（电力系统及其自动化专业论文）基于风险管理的多质量等级电能定价方法研究.pdf

声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文基于风险管理的多质量等级电能 定价方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： ：型l 竭 e t期； 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日 期：2 翌2 11 ：，矿 e l 期：主竺z ：! ：! ? 华北电力大学硕士学位论文 1 1电能质量问题概述 第一章绪论 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是 一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品i l j 。随 着经济发展和高科技设备的广泛应用，电能质量日益受到人们的重视，尤其在电力 市场运营机制的不断发展和完善的背景下，电能作为一种特殊的商品，其质量属性 成为难以回避的问题。 改善电能质量对于电网和电气设备的安全稳定运行，保障人民正常的生产和生 活等均有重要意义，直接关系到国民经济的总体效益。人们并非近几年才开始重视 电能质量问题，只不过早期对此认识比较简单，主要局限在保持电网频率和电压水 平的静态或平均偏差不过大上。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型电力负荷迅速发 展以及它们对电能质量的要求不断提高。更多的电能质量问题逐渐成为电力企业、 电力用户和电力设备制造厂商共同关心的问题。因此，电能质量问题引起了广大电 力工作者的高度重视，目前电能质量中某些问题已成为前沿性课题，吸引了许多高 等院校和科研院所的一大批电力科技工作者投入其中从事开拓性或开发性工作。国 际供电会议( c i r e d ) 一直把电能质量问题列为国际供电界关注的重要技术问题。 国际大电网会议( c i g r e ) 3 6 学术委员会( 电力系统电磁兼容) 把电能质量列入到 电磁兼容的范畴。国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 也将其电力谐波国际学术会 议更名为电力谐波与电能质量国际学术会议可见，电能质量已被提升到了一个新 的认识高度。 1 1 1电能质量的定义、分类及标准 1 1 1 1 电能质量的基本定义 电能质量( p o w e rq u a l i t y ，p q ) 一词最早出现在1 9 6 8 年发表的一篇关于美国 海军电子设备备用电源规范要求的研究论文中，随后在关于工业用电源系统设计规 范中进一步提出，要提高电能质量和安全可靠供电、低费用运行等。与此同时，也 有不少国家使用电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 来反映电压幅值的变动和频率的偏差。 直到近些年，电气工程界在关于电能质量问题应采用规范的技术名词上才趋向一 致。i e e e 标准化协调委员会也已正式通过采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 这一 术语。 从普遍意义讲，电能质量是指电能的优劣程度。但是迄今为止，由于看问题的 l 华北电力大学硕士学位论文 角度不同，人们对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，关注或表征电能质量 问题会有截然不同的观点：对供电部门，电能质量是指所供应电力的参数符合标准 和供电可靠性的程度；对用电设备生产商，电能质量是指对设备所要求的电能特性； 对电力用户，电能质量是指一切会引起用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、 电流及频率的异常扰动。 i e e e 给出了电能质量的技术定义：合格的电能质量的概念是指，给敏感设备提 供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备运行的。国际电工委员会( i e c ) 提 出使用“e m c ”( 电磁兼容) 这一术语，定义为：设备或系统在其所处的电磁环境 中能够不因干扰面正常工作。它们本身所发出的电磁能量不足以恶化环境和影响其 他设备或系统的正常工作它强调和指出设备与设备之间，以及电源与设备之间的 相互作用和影响。还有许多专家主张采用如下的电能质量定义；表现为电压、电流 或频率的偏差，造成用户设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题。 根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和额定频率下的正弦波形外，还包括所 有的瞬交现象，如冲击脉冲、衰减振荡、瞬时间断、波形下陷和噪声等。 总之，上述定义都是将电能质量与用户的需求相联系，即解决电能质量问题， 就是保证系统设备安全运行并提供给用户所需要的质量水平的电能。 1 1 1 2 电能质量问题的分类及标准 对电能质量进行合理细致的分类，有利于系统地分析和研究电能质量现象，并 对测量结果进行分选识别，也是制定相关指标标准的基础。