含分布式發(fā)電配電網企業(yè)綜合效益分析

郭 莉，付立思

（沈陽農業(yè)大學信息與電氣工程學院，遼寧沈陽 110866）

中國電力系統(tǒng)主要以集中供電，統(tǒng)一輸配電的模式來組建電網。然而，隨著能源供應緊張，導致環(huán)境保護問題突顯、節(jié)能減排壓力增大以及電力缺口擴大。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濟環(huán)境效益，促使中國電網從大容量發(fā)電、遠距離送電、終端配電的大電網互聯(lián)模式向區(qū)域內自平衡的分布式、就地平衡、低網損模式發(fā)展［1］。傳統(tǒng)發(fā)電方式和分布式發(fā)電方式相結合，用戶自主地選擇從電網買電或者自行發(fā)電，是打破行業(yè)壟斷與合理引入競爭機制的積極表現(xiàn)。

中國電網分為3 個等級：高壓網絡（U≥220 kV）、中壓網絡（110kV 和35kV）、低壓配電網絡（U≤10kV）。三者的損耗比為1.5∶1.1∶2.5，低壓配電網絡損耗占整個網絡損耗將近50%［2］。因此，研究10kV及以下的配電網絡更有實際意義。文獻［3］的線損效益模型很經典，但是文章中未對網損增加量進行衡量分析；文獻［4］從DG 對網損的影響程度出發(fā)，引入網損影響因子概念模型；文獻［5］提出燃煤發(fā)電的環(huán)境成本計算方法，但隨著時代的發(fā)展應計及脫硫、脫硝設備的成本；文獻［6］計及了斷電情況下電網企業(yè)需要賠付的費用成本；文獻［7］考慮盈虧平衡價格的DG接入減少的成本以及延緩投資；文獻［8］介紹了延緩長期配電網投資更新效益的評估方法；文獻［9］沒有計入環(huán)境收益，過于追求經濟表現(xiàn)。

以上文獻的研究均沒有通用的或者是完善的方法來衡量分布式發(fā)電的整體社會價值，本文是考慮線損效益時計及線損貢獻度平衡成本收益，并且計及環(huán)境價值的整體綜合收益，不僅考慮經濟價值的方法。計算時作出一些簡化問題的假設，即潛在直接電網價值和環(huán)境價值（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，對電力企業(yè)的社會成本效益分析，提出相應評估模型。

1 電網企業(yè)的社會成本效益分析

當有分布式電源接入電網時，電網企業(yè)原本的成本收益組成發(fā)生改變，統(tǒng)稱為電網企業(yè)的綜合成本效益。本文主要分析潛在直接電網價值和間接環(huán)境價值。潛在直接電網價值分為減少線路損耗、降低購買電價、售電利潤損失、延緩電網的擴容投資；間接環(huán)境價值包括避免溫室氣體和污染物的排放。

1）線路損耗 因為傳統(tǒng)集中式供電的遠距離輸電造成大量線路損耗，而DG 離負荷區(qū)域較近，縮短傳輸路徑，進而影響系統(tǒng)網損量［9－10］。但應注意，當網損出現(xiàn)不降反增的時候，需要引入網損影響因子［11］，將成本增量分攤到每個DG 上，以轉嫁風險。只有降低損耗才能降低電網企業(yè)的購電成本。

2）購電價格 電網企業(yè)從DG 購電，因為政策的倡導和補貼，在價格上優(yōu)于傳統(tǒng)電廠批發(fā)價格。

3）售電損失 DG 除了自身電力供應外還并網向電網賣電，電網企業(yè)的售電損失是與用戶自身用電量有關［12］。

4）延緩電網的擴容投資 隨著用戶用電量的急劇增加，DG 接入避免了大型擴容設備的投資，且安裝運行上減少了包括受時間因素影響較大的電力負荷預測風險、燃料價格風險、無形資產貶值險風等［3］。

5）間接環(huán)境價值 傳統(tǒng)發(fā)電方大量燃煤需繳納治污費以及罰款，使得發(fā)電成本增加［13－14］，從DG 購電節(jié)省了這部分成本，以一定比例分攤乘以此成本作為電網企業(yè)的良好社會環(huán)境效益，稱為優(yōu)勢環(huán)境收益。需要注意的是要區(qū)分以小時為單位的計算量（網損、低價電、間接環(huán)境收益）與以年為單位的計算量（延緩電網的擴容投資和售電損失［15］）。

