電力市場背景下考慮設備投資潛在價值的輸電網規劃

何英靜 王曦冉 王文濤 毛安家 李海疆

電力市場背景下考慮設備投資潛在價值的輸電網規劃

何英靜1王曦冉1王文濤2毛安家2李海疆1

（1. 國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，杭州 310008；2. 華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

電力市場改革對電網企業投資和資產管理行為規范提出了更高的要求，傳統以輸電能力提升為目的的規劃方法難以適應新的形勢。分別考慮線路潮流的流通、系統阻塞的緩解和市場交易對線路的影響，計及價值因素建立評估規劃方案在經濟性和實用性方面的潛在價值指標體系。在此基礎上，基于潛在價值指標和成本建立多目標輸電網規劃模型，通過一種改進的遺傳算法實現對模型的求解，采用修改后的IEEE 39節點算例驗證了本文所提方法的有效性。

輸電網規劃；價值評估；電力市場；多目標規劃；改進遺傳算法

0 引言

電力市場化改革，進一步加強了對投資和收益的考量。傳統電網規劃中單純以輸電能力提升的投資收益計算方法不能完全表達投資在市場環境下的價值，可能造成過度投資[1-2]，難以適應新形勢下的電網運營需求。因此，如何在最大程度保證系統可靠性的前提下兼顧規劃資源的利用效率，成為電力市場化改革背景下電網規劃中亟待解決的問題。

1906年Irving Fisher最早提出資本價值理論，論述了企業價值、資本和收入的關系，由此發展起來的成本法、市場法、收益法等價值評估方法，在眾多領域得到推廣應用。在電力系統規劃中，投資成本與效用收益作為規劃方法的評價依據，已發展出一系列成熟的理論與方法。例如，文獻[3]將電力系統規劃的視角從傳統的技術經濟評估拓寬為社會價值評估，將安全性價值體現在減少社會損失的成本上。文獻[4]計及電網改造成本、儲能投資成本和光伏限電損失，以有/無儲能接入時的成本差別來體現儲能支撐高比例分布式光伏接入的價值。類似地，文獻[5]在可靠性成本中考慮用戶側期望中斷成本，從中斷供電對工業、商業、居民等用戶造成的損失切入，尋找規劃方案的價值。可以看出，這類方法僅從成本減少、降低損失角度分析規劃方案所體現的價值。文獻[6]通過系統負荷和實時電價的變化來挖掘儲能在充放電過程中的潛在效益。文獻[7-9]以美國中部獨立電力系統運營商（midwest independent transmission system operator, MISO）電力市場為背景，以收益與投資為基本評估指標，研究考慮價值的電網規劃問題。其中，文獻[7]提出一種尋找兼顧可靠性和經濟價值的跨區輸電規劃方案；文獻[8]以九種需求側管理資源在四種預測情景下的單位功率成本為考量，提出計及需求響應與能源效率的輸電網規劃方法；文獻[9]則通過待建線路在提高市場運行效率、減少網損和延緩投資等方面的作用，更全面地體現了輸電網規劃投資價值。這類方法引入了潛在價值思想，拓寬了傳統規劃中主要考慮投資收益的思想局限，為全方位挖掘輸電網規劃投資潛在價值提供了借鑒。

近年來，隨著電網規模的不斷擴大，系統結構日益復雜，對系統投資的考量也日趨多元化，體現在電網規劃方面，出現了一系列考慮系統多元經濟指標，如結合剩余供電能力[10]、儲能設備功率變化量[11]、線路潮流信息[12-13]等概念的電網規劃方法，也有考慮多方面因素的多目標規劃方法[14-16]。例如文獻[14]考慮分布式電源的運行裕度和線路剩余輸電容量建立安全因子，考慮分布式電源的運行率和與其相連的線路數建立協同因子，結合運行經濟性指標建立多目標規劃模型，所提方法可以同時對分布式能源和輸電線路進行協調規劃。文獻[15]在計及投資運行成本的同時，還建立了能量利用效率、碳排放、用戶不滿意度等指標對規劃方案進行評估，協同設備配置及需求側管理策略進行優化，所提方法兼顧決策最優性與抗風險能力。文獻[16]以經濟成本、風光消納率和能源供應不足為目標建立綜合能源系統多目標規劃模型，由粒子群優化算法得到非劣解集后，使用滿意度指標獲取非劣解集中的最滿意解。多目標優化方法可以使規劃方案計及問題的多個方面，在電力市場背景下，考慮多元因素建立模型有利于尋找合理的電網規劃方案。

