高比例新能源接入下電網(wǎng)輸配電成本多主體分?jǐn)偰Ｐ?/h1>
2024-01-03 06:23:40顏炯盧生煒張濤謝浩東桑子夏汪穎翔周斌
電力建設(shè) 2024年1期
顏炯,盧生煒,張濤,謝浩東,桑子夏,汪穎翔,周斌
(1．國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,武漢市 430077;2．國網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢市 430077;3．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙市 410082)
0 引 言
在“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下,我國能源發(fā)展重點逐步轉(zhuǎn)向低碳清潔的新能源。但由于新能源發(fā)電具有不確定性和反調(diào)峰性等特點[1-2],為支撐高比例新能源并網(wǎng),電網(wǎng)需投資建設(shè)大量配套基建工程以提高新能源接納能力[3-5]。其中,這部分由新能源接入電網(wǎng)導(dǎo)致的輸配電成本(后統(tǒng)稱為新增輸配電成本)一般可分為接網(wǎng)成本和強化成本[6]。前者是指新能源場站與電網(wǎng)之間的連接設(shè)備(變電站、線路、開關(guān)等)的建設(shè)成本,后者是指為適應(yīng)新能源接入電網(wǎng)而對電網(wǎng)進行升級改造(輸變電設(shè)施加固擴容、抽水蓄能等)的建設(shè)成本[5-6]。隨著電力系統(tǒng)中新能源滲透率不斷提高,新能源接入電網(wǎng)催生的接網(wǎng)成本和強化成本逐漸上升,壓縮了電網(wǎng)的經(jīng)營發(fā)展空間,并引發(fā)終端電價上漲的風(fēng)險[7]。因此,迫切需要完善面向新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)投資規(guī)劃理論,制定公平科學(xué)的電網(wǎng)投資成本分?jǐn)偛呗砸院侠硎鑼?dǎo)高比例新能源接入導(dǎo)致的新增輸配電成本[8-9]。
國外關(guān)于新增輸配電成本分?jǐn)偟难芯肯鄬^早。文獻[10]以英國海上風(fēng)電接網(wǎng)項目為研究對象,提出一種基于投資收益率劃定分?jǐn)偙壤慕泳W(wǎng)成本分?jǐn)偡椒āＮ墨I[11]將德國、荷蘭、英國等歐洲國家的新能源接入電網(wǎng)帶來的強化成本作為研究對象,發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)強化改造成本由電網(wǎng)運營商承擔(dān)可減少新能源并網(wǎng)障礙,而附加的這類額外成本則需通過提升用戶側(cè)電價來回收。文獻[6]闡述了一種在源網(wǎng)間平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本的分配策略,但未考慮到不同新能源發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟、技術(shù)等因素的差異。目前,我國尚未制定明確的接網(wǎng)成本和強化成本分?jǐn)傉?新增輸配電成本仍被視為常規(guī)輸配電成本,由電網(wǎng)承擔(dān)并最終傳導(dǎo)至終端用戶。國內(nèi)學(xué)者針對常規(guī)輸配電成本的分?jǐn)傄延性S多研究,按照分?jǐn)傄罁?jù)可分為郵票法、峰荷責(zé)任法、邊際潮流法、邊際成本法、受益分?jǐn)偡╗12-14]等。然而,上述方法存在交叉補貼、費率短時波動性大等問題,難以直接應(yīng)用于新增輸配電成本的多主體成本分?jǐn)倛鼍啊４送?接網(wǎng)成本隸屬于聯(lián)系源網(wǎng)兩側(cè)的專項服務(wù)工程,而強化成本服務(wù)于整個電力網(wǎng)絡(luò)[6]。若忽略兩種成本的成本屬性差異,對二者使用相同的分?jǐn)偛呗詫?dǎo)致分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性不足。
針對上述問題,本文分別提出了基于成本責(zé)任的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ秃陀嫾靶履茉床⒕W(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ汀１疚木唧w貢獻如下:
1)提出了基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?基于新能源企業(yè)異質(zhì)性特征聚類得到新能源企業(yè)集群,分析量化接網(wǎng)成本責(zé)任要素,考慮新能源企業(yè)集群異質(zhì)性厘清新能源企業(yè)和電網(wǎng)側(cè)之間的成本責(zé)任并分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本。
