基于綜合能源優(yōu)化配置的增量配電網(wǎng)工程投資效益測算方法

宋倩蕓， 鄭潔云， 倪識遠(yuǎn)， 林婷婷， 陳 浩 ， 李 錚

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 福州 350012； 2.中國電力財(cái)務(wù)有限公司山東分公司, 濟(jì)南 250001)

2015年，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號)，明確提出放開增量配電投資業(yè)務(wù)是推動(dòng)的新一輪電力體制改革重點(diǎn)任務(wù)。隨著綜合能源技術(shù)的興起和電能替代的快速推進(jìn)，在增量配電改革進(jìn)一步放開的環(huán)境下，增量配電網(wǎng)將在提供基礎(chǔ)電力服務(wù)的同時(shí)，還將承擔(dān)起電動(dòng)汽車的接入、多市場主體的能源交易和金融服務(wù)等綜合能源增值服務(wù)。

增量配電網(wǎng)工程投資以實(shí)現(xiàn)盈利最大化為目的，一方面,要求增量配電網(wǎng)投資運(yùn)營主體要更深入了解用戶的用電習(xí)慣，為用戶制訂合適的用電計(jì)劃，提供多樣化的增值服務(wù)；另一方面，也要求增量配電網(wǎng)在利用傳統(tǒng)電網(wǎng)供電基礎(chǔ)上拓展探索分布式能源梯級利用、綜合能源等能源互聯(lián)模式，提供更大化的綜合能源服務(wù)。合理配置多種能源，實(shí)現(xiàn)綜合能源與增量配電協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃，以提高增量配電網(wǎng)運(yùn)行效率，降低投資成本，是增量配電工程投資亟待解決的問題。

目前有較多有于效益測算方法的研究，主要使用的理論與方法有：模糊分析法、博弈論、層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等。文獻(xiàn)[1]根據(jù)配電網(wǎng)改造項(xiàng)目的投資效益單體評估結(jié)果，結(jié)合信息熵和模糊分析法建立了改進(jìn)的配電網(wǎng)投資效益綜合評估方法和評估模型。文獻(xiàn)[2]結(jié)合配電網(wǎng)的建設(shè)特點(diǎn)，分別從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改善以及投資收益兩個(gè)方面構(gòu)建了指標(biāo)評價(jià)體系，并提出了灰色層次分析法的配網(wǎng)投資模型，客觀地補(bǔ)充了專家評判。文獻(xiàn)[3]利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析進(jìn)行了配電網(wǎng)投資效益的評價(jià)。文獻(xiàn)[4]提出多個(gè)配電網(wǎng)之間的可靠性供電規(guī)則，建立了配電網(wǎng)的協(xié)同博弈模型。

當(dāng)前增量配電工程投資決策尚缺乏統(tǒng)籌考慮各類能源優(yōu)化配置的決策模型。考慮到不同能源規(guī)劃的互補(bǔ)性，計(jì)及多能源優(yōu)化配置因素，現(xiàn)深入分析增量配電網(wǎng)僅從事配電業(yè)務(wù)和同時(shí)從事配售電業(yè)務(wù)兩種典型運(yùn)行模式，基于全壽命周期理念建立增量配電網(wǎng)不同典型運(yùn)行模式的全壽命周期投資效益測算模型，并選取綜合能源增值服務(wù)等關(guān)鍵因素進(jìn)行靈敏性分析，通過具體算例驗(yàn)證模型的有效性和可行性。從而進(jìn)一步指導(dǎo)增量配電工程投資，促進(jìn)綜合能源增值服務(wù)的發(fā)展。

1 計(jì)及綜合能源因素的成本與收益數(shù)學(xué)模型

在考慮影響電網(wǎng)投資成本的常見因素的基礎(chǔ)上[5]，結(jié)合增量配電網(wǎng)發(fā)展新特點(diǎn)，在投入和收益中創(chuàng)新考慮了分布式電源、儲能設(shè)備、綠證交易、電動(dòng)汽車充電樁以及可中斷負(fù)荷等綜合能源影響因素，并研究建立含綜合能源配置因素的增量配電網(wǎng)工程成本與收益測算數(shù)學(xué)模型。