電力市場環境下，電網公司轉變為服務型企業，但電網阻塞、市場集中度等因素會對自由交易產生影響，而傳統規劃方法無法體現電網規劃與電力市場的雙向影響和電網企業在保證資源配置中的功能性，容易造成社會福利的無謂損失。本文借鑒價值評估思想來體現電網企業于電力市場中的真實價值，結合價值指標建立輸電網多目標規劃模型，探尋一種考慮價值評估的電網規劃方法。由于輸電線路投資在輸電網規劃中占據了較大比重，因此，為簡化問題，本文研究的輸電網規劃只考慮輸電線路的擴建問題。

1 潛在價值及其評價指標

傳統電網規劃方法多以垂直一體化壟斷的電力系統為研究對象，其任務是為滿足負荷按照預定比率的增長，在確保系統供電可靠前提下，力求使電網建設或改造成本最低。在這種嚴苛的條件下，為保證概率較低、持續時間較短的波動性負荷下的供電可靠性，往往需要大量投資。而在正常情況下，這部分所投資的設備利用率較低，不可避免地會在一定程度上降低經濟性。為在最大程度保證安全性的前提下兼顧系統運行的經濟性，本文在傳統電網規劃方法的基礎上，引入三項潛在價值指標來體現電網建設在電力市場運行中更真實全面的潛在價值和效益。

1.1 高負荷潮流流通價值

衡量一條線路是否值得投資建設，除了其流通潮流大小外，還要考慮潮流的持續作用時間。

年持續負荷曲線可以反映負荷在一年內的變化情況，體現負荷年變化特性對規劃結果的影響，更符合實際規劃的需求，由IEEE-RTS提供的參數和預測年峰值負荷即可得到全年各小時的平均負荷，對數據按負荷大小和持續時間排序后即為年持續負荷曲線[17-18]。若選擇年持續負荷曲線所有運行點進行詳盡的仿真分析，會使規劃方法的計算量急劇增大，故本文選擇在曲線上選取一定數量的典型負荷進行價值分析。這樣既可以發揮年持續負荷曲線上負荷的年變化特性，又不會使模型計算過于繁雜。

典型負荷點依據負荷持續時間的長度進行選取。

式中：h為第個選出的典型負荷點的負荷持續時間，可按上一典型負荷點的負荷持續時間h-1的61.8%取值并取整得出；0為全年小時數，因IEEE- RTS僅提供了52周負荷參數數據，故此處0取值為8 736。可以看出，依照此方法得到的典型負荷點取樣密度由負荷低谷至負荷尖峰逐漸增加。負荷尖峰反映了系統電能傳輸能力最緊張的狀態，較大的取樣密度可以還原曲線形狀，更好地展現系統的規劃需求。此外，為計算潮流流通價值tf，將年持續負荷曲線中負荷率為60%的狀態點取為典型負荷點。所得典型負荷點信息見表1。

表1 近似年負荷持續曲線各點數據

本文定義線路在年持續負荷曲線中60%以上負荷與負荷持續時間圍成的面積為高負荷潮流流通價值，表示該線路在系統運行中承擔的高峰負荷的需求，此項價值指標較大的線路在全年中以高負載率流通了較大份額的能量，對此類線路進行擴建可以緩解其電能輸送壓力，因擴建后的線路在系統中依然承擔較大份額能量的傳輸，故此次投資的性價比較其他線路更高。取前17個典型負荷來計算此項價值，計算tf使用的典型負荷點如圖1所示。

