電網(wǎng)規(guī)劃中可靠性成本-效益分析

徐飛

（國(guó)網(wǎng)湖北孝感供電公司開發(fā)區(qū)供電中心，湖北 孝感 432000）

0 引言

電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行以及經(jīng)營(yíng)管理與居民生活息息相關(guān)，但在電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中，往往涉及可靠性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾問(wèn)題。為提高供電可靠性水平，電力企業(yè)需要增加新建或改造項(xiàng)目投資，但會(huì)對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益造成影響；若減少投資，則會(huì)導(dǎo)致供電可靠性降低，甚至引發(fā)其他方面的經(jīng)濟(jì)賠償。因此，電力企業(yè)有必要針對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃中可靠性成本-效益的關(guān)系展開深入分析，尋求整體經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的穩(wěn)定與平衡。

1 工程概況

1.1 建設(shè)背景

截至2022 年8 月，孝感城網(wǎng)10kV 公用配變2101臺(tái)，總?cè)萘?9.063 萬(wàn)kVA，線路199 條，總長(zhǎng)度939.16km。日前，國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司結(jié)合高壓變電站建設(shè)以及10kV 配電網(wǎng)現(xiàn)狀，于孝感市孝南區(qū)車站街道、書院街道、丹陽(yáng)辦事處、孝天辦事處等區(qū)域開展電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目，通過(guò)城市配電網(wǎng)項(xiàng)目改造致力于達(dá)成解決設(shè)備重（過(guò)）載問(wèn)題、消除設(shè)備安全隱患，滿足新增負(fù)荷供電、電動(dòng)汽車充電站接網(wǎng)和配電網(wǎng)自動(dòng)化示范區(qū)建設(shè)要求的目的。2022 年孝感市公司供電企業(yè)基本情況如表1 所示。

表1 2022 年孝感市公司供電企業(yè)基本情況

1.2 工程建設(shè)內(nèi)容

本次配電網(wǎng)建設(shè)及改造項(xiàng)目一共劃分為3 個(gè)批次。①國(guó)網(wǎng)孝感供電公司開發(fā)區(qū)供電中心2022 年度第二批城市配電網(wǎng)建設(shè)與改造工程，包括新建10kV 架空絕緣線4.99km、電纜14.76km；新建環(huán)網(wǎng)箱13 臺(tái)，柱上開關(guān)116 臺(tái)；新建10kV 配電變壓器14 臺(tái)，容量6620kVA，更換17kV 配電變壓器，容量5600kVA，新建臺(tái)變控制箱23 臺(tái)；新建及改造0.4kV 架空線路1.3km，電纜1.07km；新建DTU 終端13 個(gè)；新建FTU 終端116個(gè)。②國(guó)網(wǎng)孝感供電公司開發(fā)區(qū)供電中心2022 年10kV 及以下業(yè)擴(kuò)配套（第二批）配電網(wǎng)項(xiàng)目，包括新建10kV 電纜線路0.69km，新建10 千伏配電變壓器5 臺(tái)，容量2690kVA，新建0.4kV 電纜線路0.3km。③國(guó)網(wǎng)孝感供電公司開發(fā)區(qū)供電中心2022 年第三批業(yè)擴(kuò)配套電網(wǎng)建設(shè)工程；包括新建10kV 架空絕緣線路1.5km、電纜0.2km，新建10kV 配電變壓器6 臺(tái)，容量1400kV安，新建0.4kV 電纜線路1km，新建臺(tái)變控制箱6 臺(tái)，新建柱上開關(guān)7 臺(tái)，F(xiàn)TU 終端7 個(gè)。

1.3 投資情況

國(guó)網(wǎng)孝感供電公司開發(fā)區(qū)供電中心2022 年度第二批城市配電網(wǎng)建設(shè)與改造工程等項(xiàng)目總投資4436.07 萬(wàn)元，其中三批次項(xiàng)目投資情況分別為4046.07 萬(wàn)元、190 萬(wàn)元、200 萬(wàn)元。

