一種區(qū)域電力市場(chǎng)多運(yùn)營主體輸電收入分配方法

付天一，張?jiān)⒑?/p>

（1. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100；2. 陜西電力交易中心有限公司，西安 710048）

0 引言

2022年1月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系的指導(dǎo)意見》［1］，指出要穩(wěn)步推進(jìn)?。▍^(qū)、市）區(qū)域電力市場(chǎng)建設(shè)，建立多元市場(chǎng)主體參與跨省跨區(qū)交易的機(jī)制，鼓勵(lì)支持發(fā)電企業(yè)與售電公司、用戶等開展直接交易。《意見》提出，要提升跨省跨區(qū)輸電價(jià)格機(jī)制靈活性，探索跨省跨區(qū)交易按最優(yōu)路徑組合等方式收取輸電費(fèi)用。

在統(tǒng)一大市場(chǎng)政策激勵(lì)下，全國市場(chǎng)、區(qū)域市場(chǎng)不斷融合發(fā)展，市場(chǎng)機(jī)制逐步完善，將會(huì)有更多市場(chǎng)主體通過跨區(qū)交直流通道、區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)開展跨省區(qū)電力市場(chǎng)化交易［2—6］?？缡^(qū)交易與省內(nèi)交易的主要區(qū)別之一就是該類交易需收取跨省區(qū)輸電費(fèi)用。作為市場(chǎng)主體購電成本的一部分，跨省區(qū)輸電費(fèi)用的收取與分配是否公平、合理，也影響著區(qū)域電力市場(chǎng)的資源優(yōu)化效率和市場(chǎng)積極性。

跨省區(qū)輸電價(jià)格機(jī)制一般包括價(jià)格水平核定和輸電費(fèi)用收取及分配兩個(gè)方面。價(jià)格水平核定方面，文獻(xiàn)［7］調(diào)研了澳大利亞過網(wǎng)費(fèi)定價(jià)及收費(fèi)方法。文獻(xiàn)［8］針對(duì)我國跨區(qū)跨省輸電資產(chǎn)產(chǎn)權(quán)歸屬主體不同的客觀情況，提出統(tǒng)一將輸電網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行分類，對(duì)于不同類型功能進(jìn)行定價(jià)收費(fèi)的方法。國家于2020年、2021年陸續(xù)出臺(tái)了跨省跨區(qū)專項(xiàng)工程輸電價(jià)格、區(qū)域電網(wǎng)輸電價(jià)格及省級(jí)電網(wǎng)輸配電價(jià)定價(jià)辦法［9—11］，以便科學(xué)、合理地核定各輸電環(huán)節(jié)價(jià)格水平?？缡】鐓^(qū)專項(xiàng)工程的主要作用是電能輸送、互濟(jì)與保供，準(zhǔn)許收入按照單一電能電費(fèi)方式回收；區(qū)域電網(wǎng)共用輸電網(wǎng)絡(luò)的主要作用是電能輸送和安全可靠服務(wù)，準(zhǔn)許收入按照電能電費(fèi)和容量電費(fèi)兩種方式回收；省級(jí)電網(wǎng)的主要作用是為用戶提供輸配電服務(wù)，準(zhǔn)許收入通過分電壓等級(jí)、分用戶類別輸配電價(jià)進(jìn)行回收。上述各輸電環(huán)節(jié)價(jià)格，在一定時(shí)期均是固定的。