高負荷潮流流通價值的計算方式為

圖1 計算Vtf使用的典型負荷點

式中：1為計算tf時的典型負荷點集合；P為第個典型負荷下線路的有功功率；max為線路有功功率極限；h為第個典型負荷點在年持續負荷曲線上的橫坐標；h+1-h表示在P+1與P之間負荷持續的近似時間。

1.2 阻塞緩解價值

輸電網連接發電商與用戶，阻塞問題在電力市場環境下將帶來更大的影響，此處引入阻塞緩解價值c來表征待建線路對消除阻塞的效用。為簡化模型，此處僅考慮單一買方市場下的對應指標。單一買方市場方式一般以全系統購電費用最少為阻塞調度的目標函數[19]，為體現待選線路緩解和消除電網阻塞的程度，結合年持續負荷曲線，取全部典型負荷點來計算阻塞緩解價值，某一擴建方案的全網近似年購電費用由式（4）計算，用投建線路前后的全網近似年購電費用之差表示該擴建方案的阻塞緩解價值。阻塞緩解價值越大，代表該方案的阻塞緩解效果越好。計算c使用的典型負荷點如圖2所示。

圖2 計算Vc使用的典型負荷點

阻塞緩解價值計算方式為

機組發電費用可由二次函數近似表示為

式中：P為機組在第個負荷狀態下的有功出力；2和1分別為近似函數的二次項及一次項的系數，0為其常數項。

1.3 調度靈活性價值

發電機輸出功率轉移分布因子（generation shift distribution factor, GSDF）表示由發電機有功輸出功率變化引起的支路潮流變化量。GSDF常應用于實時調度里的聯絡線潮流控制、電力市場的阻塞管理、在線靜態安全分析等領域。本文利用GSDF尋找系統中受電源出力變化影響程度最嚴重的線路，調度靈活性價值反映了該線路在系統中各電源改變出力時的潮流波動情況，近似表達維持發電商自由交易環境的潛在需求。

根據定義，若發電機節點集合為，可以得到受所有發電機節點有功功率影響的線路有功潮流變化量為

設每個電源節點變化單位值時，線路上的有功潮流變化量絕對值之和為線路調度靈活性價值，即

調度靈活性價值f的物理意義為，當每個電源節點注入功率變化單位值時，在線路上引起的功率最大改變量，表征線路承受電源調度或發電商自由交易的靈活需求。

2 考慮潛在價值的輸電網規劃模型

電網規劃方法按優化目標的數目可以分為單目標電網規劃和多目標電網規劃。與單目標規劃模型相比，多目標規劃模型可以綜合考慮多個目標函數，在實現經濟性目標的同時兼顧其他指標，從而獲得綜合效益整體最優的方案[20]。

本文以電網建設投資成本net、高負荷潮流流通價值tf、阻塞緩解價值c和調度靈活性價值f作為規劃方案的優化目標函數，計及電網潮流約束和正常運行，將輸電網擴展規劃模型描述為

電網投資成本net是傳統電網規劃方法里的基本項，在本文中作為成本并結合其他指標進行建模，某一方案獲得效益相近時，成本較小的方案可投入價值更大，故此目標取最小；當輸電價格一定時，線路潮流流通越多，線路過網費越高，線路對電網重要程度越高，負載率高的線路若阻塞，勢必影響系統的潮流分布，潮流流通價值tf的計算方式為全年在60%以上負載率狀態所流通的能量，既計及線路負載率，也考慮了線路潮流的大小，此指標較大的線路高載且負載率較高，過網費較其他線路更高，具有一定的投資價值；阻塞緩解價值c是通過線路擴建前后發電費用之差表示的，以體現待選規劃方案緩解和消除電網阻塞的程度，結合年持續負荷曲線可以在時間維度更具體地描述規劃方案帶來的價值，c越大，表示線路投建后電網發電成本降低程度越大，即對電網阻塞的緩解程度越好；調度靈活性價值f用來尋找受電源出力變化影響程度最嚴重的線路，表達了線路承受電源調度或發電商自由交易的靈活需求。

