付天一，張寓涵

（1. 河海大學 能源與電氣學院，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)《關于加快建設全國統(tǒng)一電力市場體系的指導意見》［1］，指出要穩(wěn)步推進?。▍^(qū)、市）區(qū)域電力市場建設，建立多元市場主體參與跨省跨區(qū)交易的機制，鼓勵支持發(fā)電企業(yè)與售電公司、用戶等開展直接交易?！兑庖姟诽岢觯嵘缡】鐓^(qū)輸電價格機制靈活性，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用。

在統(tǒng)一大市場政策激勵下，全國市場、區(qū)域市場不斷融合發(fā)展，市場機制逐步完善，將會有更多市場主體通過跨區(qū)交直流通道、區(qū)域輸電網絡開展跨省區(qū)電力市場化交易［2—6］。跨省區(qū)交易與省內交易的主要區(qū)別之一就是該類交易需收取跨省區(qū)輸電費用。作為市場主體購電成本的一部分，跨省區(qū)輸電費用的收取與分配是否公平、合理，也影響著區(qū)域電力市場的資源優(yōu)化效率和市場積極性。

跨省區(qū)輸電價格機制一般包括價格水平核定和輸電費用收取及分配兩個方面。價格水平核定方面，文獻［7］調研了澳大利亞過網費定價及收費方法。文獻［8］針對我國跨區(qū)跨省輸電資產產權歸屬主體不同的客觀情況，提出統(tǒng)一將輸電網絡功能進行分類，對于不同類型功能進行定價收費的方法。國家于2020年、2021年陸續(xù)出臺了跨省跨區(qū)專項工程輸電價格、區(qū)域電網輸電價格及省級電網輸配電價定價辦法［9—11］，以便科學、合理地核定各輸電環(huán)節(jié)價格水平。跨省跨區(qū)專項工程的主要作用是電能輸送、互濟與保供，準許收入按照單一電能電費方式回收；區(qū)域電網共用輸電網絡的主要作用是電能輸送和安全可靠服務，準許收入按照電能電費和容量電費兩種方式回收；省級電網的主要作用是為用戶提供輸配電服務，準許收入通過分電壓等級、分用戶類別輸配電價進行回收。上述各輸電環(huán)節(jié)價格，在一定時期均是固定的。

輸電費用收取及分配方面，常用方法有郵票法、兆瓦-公里法、潮流追蹤法，相關學者在此基礎上進行了深化應用。文獻［12］提出基于電氣源流分析，對用戶無差別地收取跨省區(qū)輸電費，而不單獨對省間交易電量收費。文獻［13］利用改進的Z總線理論和博弈論均分原則，確定用戶對支路潮流的貢獻，提出了有效貢獻的概念。文獻［14］建議南方區(qū)域用兩部制電價取代單一制電價，增加基于用戶輸電網使用程度的容量收入分配，引導電網企業(yè)投資。文獻［15］提出3種輸配電服務成本分攤定價方法，分析結果表明在輸電環(huán)節(jié)采用潮流追蹤法最大限度區(qū)分省內∕外網絡用戶對輸電網的使用程度，在配電環(huán)節(jié)采用分電壓等級郵票法的方式，更能兼顧能源送出省負荷密度低、負荷需求小的特點。目前實際執(zhí)行的政策是，按相關區(qū)域電網跨省中長期交易規(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)費用包括:送出省外送輸電費用（含網損）、區(qū)域電網跨省交易輸電費用（含網損）、跨省跨區(qū)專項工程輸電費用（含網損）以及所在省的省級電網輸配電費等費用。在實際交易結算環(huán)節(jié)，電網企業(yè)按照應收取輸電費的實際交易執(zhí)行電量乘以各輸電環(huán)節(jié)輸電價格計算需收取的跨省區(qū)輸電費用。在購電方繳納上述費用后，電網企業(yè)對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電網企業(yè)；區(qū)域電網跨省交易輸電收入、跨省跨區(qū)專項工程輸電收入將分配給運營相應區(qū)域電網或專項工程的電網企業(yè)；省內電網輸配電費將分配給購電方所在省省級電網企業(yè)。

然而，在實際送電過程中，交易電量除了發(fā)用側的省內電網及省間聯(lián)絡線外，還穿越了送受端間的其它省級交流輸電網。跨省區(qū)交易輸配電環(huán)節(jié)費用僅由送受省及區(qū)域電網運營方收取，穿越中間省級輸電網產生的網絡損耗未有效補償給被穿越省的用戶，不能靈敏地反映不同用戶對電網的使用情況和不同交易輸配電成本在不同電網中的合理分攤，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應的送出省、區(qū)域電網及購入省總輸配電費是固定的，但是在送端、受端及被穿越方省級電網企業(yè)之間如何更有效的分配（或分享）還需要進一步研究。