2 電網企業(yè)的社會成本效益評估模型

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)價格成正相關性。線路損耗的典型計算方法為無DG 情況下與接入DG 后的線路損耗之差，可正可負。假設上級電源和負荷之間配網為典型放射狀鏈式配電網，配電系統(tǒng)采用星型三相接線［3］。DG 接入前后的配電網簡化圖如圖1所示。

圖1 DG 接入前后的配電網簡化圖Fig.1 A distribution network with and without DG

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

1）無DG 接入配電網的情況

無DG 接入配電網時，公式表示為

2）有DG 接入配電網的情況

若在距離上級電源Kkm 處接入1臺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，上級電源與DG 接入點間距離為K，流經此段的單相電流為IK＝IL－IDG。由于DG 的接入，線路損耗發(fā)生改變，具體分為2段來分析：一個是K段上的損耗，另一個是（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）線損貢獻度

若式（7）結果為正，DG 達到降損目的；反之存在線損增加的情況。計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)電價記為成本分攤到每個DG 上取平均值；如果減少，乘以批發(fā)電價記為收益。所以應該先引入一種網損影響因子——線損貢獻度，用來衡量DG 接入前后對全網有功損耗的影響程度，即DG 并網引起的全網線損變化量與并網前全網線損量之比［4］。

單個DG 并網的線損貢獻度為

式 中：CLi為 第i座DG 并 網 對 配 網 的 線 損 貢 獻度，%；ΔPi1為第i座DG 并網時全網的有功損耗，kW；ΔPi0為 第i座DG 停 運 時 全 網 的 有 功 損耗，kW。

所有DG 并網的線損貢獻度為

式中：CL∑為配電線路中所有DG 并網對全網的線損貢獻度，%；ΔP∑1為所有DG 并網時全網的有功損耗，kW；ΔP∑0為所有DG 停運時全網的有功損耗，kW。

若式（9）結果為正，表明DG 的接入使得整個系統(tǒng)的線損量增加，且數(shù)值越大增量越多，每個DG 分攤的平均值越大；反之，達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

以小時為計算單位，取i為單位變量，負荷所需功率表示為Pi，電網企業(yè)需購買的總量為Pi＋Plossi。DG 并網前后的線損分別為Ploss0i，PlossDGi，從傳統(tǒng)發(fā)電方所買電力批發(fā)價格為A1，而從DG 購電的價格為A2。Pi與兩者價差的乘積部分計入低價電部分［16］，此處暫不考慮，可得線損引起的開支變化量為R1i＝Ploss0iA1－PlossDGiA2。所以第t年線損的開支變化R1t為

2.2 購買低價電收益模型

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

2.3 售電損失模型

售電損失程度與電價的零售利潤與用戶自滿足電量相關，DG 并網引起了售電收益減少，是兩者的乘積。設用戶年用電量為Q，電網平均零售電價為A0，平均售電成本為A3，傳統(tǒng)發(fā)電方式時，用戶帶給電網企業(yè)的收益為Q×（A0－A3），接入DG 后假設完全自用，則電網企業(yè)損失的收益［4］為

2.4 延緩電網擴容投資收益模型

由文獻［8］可知，若每年自然負荷增長造成的超載概率為0.5%，假設每年1.5% 的負荷增長，饋線中接入滲透率為30% 的風力發(fā)電將導致推遲5年投資。這種因推遲建設投資而獲得的時間價值即為收益，它是DG 總裝機量和電網建設的資金成本的乘積。DG 在整個壽命周期N內對節(jié)點f產生的延緩擴容投資收益為

式中：Cf為無DG 接入時配網單位裝機的年更新成本；d為電網企業(yè)的加權平均資金成本，為6%；n為延緩節(jié)點f的更新投資時間［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以及罰款［5］，為了等值補償污染物造成的環(huán)境破壞的外部經濟損失使得發(fā)電成本增加。如果電網企業(yè)從DG購電，節(jié)省了這部分成本，以一定比例分攤乘以此成本作為電網企業(yè)的良好社會環(huán)境效益稱為優(yōu)勢間接環(huán)境收益。比例選取為30%，完成成本到收益的轉變。污染排放表見表1。

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

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

2.6 整體社會成本效益模型

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

式中：R4／T是第t年均攤的延緩擴容投資收益。假設這個生命周期T內年社會成本效益相同，若年利率為r，n為推遲投資的時間，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正式運營第1年的凈現(xiàn)值（不計6%的通脹率）。

