计算所需的数据项。为方便比较与评估，通常需要定义统一的评估指标以描述电能质量的经济影响。一般可将经济评估指标分为两类，基础经济指标和单位经济指标，如图2所示。

图2 经济性损失评估指标

3 公用配电网电能质量经济损失构成

公用配电网电能质量经济损失是指电网因电能质量问题而承受的经济损失，通常包括直接经济损失和间接经济损失。间接经济损失并不直接体现，而通常是隐性的，其往往表现为因电能质量问题导致的利润损失，资源损失及其他损失费用。

3.1 直接经济损失

对于电网而言直接经济损失主要有两个方面：一方面是直接造成电网设备的额外损耗、损坏、老化所引起的损失；另一方面是善后处理费用，包括经济赔偿，用户责任补偿收益，针对用户投诉或电能质量问题鉴定而产生的费用等。

3.1.1 设备额外损耗成本（D1）

谐波、三相不平衡等电能质量问题会导致配电网设备产生附加的损耗，从而造成额外电能损耗成本，计算公式为

式中：LE——年额外累积电能损耗，kW·h；

PSC——单位供电成本，元/（kW·h） 。

3.1.2 设备检修成本（D2）

因电能质量问题引起配电网设备故障，对设备进行非计划检修产生的成本即为设备故障检修成本，包括以下几点。

a）故障现场检修成本：设备维修人工成本等于维修工时乘以人工单价；设备维修耗材成本；检修工具的租赁使用费；设备维修后所需调试费。

b）设备返厂修理引起的费用：土建及环境破坏后修复费用；设备起吊费用；运输费用；修理费用。

3.1.3 设备加速老化年成本（D3）

因受电能质量影响设备使用寿命缩短，从而增加的设备年成本，计算公式为

式中：AO——因加速老化使用寿命缩短后的折旧年值，元；

3.1.4 设备损坏调换成本（D4）

因电能质量问题引起设备损坏，设备更换成本，计算公式为

式中：PES——调换设备初始成本现值，元；

LRES——按正常折旧年限，损坏设备尚未提折旧的年数，年；

I——折现率（%）。

若调换设备为新设备，则PES为新设备初始成本；若非新设备，PES为调换设备的净值与调换安装运输调试费之和。

3.1.5 经济赔偿（D5）

因电能质量问题对用户造成损失，配电网运营主体进行的赔偿。

3.1.6 用户责任补偿收益（D6）

因用户电能质量问题给公用配电网造成经济损失，配电网运营主体获得的补偿收益。

3.1.7 其他直接成本（D7）

针对用户投诉或电能质量问题鉴定而产生的费用，例如额外检测、应急服务等费用。

3.2 间接经济损失

间接经济损失包括因电能质量问题导致售电量减少造成的利润损失，资源损失价值及其他损失费用。

考虑到数据的可获得性，只统计因电能质量问题导致售电量减少造成的利润损失（售电利润损失，D8）。

式中：LR——年累积售电量减少量，kW·h；

PSB——单位售电利润，元/（kW·h）。

4 评估方法

4.1 分项统计

根据经济性影响时间尺度的不同，在对公用配电网电能质量经济损失进行统计时通常按以下两种类型分别统计。

4.1.1 事件型

指突然发生的电能质量问题造成的经济影响。事件型电能质量问题的重要特征表现为电压或电流短时间严重偏离其额定值或理想波形。包括电压暂降和短时中断、瞬态和暂时过电压。在进行年经济损失计算时，主要包含设备故障检修成本（D2），设备加速老化成本（D3），设备损坏调换成本（D4），经济赔偿（D5），用户责任补偿收益（D6），其他直接费用 （D7） 和售电利润损失（D8）。

式中,i=1，2；A1为电压暂降和短时中断年经济损失；A2为瞬态和暂时过电压年经济损失；若事件型电能质量问题还产生3.1节中所描述的其他成本项，则应在式（6）中累积；D8为年内事件型电能质量问题引起的售电利润损失。

