成本效益分析在电能质量经济评估中的应用

第22卷第3期2005年06月

现　代　电　力

ModernElectricPower

Vol.22　No.3

Jun.2005

文章编号:1007-2322(2005)03-0080-05　　文献标识码:A　　中图分类号:TM711;F230.9

成本效益分析在电能质量经济评估中的应用

杨振宇,赵剑锋,唐国庆

(东南大学电气工程系,江苏南京210096)

ApplicationofCostBenefitAnalysisinEconomicEvaluationofPowerQuality

YangZhenyu,ZhaoJianfeng,TangGuoqing

(DepartmentofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

摘　要:为了更好地改善电能质量,首先提出了电能质量经济评估的概念。从工程项目的角度,将电能质量的经济评估的过程分为四个部分,分别为:对电能质量状况进行评估;与电能质量问题相关的费用的估计;对电能质量改善方案的费用和效果的评估;电能质量改善方案的成本效益分析及确定。第四部分中,对改善方案进行成本效益分析后,提出采用年值法在技术效率和经济效率之间提供最佳的配合,选择出最恰当的技术方案。经分析表明,电能质量经济评估非常必要,经济评估过程清晰。从成本效益的角度出发,应用年值法确定改善方案具有可操作性,能够满足实际应用的需要。最后,一个包装纸制造企业的例子也说明了一点。关键词:电能质量;经济评估;SARFI;成本效益分析;净现值法;年值法

Abstract:Aimingattheimprovementofpowerquality(PQ),thispaperfirstlyproposesaconceptofeconomicevaluationofPQ,andthenproposesanevaluationprocedurefromtheview-pointofaproject.Theproceduredividestheentireprocessofeconomicevaluationintofourparts:(a)evaluationofthestatusofPQ;(b)evaluationofthecostsrelatedtoPQ;(c)evaluationofthecostsandeffectivenessofimplementationofvariousstrat-egiesforPQimprovement;and(d)costbenefitanalysisandse-lectionofPQimprovementstrategy.ThispaperalsosuggestsamethodfortheselectionofthebestPQimprovementstrategybasedonthecostbenefitanalysisofallfeasiblestrategies.ThismethodadoptsAWtobalancebetweenthetechnicalefficiencyandeconomicefficiency.Theanalysisindicatesthattheeco-nomicevaluationofPQisnecessaryandtheproposedeconomicevaluationprocedureisclearandeasytofollow.Takingintoaccountboththecostandbenefit,ithasbeenconvincedbyanexampleofwrappingpapermanufactorythatitisfeasibletoa-doptAWfortheselectionofaPQimprovementstrategy.Keywords:powerquality;economicevaluation;SARFI;0　引　言

由于大功率电力电子设备的广泛应用,非线性负荷的大量增加等,使供电质量日趋恶化;而现代企业由于生产工艺和产品质量的要求,对电能品质的要求

也日益提高。每年因电能质量问题造成的经济的损失非常巨大。因此,电能质量问题日益受到人们的关注,国内外学术界对电能质量进行了大量的研究。

目前,国内研究重点大都集中在对电能质量问题的监测和治理上[1,2]。而对电能质量的评估[3],特别是对电能质量问题造成的经济损失,以及利用各种技术手段改善电能质量而产生的效益的经济评估,这方面的研究开展较少。

国民经济中,特别是IT产业,金融业等领域对各种电能质量问题非常敏感,因此造成的损失也额外巨大。由于行业的重要性和受电能质量影响很大,这些重要领域必须采取措施对电能质量加以改善,以减少它的影响。

对于现代企业,如果存在电能质量问题,运用工程技术手段加以改善能够产生显著的经济效益和一定的竞争优势。因此,由供电部门和企业一同确定一套最佳方案,使电能质量达到所需要求,尤为重要。但选择何种改善方案,须对其进行经济方面的评估。改善方案的选择与确定是以电能质量问题和改善措施等各项费用为依据的[4]。

