隨著(zhù)電力市場(chǎng)越來(lái)越關(guān)注電價(jià)和電力監管越來(lái)越關(guān)注能效, 電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出。如果無(wú)法保證供電的電能質(zhì)量，可能給用戶(hù)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(gè)社會(huì )都是昂貴的。還有一些工業(yè)部門(mén)如連續制造或IT產(chǎn)業(yè)則對電壓暫降特別敏感。無(wú)論長(cháng)時(shí)或短時(shí)中斷、電壓暫降、瞬態(tài)沖擊或其他電壓擾動(dòng)，最終的后果都是導致生產(chǎn)中斷。中斷的持續時(shí)間與電能質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的頻次都會(huì )對工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重的影響。

雖然在大多數情況下電能質(zhì)量的成本較低,但根據EPRI的報告，在極端情況下, 電能質(zhì)量問(wèn)題的成本也可能達到百萬(wàn)美元，因此需要得到足夠的重視。電能質(zhì)量問(wèn)題的成本具有差異性非常大的特點(diǎn)。盡管看上去情況類(lèi)似，但產(chǎn)生的成本則可能千差萬(wàn)別。電能質(zhì)量問(wèn)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(dòng)水平。

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

傳統電能的應用主要是提供動(dòng)力和照明。但近幾十多年來(lái)，電子行業(yè)的興起以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得整個(gè)社會(huì )對電能的依賴(lài)性越來(lái)越強，電能已經(jīng)成為無(wú)可替代的能源。最近,電能進(jìn)一步延伸到了城市供暖和交通運輸行業(yè)，成為了電能替代的重要領(lǐng)域。

隨著(zhù)能源市場(chǎng)化進(jìn)程加快，電力市場(chǎng)自由化使得電能質(zhì)量問(wèn)題造成的風(fēng)險越來(lái)越高，最終必須由電力監管部門(mén)來(lái)保障電能供應的質(zhì)量。

現代社會(huì )人民生活和經(jīng)濟發(fā)展都依賴(lài)于連續可靠的供電。在將來(lái)，儲能技術(shù)在智能電網(wǎng)中的推廣應用將有助于減少連續可靠供電對集中發(fā)電形式的依賴(lài)。但同時(shí)也增加了系統對可再生能源高度隨機性的依賴(lài)，從而增加在極端天氣下系統停電的風(fēng)險。

一旦連續供電可以滿(mǎn)足，電壓質(zhì)量問(wèn)題就必須進(jìn)入議題。一方面，電壓質(zhì)量問(wèn)題受配電網(wǎng)中的眾多事件影響（如故障、諧波干擾、雷擊等），因此追求完美的電壓質(zhì)量是不可能的。另一方面，終端用戶(hù)設備對電壓擾動(dòng)的免疫水平有限，電壓擾動(dòng)可能會(huì )導致設備故障或損壞。平衡電網(wǎng)擾動(dòng)水平和設備免疫程度的問(wèn)題稱(chēng)為“兼容性”問(wèn)題。找到合適的電網(wǎng)擾動(dòng)水平與實(shí)際可行的設備免疫度，是大多數標準的努力方向。電網(wǎng)擾動(dòng)水平由規劃限值和設備發(fā)射限值確定。設備免疫程度則由包括安裝和運行的產(chǎn)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(wǎng)和用戶(hù)設備之間的兼容性是至關(guān)重要。兼容性是電網(wǎng)和用戶(hù)雙方需要共同承擔的責任。供電企業(yè)負責保證電網(wǎng)運行水平，用戶(hù)負責在相應的電網(wǎng)運行水平下，確保其設備能正常工作。標準承擔著(zhù)準確定義電能質(zhì)量水平的重要角色，以進(jìn)行責任劃分（responsibilitysharing）。

當用戶(hù)希望電網(wǎng)承擔電能質(zhì)量問(wèn)題責任時(shí)，最關(guān)鍵的是從全社會(huì )層面量化解決電能質(zhì)量所需的投資，當技術(shù)措施已知時(shí)，投資很容易估算，但電能質(zhì)量問(wèn)題的成本卻不一定能直接獲得。

