油田電網功率因數的測量與表達方法

趙立新 （中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心）

油田電網功率因數的測量與表達方法

趙立新 （中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心）

油田電網用電設備和負荷的特殊性導致電網中存在著諧波干擾、短期過補償現象、短期發電現象等。采用不同的計算方法會帶來不同的結果和結論，對油田用電單位確定節能技改措施會造成一定影響。根據功率因數的定義與計算理論，結合測量結果的合理性及對生產實踐的指導與促進作用，可以確定油田電網在各種電氣狀態下功率因數的測量與表達方法，為用電單位和用電管理部門進一步提高功率因數、改善電能質量，實現節電降耗提供更準確有效的參考數據。

油田電網；功率因數；諧波；容性負載；發電狀態

油田生產中電能消耗約占油田各類能耗總額的30%。為減少電能消耗、提高用電效率，油田各生產單位針對常用的耗電設備，如抽油機、注水泵、輸油泵、壓縮機、變壓器等，實施了大量的節能改造項目，采用的節能技術包括變頻技術、無功補償技術、永磁電動機技術等。這些節能技術的運用在實現節能降耗的同時，也給電網環境帶來很大影響，使油田電網的電氣環境更為復雜，有的甚至對電網供電質量造成較大傷害，如諧波影響、負荷波動等。在反映電網電能質量的各項監測指標中，功率因數是其中一個重要和關鍵性指標，而在油田電網這種復雜電氣環境下，功率因數不同的測量與表達方法會產生不同的結果，對判斷電網或用電設備的功率因數狀況、分析存在問題、制定對應的節能和改造措施都帶來較大影響。

1 功率因數的概念及意義

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差φ的余弦叫做功率因數，用符號cosφ表示。在數值上，功率因數是有功功率和視在功率的比值[1]，即

式中：P——有功功率，W；

S——視在功率，VA；

U——電路電壓值，V；

I——電路電流值，A。

功率因數是表征用電設備電氣特性的一個參數。功率因數低，會導致線路供電損失的增加。通過改善和提高功率因數，可以減少線路中總電流和供電系統中的電氣元件的容量，如變壓器、電動機、導線等，還可減少投資費用，降低線路及設備本身的電能損耗；藉由良好的功率因數，可以減少供電系統中的電壓損失，可以使負載電壓更穩定，改善電能質量；可以增加系統的裕度，充分挖掘發供電設備的潛力，在既有設備容量不變的情況下，提高功率因數后，可以增加供電系統負載的容量。

在油田生產中，各單位對電網功率因數都非常重視，如果用電單位電路及設備的功率因數偏低，供電部門會對其征收懲罰電費，用能管理部門會對其進行用能考核。因此，用電單位為減少電能損耗、改善電能質量、增加供配電系統負載的容量、避免被征收懲罰電費和考核，希望盡量提高電路和用電設備的功率因數，而提高功率因數的前提是準確測量現有的功率因數狀況，并根據測量結果來確定采取的措施。

2 功率因數的測量和計算方法

2.1測算方法

功率因數的測量目前有三種方法。

1）功率因數表法直接測量：根據功率因數的定義，直接測量電壓與電流的相位差φ，進而計算出功率因數。用功率因數表測量的是瞬時功率因數值。

2）功率法測量：測量負載的有功功率和視在功率（或無功功率），用勾股定理或三角函數，按照公式（1）計算出功率因數，這是依據功率因數定義的計算公式得出的測量方法。測量結果可以是瞬時功率因數值，也可以是一段時間的平均值，關鍵取決于測量儀器的數據采集頻率和測量時間的設定。

3）電量法測量：測量一段時間的有功電量和無功電量數據，用三角函數計算出功率因數值。這種方法測量的是一段時間的平均功率因數值。

三種方法在生產實際中都有應用，只不過在不同的測量環境和要求下，會采用不同的對應方法。其中，功率因數表法適合測量電路瞬間的功率因數，其測量數值變化快，在復雜電氣環境下對測量儀器的性能要求較高，需要對電路功率因數進行實時分析的情況下可采用該方法；電量法適合測量較長時期內電路總體的功率因數，供電單位一般采用這種方法；功率法既適合瞬時功率因數測量，也可以對一定時期平均功率因數值進行測量，大多數電能測量儀器都具有這種測量模式，也是技術檢測機構通常采用的測量方法。

