【讨论】电能质量问题成本
摘要:随着电力市场越来越关注电价和电力监管越来越关注能效,电能质量问题日益突出。如果无法保证供电的电能质量，可能给用户造成损失,使用电的总成本成倍增加。
供电中断的成本对整个社会都是昂贵的。还有一些工业部门如连续制造或IT产业则对电压暂降特别敏感。无论长时或短时中断、电压暂降、瞬态冲击或其他电压扰动，最终的后果都是导致生产中断。中断的持续时间与电能质量问题发生的频次都会对工业生产产生严重的影响。
虽然在大多数情况下电能质量的成本较低,但根据EPRI的报告，在极端情况下,电能质量问题的成本也可能达到百万美元，因此需要得到足够的重视。电能质量问题的成本具有差异性非常大的特点。尽管看上去情况类似，但产生的成本则可能千差万别。电能质量问题成本的决定性因素在于设备的免疫力和电力供应的扰动水平。
因此，有必要深入了解电能质量问题的成本构成，并进行相应的调查。合同谈判、电能质量治理的投资决策、提高市场各参与方，包括监管机构对电能质量的认知都需要对电能质量问题的成本进行量化。
引言
传统电能的应用主要是提供动力和照明。但近几十多年来，电子行业的兴起以及电力电子技术的发展，使得整个社会对电能的依赖性越来越强，电能已经成为无可替代的能源。最近,电能进一步延伸到了城市供暖和交通运输行业，成为了电能替代的重要领域。
随着能源市场化进程加快，电力市场自由化使得电能质量问题造成的风险越来越高，最终必须由电力监管部门来保障电能供应的质量。
现代社会人民生活和经济发展都依赖于连续可靠的供电。在将来，储能技术在智能电网中的推广应用将有助于减少连续可靠供电对集中发电形式的依赖。但同时也增加了系统对可再生能源高度随机性的依赖，从而增加在极端天气下系统停电的风险。
一旦连续供电可以满足，电压质量问题就必须进入议题。一方面，电压质量问题受配电网中的众多事件影响（如故障、谐波干扰、雷击等），因此追求完美的电压质量是不可能的。另一方面，终端用户设备对电压扰动的免疫水平有限，电压扰动可能会导致设备故障或损坏。平衡电网扰动水平和设备免疫程度的问题称为“兼容性”问题。找到合适的电网扰动水平与实际可行的设备免疫度，是大多数标准的努力方向。电网扰动水平由规划限值和设备发射限值确定。设备免疫程度则由包括安装和运行的产品性能标准确定。图1给出了二者之间的关系。
图1IEC61000-2-12给出的兼容性、免疫度和规划与发射限值之间的关系
标准化机构努力制定更加详细的IEC61000系列标准和EN50160标准，这对于保证电网和用户设备之间的兼容性是至关重要。兼容性是电网和用户双方需要共同承担的责任。供电企业负责保证电网运行水平，用户负责在相应的电网运行水平下，确保其设备能正常工作。标准承担着准确定义电能质量水平的重要角色，以进行责任划分（responsibilitysharing）。
当用户希望电网承担电能质量问题责任时，最关键的是从全社会层面量化解决电能质量所需的投资，如图2所示。当技术措施已知时，投资很容易估算，但电能质量问题的成本却不一定能直接获得。
图2电网成本与电能质量问题成本之间的协调关系
在过去的十年中,多项研究试图分析导致电能质量问题的原因,并评估相关成本。本报告对上述研究进行简要的总结。
区域因素
不同地点的电能质量问题成本差异很大（LPQI的调查显示，电能质量问题成本均值是中值的3倍，标准差是平均值的5倍），因此电能质量问题的经济影响需要就地分析。这个现象是相当普遍的。例如，在意大利的调查中，工业用户的电压暂降成本平均值和中值相差六倍。在极端的情况下，在相同的地点和相同时间段内，一些用户的电能质量问题成本巨大，而另一些用户成本很小。然而，如果采用合理的聚合和推理方法，从总体上掌握电能质量问题成本是可行且非常必要的，并能的得到有参考简直的结论。有部分研究已将这种方法应用于整个国家层面的电能质量问题成本。
2001年，美国电科院(EPRI)下属支持数字社会的电力基础设施组织和Primen公司提交了一份美国关于电能质量成本的调查报告。该报告(下称EPRI报告)估计停电和其他电能质量问题的成本在1190亿美元1880亿美元之间，其他电能质量问题的成本占比少于13%。
