王 瑜,邱凌鍵,儲學立,吳昌設(shè),馬顯駿,羅時偉,吳 倩
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司,浙江 溫州 325000;2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007;3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司平陽縣供電公司,浙江 平陽 325401;4.天地電研(北京)科技有限公司杭州分公司,杭州 310012;5.天地電研(北京)科技有限公司,北京 102206)
目前關(guān)于配電網(wǎng)投資分配的研究很多,但仍存在投資總規(guī)模不能準確確定、投資分配比例不能獲得有效驗證的盲點[1]。當前的研究成果大致可分為兩類:第一類是在總投資額已知的情況下從不同角度進行投資優(yōu)化比例分配。文獻[2-4]建立了配電網(wǎng)規(guī)劃項目評價指標和基于投資分配約束的分配方法;文獻[5-6]從投資需求、經(jīng)濟性要求、電量增長需求角度建立了配電網(wǎng)投資分配的模型;文獻[7-9]考慮不同因素對投資效益的影響,實現(xiàn)對投資額進行分配;文獻[10-13]建立了地市級供電公司各地區(qū)中壓配電網(wǎng)投資與指標綜合評分的函數(shù)關(guān)系。第二類是在總投資額已知的情況下以實現(xiàn)某個或某類指標(例如可靠性)最大為目標開展投資分配。文獻[14-15]建立了基于投資規(guī)模和投資方向的配電網(wǎng)投資分配模型,但在項目排序時未考慮項目間的約束關(guān)系;文獻[16-17]給出了可靠性與經(jīng)濟性之比最高的項目優(yōu)選方法,但優(yōu)選后的項目無法合理覆蓋所研究區(qū)域的問題。上述文獻均假定配電網(wǎng)所有項目的總投資額不超過投資預算,未給出確定總投資額的方法;由于項目優(yōu)選按照整個研究區(qū)域進行排序,導致部分供電網(wǎng)格投資過?;虿蛔?,分配結(jié)果不夠合理;所提方法均未實現(xiàn)對投資總額的準確估算。
針對上述不足,本文提出一種配電網(wǎng)投資縱橫向分配及其校驗方法,橫向涵蓋項目分類,縱向貫通市縣網(wǎng)格。所提出的投資分配與項目優(yōu)選模型既解決了投資分配問題,又解決了配電網(wǎng)投資總額如何準確確定的問題,并通過歷史數(shù)據(jù)完成對投資比例分配的閉環(huán)校驗。本文主要創(chuàng)新點如下:
1)在基于投資效果的投資分配方法中,綜合考慮項目自身的重要性、改善程度的緊迫性和自身對整體效益的貢獻,提出權(quán)重矯正系數(shù),使之能根據(jù)項目實施后的效果自適應(yīng)調(diào)整。
2)在項目優(yōu)選模型中,以供電網(wǎng)格為范圍考慮項目自身約束及項目間約束條件,避免項目過度集中于個別區(qū)域。
3)在完成配電網(wǎng)整體—不同投資方向分配—供電網(wǎng)格內(nèi)“自上而下”的投資分配后,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)采用工程量統(tǒng)計法“自下而上”對所有優(yōu)選項目的投資額進行匯總,并將“自上而下”的投資額與“自下而上”的投資額進行對比驗證,實現(xiàn)了對配電網(wǎng)投資總額的準確估算。所提方法能夠為供電企業(yè)合理確定配電網(wǎng)投資總規(guī)模、均衡分配投資方向、科學安排投資項目提供有效支撐。
本文所提配電網(wǎng)投資分配模型如圖1所示,主要分為以下三部分:
圖1 配電網(wǎng)投資決策模型Fig.1 The distribution network investment decision model
1)根據(jù)決策目標確定投資方向(即項目類型);建立評價指標體系,分析投資方向與評價指標的對應(yīng)關(guān)系,明確各投資方向的重要度。
2)從宏觀層面提出配網(wǎng)規(guī)劃總投資及不同投資方向的決策方法,得到配電網(wǎng)投資總額和不同投資方向的分配比例。
3)建立項目優(yōu)選模型,得到優(yōu)選項目。從微觀層面分析歷史項目的各部分工作量及綜合單價,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算出目標年所有優(yōu)選項目的項目投資額;按投資方向匯總以檢驗宏觀層面得出的分配比例是否正確;全部匯總以估算出配電網(wǎng)總投資額。
按照Q/GDW 1738—2020《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導則》要求,結(jié)合W 市供電公司2017—2019年規(guī)劃項目數(shù)據(jù),選取如圖2所示的配電網(wǎng)投資方向與評價指標。從源網(wǎng)荷儲幾方面將投資方向分為7個,共選取17項評價指標。