电能质量的经济评估是一个电力技术与经济管理相结合的综合性课题。从工程项目的角度,评估过程可描述为以下4个步骤:

①对电能质量状况进行评估;

②与电能质量问题相关的费用的估计;;

第3期杨振宇等:成本效益分析在电能质量经济评估中的应用81

④改善方案的成本效益分析及确定。

1　对电能质量状况进行评估

经济评估的第一步是确定系统的电能质量状况,对电能质量问题的类型和发生频率进行分类统计。各种电能质量问题中,通常电压跌落和短时供电中断影响较大,因此一直是电能质量评估的重点,为便于分析,这里的电能质量问题主要是特指电压跌落及供电中断等。

电能质量评估方法一般主要有随机模拟和实测数据两种

[5]

[5,6]

。

一般随机模拟方法从整体和宏观上对系统电能质量进行评估,但如何建立电能质量问题的概率模型以及采用何种方法进行评估是一个难点。文献[6]中提出利用电力系统的实际参数,通过蒙特卡罗方法随机模拟得到各种故障信息,利用这些故障信息进行具体的电磁暂态仿真,得到该系统电能质量问题的具体状况,最后分析统计得到系统的一系列概率指标。这种评估方法的难点在于故障信息如何得到,电力系统的概率模型如何建立以及如何进行电磁暂态模拟等,文献[5,6]有较为详细的介绍。

实测法[7]是通过记录一系列电能问题,以一个事件为一个记录,从对一个节点进行事件评估,到对整个系统进行事件评估。一般情况下,对用实测方式对电能质量评估至少需要获取一年时间的实测值进行评估分析。经过统计分析后,也能得到整个系统各电能质量问题发生的概率和频率。

需要说明的是这里的电能质量问题应该指的是电压骤升、跌落、瞬时中断等,其特征参数为维持电压值及其持续时间值。

电能质量评估的一般过程如图1所示。不论采用随机模拟法还是实测法,当获得整个系统的电能质量问题的具体情况后,还需要通过电能质量标准判断,并进行统计分类。

IEEE标准中规定电力系统中一点工频电压有效值突然跌落至额定电压的10%～90%,短暂持续10ms～1min后恢复正常的称为电压跌落;而电力系统中单相或几相完全失去(或小于额定值10%),持续10ms～3s的称为瞬时供电中断。

对电能质量问题(特别是电压跌落)进行分类统计时可以采取具有代表性的SARFI-X(SystemAver-

[]

图1　电能质量评估的一般过程

同的门限值进行分类,同时应从工业设备特别是信息工业设备的兼容水平角度进行分析,从而提供具有参考价值的结果。

SARFI-X法主要是反映电压跌落的幅值低于门限值的频度,例如SRRFI

90指低于90%额定

电压的次数。表1列出某个系统在评估时间段内的SARFI-X法分类统计结果。

表1　某个系统的SARFI-X统计结果电能质量事件分类SARFI-90～70SARFI-70～50SARFI-50SARFI-10或中断供电

数量/年3518

53

只有当电能质量状况分类统计并正确评估后,才确定电能质量是否达到要求,是否需要对电能质量进行改善,以使经济评估的下一步工作得以进行。

2　与电能质量问题相关的费用估计

电能质量问题相关的费用不仅与问题本身有关,还受其它很多因素影响,一般这些费用会因为行业和负荷性质的不同而有所不同,还会受到市场因素的影响。如果某次事件对企业生产的影响较为严重,并且该企业所生产的恰好是市场上较为紧缺、,,

82现　代　电　力　　　2005年

的相关费用就相当高。

一般与电能质量问题相关的费用主要有以下三个部分:

①与产品相关的损失,如产品/原材料的损失,生产能力的损失,库存提高的要求等;②与生产相关的损失,如工厂停产,职工加班,故障清理,设备维修等;

