郭 莉，付立思

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866）

中國(guó)電力系統(tǒng)主要以集中供電，統(tǒng)一輸配電的模式來(lái)組建電網(wǎng)。然而，隨著能源供應(yīng)緊張，導(dǎo)致環(huán)境保護(hù)問(wèn)題突顯、節(jié)能減排壓力增大以及電力缺口擴(kuò)大。分布式發(fā)電（distributed generation，DG）以其降低線損、節(jié)能減排、環(huán)保低碳、投資成本少、占地面積小以及減少發(fā)電容量等多方面的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，促使中國(guó)電網(wǎng)從大容量發(fā)電、遠(yuǎn)距離送電、終端配電的大電網(wǎng)互聯(lián)模式向區(qū)域內(nèi)自平衡的分布式、就地平衡、低網(wǎng)損模式發(fā)展［1］。傳統(tǒng)發(fā)電方式和分布式發(fā)電方式相結(jié)合，用戶(hù)自主地選擇從電網(wǎng)買(mǎi)電或者自行發(fā)電，是打破行業(yè)壟斷與合理引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的積極表現(xiàn)。

中國(guó)電網(wǎng)分為3 個(gè)等級(jí)：高壓網(wǎng)絡(luò)（U≥220 kV）、中壓網(wǎng)絡(luò)（110kV 和35kV）、低壓配電網(wǎng)絡(luò)（U≤10kV）。三者的損耗比為1.5∶1.1∶2.5，低壓配電網(wǎng)絡(luò)損耗占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)損耗將近50%［2］。因此，研究10kV及以下的配電網(wǎng)絡(luò)更有實(shí)際意義。文獻(xiàn)［3］的線損效益模型很經(jīng)典，但是文章中未對(duì)網(wǎng)損增加量進(jìn)行衡量分析；文獻(xiàn)［4］從DG 對(duì)網(wǎng)損的影響程度出發(fā)，引入網(wǎng)損影響因子概念模型；文獻(xiàn)［5］提出燃煤發(fā)電的環(huán)境成本計(jì)算方法，但隨著時(shí)代的發(fā)展應(yīng)計(jì)及脫硫、脫硝設(shè)備的成本；文獻(xiàn)［6］計(jì)及了斷電情況下電網(wǎng)企業(yè)需要賠付的費(fèi)用成本；文獻(xiàn)［7］考慮盈虧平衡價(jià)格的DG接入減少的成本以及延緩?fù)顿Y；文獻(xiàn)［8］介紹了延緩長(zhǎng)期配電網(wǎng)投資更新效益的評(píng)估方法；文獻(xiàn)［9］沒(méi)有計(jì)入環(huán)境收益，過(guò)于追求經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)。

以上文獻(xiàn)的研究均沒(méi)有通用的或者是完善的方法來(lái)衡量分布式發(fā)電的整體社會(huì)價(jià)值，本文是考慮線損效益時(shí)計(jì)及線損貢獻(xiàn)度平衡成本收益，并且計(jì)及環(huán)境價(jià)值的整體綜合收益，不僅考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法。計(jì)算時(shí)作出一些簡(jiǎn)化問(wèn)題的假設(shè)，即潛在直接電網(wǎng)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值（不僅是溫室氣體排放還有區(qū)域空氣污染）僅僅考慮邊際的成本與收益。本文以冀西北地區(qū)電力系統(tǒng)引入DG 為例，對(duì)電力企業(yè)的社會(huì)成本效益分析，提出相應(yīng)評(píng)估模型。

1 電網(wǎng)企業(yè)的社會(huì)成本效益分析

當(dāng)有分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)企業(yè)原本的成本收益組成發(fā)生改變，統(tǒng)稱(chēng)為電網(wǎng)企業(yè)的綜合成本效益。本文主要分析潛在直接電網(wǎng)價(jià)值和間接環(huán)境價(jià)值。潛在直接電網(wǎng)價(jià)值分為減少線路損耗、降低購(gòu)買(mǎi)電價(jià)、售電利潤(rùn)損失、延緩電網(wǎng)的擴(kuò)容投資；間接環(huán)境價(jià)值包括避免溫室氣體和污染物的排放。