2006年莱昂纳多电能质量组织(LPQI)给出了在欧洲的调查结果。这项调查对大量的用户开展了调查，特别是工业用户。调查结果表明电能质量问题对工业用户，尤其是连续制造业用户造成经济损失。约30%对电能质量敏感用户的电能质量成本约为4%的总营业额，其中约60%的电能质量问题成本是由电压暂降和短时中断引起的。通过调查结果推算，欧洲的电能质量总成本超过1500亿欧元。
在挪威的调查显示，用户每年电压暂降和中断的成本介于8.05和11.25亿挪威克朗（1欧元为8挪威克朗），其中长时停电的成本为4.3亿挪威克朗，短时中断的成本为2.55亿挪威克朗，电压暂降的成本介于1.2亿和4.4亿挪威克朗之间。
成本构成
国际大电网会议和国际供电会议（CIGRE/CIRED）联合工作组公布了C4.107报告，对目前已有的电能质量经济影响方面的的知识进行了总结。报告中的一个主要结论是无论是哪种类型的电能质量问题，最主要的影响都在于造成了生产过程中断，从而引起经济损失。当然，造成生产中断的原因可能不同，但直接后果是相似的——经济损失取决于生产中断的持续时间和受影响的范围。成本构成可以标准化为以下内容：
生产损失：原材料和劳动力的浪费
停工期间闲置人员的人力成本
重启动成本
设备损坏
其他间接成本，如处罚或赔偿等
此外，可能也会出现非生产过程中断的相关成本：
能量损耗(由于谐波，电压降低引起的电流增大或不平衡)
由设备过热或不正常运行造成的提前老化
无法实现全产能生产的效率降低成本
在考虑电能质量问题成本时，需要注意电网公司(在欧洲称为配电系统运营商DSO)也承担电能质量问题带来的后果，如：
治理电能质量问题的成本，如配电网中的各种技术措施：分段、接地、绝缘、动物防护、防雷和快速切换等
提高可靠性（非电能质量问题）的成本，如重合闸方案、备用线路和环形供电等
响应电能质量问题的成本，如呼叫中心，响应人员，检查、监测、咨询和治理等
维护成本，如巡视、剪枝和设备维护等
电能质量问题的特性
长时中断
长时中断是因外部因素（如电缆损坏）或内部设备故障造成的电力供应中断，无法通过清除故障或倒闸操作快速恢复供电。IEEE和Cenelec在电压阈值和区分长时和短时中断的持续时间方面存在一些差异，但这些差异并不重要。因为大多数非永久性短时中断的持续时间都少于1、2或3分钟，中断的残余电压要么为零，要么非常接近零，而不是1%、5%或10%的标称值。长时中断有时被称为停电（blackout）。blackout通常还表示持续时间非常长，覆盖面非常广、危害非常大的大停电事件。对居民住宅而言，停电的后果可能只是增加了生活的不便，如限制了看电视等休闲活动或无法满足照明等基本功能要求。但有时后果可能会更严重。如长时间停电且家里没有储能装置，冰箱里的食物就会变质，供暖也无法工作(即使不是电取暖，但温度控制和热水循环仍然需要用电)。当温度很低时，水可能会在管道中冻结，带来严重的后果。家庭自动化系统也需要供电，长时间停电可能导致家里的警报、火灾或爆窃无法检测(备用电源只能保证有限时间的供电)。
常用于量化上述问题的方法为用户支付意愿法(WTP)，即用户为提高供电可靠性愿意支付的金额，和用户赔偿意愿法（WTA），即用户遭受上述问题后可以接受的赔偿金额。这些金额通常与用户的用电量有关。用户往往喜欢更少的支出和更多的补偿，因此采用WTA和WTP的平均值作为用户停电成本比较合适。在意大利的调查显示，居民用户的停电成本约为电价的100倍，因此需要保障居民用户的供电连续性。
工商业用户的WTP约为电价的100倍，但WTA高达400到600倍。这是因为经济的发展对电能的依赖性更大，停电成本更高。停电会造成设备损坏、原材料浪费和停工期间的产能损失。极端情况下，停电可能严重危及公共安全。如果福岛核电站冷却水泵的驱动电机有足够备用容量，那么事故的危害范围就不会那么大。在比较WTA/WTP调查结果时可以发现，直接成本略低，但调查结果和不同用户组中占比接近。2007年，KEMA咨询公司为ECI编制的“欧洲电能质量与市场监管调查”报告中的调查结果如图3所示。