2.2單相和三相電路功率因數的測量

單相和三相電路系統的功率因數測量計算方法略有不同。對單相電路系統，功率因數可以直接測量，而對于三相電路系統，通常是測量三相電路的平均功率因數。如果三相電路是均衡負載，則平均功率因數與各單相電路的功率因數差別不大；如果三相電路負載不均衡，則平均功率因數與各單相電路的功率因數差別很大，平均功率因數就不能準確反映三相電路系統的實際用電狀況。對于油田生產系統的用電，其三相用電系統的負載是近似均衡的。

2.3諧波對功率因數測量的影響

隨著電子技術的普及應用，電路中能夠產生各種諧波的用電設備越來越多，諧波的含量越來越大，對電路中其他設備的正常運行造成不利影響[2]。諧波環境下的功率因數測量有兩種方式：測量全波的功率因數，見公式（1）；測量基波的功率因數，見公式（2）或公式（3）。

或

式中：P1——基波有功功率，W；

S1——基波視在功率，VA；

U1——電路基波電壓值，V；

I1——電路基波電流值，A；

Q1——基波無功功率，var。

從公式（1）和公式（2）可以看出，由于電路電壓值U和電路電流值I總是大于電路基波電壓值U1和電路基波電流值I1，而諧波不產生有效功率，使得電路有功功率P近似等于電路基波有功功率P1；因此，電路的基波功率因數值cosφ1總是大于其全波功率因數值cosφ。

3 油田電網的電氣環境

在通常情況下，油田用電設備大部分是感性負載或電阻性負載，但隨著各類電子設備的大量應用，尤其是電子開關類設備和變頻器的大量運用，在油田電網中產生了極大的諧波干擾，電網中諧波含量很高，導致各類設備誤動作甚至損壞；同時，由于無功補償、永磁電動機等技術的運用，部分電路會出現過補償現象，導致電路呈現為容性負載；再有，就是油田機械采油設備的用電負荷呈現較大的波動狀態，極端情況下甚至會出現反發電現象。綜上所述，油田電網的電氣環境比較復雜，相較普通電網在功率四象限圖中通常只出現第一象限的情況，油田用電在功率四象限圖中的四個象限都可能出現，并且可能同時伴有較大的諧波含量（圖1）。

圖1 功率四象限

4 不同測量與表達方法分析

油田電網功率因數的測量與表達方法，一直是困擾技術檢測機構的一個問題。正確測量和表達電路功率因數，需要考慮測量理論、測量對象、測量設備、測量結果是否有利于用電質量提高等多個方面的要求。

4.1諧波條件下的測量與表達方法

從測量理論看，功率因數主要可以分為全波功率因數和基波功率因數兩種，見公式（1）和公式（2）。其中，基波功率因數只反映無功功率對功率因數的影響，而全波功率因數可以反映無功功率和諧波共同對功率因數的影響。目前提高功率因數的主要方法是加裝補償電容器，這種方式只對無功功率偏大導致的電路功率因數較低情況有改善作用，但對諧波導致的電路功率因數較低的情況基本沒有作用。對于諧波導致電路功率因數較低的情況，可以通過安裝有源濾波器或無源濾波器來減少諧波分量，進而從根本上提高電路功率因數。因此，測量全波功率因數可以更全面反映電路的實際電能質量情況，對用電單位和用電管理部門進一步提高電路功率因數、改善電能質量，具有更有效的指導作用。

4.2短期容性負載條件下的測量與表達方法

當用電設備采用永磁電動機技術或無功補償技術時，部分油田電路可能會在一個運行周期的一段時間內呈現為容性負載；如果采用公式（3）計算，即計算基波功率因數，短時間出現的容性無功功率會在累計的總無功功率中被扣減，使得最終計算的功率因數結果會比較高，但這并不符合電路功率因數的實際情況。因為功率因數的一個重要作用是體現電路中無功電流的大小，實際上無論是感性無功電流還是容性無功電流，都會在電路中帶來線路損耗。如果采用基波功率因數，會造成線路損耗較大、功率因數卻很高的假象，這是不合理的；如果采用全波功率因數，不僅能體現容性電流對線路損耗的影響，也能體現感性電流對線路損耗的影響。