2)提出了計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ?基于成本效益按比例分配強化成本至源網(wǎng)兩側(cè),并分析新能源并網(wǎng)風(fēng)險,構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體的雙層分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu),最后利用計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的EANS-Owen值法對強化成本進行分?jǐn)偂?/p>
1 基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>1.1 新能源企業(yè)異質(zhì)性聚類分析
新能源企業(yè)數(shù)量眾多,制定接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗詴r,忽略企業(yè)間的成本承擔(dān)能力差異有失合理性。以源網(wǎng)平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本為例,統(tǒng)一的分?jǐn)偙壤官Y產(chǎn)體量較小、經(jīng)營水平低的新能源企業(yè)承擔(dān)過高的接網(wǎng)成本,不利于高比例新能源并網(wǎng)接入。本節(jié)基于各新能源企業(yè)異質(zhì)性,將經(jīng)營水平相似的新能源企業(yè)聚類到同一集群,在異質(zhì)性相似的發(fā)電企業(yè)集群內(nèi)確定接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤?從而提高接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性與實用性。
企業(yè)異質(zhì)性是新能源企業(yè)在激烈的市場競爭中形成利潤與成本優(yōu)勢的基礎(chǔ),通常會導(dǎo)致企業(yè)之間生產(chǎn)效率存在一定差異[15]。從新能源企業(yè)的資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營、投資管理三個維度出發(fā),建立新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系,具體如圖1所示。
圖1 新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系Fig.1 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
根據(jù)發(fā)電形式和接網(wǎng)電壓等級對新能源企業(yè)初步分類后,將新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)作為輸入特征,引入自適應(yīng)DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)算法[16]聚類劃歸新能源企業(yè)集群。
此外,為防止集群內(nèi)部成員數(shù)量過少,同時避免個別樣本點被識別為離群點而無法形成新能源企業(yè)集群,進一步基于豪斯多夫距離對聚類結(jié)果進行二次集群劃歸。若輸出的新能源企業(yè)聚類結(jié)果中出現(xiàn)小集群(樣本點少于設(shè)定閾值)或離群點,則基于豪斯多夫距離[17]將其進行二次劃歸到距離最近的新能源企業(yè)集群,最終得到具有不同異質(zhì)性的新能源企業(yè)集群,為差異化、精細(xì)化分?jǐn)偢鹘泳W(wǎng)工程成本奠定基礎(chǔ)。
1.2 考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)?/h3>
參考國外接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗?在不同新能源接入規(guī)模下可對不同范圍的接網(wǎng)資產(chǎn)進行劃責(zé)分?jǐn)?從而在保證新能源高質(zhì)量發(fā)展的同時緩解終端電價抬升壓力。根據(jù)成本分?jǐn)偡秶谐瑴\度、半淺度、淺度和深度四種接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗訹6,8],具體如圖2所示。本節(jié)參考半淺度策略對接網(wǎng)成本分?jǐn)倖栴}進行建模:在得到新能源異質(zhì)性集群的基礎(chǔ)上,量化分析源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任,最終構(gòu)建考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