图3欧洲停电成本调查结果,KEMA2007
报告建议居民用户的停电成本平均值约为电价的50倍，非居民用户停电成本的平均值为电价的200倍。
有时，停电成本可以用损失负荷与损失金额之间的关系表示，即单位功率的损失(€/kW或$/kW)。这种方式比较合理和准确，特别是在停电成本与持续时间有关时。通常持续时间与停电成本之间关系并非是线性的(不同行业也不同)，而是呈现"S"型的，即停电成本在持续时间较短中断是较小的，但当持续时间超出一定值后，停电成本快速增加，增加到一定程度后又趋于饱和。因此单位功率损失是一个中断持续时间的函数。KEMA在荷兰进行的调查结果可以验证这一规律，如图4所示。
图4中断成本与持续时间之间的关系 KEMA2005
除此之外，采用单位功率损失表示停电成本，采用单位容量成本表示备用电源的价格，可根据损失功率对投资和成本进行比较，获得备用电源的投资决策。
电压暂降和短时中断
短时中断和长时中断有时会被同等对待，因为二者都出现了能源供应的中断。但这种处理方式无法体现短时中断造成的经济损失。如前所述，停电成本与持续时间二者之间是存在一定关联关系。但在本节中的短时中断成本与持续时间却不是一个直接的比例关系。例如1小时的停电造成的经济损失可能是1分钟停电的2-4倍，甚至更大，但生产过程重启时间所占的比重却相差很大。
短时中断实际上应该是一个电压质量问题。短时中断最常见的原因是短路故障。在这种情况下，由于故障引发大电流从而快速清除，如树枝被炸开。紧接着一个成功的自动重合闸操作恢复供电。因此，故障的下游将经历一个短时中断，而故障上游则经历一个电压暂降。
电压暂降第二个常见的原因是大型负载的启动或投入（如无软启动的电机）。这个原因引起的电压暂降残余电压较高，尤其在系统短路容量较小时更为明显。
如果系统的免疫度无法抵御电压暂降或短时中断，将导致生产过程中断。虽然电机能够在其惯性作用下继续保持运行，但如果遭遇非常严重的电压暂降时，电机的转矩和转速将会降低，并可能无法恢复。当有变频调速时，由于控制的作用，电机将会对电压暂降更为敏感。其他对电压暂降敏感的设备还包括继电器、接触器、电机启动器和所有电子控制设备，如计算机和数字控制器等。白炽灯的光照度与电压值密切相关，并会收到电压闪变的影响。气体放电灯，如常见的高压钠灯，则对电压暂降非常敏感，如果其他放电灯中断，只能等灯冷却后才能重新点亮。
电压暂降免疫度是一个非常复杂的问题。由UPS保护整个工厂能保证免疫度，但投资巨大。正确的方法是找到那些对生产过程至关重要的组件，例如对电压暂降敏感的可编程序控制器电源和接触器等。
电压暂降的成本通常低于短时或长时中断，但电压暂降的发生频率更高。中断将影响所有无保护的生产过程，但电压暂降只影响最敏感的生产过程。如果生产过程采用并行设计，那些未被影响的生产过程仍能继续运行。
电压暂降在工业生产中尤为突出。不同的调查都表明连续制造业和IT业是最敏感的。2002年瑞典的研究结果给出了不同行业中的电压暂降成本估计，如图5所示。半导体行业的电压暂降成本在所有行业中最高，其他的调查也有相同的结果。
图5不同行业的电压暂降敏成本 STRIAB和Vatenfall,2002
LPQI的调查结论是最敏感的行业约占全欧洲产值的20%和工业产值的30%。，其电能质量问题成本约为产值的4%。24%的电能质量问题成本是由于电压暂降引起的，19%是由于短时中断引起的。每次电压暂降事件成本介于2.120和4.682€。工业的短时中断成本是电压暂降成本的3倍，工业的短时中断成本是电压暂降成本的9倍。所有用户平均每年经受13起电压暂降和6起短时中断。
2007年的一项意大利调查显示，工业用户的平均损失为746€/千瓦，而损失中值(被认为更切合实际的影响分析)为21.3€/千瓦。最敏感的行业是金属加工业和电机制造业。单一电压暂降事件损失中值为1.1€/千瓦，一年内约发生20次。
