如何通过功率因数调整电费模型优化 实现电网、用户、社会三方共赢？

导语

现行《功率因数调整电费办法》（下文简称“办法”）于1983年颁发，作为一种用户侧无功负荷管理机制，已有近40年未作修改。随着经济的迅速发展以及无功补偿装置自动化技术的日益成熟，现行的功率因数考核出现了考核标准偏低、考核方法不够科学等问题，导致了电网企业与用户之间的利益失衡，对全社会电压质量的提升，电网经济的优化以及安全稳定运行的支持作用日益减弱。

因此，为提升全社会综合效益，本文在分析当前功率因数考核标准存在的痛点的基础上，构建了一种分析测算模型，用于探寻最优功率因数考核办法，以期为政府部门在调整功率因数考核政策时提供科学、合理的参考依据。

（来源：微信公众号“朗新研究院”作者：杜巧玲）

背景与意义

现行《功率因数调整电费办法》将参与功率因数考核的用户划分至0.80、0.85、0.90三个考核标准，采用月平均功率因数法计算功率因数调整电费。

图1 功率因数调整电费办法

自“办法”实施以来，随着电网结构、用户用电模式、电能计量技术以及无功补偿技术的发展，该办法存在一定的历史局限性，难以满足当前节能减排、提高电压质量和增强社会与电力系统经济效益的迫切需要，同时也未能有效激励用户进一步安装无功补偿装置。

具体而言，该办法存在以下问题：

其一，整体考核标准偏低，对用户激励作用不明显。以某地近三年功率因数调整电费结果为例，即使在0.80的考核标准下，仍有三分之一的用户未能达标。由于无功补偿设备的回收期长、成本高，许多用户缺乏就地无功补偿的积极性。然而，功率因数偏低会直接影响变压器的供电能力，进而造成用户侧电压过低，影响用户的正常生产经营活动。

为了保障用户的用电需求，电网企业要向用户输送更多的无功功率以保障用户用电，这不仅占用了电网供电能力，而且无功功率的不可控性还可能导致供电设备和线路的额外磨损，从而加速设备老化，增加故障风险，对全社会的用电安全和节能降耗目标构成威胁。

另一方面，在考核标准为0.85/0.90的用户群体中，由于用户大量安装了无功补偿设备并成功达标，电网企业需要支付高额的奖励费用。这种大规模的奖励支出不仅增加了电网企业的财务压力，还可能影响其他重要的投资和服务项目。

其二，功率因数电费考核规则无法反映用户时变负载特性。当前的考核方式使得用户仅关注月度无功平衡，忽视了日常用电负荷的波动。在高峰用电期间，无功需求大，电压下降，而在低谷期则可能出现无功过剩，甚至出现向电网倒送的情况。虽然从月度平均来看可能达到考核标准，但这种不稳定的无功使用模式对电压质量、线路损耗以及电网效益都造成了不利影响。

因此，需要构建专业的分析模型，通过数据模拟和测算，研究不同计算规则对功率因数调整电费的影响，并综合考虑电网、用户以及社会的多方诉求，提出合理的调整建议。

整体设计思路

较低的功率因不仅对电网和用户都有可能造成显著的不利影响，也会间接地对全社会的用电安全构成威胁。因此，为了维护电网的稳定运行、保障用户的用电质量以及提升全社会的用电安全水平，我们需要全面考虑用户侧、电网侧、社会侧三方的效益，构建基于多目标优化的功率因数调整模型。这一模型将借助差分进化算法来求解多目标问题，从而在三方共赢的基础上，提出科学合理的功率因数考核办法调整建议。

具体步骤如下：

1、构建功率因数调整模型，建立电网企业、电力用户以及社会的多目标优化效益分析模型。

2、利用差分进化算法进行多目标规划求解。通过对模型的优化求解，实现电网企业、电力用户、社会三方的目标协调最优。同时，对分时段考核方法进行优化，以激励用户积极参与无功就地平衡，同时确保电网公司的利益不受损害，实现真正的“共赢”。