一般来说，电力系统中 各种扰动引起的电能质量问题可分稳态和暂态两大类。稳态电能质量问题以波形畸 变为主要特征，包括电压偏差、三相不平衡、闪变、谐波、间谐波、波形下陷及噪 声等：暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振 荡暂态两种类型，包括供电瞬时中断、电压骤降、电压骤升以及暂态过电压等。从 发生的频度以及对用电设备的危害程度来看，现代电能质量问题主要是电压骤降、 谐波、电压不平衡以及闪变。据统计和案例反映，造成用户用电设备异常运行或停 电的绝大部分因素是电压骤降闯题。 i e e e 标准化协调委员会定义的电能质量的分类，包括以下几种： 长时间变动：过电压、欠电压、持续间断 短时间变动：电压间断( 中断) 、电压骤降( 凹陷) 、电压骤升( 凸起) 瞬变现象：冲击性瞬变、振荡瞬变 波形畸变：直流偏置、谐波、问谐波、波形下陷、噪声 三相电压不平衡 电压波动和闪变 频率偏差 2 华北电力大学硕士学位论文 此外，还有一种分类方法，将除去频率变化外的电能质量问题分为3 个方面， 即供电电压的连续性，包括短时间断、暂时间断、瞬时间断等；供电电压的稳定性， 包括电压的骤降、骤升、波动和闪变等；供电电压的波形状况，包括谐波、波形下 陷、噪声、三相不平衡等。 目前，世界各国都已制定和颁布实施了符合本国情况的电能质量指标的国家标 准，并且随着工业经济国际化发展，各国制定的电能质量标准正向国际专业委员会 推荐标准，如i e c 的e m c - - 6 1 0 0 0 系列标准和i e e e 的s t d 一标准靠拢。我国在参考 上述两项国际标准后，也已经对其中几种最基本的电能质量问题制定了相关的6 项 标准，即；电能质量供电电压允许偏差( g b 玎1 2 3 2 5 - 2 0 0 3 ) 、电能质量电 力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 ) 、电能质量公用电网谐波 ( g b t 1 4 5 4 9 - 1 9 9 3 ) 、电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能 质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 和电能质量暂时过电压和瞬 态过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 。这些标准成为评定系统电能质量的重要指标，也 是我国电力科技工作者选用补偿方法、改善控制装置和选择技术措施的依据。 1 1 2电能质量问题产生的危害和影响 电能质量问题的危害和影响主要涉及电力系统、电力用户和相关行业等3 个方 面f 2 】： ( 1 ) 对电力系统的危害和影响 大多电能质量问题不是来自发、输、供电系统，而是来自电力用户，但电能质 量问题的出现对整个电力系统的影响却很大，直接影响到系统运行的安全性、稳定 性和经济性。电能质量问题对电力系统的危害主要表现在：a 增加线损：谐波电流 在输电线路上的流动，产生附加能耗，增大线损率三相不对称运行时，特别是在 中性点接地系统中，线路的线损率也将大大增加。b 降低变压器寿命：谐波电流使 变压器的铜耗增加，引起变压器振动并使噪声增大；谐波电压使变压器的磁滞及涡 流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力增大；对三角形连接的绕组，零序性谐波 在绕组内形成环流，使绕组发热，温度过高，降低寿命。e 计量仪表出现误差：波 形畸变会影响电能表的计量精度。d 继电保护和自动控制装置的误动作：电网电能 质量指标恶化，如谐波、三相严重不对称等都会对保护装置产生干扰，引起误动。 厶对系统其他运行元件的影响：电能质量指标低，尤其是谐波含量高的情况下，对 电力线载波通信产生干扰，主要表现在：语音通信产生噪声，数据传输失真，降低 能量管理系统( e m s ) 、配电自动化系统( d a s ) 实时数据的真实可靠性，集中抄 表系统中产生坏数据等；降低断路器的开断能力；当谐波成分较大，发生接地故障 时，消弧线圈无法补偿谐波电流，灭弧作用失效，可能会引发系统的更大故障；低 3 华北电力大学硕士学位论文 压配电网中，零序电流和零序性谐波电流不仅会引起中性线过负荷发热，增加损耗， 而且产生压降，引起零电位漂移，降低供电质量。 ( 2 ) 对电力用户的危害和影响 少数电力用户是电能质量的主要污染源，这类用户在对系统污染的同时，也造 成自己内部的设备损坏。用户是电能质量污染的主要受害者，受电电能质量指标低 的电气设备也可能成为新的污染源，危害电力系统和其他用户设备。a 对用户电机 的影响：供电电能质量指标低，使电机产生附加损耗、发热和振动，发出较高的噪 声，承受过高的疲劳应力；当三相供电电压不对称时，负序基波电压与负序性谐波 电压分量在定子绕组上产生负序电流，增加铜耗；当产生电压波动的主要低频分量 与电机机械振动的固有频率一致时，诱发谐振，对电机造成毁灭性的破坏。b 对用 户补偿电容的影响：运行点电能质量指标低时，会造成诸如补偿装置投不上、电容 器使用寿命降低、电容器熔丝熔断，甚至发生串并联谐振，导致电容器爆炸等事故。 c 对用户自动控制装置的影响：干扰控制设备检测模块的正常分析计算，导致错误 的输出结果；对设备的硬件，如精密电机、开关电源等造成损坏；干扰负载的保护 回路，造成误动作。