基于分布式電源的配電網(wǎng)綜合效益評估

張世翔，邵慧壯

(上海電力學院 a.科研處，b.經(jīng)濟與管理學院，上海 200090)

隨著智能電網(wǎng)的建設，以風電、光伏等為主的分布式電源(Distribution Generation，DG)在我國配電網(wǎng)中的應用越來越廣泛，傳統(tǒng)配電網(wǎng)因存在各種技術和環(huán)境問題正面臨多重挑戰(zhàn).一方面，煤炭價格波動、電力負荷波動、上網(wǎng)電價的波動，以及環(huán)境問題的日益突出，給傳統(tǒng)配電網(wǎng)運行管理帶來一定程度的風險;另一方面，隨著居民用電量需求的持續(xù)增長，傳統(tǒng)配電網(wǎng)將面臨升級改造.因此，鑒于負荷預測、上網(wǎng)電價、燃料價格的不確定以及環(huán)境問題的必要性，綜合考慮DG接入對配電網(wǎng)所帶來的綜合效益價值，相信DG在未來的智能電網(wǎng)建設中將有很大的發(fā)展?jié)摿?

1 配電網(wǎng)綜合效益評估現(xiàn)狀

在能源短缺、環(huán)境保護和氣候變化等問題日益突出的背景下，開發(fā)清潔能源，建設智能電網(wǎng)，發(fā)展低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置，已成為世界各國的共同選擇.[1]智能電網(wǎng)的建設，給傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來機遇的同時也帶來了挑戰(zhàn).未來智能電網(wǎng)必然大力開發(fā)使用以可再生能源為一次能源的綠色發(fā)電機組，傳統(tǒng)火力發(fā)電受制于運力緊張、煤炭資源整合后集中度較高、計劃電、市場煤等諸多因素的制約，加劇了火電運營管理虧損.[2]智能電網(wǎng)的建設必然引發(fā)配電網(wǎng)一次新的變革，而DG的接入將是不容忽視的重要變革方向.配電網(wǎng)的運行管理受到諸多因素影響，同時又面臨負荷預測、上網(wǎng)電價、燃料價格的不確定性以及環(huán)境惡化等問題.因此，考慮DG的配電網(wǎng)的綜合效益評估是一個涉及多種因素的復雜問題，具有理論和現(xiàn)實研究意義.

配電網(wǎng)的綜合效益評估涉及配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性.經(jīng)濟性包括諸如燃料成本、電價、環(huán)境污染等影響因素;可靠性的評估方法也有多種，一般在實際中用停電帶來的經(jīng)濟損失來定量表述.文獻[3]通過最大收益計算使配電網(wǎng)經(jīng)濟與技術參數(shù)相結(jié)合，制定了評價配電網(wǎng)技術投資效益的指標，建立了配電網(wǎng)經(jīng)濟性綜合評估體系，該體系由財務效益評估、技術經(jīng)濟效益評估、不確定性分析和綜合評估4部分構成.文獻[4]通過建立分布式電源的狀態(tài)空間模型，采取故障狀態(tài)枚舉和后果分析的方法對含有分布式電源的配電系統(tǒng)進行了可靠性評估.文獻[5]通過估計分布式電源的輸出功率，建立了可再生能源的分布式電源容量因素的公式，并給出了行業(yè)調(diào)查結(jié)果.該方法通過算例證明了其滿足饋線的要求并對配電系統(tǒng)的可靠性具有一定的提高作用.文獻[6]針對配電網(wǎng)經(jīng)濟運行屬性的多樣性和復雜性，提出了一種基于證據(jù)融合理論的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型.

現(xiàn)有文獻對配電網(wǎng)的綜合效益評估并不全面，有的只考慮了經(jīng)濟性或可靠性，有的雖然考慮了綜合效益，但完全是基于工程的角度或技術層面角度.

2 評估方法及模型建立

2.1 評估方法

配電網(wǎng)的綜合效益評估涉及配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性，需要綜合考慮這兩個指標的影響，其中經(jīng)濟性存在的不確定因素主要考慮電力負荷波動、燃料價格變動、電價波動、環(huán)保效益等.配電網(wǎng)的可靠性用某地區(qū)停電經(jīng)濟損失定量表示.[3]配電網(wǎng)的綜合效益最終全部用經(jīng)濟性和可靠性折算的貨幣價值體現(xiàn).