1）線路損耗 因?yàn)閭鹘y(tǒng)集中式供電的遠(yuǎn)距離輸電造成大量線路損耗，而DG 離負(fù)荷區(qū)域較近，縮短傳輸路徑，進(jìn)而影響系統(tǒng)網(wǎng)損量［9－10］。但應(yīng)注意，當(dāng)網(wǎng)損出現(xiàn)不降反增的時(shí)候，需要引入網(wǎng)損影響因子［11］，將成本增量分?jǐn)偟矫總€(gè)DG 上，以轉(zhuǎn)嫁風(fēng)險(xiǎn)。只有降低損耗才能降低電網(wǎng)企業(yè)的購(gòu)電成本。

2）購(gòu)電價(jià)格 電網(wǎng)企業(yè)從DG 購(gòu)電，因?yàn)檎叩某珜?dǎo)和補(bǔ)貼，在價(jià)格上優(yōu)于傳統(tǒng)電廠批發(fā)價(jià)格。

3）售電損失 DG 除了自身電力供應(yīng)外還并網(wǎng)向電網(wǎng)賣(mài)電，電網(wǎng)企業(yè)的售電損失是與用戶(hù)自身用電量有關(guān)［12］。

4）延緩電網(wǎng)的擴(kuò)容投資 隨著用戶(hù)用電量的急劇增加，DG 接入避免了大型擴(kuò)容設(shè)備的投資，且安裝運(yùn)行上減少了包括受時(shí)間因素影響較大的電力負(fù)荷預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)、燃料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)、無(wú)形資產(chǎn)貶值險(xiǎn)風(fēng)等［3］。

5）間接環(huán)境價(jià)值 傳統(tǒng)發(fā)電方大量燃煤需繳納治污費(fèi)以及罰款，使得發(fā)電成本增加［13－14］，從DG 購(gòu)電節(jié)省了這部分成本，以一定比例分?jǐn)偝艘源顺杀咀鳛殡娋W(wǎng)企業(yè)的良好社會(huì)環(huán)境效益，稱(chēng)為優(yōu)勢(shì)環(huán)境收益。需要注意的是要區(qū)分以小時(shí)為單位的計(jì)算量（網(wǎng)損、低價(jià)電、間接環(huán)境收益）與以年為單位的計(jì)算量（延緩電網(wǎng)的擴(kuò)容投資和售電損失［15］）。

2 電網(wǎng)企業(yè)的社會(huì)成本效益評(píng)估模型

2.1 線路損耗效益模型

線路損耗效益主要與降損量和電力批發(fā)價(jià)格成正相關(guān)性。線路損耗的典型計(jì)算方法為無(wú)DG 情況下與接入DG 后的線路損耗之差，可正可負(fù)。假設(shè)上級(jí)電源和負(fù)荷之間配網(wǎng)為典型放射狀鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)，配電系統(tǒng)采用星型三相接線［3］。DG 接入前后的配電網(wǎng)簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 DG 接入前后的配電網(wǎng)簡(jiǎn)化圖Fig.1 A distribution network with and without DG

如圖1a）所示的配電網(wǎng)單回路簡(jiǎn)化電路圖，設(shè)負(fù)荷端和上級(jí)電源端之間距離為L(zhǎng)km，線路單位長(zhǎng)度電阻為r0，Ω／km，負(fù)荷端相電壓為Up，流入負(fù)荷端的相電流為IL，系統(tǒng)線路損耗為Ploss0，且吸收的復(fù)功率為SL＝PL＋jQL。

1）無(wú)DG 接入配電網(wǎng)的情況

無(wú)DG 接入配電網(wǎng)時(shí)，公式表示為

2）有DG 接入配電網(wǎng)的情況

若在距離上級(jí)電源Kkm 處接入1臺(tái)DG，如圖1b）所示，注入系統(tǒng)的單相電流為IDG，DG 注入系統(tǒng)的功率為SDG＝PDG＋jQDG，上級(jí)電源與DG 接入點(diǎn)間距離為K，流經(jīng)此段的單相電流為IK＝IL－IDG。由于DG 的接入，線路損耗發(fā)生改變，具體分為2段來(lái)分析：一個(gè)是K段上的損耗，另一個(gè)是（L－K）段的損耗。K段上的電能損耗，記為PlossDG1。