圖2 配電網(wǎng)投資方向與評價指標Fig.2 Distribution network investment directions and evaluation indicators
2.2.1 改善程度法指標權(quán)重
配電網(wǎng)指標的提升幅度不僅與項目的實施效果有關(guān),還與項目實施前的電網(wǎng)現(xiàn)狀水平有關(guān)。為使項目的實施效果與電網(wǎng)現(xiàn)狀解耦,將指標絕對變化程度與其可改善空間的比值定義為指標改善程度。一般來說,指標的現(xiàn)狀值與理想值之間的差距能夠反映該指標的改善緊迫程度——現(xiàn)狀值與理想值的差距越大,表明改善緊迫程度越高,指標權(quán)重也相應(yīng)越高。這同時也解決了不同指標具有不同的特性、量綱和數(shù)量級的問題。
表1 投資方向與評價指標的映射關(guān)系Table 1 The mapping relationship between investment directions and evaluation indicators
采用改善程度法求得的各指標相對重要度為:
隨著項目的逐年實施,每年末對各指標重新評價,動態(tài)更新各指標權(quán)重的改善程度,因此改善程度法所得權(quán)重不會固定不變,而是會隨著年份的變化不斷調(diào)整,能夠充分體現(xiàn)出不同時期指標的改善緊迫程度。但這種僅依靠指標改善緊迫程度的方法有一個缺陷——某些指標(如新增線路條數(shù)占比、分布式電源裝機規(guī)模等需要與新增負荷或清潔能源電源容量相協(xié)調(diào)的區(qū)間類指標)與理想值的差值較小,但該類項目的實施緊迫度卻很高時,不能準確反映此類項目的權(quán)重。為此,除采用上述改善程度法計算權(quán)重外,另外選擇德爾菲法、熵權(quán)法共3種方法來確定權(quán)重。
2.2.2 組合權(quán)重
改善程度法反映了指標提升程度的需求;熵權(quán)法關(guān)注指標值的變異程度,其變異程度越大,提供的信息量越多,所能起到的作用也越大,其權(quán)重也就越大,反映了指標對整體的影響程度;德爾菲法則結(jié)合專家多年的經(jīng)驗,偏重于指標本身的重要程度。3種方法結(jié)合起來,既考慮了指標本身的重要性,又考慮了指標提升程度要求和單相指標對總體的貢獻,能更好地反映項目的實際效果。指標i的組合權(quán)重ωi為:
式中:ωia為改善程度法指標權(quán)重;ωib為德爾菲法指標權(quán)重;ωic為熵權(quán)法指標權(quán)重;α、β、γ為權(quán)重系數(shù),依據(jù)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)通過專家會議法確定。隨著項目的實施,ωia將逐年更新。
2.2.3 權(quán)重矯正系數(shù)
用組合權(quán)重除以改善程度法權(quán)重,得到權(quán)重矯正系數(shù)ki:
單項指標的得分采用百分制:
式中:si為單項指標得分;yi為單項指標評分。
綜合評分計算公式為:
式中:S為綜合評分。
基于近J年的歷史數(shù)據(jù),按年份統(tǒng)計項目建設(shè)前后各指標實際值和配電網(wǎng)總投資,計算各年份的配電網(wǎng)整體單位投資的改善效果;然后將歷史年單位投資配電網(wǎng)改善效果加權(quán),作為目標年配電網(wǎng)單位投資改善效果。
式中:E為配電網(wǎng)單位投資改善效果;Sj為第j年配電網(wǎng)整體綜合評分;Vj為第j年配電網(wǎng)投資總額;λj為年份權(quán)重系數(shù),考慮到資金時間價值,所選年份距離參考年越近,權(quán)重越高;j′為歷史年距離參考年的年數(shù),例如參考年為2020年,則2017年對應(yīng)的j′=3。
根據(jù)配電網(wǎng)各指標的現(xiàn)狀值和理想值,計算配電網(wǎng)整體綜合評分。結(jié)合目標年的單位投資效果,可確定目標年配電網(wǎng)整體投資規(guī)模:
式中:V*為目標年配電網(wǎng)規(guī)劃總投資需求;S*為目標年綜合評分。
相同投資方向的項目可改善多項指標,而同一項指標也可由多個不同投資方向的項目來改善,因此需要將投資方向與評價指標相關(guān)聯(lián),投資方向與評價指標的映射見表1。
投資方向重要度的計算公式為:
式中:cl為第l類投資方向重要度;nl為第l類投資方向的關(guān)聯(lián)指標集合中的指標數(shù)量;ωl,h為第l類投資方向關(guān)聯(lián)指標集合中第h項指標權(quán)重。