現(xiàn)針對在增量配網(wǎng)區(qū)域內(nèi)從事配電業(yè)務(wù)和配售電業(yè)務(wù)這兩種運(yùn)營模式的運(yùn)營主體，基于全壽命周期原理，分別建立計(jì)及運(yùn)營收入和成本的增量配電業(yè)務(wù)放開區(qū)域配電網(wǎng)投資效益模型。

1.1 綜合能源因素的投入成本建模

1.1.1 分布式電源

CDG=C1ε+C2ε+C3ε

(1)

式(1)中：C1ε為分布式電源機(jī)組購置成本費(fèi)用；C2ε為分布式電源站建設(shè)成本；C3ε為人員成本與材料費(fèi)。

1.1.2 儲能裝置

CESD=C1β+C2β

(2)

式(2)中：C1β為儲能裝置的一次建設(shè)投資，一般分為容量成本費(fèi)用和能量成本費(fèi)用；C2β為儲能的運(yùn)行過程中運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

1.1.3 綠證交易

CCIGC=clz(Qx-Qz)×10-3

(3)

式(3)中:clz為1 000 kW·h的可再生能源電量使用綠證的購買單價(jià);Qx為該園區(qū)增量配電網(wǎng)所用的總電量，kW·h;Qz為該園區(qū)增量配電網(wǎng)自發(fā)的可再生能源的電量，kW·h。

1.1.4 電動(dòng)汽車充電樁

CCIEV=C1ι+C2ι(1-κ)+C3ι

(4)

式(4)中:C1ι為電動(dòng)汽車充電樁的土建工程投資費(fèi)用；C2ι為電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)備投資；C3ι為電動(dòng)汽車充電樁的其他投資；κ為電動(dòng)汽車充電樁設(shè)備購置的政府性補(bǔ)貼比例，大多數(shù)省份采用30%。

1.2 運(yùn)行檢修以及故障成本建模

1.2.1 運(yùn)行成本

(5)

式(5)中:ΔE為全年電能損耗；Smax為線路最大負(fù)荷；U為輸送電能時(shí)線路中的首端電壓；r為單位長度輸送線路的電阻；l為輸送線路長度；τmax為最大負(fù)荷損耗時(shí)間；cε為單位線損費(fèi)用。

1.2.2 檢修成本

CCM=CCIλ

(6)

式(6)中：CCI為投入成本，按照經(jīng)驗(yàn)通常取比例系數(shù)λ=1.5%，分布式光伏電源的比例系數(shù)λ=1%。

1.2.3 故障停電成本

CCF=Q(1-μ)a1

(7)

式(7)中：Q為該企業(yè)所用的總電量，kWh；μ為該工業(yè)園區(qū)增量配電網(wǎng)的供電可靠性；a1為單位停電損失費(fèi)用(即單位電價(jià))。

1.2.4 期末退役成本

CCD=CSC+CSV

(8)

式(8)中：CSV為設(shè)備報(bào)廢成本，一般為設(shè)備安裝調(diào)試費(fèi)用的32%，折合成設(shè)備購置成本的6.4%；CSC為殘值，按設(shè)備購置成本的5%～10%計(jì)。

1.3 計(jì)及綜合能源收益模型

1.3.1 收取配電價(jià)格收益

CDNF=Q1CDIS

(9)

式(9)中：CDNF為只進(jìn)行配電業(yè)務(wù)的增量配電網(wǎng)運(yùn)營商收取的配網(wǎng)費(fèi)用；Q1為線路傳輸?shù)墓β?；CDIS為單位千瓦時(shí)配網(wǎng)傳輸費(fèi)用。

1.3.2 銷售電價(jià)收益

CESR=Q2Csell+PNC0

(10)

式(10)中：CESR為進(jìn)行配售電業(yè)務(wù)的增量配電網(wǎng)運(yùn)營商收取的費(fèi)用；Q2為用戶所用電量；Csell為銷售電價(jià)；PN為設(shè)置的收費(fèi)容量；C0為相應(yīng)的容量電價(jià)。