③其它费用,如损坏的设备,丧失时机的费用,以及因航运耽搁的罚款等。

如何精确估计这笔费用是比较困难的,因为它涉及到很多领域,包括经济、管理等方面,而下面主要是从工程技术角度来分析。

电能质量问题的严重程度(包括波动幅度和持续时间)不同,相关的费用也将不同。以一次瞬时供电中断的费用作为基准,将其它电能质量问题的费用向基准折算,这个关系通常可以由一个折算率C来定义[4]。假设一个跌幅为60%的电压跌落导致的经济影响是一次瞬时供电中断的80%,则这个电压跌落的折算率为0.8。同样地,一个跌幅为25%的电压跌落导致的经济影响是一次中断导致的10%,则折算率为0.1。

引入折算率C后,某次事故的费用可以折算成瞬时供电中断的费用来表示。这样,一段评估时间内的所有电能质量问题的费用总和,可以用折算为瞬时供电中断的费用后再求和表示。当然负荷不同,行业不同,市场状况不同,折算率也就不同,需要根据具体情况确定。

表2是一个费用折算的例子,列出了不同幅度的电压跌落的折算关系,并给出一年中因电压跌落及供电中断的总费用,该总费用是一次中断费用的17.7倍。假设一次供电中断的费用为30万元,则与电压跌落和供电中断相关的总费用将达531万元/年。

表2　不同电压跌落幅度的相关折算率事故类型SARFI90～70SARFI70～50SARFI50供电中断总　计

经济评估中的折算率

0.10.40.81.0

每年发生此事故的次数

351853

总的折算率C3.57.24.03.017.7

者它的影响较大,则对电能质量进行改善就十分必

要了。电能质量的改善技术和方案多种多样,而所需费用和改善效果却各不相同。一般地,改造所需的费用会随着负荷的所需电能质量水平的提高而提高。如果能将敏感负荷从一般负荷中隔离出来,并单独采取措施加以保护,这样能够明显节约改造成本。因此,有必要对各种解决方案的投资和维护费用以及改善效果进行评估。

如何理解和计算一个改造方案的总费用(一生的总投入)以及所获得的总收益对于企业利润的实现和投资效益的分析都十分重要,一般从方案的寿命周期的角度来考虑问题。方案的寿命周期费用(LCC)是指方案从开始酝酿,经过论证、研究、设计、实施、一直到最后退役的整个过程周期内所耗费的研究设计费用、设备购买安装调试费用,运行维护费用及最后废弃费用的总和[9]。

从现金流量来分析,每一个方案的投资以及实施后所带来的一系列货币支出视为该系统的现金流出;而因实行该方案以改善电能质量所带来的一切经济效益则为这个系统的现金流入。现金流入为正,流出为负,两者的代数和即为净现金流量,一般以年度为时间计算单位,将每年的净现金流量累计,可得累计现金流量,同时也获得该项目某种意义上的经济效益值[10]。在项目的全寿命周期费用分析中,各种现金流入和流出的数额和发生时间都不尽相同。为便于分析,采用图2示表示系统在一段时间内的发生的现金流量。横轴代表时间,与时间轴垂直的为现金流量,上面的表示现金流入,下面的表示流出。

图2　现金流量图

一般,项目所上的设备寿命往往比较长,因此在运用全寿命周期方法对项目投资方案进行分析时,必须考虑到资金的时间价值。资金在周转过程中由于时间因素而形成的差额价值称为资金的时间价值。发生在不同时刻的等额资金,其实际价值并不相同。所以寿命费用分析估算所得的各项费用,因发生的时间不同,不能直接相加,必须将各项费

3　对电能质量改善方案的费用及效果

评估

第3期杨振宇等:成本效益分析在电能质量经济评估中的应用83

用折算到某个标准时刻才具有可比性,这样各个方案的经济评估才更切合实际[10,11]。

由于方案的选定不能只由投资费用决定,还要结合改善效果来综合考虑。而且改善效果决定方案的经

济效益,因此各方案的效果必须根据电能质量改善的实际效果予以量化。不同方案的投资费用各不相同,而同一方案的改善效果,也会随着电能质量问题严重程度的不同而发生变化,如表3所示