4.1.2 连续型

指连续出现的电能质量问题造成的经济影响。连续型电能质量问题的重要特征表现为电压或电流的方均根值、频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。包括谐波/间谐波（A3）、电压波动与闪变（A4）、三相不平衡（A5）、电压偏差（A6） 和频率偏差（A7） 等。连续型电能质量通常会造成公用配电网设备利用率降低、寿命缩短、额外损耗增加等长期性影响。其测量评估往往采用概率统计方法来处理。以谐波/间谐波为例，式（7）给出了其年经济损失的计算方法。

4.1.3 年经济损失成本计算方法

取1年为统计周期，计算1年内配电网因为电能质量问题产生的经济损失，其包括事件型电能质量经济损失和连续型电能质量经济损失，其计算方法为

4.2 试验外推

除了通过以上方法对各损失成本项进行累加计算外，还可以通过实测获得典型配电线路的谐波损耗。由于配网中任一区域谐波损耗与其供电区域的供电量近似成线性关系。实际计算时可以采用试验测量配电网一条典型线路谐波损耗，通过外推得到整个配电网的谐波损耗和供电量之间的特征矩阵。加拿大魁北克水电公司针对配电网中电压电流谐波的影响，开展了技术性和经济性的研究，给出了世界范围的谐波损耗特性矩阵，见表1。电压谐波的三个等级分别对应于国际电工技术委员会（IEC）61000—3—6标准规定的规划水平的50%、100%和150%。

表1 额定负载条件下谐波造成的配电系统单位用电量的能量损耗

由于配电网中元件数量众多，为进一步准确评估实际谐波损耗，需要按实际评估情况确定不同谐波水平下的变压器、线路和电容器占比，进行加权得到各元件的总损耗，最后通过对不同元件的总损耗求和获得配网总损耗。

已知配电网总电量、谐波损耗特性矩阵、各元件在不同谐波水平下的占比、负载率，即可按照公式（9）计算整个配网的年谐波损耗。

5 案例分析

的额外损耗，本案例采用4.2中提出方法对某市配电网由于谐波损耗造成的年经济损失（D1）进行评估。本案例参考了魁北克水电公司通过实测获得的谐波损耗特征矩阵值，结合该市的配网的实测负载率以及电能质量监测数据进行计算。

5.1 谐波损耗特征矩阵

为进一步准确评估实际谐波损耗，在表1的基础上，通过拉格朗日插值，可以得到谐波水平为IEC规定标准的25%、75%、125%时的谐波能量损耗的标幺值，见表2。

表2 额定负载条件下谐波造成的配电系统单位用电量的能量损耗

5.2 谐波损耗评估

已知该市在计算年总供电量为：21.4 TW·h，负载率如表3所示。

表3 负载率(%)

由此可计算得出线路、变压器和电容器的谐波损耗（表4—表7）。

表4 中压线路谐波损耗

配电网中谐波会引起线路，变压器和电容器

表5 低压线路谐波损耗

表6 变压器谐波损耗

表7 电容器谐波损耗

5.3 谐波损耗成本评估

每售出1 kW·h电能，将产生0.53元的成本。江苏该市配电网2014年全年的总供电量21.4 TW·h，共计谐波损耗5.2 GW·h，仅此一项造成的电量损失成本为27.67万元。

6 总结

随着电能质量问题日益突出和电力市场改革日益深化，电能质量问题已转化为技术和经济交融的问题，针对电能质量问题开展经济性分析是实现电能质量高效管理及各方互利共赢的重要基础。目前，电能质量经济性分析仍处在实践阶段，本文提出的配电网电能质量经济损失评估方法为进一步开展经济性分析提供了思路，具有一定的借鉴意义。

[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]金广厚,宋建永,程晓荣.基于模糊神经网络的电能质量指标的经济性评估 [J].电力系统及其自动化学报,2004,6(16): 18-23.

[5]陶顺,肖湘宁,刘晓娟.短路故障引起的电压暂降与短时间中断事件的技术经济评估初探 [J].电气技术,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

袁晓冬（1979），男，江苏南京人，2005年毕业于东南大学电气学院电力系统及其自动化专业，硕士，高级工程师，从事新能源发电并网、主动配电网、电能质量技术工作;

柳 丹（1988），女，湖北武汉人，2013年毕业于中国科学院电工研究所电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，从事新能源发电并网、电力电子技术工作。