含分布式電源的配電網固定成本分攤

黃慶云

（廣東天聯電力設計有限公司，廣東廣州 510600）

1 背景

近些年來，分布式發電技術因初期投資低、發電方式靈活等特點在全球愈發受到重視，在國內也發展十分迅速，如廣州大學城、佛山禪城均建設了光伏電站，風電、生物質電廠已得到廣泛建設，家庭用的分布式電站也已有并網運行。分布式發電技術給電力系統的運行和控制帶來了變化和挑戰，它可滿足系統和用戶的某些特定要求，還能提供給傳統電力系統更優異的可靠性和經濟性[1-2]，因此，研究分布式發電技術具有十分重要的理論意義和重大的實用價值。

輸電網及提供的電力服務由于具有一些特殊性，使得解決其固定成本分攤問題非常困難。面對如何科學、公平、合理地分攤固定成本，目前學界已提出了多種分攤方法，其中一些方法如郵票法、平均分攤法、MW-km(兆瓦-公里)法、合同路徑法已得到應用，但仍沒有一種被普遍認同。節點多、網絡結構復雜的特點給配電網固定成本分攤帶來很多困難，導致對配電網的固定成本分攤方法研究非常少。尤其是在配電網引入分布式電源后，如何將成本分攤給配網用戶或電源成為問題的關鍵。本文借鑒輸電網固定成本分攤方法，對常用的平均分攤法作了改進，并考慮了引入分布式電源后配電網固定成本的分攤問題，力圖使配電網固定成本分攤能夠更公平、合理。

2 固定成本分攤方法的提出

目前，固定成本分攤的常見方法較多。如郵票法，根據用戶使用功率的大小來分攤電網的固定成本，忽略電網實際運行條件，可能導致錯誤的經濟信號。合同路徑法同樣也忽略了電網實際運行情況。在MW-km法中，用戶對輸電設備的利用程度被表示為傳輸距離及交易所引起功率變化的乘積。輸電設備由于主要用于輸送有功，因此輸電網固定成本只分給有功。事實上，雖然無功的邊際價格較有功要低很多，但無功的短期邊際價格與有功幾乎相當[3]。不考慮無功所引起的誤差會隨交易的增大跟著增大。上述幾種方法的共同特點是不考慮輸電網絡中每條支路上的實際潮流和各用戶對它的影響，而是采用簡化方法來近似確定各個用戶對電網的利用程度，且不對無功功率分攤。這些方法均較簡單，易實現。由于沒考慮實際的潮流及交易對電網的影響，用戶分攤的固定成本不能準確反映由用戶使用所引起真實的輸電成本。潮流跟蹤法基于潮流，是根據用戶對電網利用程度而進行成本分攤的，即根據各個用戶對網絡中每條支路的利用程度來進行成本分攤。根據潮流跟蹤的基本原理，將比例原理推廣到電網上的所有節點，就能夠跟蹤網上用戶和電源的有功與無功潮流，根據電網實際的潮流，按照“誰使用誰支付”的原則來將配電網固定成本分攤給使用用戶，這種方法簡單、直觀、公平、合理，容易被接受[4]。

引入分布式電源后使得配電網系統從放射單電源網變為含分布式電源的弱環網。通過跟蹤潮流將配電網固定成本分攤到網絡中的各個負荷和電源，并在有功功率和無功功率進行分攤。因為有功或無功的使用都對支路潮流造成影響，所以支路有功成本應該分別分攤給用戶有功和用戶無功兩個部分，支路無功成本也應該分別分攤給用戶有功和用戶無功兩個部分。在分攤過程中做了一些簡化假設，本文在分攤過程中做了“任何支路有功和無功分別只與用戶輸送的有功和無功有關”的簡化假設。配電網總成本在支路有功和支路無功間按照平方比例分攤[5]。根據貢獻因子理論算出電源及負荷對每一條支路的有功及無功的利用程度，可將每支路的固定成本具體分攤到各負荷和各電源。

針對含分布式電源的配電網結構和上文提出的分攤思路，本文提出含分布式電源的配電網固定分攤方法如下：

（1）先將總成本在支路有功和無功之間分攤；

（2）再根據對配電系統的實際利用情況將有功和無功固定成本在電源和負荷中按比例分攤；

（3）最后根據潮流跟蹤法將固定成本按照利用程度分攤到每個電源和負荷。

3 建議的分攤方法

含分布式發電機的固定成本分三步進行，首先將總成本在支路有功和無功之間分攤。再將有功和無功固定成本在電源和負荷中按比例分攤。最后按潮流跟蹤法將固定成本按利用程度分攤至每個電源和負荷。

3.1 對支路有功和無功分攤

在一個有n個節點，m條支路的系統里，通過前推回推潮流算法解系統潮流后（不考慮網損的情況下），可以很方便地得到含各支路的潮流圖。系統的總成本在各支路有功和無功之間按照它們的平方比例來進行分攤。在支路中，支路有功和無功的固定成本分別如下：