1.3.3 分布式電源補(bǔ)貼

Csub=Qwindrws+Qsolarrss

(11)

式(11)中：Qwind為增量配電網(wǎng)中所發(fā)出風(fēng)電的電量；Qsolar為增量配電網(wǎng)中所發(fā)出光電的電量；rws為單位風(fēng)電的補(bǔ)償價(jià)格；rss為單位光電的補(bǔ)償價(jià)格。

1.3.4 分布式電源售電收益

CDGR=PDGrESP

(12)

式(12)中：PDG為分布式電源上網(wǎng)電量；rESP為分布式電源銷售電價(jià)。

1.3.5 儲能套利

CESR=(Qd-Qc)rPVP

(13)

式(13)中：Qd為儲能在用電高峰時(shí)期放出的電量;Qc為儲能在用電低谷時(shí)期儲存的電量；rPVP為該工業(yè)園區(qū)所在城市的峰谷電價(jià)差，取福建省的峰谷電價(jià)差取0.58元/(kW·h)。

1.3.6 電動(dòng)汽車充電樁收益模型

CEV=ξ1T+(ν1-ν2)Q3

(14)

式(14)中：ξ1為單位時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車充電的服務(wù)費(fèi)用；T為電動(dòng)汽車充電的時(shí)長；ν1為單位充電費(fèi)用，取1元/kW·h；ν2為單位購電費(fèi)用；Q3為電動(dòng)汽車充電樁的年充電電量。

1.3.7 可中斷負(fù)荷收益(扣除成本)

CILR=PC(c1ω-c2ω)

(15)

式(15)中：PC為增量配電網(wǎng)與省級公司簽訂的可中斷負(fù)荷電量且按照合同要求實(shí)際停電中斷負(fù)荷的電量，選用該工業(yè)園區(qū)最大負(fù)荷量的5%作為用電高峰時(shí)段的可中斷負(fù)荷量代入計(jì)算；c1ω為增量配電網(wǎng)與用戶側(cè)企業(yè)簽訂的可中斷負(fù)荷單位價(jià)格；c2ω為增量配電網(wǎng)與省級電網(wǎng)簽訂的可中斷負(fù)荷單位價(jià)格。

CC=CycψT

(16)

式(16)中：CC為合約電量；ψ為整個(gè)增量配電網(wǎng)利用可中斷負(fù)荷轉(zhuǎn)移的負(fù)荷占電網(wǎng)高峰負(fù)荷的負(fù)荷比率；T為增量配電網(wǎng)區(qū)域的高峰負(fù)荷時(shí)長；Cyc為該增量配電網(wǎng)的預(yù)測最大用電負(fù)荷量。

2 增量配電網(wǎng)工程綜合能源優(yōu)化配置投資效益測算方法

本節(jié)對考慮綜合能源的增量配電網(wǎng)工程投資效益進(jìn)行靈敏性分析，列舉出對增量配電網(wǎng)工程收益有較大影響的因素，并分析其對增量配電網(wǎng)工程整體投資成本的影響。

2.1 考慮綜合能源配置因素的增量配電網(wǎng)全壽命周期效益模型

目前使用最為廣泛的全壽命周期成本模型對于所有類型的項(xiàng)目評估都具有一定參考性，該模型表達(dá)式為

CLCC=CI+CO+CM+CF+CD

(17)

式(17)中：CI為初次投資成本；CO為運(yùn)行成本；CM為維護(hù)成本；CF為故障成本；CD為廢棄成本。

與大部分評估項(xiàng)目只考慮投資而無回報(bào)的情況不同，由于增量配電網(wǎng)必須具備營利性，在整個(gè)壽命周期之內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益不僅受全壽命周期成本影響，還與其電價(jià)差收入以及潛在的調(diào)峰等方面的效益相關(guān)。所以僅憑簡單的成本模型無法反映增量配電網(wǎng)全壽命周期之內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性，必須構(gòu)建全壽命周期收入模型，將收入方面的經(jīng)濟(jì)性加入整體評估之中。