約束條件中除技術性約束，還有經濟性約束。以DG 能夠經濟運行，自身愿意向電網售電作為主要經濟約束條件［7］。第t年DG收益是用戶年用電量Qt與電網平均零售電價A0的乘積，與向電網售電所得收 益之和。同樣假設DG年收益相同，其運行凈現(xiàn)值為

式中ADGinverst是T年末分攤的固定資產投入總和。

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，饋線負荷端有功與無功功率分別為40～60 MW 和23～52 Mvar，燃煤電廠與等效集中負荷端間距離為30km，饋線的單位長度電阻為1.98 Ω／km［17］，一風力發(fā)電機組在距集中負荷端14km處接入系統(tǒng)，輸入的最大有功和無功功率分別為4 MW和4Mvar，4 MVA 的DG 可延緩4×106元的輸配電建設投資5年［4］。上網電價一般指的是平段電價，而實際是分峰、平、谷3種的時段電價（或4種：尖、峰、平、谷）。高峰時段電力價格為平段再加60%，而且保守估計峰期的用電量在50%以上，以50%為例。且隨著國家經濟發(fā)展，工人工資福利的不斷增加，分攤到上網電價的人工費用增多，所以根據(jù)最新核算方法得工業(yè)用電含稅上網電價為0.596元／（kW·h）［18］。風電上網電價為0.54元／（kW·h）。為排除DG 出力過低造成電網企業(yè)的虧損，選取DG 出力占自身裝機總容量95%以上計算［19］，且DG 總出力全部出售。按季節(jié)將整年分為春秋、夏、冬3個階段來研究，分別繪制出典型工作日以及節(jié)假日的負荷曲線如圖2所示。

圖2 6個典型日的負荷曲線Fig.2 Load curve of six typical days in network

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

表2 各季典型工作日電網企業(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可計算全年平均的整體社會成本收益。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 的經濟運行條件下，計算可知電網企業(yè)年平均最高收益可達6.31×106元。即系統(tǒng)中接入DG，提高了電網企業(yè)的整體社會效益，減少了系統(tǒng)線損，直接或間接起到削峰作用，延緩了電網投資并且改善環(huán)境污染問題，減少環(huán)境支出。

4 結 論

本文提出了電網企業(yè)的的社會成本效益評估模型，在考慮DG 經濟運行的約束條件下，將這個收益部分加以量化，將線損的增加計入成本，減少計入收益；并且對間接造成的環(huán)境收益建立模型。由算例分析可知，電網企業(yè)整體社會收益增加，可實現(xiàn)經濟接入并帶來利潤。即結果一定程度上證明了模型的合理性，為電網企業(yè)決策提供數(shù)據(jù)支持與依據(jù)。建議電網企業(yè)在夏季以及冬季節(jié)假日時期使DG 出力增加，在春秋時減小DG 出力來降低成本；且由線損變化量可知，DG 有功應保持在負荷需求有功的一半以下。科學評估社會成本效益有便于各部門更好地制定獎懲機制，促進DG 技術在中國配網系統(tǒng)中的應用與推廣。

／References：

［1］ 白峪豪，張承海，高振興.分布式發(fā)電機組經濟效益評估模型［J］.能源工程，2011（6）：7－12.BAI Yuhao，ZHANG Chenghai，GAO Zhenxing.Economic assessment model of distributed generators［J］.Energy Engineering，2011（6）：7－12.

［2］ 汪衛(wèi)華，藍信軍，楊期余.從配電網降損措施分析比較看合理配電網模式［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2003，15（3）：28－30.WANG Weihua，LAN Xinjun，YANG Qiyu.Study on reasonable distribution model based on analysis and comparison of methods for reducing the loss［J］.Proceedings of the CSU－EPSA，2003，15（3）：28－30.

［3］ 曾 鳴，田 廓，李 娜，等.分布式發(fā)電經濟效益分析及其評估模型［J］.電網技術2010，34（8）：129－133.ZENG Ming，TIAN Kuo，LI Na，et al.Economic benefits analysis of distributed generation and its assessment model［J］.Power System Technology，2010，34（8）：129－133.

［4］ 張勇軍，翟偉芳，林建熙.分布式發(fā)電并網的網損影響評價指標研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（13）：134－137.ZHANG Yongjun，ZHAI Weifang，LIN Jianxi.Study on power loss evaluation index of the DG＇s accessing to the networks［J］.Power System Protection and Control，2011，39（11）：134－137.

［5］ 孫 可.幾種類型發(fā)電公司環(huán)境成本核算的分析研究［J］.能源工程，2004，23（3）：23－26.SUN Ke.Environmental cost analysis and research of different power plants［J］.Energy Engineering，2004，23（3）：23－26.

