电能质量问题会给社会带来严重的经济损失，为了提高电能质量，必须采取各种有效的技术措施。除了评估其技术效益外，经济效益的评估也十分重要。文章对改善电能质量连续变化型指标和突发事件型指标的经济效益评估方法做了简要论述，介绍了一些实用计算公式和经验参数，有助于专业人员全面地分析改善电能质量的节能降耗等经济效益。
0引言
随着高新技术产业的发展，计算机、电力电子和微电子技术的广泛应用，电能质量对国民经济和人民生活的影响与日俱增。不同质量指标偏离理想值的程度不同，对各种设备有不同的影响。从实用角度，电能质量指标可分为变化型指标（即和连续性扰动相关的指标）和事件型指标（即和突发性扰动相关的指标）。变化型指标主要有电压偏差、频率偏差、谐波和间谐波、三相不平衡、电压波动和闪变等；事件型指标主要有电压暂降、暂升和短时断电、过电压等。可以
采取不同措施解决电能质量问题。一般用相关的标准限值作为电能质量合格与否的判断依据；但还有许多情况，没有或不能用标准来判断，特别是事件型指标，目前还没有统一的标准。改善电能质量，既有技术效益，也有经济效益。标准规定的限值可以作为技术评估的准则，但不能作为经济效益的评判依据。对每一类影响而言，均可采用两种方法进行评估：确定性方法和概率性方法。
确定性方法适用于系统运行信息都确定已知的情况。对于已有系统，且系统的运行条件是可重复和可统计的，就应用该方法；概率性方法适用于部分因素存在不确定性的情形。对于假设的系统或必须进行改进的已有系统，可采用概率法。经济效益的评估涉及的因素较多，且对改善电能质量措施的采用有时起关键的作用，值得深入研究。目前这方面发表的文章较少，特别是经济效益的量化分析，缺少相关的参考资料。限于篇幅，本文只对改善电能质量变化型指标和事件型指标的经济效益确定性评估方法做简要介绍，提供了一些实用计算公式和经验参数，有助于专业人员量化分析改善电能质量的节能降耗等经济效益。实际上，正如文献［2］指出那样，确定性方法可提供同样适用于概率法的研究框架。
2013年12月，全国电压电流等级和频率标准化标委会即SAC/TC1标委会启动了“电能质量经济性评估”国家标准的制定，目前已完成送审稿审查。标准按照应用领域划分为3部分，第1部分：电力用户的经济性评估方法；第2部分：配电网的经济性评估方法；第3部分：电能质量经济数据收集方法。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。本文的内容将有助于本标准的贯彻执行。
1电能质量变化型指标的经济评估
对于变化型指标评估电能质量降低造成的经济损失，包括：①有功功率损耗和电能消费的增加；②缩短电气设备的使用寿命；③使无功功率消耗增加，恶化功率因数；④加大供电系统设备容量，增大系统的投资；⑤使产品的质量降低、数量减少，降低劳动生产率以至破坏生产设备和工艺过程。
前4种损失发生在电力系统和用户主要电气设备上，即异步电动机、同步电机、电力变压器、电力线路和电力电容器上，电能质量一些主要指标对其影响可以计算出来，第5种影响对不同设备、不同行业、不同生产线差别很大，目前仅有一些经验数据，尚无定论。
本文不讨论电能质量恶化可能导致系统性事故的情况，也不对用户难以参与的频率偏差影响做经济评估。
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本节内容有删减。
2电能质量事件型指标的经济评估
2.1供电系统的电压暂降特性以及用电设备的电压暂降耐受特性
首先了解供电系统受到的扰动种类和其发生的频度。对于大多数用电设备，最主要的扰动为电压暂降和短时断电，但这些扰动在电力部门可靠性统计中均未被包括在内。
对于用电设备的电压暂降，一般用其幅值和持续时间来表征其特性。图1是发生在美国某个塑料制造厂电压暂降幅值和持续时间特性。图中同时绘出美国标准SEMIF47中所规定的半导体制造设备耐受水平曲线（在曲线上方的电压暂降事件，设备应能承受）。但在实际中，图1加圆圈数据点所示的电压暂降事件导致了该厂生产过程中断。显然，该工厂的设备还不能满足SEMIF47标准规定的电压暂降耐受水平的要求。
