電能質量問題成本

電能質量問題成本

隨著電力市場越來越關注電價和電力監管越來越關注能效, 電能質量問題日益突出。如果無法保證供電的電能質量，可能給用戶造成損失, 使用電的總成本成倍增加。 

供電中斷的成本對整個社會都是昂貴的。還有一些工業部門如連續制造或IT產業則對電壓暫降特別敏感。無論長時或短時中斷、電壓暫降、瞬態沖擊或其他電壓擾動，后果都是導致生產中斷。中斷的持續時間與電能質量問題發生的頻次都會對工業生產產生嚴重的影響。

雖然在大多數情況下電能質量的成本較低,但根據EPRI的報告，在極端情況下, 電能質量問題的成本也可能達到百萬美元，因此需要得到足夠的重視。電能質量問題的成本具有差異性非常大的特點。盡管看上去情況類似，但產生的成本則可能千差萬別。電能質量問題成本的決定性因素在于設備的免疫力和電力供應的擾動水平。

因此，有必要深入了解電能質量問題的成本構成，并進行相應的調查。合同談判、電能質量治理的投資決策、提高市場各參與方，包括監管機構對電能質量的認知都需要對電能質量問題的成本進行量化。

引言

傳統電能的應用主要是提供動力和照明。但近幾十多年來，電子行業的興起以及電力電子技術的發展，使得整個社會對電能的依賴性越來越強，電能已經成為無可替代的能源。電能進一步延伸到了城市供暖和交通運輸行業，成為了電能替代的重要領域。

隨著能源市場化進程加快，電力市場自由化使得電能質量問題造成的風險越來越高，必須由電力監管部門來保障電能供應的質量。

 現代社會人民生活和經濟發展都依賴于連續可靠的供電。在將來，儲能技術在智能電網中的推廣應用將有助于減少連續可靠供電對集中發電形式的依賴。但同時也增加了系統對可再生能源高度隨機性的依賴，從而增加在極端天氣下系統停電的風險。

 一旦連續供電可以滿足，電壓質量問題就必須進入議題。一方面，電壓質量問題受配電網中的眾多事件影響（如故障、諧波干擾、雷擊等），因此追求的電壓質量是不可能的。另一方面，終端用戶設備對電壓擾動的免疫水平有限，電壓擾動可能會導致設備故障或損壞。平衡電網擾動水平和設備免疫程度的問題稱為“兼容性”問題。找到合適的電網擾動水平與實際可行的設備免疫度，是大多數標準的努力方向。電網擾動水平由規劃限值和設備發射限值確定。設備免疫程度則由包括安裝和運行的產品性能標準確定。

 標準化機構努力制定更加詳細的IEC 61000系列標準和EN 50160 標準，這對于保證電網和用戶設備之間的兼容性是至關重要。兼容性是電網和用戶雙方需要共同承擔的責任。供電企業負責保證電網運行水平，用戶負責在相應的電網運行水平下，確保其設備能正常工作。標準承擔著準確定義電能質量水平的重要角色，以進行責任劃分（responsibilitysharing）。

 當用戶希望電網承擔電能質量問題責任時，關鍵的是從全社會層面量化解決電能質量所需的投資，當技術措施已知時，投資很容易，但電能質量問題的成本卻不一定能直接獲得。

在過去的十年中, 多項研究試圖分析導致電能質量問題的原因, 并評估相關成本。本報告對電能質量問題成本研究進行簡要的總結。

 區域因素

不同地點的電能質量問題成本差異很大（LPQI的調查顯示，電能質量問題成本均值是中值的3倍，標準差是平均值的5倍），因此電能質量問題的經濟影響需要就地分析。這個現象是相當普遍的。例如，在意大利的調查中，工業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，在相同的地點和相同時間段內，一些用戶的電能質量問題成本巨大，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量問題成本是可行且非常必要的，并能的得到有參考簡直的結論。有部分研究已將這種方法應用于整個國家層面的電能質量問題成本。2001年，美國電科院(EPRI)下屬支持數字社會的電力基礎設施組織和Primen公司提交了一份美國關于電能質量成本的調查報告。該報告(下稱EPRI報告)估計停電和其他電能質量問題的成本在1190億美元1880億美元之間，其他電能質量問題的成本占比少于13%。

2006年萊昂納多電能質量組織(LPQI)給出了在歐洲的調查結果。這項調查對大量的用戶開展了調查，特別是工業用戶。調查結果表明電能質量問題對工業用戶，尤其是連續制造業用戶造成經濟損失。約30%對電能質量敏感用戶的電能質量成本約為4%的總營業額，其中約60%的電能質量問題成本是由電壓暫降和短時中斷引起的。通過調查結果推算，歐洲的電能質量總成本超過1500億歐元。

在挪威的調查顯示，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），其中長時停電的成本為4.3億挪威克朗，短時中斷的成本為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。