［6］ 魏 玲，楊明皓.電力市場中分布式發(fā)電孤島模式對配電公司費用的影響［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（2）：15－19.WEI Ling，YANG Minghao.Impact of intentional islanding of distributed generations on cost of distribution company in electricity market［J］.Automation of Electric Power System，2009，33（2）：15－19.

［7］ HOFF T E，WENGER H J，F(xiàn)ARMER B K.An alternative to electric utility investments in system capacity［J］.Energy Policy，1996，24（2）：137－147.

［8］ ME′NDEZ V H，RIVIER J，de la FUENTE J I，et al.Impact of distributed generation on distribution investment deferral［J］.Electrical Power and Energy Systems，2006（28）：244－252.

［9］ 陳海焱，陳金富，段獻忠.含分布式電源的配電網潮流計算［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（1）：35－40.CHEN Haiyan，CHEN Jinfu，DUAN Xianzhong.Study on power flow calcalation of distribution system with DGS［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30（1）：35－40.

［10］ 焦曉紅，李 超.分布式發(fā)電系統(tǒng)并網逆變器輸出功率的自適應控制［J］.燕山大學學報，2014，38（2）：163－167.JIAO Xiaohong，LI Chao.Output power adaptive control of grid－connected inverter in distributed generation system［J］.Journal of Yanshan University，2014，38（2）：163－167.

［11］ 唐小波，徐青山，唐國慶.含分布式電源的配網潮流算法［J］.電力自動化設備，2010，30（5）：34－37.TANG Xiaobo，XU Qingshan，TANG Guoqing.Power flow algorithm for distribution network with distributed generation［J］.Electric Power Automation Equipment，2010，30（5）：34－37.

［12］ 吳文建，任玉瓏，俞集輝.電網企業(yè)參與分布式電力交易經濟效益評估［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（22）：94－100.WU Wenjian，REN Yulong，YU Jihui.Economic benefits assessment of distributed generation trading with the partici－pation of power grid enterprises［J］.Power System Protection and Control，2012，40（22）：94－100.

［13］ 李 新，彭 怡，趙晶晶，等.分布式電源并網的潮流計算［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（17）：78－82.LI Xin，PENG Yi，ZHAO Jingjing，et al.Power flow calculation of distribution network with distributed generation［J］.Power System Protection and Control，2009，37（17）：78－82.

［14］ 劉 波，張 焰，楊 娜.改進的粒子群優(yōu)化算法在分布式電源選址和定容中的應用［J］.電工技術學報，2008，23（2）：103－107.LIU Bo，ZHANG Yan，YANG Na.Improved particle swarm optimization method and its application in the sitting and sizing of distributed generation planning［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23（2）：103－107.

［15］ 唐勇俊，劉 東，阮前途，等.計及節(jié)能調度的分布式電源優(yōu)化配置及其并行計算［J］電力系統(tǒng)自動化，2008，32（7）：92－97.TANG Yongjun，LIU Dong，RUAN Qiantu，et al.Optimal allocation of distributed generation and its parallel computation considering energy－saving dispatching［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（7）：92－97.

［16］ 孫 鳴，余 娟，鄧 博.分布式發(fā)電對配電網線路保護影響的分析［J］.電網技術，2009，33（8）：104－107.SUN Ming，YU Juan，DENG Bo.Analysis of impact of DGs on line protection of distribution networks［J］.Power System Technology，2009，33（8）：104－107.

［17］ 鐘嘉慶，葉治格，盧志剛.分布式發(fā)電注入容量與接入位置的優(yōu)化配置分析［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（7）：50－55.ZHONG Jiaqing，YE Zhige，LU Zhigang.Analysis of optmal allocation of penes level and interconnected location of DG［J］.Power System Protection and Control，2012，40（7）：50－55.

［18］ 李德泉，徐建政，楊 碩.分布式發(fā)電效益分析及其量化模型［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（14）：147－151.LI Dequan，XU Jianzheng，YANG Shuo.Benefits analysis of distributed generation and its quantitative models［J］.Power System Protection and Control，2012，40（14）：147－151.

［19］ 鄧 晶，周任軍，鄭 思，等.計及低碳效益的分布式發(fā)電優(yōu)化配置［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2012，24（4）：7－12.DENG Jing，ZHOU Renjun，ZHENG Si，et al.Optimal allocation of distributed generation considering low－carbon effect.［J］.Proceedings of the CSU－EPSA，2012，24（4）：7－12.