美国不同电能质量问题成本如表1所示，可见大型商业用户和工业用户在不同电能质量问题下遭受的损失也不同。
表1工业和商业用户的停电成本 M.J.SullivanetalIEEE,1997
迄今为止，中断和电压暂降造成的经济损失已经开展了较多的研究，并有一定的量化结果。EPRI调查表明，除中断事件外，电压暂降在整个电能质量问题的占比为48%。
在以下部分将会简要地描述其他电能质量问题的成本。
谐波
谐波是一种由于非线性负荷增多，尤其是电力电子设备增多，造成的一种电能质量问题。设备允许发射水平受到标准的限制。设备制造商必须想办法降低设备产生的谐波，如增加三相设备中的脉动数，在单相供电设备中采用功率因数补偿技术等。谐波治理技术目前比较便宜且有效。但是各种电子设备的使用增多使得谐波问题仍然存在。电压畸变，更多情况下，电流畸变可能导致供电中断从而造成损失。谐波会造成变压器或电力电缆过热，从而引起供电中断。谐波的影响包括以下几个方面:
谐波电流：
断路器因谐波造成电流峰值增大而误动
三相四线中的中性线过热
变压器涡流损耗增加而导致变压器过热
造成电容器过流
谐波电压：
感应电动机损耗增大
产生谐振，导致无功补偿电容器过应力
基于过零点控制的紊乱
设备过热将导致了设备使用寿命严重缩短。
LPQI调查显示，谐波的成本占所有电能质量问题成本的5.4%。然而，受访者很难区分因谐波问题造成的生产中断，而主要是考虑谐波导致生产减缓的成本，如精度变差、简单的误操作、失步和废品增加等。25%的谐波成本与设备有关，如设备损坏或维护增加。虽然已知谐波会产生额外的损耗，但受访者无法提供有关这些损耗的信息，因此这一成本要素仍然难以量化。
EPRI调查显示，谐波成本站所有电能质量问题成本的22%(不含中断)。
最近，超级谐波（supra-harmonics，2kHz~150kHz）日益受到关注。这些谐波由不同类型的电子器件产生的，会对配网自动化中的电力线路通信信号产生干扰。
瞬态电能质量问题
瞬态电能质量问题指是时间非常短（最多为几毫秒）、幅值非常高（可达几kV）和上升速度快的电压扰动问题。瞬态电能质量问题中包含有高频分量，在电网中很难传播，通常研究其就近的影响，而忽略其他地方的影响。
造成瞬态电能质量问题的原因包括电网中的开关操作或雷击，以及用户感性负荷的投入。瞬态电能质量问题有几kV的幅值，会对周围的设备造成严重的损坏。
电网企业和电信企业都采取了相应的措施，以保证设备不会受到瞬态电能质量问题的影响，且不会传播到用户处。尽管如此，瞬态电能质量问题会破坏数据，因此还是会引起生产中断。
令人有些吃惊的是，在LPQI调查中，瞬态电能质量问题的关注度非常高。虽然瞬态电能质量问题不常发生，但一旦发生，后果非常严重。EPRI报告也表明，瞬态电能质量问题的用户关注度排在第二位。
其它问题
电压暂升比电压暂降发生次数上，但当电压暂升幅值较大时，也可能造成设备损坏。电压暂升带来的设备损坏要比电压暂降少得多。三相不平衡会造成线路和变压器过热、损耗增加和使用寿命缩短等后果。电压闪变会造成病态建筑综合症（sickbuildingsyndrome）。虽然白炽灯（对闪变最敏感）的使用量越来越少，但电子换流器中的开关抖动也会造成紧凑型荧光灯（CFL）和LED灯的闪烁，带来同样的问题。当然，上述电能质量成本较低。LPQI调查表明，其他电能质量问题成本不到整个电能质量问题成本的5%，其主要后果是生产减缓和失灵。
结论
世界范围内的不同调查显示，劣质电能的成本巨大，甚至可以和电费收入相当。在敏感行业中，电能质量问题的成本会大大影响企业的产能。LPQI调查显示，电能质量治理设备的容量与已治理电能质量问题成本存在较大的相关性。同时，电能质量治理设备的投资费用与未治理电能质量问题成本存在较大的差异，所占比重约为10%。
虽然统计值和各种指示对该问题的分析是有帮助的，但即使在同一行业，也没任何两家企业的电能质量问题成本相同，因此电能质量问题成本需要单独进行校核。
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