以全壽命周期投資效益最高為目標(biāo)函數(shù)，針對在增量配網(wǎng)區(qū)域內(nèi)從事配電業(yè)務(wù)(CLCCDN)和配售電業(yè)務(wù)CLCCDSN兩種運(yùn)營模式的運(yùn)營主體，建立考慮增量配電網(wǎng)效益的全壽命周期模型。

CLCCDN=(CO+CC+CSR+CTS+

CDG+CES)[(1+r)n-

1]/[r(1+r)n]-CDN-CDGS-

CDGR-CESR

(18)

CLCCDSN=(CO+CC+CSR+CTS+

CDG+CES)[(1+r)n-

1]/[r(1+r)n]+CESC-

CES-CESR-CDGS-CDGR

(19)

2.2 靈敏性分析方法

靈敏性分析是研究與分析一個(gè)系統(tǒng)(或模型)的狀態(tài)或輸出變化對系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感程度的方法。在最優(yōu)化方法中經(jīng)常利用靈敏度分析來研究原始數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或發(fā)生變化時(shí)最優(yōu)解的穩(wěn)定性。通過靈敏性分析還可以決定哪些參數(shù)對系統(tǒng)或模型有較大的影響。靈敏性分析是一種經(jīng)典的電力網(wǎng)絡(luò)分析方法，它基于網(wǎng)絡(luò)方程的線性化，研究的是電力系統(tǒng)可控變量與狀態(tài)變量之間相互變化的定量關(guān)系。

3 算例分析

3.1 考慮綜合能源配置因素的增量配電網(wǎng)工程投資效益測算

以某產(chǎn)業(yè)園增量配電網(wǎng)工程為研究案例，計(jì)及綜合能源優(yōu)化配置因素，建立全壽命周期投資效益測算模型。

現(xiàn)擬規(guī)劃建設(shè)一個(gè)工業(yè)園區(qū)，需要新增配電網(wǎng)工程接入，在已知接入線長度總計(jì)97.2 km(包括電纜和架空線)，一座50 MV·A的10/110 kV變電站規(guī)模以及10 kV的配網(wǎng)工程。該規(guī)劃建設(shè)的園區(qū)增量配電網(wǎng)各部分的造價(jià)和運(yùn)行成本、檢修成本、故障成本及期末退役成本如表1所示；規(guī)劃園區(qū)的售電收入情況如表2所示，規(guī)劃園區(qū)購電費(fèi)用如表3所示。其中，年預(yù)測電量為25 986萬kW·h，負(fù)荷為5.14萬kW，分布式電源的單位投資費(fèi)用為1.05萬元/kVA，智能儲能系統(tǒng)的單位投資成本0.2萬元/kW·h，年檢修費(fèi)用取30萬元/年。

采用上述計(jì)算方法，測算結(jié)果如圖1所示。配售電公司資產(chǎn)回收期為8.49年，運(yùn)營11年后企業(yè)內(nèi)部財(cái)務(wù)收益率為5%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值約1 211萬元。

采用上述計(jì)算方法，測算結(jié)果如表4所示。

表1 規(guī)劃園區(qū)各部分的成本投資

表2 規(guī)劃園區(qū)的收益情況表

表3 規(guī)劃園區(qū)的購電費(fèi)用表

圖1 財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率Fig.1 Financial internal rate of return

表4 財(cái)務(wù)分析指標(biāo)