d 对居民日常生活的影响：电压波动和闪变会造成照明灯光和 电视画面的忽明忽暗，使电冰箱、空调的压缩机承受冲击应力，产生振动，降低使 用寿命。 ( 3 ) 对相关行业的危害和影响 a 对通信的干扰：城市中，电力网和电信网的架设距离一般较近，甚至同杆架 设，随着低压电网电能质量污染的日益加重，电能质量问题对通信的影响也日益严 重。谐波频率很高时，会产生发射杂音，在通信线路上引起音频干扰随着数字通 信技术和光纤载体的广泛应用，电能质量污染对通信的影响已降到较低的水平。b 对其他相关行业的干扰：通过供电电源直接对其正常的生产运行造成危害，如精密 制造业，使其废品率上升，降低主设备的使用年限；干扰有线电视、广播的信号等。 1 2 课题的研究意义 上文从电力系统、电力用户和相关行业等角度具体分析了电能质量问题的危害 和影响，但随着时代的进步和科技的飞速发展，当代电力系统赋予电能质量问题新 的内容。它已不仅关系到电力系统的安全稳定、电气环境的工程保护，而且被提丹 到维系电力市场的正常运营以及整个国民经济的总体效益和发展战略的高度 当代电力系统的负荷结构发生了很大的变化，一方面诸如半导体整流器、晶闸 管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由 于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变，引起电 压波动、闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量造成严 4 华北电力大学硕士学位论文 重的干扰或“污染”。另一方面，用电设备和生产工艺对电能质量的要求比传统设 备高。许多新设备和装置都带有基于徼处理机的数字控制器或功率电子器件，它们 对各种电磁干扰都极为敏感，本微不足道和不甚关心的电压扰动或特性变化可能影 响到其电子控制系统的正常工作，甚至导致掉闸和生产停顿。一个计算中心失去电 压2 s 就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。当今自动 化设备的连续精加工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自动化生产 线，例如柔性制造系统( f m s ) 或计算机综合制造系统( c i m s ) ，它们对配电系统 中的干扰和异常非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱， 这些用户对不合格电力的容许度可严格到1 - 2 个周波。因此，电能质量直接关系到 用户的经济效益，而不同用户对电能质量问题的敏感度不同，电能质量引起的损失 程度不同，对电能质量水平要求也不同 随着电力市场化改革的深入发展，电能质量也关系到供电公司的经济效益和社 会效益。在激烈竞争的电力市场环境下，电能作为商品在发电侧不同的发电公司包 括独立电能生产者间实行竞争，输配电系统与发电分离独立经营管理，为发电公司 和用户提供转送电能服务而进一步的电力改革将使输电系统和配电系统分离，引 入配电侧的竞争，用户侧也可以作为独立实体参加价格控制。电能质量作为配电侧 和用户侧交易“产品”的属性，是决定供电公司能否在竞争中生存下来的重要因素。 供电公司通过实施多质量等级电能供应和电能按质定价，在满足用户对电能质 量的特殊需求的同时，也可以提高自身的经济效益将电能质量看作重要的电力辅 助服务内容，其必须在电力市场环境中得到完善的解决，这已经超越了电力系统生 产运行的技术问题，涉及到社会公正和资源配置等经济问题，必须增加电能质量治 理投资，并通过电价使投资得到回报。这就使得供电公司与电力用户的结算电价除 发电、输电和辅助服务成本外，还应充分考虑电能质量治理成本，因此，需要找到 一个有效的电能质量管理模式和相应的定价方法，实现多质量等级电能供应和电能 的按质定价。只有这样，才能满足用户对电能质量的不同需求，而且也可以激励供 电公司改善电能质量，实现优质供电 1 3 课题的研究现状 1 3 1 国内外电能质量管理现状 目前。电能质量问题已提到了一些经济发达国家( 或地区) 电力公司的议事日 程上，开始制定经济管理措施以期有效地解决电能质量问题。文献【3 】详述了法国电 力公司提高电能质量水平的过程，实践表明，当电力公司通过电网规划使电能质量 水平能满足大多数用户要求时，针对某些特殊质量要求的用户必须进行局部治理， 5 华北电力大学硕士学位论文 才能满足经济性要求。现在，法国国家电力公司已经开始向用户提供不同等级的电 能，分别标明翠绿色、银白色、金色和绿色等，收取不同的价格。法电将专业技术、 金融运作及社会效益有机结合，兼顾经济效益和社会公正。在开放电力市场的同时， 成立了专门的工作组对电能质量问题进行监管，规定了市场中各方在保证电网电能 质量水平问题上的权利和义务，并相应地制定了标准1 4 】。 意大利也已颁布了相关法令，并系统地开展了电能质量监管工作，主要分为三 个阶段【5 6 1 ：第一管制阶段( 2 0 0 0 - 2 0 0 3 ) ，该阶段为强制管制，通过一个与电能质 量相关的价格上限模型来按供电连续性定价；第二管制阶段( 2 0 0 4 - 2 0 0 7 ) ，该阶段 引入市场机制，采用签订电能质量合同的方式反映用户对电能质量的特殊需求；第 三管制阶段( 2 0 0 8 - ) ，方法待定，但目标是更大程度上放松管制。