電網規劃中可靠性成本-效益分析

徐飛

（國網湖北孝感供電公司開發區供電中心，湖北 孝感 432000）

0 引言

電網規劃、建設、運行以及經營管理與居民生活息息相關，但在電網規劃過程中，往往涉及可靠性與經濟性的矛盾問題。為提高供電可靠性水平，電力企業需要增加新建或改造項目投資，但會對企業經濟效益造成影響；若減少投資，則會導致供電可靠性降低，甚至引發其他方面的經濟賠償。因此，電力企業有必要針對電網規劃中可靠性成本-效益的關系展開深入分析，尋求整體經濟效益和社會效益的穩定與平衡。

1 工程概況

1.1 建設背景

截至2022 年8 月，孝感城網10kV 公用配變2101臺，總容量99.063 萬kVA，線路199 條，總長度939.16km。日前，國網湖北省電力有限公司結合高壓變電站建設以及10kV 配電網現狀，于孝感市孝南區車站街道、書院街道、丹陽辦事處、孝天辦事處等區域開展電網規劃建設項目，通過城市配電網項目改造致力于達成解決設備重（過）載問題、消除設備安全隱患，滿足新增負荷供電、電動汽車充電站接網和配電網自動化示范區建設要求的目的。2022 年孝感市公司供電企業基本情況如表1 所示。

表1 2022 年孝感市公司供電企業基本情況

1.2 工程建設內容

本次配電網建設及改造項目一共劃分為3 個批次。①國網孝感供電公司開發區供電中心2022 年度第二批城市配電網建設與改造工程，包括新建10kV 架空絕緣線4.99km、電纜14.76km；新建環網箱13 臺，柱上開關116 臺；新建10kV 配電變壓器14 臺，容量6620kVA，更換17kV 配電變壓器，容量5600kVA，新建臺變控制箱23 臺；新建及改造0.4kV 架空線路1.3km，電纜1.07km；新建DTU 終端13 個；新建FTU 終端116個。②國網孝感供電公司開發區供電中心2022 年10kV 及以下業擴配套（第二批）配電網項目，包括新建10kV 電纜線路0.69km，新建10 千伏配電變壓器5 臺，容量2690kVA，新建0.4kV 電纜線路0.3km。③國網孝感供電公司開發區供電中心2022 年第三批業擴配套電網建設工程；包括新建10kV 架空絕緣線路1.5km、電纜0.2km，新建10kV 配電變壓器6 臺，容量1400kV安，新建0.4kV 電纜線路1km，新建臺變控制箱6 臺，新建柱上開關7 臺，FTU 終端7 個。

1.3 投資情況

國網孝感供電公司開發區供電中心2022 年度第二批城市配電網建設與改造工程等項目總投資4436.07 萬元，其中三批次項目投資情況分別為4046.07 萬元、190 萬元、200 萬元。

2 配電網可靠性成本-效益分析方法

2.1 研究背景

在“需求側管理”理念的影響下，電網規劃可靠性觀念發生改變，在減少投資的基礎上加強對投資效益的關注，從而以用戶停電損失為基礎，提出了可靠性價值[1]。用戶停電損失會受到多方面因素影響，包括不同的電力服務需求、對電力可靠性與電價的看法等。就當前的電力市場發展形勢來看，電網規劃應從電力市場發展實際出發，進而根據供電可靠性理念，用戶有權針對因供電可靠性問題造成的經濟損失索要賠償。由此可見，在當前的電力市場機制下，電網供電總成本的范圍進一步拓展，除基礎的建設投資成本、運行成本，還包括用戶缺電損失，即缺電成本[2]。缺電成本是電網規劃過程中供電可靠性高低的直接反映，通過可靠性優化來緩解高可靠性與低成本之間的矛盾，兼顧經濟效益與可靠性水平。本項目中，國網孝感供電公司開發區供電中心為達到一定的供電可靠性目標而增加投資成本，同時還需要針對需求側缺電成本采取一定的調節措施，將可靠性成本與可靠性效益統一起來，從而為配電網規劃項目的順利推進提供便利條件。

2.2 可靠性成本計算

可靠性成本計算涉及的變量包括線路投資成本、運行維護成本、網損成本等，其公式表示如式（1）至式（4）所示。

式中：CXL——線路投資成本；COP——運行維護成本；CLOSS——網損成本；Ci——線路i 單位投資造價；Li——線路i 長度；Ni——待建線路數量；α——運行費用比例系數，取值為0.05～0.1；Il——線路l 的電流；Pl——線路l的功率；Rl——線路l 的電阻；U——網絡電壓；t——年運行時間；δ——電價；N——線路總數。

綜合式（1）至式（4），可靠性成本計算公式如式（5）所示。

式中：α——運行費用比例系數；Ci——線路i 單位投資造價；Li——線路i 長度；Ni——待建線路數量；xl——線路l 的電抗；θi、θj——線路l 兩端電壓相角；μ——網損比例系數；N——線路總數。