圖2 不同成本分?jǐn)偛呗约皩?yīng)分?jǐn)偡秶鶩ig.2 Different cost allocation strategies and corresponding allocation range
成本責(zé)任是指生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各主體根據(jù)其權(quán)限和責(zé)任范圍所應(yīng)承擔(dān)的經(jīng)濟責(zé)任[18]。接網(wǎng)工程成本責(zé)任隸屬于新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè),最終的接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤尚履茉磦?cè)與電網(wǎng)側(cè)各自成本責(zé)任量化表達(dá)。
從新能源側(cè)角度,接網(wǎng)成本與新能源場站地理位置、技術(shù)水平和發(fā)電容量等因素相關(guān)[6]。提出新能源側(cè)成本責(zé)任量化公式:
αRe,i,j=[w1(ηi,j-ηmin,j)2+w1(Li,j-Lmin,j)2+
w3(Wi,j-Wmin,j)2+w4(Qi,j-Qmin,j)2]0.5
(1)
式中:下標(biāo)i、j代表集群j中的第i個新能源企業(yè);下標(biāo)min表示集群中該項指標(biāo)的最小值,下同;αRe,i,j為集群j中第i個新能源企業(yè)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出各發(fā)電企業(yè)在集群內(nèi)接網(wǎng)線路最大負(fù)載率(ηi,j)、接網(wǎng)線路長度(Li,j)、全生命周期發(fā)電量(Wi,j)和發(fā)電電能質(zhì)量(Qi,j)的優(yōu)劣,其中,Qi,j由新能源場站輸出功率最大波動率與輸出電流總諧波畸變率的均值表征;w1、w2、w3和w4分別為各指標(biāo)所占權(quán)重,由組合賦權(quán)法[19]計算得到。
從電網(wǎng)側(cè)角度,新能源配套電網(wǎng)基建工程建設(shè)時序落后于新能源場站的情況頻頻出現(xiàn),導(dǎo)致新能源企業(yè)延遲并網(wǎng)并產(chǎn)生經(jīng)濟損失[8];此外,短路比是衡量電源接入點并網(wǎng)強度的重要指標(biāo)[20],電網(wǎng)提供新能源并網(wǎng)點的短路比不滿足最優(yōu)經(jīng)濟技術(shù)要求也將導(dǎo)致后續(xù)發(fā)電企業(yè)擴容困難等問題,因此提出電網(wǎng)側(cè)成本責(zé)任計算公式:
(2)
式中:αGr,i,j為電網(wǎng)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出延遲并網(wǎng)發(fā)電側(cè)損失與接入點的短路比優(yōu)劣;θi,j為新能源企業(yè)因延遲并網(wǎng)損失的上網(wǎng)電量;ΔRi,j為新能源企業(yè)最優(yōu)并網(wǎng)點的短路比與實際短路比的差值。
綜合考慮上述源網(wǎng)兩側(cè)接網(wǎng)成本責(zé)任因素,提出基于成本責(zé)任的接網(wǎng)工程成本分?jǐn)偰Ｐ?
(3)
(4)
(5)
2 計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>2.1 強化成本核算
強化成本主要由電網(wǎng)側(cè)配套的輸變電工程擴容改造、抽水蓄能和無功補償設(shè)備建設(shè)成本組成,其成本屬性為固定成本。其中,抽水蓄能和無功補償設(shè)備建設(shè)成本疏導(dǎo)機制在目前的輔助服務(wù)市場和容量電價政策中尚未明確,故在本文中仍將二者按固定成本考慮。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,強化成本隨新能源裝機容量的提高而抬升。基于強化成本所具備的邊際成本遞減效應(yīng),結(jié)合電網(wǎng)歷史強化投資項目數(shù)據(jù),構(gòu)建強化成本函數(shù)如下所示:
(6)
式中:Cstr(S)為新能源裝機容量的強化成本函數(shù);S為新能源裝機容量;β1、β2、β3為待求參數(shù),其單位分別為億元/(MVA)2、億元/(MVA)和億元,可結(jié)合電網(wǎng)歷史強化投資項目數(shù)據(jù)求解。
電網(wǎng)側(cè)和新能源側(cè)均受益于強化改造工程:對新能源側(cè),可降低棄電量;對電網(wǎng)側(cè),可降低輸電阻塞費用,同時提高供電可靠性以增加售電量。基于“誰受益,誰承擔(dān)”的原則,考慮新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的效益大小,設(shè)計強化成本核算系數(shù),從而將強化成本在新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分配。具體為:
(7)
(8)
(9)
綜上,考慮成本效益的新能源側(cè)強化成本函數(shù)可表示為:
(10)
2.2 新能源并網(wǎng)風(fēng)險因素
新能源并網(wǎng)會引入不確定性因素,給電網(wǎng)造成運行風(fēng)險[21-22]。新能源發(fā)電企業(yè)造成的并網(wǎng)風(fēng)險高意味著對應(yīng)分?jǐn)偟膹娀杀疽矐?yīng)有所提高。新能源并網(wǎng)風(fēng)險大小可由以下幾個因素表征:
1)發(fā)電容量可信度。
該指標(biāo)是指在保持供電可靠性不變的前提下,地區(qū)內(nèi)引入新能源發(fā)電后可以增加的負(fù)荷量,能直觀描述新能源場站群的綜合效用和可靠程度[23]。
2)發(fā)電出力波動率和諧波含有率。
隨著新能源滲透率的不斷提升,新能源輸出功率的波動性、諧波注入降低電網(wǎng)電能質(zhì)量問題,造成一定運行風(fēng)險,電網(wǎng)側(cè)需投入大量的濾波、無功補償?shù)入娏﹄娮友b置[24]。
3)儲能容量配置比例。
儲能可平抑新能源發(fā)電功率波動、提高電能質(zhì)量以及降低出力偏差[24-25]。新能源側(cè)配置儲能可減少風(fēng)光電站間歇性出力對電力系統(tǒng)的沖擊,同時可為電網(wǎng)提供一定容量支撐和調(diào)峰能力[26],從而間接減少和延緩電網(wǎng)側(cè)強化成本的投入。
2.3 基于EANS-Owen值的強化成本分?jǐn)?/h3>
風(fēng)光基地是我國發(fā)展新能源發(fā)電的主要形式,基地內(nèi)的新能源企業(yè)可以形成企業(yè)聚合體,由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度管理,共享儲能、送出通道、電力電子補償裝置等資源,從而提高強化改造工程的利用效率,減少強化成本投入的冗余。此外,各個風(fēng)光基地共同接入到電網(wǎng)中,從電氣角度構(gòu)成了一種聯(lián)盟聚合體,該聯(lián)盟共同使用電網(wǎng)中的輸配電設(shè)施和靈活性資源,進一步降低強化成本投入。基于上述分析,構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體雙層成本分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu)。由于電網(wǎng)的強化成本分?jǐn)偪梢砸暈橐环N“收益分?jǐn)偂?因此本文引入一種具有Owen聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的收益分配模型[27]分?jǐn)倧娀杀尽wen值是Shapley值的一種推廣,其基本思想主要基于雙層Shapley聯(lián)盟結(jié)構(gòu)[28],其中下層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)組成的企業(yè)聚合體,上層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)聚合體組成的聯(lián)盟聚合體。與此同時,以聯(lián)盟中的不可分成本衡量新能源并網(wǎng)風(fēng)險,最終構(gòu)建基于EANS-Owen值的強化成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
1)上層企業(yè)聚合體間的成本分?jǐn)偂?/p>
(11)
(12)
式中:π(k)是加權(quán)因子;SR表示R中所有新能源企業(yè)的裝機容量之和。
對于聯(lián)盟聚合體N的總強化成本而言,還存在并不單獨由某個新能源企業(yè)引起的成本,即不可分成本CNSC(N):
(13)
式中:SN為聯(lián)盟聚合體N中所有新能源企業(yè)裝機容量之和;SNk}為聯(lián)盟聚合體N中去除新能源企業(yè)聚合體k之后,剩余的新能源企業(yè)裝機容量之和。
(14)
(15)
式中:Hk為企業(yè)聚合體k的發(fā)電容量可信度,其數(shù)值越大表示風(fēng)險越小,計算時需將其正向化;ΔHk為企業(yè)聚合體的上層風(fēng)險因子,表征新能源并網(wǎng)風(fēng)險。
2)下層企業(yè)聚合體內(nèi)的成本分?jǐn)偂?/p>
(16)
(17)
式中:φ(i)為新能源企業(yè)i的初始Shapley值;CNSC(k)為企業(yè)聚合體k的不可分成本;Nk為聚合體k包含的新能源企業(yè)數(shù)量;Δζi,k為新能源企業(yè)i的下層風(fēng)險因子;Vi,k、Di,k、和Mi,k分別為新能源企業(yè)i的輸出功率最大波動率、電流總諧波畸變率、儲能容量配置比例,其中,Mi,k越大表示新能源并網(wǎng)風(fēng)險越小,計算時將其正向化。