在每个管制阶段 开始之前，均进行充分的电能质量调查研究，采用听证会、访谈等形式征求用户、 电力行业、政府和研究机构等各方对上一管制阶段的意见，以进行管制效果的评估 和下一阶段管制政策的制定。可以看出，意大利在电能质量管理的过程中进行了充 分的调研，逐步引入市场，放松管制，并取得了初步效果。 相比较而言，我国在电能质量问题的应对措施实践方面还存在差距，未开展细 致的电能质量管理工作。日常工作上，对电能质量问题的把握也不够全面，主要集 中在电压合格率及谐波方面，对电压骤降以及供电瞬时中断引起的电能质量问题、 危害及其治理认识不足。同时，现行单一的配电侧电能质量管理方法【7 l 存在以下几 个弊端：缺乏提高电能质量的激励机制，电能质量事故的风险分配不合理，不能根 据用户的需要提供合理的电能质量，电能质量的价值不明确，不能指导供电方做出 正确的电能质量投资决策。在电力体制深化改革的同时，我国应当借鉴发达国家的 先进管理方法和技术，加强电能质量问题的研究与管理工作。 1 3 2 考虑质量因素的电能定价方法 电能定价中考虑质量因素，即电能的按质定价是实现电能质量服务多样化和市 场化的关键问题，面且近年来也成为国内外学者研究的热点。 文献【8 ，9 】以边际电价模型为基础，提出综合考虑各次谐波、并计及不同节点的 谐波畸变约束以及谐波可能导致的电压越限等约束条件的谐波注入边际电价模型， 采用内点法等方法求解这种方法能使资源优化配置。促进谐波污染的治理。但文 中只考虑了谐波畸变注入的定价，对于其他电能质量问题没有涉及文献 1 0 ，1 l 】 同样是对基本的边际电价模型进行修正。加进限制电能质量的一些不等式条件。此 类方法都很难对各种电能质量问题面面俱到，不能适应用户对电能质量越来越细化 的要求。另外，此类模型的求解随着限制条件的增加将变得十分困难。 文献【1 2 】阐述了“质量保证违约赔偿”模式的电能按质定价原则，规定用 6 华北电力大学硕士学位论文 户的电价由基本电能价格和电能质量保险费构成。用户对电能质量水平要求越高。 所购买的保险费越高，表现出来的电价也越高，实现了优质高价的原则，但该价格 是根据供电公司的利润最大得出，不能反映用户的损失成本。文献0 3 1 改进了电能 质量保险费模型，由用户根据自己的损失成本选择赔偿单价，然后供电公司确立赔 偿系数，实现了高赔偿高保费，但该模型没有考虑电能质量的治理成本问题，从而 不能保证供电方的利润。文献 1 4 】同样是运用了保险理论，由保险人( 即供电公司) 确定每单位电能的保险费，将保险费合理分解为以下4 部分：为使电压质量合格 率达到用户要求的投资；设备运行及维护的成本；实际电能质量未达到用户要 求电能质量时，需赔偿用户的金额；综合考虑其利润以及用户的接受程度所制定 的附加费这种确定方法需要对电能质量事故的发生概率做精确的评估，加大了供 电公司的负担，难以实行文献【1 5 】通过对用户根据电能质量要求进行分层，提出 了基于用户的意愿支付和电能质量治理成本的电能质量服务模式，根据差别定价的 原则进行收费，通过不同水平的电能质量服务实现对用户的多质量等级供电，但该 文没有解决由实际电能质量水平的波动性而引发的问题 总之，电能按质定价的研究还不很深入，提出的各种方法和设想还存在一些问 题，而且与实际应用也有一定距离，需要进一步展开更细致的工作 1 4 论文的主要工作 通过对电能质量问题背景的讨论，以及对各国电能质量管理现状和电能按质定 价方法研究的分析可以看出，实施多质量等级电能供应和电能的按质定价问题日益 受到人们的重视。本文从风险管理的角度分析了电能质量问题给用户带来的危害和 风险，应用风险管理的办法，利用电能质量问题可以得到治理和具有波动性的特点， 提出对电能质量问题进行质量治理和质量保险相结合的服务模式。供电公司根据治 理成本确定治理费用，用户根据自身的质量成本确定治理目标，在此基础上，提出 电能质量停止损失保险，根据保险精算学原理，确立激励性保费。该方法充分考虑 了电能质量问题的治理、损失以及用户响应，能够实现合理的优质高价 论文的主要工作包括： ( 1 ) 讨论了实施多质量等级电能供应和按质定价的背景。通过对现有电能质量 相关技术发展状况的总结，明确了实现电能按质定价的技术可行性；通过分析国内 外电力改革的趋势，以及电力改革核心电价改革的方向，总结出电力市场背景 下电能质量管理的发展方向，并给出多质量等级电能供应方案和电能按质定价应满 足的要求。 ( 2 ) 提出供电公司实施多质量电能供应的模式，即向用户提供电能质量服 务通过电能质量相关市场和技术背景的分析，引入风险管理理论，对用户的电能 1 华北电力大学硕士学位论文 质量风险采取损失控制和损失融资相结合的办法，论证了其在电能质量服务中应用 的合理性和可行性，并从整体上说明了电能质量服务的机制和框架，明确了其中针 对公平性而必需的监管体系和监管内容 ( 3 ) 提出了电能质量服务定价的数学模型。以风险管理理论为基础，引入再 保险管理中的停止损失风险，将电能质量服务费用分为治理费用和停止损失保险 费，通过质量的经济特性分析，得出用户的治理目标和治理费用；进行了质量差异 的经济分析从而推导出用户的意愿支付模型用以保费定价，明确了电能质量服务的 收费办法和赔偿办法；并通过具体算例进行验证分析。 ( 4 ) 最后，总结全文，指出今后需要进一步开展的工作。