考虑谐波治理多方参与下的电能质量增值服务方案设计方法与流程

1.本发明涉及电能质量增值服务技术领域，具体为一种考虑谐波治理多方参与下的电能质量增值服务方案设计方法。


背景技术：

2.为解决现今电力行业出现的问题，2015年3月发布了《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》文件，强调要以电力市场主要需求为方向，创造稳定、透明、公开的良好市场环境。“以质定价”成为未来电力市场的导向。目前配电网中大量分布式能源并网、大容量冲击性负荷接入、及非线性负荷大量出现，用户对高质量供电的需要愈加强烈。增值服务在未来的电力市场具有广阔的空间，多样化的电力增值服务将成为售电公司竞争的重要手段。
3.大量非线性负荷的接入，造成了严重的谐波污染。电网中存在大量谐波电流，不仅会产生附加损耗，造成电能浪费，也会加速电力设备老化，缩短使用寿命。另外，谐波电流还会降低供电设备容量的利用率、增加设备故障率。更严重的是，谐波电流与系统侧阻抗相互作用进一步恶化公用电网的电压质量，影响与共用母线连接的其他电力负荷稳定运行，谐波污染已成为电网不可忽略的问题。
4.目前，非线性用户谐波治理关键问题在于用户治理的需求度分析不足。主要原因有两个：一是非线性用户是造成谐波污染问题的主导因素，但其自身对谐波问题的敏感度以及造成的经济损失不明确，谐波治理需求模糊，从而治理意愿薄弱；二是电能质量监测点大多分布在电网侧，导致用户获得的信息不对等，从而对自身的用电环境了解不足。
5.在优质供电增值服务模式方面，许多学者进行了研究。有学者提出了一种基于供用电双方满意的电压暂降治理增值服务定价模型，引入满意价格策略，缓解双方费用矛盾，也有学者提出一套用户电压暂降敏感设备“以旧换新”的优质电力增值服务策略。但是，在增值服务方面的研究仍局限于电压暂降领域，谐波治理增值服务模式的内容和运营模式及其工程实际验证是亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑谐波治理多方参与下的电能质量增值服务方案设计方法，能够明确用户优质供电需求，实现优质供电增值服务潜力量化评估，促进优质供电增值服务相关工作的展开，并引导用户主动参与电能质量的治理，提高治理效率。
7.技术方案如下：
8.一种考虑谐波治理多方参与下的电能质量增值服务方案设计方法，包括：
9.步骤1：从设备故障率及潜在风险、经济损失程度、治理后变压器负载率提升获取的潜在收益三方面对非线性用户谐波治理需求度进行分析；
10.步骤2：基于层次分析法原理，结合谐波治理需考虑的因素，分层建立指标体系，构建非线性用户电能质量治理成本和需求度评估模型；
11.步骤3：结合用户的谐波治理需求，提出治理设备租赁与产权移交相结合的增值服务模式，以及在该模式下，电网公司、设备厂商和非线性用户三方在增值服务中的角色及收益。
12.进一步的，所述对非线性用户谐波治理需求度进行分析具体包括：基于用户是否装设电容器，装设电容器数量的多少，来评估用户是否存在发生谐振的风险；根据用户变压器负载率是否过低来判断负载率潜在提升空间；通过用户装设的线路长短和变压器数量来判断设备附加损耗的治理需求。
13.更进一步的，所述构建非线性用户电能质量治理成本和需求度评估模型具体包括：
14.步骤2.1：建立模糊关系矩阵
15.设有m个评价内容，s个评价等级；则评价内容集合为：
16.u＝{μ1,μ2,μ3,
…
,μm}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
17.评价等级集合为：
18.v＝{v1,v2,v3,
…
,vs}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
19.其中，u和v集合中的元素任意两两搭配，构成m个评价内容的descartes乘积(μi,vj)；将元素对(μi,vj)的评价因素记为f
ij
，则构成的m阶模糊关系矩阵f为：
[0020][0021]
步骤2.2：划分评估等级
[0022]
根据谐波治理增值服务的特点，将谐波治理增值服务的需求度评估等级论域v定义为：v＝{不需要，一般需要，需要，较需要，非常需要}；因为所述评价内容具有模糊性，故采用模糊理论对其进行模糊化处理，得到取值论域η为：