[4]

。

表3　各种电能质量改善技术的相关费用和改善效果

所用设备类型UPSFlywheel

DVR

静态开关(1MVA)快速转换开关(1MVA)

购置费用/＄500/kVA500/kVA300/kVA6000015000

年维护费用/＄75/kVA25/kVA15/kVA3000750

供电中断　SARFI-50100

70010080

100100208070

SARFI-70～50　SARFI-90～70

100

100907060

1001001005040

　　注:假设针对上述各种电能质量问题毫无效果时为0,而完全避免这种情况时效果为100%,以此类推。

　　一般合格的改善装置出厂前都会进行测试,以给出产品的工作性能指标,为了全面起见,改善效果的量化工作一般还需要进行一系列的实验来确定。当改善效果量化后,就可以将其折算成经济收益。这样依据投资费用及经济收益可对改善方案进行比较,便于取舍。

　　年值法是将各个技术方案的投入和产出资本折算到等额年金来比较的方案,实质上是以资本均值化后进行比较的方法。年值AW的计算式为

AW=NPV CRFi

n

(2)

n

其中　NCFt表示第t年的净现金流量,CRF表示,为资本回收系数,计算式为:CRF(1+i)-1

i表示折算率,n表示项目寿命周期。

ni

4　改善方案的成本效益分析及确定

成本效益分析是以货币作为统一的度量尺度,对工程项目技术方案的投资效果进行计算,通过对比分析来评价其可取程度的一种方法。通常情况下,一个工程项目技术方案优劣不仅仅取决于技术效率,还取决于经济效率。只有技术上可行和经济上合理的技术方案才有可能被广泛采纳,它不一定是最先进的技术,而是最合适的技术,成本效益分析的作用,就是在于它能够在技术效率和经济效率之间提供最佳的配合,选择出最恰当的技术方案。一般地,除部分重大项目外,经济评估往往是方案取舍的决定性因素[12]。

项目方案的经济评估的方法很多,按照是否考虑资金的时间价值可以分为两大类:静态评估方法和动态评估方法。相对于静态评估方法,动态评估方法考虑资金的时间价值,比较合理和精确。

最常用的动态评价方法是净现值法、年值法等。净现值法将项目寿命内每年的净收益按照规定的折算率折现到项目方案开始点上的现值进行累加,然后进行比较,以决定方案的取舍或不同方案的优劣。净现值NPV的一般计算式为

nn

NCFt

NPV==∑NCFt(P/F,i,T)　(1)it[12]

因此,采用各种改善技术的效益在于挽回的因电能质量问题造成的损失。第i种技术方案的

NPVi计算如下:

NPVi=W0-Pi-Wi

(3)

其中　W0表示未采用改善技术而因电能质量问题造成的损失,Pi表示第i种技术方案的初期投资费用,Wi表示第i种技术方案后因电能质量问题造成的损失,W0、Wi均折算成投资时的费用。i=1,2…。

综上所述,经过评估后认为电能质量问题比较严重,需要采取技术加以改善的,则针对具体的问题给出不同改善方案的费用和效果的评价。这里,在改善效果达到敏感负荷所需要求后,通过对技术方案进行成本效益分析,采用年值法来确定最佳的改善方案。

5　算　例

下面以一家包装纸制造企业的例子进行分析,整个企业总的设备有4MW的负荷,其中只有1MW的是敏感负荷,需要装设电能质量改善装置。假设一次供电中断的费用是30万元,电压能质量问题根,,