電網投資成本net代表線路投入的成本，高負荷潮流流通價值tf、阻塞緩解價值c和調度靈活性價值f從三個角度表達了投入成本可以帶來的價值收益，用建線成本配合三項價值收益指標篩選出對系統運行改善程度較大且投資和效益較為合理的線路組合。

3 基于改進遺傳算法的模型求解

本文模型中，設備投資成本、高負荷潮流流通價值、阻塞緩解價值和調度靈活性價值量綱各不相同，且難以給各個目標確定合適的權重，很難轉為單目標問題進行求解。本文采用智能算法來求解問題。遺傳算法可以對搜索空間內的多個解進行評估，具有較好的全局搜索性能，考慮到模型具有4個目標，遺傳算法的并行搜索過程不容易陷入單目標的局部最優，可提高求解效率，且具有簡單易行的特點，只需要影響搜索方向的目標函數和對應的適應度（fitness）即可對模型進行求解。

適應度在遺傳算法中用來度量群體中每個個體在優化問題中達到或接近最優解的優良程度，度量個體適應度的函數稱為適應度函數（fitness function），本文使用文獻[21]提出的遺傳擇優因子作為改進遺傳算法的適應度函數。

局部遺傳擇優因子描述某一基因個體對特定環境的適應程度，對算法來說即為一個可行解對某一目標最優解的逼近程度，局部遺傳擇優因子較大的可行解比較小者更接近單一目標的最優解[21]。多目標的全局遺傳擇優因子為各個局部擇優因子之和，各個目標下局部擇優因子的權重相同對待，認為全局遺傳擇優因子代表該可行解在多目標最優要求下的優劣程度，將全局遺傳擇優因子最高的解視為可較好地滿足各目標的最優解。

單一目標的局部遺傳擇優因子為

4 算例分析

4.1 IEEE 39節點系統

采用修改后的新英格蘭系統作為算例驗證本文提出的規劃方法，系統的網絡拓撲示意圖如圖3所示，原始系統參數取自matpower7.1和DigSLIENT。

在算例中，假設任意兩節點間的輸電走廊都允許建設線路，預計負荷增長情況見表2。系統基準年負荷峰值為6 150.13MW，預計在規劃水平年增加1 200MW負荷，為滿足增長的負荷需求，假設對33、34節點處電源各自增加100MW容量，對32節點處電源增加200MW容量，對31、35、36、37節點處電源各自增加300MW容量，10臺機組的發電費用函數系數見表3。線路經濟壽命為15年，單位長度建設投資為60萬元/km，貼現率為10%。改進遺傳算法中參數設置如下：種群個體數為100，最大遺傳代數為40，選擇過程的代溝設為0.8，交叉過程為單點交叉，交叉概率設為0.7，變異概率取0.3/34。經過選擇、交叉、變異過程后80%的子代個體按照遺傳擇優因子的優劣重插入原種群。

圖3 新英格蘭系統網絡拓撲示意圖

表2 新英格蘭系統各節點負荷增長情況

表3 發電費用函數系數

4.2 結果分析

運行改進的遺傳算法求解考慮設備投資潛在價值的輸電網規劃模型，規劃結果見表4。擴建線路數據明細見表5。為便于分析，電網建設投資成本net、高負荷潮流流通價值tf和調度靈活性價值f數據大小為相對于極大值的百分比，阻塞緩解價值c數據為規劃方案投建后，系統發電成本降低百分比。

6條擬擴建線路在圖3中以虛線標示，將規劃水平年系統的各節點負荷狀態設為基準負荷，計算系統負荷處于此基準狀態的120%、100%和60%時的線路負載百分比與其歸一化成本，得到線路負荷及成本情況如圖4所示。為保證功率守恒，計算120%基準負荷下的潮流狀態時將所有電源的有功上限按比例提升至規劃水平年的1.15倍。