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章实施多质量等级电能供应和按质定价的背景分析 2 1实施多质量等级电能供应的技术可行性 供电公司实施多质量等级电能供应的可行性，决定于电能质量相关技术的发展 状况，包括电能质量的监测、评估以及控制。只有技术上可行后，才能从管理角度 分析实施多质量等级电能供应的效率问题下面就分别对这些技术的发展状况进行 简要介绍。 2 1 1 电能质量监测技术的发展 电能质量监测是电能质量管理和控制的基础。近年来，许多数学分析方法已在 电能质量领域得到广泛应用，如分析谐波在网络中的传播，自动识别在复杂系统中 的电能质量扰动类型，开发各种电能质量检测控制装置以及分析他们在解决电能质 量问题方面的应用等。 2 1 1 1 电能质量分析方法 电能质量的监测和评估一定程度上是以电能质量分析方法为基础的。电能质量 的主要分析方法可分为频域、时域仿真和基于数学变换的分析方法3 种 1 6 1 频域分析方法主要用于稳态电能质量问题。比如谐波、电压波动和闪变、三相 不平衡等。相对于暂态问题，此类事件具有变化相对较慢、持续时间较长等特点。 对称分量法是最常用的方法。它的优点是概念清晰、建模简单、算法成熟。不足之 处在于计算量大，耗时长。 对于电压骤降、电压骤升、电压中断等有关暂态电能质量问题，由于其持续时 间短、发生时间不确定，对频谱分析提出了较高要求。较多采用适于仿真的方法。 目前，e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 等系统暂态仿真程序在研究中得到广泛的应用。 它可直接提取波形特征进行分析，具有物理意义明确、直观性强的特点。 基于变换的方法常用在实时、在线的电能质量分析中，由于分析数据必须以足 够高的采样速率进行采样并存储，而且长期在线进行，所以存储的数据量非常大。 为合理地利用这些数据，可采用基于变换的方法进行扰动信号的分析。傅立叶变换 是经典的频谱分析和信号处理方法。但其对含有短时高频分量与长时低频分量的电 能质量信号分析具有一定的局限性小波变换是近年来新兴起的一种算法由于具 有时域局部化的优点，特别适合于突变信号和不确定信号的分析。 此外，现在电能质量问题中越来越多地应用了模糊数学、神经网络、人工智能 等方法及各种方法的有机结合，极大地丰富了电能质量的分析方法。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 2 电能质量监测装置的发展 由于电能质量需要监测的量很多而且大多是高度畸变的，传统方法是采用模拟 信号进行分析，监测不同的指标使用不同的仪器，如传统的电压表、电流表、有功 表、无功表、频率表，还有谐波表、三相不平衡度计、电压波动和闪变仪等，此类 仪器的不足之处是测量指标少、通用性较差、精度较低、自动化程度较低【 】，因此 不能满足现代电能质量监测的需要 现在采用微处理器为核心的新一代数字式仪表已被广泛使用，核心由d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e e d i n g ) 所构成。一般都可和计算机相连，构成数据处理能力较强 的p c + d s p 主从式结构，具有显示、存储、通信、人机对话等功能。对一个站点进 行监测，有较好的效果。不足之处在于；( 1 ) 监测指标少；( 2 ) 工作量大；( 3 ) 缺 乏判断依据；( 4 ) 实时性差。 当前i n t e r n e t 技术的发展为信息共享、数据交换提供了便利。也为电能质量监 测的网络化提供了有效的手段。使用g p s 技术保证采样数据的同步性和准确性。电 子技术和网络技术的飞速发展使电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、 网络化和智能化的方向发展。 2 1 2电能质量评估技术的发展 进行电能质量评估有以下几个作用l l s 】：( 1 ) 评价某个电网或某个供电点电能质 量的优劣；( 2 ) 是进行电能质量治理的先决条件；( 3 ) 是调查于扰源的发射干扰和 敏感用户所承受干扰的手段；( 4 ) 是供用电双方制定供电合同及明确电能质量责任 的重要依据；( 5 ) 是电能商品按质定价的重要参考。 电能质量评估分为单项指标评估和综合评估。单项指标评估是针对确定的评估 指标，根据监测所获得的数据以及当地负荷类型特点作指标计算和统计分析，或根 据当地电网的结构参数及负荷模型作仿真计算，最后得出指标值和评估结论。当对 供电部门进行电能质量考核、评价用户对供电质量的满意度以及给电能合理定价 时，电能质量的综合评佑却十分有必要。 在电能质量的各种评估方法中，现在应用较多的就是采用模糊数学、概率统计 以及归一化方法。基于模糊数学的评估方法【1 9 - - 2 2 1 ，利用了电能质量的一些指标对问 题的描述具有模糊性的特点，而模糊数学理论恰好是一种有效地处理模糊现象的方 法。通常，模糊数学在处理电能质量的评估问题时会采用模糊模式识别的方法或模 糊综合评价的方法此类方法有以下缺点：( 1 ) 在实际的处理过程中，模糊数学方 虫很多关键的步骤都很大程度上受主观因素的影响：( 2 ) 对电能质量的评估过程中， 加权的确定也以入的主观因素为主，这对评估结果的客观性也有一定的影响。 基于概率统计和矢量代数的评估方法 2 3 l ，采用了概率统计特征值的描述方式， l o 华北电力大学硕士学位论文 从而可以抓住电能质量各项指标的主要特征。