在分別得到計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的上下層Shapley值后,各新能源發(fā)電企業(yè)計及風(fēng)險的EANS-Owen值(即最終分?jǐn)偟膹娀杀?為:
(18)
3 算例分析
3.1 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)發(fā)電形式和電壓等級對某省所有新能源企業(yè)進行初步分類后,輸入異質(zhì)性指標(biāo)對新能源企業(yè)進行聚類分析。為直觀表示聚類結(jié)果,將新能源企業(yè)的二級異質(zhì)性指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化后取平均值作為該企業(yè)資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營和投資管理方面的評分值,集群劃分結(jié)果如圖3所示。
圖3 新能源企業(yè)集群劃分結(jié)果Fig.3 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
由圖3可知,聚類得到了圖中7個新能源企業(yè)集群(即7個顏色各異的95%置信橢球體),但同時保留了兩個小集群,其內(nèi)部的企業(yè)數(shù)量分別為5個和6個,低于設(shè)定閾值。因此,基于豪斯多夫距離對兩個小集群進行二次劃歸。結(jié)果顯示:與圖3中位置靠上的小集群1的豪斯多夫距離最小的是集群6,因此將小集群1劃歸至企業(yè)集群6。同理,對小集群2進行類似處理,將兩個小集群進行二次劃歸后,重新計算這兩個置信橢圓的置信度分別為90%和86%。
為驗證本文聚類方法的優(yōu)越性,選取DBSCAN和K-means算法進行對比,并采用平均輪廓系數(shù)和戴維森堡丁指標(biāo)[30]對整體聚類效果進行評估,結(jié)果如表1所示。由表1可知,DBSCAN和K-means算法得到的聚類集群中包含的新能源企業(yè)相對離散,承擔(dān)能力具有一定差異的企業(yè)被劃分至同一集群,分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本時可能導(dǎo)致成本承擔(dān)能力低的新能源企業(yè)分?jǐn)傔^多接網(wǎng)工程成本。而本文所用方法所得到的新能源企業(yè)集群內(nèi)部緊密且集群間分散性好,為后續(xù)接網(wǎng)成本的合理分?jǐn)偟於嘶A(chǔ)。
表1 不同聚類方法的指標(biāo)值對比Table 1 Comparison of index values of different clustering methods
以企業(yè)集群1內(nèi)10個新能源企業(yè)的接網(wǎng)工程為例,對應(yīng)的成本責(zé)任指標(biāo)如表2所示。根據(jù)源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任指標(biāo)計算新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)接網(wǎng)成本,分?jǐn)偨Y(jié)果如圖4所示。
表2 成本責(zé)任指標(biāo)Table 2 Cost responsibility index
圖4 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.4 Allocation result of connection cost
根據(jù)圖4,對比各新能源發(fā)電企業(yè)接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果(接網(wǎng)工程為專項服務(wù)工程,與新能源企業(yè)一一對應(yīng),二者設(shè)置相同編號),企業(yè)1、2、3、4、8所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比低于50%,企業(yè)5、6、7、9、10所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比均高于50%。原因是企業(yè)1、3、4的成本責(zé)任指標(biāo)中的接網(wǎng)長度偏小、企業(yè)2、8的發(fā)電電能質(zhì)量更優(yōu),負(fù)載情況更均衡,同時受電網(wǎng)投資接網(wǎng)工程時序影響,導(dǎo)致企業(yè)1、2、3、4、8的延遲并網(wǎng)收益損失較大,這些因素導(dǎo)致這5個企業(yè)在集群1內(nèi)具備更大的成本責(zé)任競爭優(yōu)勢,而企業(yè)5、6、7、9、10的情況恰巧相反。
為進一步說明本文方法公平合理性,選取源網(wǎng)平均分?jǐn)偡ㄅc本文所提模型分?jǐn)偨Y(jié)果進行對比,如圖5所示。