[0023]
η＝{0～2,2～4,4～6,6～8,8～10}
[0024]
步骤2.3：综合评估
[0025]
在同层指标中，利用权重来区分某指标的重要程度，权重向量采用归一化向量w表示；
[0026]
将权重向量w与模糊矩阵f合成，得到被评价事物的模糊综合评价隶属度矢量ξ为：
[0027]
ξ＝w
·
f＝[ξ1，ξ2，
…
，ξs]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0028]
式中，ξj为该种状态对第j评价等级的隶属度将ξj最大值与评价论域v中各等级相对应，得出评价结果，进而为各类用户个性化定制增值服务方案。
[0029]
更进一步的，所述治理设备租赁与产权移交相结合的增值服务模式具体为：
[0030]
电网公司向用户提供咨询服务，评估用户的治理需求度，并设计治理方案；由设备厂商出资提供治理设备；用户通过租赁治理设备来得到优质供电服务，并与与电网公司签署租赁合同，后期用户对治理设备选择产权转移或选择继续租赁。
[0031]
更进一步的，在治理设备租赁与产权移交相结合的增值服务模式下，三方收益如下：
[0032]
(1)租赁到期后，用户选择产权移交，根据设备的折旧率，支付移交费用，获得设备的产权；此时用户的总收益为pu、总成本为cu，公式如下所示：
[0033][0034][0035]cr
＝α{c
p-f(n)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0036]
式中，t为年，t为治理设备使用寿命，n为租赁期限，r为折现率，δc
loss
为治理后用户每年减少的因谐波引起成的经济损失，ciu为用户初期投入成本，c为租赁费用，c
t
为产权转移费，δc
om
为设备运维费，c
p
为设备成本，cr为设备报废成本，n为总年限；
[0037]
设备厂商的总收益包括租赁费和设备产权转移费，总成本包括设备购买费用和租赁期间的设备运维费用；其中，设备厂商的总收益pe、总成本ce为：
[0038][0039][0040]
(2)在谐波治理设备首次租赁合同到期后，用户选择继续租赁，此时用户的总收益pu、总成本cu为：
[0041][0042][0043]
设备厂商的总收益pe、总成本ce为：
[0044][0045][0046]
本发明的有益效果是：
[0047]
(1)本发明考虑了谐波对非线性用户造成的影响因素，通过建立非线性用户电能质量治理成本和需求度评估模型，可引导用户主动参与电能质量的治理，提高治理效率。
[0048]
(2)本发明提出一种基于层次分析法的用户治理需求度评估方法，可明确用户优质供电需求，实现优质供电增值服务潜力量化评估，促进优质供电增值服务相关工作的展开，有效提高用户的满意度和电网公司的市场竞争力。
[0049]
(3)本发明提出一种多方参与的非线性用户电能质量治理增值服务模式，分析了服务方案的治理效果和成本，明确了各方的经济效益，为用户提供了多种服务方案选择。有助于降低各方电能质量治理资金的投入，实现电能质量治理成本最优化和效益最大化，提高用户产品质量、生产效率、企业利润和用户市场竞争力。
附图说明
[0050]
图1为本发明治理需求度层次指标体系。
[0051]
图2为本发明增值服务组成结构。
[0052]
图3为实施例中冶金厂一次接线图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明提出一种基于层次分析法的多方参与谐波治理增值服务模式。首先，从谐波放大诱发的电容器爆炸等潜在风险、变压器负载率提升带来的潜在收益、谐波引起的附加损耗三个维度出发，构建用户谐波经济损失模型。其次，通过层次分析法，量化用户的谐波治理需求度，评估谐波治理增值服务实施可行性。最后，提出一种电网公司、用户、设备厂商三方共同参与下租赁与产权转移相结合的谐波增值服务模式，以达到三方获得可观收益。
[0054]
步骤1：对非线性用户谐波治理需求度进行分析，从设备故障率及潜在风险、经济损失程度、治理后变压器负载率提升获取的潜在收益三方面展开：
[0055]