考慮到我國核價及收費政策在一定時期內變化的可能性不大，上述文獻方法雖然可以提升市場各方參與區(qū)域市場交易的積極性，但與現(xiàn)有價格體系差異較大，實施起來較為困難，需要選取與目前政策相適應的輸電收入分配方式。基于上述考慮，本文提出了一種區(qū)域電力市場跨省區(qū)交易中，保持跨省區(qū)輸電定價機制、收取輸電費用總額不變的情況下的多運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，以促進統(tǒng)一電力市場的進一步形成。

1 多運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)化的多運營主體輸電收入分配方法中，“多運營主體”主要指區(qū)域電力市場交易電量輸送過程中涉及的多個運營省級輸電網的電網企業(yè)。本文采用合同路徑優(yōu)化的方法，以網損最小為目標找到合同電量優(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)域的輸配電費用分攤比例。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，由于考慮了實際網架的約束，須以某種方式將合同電量分解到時段，以功率作為標的物。隨著全國省級現(xiàn)貨市場建設加快推進，絕大多數(shù)省份中長期交易合同均實現(xiàn)帶分時電力曲線簽約，合同電量全部分解至交易周期內的各個時段。通過匯總相應節(jié)點下市場主體不同周期、類型交易合同分解至時段的電力，可得到相應節(jié)點該時段的凈合約電力，進而開展交易合同輸電路徑優(yōu)化計算。交易合同輸電路徑優(yōu)化模型具備普適性，既適用于全時段、全網架精確計算，又可以對典型時段、典型網架進行簡化計算，并獲得不同精度的交易合同路徑優(yōu)化結果。

2 交易合同輸電路徑優(yōu)化模型

在經濟性方面，省間交易合同的優(yōu)化目標為多運營主體聯(lián)合運營的整體輸電網的輸電損耗最小，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 目標函數(shù)

基于合同路徑優(yōu)化的輸配電分攤模型的目標函數(shù)為參與跨區(qū)交易的合同電量所通過的線路總網損最小。本文研究對象主要針對合同電量，重點在于對中長期合同中要求履行的有功合同電量在電網中應承擔的運輸成本進行估算，指導合同簽署時不同區(qū)域的輸配電分攤比例，由于合同并未對無功電量提出需求，故模型中并未考慮系統(tǒng)無功。目標函數(shù)表示如下

式中:P為線路l注入相應節(jié)點的功率；為線路l上流過的總合同功率；Ul為線路l的電壓等級（標幺值為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)點注入功率平衡約束

每個節(jié)點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i是購電節(jié)點，則它的注入功率不小于該節(jié)點所購的合同電量，如式（3）所示；如果節(jié)點i是售電節(jié)點，則該節(jié)點所有合同的總量不大于該節(jié)點售電方的最大發(fā)電能力，如式（4）所示；如果節(jié)點i是其它節(jié)點，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；i為節(jié)點編號；P為合同m在節(jié)點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上的進線功率；為合同m的合同電量；為合同m經過以節(jié)點i為末端節(jié)點的線路l的輸出功率之和；為合同m經過以節(jié)點i為首端節(jié)點的線路l的注入功率之和；P為節(jié)點i機組的最大出力。

2.2.2 網損約束

電量傳輸分配的過程中會出現(xiàn)能量損失，導致線路的進線功率與出線功率不相等，因此網損約束為

將約束線性化便于求解，可將P的平方項進行分段線性化處理，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；S為線性化段數(shù)。

2.2.3 線路傳輸功率約束

當進行時段內所有合同的統(tǒng)一優(yōu)化時，線路潮流應該滿足

式中:P為線路l的最大傳輸功率。

3 輸電收入分配比例計算

按照上述優(yōu)化模型進行優(yōu)化后，可以得到M個L維向量，每個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-公里法對輸配電費的分配比例k進行計算。

每筆合同輸電收入在多運營主體之間的分配比例，為該合同對應的所有合同路徑歷經不同運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)域流動主要在輸電網絡上，因此主要計算輸電收入的分配，不包含購電省配電網絡對應收入的分配。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的輸電線路權重，可以依據(jù)各省輸電網絡建設成本不同進行賦權。