电压暂降和电压中断事件是随机性的，这需要较长时间（例如1～3年）监测积累；而用电设备对的电压暂降的耐受性，也需要大量监测统计的（除非设备制造商能提供确切的耐受曲线）。同时还应考虑到，供电系统的变化也将影响电压暂降的发生次数、幅值和持续时间。因此，提出一个合理的系统电压暂降特性和设备电压暂降耐受性并不是轻而易举的事。一般而言，电压暂降事件次数的期望值应利用SARFI指标（SystemAverageRMSVariationFrequencyIndex），即在一定时间（例如一年）内电压暂降的幅值低于门限值（阈值）的频度来统计，只是目前我国尚未普遍开展这方面工作，难以获取相关资料。
2.2与突发事件相关损失费用的估计
对于事件型电能质量指标偏离造成经济损失的评估应包括：①造成产品的直接损失（主要是指停产造成产量减少）；②与劳动相关的损失，例如工作人员空闲、加班费、清理以及检修费用；③附加费用，例如设备损坏、失去商机费以及货物延误交付的罚款等。考虑上述3类损失，就可以列出与某扰动相关的所有损失费用的明细表，求出一次扰动的损失费。对于经济分析，往往可以从暂时中断的损失费出发。表2是文献［13］提供的工业和商业的各细分行业中每次暂时断电的损失费。
各种费用一般随电能质量扰动的严重度（由幅值和持续时间两因素决定）而变。这可以用加权因子来确定。通常利用一次电压暂时中断的费用作为基础来确定加权因子。一次电压暂时中断会引起不采取某种技术措施的敏感设备或工序破坏（停运），造成经济损失，不同程度的电压暂降会造成不同影响与不同的经济损失，如果电压暂降至60%，导致的经济损失为电压暂时中断造成经济损失的80%，则加权因子为0.8。同理，电压暂降至75%，造成的经济损失仅为电压中断损失费的10%，则加权因子为0.1。
对于一个电能质量事件，采用加权因子之后，事件的经济损失费用就表示为一次电压暂时中断经济损失费用的标么值；而若干电能质量事件可以通过加权综合，总经济损失费用就可用等值电压暂时中断次数表达。表3所示为某次调研所使用的加权因子实例。表中将加权因子和期望的性能结合起来，以确定与电压暂降和电压中断相关的年度总费用。由表3可见，该实例的总等值损失费用是一次电压中断损失费用的16.9倍。如果一次电压中断损失费用是＄40000，则与电压暂降和电压中断相关的年度总损失费用为＄676000。加权因子还可以进一步扩充，将影响所以三相的暂降和仅影响一相或两相的暂降之间作区分。
2.3对解决方案相应费用和效益的评估
用于改善电能质量性能解决方案的范围很广，相应费用和效益也各不相同，原则上主要有4种可选方案：①改善供电系统性能以提供优质电力；②在用户入口处采取技术措施；③在用电装置内部设备处实行电力调节；④用电设备本身的解决方案（规范、设计、局部电力调节）。
一般而言，这些解决方案的费用随着所需保护负荷功率的增加而增加。这意味着，如果能做到把电能质量敏感设备或控制系统与不需要保护的设备隔离，单独地加以保护，则更为经济。
改善电能质量可选方案的评估实际上是一种经济上的比较。必须对不同可选方案的电能质量变化的经济影响和改善性所能需费用进行比较。
表4所列为美国用于改善电压暂降和电压中断性能的一些通用技术措施的初始投资和年运行费用。但这些费用经常在变化，所以不应当将其视为任何特定产品的示范。
除了需对解决方案的技术措施费用进行评估之外，还需要根据所能达到的性能改善做定量评估。改善电能质量解决方案的效果一般随电能质量扰动的严重度而变，可以用“避免的电压暂降百分值”来确定。表5对表4中各种改善方案效益的概念进行说明。
2.4治理方案的确定
电能质量性能改善不同的可选方案比较过程要涉及确定每种方案年度总费用，包括与电压暂降相关的费用（年度电能质量费用）与实施解决方案折合的年度费用（年度电能质量解决费用）。目标是使两者费用之和最少。根据总的年度费用，对不同的电能质量解决方案做比较。比较分析中一般还包括不采取任何措施的方案（视为基本情况）。其年度电能质量解决费用为零，但年度电能质量费用最高。
年度费用中有许多费用（电能质量费、运行费以及维护费）是自然的年度费用。而与购买和安装各种解决技术有关的费用则是一次性预付费用，这些费用可以用一个适当的利率以及设定的寿命或评估周期将其折合到年度费用中去。
图2所示为一个典型工业设施进行的年度费用分析。设施总负荷为5MW，其中约有2MW负荷需要对电压暂降加以保护以免生产破坏；电压暂降的性能在表3中给出；1次电压中断损失费用为40000美元，电压暂降的费用则以此为基础再根据前面给出的加权因子确定。由表5中6个技术措施的分析结果可以求出年度总费用。其中一次性预付费用的年度折合基于15年寿命以及10%利率。