（L－K）段上的電能損耗，記為PlossDG2：

所以，DG 接入后的總線路損耗，記為PlossDG：

3）接入DG 前后的線損變化量

4）線損貢獻(xiàn)度

若式（7）結(jié)果為正，DG 達(dá)到降損目的；反之存在線損增加的情況。計(jì)算線損收益前先判斷造成的線損是增加還是減少，如果增加，則乘以批發(fā)電價(jià)記為成本分?jǐn)偟矫總€(gè)DG 上取平均值；如果減少，乘以批發(fā)電價(jià)記為收益。所以應(yīng)該先引入一種網(wǎng)損影響因子——線損貢獻(xiàn)度，用來(lái)衡量DG 接入前后對(duì)全網(wǎng)有功損耗的影響程度，即DG 并網(wǎng)引起的全網(wǎng)線損變化量與并網(wǎng)前全網(wǎng)線損量之比［4］。

單個(gè)DG 并網(wǎng)的線損貢獻(xiàn)度為

式 中：CLi為 第i座DG 并 網(wǎng) 對(duì) 配 網(wǎng) 的 線 損 貢 獻(xiàn)度，%；ΔPi1為第i座DG 并網(wǎng)時(shí)全網(wǎng)的有功損耗，kW；ΔPi0為 第i座DG 停 運(yùn) 時(shí) 全 網(wǎng) 的 有 功 損耗，kW。

所有DG 并網(wǎng)的線損貢獻(xiàn)度為

式中：CL∑為配電線路中所有DG 并網(wǎng)對(duì)全網(wǎng)的線損貢獻(xiàn)度，%；ΔP∑1為所有DG 并網(wǎng)時(shí)全網(wǎng)的有功損耗，kW；ΔP∑0為所有DG 停運(yùn)時(shí)全網(wǎng)的有功損耗，kW。

若式（9）結(jié)果為正，表明DG 的接入使得整個(gè)系統(tǒng)的線損量增加，且數(shù)值越大增量越多，每個(gè)DG 分?jǐn)偟钠骄翟酱?；反之，達(dá)到降損目的且可知降損的能力。

所以，由式（7）和式（9）可得：

5）線損收益模型

以小時(shí)為計(jì)算單位，取i為單位變量，負(fù)荷所需功率表示為Pi，電網(wǎng)企業(yè)需購(gòu)買(mǎi)的總量為Pi＋Plossi。DG 并網(wǎng)前后的線損分別為Ploss0i，PlossDGi，從傳統(tǒng)發(fā)電方所買(mǎi)電力批發(fā)價(jià)格為A1，而從DG 購(gòu)電的價(jià)格為A2。Pi與兩者價(jià)差的乘積部分計(jì)入低價(jià)電部分［16］，此處暫不考慮，可得線損引起的開(kāi)支變化量為R1i＝Ploss0iA1－PlossDGiA2。所以第t年線損的開(kāi)支變化R1t為

2.2 購(gòu)買(mǎi)低價(jià)電收益模型

DG 并網(wǎng)購(gòu)電收益主要是在高峰期時(shí)避免高價(jià)購(gòu)電成本，其大小主要與負(fù)荷側(cè)需求大小、兩者購(gòu)電價(jià)差和售電量相關(guān)［6］。同上，取i為單位變量，負(fù)荷所需功率表示為Pi，從傳統(tǒng)發(fā)電方所買(mǎi)峰值電力批發(fā)價(jià)格為A1，而且保守估計(jì)峰期的用電量在50%以上（以50% 為例），而從DG 購(gòu)電的價(jià)格為A2，DG 有功功率為PDGi?？傻觅?gòu)電收益為R2i＝PDGi·（A1－A2）×50%。第t年整體購(gòu)電收益R2t為