輸電費(fèi)用收取及分配方面，常用方法有郵票法、兆瓦-公里法、潮流追蹤法，相關(guān)學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深化應(yīng)用。文獻(xiàn)［12］提出基于電氣源流分析，對(duì)用戶無差別地收取跨省區(qū)輸電費(fèi)，而不單獨(dú)對(duì)省間交易電量收費(fèi)。文獻(xiàn)［13］利用改進(jìn)的Z總線理論和博弈論均分原則，確定用戶對(duì)支路潮流的貢獻(xiàn)，提出了有效貢獻(xiàn)的概念。文獻(xiàn)［14］建議南方區(qū)域用兩部制電價(jià)取代單一制電價(jià)，增加基于用戶輸電網(wǎng)使用程度的容量收入分配，引導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)投資。文獻(xiàn)［15］提出3種輸配電服務(wù)成本分?jǐn)偠▋r(jià)方法，分析結(jié)果表明在輸電環(huán)節(jié)采用潮流追蹤法最大限度區(qū)分省內(nèi)∕外網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)輸電網(wǎng)的使用程度，在配電環(huán)節(jié)采用分電壓等級(jí)郵票法的方式，更能兼顧能源送出省負(fù)荷密度低、負(fù)荷需求小的特點(diǎn)。目前實(shí)際執(zhí)行的政策是，按相關(guān)區(qū)域電網(wǎng)跨省中長期交易規(guī)則［16—17］，電力用戶、售電公司與省外發(fā)電企業(yè)開展跨省區(qū)交易過程中，購電方需要繳納輸配電環(huán)節(jié)費(fèi)用包括:送出省外送輸電費(fèi)用（含網(wǎng)損）、區(qū)域電網(wǎng)跨省交易輸電費(fèi)用（含網(wǎng)損）、跨省跨區(qū)專項(xiàng)工程輸電費(fèi)用（含網(wǎng)損）以及所在省的省級(jí)電網(wǎng)輸配電費(fèi)等費(fèi)用。在實(shí)際交易結(jié)算環(huán)節(jié)，電網(wǎng)企業(yè)按照應(yīng)收取輸電費(fèi)的實(shí)際交易執(zhí)行電量乘以各輸電環(huán)節(jié)輸電價(jià)格計(jì)算需收取的跨省區(qū)輸電費(fèi)用。在購電方繳納上述費(fèi)用后，電網(wǎng)企業(yè)對(duì)于固定輸電收入的分配方法為:送出省外送輸電收入將分配給送電省份省級(jí)電網(wǎng)企業(yè)；區(qū)域電網(wǎng)跨省交易輸電收入、跨省跨區(qū)專項(xiàng)工程輸電收入將分配給運(yùn)營相應(yīng)區(qū)域電網(wǎng)或?qū)ｍ?xiàng)工程的電網(wǎng)企業(yè)；省內(nèi)電網(wǎng)輸配電費(fèi)將分配給購電方所在省省級(jí)電網(wǎng)企業(yè)。

然而，在實(shí)際送電過程中，交易電量除了發(fā)用側(cè)的省內(nèi)電網(wǎng)及省間聯(lián)絡(luò)線外，還穿越了送受端間的其它省級(jí)交流輸電網(wǎng)。跨省區(qū)交易輸配電環(huán)節(jié)費(fèi)用僅由送受省及區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)營方收取，穿越中間省級(jí)輸電網(wǎng)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)損耗未有效補(bǔ)償給被穿越省的用戶，不能靈敏地反映不同用戶對(duì)電網(wǎng)的使用情況和不同交易輸配電成本在不同電網(wǎng)中的合理分?jǐn)?，不利于跨省區(qū)通道的優(yōu)化利用［10］。因此雖然購電方繳納的交易電量對(duì)應(yīng)的送出省、區(qū)域電網(wǎng)及購入省總輸配電費(fèi)是固定的，但是在送端、受端及被穿越方省級(jí)電網(wǎng)企業(yè)之間如何更有效的分配（或分享）還需要進(jìn)一步研究。

考慮到我國核價(jià)及收費(fèi)政策在一定時(shí)期內(nèi)變化的可能性不大，上述文獻(xiàn)方法雖然可以提升市場(chǎng)各方參與區(qū)域市場(chǎng)交易的積極性，但與現(xiàn)有價(jià)格體系差異較大，實(shí)施起來較為困難，需要選取與目前政策相適應(yīng)的輸電收入分配方式?；谏鲜隹紤]，本文提出了一種區(qū)域電力市場(chǎng)跨省區(qū)交易中，保持跨省區(qū)輸電定價(jià)機(jī)制、收取輸電費(fèi)用總額不變的情況下的多運(yùn)營主體輸電收入分配方法，通過合理地分配跨省區(qū)交易輸配電費(fèi)，以促進(jìn)統(tǒng)一電力市場(chǎng)的進(jìn)一步形成。

1 多運(yùn)營主體輸電收入分配方法框架

基于交易合同輸電路徑優(yōu)化的多運(yùn)營主體輸電收入分配方法中，“多運(yùn)營主體”主要指區(qū)域電力市場(chǎng)交易電量輸送過程中涉及的多個(gè)運(yùn)營省級(jí)輸電網(wǎng)的電網(wǎng)企業(yè)。本文采用合同路徑優(yōu)化的方法，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)找到合同電量?jī)?yōu)化傳輸路徑，根據(jù)路徑中輸電線路的歸屬，確定不同區(qū)域的輸配電費(fèi)用分?jǐn)偙壤?。方法框架的具體流程圖如圖1 所示。