圖5 不同方法的接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.5 Allocation results of different method for connection cost
由圖5可知,平均分?jǐn)偡ê鲆暳穗娋W(wǎng)側(cè)延期并網(wǎng)和并網(wǎng)短路點優(yōu)劣的成本責(zé)任,使得企業(yè)4和8分?jǐn)偟某杀靖哂诒疚乃崮Ｐ汀４送?以50%的固定比例平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本忽視了新能源企業(yè)的成本承擔(dān)能力,過高的前期投資會對資產(chǎn)體量較小的新能源企業(yè)形成一定的并網(wǎng)障礙。
3.2 強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)省級電網(wǎng)強化投資項目歷史數(shù)據(jù),強化成本函數(shù)的各項邊界參數(shù)為:κRe=0.78,β1=-2.41×10-6,β2=3.55×10-3,β3=2.13。選取某地10個新能源發(fā)電企業(yè)作為研究對象,3個企業(yè)聚合體記為{A1,A2,A3},各企業(yè)聚合體包含的新能源企業(yè)為A1={1,2,3,4}、A2={5,6,7}和A2={8,9,10}。根據(jù)強化成本函數(shù)核算不同企業(yè)聚合體組合下的強化成本(A1、A2和A3非聯(lián)盟情況下的強化成本由專家評估得到),結(jié)果如表3所示。
表3 不同聯(lián)盟聚合體結(jié)構(gòu)的強化成本Table 3 Reinforcement cost for different alliance aggregation structures
基于表3中各聯(lián)盟下的強化成本,計算企業(yè)聚合體A1、A2和A3的初始上層Shapley值為8.263億、7.173億和6.333億元,聯(lián)盟聚合體的不可分成本為0.88億元。結(jié)合各企業(yè)聚合體的新能源并網(wǎng)風(fēng)險因子,計算得到計及風(fēng)險的上下層Shapley值,如圖6所示。
圖6 上層和下層Shapley值計算結(jié)果Fig.6 The upper and lower Shapley value calculation results
由圖6(a)可知,由于企業(yè)聚合體A3的發(fā)電容量可信度較高,可減少電網(wǎng)后續(xù)的強化成本投入,故而不可分強化成本支付為-0.205億元。相比之下,A1和A2發(fā)電容量可信度較低,導(dǎo)致電網(wǎng)需投入更多強化成本以保障可靠消納,故以附加的不可分強化成本作為懲罰,使得A1和A2的強化成本分別抬升了0.147億元和0.059億元。最終A1、A2和A3分?jǐn)偟膹娀杀痉謩e為8.410億元、7.232億元和6.128億元。計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險對強化成本的抬升影響提高了分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性。
進一步計算各企業(yè)聚合體內(nèi)部的下層Shapley值,結(jié)果如圖6(b)所示。以企業(yè)聚合體A2為例,A2中不同發(fā)電企業(yè)組成聚合體的強化成本如表4所示。圖6(b)中,新能源企業(yè)5、6和7的初始下層Shapley值分別為2.64億、1.63億和3.58億元,根據(jù)表4計算得到企業(yè)聚合體A2的不可分成本為1.3億元,計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險后,企業(yè)5、6和7所分?jǐn)偟牟豢煞謴娀杀緸?.087億、0.087億和-0.173億元。
表4 不同企業(yè)聚合體結(jié)構(gòu)的強化成本Table 4 Reinforcement cost for of different enterprise aggregation structure
根據(jù)圖6中的各企業(yè)聚合體和發(fā)電企業(yè)計及風(fēng)險的Shapley值,進一步計算得到各新能源發(fā)電企業(yè)計及并網(wǎng)風(fēng)險的EANS-Owen值,即分?jǐn)偟降膹娀杀?結(jié)果如表5所示。
表5 強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Table 5 Allocation result of reinforcement cost
由表5可知,裝機容量較小的企業(yè)2和9對于各自所屬企業(yè)聚合體的成本貢獻較小,故最終分?jǐn)偟玫降膹娀杀据^少;而企業(yè)4和7裝機容量大,發(fā)電技術(shù)成熟,雖上網(wǎng)電量較多,但企業(yè)內(nèi)部的儲能容量配置比例較高,能平抑較多的出力波動,并網(wǎng)風(fēng)險較低,因而企業(yè)4和7附加的不可分成本為負(fù)值,最終分?jǐn)偟膹娀杀居兴鶞p少。此外,各新能源企業(yè)形成聯(lián)盟后分?jǐn)偟某杀揪兴档?滿足理性條件。