4 算例分析

應用IEEE-30 節(jié)點系統(tǒng)網絡拓撲圖，對上述的基于合同路徑優(yōu)化的輸配電費分攤模型進行驗證。

4.1 IEEE30系統(tǒng)算例

IEEE-30 節(jié)點系統(tǒng)包含30 個節(jié)點、41 條支路、6個發(fā)電機以及24個負荷。將整個系統(tǒng)分為3個輸電區(qū)域，其經營區(qū)輸電網絡分別對應區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的線路和變電資產（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1、2、5、8為售電節(jié)點，區(qū)域2的節(jié)點17和23為購電節(jié)點，區(qū)域3的節(jié)點26為購電節(jié)點。

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

本算例設置了相應售電節(jié)點、購電節(jié)點之間的9個電力交易合同，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)化結果

通過交易合同輸電路徑優(yōu)化模型得到每個合同在每條支路上的電量分布，結合線路之間的連通關系，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，其對應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)線路網損，售電節(jié)點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，除了經過區(qū)域1、2，還穿越了區(qū)域3。表2 結果證明了優(yōu)化結果會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致總網損增加。

合同7 雖然是區(qū)域1 的售電節(jié)點與區(qū)域2 的購電節(jié)點進行交易，但由于網架結構限制，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，僅對購售區(qū)域內的輸電網進行補償，那么區(qū)域3 的輸電損耗將計入該區(qū)域用戶的輸配電價，導致輸配電收入的不公平分配。計算結果證明該方法考慮了實際網架結構，保證了各區(qū)域按照線路貢獻程度收取輸配電費用。

4.3 輸電收入分配結果對比

按照引言中提到的多運營主體對于固定輸電收入的分配方法，交易合同的發(fā)電節(jié)點所在區(qū)域視為送電區(qū)域（主要為區(qū)域1），區(qū)域1運營主體收取外送輸電費用。參考國家最新核價周期省級電網輸電價格水平，交易合同的購電節(jié)點所在區(qū)域視為購電區(qū)域（主要為區(qū)域2、3），購電區(qū)域運營主體收取省內輸電費。在本算例中，區(qū)域1 的省級電網送電輸電價按照0.03 元∕kWh 設置，區(qū)域2 輸電價格（輸電網輸配電價）按照0.06 元∕kWh 設置，區(qū)域3 輸電價格按照0.05 元∕kWh 設置?？梢杂嬎愕玫浆F(xiàn)有的固定輸電收入分配結果。

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

再采用本文模型對相關輸電收入進行計算分配，不考慮不同省級運營主體的線路建設差異，單純按照交易合同對于輸電網絡的使用情況確定輸電收入的分配，因此區(qū)域1、2、3 的輸電線路權重fl,r1、fl,r2、fl,r3均設為1。

對現(xiàn)有的固定輸電收入分配結果和本模型采用的輸電收入分配結果進行對比分析，如表3所示。

表3 不同交易合同輸電收入分配結果對比Table 3 Comparison of transmission income distribution between two methods

由表3 可知，按照固定電價進行輸電收入的分配，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)化的輸電網絡使用程度來計算，區(qū)域1 的分配比例大于區(qū)域2、3 的分配比例、，與實際情況更加相符。

綜合上述所有交易合同，對3 個區(qū)域的整體輸電收入分攤結果進行對比，如圖4所示。

圖4 多運營主體總輸電收入分配結果對比Fig.4 Comparison of total transmission income results of multiple operators

圖4結果表明，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)化結果分配的輸電收入更符合網架線路的利用情況。由于區(qū)域1電網中電源比例較高，輸電網絡線路中外送合同電力占比高，相應的分配比例應該更高，采用本文所述模型的計算結果更為合理。通過本文方法分配輸電收入后，對跨省區(qū)交易輸電有較多通道貢獻的運營主體將因此獲得更多收入，有助于鼓勵運營主體加強主網及區(qū)域聯(lián)網網架投資，有利于減少跨省區(qū)交易通道阻塞，擴大跨省區(qū)交易規(guī)模。

5 結束語

本文所提出的區(qū)域電力市場下的多運營主體輸電收入分配方法，在不改變現(xiàn)有輸配電價核價和收費機制的基礎上，實現(xiàn)了跨區(qū)域交易輸電收入以網損最小為目標，優(yōu)化出的輸電路徑按線路利用程度進行分配，確保多運營主體按照線路貢獻程度收取應得的輸電費用。通過輸電收入的合理分配，可以減少跨省區(qū)通道阻塞，擴大區(qū)域市場交易規(guī)模。本文提出的方法適用于區(qū)域內的多運營主體的輸電收入分配，也適用于省域內的地方電網輸電收入分配，有利于輸電收益在統(tǒng)一市場中的公平分配，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。本文方法更能適應跨省跨區(qū)電力直接交易大規(guī)模放開的趨勢，有效引導市場主體合理利用輸電網，助力輸電網進行有效投資。D