从图2可见，与不采取任何措施的基本情况相比，任何一个方案都减少了年度总费用。换言之，对该设施来讲，任何一个选择方案，在设定的利率和寿命下，和现状相比都有经济效益。从图2可见，最好的解决方案为在电力公司侧采用快速切换开关。当然，此方案要有一条可利用的备用馈线，而且从电力公司到这条备用馈线的连接，只出设备和运行费，不需要花费其他费用。
对无备用馈线的一般场合，采用有源串联补偿器（DVR）或者飞轮备用电源方案保护2MW的敏感负荷可能是合理的；只用CVT保护控制部分方案不是最好的解决方案。
3经济评估其他一些考虑因素
1）若电网中存在谐波而使功率因数补偿电容器不能正常投入运行时，存在两种情况：①电容器组切除。这种情况应计及低功率因数造成的电费罚款以及无功功率的网损问题，限于篇幅在此不予论述。②电容器组改造（串联电抗器或改为滤波器）。这种情况应计及改造费用。关于利用无源滤波器进行谐波治理的技术经济效益，文献［15］提供了相当多的实例，可供参考。
2）在6～10kV电网中如存在较大的谐波电压，则发生单相接地概率增加，同时由单相接地过渡到多相短路接地的概率也增加。国外的经验数据：当电网谐波电压总畸变率为5%～7%时，电缆网单相接地每年增加6%～20%；而短路过渡的概率增加15%。
3）关于工业电弧炉采用动态无功补偿后经济效益的估算。工业电弧炉是电网中主要冲击负荷，例如目前30t及以上炉子接入110kV及以下电网一般需要考虑动态无功补偿，例如用TCR型SVC。SVC装置可以解决电弧炉造成的电压波动、谐波、三相不平衡以及闪变等电能质量问题，同时可以改善功率因数、提供电炉的生产率，即增加产量，提高质量，降低吨钢电耗，延长炉衬使用寿命，对企业有明显的经济效益。国外试验表明，若使母线电压波动减少10%，则电炉输入功率可以提供20%。并可以缩短冶炼时间ΔTmd，计算公式如下：
【例】已知W=600kWh/t，G=150t，电炉的平均功率P1=57MW。由计算结果可知，投入SVC后使炉变33kV母线电压减少5.5%，则约使电炉输入功率增加11%，电炉的平均功率达到P2=57×（1+0.11）=63.3MW，可减少每炉钢冶炼时间为：
4）电压偏差大小对有些产品的电耗或生产率有明显的影响，表6所示为电压降低对电解铝生产影响的统计结果［16］。文献［4］认为，总体上，由电压偏差造成的损失最大，而由非正弦和电压不对称造成的损失平均为电压偏差损失的0.4～0.5。
5）针对电压暂降对敏感性负荷的影响，国内早已开始治理措施的开发研究，并取得不少成果。文献［17］分析了电压暂降治理的经济效益，并通过具体应用案例，说明其有效性和经济性。
6）实际上，电能质量的影响，除了以上所述内容以外，许多情况下需要结合电网、负荷和工艺流程特点做更全面的量化比较。例如在电力系统中某一枢纽点上采用SVC，则应分析对提高输电能力，降低电网损耗，改善系统的静态和暂态稳定性，抑制振荡等的作用。文献［18-19］提供了在电力系统中采用国产SVC装置的技术经济效益情况。
4结语
电能质量关系到国民经济总体效益。改善电能质量可以针对不同的指标采取相应措施解决。原则上可以将电能质量指标按变化型和事件型两大类处理。任何指标的改善，应计及技术措施的成本和运行费及其改善相应指标的效益。对于变化型指标，应计算出相关设备上的功率损耗、使用寿命的缩短、容量利用率以及功率因数变化的经济效益，尽量计及对产品产量和质量的影响；对于事件型指标，应确定供电点SARFI指标，用户（设备）对相应扰动的敏感性，从而求出扰动造成的经济损失。
因此，经济效益的比较应进行下列工作：①电能质量状况的测试、调研，相关危害的影响统计；②供电点扰动特性（变化型和事件型指标）确定；③采用不同措施方案电能质量指标改善情况及效益计算；④不同措施的费用，并计及运行损耗、维护、折旧费等；⑤综合比较各种方案的技术经济效益，选取最佳方案。
总之，电能质量的技术经济分析涉及很多因素，需要结合工程实际做大量深入细致工作，经全面分析比较后才能得到合理的最佳方案。
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原标题：【电能质量讲座之五】林海雪：改善电能质量的经济评估