第一，设备故障率及潜在风险主要包含谐振及谐波放大引起的电容器爆炸、燃烧引起的事故，当高次谐波电流流入电容器时，会使电容器两端电压发生畸变，峰值升高，可能会引起爆炸、火灾、停电、甚至造成人身伤害；第二，谐波问题会造成变压器和线路的附加损耗；第三，许多非线性用户为避免产生的谐波超出国家标准，变压器的负载率通常偏低。也有用户在谐波超标时，通过降低变压器负载率，甩掉多余负荷避免超标。这些用户接受谐波增值服务后，可有效的降低谐波含量，使得变压器的负载率存在提升空间，接入更多负荷。
[0056]
结合上述三个方面的关键影响因素对非线性用户的谐波治理需求度进行分析，首先基于用户是否装设电容器，装设电容器数量的多少，来评估用户是否存在发生谐振的风险；根据用户变压器负载率是否过低来判断负载率潜在提升空间；通过用户装设的线路长短和变压器数量来判断设备附加损耗的治理需求。
[0057]
步骤2：基于层次分析法原理，结合谐波治理需考虑的因素，分层建立指标体系，构建非线性用户电能质量治理成本和需求度评估模型。
[0058]
通过层次指标，构建评估模型。基于层次分析法原理，结合谐波治理需考虑的因素，分层建立指标体系。指标层由上至下为：o＝{非线性用户增值服务需求度}，h＝{经济损耗，潜在风险，负载率提升潜力}，以及h层指标包含的11项i层指标，如图1所示。
[0059]
1)建立模糊关系矩阵
[0060]
设有m个评价内容，s个评价等级；则评价内容集合为：
[0061]
u＝{μ1,μ2,μ3,
…
,μm}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
评价等级集合为：
[0063]
v＝{v1,v2,v3,
…
,vs}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0064]
其中，u和v集合中的元素任意两两搭配，构成m个评价内容的descartes乘积(μi,vj)；将元素对(μi,vj)的评价因素记为f
ij
，则构成的m阶模糊关系矩阵f为：
[0065][0066]
2)划分评估等级
[0067]
根据谐波治理增值服务的特点，将谐波治理增值服务的需求度评估等级论域v定义为：v＝{不需要，一般需要，需要，较需要，非常需要}。因为上述评价内容具有模糊性，故采用模糊理论对其进行模糊化处理，得到取值论域η为：
[0068]
η＝{0～2,2～4,4～6,6～8,8～10}
[0069]
3)综合评估
[0070]
在同层指标中，利用权重来区分某指标的重要程度，采用归一化向量w表示。由于本文层次指标个数较少，其权重由专家直接确定
[18]
。
[0071]
将权重向量w与模糊矩阵f合成，即可得到被评价事物的模糊综合评价隶属度矢量ξ为：
[0072]
ξ＝w
·
f＝[ξ1，ξ2，
…
，ξs]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0073]
式中，ξj为该种状态对第j评价等级的隶属度将ξj最大值与评价论域v中各等级相对应，得出评价结果，进而为各类用户个性化定制增值服务方案。
[0074]
步骤3：结合用户的谐波治理需求，提出治理设备租赁与产权移交相结合的增值服务模式，以及在该模式下，电网公司、设备厂商和非线性用户三方在增值服务中的角色及收益。
[0075]
结合用户的谐波治理需求，提出一种治理设备租赁与产权移交相结合的增值服务模式，如图2所示。电网公司向用户提供咨询服务，评估用户的治理需求度，并设计治理方案；由设备厂商出资提供治理设备；用户通过租赁治理设备来得到优质供电服务。用户与电网公司签署租赁合同，到期后，用户有两个可选择方案：方案1：产权转移，即购买已装设设备，方案2：选择继续租赁。三方在增值服务中的角色及收益如下：
[0076]
1)电网公司
[0077]
电网公司具有较强的公信力，由电网公司评估用户的治理需求度，联系设备厂商，设计具体的治理方案，包括治理设备的型号、容量和安装位置等，收取咨询费用，可获取一定的经济收益，吸引用户主动参与治理，进而减少供电侧的谐波污染，提升公司形象。
[0078]
2)设备厂商
[0079]
