基于比例潮流追蹤的輸電分攤計算方法

王文東，劉杰鋒，王 帥，閆 慧

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司工程管理分公司，北京 100070；2.北京京電電力工程設(shè)計有限公司，北京 100070)

特高壓電網(wǎng)輸電經(jīng)濟效益直接關(guān)系到特高壓電網(wǎng)輸電設(shè)備和線路投資能否在合理的回收期內(nèi)回收[1]。在當(dāng)前電力市場改革的大環(huán)境之下，這是投資者最為關(guān)注的問題[2]。就當(dāng)前而言，發(fā)電端上網(wǎng)電價與受電端售電價都是由國家發(fā)展改革委員會確定的，電網(wǎng)經(jīng)濟效益則需主要綜合發(fā)電端上網(wǎng)電價、受電端標(biāo)桿售電價和各個節(jié)點的發(fā)電量和用電量來計算確定輸電經(jīng)濟效益。隨著電力市場的改革，國家發(fā)改委倡導(dǎo)完善輸電價形成機制，據(jù)此可以更加合理準確地計算和確定特高壓電網(wǎng)等的輸電經(jīng)濟效益，提供正確的電網(wǎng)經(jīng)濟運行信息，促進供電方和大用戶之間良性決策、達成競價協(xié)議，優(yōu)化電力資源和電能的合理配置，提高電力網(wǎng)絡(luò)運行效能和利用效率，而且可以進一步為電力網(wǎng)架規(guī)劃和電力建設(shè)提供準確的參考信息[3]。然而，準確、可靠的輸電分攤理論和計算方法是輸電電價確定和電網(wǎng)效益計算準確與可靠的基礎(chǔ)。本文主要對輸電電價和輸電分攤理論進行闡述[4]。

1 輸電電價的形成機制

計算輸電電價需要基于用戶對輸電線的使用程度的量化值來進行判斷，用戶不同則輸電價自然也不相同[5]。電力用戶也要視情況結(jié)合電力市場運行規(guī)則來確定，若輸電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備由獨立主體投資，那么發(fā)、購電方可以通過協(xié)議方式分擔(dān)輸電成本；若采用輸配一體的電網(wǎng)運營管理主體模式，該主體買發(fā)電廠的電上網(wǎng)后賣給用戶，那么回收輸電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的投資成本就需要綜合依據(jù)國家、行業(yè)和企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準來進行評估以確定輸電成本回收周期能否滿足預(yù)期要求[6]。根據(jù)我國實際情況，各地售電價和上網(wǎng)電價是國家確定的，那么承擔(dān)輸電建設(shè)成本的輸電價將決定該輸電線路是否具有競爭力[7]。對于某電廠到某負荷之間的輸電價與所經(jīng)過輸電線路的成本有關(guān)，然而這個成本并非完全由該發(fā)電廠和負荷承擔(dān)，因為所經(jīng)過輸電線還要轉(zhuǎn)運其他電能，那么這里面輸電價的計算實質(zhì)就是輸電成本怎樣合理地分攤到各輸電用戶，各用戶分攤的成本就是相對該用戶的輸電價[8]。因此，輸電價的計算核心就是輸電分攤的計算，也就是把前面所測算的電網(wǎng)成本按合理的輸電分攤方法分攤至各用戶，形成輸電電價，從而體現(xiàn)和計算輸電經(jīng)濟效益[9]。

2 輸電分攤理論闡述

輸電分攤可以用來確定發(fā)電端、負荷端對輸電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的利用程度和利用份額。當(dāng)前，輸電用戶分攤理論計算中常用和主要的計算方法有郵票法、合同路徑法以及潮流追蹤法[10]。

采用郵票法時，為了取得網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)，所有的使用者都必須向他們所在地區(qū)的輸電企業(yè)支付一筆系統(tǒng)使用費，在計算該費用時，電能生產(chǎn)者所擁有的機組額定發(fā)電容量或用戶在高峰時段的需求是比較常用的分攤依據(jù)[11]。郵票法計算簡單，電力市場發(fā)展的初期，普遍使用郵票法計算真實輸電價，但其最大缺點是每個使用者支付的費用不能反映他們對網(wǎng)絡(luò)的使用程度，也與他們從網(wǎng)絡(luò)使用中所能取得的收益無關(guān)[12]。對于特高壓經(jīng)濟效益評估來說，郵票法不適于到網(wǎng)節(jié)點電價的計算，不能真實反映特高壓網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟效益[13]。