2.3 可靠性效益－缺電成本計算

2.3.1 影響因素

可靠性效益即電網達到一定供電可靠性水平時的用戶效益，通過需求側的缺電成本來表示[3]。衡量可靠性效益的缺電成本受到多方面因素影響，這也給可靠性效益計算帶來一定困難。①缺電發生時間。用戶活動在不同季節、不同時間均存在差異，因此也體現出不同的缺電成本。②缺電量。缺電量隨著電網可靠性水平的升高而降低，缺電成本也會隨之降低。③缺電持續時間。缺電初始階段，缺電成本隨著缺電持續時間延長而持續升高；當達到一定時間標準后，缺電成本開始下降。例如，缺電持續時間4h 的缺電成本可縮減至1h 的60%。④缺電頻率。缺電次數越多，用戶活動遭受的干擾越嚴重，缺電成本越高。⑤用戶類型。針對不同類型用戶缺電成本進行計算時，所得到的結果存在差異。

2.3.2 計算方法

在對缺點成本進行計算時，理論上應圍繞上述影響因素，對不同可能性下的供電可靠性進行分析，再根據缺電成本函數計算缺電成本；但在實際情況下，缺電成本函數構造難度較大，因此只能通過合理的方法進行估算[4]。

（1）GDP 計算方法。缺少的電量會直接影響到國民生產總值GDP，因此可通過每缺1kW·h 電量而減少的GDP 平均計算得到缺電成本，通過GDP/總用電量可以反映出缺電對整體國民經濟的影響。

（2）電價倍數計算方法。結合用戶缺電損失現狀通過平均電價倍數完成缺電成本估算。例如，英國采用該方法對不用類型的用電負荷進行估算，工業、商業、居民負荷對應的倍數分別為15、70、60 倍。

（3）公式計算方法。結合用戶缺電損失受缺電功率、缺電量、缺電持續時間、缺電次數等因素的影響得到年缺電成本計算公式，如式（6）所示。

式中：Kw——單位缺電功率；Pi——第i 次缺電功率；Ke——單位缺電量損失系數；Ei——第i 次缺電量；k——缺電頻率。

式（6）體現出缺電功率、缺電量、缺電持續時間、缺電次數對用戶缺電損失的影響，但缺少對各負荷點用戶單位缺電成本的考量，因此對數據準確性及安全性存在一定影響。缺電成本計算問題是一項系統性、綜合性問題，為更全面地反映缺電影響，還可以構造缺電損失評價率的方法進行計算。

（4）構造缺電損失評價率計算方法。缺電損失評價率（IEAR）可以更全面地反映缺電成本，得到用戶因得不到單位電量而造成的經濟損失，如式（7）所示。

式中：N——電網負荷節點數；IEARi——節點i 的缺電損失評價率，元/（kW·h）；EENSi——節點i 的電量不足期望值；kW·h/期間。

2.4 成本效益分析方法

可靠性成本－效益分析曲線如圖1 所示。

圖1 可靠性成本－效益分析曲線

結合圖1 可得到式（8）和式（9）。

式中：TC——供電總成本；SC——系統投資成本；UEC——缺電成本。

將式（8）和式（9）轉化為增量形式可以得到：

-ΔUEC=ΔSC。（10）

由此可知，當-ΔUEC>ΔSC 時，系統投資成本增加量低于缺電成本的減少量，因此可依靠少量系統投資獲得效益；反之，系統投資成本增加量超出缺電成本的減少量，系統投資收益受限，可靠性水平難以提高[5]。當-ΔUEC=ΔSC 時，供電總成本達到最小。

3 基于可靠性成本-效益分析的配電網項目規劃

3.1 電力規劃數學模型的提出

本項目基于電網直接投資成本、網損、缺電成本提出數學模型，用于可靠性成本-效益分析。數學模型表示形式：

式中：k1、k2——對應的經濟參數確定的比例系數；Li——線路i 長度；Pi——線路i 有功功率；N——電網線路總數；Nl——待修線路總數。

3.2 模型特點

上述數學模型設計特點主要體現在3 個方面。①兼顧了系統投資費用和用戶缺電損失成本，有效協調了二者之間的關系，為電網規劃經濟性和可靠性的統一提供保障。②將可靠度水平轉化為變量，尋求其在成本與效益不平衡中最佳狀態，相較于傳統電網規劃方法，強化了供電可靠度經濟價值對用戶側影響的考量。③該數學模型還可以將降低系統投資費用的傳統電網規劃模式囊括其中，體現出更強的適用性與靈活性。

3.3 模型應用

本項目中數學模型的應用以倒推法為基礎，結合配電網規劃實際情況設定一冗余網絡，首先根據直流潮流模型完成節點電壓相角以及支路功率的計算，得到網絡運行狀態量；其次順序去掉一條線路后進行缺電成本計算，將總成本J 按照從小到大的順序排列，去掉最小的線路；最后根據剩下的數據得到供電總成本最小的網絡。計算過程如圖2 所示。

圖2 數學模型計算過程

4 結語

綜上所述，在配電網規劃過程中，解決供電可靠性和網絡經濟效益的矛盾問題成為電力企業需要思考的重點。結合國網孝感供電公司開發區供電中心電網規劃實踐來看，應尋求電力投資與社會效益之間的平衡，進而加強對缺電成本的計算分析，結合相關影響因素提出數學模型，做到正確反映投入資金與可靠度之間的關系，提高電網規劃成本計算的全面性與準確性。