圖1 輸電收入分配方法框架Fig.1 Transmission income distribution method frame

需要說明的是，交易合同輸電路徑優(yōu)化時(shí)，由于考慮了實(shí)際網(wǎng)架的約束，須以某種方式將合同電量分解到時(shí)段，以功率作為標(biāo)的物。隨著全國省級(jí)現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)加快推進(jìn)，絕大多數(shù)省份中長期交易合同均實(shí)現(xiàn)帶分時(shí)電力曲線簽約，合同電量全部分解至交易周期內(nèi)的各個(gè)時(shí)段。通過匯總相應(yīng)節(jié)點(diǎn)下市場(chǎng)主體不同周期、類型交易合同分解至?xí)r段的電力，可得到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)該時(shí)段的凈合約電力，進(jìn)而開展交易合同輸電路徑優(yōu)化計(jì)算。交易合同輸電路徑優(yōu)化模型具備普適性，既適用于全時(shí)段、全網(wǎng)架精確計(jì)算，又可以對(duì)典型時(shí)段、典型網(wǎng)架進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，并獲得不同精度的交易合同路徑優(yōu)化結(jié)果。

2 交易合同輸電路徑優(yōu)化模型

在經(jīng)濟(jì)性方面，省間交易合同的優(yōu)化目標(biāo)為多運(yùn)營主體聯(lián)合運(yùn)營的整體輸電網(wǎng)的輸電損耗最小，通過提高輸電效率獲取額外收益。在數(shù)學(xué)含義方面，交易合同輸電路徑優(yōu)化就是尋找確定合同電量的最優(yōu)流通路徑，而最優(yōu)流通問題實(shí)際上就是以最小的損耗完成規(guī)定的傳輸量的問題。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

基于合同路徑優(yōu)化的輸配電分?jǐn)偰Ｐ偷哪繕?biāo)函數(shù)為參與跨區(qū)交易的合同電量所通過的線路總網(wǎng)損最小。本文研究對(duì)象主要針對(duì)合同電量，重點(diǎn)在于對(duì)中長期合同中要求履行的有功合同電量在電網(wǎng)中應(yīng)承擔(dān)的運(yùn)輸成本進(jìn)行估算，指導(dǎo)合同簽署時(shí)不同區(qū)域的輸配電分?jǐn)偙壤?，由于合同并未?duì)無功電量提出需求，故模型中并未考慮系統(tǒng)無功。目標(biāo)函數(shù)表示如下

式中:P為線路l注入相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的功率；為線路l上流過的總合同功率；Ul為線路l的電壓等級(jí)（標(biāo)幺值為1）；Rl為線路l的電阻值；L為支路總數(shù)；M為合同數(shù)量。

2.2 約束條件

2.2.1 節(jié)點(diǎn)注入功率平衡約束

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的注入功率等于與之相連的所有線路的出線功率減去入線功率。如果節(jié)點(diǎn)i是購電節(jié)點(diǎn)，則它的注入功率不小于該節(jié)點(diǎn)所購的合同電量，如式（3）所示；如果節(jié)點(diǎn)i是售電節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)所有合同的總量不大于該節(jié)點(diǎn)售電方的最大發(fā)電能力，如式（4）所示；如果節(jié)點(diǎn)i是其它節(jié)點(diǎn)，則它的注入功率為0，如式（5）所示。以上約束用公式表示如下

式中:m為合同編號(hào)；i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；P為合同m在節(jié)點(diǎn)i的注入功率；P為合同m在線路l上的出線功率；P為合同m在線路l上的進(jìn)線功率；為合同m的合同電量；為合同m經(jīng)過以節(jié)點(diǎn)i為末端節(jié)點(diǎn)的線路l的輸出功率之和；為合同m經(jīng)過以節(jié)點(diǎn)i為首端節(jié)點(diǎn)的線路l的注入功率之和；P為節(jié)點(diǎn)i機(jī)組的最大出力。

2.2.2 網(wǎng)損約束

電量傳輸分配的過程中會(huì)出現(xiàn)能量損失，導(dǎo)致線路的進(jìn)線功率與出線功率不相等，因此網(wǎng)損約束為

將約束線性化便于求解，可將P的平方項(xiàng)進(jìn)行分段線性化處理，分段線性化的方法如下:

式中:S為線性化段數(shù)，算例中取10；Ks為各段斜率；P為線性化后每段的線路傳輸功率，滿足以下約束條件

式中:s為線性化后的每段序號(hào)；S為線性化段數(shù)。

2.2.3 線路傳輸功率約束

當(dāng)進(jìn)行時(shí)段內(nèi)所有合同的統(tǒng)一優(yōu)化時(shí)，線路潮流應(yīng)該滿足

式中:P為線路l的最大傳輸功率。

3 輸電收入分配比例計(jì)算

按照上述優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化后，可以得到M個(gè)L維向量，每個(gè)向量中的元素代表了該份合同在線路l上流過的電量。已知每條線路的歸屬區(qū)域，采用兆瓦-公里法對(duì)輸配電費(fèi)的分配比例k進(jìn)行計(jì)算。