2 配電網(wǎng)可靠性成本-效益分析方法

2.1 研究背景

在“需求側(cè)管理”理念的影響下，電網(wǎng)規(guī)劃可靠性觀念發(fā)生改變，在減少投資的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)投資效益的關(guān)注，從而以用戶停電損失為基礎(chǔ)，提出了可靠性價(jià)值[1]。用戶停電損失會(huì)受到多方面因素影響，包括不同的電力服務(wù)需求、對(duì)電力可靠性與電價(jià)的看法等。就當(dāng)前的電力市場(chǎng)發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)從電力市場(chǎng)發(fā)展實(shí)際出發(fā)，進(jìn)而根據(jù)供電可靠性理念，用戶有權(quán)針對(duì)因供電可靠性問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)損失索要賠償。由此可見，在當(dāng)前的電力市場(chǎng)機(jī)制下，電網(wǎng)供電總成本的范圍進(jìn)一步拓展，除基礎(chǔ)的建設(shè)投資成本、運(yùn)行成本，還包括用戶缺電損失，即缺電成本[2]。缺電成本是電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中供電可靠性高低的直接反映，通過(guò)可靠性優(yōu)化來(lái)緩解高可靠性與低成本之間的矛盾，兼顧經(jīng)濟(jì)效益與可靠性水平。本項(xiàng)目中，國(guó)網(wǎng)孝感供電公司開發(fā)區(qū)供電中心為達(dá)到一定的供電可靠性目標(biāo)而增加投資成本，同時(shí)還需要針對(duì)需求側(cè)缺電成本采取一定的調(diào)節(jié)措施，將可靠性成本與可靠性效益統(tǒng)一起來(lái)，從而為配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的順利推進(jìn)提供便利條件。

2.2 可靠性成本計(jì)算

可靠性成本計(jì)算涉及的變量包括線路投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、網(wǎng)損成本等，其公式表示如式（1）至式（4）所示。

式中：CXL——線路投資成本；COP——運(yùn)行維護(hù)成本；CLOSS——網(wǎng)損成本；Ci——線路i 單位投資造價(jià)；Li——線路i 長(zhǎng)度；Ni——待建線路數(shù)量；α——運(yùn)行費(fèi)用比例系數(shù)，取值為0.05～0.1；Il——線路l 的電流；Pl——線路l的功率；Rl——線路l 的電阻；U——網(wǎng)絡(luò)電壓；t——年運(yùn)行時(shí)間；δ——電價(jià)；N——線路總數(shù)。

綜合式（1）至式（4），可靠性成本計(jì)算公式如式（5）所示。

式中：α——運(yùn)行費(fèi)用比例系數(shù)；Ci——線路i 單位投資造價(jià)；Li——線路i 長(zhǎng)度；Ni——待建線路數(shù)量；xl——線路l 的電抗；θi、θj——線路l 兩端電壓相角；μ——網(wǎng)損比例系數(shù)；N——線路總數(shù)。

2.3 可靠性效益－缺電成本計(jì)算

2.3.1 影響因素

可靠性效益即電網(wǎng)達(dá)到一定供電可靠性水平時(shí)的用戶效益，通過(guò)需求側(cè)的缺電成本來(lái)表示[3]。衡量可靠性效益的缺電成本受到多方面因素影響，這也給可靠性效益計(jì)算帶來(lái)一定困難。①缺電發(fā)生時(shí)間。用戶活動(dòng)在不同季節(jié)、不同時(shí)間均存在差異，因此也體現(xiàn)出不同的缺電成本。②缺電量。缺電量隨著電網(wǎng)可靠性水平的升高而降低，缺電成本也會(huì)隨之降低。③缺電持續(xù)時(shí)間。缺電初始階段，缺電成本隨著缺電持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)而持續(xù)升高；當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)后，缺電成本開始下降。例如，缺電持續(xù)時(shí)間4h 的缺電成本可縮減至1h 的60%。④缺電頻率。缺電次數(shù)越多，用戶活動(dòng)遭受的干擾越嚴(yán)重，缺電成本越高。⑤用戶類型。針對(duì)不同類型用戶缺電成本進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所得到的結(jié)果存在差異。

2.3.2 計(jì)算方法

在對(duì)缺點(diǎn)成本進(jìn)行計(jì)算時(shí)，理論上應(yīng)圍繞上述影響因素，對(duì)不同可能性下的供電可靠性進(jìn)行分析，再根據(jù)缺電成本函數(shù)計(jì)算缺電成本；但在實(shí)際情況下，缺電成本函數(shù)構(gòu)造難度較大，因此只能通過(guò)合理的方法進(jìn)行估算[4]。

（1）GDP 計(jì)算方法。缺少的電量會(huì)直接影響到國(guó)民生產(chǎn)總值GDP，因此可通過(guò)每缺1kW·h 電量而減少的GDP 平均計(jì)算得到缺電成本，通過(guò)GDP/總用電量可以反映出缺電對(duì)整體國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響。

（2）電價(jià)倍數(shù)計(jì)算方法。結(jié)合用戶缺電損失現(xiàn)狀通過(guò)平均電價(jià)倍數(shù)完成缺電成本估算。例如，英國(guó)采用該方法對(duì)不用類型的用電負(fù)荷進(jìn)行估算，工業(yè)、商業(yè)、居民負(fù)荷對(duì)應(yīng)的倍數(shù)分別為15、70、60 倍。

（3）公式計(jì)算方法。結(jié)合用戶缺電損失受缺電功率、缺電量、缺電持續(xù)時(shí)間、缺電次數(shù)等因素的影響得到年缺電成本計(jì)算公式，如式（6）所示。