2.3 售電損失模型

售電損失程度與電價(jià)的零售利潤(rùn)與用戶(hù)自滿(mǎn)足電量相關(guān)，DG 并網(wǎng)引起了售電收益減少，是兩者的乘積。設(shè)用戶(hù)年用電量為Q，電網(wǎng)平均零售電價(jià)為A0，平均售電成本為A3，傳統(tǒng)發(fā)電方式時(shí)，用戶(hù)帶給電網(wǎng)企業(yè)的收益為Q×（A0－A3），接入DG 后假設(shè)完全自用，則電網(wǎng)企業(yè)損失的收益［4］為

2.4 延緩電網(wǎng)擴(kuò)容投資收益模型

由文獻(xiàn)［8］可知，若每年自然負(fù)荷增長(zhǎng)造成的超載概率為0.5%，假設(shè)每年1.5% 的負(fù)荷增長(zhǎng)，饋線中接入滲透率為30% 的風(fēng)力發(fā)電將導(dǎo)致推遲5年投資。這種因推遲建設(shè)投資而獲得的時(shí)間價(jià)值即為收益，它是DG 總裝機(jī)量和電網(wǎng)建設(shè)的資金成本的乘積。DG 在整個(gè)壽命周期N內(nèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)f產(chǎn)生的延緩擴(kuò)容投資收益為

式中：Cf為無(wú)DG 接入時(shí)配網(wǎng)單位裝機(jī)的年更新成本；d為電網(wǎng)企業(yè)的加權(quán)平均資金成本，為6%；n為延緩節(jié)點(diǎn)f的更新投資時(shí)間［9］（n＜N）。

2.5 間接環(huán)境收益模型

傳統(tǒng)發(fā)電方因大量燃煤需繳納治污費(fèi)以及罰款［5］，為了等值補(bǔ)償污染物造成的環(huán)境破壞的外部經(jīng)濟(jì)損失使得發(fā)電成本增加。如果電網(wǎng)企業(yè)從DG購(gòu)電，節(jié)省了這部分成本，以一定比例分?jǐn)偝艘源顺杀咀鳛殡娋W(wǎng)企業(yè)的良好社會(huì)環(huán)境效益稱(chēng)為優(yōu)勢(shì)間接環(huán)境收益。比例選取為30%，完成成本到收益的轉(zhuǎn)變。污染排放表見(jiàn)表1。

表1 燃煤發(fā)電的污染物排放表Tab.1 Coal fired power generation emissions table

計(jì)算公式如式（15）所示，m為污染物種類(lèi)；Vej為第j項(xiàng)污染物的環(huán)境價(jià)值，元／kg；Qj表示第j項(xiàng)污染物的排放量，kg；Vj為排放第j項(xiàng)污染物所受的罰款，元／kg。平均1kW·h電耗煤300g。Q為年用電量。

2.6 整體社會(huì)成本效益模型

綜合上述模型，電網(wǎng)企業(yè)的整體社會(huì)成本效益Rt可表示為5者的加和，以求取其最大值作為目標(biāo)。在整個(gè)生命周期T內(nèi)第t年的公式表示為

式中：R4／T是第t年均攤的延緩擴(kuò)容投資收益。假設(shè)這個(gè)生命周期T內(nèi)年社會(huì)成本效益相同，若年利率為r，n為推遲投資的時(shí)間，是年金等值系數(shù)，表示一次支付現(xiàn)值系數(shù)。將效益折算為DG正式運(yùn)營(yíng)第1年的凈現(xiàn)值（不計(jì)6%的通脹率）。

約束條件中除技術(shù)性約束，還有經(jīng)濟(jì)性約束。以DG 能夠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，自身愿意向電網(wǎng)售電作為主要經(jīng)濟(jì)約束條件［7］。第t年DG收益是用戶(hù)年用電量Qt與電網(wǎng)平均零售電價(jià)A0的乘積，與向電網(wǎng)售電所得收 益之和。同樣假設(shè)DG年收益相同，其運(yùn)行凈現(xiàn)值為