同时又采用了矢量代数的方法，可以 有效地将不同的分项指标归一量化。它自始至终都是严格的数学计算过程，基本没 有主观因素的影响此方法中，其归一量化结果受基准值的影响很大，如果基准值 选取不当，会对电能质量评估的准确性有很大影响。而且，当用户或实际情况有特 殊需求对，该方法不能满足用户的要求。 2 1 3 电能质量控制技术的发展 2 1 3 1 电能质量调节装置的发展 随着电能质量的深入研究，越来越多的先进技术被用于改善电能质量，出现了 许多电能质量调节装置，主要分为静态开关设备和静态补偿设备阱瑚】。表2 1 列出 了部分治理设备的功能。典型的静态开关设备有固态断路器s s c b 、固态转换开关 s s t s 。静态补偿设备可按串并联方式分为3 类：串联型补偿器，如动态电压恢复器 d v r 、不间断电源u p s 、动态不问断电源d u p s 、蓄电池储能系统b e s s 、超导磁 能存储系统s m e s 等；并联型补偿器，如静止无功发生器s v g 、静止同步补偿器 s t a t c o m 、配电静止同步补偿器d s t a t c o m 、有源滤波器a p f 、无源滤波器p p f 等；串并联混合型补偿器，如统一电能质量调节器u p q c 等。此外，还包括晶闸管 投切电容器组t s c 和避雷器s a 等。不同的装置具有不同的控制功能和控制程度， 设备的投资及维护费用也各不相同而且上述装置并非互相孤立，它们之间的结合 表2 - 1 各种电能质量治理设备的主要功能 哲# 和欠电过电瞬时电压电压瞬时电压电流三相不 暂升压压断电切痕波动脉冲谐波谐波平衡 s s c b s s t sv d v ri l、ll0 u p sv1 j d u p sql l、lq b e s s、v0 s m e sl lllqq s v g 、f 、f s t a t c o m 、 a p f 、f0 p p f 、f u p q c lq-q _-、l-l t s c1 s a 华北电力大学硕士学位论文 可以扩展彼此的功能。 2 1 。3 2 电能质量控制技术的发展 上述这些装置单独作用或互相结合，可以控制、抑制、减缓或消除几乎全部的 电能质量问题。而且更重要的是，先进的控制技术使得达到用户各种质量水平要求 成为可能，目前主要的综合控制技术有用户电力技术和f r i e n d s 技术1 2 5 - 2 8 1 用户电力技术( c u s t o mp o w e r ，c p ) 是美国e p r i 学者n gh i n g o r a n i 于1 9 9 5 年首先提出的，它是把一些先进的电能质量调节装置及其组合应用于配电系统中， 根据用户对电能质量和供电可靠性的不同要求为用户配置所需要的电力。c p 将现代 电力电子技术、现代控制技术、数字信号处理技术、现代通讯技术、微处理器技术、 储能技术和配电自动化技术等诸多高新技术运用于中低压配电系统，以减小谐波畸 变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高电能质 量和供电可靠性。是一项经济、有效的综合技术。与f a c t s 攘比，其控制器原理 及结构均相同，只是电气标称值较小，因此有人称其为配电网中的f a c t s 技术或 d f a c t s 技术。 1 9 9 6 年，日本学者提出了f r i e n d s ( f l e x i b l e ，r e l i a b l ea n d i n t e l l i g e n t e l e c t r i c a l e n e r g yd e l i v e r ys y s t e m ) 技术，它的主要思想是在不同的供电层次加入不同的电能 质量控制环节，或称质量控制中心( q u a l i t yc o n t r o lc e n t e r ，q c c ) ，分为变电站型 q c c 、用户型q c c 及负荷型q c c 。通过不同级别q c c 的作用，就能够实现对电能 质量控制的高度灵活性、可靠性、信息化和智能化。 对于供电公司来讲，实现c p 或f r i e n d s ，成立各级q c c ，将成为电能按质定 价的有力技术支持。 2 2 实施多质量等级电能供应的经济动因 2 2 1电力工业市场化改革 2 2 1 1 世界各国电力市场化进程 电力市场是各国电力工业改革的大趋势 2 9 1 。近百年来，电力行业在世界各国都 是传统的垄断性行业。电力市场化的目的是打破垄断，促进竞争，从而提高电力行 业的生产效率。 实施电力市场化最早的国家是智利，其目的在于消除国有企业的腐败、低效和 缺乏资金的状况。1 9 8 2 年智利正式颁布了新电力法，以法律的形式确立了输电系统 向所有发电厂及用户开放的原则，打破了地区垄断，正式启动了合同电力交易及实 时电力交易的方式，把电力企业推向了竞争市场。英格兰电力市场化开始于1 9 8 7 年7 月政府颁布的电力法，并于1 9 9 0 年4 月撤消了垄断经营的中央发电局 1 2 华北电力大学硕士学位论文 ( c e g b ) 。把发电、输电、配售电的功能分开，按国家电网公司，3 个发电公司和1 2 个地区售电公司的模式运作。澳大科亚政府在1 9 9 1 年7 月决定成立了国家电网局 以推动电力市场，后来正式建立了国家电网管理委员会来监管电网运营。