合同路徑法比起郵票法更能反映實際的使用成本，然而主要問題在于：交易的電能并不會只在合同路徑中流動，使用合同路徑法進行特高壓電網(wǎng)經(jīng)濟效益評估具有較大缺陷，沒有尊重真實網(wǎng)絡(luò)的功率流動規(guī)律[14]。

相比前面兩種方法，潮流追蹤是在尊重網(wǎng)絡(luò)功率流動規(guī)律基礎(chǔ)上，按照節(jié)點功率比例分攤的原則，計算輸電分攤。潮流追蹤法能非常詳細地計算每個輸電用戶對輸電網(wǎng)或特高壓的使用情況，提高輸電分攤計算的科學(xué)性，但缺點是計算量比較大[15]。因潮流追蹤是按節(jié)點比例進行每個節(jié)點功率分攤的，固稱為比例潮流追蹤[16]。

綜上所述，考慮到特高壓電網(wǎng)經(jīng)濟效益評估的科學(xué)性和準確性，本文采用比例潮流追蹤方法來進行用戶輸電分攤的計算。

到網(wǎng)電價為發(fā)電端上網(wǎng)電價與對輸電成本進行分攤形成的輸電價之和。在當(dāng)前電力市場環(huán)境之下，電網(wǎng)企業(yè)可以通過對輸電到網(wǎng)電價的測算來對輸電網(wǎng)的經(jīng)濟性進行間接評估，后續(xù)則需要應(yīng)用受電端電價競爭力來進一步計算與分析[17]。本文將通過比例潮流追蹤方法來解決如何計算到網(wǎng)電價的問題，對交流電網(wǎng)而言，也即計算各地區(qū)受電端的到網(wǎng)節(jié)點電價。

3 比例潮流追蹤方法

3.1 比例潮流追蹤技術(shù)原理

潮流追蹤是求得各節(jié)點和支路對發(fā)電或負荷的功率組成，也就是求得全網(wǎng)功率分布情況。潮流追蹤方法可以分為發(fā)電追蹤與負荷追蹤。發(fā)電追蹤是確定各發(fā)電端所發(fā)的電在輸電線路和各負荷端中所占的功率比例，負荷追蹤則是確定各負荷端負荷在發(fā)電端所發(fā)的電和輸電線路所占的功率比例[18]。

潮流追蹤有很多方法，本文采用比例潮流追蹤，即在節(jié)點按比例分配支路功率組成。節(jié)點功率比例分攤原理闡述如圖1所示。節(jié)點流入功率和節(jié)點流出功率相等，都為200 MW，線路4流出的功率120 MW是由線路1與線路2按比例分攤提供的，線路1在線路4中所占的功率比例分攤份額為120×(140/200)=84 MW，線路2在線路4中所占的功率比例分攤份額為120×(60/200)=36 MW。

圖1 節(jié)點功率比例分攤原理示意圖

3.2 負荷控制域

潮流追蹤有發(fā)電追蹤和負荷追蹤兩種。本文采用負荷追蹤，負荷的控制域是負荷在全網(wǎng)的分布情況，可根據(jù)以下幾點確定負荷控制域。

(1)選擇第一個負荷，從該負荷節(jié)點開始檢查與流入該節(jié)點相連的所有支路。

(2)將功率流入節(jié)點方向的支路作為控制域的一部分，同時將該支路始端的節(jié)點也作為控制域的一部分。若采用該方法使某一節(jié)點加入到負荷控制域后，對該節(jié)點采用同樣方法使控制域的節(jié)點數(shù)目擴大。

(3)當(dāng)負荷控制域中的節(jié)點數(shù)目不再增加時，停止計算，從而得到一個包含屬于該負荷的所有支路有向子圖。

(4)找到第二個負荷，重復(fù)以上過程。直到所有負荷完成。

(5)如果確定某負荷不通過某條支路，即使該支路流入控制域中節(jié)點，也不把該支路加入控制域中。同理，如果確定某發(fā)電不對該負荷供電，即使該發(fā)電有通路流向負荷也不把其列于該負荷控制域。對于所有線路和發(fā)電要有歸屬，不允許存在沒有歸屬的線路和發(fā)電。