式中ADGinverst是T年末分?jǐn)偟墓潭ㄙY產(chǎn)投入總和。

3 算例分析

以張家口地區(qū)配電系統(tǒng)為例，系統(tǒng)電壓為12.66kV，饋線負(fù)荷端有功與無(wú)功功率分別為40～60 MW 和23～52 Mvar，燃煤電廠與等效集中負(fù)荷端間距離為30km，饋線的單位長(zhǎng)度電阻為1.98 Ω／km［17］，一風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在距集中負(fù)荷端14km處接入系統(tǒng)，輸入的最大有功和無(wú)功功率分別為4 MW和4Mvar，4 MVA 的DG 可延緩4×106元的輸配電建設(shè)投資5年［4］。上網(wǎng)電價(jià)一般指的是平段電價(jià)，而實(shí)際是分峰、平、谷3種的時(shí)段電價(jià)（或4種：尖、峰、平、谷）。高峰時(shí)段電力價(jià)格為平段再加60%，而且保守估計(jì)峰期的用電量在50%以上，以50%為例。且隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工人工資福利的不斷增加，分?jǐn)偟缴暇W(wǎng)電價(jià)的人工費(fèi)用增多，所以根據(jù)最新核算方法得工業(yè)用電含稅上網(wǎng)電價(jià)為0.596元／（kW·h）［18］。風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)為0.54元／（kW·h）。為排除DG 出力過(guò)低造成電網(wǎng)企業(yè)的虧損，選取DG 出力占自身裝機(jī)總?cè)萘?5%以上計(jì)算［19］，且DG 總出力全部出售。按季節(jié)將整年分為春秋、夏、冬3個(gè)階段來(lái)研究，分別繪制出典型工作日以及節(jié)假日的負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 6個(gè)典型日的負(fù)荷曲線Fig.2 Load curve of six typical days in network

可知，日最大負(fù)荷分別為43.1，40.8，59.2，58.4，50.4，53.6 MW?？芍伺潆?、電網(wǎng)功率因數(shù)為0.76，折現(xiàn)率r＝12.5%，生命周期T＝20。當(dāng)t＝12h時(shí)，DG 以最大功率輸入，夏季典型工作日時(shí)線損從749.25 MW 減少55.77 MW 變?yōu)?93.48 MW，以6種典型日為參考計(jì)算各部分收益如表2所示。

表2 各季典型工作日電網(wǎng)企業(yè)各部分收益Tab.2 Profits of each part of power grid enterprises in typical work day in four seasons

由表2可計(jì)算全年平均的整體社會(huì)成本收益。全年中251d工作日，114d節(jié)假日，按四季比例分配可估算出全年平均收益。在保證DG 的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下，計(jì)算可知電網(wǎng)企業(yè)年平均最高收益可達(dá)6.31×106元。即系統(tǒng)中接入DG，提高了電網(wǎng)企業(yè)的整體社會(huì)效益，減少了系統(tǒng)線損，直接或間接起到削峰作用，延緩了電網(wǎng)投資并且改善環(huán)境污染問(wèn)題，減少環(huán)境支出。

4 結(jié) 論

本文提出了電網(wǎng)企業(yè)的的社會(huì)成本效益評(píng)估模型，在考慮DG 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的約束條件下，將這個(gè)收益部分加以量化，將線損的增加計(jì)入成本，減少計(jì)入收益；并且對(duì)間接造成的環(huán)境收益建立模型。由算例分析可知，電網(wǎng)企業(yè)整體社會(huì)收益增加，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)接入并帶來(lái)利潤(rùn)。即結(jié)果一定程度上證明了模型的合理性，為電網(wǎng)企業(yè)決策提供數(shù)據(jù)支持與依據(jù)。建議電網(wǎng)企業(yè)在夏季以及冬季節(jié)假日時(shí)期使DG 出力增加，在春秋時(shí)減小DG 出力來(lái)降低成本；且由線損變化量可知，DG 有功應(yīng)保持在負(fù)荷需求有功的一半以下?？茖W(xué)評(píng)估社會(huì)成本效益有便于各部門(mén)更好地制定獎(jiǎng)懲機(jī)制，促進(jìn)DG 技術(shù)在中國(guó)配網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用與推廣。

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