2.1.1 電力負荷波動

電力負荷是反映一個供電地區(qū)全部用電設備的有功功率，由于電力負荷受多種因素影響，因此具有不確定性和隨機性.對于隨機電力負荷的定量描述，已有調(diào)查研究表明，一個地區(qū)的電力負荷近似服從正態(tài)分布.結(jié)合工程實際，負荷服從一定概率分布符合負荷具有隨機性的情況.假設某地區(qū)用電負荷Qd服從正態(tài)分布(ud，δ2d)，則可用期望和方差描述該區(qū)域負荷的最有可能水平和波動水平.[7-8]

2.1.2 燃料價格變動

在我國，75%左右的發(fā)電機組采用火力發(fā)電，煤炭是主要燃料，其價格波動對火力發(fā)電機組運營成本產(chǎn)生重大影響.電煤市場基本放開后，作為一種商品，電煤價格波動服從經(jīng)濟學中的價值原理，其價格會圍繞價值上下波動.在完全開放的市場條件下，波動幅度可能較大，但為了穩(wěn)定市場，監(jiān)管部門會限定電煤價格波動的上下限.因此，電煤價格波動在監(jiān)管下近似均勻分布.本文假設煤電價格Pc波動范圍為(a，b)，根據(jù)均勻分布概率密度函數(shù):

可得期望與方差為:

2.1.3 上網(wǎng)電價波動

電力市場相關研究中，普遍認可的假設是電價服從正態(tài)分布.上網(wǎng)電價具有一定的隨機性，即假設發(fā)電側(cè)競爭激烈，上網(wǎng)電價Pe不會出現(xiàn)壟斷情況，本文假定Pe符合參數(shù)為(ue，δ2e)的對數(shù)正態(tài)分布，即:

根據(jù)概率密度函數(shù)可得上網(wǎng)電價的期望值和波動值分別為:

2.1.4 環(huán)保效益

目前，低碳環(huán)保已經(jīng)成為各行各業(yè)發(fā)展不可忽視的問題，電力行業(yè)也在積極尋求一條可持續(xù)發(fā)展的道路.DG以風能、太陽能等清潔能源為一次能源，其接入配電網(wǎng)可以很好地緩解電力行業(yè)的碳排放及其他污染問題.

目前我國發(fā)電側(cè)主要為火力發(fā)電機組，煤炭作為根本燃料是碳排放的主要來源.燃煤發(fā)電產(chǎn)生的CO2的排放強度為1 008.788 kg/MWh.CO2的排放費是 0.765元/kg，CO2的環(huán)境價值是0.023元/kg.[9]DG 因使用清潔能源為一次能源，故不存在碳排放問題.

2.1.5 可靠性效益

配電網(wǎng)的可靠性效益主要是指電力用戶因斷電而承受的直接或間接的經(jīng)濟損失，通?？梢杂猛ｋ婎l率和停電時間與單位停電時間的經(jīng)濟損失的乘積來表示，本文采用總?cè)彪娏縀NS和產(chǎn)電比C表示.[10]

式中:ENS——缺電量，可由歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到;

C——產(chǎn)電比，是指某一階段、某一地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)與所用電能之比，元/kWh.

產(chǎn)電比體現(xiàn)了單位電能所創(chuàng)造的經(jīng)濟價值，是電能貨幣價值的一種等價評估，可以近似表述停電帶來的經(jīng)濟損失，可由某地區(qū)往年的國內(nèi)生產(chǎn)總值和往年總用電量計算得到.

2.2 模型建立

本文綜合考慮了配電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和可靠性效益，對配電網(wǎng)進行綜合效益評估.無論是傳統(tǒng)配電網(wǎng)還是加入了DG的配電網(wǎng)，其評估模型都需要綜合考慮各個指標，因各個指標均已折算為貨幣價值，故無需加權計算.配電網(wǎng)綜合效益評估模型如下:

綜合效益=－(燃料價格×每度電耗煤量×用電量)+(銷售電價－上網(wǎng)電價)×用電量－二氧化碳排放治理費用－缺電量損失

3 算例分析

3.1 燃料效益

本文以上海市傳統(tǒng)配電網(wǎng)(不含DG)為例進行綜合效益評估.表1為上海市2007～2013年的用電量.

表1 上海市2007～2013年用電量 ×108kWh

本文假設上海市年用電量服從正態(tài)分布，故通過最大似然估計:

火電廠發(fā)1 kWh用煤360 g左右.煤的價格每噸在350～550元，服從平均分布，則E(pc)=450元，D(pc)=3 333.

燃料費用Ccoal=450×1 252×108×360×10－6=2.028 24 ×1010元.

3.2 上網(wǎng)電價波動效益

表2為上海市2007～2013年的上網(wǎng)電價統(tǒng)計.

表2 上海市2007～2013年上網(wǎng)電價 元

本文假設上網(wǎng)電價服從對數(shù)正態(tài)分布，根據(jù)統(tǒng)計學知識，采用最大似然估計對上網(wǎng)電價參數(shù)進行估計.