(6)考慮支路網(wǎng)絡(luò)損耗，支路首末端按功率比例變化，譬如某支路首端功率100 MW，末端功率90 MW，如果某負荷在該支路末端功率是45 MW，那么負荷在該支路的首端功率為100×(45/90)=50 MW。

3.3 比例潮流追蹤方法流程

負荷的比例潮流追蹤主流程見圖2。負荷的比例潮流追蹤子流程如圖3所示。圖3中，下一級負荷域指與流入上一級負荷點相關(guān)連接支路的節(jié)點集合，對于由發(fā)電廠直接流入上一級負荷點的發(fā)電也列為該級負荷域，同時按比例假設(shè)計算發(fā)電功率[19]。負荷節(jié)點比例追蹤采取向前搜索方法，向前是指從某一級負荷域中取一負荷點向下一級負荷點搜索形成下一級負荷域，這樣的過程直到負荷域中只有發(fā)電點為止。在搜索中使用比例分攤假設(shè)計算輸電分攤功率，最終得出節(jié)點負荷在網(wǎng)絡(luò)中的功率分布，輸出該負荷點的控制域[20]。

圖2 負荷的比例潮流追蹤主流程

圖3 負荷的比例潮流追蹤子流程

3.4 成本對應(yīng)法

采用成本對應(yīng)法進行特高壓交流電網(wǎng)輸電成本分攤。成本對應(yīng)法在澳大利亞和新西蘭等國家用來制定輸電價格[21]。成本對應(yīng)法工作原理如圖4所示。假定在一個電網(wǎng)連接點(或公用電網(wǎng))上有兩個輸入支路，支路傳輸電量分別為X，Y，三個輸出支路，支路傳輸電量分別為A，B和C。其中，X+Y=A+B+C。

圖4 成本對應(yīng)法工作原理示意圖

兩個輸入支路投資和公用電網(wǎng)投資由3，4，5三條輸出支路傳輸電量分攤。以支路3為例，其傳輸電量承擔(dān)的投資包括三部分：支路3自身投資、公用電網(wǎng)和輸入支路1，2分攤到支路3的投資。

分攤比例按照各輸出支路電量比例計算，各支路的分攤比例為

(1)

(2)

(3)

式(1)至式(3)分別是支路3電量、支路4電量、支路5電量的分攤比例?；诔杀緦?yīng)法的思想，可以實現(xiàn)交流電網(wǎng)網(wǎng)架解耦。根據(jù)交流電網(wǎng)網(wǎng)架投資估算，對交流電網(wǎng)投資進行分攤。

4 電網(wǎng)節(jié)點電價測算

根據(jù)比例負荷潮流追蹤算法，可得出每個負荷在電網(wǎng)的功率分布情況。電價是以單位電量計費的，以典型年平均有功功率潮流進行追蹤，平均有功功率乘以876 h即為電量。采用典型年而不采用規(guī)劃末期潮流有利于經(jīng)濟評估更加準確[22]。

(4)

線路輸電價Clm是輸電投資成本回收的反映，在中國目前環(huán)境下，輸電價由發(fā)改委確定。在這里，只是為測算電網(wǎng)經(jīng)濟效益，假設(shè)成本和利潤都能達到要求的情況下，輸電價應(yīng)該是多少。如果由此輸電價計算出的結(jié)論不具有吸引力，那么說明該電網(wǎng)投資是不經(jīng)濟的；反之，則說明是經(jīng)濟的。這將在下一階段關(guān)于電價競爭力指標(biāo)中進一步分析。設(shè)線路lm輸電成本加上預(yù)想利潤為Dlm(萬元)，運行年限為n年，典型年有功功率潮流為plm(MW)，則Clm單位電量輸電費用(元/Clm)為

(5)

考慮資金的時間價值，設(shè)為折現(xiàn)率i，則有：

(6)

式(6)代入式(4)可得：

(7)