3、提出功率因数考核办法策略建议。基于测算分析结果，提出合理的功率因数调整电费计算规则调整建议。

图2 整体设计思路框架图

基于多目标优化的功率因数调整模型

基于三方“共赢”的理念，功率因数考核办法调整时应考虑电网企业、电力用户、社会三个方面。但由于各方直接目标间存在内在冲突，一个目标的优化是以其他目标劣化为代价，理论上很难出现唯一最优解，因此需要进行协调处理，使总体目标尽可能达到最优。

（一）考虑投入产出的用户侧效益分析模型

用户侧主要考虑投资无功补偿设备的回收周期，只有当回收周期小于一定阈值，才能有效激励用户投入无功补偿装置。

式中：

T为投资配套的无功补偿设备平均回收周期；C为通过投资配套的无功补偿设备可使用户实际功率因数达到最高考核标准所需费用；γ为损耗、维护等费用，随着使用年限增加，费用递增。Fin为投资无功补偿设备后用户年奖励电费；F是参与功率因数考核电费；θ为对应考核标准下，实际功率因数对应的电费增减收比例；ε为投资无功补偿费用在银行活期存款所得年收益，按年累加；τ为回收周期阈值。

因此，只有当回收周期小于一定阈值，才能有效激励用户投入无功补偿装置。

（二）考虑经济运行的电网侧效益分析模型

电网侧主要考虑在合理的考核标准下，电网企业功率因数调整电费的奖惩金额大小，即电网经济奖惩金额比，只有奖惩P比小于阈值σ，电网企业才能有经济效益，且P越小，经济效益越大。

电网经济奖惩金额比 P =奖励金额 / 惩罚金额

电网经济性：P＞σ

（三）考虑节能降损的社会侧效益分析模型

社会侧主要考虑在考核标准变化后，功率因数的变化或者功率因数考核方法调整对线路损耗的影响，写成表达式为：

损耗降低百分比η= （1-补偿前的功率因数2/补偿前的功率因数2）*100%

基于差分进化算法的模型测算

差分进化算法本质是一种多目标优化算法，用于求解多维空间中整体最优解。是基于群体智能理论的优化算法，通过群体内个体间的合作与竞争而产生的智能优化搜索算法，适用于本文中的多目标效益平衡求解。

因此本文通过机器学习差分进化算法，结合上述模型，在所有可能的方案中找到满足用户、电网、社会效益最大化的方案。

（一）针对现行考核标准0.80用户标准修订

通过典型用户调研分析，新安装容量100千伏安配套的无功补偿设备，大约需要花费1万元，通过该设备可使用户实际功率因数达到最高考核标准。将现行考核标准0.8提升至0.85后，通过《功率因数调整电费办法》的通知(83水电财字第215号)文件，最大减收电费比例1%。

以考核标准0.8下典型用户为例，变压器容量为100千伏安，月电量为1万度左右，经测算：该类用户年平均奖励电费约为753.6元，需要13年回收成本，投入产出比低，用户缺乏积极性。

因此将考核标准0.80的用户提升至考核标准0.85，且以该档最大考核标准α（初始α=1）开展差分进化算法求解，计算得到回收周期和奖惩比的变化。

表1 不同最大考核标准下用户回收周期情况

基于差分进化算法结论，当奖励标准提升至3.5%时，存在局部最优解。此时用户无功补偿设备回收期在3.8年左右（无功补偿设备平均寿命10年左右），明显缩短，奖惩比虽有上升，但上升幅度并不大（该群体本身奖励较少），此时，既能提升用户积极性、又能满足电网收益，也有利于维护社会用电安全，为比较合理区间。（注：本次测算所用数据及结果已进行保密性处理，下文同）