84现　代　电　力　　　2005年

费用的计算是基于10年的寿命和5%的利率的,汇

率定为1∶8。忽略市场及经济管理方面的因素,假定任何时候发生一次供电中断花费相同,现在采用

净现值进行计算。计算结果列于表4。

万元

NPV-4100.2-1164.51859.81240.42712.02390.5

CRF0.12950.12950.12950.12950.12950.1295

AW-531.0-150.8

240.8160.6351.2309.6

表4　各种改善方案的净现值比较

所用设备类型无改善技术UPS

FlywheelDVR静态开关快速转换开关

设备投资(购置费和维护费)

05264.72021.51212.9242.660.6

　电能质量问题的费用

4100.20

218.91683.21145.61649.1

　　注:该表中各项费用均折算到方案实施的开始时期。由于缺少可靠的技术方案的寿命周期,因此都设10年,若有可靠的寿命数据,则各方案的AW需要根据具体的CRF计算。

　　需要说明的是,不采用任何技术的也是一种方案。根据计算结果,采用静态开关方式AW值最

大,应为首选方案,而不间断电源虽然能够完全避免电压跌落问题,但AW值最小,不推荐使用;若该企业的敏感负荷受电压跌落影响很大,而静态开关和快速转换开关对电压跌落的改善效果都不好,两者均不能采用。因此确定方案应该首先应从负荷的要求以及改善效果出发。

QualityConference,2002.

[5]　宋云亭,郭永基,等.电压骤降和瞬时供电中断概

率评估的蒙特卡罗仿真[J].电力系统自动化,2003,27(18):47～51.

[6]　BillintonR,LiWenyuan.ReliabilityAssessmentE-lectricPowerSystemsUsingMonte-Carlo[M].NewYorkandLondon:PlenumPress,1994.

[7]　焦莉,刘军成.电力市场与电能质量检测评估策略

[J].西北电力技术,2004(1):4～6.

[8]　BollenMHJ,SabinDD,ThallamRS.Voltage-sagindices-recentdevelopmentsinIEEEPI564taskforce[A].CIGRE/IEEEPESInternationalSym-posium[C].2003.34～41.

[9]　张俊迈.寿命周期费用方法的由来、费用分解和估

算的一般方法[J].中国设备工程,1995(5):39～41.

[10]　[美]布西LE著.工业投资项目的经济分析

[M].陈启申,林家齐等译.北京:机械工业出版社,1985.

[11]　侯荣华.利用马氏过程描述项目现金流序列[J].

上海海运学院学报,1994,15(2):61～67.

[12]　杨志荣,劳德容.需求方管理(DSM)及其应用

[M].北京:中国电力出版社,1999.

[13]　杨国良.技术经济与管理[M].北京:中国经济

出版社,1998.

6　结束语

通过上述分析,电能质量的经济评估是有理论

意义和现实意义的。与以往只注重从技术角度对电能质量进行评估不同,这里侧重从经济指标评估电能质量。利用随机模拟或实测法来评估电能质量,用SARFI-X来对电能质量问题进行分类统计,并用寿命周期费用角度来分析改善方案的费用,通过成本效益分析后,采用年值法确定改善的最终方案。但经济评估的每一部分工作都还是一个课题,仍需要进行深入的分析,特别是电能质量对企业生产的影响,对商品市场的影响,以及如何降低由电能质量问题带来一系列的经济损失等。

参

考

文

献

[1]　胡铭,陈珩.电能质量及其分析方法综述[J].电

网技术,2000,24(2):36～38.

[2]　朱桂萍,王树民.电能质量控制技术综述[J].电

力系统自动化,2002,26(19):28～31.

[3]　顾伟,蒋平等.地区电能质量评估及综合治理研究

[J].电力需求侧管理,2003,5(2):20～23.

[4]　McGranaghanMark,RoettgerBill.EconomicEval-r[.收稿日期:2004-10-11作者简介:

杨振宇(1979—),男,硕士研究生,从事电力电子技术在电力系统中应用的研究;

唐国庆(1937—),男,教授,博导,从事电力系统运行和控制及人工智能在电力系统中应用的研究。