根據(jù)歷史年各投資方向的改善效果,推算目標年各投資方向的投資額比例。第j年第l個投資方向的改善效果為:
式中:ej,l為第j年第l個投資方向的改善效果;sj,l,h為第j年第l個投資方向關(guān)聯(lián)指標集合中第h項指標的評分;ωj,l,h為第j年第l個投資方向關(guān)聯(lián)指標集合中第h項指標的權(quán)重。
每類投資方向的單位投資改善效果為:
式中:el為第l個投資方向的單位投資改善效果;vj,l為第j年第l個投資方向的總投資額。
結(jié)合投資方向重要度決定投資分配占比:
項目優(yōu)選的流程如圖3所示。項目優(yōu)選的目標函數(shù)為各個供電網(wǎng)格內(nèi)所選項目的得分值之和最大。約束條件分為資金約束和項目約束兩大類,資金約束為該供電網(wǎng)格的投資分配約束,項目約束分為單個項目約束條件和項目間約束條件。
圖3 項目優(yōu)選流程Fig.3 The project selection process
優(yōu)選模型目標函數(shù)為:
式中:Fk為供電網(wǎng)格k的項目優(yōu)選目標函數(shù);s(pk-l-m)為供電網(wǎng)格k第l類投資方向第m個規(guī)劃項目pk-l-m的綜合評分;L為投資方向數(shù)量;Ml為第l類投資方向規(guī)劃項目數(shù)量。
本文以供電網(wǎng)格為范圍開展項目優(yōu)選。以網(wǎng)格k為例,網(wǎng)格k第l個投資方向的投資額vk-l為:
供電網(wǎng)格k的總投資額vk為:
式中:Lk為供電網(wǎng)格k中投資方向的總數(shù)量。
4.3.1 單個項目約束條件
單個項目約束為:
式中:Pk為供電網(wǎng)格k所有項目方案的集合;v(pk-l-m)為項目pk-l-m的投資額。
4.3.2 項目間約束條件
若供電網(wǎng)格k中的項目a(pk-a)為強制性項目,則投資額約束為:
式中:v(pk-a)為項目pk-a的投資額。
若項目pk-a與pk-b為互斥關(guān)系,則投資額約束為:
若項目pk-a與pk-b為共生關(guān)系,則投資額約束為:
若pk-a與pk-b為從屬關(guān)系,則投資額約束為:
配電網(wǎng)項目建設(shè)過程中,需要購買設(shè)備,占用人力及施工設(shè)施。這些項目工程量、設(shè)施綜合單價、施工單價等數(shù)據(jù)都有相應(yīng)的造價規(guī)范文件為依據(jù),也有項目竣工驗收報告和項目決算文件為支撐。
根據(jù)獲得的優(yōu)選項目,從歷史完工項目庫中找出供電網(wǎng)格k中所有類似的完工項目,并將各項目量化為人、機、物及其對應(yīng)的工程量:
式中:Lline為所需建設(shè)的架空線路長度,Uline為架空線路單位長度綜合單價;Lcable為所需建設(shè)的電纜線路長度,Ucable為電纜線路單位長度綜合單價;Ntrans為所需增加的配電變壓器容量,Utrans為配電變壓器單位容量綜合單價;Nswitch為所需的開關(guān)臺數(shù),Uswitch為單臺開關(guān)綜合單價;Nconstruct為所需的某項施工工程量,Uconstruct為該項施工綜合單價;Nequip為所需的工器具數(shù)量,Uequip為該項工器具綜合單價;Nhuman為所需人力資源數(shù)量,Uhuman為人力資源單價;Nother為其他工程量,Uother為其他工程量綜合單價;vfix為固定費用。對于式(25)中不同完工年份的項目,其相同項的綜合單價需要考慮資金時間價值。
目標年各項目工程量的估算方法為:架空、電纜線路按長度估算;配電變壓器按戶均配電變壓器容量估算;施工工程量依據(jù)建設(shè)規(guī)模估算。
先匯總所有優(yōu)選項目的投資額,得到投資總額,再與式(12)的計算結(jié)果對比??紤]到項目優(yōu)選的約束條件,優(yōu)選后的項目投資額的匯總結(jié)果應(yīng)小于式(12)的計算結(jié)果。
按式(25)估算出目標年優(yōu)選項目的投資額后,按投資方向?qū)㈨椖客顿Y額分類匯總,得到不同方向的投資額比例;然后與依據(jù)式(16)計算的投資方向分配比例對比,若某些投資方向的投資額差別較大(例如投資占比相差超過10%),需分析影響較大的因素,找出問題所在。
解決方法是:以從完工項目庫中抽取出的歷史年實際數(shù)據(jù)為基準,先檢查項目的工程量有無漏項、綜合單價有無考慮資金時間價值,再根據(jù)近幾年經(jīng)濟走勢進一步校核折現(xiàn)率,重新計算。按不超過2%的步長調(diào)整式(5)中權(quán)重α、β、γ,再次按式(1)—(16)的順序計算調(diào)整計算后的投資總額、分配比例。由于數(shù)據(jù)來源為同源歷史數(shù)據(jù),一般迭代2~3次即可滿足要求。