成本構成

國際大電網會議和國際供電會議（CIGRE/CIRED）聯合工作組公布了C4.107報告，對目前已有的電能質量經濟影響方面的的知識進行了總結。報告中的一個主要結論是無論是哪種類型的電能質量問題，主要的影響都在于造成了生產過程中斷，從而引起經濟損失。當然，造成生產中斷的原因可能不同，但直接后果是相似的——經濟損失取決于生產中斷的持續時間和受影響的范圍。成本構成可以標準化為以下內容：

生產損失：原材料和勞動力的浪費

停工期間閑置人員的人力成本

重啟動成本

設備損壞

其他間接成本，如處罰或賠償等

此外，可能也會出現非生產過程中斷的相關成本：

能量損耗 (由于諧波，電壓降低引起的電流增大或不平衡)

由設備過熱或不正常運行造成的提前老化

無法實現全產能生產的效率降低成本

在考慮電能質量問題成本時，需要注意電網公司(在歐洲稱為配電系統運營商DSO)也承擔電能質量問題帶來的后果，如：

治理電能質量問題的成本，如配電網中的各種技術措施：分段、接地、絕緣、動物防護、防雷和快速切換等

提高可靠性（非電能質量問題）的成本，如重合閘方案、備用線路和環形供電等

響應電能質量問題的成本，如呼叫中心，響應人員，檢查、監測、咨詢和治理等

維護成本，如巡視、剪枝和設備維護等

電能質量問題的特性

長時中斷

長時中斷是因外部因素（如電纜損壞）或內部設備故障造成的電力供應中斷，無法通過清除故障或倒閘操作快速恢復供電。IEEE和Cenelec在電壓閾值和區分長時和短時中斷的持續時間方面存在一些差異，但這些差異并不重要。因為大多數短時中斷的持續時間都少于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%的標稱值。長時中斷有時被稱為停電（blackout）。blackout通常還表示持續時間非常長，覆蓋面非常廣、危害非常大的大停電事件。對居民住宅而言，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或無法滿足照明等基本功能要求。但有時后果可能會更嚴重。如長時間停電且家里沒有儲能裝置，冰箱里的食物就會變質，供暖也無法工作(即使不是電取暖，但溫度控制和熱水循環仍然需要用電)。當溫度很低時，水可能會在管道中凍結，帶來嚴重的后果。家庭自動化系統也需要供電，長時間停電可能導致家里的警報、火災或爆竊無法檢測 (備用電源只能保證有限時間的供電)。

 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。用戶往往喜歡更少的支出和更多的補償，因此采用WTA和WTP的平均值作為用戶停電成本比較合適。在意大利的調查顯示，居民用戶的停電成本約為電價的100倍，因此需要保障居民用戶的供電連續性。

工商業用戶的WTP約為電價的100倍，但WTA高達400到600倍。這是因為經濟的發展對電能的依賴性更大，停電成本更高。停電會造成設備損壞、原材料浪費和停工期間的產能損失。極端情況下，停電可能嚴重危及公共。如果福島核電站冷卻水泵的驅動電機有足夠備用容量，那么事故的危害范圍就不會那么大。在比較WTA/WTP調查結果時可以發現，直接成本略低，但調查結果和不同用戶組中占比接近。報告建議居民用戶的停電成本平均值約為電價的50倍，非居民用戶停電成本的平均值為電價的200倍。 有時，停電成本可以用損失負荷與損失金額之間的關系表示，即單位功率的損失(€/kW或 $/kW)。這種方式比較合理和準確，特別是在停電成本與持續時間有關時。通常持續時間與停電成本之間關系并非是線性的(不同行業也不同)，而是呈現"S"型的，即停電成本在持續時間較短中斷是較小的，但當持續時間超出一定值后，停電成本快速增加，增加到一定程度后又趨于飽和。因此單位功率損失是一個中斷持續時間的函數。KEMA在荷蘭進行的調查結果可以驗證這一規律。除此之外，采用單位功率損失表示停電成本，采用單位容量成本表示備用電源的價格，可根據損失功率對投資和成本進行比較，獲得備用電源的投資決策。

 電壓暫降和短時中斷

短時中斷和長時中斷有時會被同等對待，因為二者都出現了能源供應的中斷。但這種處理方式無法體現短時中斷造成的經濟損失。如前所述，停電成本與持續時間二者之間是存在一定關聯關系。但在本節中的短時中斷成本與持續時間卻不是一個直接的比例關系。例如1小時的停電造成的經濟損失可能是1分鐘停電的2-4倍，甚至更大，但生產過程重啟時間所占的比重卻相差很大。

短時中斷實際上應該是一個電壓質量問題。短時中斷常見的原因是短路故障。在這種情況下，由于故障引發大電流從而快速清除，如樹枝被炸開。緊接著一個成功的自動重合閘操作恢復供電。因此，故障的下游將經歷一個短時中斷，而故障上游則經歷一個電壓暫降。