设备厂商为电网提供治理设备支持，负责设备的安装与运维。对设备厂商而言，只收取租赁费用和资产转移费用，利润回报周期虽然较长，但是设备整体销量增加，获得的净收益可能会大于直接出售设备的利润。
[0080]
3)非线性用户
[0081]
用户向电网公司提出治理需求和负荷信息，由电网公司制定治理方案，三方签订合同并缴纳费用，设备厂商再根据合同安装调试治理设备。对于用户而言，方案设计与设备安装运维都由相应人员提供服务，前期投资较小，承担风险较低，并能获得谐波治理增值服务，从而带来经济收益。
[0082]
设备厂商的初期成本包括：治理设备成本。用户的初期成本包括：咨询服务费、安装调试费用和租赁费用，其中用户需向电网公司支付咨询服务和设备安装调试费。各方案
下的三方收益如下：
[0083]
方案1：租赁到期后，用户选择产权移交，根据设备的折旧率，支付移交费用，获得设备的产权。用户的总收益为pu、总成本为cu，公式如下所示：
[0084][0085][0086]cr
＝α{c
p-f(n)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0087]
式中，t为年，t为治理设备使用寿命(年)，n为租赁期限(年)，r为折现率，δc
loss
为治理后用户每年减少的因谐波引起成的经济损失，ciu为用户初期投入成本，c为租赁费用，c
t
为产权转移费，δc
om
为设备运维费(年)，c
p
为设备成本，cr为设备报废成本，n为总年限。
[0088]
设备厂商的总收益包括租赁费和设备产权转移费，总成本包括设备购买费用和租赁期间的设备运维费用。其中，设备厂商的总收益pe、总成本ce为：
[0089][0090][0091]
方案2：在谐波治理设备首次租赁合同到期后，选择继续租赁。此时用户的总收益pu、总成本cu为：
[0092][0093][0094]
设备厂商的总收益pe、总成本ce为：
[0095][0096][0097]
实施例：
[0098]
某冶金企业，其为典型的6脉动整流型谐波源电力用户，年均用电量2000万kw
·
h，配备配电变压器2台，单台容量为2500kv
·
a，额定电压10/0.4kv。每台配变负荷的典型数据：视在功率2007kv
·
a，有功功率1570kw，无功功率1250kv
·
a，功率因数0.782，主接线图如图3所示。5、7、11、13次特征谐波含量较高，其中5次谐波电流为24.4a，7次谐波电流为17.4a，11次谐波电流为11.12a，13次谐波电流为9.36a。按照gb/t14595—1993《电能质量公用电网谐波》不能满足要求，劣化了电网电能质量，不利于电网的安全经济运行。根据当地目录电价0.75元/(kw
·
h)可计算出该用户因谐波造成的变压器和输电线路年经济损耗为55.79万元。结合需求度指标，得出用户的治理需求度等级为较需要，因而有必要进行治理。
[0099]
以上述冶金企业为案例，经过对谐波进行仿真分析。根据其谐波发射特性，并结合实际工程情况，设计用户侧滤波器的最优容量。
[0100]
选择容量为1200kva的单调谐滤波器装置来进行治理，市场总售卖价格约为54万元。参考市场价格和用户规模，电网公司收取咨询服务费为9万元，即电网公司净收益为9万元。电网公司除获取一定的经济收益之外，也吸引用户主动参与谐波治理，进而改善电网的电能质量问题，提升公司形象。
[0101]
假设年运维成本为设备成本的10％，安装调试费和咨询服务费为用户初期投入成本，见表1。
[0102]
表1治理设备寿命和部分费用
[0103][0104]
计算治理后减少的损失δc
loss
，本例结果为38.39万元。电网公司、设备厂商和用户方根据自身发展规划、运营情况商定租赁期n＝5年，根据式(13)算得，折旧成本为12.5万元。
[0105]
首次租赁期(5年)后，用户选择不同方案，分析各方在两个租赁期的总净收益。方案1：租赁到期后，用户接受资产转移，支付转移费，获得治理设备产权。方案2：首次租赁到期后，用户继续租赁服务。各方收益见表2。
[0106]
表2治理设备寿命和部分费用
[0107][0108]
各方案比较可知：首次租赁期后，采用方案1或方案2时，三方净收益均为正且较大。在实际工程中，对各个方案的选择，需结合各方需求考虑。