式中：Kw——單位缺電功率；Pi——第i 次缺電功率；Ke——單位缺電量損失系數(shù)；Ei——第i 次缺電量；k——缺電頻率。

式（6）體現(xiàn)出缺電功率、缺電量、缺電持續(xù)時(shí)間、缺電次數(shù)對(duì)用戶缺電損失的影響，但缺少對(duì)各負(fù)荷點(diǎn)用戶單位缺電成本的考量，因此對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及安全性存在一定影響。缺電成本計(jì)算問(wèn)題是一項(xiàng)系統(tǒng)性、綜合性問(wèn)題，為更全面地反映缺電影響，還可以構(gòu)造缺電損失評(píng)價(jià)率的方法進(jìn)行計(jì)算。

（4）構(gòu)造缺電損失評(píng)價(jià)率計(jì)算方法。缺電損失評(píng)價(jià)率（IEAR）可以更全面地反映缺電成本，得到用戶因得不到單位電量而造成的經(jīng)濟(jì)損失，如式（7）所示。

式中：N——電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)；IEARi——節(jié)點(diǎn)i 的缺電損失評(píng)價(jià)率，元/（kW·h）；EENSi——節(jié)點(diǎn)i 的電量不足期望值；kW·h/期間。

2.4 成本效益分析方法

可靠性成本－效益分析曲線如圖1 所示。

圖1 可靠性成本－效益分析曲線

結(jié)合圖1 可得到式（8）和式（9）。

式中：TC——供電總成本；SC——系統(tǒng)投資成本；UEC——缺電成本。

將式（8）和式（9）轉(zhuǎn)化為增量形式可以得到：

-ΔUEC=ΔSC。（10）

由此可知，當(dāng)-ΔUEC>ΔSC 時(shí)，系統(tǒng)投資成本增加量低于缺電成本的減少量，因此可依靠少量系統(tǒng)投資獲得效益；反之，系統(tǒng)投資成本增加量超出缺電成本的減少量，系統(tǒng)投資收益受限，可靠性水平難以提高[5]。當(dāng)-ΔUEC=ΔSC 時(shí)，供電總成本達(dá)到最小。

3 基于可靠性成本-效益分析的配電網(wǎng)項(xiàng)目規(guī)劃

3.1 電力規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的提出

本項(xiàng)目基于電網(wǎng)直接投資成本、網(wǎng)損、缺電成本提出數(shù)學(xué)模型，用于可靠性成本-效益分析。數(shù)學(xué)模型表示形式：

式中：k1、k2——對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)確定的比例系數(shù)；Li——線路i 長(zhǎng)度；Pi——線路i 有功功率；N——電網(wǎng)線路總數(shù)；Nl——待修線路總數(shù)。

3.2 模型特點(diǎn)

上述數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面。①兼顧了系統(tǒng)投資費(fèi)用和用戶缺電損失成本，有效協(xié)調(diào)了二者之間的關(guān)系，為電網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)濟(jì)性和可靠性的統(tǒng)一提供保障。②將可靠度水平轉(zhuǎn)化為變量，尋求其在成本與效益不平衡中最佳狀態(tài)，相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方法，強(qiáng)化了供電可靠度經(jīng)濟(jì)價(jià)值對(duì)用戶側(cè)影響的考量。③該數(shù)學(xué)模型還可以將降低系統(tǒng)投資費(fèi)用的傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃模式囊括其中，體現(xiàn)出更強(qiáng)的適用性與靈活性。

3.3 模型應(yīng)用

本項(xiàng)目中數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用以倒推法為基礎(chǔ)，結(jié)合配電網(wǎng)規(guī)劃實(shí)際情況設(shè)定一冗余網(wǎng)絡(luò)，首先根據(jù)直流潮流模型完成節(jié)點(diǎn)電壓相角以及支路功率的計(jì)算，得到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)量；其次順序去掉一條線路后進(jìn)行缺電成本計(jì)算，將總成本J 按照從小到大的順序排列，去掉最小的線路；最后根據(jù)剩下的數(shù)據(jù)得到供電總成本最小的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算過(guò)程如圖2 所示。

圖2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在配電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中，解決供電可靠性和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)效益的矛盾問(wèn)題成為電力企業(yè)需要思考的重點(diǎn)。結(jié)合國(guó)網(wǎng)孝感供電公司開發(fā)區(qū)供電中心電網(wǎng)規(guī)劃實(shí)踐來(lái)看，應(yīng)尋求電力投資與社會(huì)效益之間的平衡，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)缺電成本的計(jì)算分析，結(jié)合相關(guān)影響因素提出數(shù)學(xué)模型，做到正確反映投入資金與可靠度之間的關(guān)系，提高電網(wǎng)規(guī)劃成本計(jì)算的全面性與準(zhǔn)確性。