1 9 9 2 年 1 2 月该委员会颁布了“国家电网规约”，规定了3 0 m w 以上的发电厂和1 0 m w 以上 的用户都可以作为规约的成员单位自由地在国家电网进行交易美国电力市场化由 能源法案获得批准开始，以电网开放为标志。 2 2 1 2 我国的电力工业改革 2 0 世纪9 0 年代后期，随着整体经济环境的变化，中国政府借鉴发达国家的经 验，开始对电力、电信、民航、铁路等产业进行管制改革。基本的改革思路也是简 化产业的价格和市场准入管制，加强产品质量、服务质量和工作安全的管制。1 9 9 7 年，我国结束了长期的电力短缺，出现了电力富余。1 9 8 0 年以来执行的个别成本审 批电价制度、政府以行政手段为主筹集电力建设资金、电力供需省内自求平衡等集 资办电政策，造成的国电公司垂直一体化垄断、电力区域市场封锁、电力投资效率 低、电价高等问题突出出来。1 9 9 8 年1 1 月，国家经贸委正式提出厂网分开的改革 思路，并选择部分省市进行厂网分开、竞价上网的试点2 0 0 2 年4 月，国务院正式 批准了国家计委的电力改革方案：( 1 ) 厂网分开，将国电公司分拆为电网和发电 两大部分，厂网分开。( 2 ) 国电公司的发电资产分拆并跨地区重组为5 大发电集 团，与各种发电企业平等地相互竞争。( 3 ) 电网部分重组后，形成两大电网公司， 即国家电网公司和南方电网公司。( 4 ) 改革电价机制，实行两部制电价，各发电 企业竞价上网。( 5 ) 成立专业的监管机构国家电力监管委员会。 当前，实现商业化运营、走向市场已成为我国电力工业改革的大趋势，其总体 目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资源配 置，促进电力发展，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展 的电力市场体系。近几年来，我国已经开始了电力市场的准备工作，例如，建立电 费计量系统、实行峰谷分时电价和建立模拟电力市场，积极开展“厂网分开，竞争 上网”改革试点工作，在浙江、上海，山东、黑龙江、吉林、辽宁6 个省开展了试 点工作。实践表明，试点工作成绩显著，对进一步深化改革起了积极的推动作用。 我国能源资源分布的不平衡性，决定了必须在全国范围内优化电力资源配置， 加快电网建设，推进全国联网。我国正在经历大电网的互联过程，随着西电东送南 北互供形式的发展，2 0 0 5 年末已基本形成全国联网。这既是世界电力发展的共同规 律，更是我国能源资源和负荷中心分布的特点所决定的。同时，我国幅员辽阔，为 了使电网的管理、市场的管理与电网的调度更为有效，必须实行统一调度下的分级 管理，各负其责。既有整体的统一性，又有管理上的分层性，这就是我国发电、电 网调度和电力市场的管理格局。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 综上所述，电力市场化运营是电力工业发展到一定阶段的必然要求，已经成为 世界电力行业的共同发展趋势其根本目的是将电力工业纳入全社会资源优化配置 链，以市场机制全面提高电力工业的投资和运行效率。电力市场的本质是将电力交 易过程中的一切条件都转化为单一的货币单位来衡量，并且其价格由市场决定，从 而使资源优化配置得以实现。只要保证上述理念得以实现，电力市场的组织形式完 全可以因对、因地、因网而多种多样。电力市场化改革对电力工业带来强烈的冲击， 对电力系统规划、运行、管理有深远的影响，不仅涉及电力工业本身运营，还涉及 到法制、管理、经济等诸多领域。 2 2 2 市场化改革中的电价 在电力工业的市场化改革过程中，电价无疑占据着核心地位。电力市场的理论 问题集中在电价上，具体表现为将电力从生产到消费的一切行为都用价格( 费用) 表示出来。电价不仅是电力市场供求关系的信号，也是控制电力市场交易的经济杠 杆要利用电价在市场环境中的经济信号作用，来指导、调节、控制电力生产与消 费，从而达到优化资源配置、合理组织生产、提高社会经济效益的目的【3 们。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，我国经济体制改革进程加快，但是从总的方面来看， 电价结构改革进展缓慢，与电价水平和电价监管相比，电价结构调整滞后于电价水 平的提高和电价监管的改善。现行电价体系中存在如下问题【3 0 】： ( 1 ) 过多地考虑政策因素，忽略了效率因素。在电价分类上，基本上按电力 用户类型、用电行业和用途划分，这便于国家制定政策。但许多用户，如非工业、 普通工业、农业等用户有多种用途用电，由于价格不同，尽管用电量不多，需分线 分表计量，造成人财物的极大浪费。 ( 2 ) 各种用电比价关系不尽合理。用电比价包括两个方面：一是不同类用户 之间比价；二是同类用户不同收费体系( 标准) 之间比价。用电比价不合理突出表 现在：两部制电价中基本电价比重太小，且实施范围偏窄；电压等级价差幅度偏小， 基本上只考虑线损，没有反映不同电压等级投资成本差额；居民生活、非普工业、 大工业等分类，电价间比价也不尽合理，没有按各类用电负荷特性和真实占用电力 成本来制定。 ( 3 ) 繁简不当。对用电量少、用户数多的中小用户电价结构较繁，对用电量 多、用户数较少的大用户电价结构相对较筒，没能充分反映用户用电负荷特性的差 异性同时。也缺乏根据电网发电负荷曲线鼓励或抑制用户用电的结构信息。 ( 4 ) 没能体现优质优价这一市场经济的重要定价原则。对电能质量和供电可 靠性要求较高的用户，与一般用户没有定价上的区别。 我国将通过电价改革把电价划分为上网电价、输电电价、配电价格和终端销售 价格，发电、售电价格由市场竞争形成，输电、配电价格由政府制定。明晰管理规 1 4 华北电力大学硕士学位论文 则，建立规范、透明的管理制度改革后的电价体系中各种电价的具体确定方式是： ( 1 ) 上网电价：引入竞争、市场定价。在厂网分开、网售分开的基础上。建 立完整的竞争性的电力市场，政府制定电力市场交易规则，发电的购售价格在竞争 中形成。 ( 2 ) 输配电价：政府监管、单独定价。根据输配电网络业务的自然垄断特性， 确立输配电价形成机制和有效监管方式，建立与输配电网络业务相适应的独立价格 形式。 ( 3 ) 销售电价：市场主导、政府监管。实行以市场为主导的定价模式。引入 竞争性零售商制度。让大部分用户拥有对供电方及电价的选择权。对没有获得选择 权，或有选择权而没有选择供电方的用户，政府对电网的专营销售电价实行监管。 2 2 3 电力改革背景下的电能质量管理 2 _ 2 3 1 电力市场化对电能质量的影响 在竞争的电力市场中，买卖双方参与市场的目的是追求各自的最大经济利益。 卖方为降低运营成本，可能使电力系统在更接近安全极限的水平下运行，并可能减 少线路与设备维护次数，缩减甚至取消新设备投资。电力公司所采取的上述节约成 本的措施，会对稳定水平进而对电能质量产生负面影响【3 l 】 此外，电力市场化还分散了各方对电能质量应负的责任。在垂直一体化的体制 下。电力公司对电能质量负主要责任1 3 2 。在电力市场环境下，谁应该对用户的电能 质量负责? 是发电方、配电方、售电方还是用户自己? 电能质量责任界限的模糊将 使得事件的处理复杂化。 电力市场化还将激化电能质量问题引起的矛盾。发电公司的上网电能可认为是 纯净无污染的，但由于各地区电网结构与用户用电特性等的差异。不同电网会把不 同的污染反馈给发电厂，严重时可威胁电厂的安全可靠运行。 2 2 3 2 市场环境下的电能质量管理 传统的电力系统是自上而下严格控制的系统，而在电力市场的环境下，集中的 电网管理需要依靠分散的市场来维持其电能质量【3 3 1 为了使这种混合管理模式更有 效。就必须把电网的需要转换为市场对发电厂商的适当激励。在电力市场中，电能 质量作为电能的辅助功能，市场主体提供了电网所需要的服务，就应得到相应的经 济补偿，否则就会影响及时提供辅助服务的积极性。而电价作为电能商品的重要属 性，是提供补偿功能的最基本手段。为了合理确定电能价格，首先应制定电能质量 评价标准，依据电能质量确定最终交易价格。电力供应商在提供电能的同时应满足 用户对供电质量的要求电力供应商在确保其电能质量的前提下，可获得相应的收 益，从而更好地激励其维护电能质量。供电公司可以将电能质量的治理推向市场， 1 5 华北电力大学硕士学位论文 随着电力市场的发展和完善，使电能质量闯题的解决更加市场化。当系统中需要解 决电能质量问题时，电力企业或大用户可通过自己投资解决也可向市场“购买”， 从而使电能质量控制更加专业化，达到降低成本、提高效率的目的。 同时，电能的生产供应关系到国家的经济命脉，为了确保供电质量，必须及时 制定相应的制度法规，必须建立国家层面的独立的电力监管机构，从而规范和监管 电力市场运行，维护公平竞争环境。对于出现的电能质量方面的问题，应由电力监 管机构以中立的立场，本着独立、公正、透明、专业的原则，依法处理电力市场纠 纷，维护消费者权益。监管体系的建立包括有关电力立法和执法的法律环境、专门 的行业监管机构( 包括对监管的职能、责任、内容、手段、权力配置、对监管者的 监控机铡等靓定) 。 综上所述，电力市场环境下的电能质量管理概括为以下3 点：( 1 ) 把电能质 量治理市场化；( 2 ) 建立相应的管理机构，并建立电网的电能质量标准体系，使 电能质量水平的高低有据可依；( 3 ) 针对用户高于电网标准的电能质量水平，供 电公司综合采用c p 和f r i e n d s 技术，进行针对性的治理服务。 2 3 本章小结 本章从电能质量相关技术的发展情况出发，论证了实施多质量等级电能供应和 按质定价的可行性；并分析了当前电力市场化改革对电能质量的影响，说明了电力 改革中电价改革的趋势和方向。总结了电力改革背景下的电能质量管理问题。这些 条件决定了实施多质量等级电能供应和电能按质定价有如下几点要求： ( 1 ) 把电能的按质定价细化为电能质量服务定价，这一体系使得电能质量服 务定价问题的解决顺应电价改革的实际，易于实施。 ( 2 ) 电能质量服务是从输配电服务中分离出来的，因此也具有输配电市场的 垄断性质，必须明确市场定价主体，即为管辖输配电网的供电公司 ( 3 ) 市场环境下，市场主体的目标是利润最大化，因此，必须充分考虑用户 的电能质量服务需求，电力消费者不再是被动接收，而是可以主动提出要求，即赋 予用户个人选择的权利。供电公司应以管辖范围内用户的要求为基础，有针对性地 进行电能质量问题的治理和改善。 ( 4 ) 不同于其它的市场定价问题，电能的按质定价不可避免地要考虑具体的 地域闯题。在满足尽可能多的用户要求的基础上，以管辖范围为单位优化配置资源， 选择可行的治理措施，以提高供电公司和整个市场的资源配置效率。 ( 5 ) 供电公司在提供电能质量服务时，要始终认识其作为电力市场环境下供