電壓暫降第二個常見的原因是大型負載的啟動或投入（如無軟啟動的電機）。這個原因引起的電壓暫降殘余電壓較高，尤其在系統短路容量較小時更為明顯。

如果系統的免疫度無法抵御電壓暫降或短時中斷，將導致生產過程中斷。雖然電機能夠在其慣性作用下繼續保持運行，但如果遭遇非常嚴重的電壓暫降時，電機的轉矩和轉速將會降低，并可能無法恢復。當有變頻調速時，由于控制的作用，電機將會對電壓暫降更為敏感。其他對電壓暫降敏感的設備還包括繼電器、接觸器、電機啟動器和所有電子控制設備，如計算機和數字控制器等。白熾燈的光照度與電壓值密切相關，并會收到電壓閃變的影響。氣體放電燈，如常見的高壓鈉燈，則對電壓暫降非常敏感，如果其他放電燈中斷，只能等燈冷卻后才能重新點亮。

電壓暫降免疫度是一個非常復雜的問題。由UPS保護整個工廠能保證免疫度，但投資巨大。正確的方法是找到那些對生產過程至關重要的組件，例如對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或長時中斷，但電壓暫降的發生頻率更高。中斷將影響所有無保護的生產過程，但電壓暫降只影響敏感的生產過程。如果生產過程采用并行設計，那些未被影響的生產過程仍能繼續運行。

電壓暫降在工業生產中尤為突出。不同的調查都表明連續制造業和IT業是敏感的。半導體行業的電壓暫降成本在所有行業中高，其他的調查也有相同的結果。

LPQI的調查結論是敏感的行業約占全歐洲產值的20%和工業產值的30%。，其電能質量問題成本約為產值的4%。24%的電能質量問題成本是由于電壓暫降引起的，19%是由于短時中斷引起的。每次電壓暫降事件成本介于2.120 和4.682€。工業的短時中斷成本是電壓暫降成本的3倍，工業的短時中斷成本是電壓暫降成本的9倍。所有用戶平均每年經受13起電壓暫降和6起短時中斷。

 2007年的一項意大利調查顯示，工業用戶的平均損失為746€/千瓦，而損失中值 (被認為更切合實際的影響分析)為21.3 €/千瓦。敏感的行業是金屬加工業和電機制造業。單一電壓暫降事件損失中值為1.1 €/千瓦，一年內約發生20次。

迄今為止，中斷和電壓暫降造成的經濟損失已經開展了較多的研究，并有一定的量化結果。EPRI調查表明，除中斷事件外，電壓暫降在整個電能質量問題的占比為48%。

 在以下部分將會簡要地描述其他電能質量問題的成本。

 諧波

諧波是一種由于非線性負荷增多，尤其是電力電子設備增多，造成的一種電能質量問題。設備允許發射水平受到標準的限制。設備制造商必須想辦法降低設備產生的諧波，如增加三相設備中的脈動數，在單相供電設備中采用功率因數補償技術等。諧波治理技術目前比較便宜且有效。但是各種電子設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，電流畸變可能導致供電中斷從而造成損失。諧波會造成變壓器或電力電纜過熱，從而引起供電中斷。諧波的影響包括以下幾個方面:

 諧波電流：

斷路器因諧波造成電流峰值增大而誤動

三相四線中的中性線過熱

變壓器渦流損耗增加而導致變壓器過熱

造成電容器過流

 諧波電壓：

感應電動機損耗增大

產生諧振，導致無功補償電容器過應力

基于過零點控制的紊亂

設備過熱將導致了設備使用壽命嚴重縮短。

 LPQI調查顯示，諧波的成本占所有電能質量問題成本的5.4%。然而，受訪者很難區分因諧波問題造成的生產中斷，而主要是考慮諧波導致生產減緩的成本，如精度變差、簡單的誤操作、失步和廢品增加等。25%的諧波成本與設備有關，如設備損壞或維護增加。雖然已知諧波會產生額外的損耗，但受訪者無法提供有關這些損耗的信息，因此這一成本要素仍然難以量化。

EPRI調查顯示，諧波成本站所有電能質量問題成本的22%(不含中斷)。

超級諧波（supra-harmonics，2kHz~150kHz）日益受到關注。這些諧波由不同類型的電子器件產生的，會對配網自動化中的電力線路通信信號產生干擾。

瞬態電能質量問題

瞬態電能質量問題指是時間非常短、幅值非常高（可達幾kV）和上升速度快的電壓擾動問題。瞬態電能質量問題中包含有高頻分量，在電網中很難傳播，通常研究其就近的影響，而忽略其他地方的影響。

造成瞬態電能質量問題的原因包括電網中的開關操作或雷擊，以及用戶感性負荷的投入。瞬態電能質量問題有幾kV的幅值，會對周圍的設備造成嚴重的損壞。電網企業和電信企業都采取了相應的措施，以保證設備不會受到瞬態電能質量問題的影響，且不會傳播到用戶處。盡管如此，瞬態電能質量問題會破壞數據，因此還是會引起生產中斷。

令人有些吃驚的是，在LPQI調查中，瞬態電能質量問題的關注度非常高。雖然瞬態電能質量問題不常發生，但一旦發生，后果非常嚴重。EPRI報告也表明，瞬態電能質量問題的用戶關注度排在第二位。