其中：CTot,t為第t條支路j-i的總固定成本，Cp,t為支路的有功固定成本，Cq,t為支路t的無功固定成本。

3.2 對電源和負荷分攤

在將總成本在支路有功和無功之間進行分攤之后，根據它們對配電網的實際使用情況將有功固定成本和無功固定成本按照比例分攤給系統中的電源和負荷。在支路中電源和負荷分攤的固定成本分別如下：

其中：Clp,t和Clq,t分別為分攤給負荷的支路t有功和無功固定成本；Cgp,t和Cgq,t分別為分攤給發電機的支路t有功和無功固定成本；αl、αg為分攤給負荷和發電αg機的分攤因子，αl+αg=1。

在輸電系統中從電廠和大負荷選址的角度看，應該根據對輸電系統的實際使用情況將輸電固定成本同時分攤給電源和負荷，但由于輸電價格對電廠的影響通常較負荷更大一些，因此電源分攤的比例應相對大一些[6]。而在配電系統中，輸電價格對電源和負荷的影響基本上相同，且在理論上并不存在確定電源和負荷應該承擔的分攤比例的方法。因此在本文算例中按通常值取αl=αg=0.5。

3.3 對每個電源和負荷分攤

在將固定成本對電源和負荷進行分攤之后，按基于實際潮流的潮流跟蹤法[7-8]將配電網的固定成本按利用程度分攤至各電源及各負荷。基于流跟蹤技術，各節點有功和無功對支路潮流貢獻表示如下：

其中：PL和QL分別為負荷的有功功率列向量和無功功率列向量；PG和QG分別為所有電源的有功功率列向量和無功功率列向量；Pt和Qt分別為線路t的有功功率列向量和無功功率列向量；以上兩個系數矩陣為有關貢獻因子矩陣[9]。

通過上面貢獻因子矩陣，結合簡化假設，可得出任一負荷或電源對支路t的有功和無功貢獻值。基于“誰使用誰支付”的原則，支路t分攤給第k個負荷的固定成本為：

則所有支路分攤給第k個負荷的固定成本為：

其中：Clkp,t和Clkq,t為支路t分攤給負荷k的有功和無功固定成本；TPPL,t,k和TQQL,t,k為負荷側相關貢獻因子矩陣；αLkp,t和αLkp,t為支路t分攤給負荷k固定成本的有功和無功分攤因子，其值為：

同理，第k個發電機應分攤支路j-i的固定成本應為：

Cgkp,t和Cgkq,t為支路t分攤給發電機k的有功和無功固定成本；TPPG,t,k和TQQG,t,k為發電機側相關貢獻因子矩陣；αGkp,t和αGkp,t為支路t分攤給發電機k固定成本的有功和無功分攤因子，其值為

4 算例

運用該方法對下圖1中引入分布式發電機后的IEEE33節點配電系統[10]中的一個5節點的子系統進行固定成本分攤，本文給出了詳細的分攤結果。

圖1 含分布式發電機5節點配電系統

本系統為10 kV配電系統，在節點1上有一無窮大電源G1，在節點19引入一臺功率為600 kW，功率因數為0.95的發布式發電機G2。此配網相關的線路阻抗及節點負荷參數如表1所示。

表1 線路阻抗及節點負荷參數

10 kV線路電阻值取0.3Ω/km，建設成本取100 000元/km，年投資回報率取0.2，期望的回報年限取為10年，則通過計算可以得到每條支路的年回收成本，結果如表2所示。

表2 各支路年回收的固定成本元

利用本文的方法，運用上文的公式計算出各負荷和電源的配電網固定成本，結果如表3、4所示。

表3 負荷分攤的配電網固定成本元

表4 發電機分攤的配電網固定成本 元

表3、4中分別列出了每條支路分攤給負荷及發電機的固定成本，并算出了每個負荷及發電機應該承擔的固定成本。由表4可以看出首端負荷L18承擔的固定成本最少，末端負荷L21承擔的固定成本最多，且分攤值恒為正值，引入的分布式發電機G2只承擔它實際潮流流經的第3條和第4條支路，在分攤過程中考慮了有功潮流和無功潮流的使用情況，由上可看出此分攤方法是符合實際情況的，滿足“誰使用誰支付”的原則，是公平、合理、安全的。4個負荷和2個發電機分攤的總和等于整個配電網的固定成本，即55 732+55 732=111 464(元)，這表明本文提出的分攤方法是可行的。

5 結論

本文借助輸電網固定成本分攤的思想，并將分布式發電機引入了配電網絡，應用流跟蹤技術、貢獻因子理論，提出了一種含分布式電源的配電網固定成本分攤方法。該方法分三個階段進行，將配電網絡中的用戶和電源根據其利用程度來分攤固定成本，并用一個含分布式電源的簡單配電系統計算實例論證本文提出方法的正確及可行，使配電網固定成本分攤更加公平和合理。

本文作者創新點：（1）提出了一種含分布式發電機的配電網固定成本分攤方法；（2）通過計算實例證明了該方法的正確性和可行性。

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