銷售電價以上海市第一檔峰時電價0.617元計算，則電價收益為:

3.3 環(huán)保效益

一般燃煤發(fā)電產(chǎn)生的CO2的排放強度為1 008.788 kg/MWh.CO2的排放費為 0.765 元/kg，CO2的環(huán)境價值是 0.023元/kg.故可得上海市CO2排放治理費用為:

3.4 可靠性效益

通過分析上海市2007～2013年的GDP和用電量，如表3所示，可以得出每年的產(chǎn)電比C.由表3可知，產(chǎn)電比年增長量近似線性增長.本文的產(chǎn)電比C取近7年的平均值，C=13.55.

表3 上海市2007～2013年GDP和用電量

根據(jù)國家電網(wǎng)統(tǒng)計，上海市2011年供電可靠性為99.97%，相鄰年份的可靠性也在該數(shù)值附近波動，本文取供電可靠性為99.97%.則缺電量導致的經(jīng)濟損失為:

根據(jù)以上各評估指標的計算，結(jié)合綜合效益評估模型可得綜合效益為:

3.5 考慮分布式電源時的綜合效益評估

相比于傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡，計及DG的配電網(wǎng)會有所不同.DG大都以清潔能源為一次能源，不會消耗燃料，而且DG運行過程中綠色環(huán)保，無碳排放及其他污染物排放，在電價方面區(qū)別于傳統(tǒng)電價，可忽略可靠性的影響.以上海市東海大橋海上風電場一期為例，該風電場于2010年6月并網(wǎng)發(fā)電，其裝機容量為102 MW，年發(fā)電量約為2.67×108kWh.節(jié)省燃煤費用為Cr=450×2.67×108×360×10－6=4.325×107元.由于海上風電屬于零碳排放，可減少 CO2的排放治理費用，具體可節(jié)省的經(jīng)濟費用為:

國家發(fā)改委發(fā)布《關于海上風電上網(wǎng)電價政策的通知》，明確了國內(nèi)海上風電的標桿電價為:2017年以前投運的近海風電項目上網(wǎng)電價為0.85元/kWh(含稅)，潮間帶風電項目上網(wǎng)電價為0.75元/kWh(含稅).為推動本地新能源發(fā)電，上海已經(jīng)出臺針對海上風電的補貼方案，即并網(wǎng)發(fā)電的每一度“海風綠電”，由政府補貼0.20元.東海大橋風電場屬于近海風電項目，其上網(wǎng)電價為0.85元/kWh，海上風電銷售電價現(xiàn)在沒有統(tǒng)一標準，本文假設海上風電供上海市居民使用，即銷售電價與普通火電機組同為0.617元/kWh，則含海上風電的配電網(wǎng)電價效益為:

綜合燃料效益、環(huán)境效益及電價效益，可得含海上風電的配電網(wǎng)綜合效益為:

由以上分析可知，相比于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，含海上風電的配電網(wǎng)的綜合效益有所下降，主要原因是目前海上風電項目的關鍵技術還不夠成熟，開發(fā)成本較高，導致電網(wǎng)購電成本遠高于傳統(tǒng)火力發(fā)電機組，這也是現(xiàn)在我國存在大量棄風現(xiàn)象的一個重要原因——如此高昂的上網(wǎng)成本導致電網(wǎng)公司購電的盈利水平越來越低，甚至出現(xiàn)虧損現(xiàn)象.未來隨著海上風電技術的不斷成熟，其發(fā)電上網(wǎng)成本也會越來越低，上網(wǎng)電量也會越來越多.雖然由于電價效益的影響，含DG的配電網(wǎng)綜合效益有所下降，但是DG在節(jié)省燃料成本和在環(huán)境保護方面的價值不容忽視.煤炭是不可再生能源，據(jù)資料顯示，如果按照目前的開采速度，我國煤炭儲備僅夠維持30年，而風能、太陽能等可再生能源不僅取之不盡，用之不竭，而且綠色無污染.隨著我國智能電網(wǎng)建設的不斷發(fā)展，火力發(fā)電機組并網(wǎng)的份額會越來越少，而以新能源發(fā)電上網(wǎng)的DG所占的比例會日益凸顯.

4 結(jié)語

隨著智能電網(wǎng)的建設，傳統(tǒng)配電網(wǎng)因存在各種技術和環(huán)境問題面臨多重挑戰(zhàn)，以風電、光伏等為主的DG在我國配電網(wǎng)中的應用將會越來越廣泛.本文綜合考慮了配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性，從電力負荷、燃料價格、上網(wǎng)電價的不確定性以及環(huán)境污染治理的價值等方面，分析了配電網(wǎng)的經(jīng)濟性效益和可靠性效益，然后分析了DG接入對配電網(wǎng)綜合效益的影響.相信隨著DG技術的不斷成熟，其帶來的綜合效益將會更加明顯.

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