綜合考慮全波功率因數和基波功率因數的測量表達效果，要全面、準確測量和表達具有短時間容性狀態電路一段時間內的平均功率因數，應該采用公式（1），這樣才能既考慮諧波對平均功率因數的影響，也能體現電路短時間出現的容性狀態對平均功率因數的影響。

4.3短期發電條件下的測量與表達方法

由于油田用電設備存在負荷波動較大現象，如抽油機的負荷，導致其在一個負荷波動周期內，可能既存在耗電狀態也存在發電狀態。此時采用功率法計算電路功率因數時，就存在如何確定有功功率的問題。部分測試儀器采用凈消耗有功功率，即正向有功功率與反向有功功率相互抵消之后的結果；有些測試儀器采用正向有功功率；也有觀點認為應該采用正向有功功率與反向有功功率的代數和。

功率因數主要作用是表達電路中無功功率和無功電流的狀態，以及無功功率與有功功率的比率關系；監測功率因數的主要目的是促進用電單位提高用電設備的功率因數，降低線路損耗。對于用電設備，如果在運行周期內存在既耗電也發電的現象，說明其負荷調整有比較明顯的問題，應當避免。產生反向有功功率是因為不合理的負荷狀態導致的，凈消耗有功功率才是用電設備實際上的有效用電。因此，采用公式（1）計算電路全波功率因數時，分子應采用凈消耗有功功率，而分母UI中的電流既包含發電狀態的電流也包含耗電狀態的電流，也體現了無論發電還是耗電，用電設備都要消耗無功功率的實際情況；如此計算得出的功率因數才能有效反映用電設備存在不合理發電狀態的問題。

4.4平均功率因數的測量與表達方法

在監測油田電路或設備的功率因數時，經常需要測算多條電路或多臺設備功率因數的平均值，而平均值的計算方法有算術平均法和加權平均法。

在進行功率因數計算時，基波電參數的視在功率與有功、無功是直角三角形關系，可以計算加權平均功率因數，見公式（3）。但全波電參數的視在功率與有功、無功不是直角三角形關系，如果用有功功率、無功功率加權計算功率因數，有時會出現錯誤的計算結果。

由表1可知，加權平均的計算結果大于單組數據的結果，明顯不符合邏輯。因此，當功率因數為全波功率因數時，測算多條電路或多臺設備的平均功率因數應當采用算術平均值，不能進行加權平均計算。

表1 功率因數加權平均與算數平均結果對比

5 結論

由于油田電網用電設備和負荷的特殊性，導致電網中存在著諧波干擾、短期過補償現象、短期發電現象等，采用不同的計算方法會帶來不同的結果和結論。根據功率因數的定義與計算理論，結合測量結果的合理性及對生產實踐的指導與促進作用，在諧波條件下和短期容性負載條件下，應當采用全波功率因數的測量結果；在短期發電條件下，應當采用凈消耗有功功率計算全波功率因數。計算全波功率因數的平均值不能采用加權平均法，應當采用算術平均法，可以避免出現不合理的結果。依據本結論進行油田電網功率因數的測試計算，有利于發現油田電網可能存在的問題，促進用電單位對不合理用電狀況的改進，實現油田電網的節能降耗。

[1]陳文光，唐少農.功率因數的概念及測試方法探討[J].電氣電子教學學報，2002（5）：73-75.

[2]張啟林，馮天寶，韓冰，等.非線性負載諧波電流測量及功率因數的研究[J].物理實驗，2007（10）：37-39.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.006

2016-05-05

（編輯 李發榮）

趙立新，高級工程師，1988年畢業于北京理工大學，從事節能監測及節能評估研究工作，E-mail：zlixin@petrochina.com. cn，地址：新疆克拉瑪依市準噶爾路29號實驗檢測研究院節能監測中心，834000。