（二）针对现行考核标准0.85/0.90用户标准修订

1、考核标准函数关系构建

通过对现行“办法”的分析，发现表中实际功率因数与电费变动比例呈现以下的分段性线性关系（后续测算仍沿用）：

其中：x为实际功率因数，y为功率因数调整百分数，x数值范围为[0，1]，变化单位为0.01；分别代表线性关系中的常数项、变动系数，当x达到一定数值范围时，β变为0，此时，y值等于α。

2、不同方案模拟测算

针对考核标准为0.85/0.90的用户，通过年均奖惩比、回收周期、损耗降低百分比变化率等多个维度开展测算分析。

表2 现行考核标准0.85/0.90用户的不同方案模拟测算结果

通过差分进化算法求解，当原考核标准提高0.03标准时，存在局部最优解。此时，用户就地无功补偿回收周期3.6年，电网功率因数奖惩比1.81（相对于目前的奖惩比4-5倍，降低较多，且仍高于1，不会严重损害客户利益，引起强烈反对），损耗降低百分比变化率2.01%，综合考虑，提高0.3以后为比较合理的区间，即提高至0.88/0.93。

（三）分时段（峰谷平）功率因数考核法调整测算

基于月度平均考核法的弊端，遵循真实反映无功实时补偿效果、准确评价用户不同时段用电行为对电网的影响、细化考核标准的原则，提出如下方案：

在对功率因数分时段考核时，对各分时段（峰谷平）的平均功率因数分别进行考核，并假设各时段的考核标准和原来一样，保持不变。

按峰谷平时段为考核周期的电费结算步骤如下：

1、计算用户峰、谷、平各时段的平均功率因数；

2、对比考核标准，求出各时段的功率因数电费增减率；

3、根据用户各时段的功率因数电费增减率求出用户各时段的功率因数调整电费；

4、根据用户各时段的功率因数调整电费加总求出总的功率因数调整电费。

为验证以上方案，我们抽取了某直辖市参与无功补偿并采用分时电价考核方式的用户过去三年的尖峰、平段、谷段功率因数及调整电费数据进行了详细测算。对比功率因数调整电费的情况后，发现当改为按峰谷平分时段考核后，各时段的考核费用相比原方案都有所上升。

具体而言，总的功率因数调整电费增长超20%，其中峰时考核费用增加相对偏少，谷时考核费用增加相对较多，这一变化表明，相较于原有的考核方案，分时段（峰谷平）考核由于其实时性更强，避免了不同时段无功的相互弥补，从而能够更公正、准确地反映用户的实际功率因数水平。

策略建议

根据以上模型测算的结果，我们可以看出，在现有的功率因数考核规则上作出适度调整，有可能为电网侧、用户侧以及社会侧带来更为积极的影响，实现多方共赢和整体效益的显著提升。以下是关于功率因数调整电费规则调整的综合建议：

首先，针对目前考核标准为0.80的用户，可将考核标准提升至0.85。同时提升对100千伏安（千瓦）及以上的农业用户和趸售用户功率因数调整电费奖励标准提高3至4倍。

其次，对于目前考核标准为0.85/0.90的用户，可将这两个标准均提高0.03，即从0.85/0.90提升至0.88/0.93。

最后，分时段（峰谷平）功率因数考核法进行调整测算，即由月度功率因数考核调整为分时功率因数（峰、平、谷）考核。

结语

功率因数调整电费的争议长期以来一直存在，然而，各方对此的结论或建议均未能达到广泛的共识。本文抛砖引玉，创新性地应用了差分进化算法，提出了一种旨在实现电网侧、用户侧以及社会侧三方共赢的解决方案。然而，需要明确的是，由于功率因数业务本身的复杂性以及各方利益诉求的多样性，本文虽进行了初步的探索和尝试，但受限于数据和视角的广度与深度，所建立的模型可能仍存在不足和疏漏之处。诚挚地欢迎大家与我们沟通与讨论，以期不断完善和优化，为功率因数调整电费问题找到更为科学合理的解决方案。

作者：杜巧玲

部门：朗新科技集团咨询业务部