校驗合格后,匯總優(yōu)選項目的投資額,可得到最終的配電網(wǎng)總投資額。按投資方向匯總,可得到最終的不同投資方向的投資額分配。將優(yōu)選項目按供電網(wǎng)格匯總,可得到各個供電網(wǎng)格的投資額。
以Z 省W 市Y 區(qū)配電網(wǎng)為例,開展2020年配電網(wǎng)投資決策分析。
1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀年(2018年)和目標年(2020年)的各指標值如表2所示,共含93個供電網(wǎng)格。表3為采用3種方法得到的權(quán)重系數(shù)和初始權(quán)重矯正系數(shù)。初始權(quán)重計算時,取α=0.333,β=0.333,γ=0.333。
表2 某地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀值與目標值Table 2 Current and target values of distribution networks in a region
表3 評價指標權(quán)重的確定Table 3 Determination of weights of evaluation indicators
2)投資方向重要度計算。各類投資方向重要度計算結(jié)果見表4。
表4 投資方向重要度與投額分配額Table 4 Importance of investment directions and investment allocation amounts
3)總投資及投資分配計算。根據(jù)2013—2017年數(shù)據(jù),計算各年配電網(wǎng)整體單位投資改善效果,見表5。
表5 歷史年整體單位投額改善效果Table 5 Overall unit investment improvement effect in historical years
目標年的單位投資配電網(wǎng)改善效果加權(quán)值為0.693 分/億元。根據(jù)式(12)計算出2020年的配電網(wǎng)規(guī)劃項目預計投資規(guī)模為43.89 億元;根據(jù)式(16)計算得到各投資方向的分配比例和投資限額,見表4。
4)供電網(wǎng)格項目優(yōu)選。W市Y 區(qū)2020年共上報609個中壓配電網(wǎng)項目,以供電網(wǎng)格A為例,各項目的綜合評分、排名及優(yōu)選結(jié)果如表6所示。得到整個區(qū)域優(yōu)選結(jié)果后形成W市Y區(qū)2020年的優(yōu)選項目庫,共包括511個項目,項目實際投資規(guī)模為38.7億元。
表6 供電網(wǎng)格A項目綜合評分Table 6 Comprehensive scores of items of power supply grid A
5)供電網(wǎng)格投資計算。以供電網(wǎng)格A—K 這10 個網(wǎng)格為例,計算得到7 個投資方向的投資分配額,見表7。
6)投資校驗。架空線路單位長度綜合造價取60 萬元/km;智能終端和相應(yīng)通信設(shè)備的綜合造價取11 萬元/套;電纜線路單位長度綜合造價取120 萬元/km;配電變壓器單位容量綜合造價取0.038萬元/kVA;固定費用取1萬元。
得到網(wǎng)格A—K 的投資額計算結(jié)果見表8。為進行對比,同時列出另兩種常規(guī)投資分配方法(方法1 和方法2)的計算結(jié)果??梢钥闯?,本文所提經(jīng)過校驗的分配算法得到的結(jié)果誤差更小,且能對總投資額進行比較準確的估計。
表8 網(wǎng)格A—K 2020年計算投資額Table 8 Calculated investment amounts of grid A to grid K in 2020
本文提出了一種配電網(wǎng)投資額全流程估算分配及閉環(huán)校驗方法。在配電網(wǎng)規(guī)劃投資總體規(guī)模和各個投資方向的分配限額確定的基礎(chǔ)上構(gòu)建了項目優(yōu)選模型,以供電網(wǎng)格為限實現(xiàn)了考慮項目間關(guān)聯(lián)關(guān)系的項目優(yōu)選,充分利用供電網(wǎng)格間的空間獨立性,避免了項目不能合理覆蓋所研究配電網(wǎng)區(qū)域的問題。另一方面,以進入優(yōu)選項目庫的項目為參照,利用完工數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù),通過對相似工作量和綜合單價數(shù)據(jù)的評估,實現(xiàn)了目標年優(yōu)選項目投資額的估算。最后,對不同投資方向配額進行了校驗,且準確估算出投資總額。
本文所提方法流程清晰,能夠應(yīng)用于電網(wǎng)公司配電網(wǎng)投資管理工作中,可為配電網(wǎng)投資的合理估算提供決策參考。