不同地點(diǎn)的電能質(zhì)量問(wèn)題成本差異很大（LPQI的調查顯示，電能質(zhì)量問(wèn)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(zhì)量問(wèn)題的經(jīng)濟影響需要就地分析。這個(gè)現象是相當普遍的。例如，在意大利的調查中，工業(yè)用戶(hù)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(diǎn)和相同時(shí)間段內，一些用戶(hù)的電能質(zhì)量問(wèn)題成本巨大，而另一些用戶(hù)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(zhì)量問(wèn)題成本是可行且非常必要的，并能的得到有參考簡(jiǎn)直的結論。有部分研究已將這種方法應用于整個(gè)國家層面的電能質(zhì)量問(wèn)題成本。2001年，美國電科院(EPRI)下屬支持數字社會(huì )的電力基礎設施組織和Primen公司提交了一份美國關(guān)于電能質(zhì)量成本的調查報告。該報告(下稱(chēng)EPRI報告)估計停電和其他電能質(zhì)量問(wèn)題的成本在1190億美元1880億美元之間，其他電能質(zhì)量問(wèn)題的成本占比少于13%。

2006年萊昂納多電能質(zhì)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(hù)開(kāi)展了調查，特別是工業(yè)用戶(hù)。調查結果表明電能質(zhì)量問(wèn)題對工業(yè)用戶(hù)，尤其是連續制造業(yè)用戶(hù)造成經(jīng)濟損失。約30%對電能質(zhì)量敏感用戶(hù)的電能質(zhì)量成本約為4%的總營(yíng)業(yè)額，其中約60%的電能質(zhì)量問(wèn)題成本是由電壓暫降和短時(shí)中斷引起的。通過(guò)調查結果推算，歐洲的電能質(zhì)量總成本超過(guò)1500億歐元。

在挪威的調查顯示，用戶(hù)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(cháng)時(shí)停電的成本為4.3億挪威克朗，短時(shí)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。

國際大電網(wǎng)會(huì )議和國際供電會(huì )議（CIGRE/CIRED）聯(lián)合工作組公布了C4.107報告，對目前已有的電能質(zhì)量經(jīng)濟影響方面的的知識進(jìn)行了總結。報告中的一個(gè)主要結論是無(wú)論是哪種類(lèi)型的電能質(zhì)量問(wèn)題，最主要的影響都在于造成了生產(chǎn)過(guò)程中斷，從而引起經(jīng)濟損失。當然，造成生產(chǎn)中斷的原因可能不同，但直接后果是相似的——經(jīng)濟損失取決于生產(chǎn)中斷的持續時(shí)間和受影響的范圍。成本構成可以標準化為以下內容：

• 生產(chǎn)損失：原材料和勞動(dòng)力的浪費

• 停工期間閑置人員的人力成本

• 重啟動(dòng)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(huì )出現非生產(chǎn)過(guò)程中斷的相關(guān)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(guò)熱或不正常運行造成的提前老化

• 無(wú)法實(shí)現全產(chǎn)能生產(chǎn)的效率降低成本

在考慮電能質(zhì)量問(wèn)題成本時(shí)，需要注意電網(wǎng)公司(在歐洲稱(chēng)為配電系統運營(yíng)商DSO)也承擔電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的后果，如：

• 治理電能質(zhì)量問(wèn)題的成本，如配電網(wǎng)中的各種技術(shù)措施：分段、接地、絕緣、動(dòng)物防護、防雷和快速切換等

• 提高可靠性（非電能質(zhì)量問(wèn)題）的成本，如重合閘方案、備用線(xiàn)路和環(huán)形供電等

• 響應電能質(zhì)量問(wèn)題的成本，如呼叫中心，響應人員，檢查、監測、咨詢(xún)和治理等

• 維護成本，如巡視、剪枝和設備維護等

長(cháng)時(shí)中斷

長(cháng)時(shí)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(wú)法通過(guò)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(cháng)時(shí)和短時(shí)中斷的持續時(shí)間方面存在一些差異，但這些差異并不重要。因為大多數非永久性短時(shí)中斷的持續時(shí)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(chēng)值。長(cháng)時(shí)中斷有時(shí)被稱(chēng)為停電（blackout）。blackout通常還表示持續時(shí)間非常長(cháng)，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(dòng)或無(wú)法滿(mǎn)足照明等基本功能要求。但有時(shí)后果可能會(huì )更嚴重。如長(cháng)時(shí)間停電且家里沒(méi)有儲能裝置，冰箱里的食物就會(huì )變質(zhì)，供暖也無(wú)法工作(即使不是電取暖，但溫度控制和熱水循環(huán)仍然需要用電)。當溫度很低時(shí)，水可能會(huì )在管道中凍結，帶來(lái)嚴重的后果。家庭自動(dòng)化系統也需要供電，長(cháng)時(shí)間停電可能導致家里的警報、火災或爆竊無(wú)法檢測 (備用電源只能保證有限時(shí)間的供電)。