每筆合同輸電收入在多運(yùn)營主體之間的分配比例，為該合同對(duì)應(yīng)的所有合同路徑歷經(jīng)不同運(yùn)營主體所屬線路的合同電量總和之比。

考慮到跨省區(qū)交易合同的跨區(qū)域流動(dòng)主要在輸電網(wǎng)絡(luò)上，因此主要計(jì)算輸電收入的分配，不包含購電省配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)收入的分配。輸電收入分配的表示如下

式中:ki為區(qū)域i的分配比例；area1、area2為區(qū)域1、區(qū)域2的線路集合；fl,ri為區(qū)域i的輸電線路權(quán)重，可以依據(jù)各省輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本不同進(jìn)行賦權(quán)。

4 算例分析

應(yīng)用IEEE-30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，對(duì)上述的基于合同路徑優(yōu)化的輸配電費(fèi)分?jǐn)偰Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 IEEE30系統(tǒng)算例

IEEE-30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包含30 個(gè)節(jié)點(diǎn)、41 條支路、6個(gè)發(fā)電機(jī)以及24個(gè)負(fù)荷。將整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)輸電區(qū)域，其經(jīng)營區(qū)輸電網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)應(yīng)區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的線路和變電資產(chǎn)（本算例中跨區(qū)域1、2和區(qū)域1、3 的線路歸屬于區(qū)域1，跨2、3 的線路歸屬于區(qū)域2），系統(tǒng)接線圖及區(qū)域分區(qū)情況如圖2 所示。圖2中，區(qū)域1的節(jié)點(diǎn)1、2、5、8為售電節(jié)點(diǎn)，區(qū)域2的節(jié)點(diǎn)17和23為購電節(jié)點(diǎn)，區(qū)域3的節(jié)點(diǎn)26為購電節(jié)點(diǎn)。

圖2 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分區(qū)情況Fig.2 IEEE-30 node system partitioning

本算例設(shè)置了相應(yīng)售電節(jié)點(diǎn)、購電節(jié)點(diǎn)之間的9個(gè)電力交易合同，合同信息如表1所示。

表1 交易合同信息Table 1 Trading contract information

4.2 交易合同路徑優(yōu)化結(jié)果

通過交易合同輸電路徑優(yōu)化模型得到每個(gè)合同在每條支路上的電量分布，結(jié)合線路之間的連通關(guān)系，可以得到各合同的主要輸電路徑。各合同的主要輸電路徑如圖3 所示，其對(duì)應(yīng)的傳輸電量以涉及線路的最小功率確定，在表2中具體列出。

表2 合同主要傳輸路徑分析Table 2 Main transmission paths of contracts

圖3 交易合同路徑優(yōu)化結(jié)果Fig.3 Path optimization results of trading contract

由表2 可知，合同3 和合同7 均存在穿越區(qū)域。在合同3 的主要輸電路徑中，為了避免增加系統(tǒng)線路網(wǎng)損，售電節(jié)點(diǎn)2 的出力按與線路電抗值成反比的比例分配到2-4、2-6 兩條線路上，形成的路徑1為2-4-12-14-15-23，從區(qū)域1 直接流向區(qū)域2，路徑2 為2-6-10-22-24-23，除了經(jīng)過區(qū)域1、2，還穿越了區(qū)域3。表2 結(jié)果證明了優(yōu)化結(jié)果會(huì)盡量將電量分配到更多的線路上，以防止某一線路承載多筆合同而導(dǎo)致總網(wǎng)損增加。

合同7 雖然是區(qū)域1 的售電節(jié)點(diǎn)與區(qū)域2 的購電節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交易，但由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制，合同路徑穿越了區(qū)域3 的較多線路。如果按照傳統(tǒng)方式，僅對(duì)購售區(qū)域內(nèi)的輸電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，那么區(qū)域3 的輸電損耗將計(jì)入該區(qū)域用戶的輸配電價(jià)，導(dǎo)致輸配電收入的不公平分配。計(jì)算結(jié)果證明該方法考慮了實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，保證了各區(qū)域按照線路貢獻(xiàn)程度收取輸配電費(fèi)用。