3.2 綜合能源優(yōu)化配置的增量配電網(wǎng)工程靈敏性分析

3.2.1 提供配售電服務(wù)的綜合能源增量配電網(wǎng)收益率靈敏性分析

(1)電動(dòng)汽車充電樁利用率以及電動(dòng)汽車充電樁數(shù)目改變對收益帶來的影響。

當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，改變電動(dòng)汽車充電樁利用率以及電動(dòng)汽車充電樁數(shù)目，對投資收益率的影響如圖2所示。隨著電動(dòng)汽車充電樁的利用率增高，其投資回報(bào)率隨之增加，可以看出在電動(dòng)汽車充電樁較多時(shí)(取100個(gè)充電樁的曲線為例)，利用率每提升10%，投資回報(bào)率提升0.3%～0.4%，故而在電動(dòng)汽車普及之前，電動(dòng)汽車充電樁的投資回報(bào)率較低，難以吸引投資；同時(shí)隨著電動(dòng)汽車充電樁安裝數(shù)量越多，投資回報(bào)率隨之降低。所以在現(xiàn)有政策以及收費(fèi)情況下，電動(dòng)汽車充電樁盈利困難。

圖2 園區(qū)電動(dòng)汽車充電樁利用率以及電動(dòng)汽車充電樁 數(shù)目對投資收益率的影響Fig.2 Utilization rate and number of of electric vehicle charging piles in the park

(2)綜合能源增值服務(wù)費(fèi)用對售電公司收益率帶來的影響。

隨著增值服務(wù)費(fèi)用越多，投資回報(bào)率隨之增加，如圖3所示。

(3)園區(qū)用電量和售電價(jià)格對于售電公司收益率帶來的影響。

圖3 增值費(fèi)用占電量電費(fèi)比例對投資收益率的影響Fig.3 Influence of the proportion of value-added fees to electricity charges on the return on investment

圖4 園區(qū)負(fù)荷率和售電價(jià)格對投資收益率的影響Fig.4 The impact of park load rate and electricity price on investment yield

當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，用電量和售電價(jià)格的不同，對投資收益率的影響如圖4所示。隨著單位電價(jià)的提高，收益率在逐步增高。隨著用電量的增加，收益率也隨之增高。當(dāng)單位電價(jià)提升至0.660 2元/(kW·h)且用電量提升至最大用電量預(yù)期 35 000×104kW·h收益率增長至2.79%，獲得收益但難以吸引投資。

3.2.2 提供僅配電服務(wù)的增量配電網(wǎng)收益率靈敏性分析

園區(qū)售電價(jià)格和售電電量對投資回報(bào)率的影響。隨著過網(wǎng)費(fèi)增高，收益率逐步增高。當(dāng)過網(wǎng)費(fèi)提升至0.056元/kW·h，達(dá)到投資盈利平衡點(diǎn)；當(dāng)過網(wǎng)費(fèi)提升至0.066元/kW·h區(qū)間時(shí)，收益率增長至8%以上，可以獲得可觀收益，即能夠較好地吸引投資。同時(shí)可以看出，園區(qū)用電量對于僅配電業(yè)務(wù)的增量配電網(wǎng)的企業(yè)的收益增幅不明顯。

圖5 園區(qū)負(fù)荷率和過網(wǎng)費(fèi)對投資收益率的影響Fig.5 The impact of park load rate and overcharge on investment rate of return

4 結(jié)論

以全壽命周期投資效益最高為目標(biāo)函數(shù)，考慮綜合能源增值服務(wù)關(guān)鍵因素，建立增量配電網(wǎng)不同典型運(yùn)行模式的全壽命周期投資效益測算模型。應(yīng)用該算法通過算例對某園區(qū)增量配電網(wǎng)工程投資效益進(jìn)行測算。所得結(jié)論如下：

(1)增量配電網(wǎng)運(yùn)營商進(jìn)行配電業(yè)務(wù)時(shí)，需要關(guān)注相應(yīng)過網(wǎng)費(fèi)的實(shí)施政策以便于及時(shí)調(diào)整過網(wǎng)費(fèi)，提高利潤率。

(2)進(jìn)行配售電業(yè)務(wù)時(shí)，需要深入了解電力用戶的用電習(xí)慣，以便于為用戶制訂合適的用電方案以及提出建設(shè)性用電建議，提供多樣化的綜合能源增值服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更高的收益率。

(3)建立的模型可用于指導(dǎo)增量配電網(wǎng)工程投資，有利于多能源協(xié)同規(guī)劃，促進(jìn)綜合能源增值服務(wù)的發(fā)展。