表4 IEEE 39規劃結果

表5 擴建線路數據明細 單位: %

圖4 線路負載及成本情況

高負荷潮流流通價值和電網建設投資成本兩項指標，可以使規劃方法選出的線路在系統不同負荷情況下的設備利用率較高且建線成本較低。以阻塞緩解價值為導向選出的線路，對低發電成本電源出力的送出有較大影響，這些電源在電力市場出清中更容易中標，故對此項價值較高的線路進行擴建可以緩解系統阻塞。以調度靈活性價值為導向選出的線路，對電源出力變化更為敏感，這部分線路隨著電源出力變化其負載率波動較大。

線路3(2-3)、12(6-11)、17(10-13)、18(13-14)和22(16-17)在系統低負荷時有一定負載率，在系統負荷升高后，5條線路的負載率急劇上升，說明5條線路受電源出力變化影響較大。為驗證這一問題，計算120%基準負荷下的系統潮流狀態，可以看到，5條線路都滿載或接近滿載。在某些電源因市場交易中標而調整出力狀態后，這些線路更易阻塞。因線路22(16-17)低負荷時利用率過低且建設成本較高，與另外4條線路相比，其建設價值較低。因線路3(2-3)、12(6-11)、17(10-13)、18(13-14)潮流對電源出力變化較為敏感，未來負荷漸漸提升后，4條線路負載率將逐步上升，投資具備長遠價值。

線路23(16-21)、27(21-22)和29(23-24)在系統低負荷和高負荷時都有很高的負載率，這3條線路相較其他線路更容易阻塞。G6、G7是發電成本最低的機組，在電力市場交易中更易中標，兩臺機組功率的輸送有兩條主要途徑，分別為經線路27(21-22)、23(16-21)和經線路28(22-23)、29(23-24)。而27(21-22)、23(16-21)這條途徑已有滿載情況，這限制了G6的出力，故對此兩條線路進行擴建可以直接緩解系統的阻塞。從建設成本上看，23(16-21)、27(21-22)的建設成本顯著低于28(22-23)、29(23-24)，且28(22-23)的設備利用率較低，故線路23(16-21)、27(21-22)的建設價值更高。

規劃方法生成的線路組合，在系統不同負荷情況下都具備一定的負載率，設備利用率較高，在電力市場環境下，還具備緩解阻塞的功能和長遠投資價值。

5 結論

本文將潛在價值評價指標體系與傳統電網規劃模型結合，建立了一種考慮設備投資潛在價值的輸電網規劃模型，得到主要結論如下：

1）考慮潛在價值的電網規劃，以所尋找的價值因素為指標，選取系統中投資性價比最高的線路組合，優化規劃資源的分配，在保證安全性的前提下兼顧系統運行的經濟性，可以避免過度投資。

2）在年持續負荷曲線上選取一定數目的斷面，可以在規劃時計及負荷的年變化特性而避免模型計算過于繁雜。

3）本文提出的潛在價值指標可以較好地反映投建線路在電力市場環境中的價值，所生成的規劃方案具備緩解阻塞的功能和長遠投資價值。

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Transmission network planning considering the potential value of equipment investment in the electricity market

HE Yingjing1WANG Xiran1WANG Wentao2MAO Anjia2LI Haijiang1

(1. Economic and Technology Research Institute, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd, Hangzhou 310008; 2. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206)

Electricity market reform has acclaimed higher demand for the investment and asset management of power grid enterprises, and the traditional planning method, whose object is to improve the transmission capacity, appears less able to adapt to this new situation. Under this circumstance, by taking factors including the power flow, the relief of system congestion and the influence of the market into consideration, this paper puts forward a potential value index system to evaluate the economy and practicability of planning schemes. Furthermore, based on the potential value and investment cost, a multi-objective transmission network planning model is proposed, and an improved genetic algorithm is used to solve the model. The effectiveness of the proposed method is verified through the case study based on the modified IEEE 39 bus system.

transmission network planning; value assessment; electricity market; multi-objective planning; improved genetic algorithm

浙江電網公司項目（5211JY18000V）

2022-05-16

2022-07-29

何英靜（1975—），女，碩士，高級工程師，從事電網規劃研究工作。