4.3 輸電收入分配結(jié)果對(duì)比

按照引言中提到的多運(yùn)營主體對(duì)于固定輸電收入的分配方法，交易合同的發(fā)電節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域視為送電區(qū)域（主要為區(qū)域1），區(qū)域1運(yùn)營主體收取外送輸電費(fèi)用。參考國家最新核價(jià)周期省級(jí)電網(wǎng)輸電價(jià)格水平，交易合同的購電節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域視為購電區(qū)域（主要為區(qū)域2、3），購電區(qū)域運(yùn)營主體收取省內(nèi)輸電費(fèi)。在本算例中，區(qū)域1 的省級(jí)電網(wǎng)送電輸電價(jià)按照0.03 元∕kWh 設(shè)置，區(qū)域2 輸電價(jià)格（輸電網(wǎng)輸配電價(jià)）按照0.06 元∕kWh 設(shè)置，區(qū)域3 輸電價(jià)格按照0.05 元∕kWh 設(shè)置。可以計(jì)算得到現(xiàn)有的固定輸電收入分配結(jié)果。

以合同1 為例，發(fā)電節(jié)點(diǎn)1 屬于區(qū)域1，購電節(jié)點(diǎn)23 屬于區(qū)域2，區(qū)域1、2 運(yùn)營主體收取的費(fèi)用與其價(jià)格成正比，即3∶6。區(qū)域3收取費(fèi)用為0。

再采用本文模型對(duì)相關(guān)輸電收入進(jìn)行計(jì)算分配，不考慮不同省級(jí)運(yùn)營主體的線路建設(shè)差異，單純按照交易合同對(duì)于輸電網(wǎng)絡(luò)的使用情況確定輸電收入的分配，因此區(qū)域1、2、3 的輸電線路權(quán)重fl,r1、fl,r2、fl,r3均設(shè)為1。

對(duì)現(xiàn)有的固定輸電收入分配結(jié)果和本模型采用的輸電收入分配結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。

表3 不同交易合同輸電收入分配結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of transmission income distribution between two methods

由表3 可知，按照固定電價(jià)進(jìn)行輸電收入的分配，區(qū)域1 的分配比例k1小于區(qū)域2、3 的分配比例k2、k3。按照基于合同路徑優(yōu)化的輸電網(wǎng)絡(luò)使用程度來計(jì)算，區(qū)域1 的分配比例大于區(qū)域2、3 的分配比例、，與實(shí)際情況更加相符。

綜合上述所有交易合同，對(duì)3 個(gè)區(qū)域的整體輸電收入分?jǐn)偨Y(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 多運(yùn)營主體總輸電收入分配結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of total transmission income results of multiple operators

圖4結(jié)果表明，區(qū)域1、2、3按照固定比例分配的輸電收入比按照合同路徑優(yōu)化結(jié)果分配的輸電收入更符合網(wǎng)架線路的利用情況。由于區(qū)域1電網(wǎng)中電源比例較高，輸電網(wǎng)絡(luò)線路中外送合同電力占比高，相應(yīng)的分配比例應(yīng)該更高，采用本文所述模型的計(jì)算結(jié)果更為合理。通過本文方法分配輸電收入后，對(duì)跨省區(qū)交易輸電有較多通道貢獻(xiàn)的運(yùn)營主體將因此獲得更多收入，有助于鼓勵(lì)運(yùn)營主體加強(qiáng)主網(wǎng)及區(qū)域聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架投資，有利于減少跨省區(qū)交易通道阻塞，擴(kuò)大跨省區(qū)交易規(guī)模。

5 結(jié)束語

本文所提出的區(qū)域電力市場(chǎng)下的多運(yùn)營主體輸電收入分配方法，在不改變現(xiàn)有輸配電價(jià)核價(jià)和收費(fèi)機(jī)制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域交易輸電收入以網(wǎng)損最小為目標(biāo)，優(yōu)化出的輸電路徑按線路利用程度進(jìn)行分配，確保多運(yùn)營主體按照線路貢獻(xiàn)程度收取應(yīng)得的輸電費(fèi)用。通過輸電收入的合理分配，可以減少跨省區(qū)通道阻塞，擴(kuò)大區(qū)域市場(chǎng)交易規(guī)模。本文提出的方法適用于區(qū)域內(nèi)的多運(yùn)營主體的輸電收入分配，也適用于省域內(nèi)的地方電網(wǎng)輸電收入分配，有利于輸電收益在統(tǒng)一市場(chǎng)中的公平分配，減少跨省區(qū)交易通道阻塞，提高資源配置效率。我國能源資源與負(fù)荷中心呈逆向分布，部分省份可以明顯劃分為能源送出型和能源受入型。本文方法更能適應(yīng)跨省跨區(qū)電力直接交易大規(guī)模放開的趨勢(shì)，有效引導(dǎo)市場(chǎng)主體合理利用輸電網(wǎng)，助力輸電網(wǎng)進(jìn)行有效投資。D