常用于量化上述問(wèn)題的方法為用戶(hù)支付意愿法(WTP)，即用戶(hù)為提高供電可靠性愿意支付的金額，和用戶(hù)賠償意愿法（WTA），即用戶(hù)遭受上述問(wèn)題后可以接受的賠償金額。這些金額通常與用戶(hù)的用電量有關(guān)。用戶(hù)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(hù)停電成本比較合適。在意大利的調查顯示，居民用戶(hù)的停電成本約為電價(jià)的100倍，因此需要保障居民用戶(hù)的供電連續性。

電壓暫降和短時(shí)中斷

短時(shí)中斷和長(cháng)時(shí)中斷有時(shí)會(huì )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(wú)法體現短時(shí)中斷造成的經(jīng)濟損失。如前所述，停電成本與持續時(shí)間二者之間是存在一定關(guān)聯(lián)關(guān)系。但在本節中的短時(shí)中斷成本與持續時(shí)間卻不是一個(gè)直接的比例關(guān)系。例如1小時(shí)的停電造成的經(jīng)濟損失可能是1分鐘停電的2-4倍，甚至更大，但生產(chǎn)過(guò)程重啟時(shí)間所占的比重卻相差很大。

短時(shí)中斷實(shí)際上應該是一個(gè)電壓質(zhì)量問(wèn)題。短時(shí)中斷最常見(jiàn)的原因是短路故障。在這種情況下，由于故障引發(fā)大電流從而快速清除，如樹(shù)枝被炸開(kāi)。緊接著(zhù)一個(gè)成功的自動(dòng)重合閘操作恢復供電。因此，故障的下游將經(jīng)歷一個(gè)短時(shí)中斷，而故障上游則經(jīng)歷一個(gè)電壓暫降。

電壓暫降第二個(gè)常見(jiàn)的原因是大型負載的啟動(dòng)或投入（如無(wú)軟啟動(dòng)的電機）。這個(gè)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(shí)更為明顯。

如果系統的免疫度無(wú)法抵御電壓暫降或短時(shí)中斷，將導致生產(chǎn)過(guò)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(shí)，電機的轉矩和轉速將會(huì )降低，并可能無(wú)法恢復。當有變頻調速時(shí)，由于控制的作用，電機將會(huì )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(dòng)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(guān)，并會(huì )收到電壓閃變的影響。氣體放電燈，如常見(jiàn)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(diǎn)亮。

電壓暫降免疫度是一個(gè)非常復雜的問(wèn)題。由UPS保護整個(gè)工廠(chǎng)能保證免疫度，但投資巨大。正確的方法是找到那些對生產(chǎn)過(guò)程至關(guān)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(shí)或長(cháng)時(shí)中斷，但電壓暫降的發(fā)生頻率更高。中斷將影響所有無(wú)保護的生產(chǎn)過(guò)程，但電壓暫降只影響最敏感的生產(chǎn)過(guò)程。如果生產(chǎn)過(guò)程采用并行設計，那些未被影響的生產(chǎn)過(guò)程仍能繼續運行。

電壓暫降在工業(yè)生產(chǎn)中尤為突出。不同的調查都表明連續制造業(yè)和IT業(yè)是最敏感的。半導體行業(yè)的電壓暫降成本在所有行業(yè)中最高，其他的調查也有相同的結果。

LPQI的調查結論是最敏感的行業(yè)約占全歐洲產(chǎn)值的20%和工業(yè)產(chǎn)值的30%。，其電能質(zhì)量問(wèn)題成本約為產(chǎn)值的4%。24%的電能質(zhì)量問(wèn)題成本是由于電壓暫降引起的，19%是由于短時(shí)中斷引起的。每次電壓暫降事件成本介于2.120 和4.682€。工業(yè)的短時(shí)中斷成本是電壓暫降成本的3倍，工業(yè)的短時(shí)中斷成本是電壓暫降成本的9倍。所有用戶(hù)平均每年經(jīng)受13起電壓暫降和6起短時(shí)中斷。

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

迄今為止，中斷和電壓暫降造成的經(jīng)濟損失已經(jīng)開(kāi)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(gè)電能質(zhì)量問(wèn)題的占比為48%。

在以下部分將會(huì )簡(jiǎn)要地描述其他電能質(zhì)量問(wèn)題的成本。

諧波

諧波是一種由于非線(xiàn)性負荷增多，尤其是電力電子設備增多，造成的一種電能質(zhì)量問(wèn)題。設備允許發(fā)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(chǎn)生的諧波，如增加三相設備中的脈動(dòng)數，在單相供電設備中采用功率因數補償技術(shù)等。諧波治理技術(shù)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(wèn)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(huì )造成變壓器或電力電纜過(guò)熱，從而引起供電中斷。諧波的影響包括以下幾個(gè)方面:

諧波電流：

• 斷路器因諧波造成電流峰值增大而誤動(dòng)

• 三相四線(xiàn)中的中性線(xiàn)過(guò)熱

• 變壓器渦流損耗增加而導致變壓器過(guò)熱

• 造成電容器過(guò)流

諧波電壓：

• 感應電動(dòng)機損耗增大

• 產(chǎn)生諧振，導致無(wú)功補償電容器過(guò)應力

• 基于過(guò)零點(diǎn)控制的紊亂

  
  

設備過(guò)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(zhì)量問(wèn)題成本的5.4%。然而，受訪(fǎng)者很難區分因諧波問(wèn)題造成的生產(chǎn)中斷，而主要是考慮諧波導致生產(chǎn)減緩的成本，如精度變差、簡(jiǎn)單的誤操作、失步和廢品增加等。25%的諧波成本與設備有關(guān)，如設備損壞或維護增加。雖然已知諧波會(huì )產(chǎn)生額外的損耗，但受訪(fǎng)者無(wú)法提供有關(guān)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(zhì)量問(wèn)題成本的22%(不含中斷)。

最近，超級諧波（supra-harmonics，2kHz~150kHz）日益受到關(guān)注。這些諧波由不同類(lèi)型的電子器件產(chǎn)生的，會(huì )對配網(wǎng)自動(dòng)化中的電力線(xiàn)路通信信號產(chǎn)生干擾。

瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題

瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題指是時(shí)間非常短（最多為幾毫秒）、幅值非常高（可達幾kV）和上升速度快的電壓擾動(dòng)問(wèn)題。瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題中包含有高頻分量，在電網(wǎng)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(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的原因包括電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)操作或雷擊，以及用戶(hù)感性負荷的投入。瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題有幾kV的幅值，會(huì )對周?chē)脑O備造成嚴重的損壞。電網(wǎng)企業(yè)和電信企業(yè)都采取了相應的措施，以保證設備不會(huì )受到瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的影響，且不會(huì )傳播到用戶(hù)處。盡管如此，瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì )破壞數據，因此還是會(huì )引起生產(chǎn)中斷。

令人有些吃驚的是，在LPQI調查中，瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)注度非常高。雖然瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題不常發(fā)生，但一旦發(fā)生，后果非常嚴重。EPRI報告也表明，瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的用戶(hù)關(guān)注度排在第二位。

其它問(wèn)題

電壓暫升比電壓暫降發(fā)生次數上，但當電壓暫升幅值較大時(shí)，也可能造成設備損壞。電壓暫升帶來(lái)的設備損壞要比電壓暫降少得多。三相不平衡會(huì )造成線(xiàn)路和變壓器過(guò)熱、損耗增加和使用壽命縮短等后果。電壓閃變會(huì )造成病態(tài)建筑綜合癥（sick building syndrome）。雖然白熾燈（對閃變最敏感）的使用量越來(lái)越少，但電子換流器中的開(kāi)關(guān)抖動(dòng)也會(huì )造成緊湊型熒光燈（CFL）和LED燈的閃爍，帶來(lái)同樣的問(wèn)題。當然，上述電能質(zhì)量成本較低。LPQI調查表明，其他電能質(zhì)量問(wèn)題成本不到整個(gè)電能質(zhì)量問(wèn)題成本的5%，其主要后果是生產(chǎn)減緩和失靈。

世界范圍內的不同調查顯示，劣質(zhì)電能的成本巨大，甚至可以和電費收入相當。在敏感行業(yè)中，電能質(zhì)量問(wèn)題的成本會(huì )大大影響企業(yè)的產(chǎn)能。LPQI調查顯示，電能質(zhì)量治理設備的容量與已治理電能質(zhì)量問(wèn)題成本存在較大的相關(guān)性。同時(shí)，電能質(zhì)量治理設備的投資費用與未治理電能質(zhì)量問(wèn)題成本存在較大的差異，所占比重約為10%。

雖然統計值和各種指示對該問(wèn)題的分析是有幫助的，但即使在同一行業(yè)，也沒(méi)任何兩家企業(yè)的電能質(zhì)量問(wèn)題成本相同，因此電能質(zhì)量問(wèn)題成本需要單獨進(jìn)行校核。