實際計算中，可先算輸電價然后加權(quán)累加并分攤到負荷，即：先算式(5)或式(6)，再算式(4)；也可以先加權(quán)分攤輸電成本然后計算等效年成本并分攤到負荷即式(7)，這兩種計算結(jié)果理論是一樣的。但數(shù)值計算過程中，存在誤差的問題，如果先算輸電價，因為輸電價數(shù)值小，小數(shù)點后的位數(shù)多，舍去后面小數(shù)點，可能存在較大誤差，如果先算分攤輸電成本，因為輸電成本分攤數(shù)值大，小數(shù)點后的位數(shù)舍去相對精確數(shù)值非常小，最終計算機處理誤差會比較小，但這樣的計算過程沒有顯示輸電價是該計算過程的一個缺點。實際計算中，考慮計算精度宜采用第二種，如果從理論演示角度，宜采用第一種說明問題，并顯示輸電價。本文側(cè)重基于比例潮流追蹤的到網(wǎng)節(jié)點計算過程演示，故采用第一種數(shù)值計算過程。

5 算例分析

針對IEEE Garver 6節(jié)點，對應(yīng)用比例潮流追蹤法進行到網(wǎng)電價計算進行驗證。IEEE Garver System是一個典型的6節(jié)點系統(tǒng)，通常用于電網(wǎng)規(guī)劃方法的驗證和測試。

選擇一個以電網(wǎng)投資最小和可用傳輸容量最大為目標(biāo)的最優(yōu)規(guī)劃及其潮流計算結(jié)果為例，在此基礎(chǔ)上，進行到網(wǎng)節(jié)點電價計算，如圖5所示。該網(wǎng)架共有線路8條，除節(jié)點6為平衡節(jié)點不帶負荷以外，其他節(jié)點都接有負荷，其中1，3，6為發(fā)電節(jié)點。各節(jié)點的發(fā)電出力和負荷大小、線路的潮流均標(biāo)示在圖中。

圖5 IEEE Garver 6-bus System

取負荷節(jié)點1，2，3，4和5作為初始負荷域進行比例潮流追蹤，追蹤結(jié)果分別如圖6至圖10所示。在追蹤中，設(shè)定一個額外條件，節(jié)點3的負荷不來自本地區(qū)，都從外地購電。

三個發(fā)電區(qū)域的上網(wǎng)電價如表1所示，節(jié)點3上網(wǎng)電價最高。根據(jù)式(3)按折現(xiàn)率10%計算每條線路的輸電價如表2所示，最貴的是線路4，因為典型年運行有功功率太小，沒有充分使用。利用比例潮流追蹤結(jié)果根據(jù)式(1)計算各負荷到網(wǎng)電價如表3所示。從表3可以看到，到網(wǎng)電價都不超過0.3元/kWh，到網(wǎng)電價從大到小排序為節(jié)點5，3，2，4，1。節(jié)點5和節(jié)點2負荷功率都是240 MW，但是節(jié)點5不僅有遠距離輸電，而且附近地區(qū)上網(wǎng)電價偏高，所以節(jié)點5到網(wǎng)電價最大，節(jié)點3到網(wǎng)電價，如果都是從本地區(qū)購電那么到網(wǎng)電價達到0.3元/kWh，追蹤設(shè)定節(jié)點3負荷都來自其他地區(qū)，所有到網(wǎng)電價有所降低。

表3 到網(wǎng)節(jié)點電價計算表

整個計算簡單方便，只需要代數(shù)運算，計算復(fù)雜度是多項式算法，可解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的到網(wǎng)電價計算。

表1 發(fā)電區(qū)域上網(wǎng)電價

表2 各線路費用情況

圖6 節(jié)點1負荷控制域

圖7 節(jié)點2負荷控制域

圖8 節(jié)點3負荷控制域

圖9 節(jié)點4負荷控制域

圖10 節(jié)點5負荷控制域

6 結(jié)語

本文使用比例潮流追蹤方法計算交流電網(wǎng)各受電節(jié)點的到網(wǎng)電價。應(yīng)用分級算法來計算追蹤負荷分攤，精確方便且高效，還能同時處理追蹤中的網(wǎng)絡(luò)損耗和特別設(shè)定問題。這里特別設(shè)定問題是指在節(jié)點功率平衡和網(wǎng)絡(luò)拓撲約束下人為設(shè)定某負荷不會來自某發(fā)電機，或者不從某輸電線通過。該到網(wǎng)節(jié)點電價計算法軟件實現(xiàn)方便，對潮流追蹤分析具有指導(dǎo)意義，也是電網(wǎng)經(jīng)濟效益研究和分析的基礎(chǔ)[23]。