選取邊際成本法、Shapley值法與本文所提模型進行對比,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,采用邊際成本法的強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果在企業(yè)4和7的之間分?jǐn)倳r存在明顯的交叉補貼。邊際成本法計算的強化成本與各企業(yè)并網(wǎng)順序相關(guān),而由于強化成本的邊際遞減特點,企業(yè)7后并網(wǎng)發(fā)電使其享受后發(fā)者的優(yōu)勢,而分?jǐn)偢俚膹娀杀?因此分?jǐn)偨Y(jié)果公平性不足,使得新能源企業(yè)并網(wǎng)積極性受挫。而采用本文所提分?jǐn)偛呗詴r,企業(yè)4和7的強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果十分接近,兩者分?jǐn)偨Y(jié)果的差異是由于新能源并網(wǎng)風(fēng)險不同引起的,因此更加公平合理。基于Shapley值法對強化成本分?jǐn)倳r,忽略了企業(yè)1、6和8能各自與電氣距離近的企業(yè)形成聚合體,共享儲能和輸電通道,從而減少強化成本投入,使得Shapley值法得出的企業(yè)1、6和8分?jǐn)倧娀杀据^本文所提模型更高。
圖7 不同方法的強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.7 Allocation results of different method for reinforcement cost
4 結(jié) 論
本文構(gòu)建了高比例新能源接入下電網(wǎng)輸配電成本多主體分?jǐn)偰Ｐ?所建模型能夠有效促進新增輸配電成本的合理疏導(dǎo)。仿真結(jié)果表明:
1)本文所提基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ涂梢岳迩逶淳W(wǎng)兩側(cè)的成本責(zé)任,確保成本分?jǐn)偡蓊~與新能源發(fā)電企業(yè)承擔(dān)能力相匹配的同時,給出提升發(fā)電技術(shù)水平和優(yōu)化電力資源配置的激勵信號。
2)本文所提計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ湍軌蚋鶕?jù)成本貢獻分配各主體的強化成本,并引入了不可分成本來表征新能源發(fā)電企業(yè)抬升強化成本的并網(wǎng)風(fēng)險差異,使得分?jǐn)偨Y(jié)果更加公平合理,為合理疏導(dǎo)電網(wǎng)強化成本提供理論支撐。
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顏炯,盧生煒,張濤,謝浩東,桑子夏,汪穎翔,周斌
(1．國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,武漢市 430077;2．國網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢市 430077;3．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙市 410082)
0 引 言
在“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下,我國能源發(fā)展重點逐步轉(zhuǎn)向低碳清潔的新能源。但由于新能源發(fā)電具有不確定性和反調(diào)峰性等特點[1-2],為支撐高比例新能源并網(wǎng),電網(wǎng)需投資建設(shè)大量配套基建工程以提高新能源接納能力[3-5]。其中,這部分由新能源接入電網(wǎng)導(dǎo)致的輸配電成本(后統(tǒng)稱為新增輸配電成本)一般可分為接網(wǎng)成本和強化成本[6]。前者是指新能源場站與電網(wǎng)之間的連接設(shè)備(變電站、線路、開關(guān)等)的建設(shè)成本,后者是指為適應(yīng)新能源接入電網(wǎng)而對電網(wǎng)進行升級改造(輸變電設(shè)施加固擴容、抽水蓄能等)的建設(shè)成本[5-6]。隨著電力系統(tǒng)中新能源滲透率不斷提高,新能源接入電網(wǎng)催生的接網(wǎng)成本和強化成本逐漸上升,壓縮了電網(wǎng)的經(jīng)營發(fā)展空間,并引發(fā)終端電價上漲的風(fēng)險[7]。因此,迫切需要完善面向新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)投資規(guī)劃理論,制定公平科學(xué)的電網(wǎng)投資成本分?jǐn)偛呗砸院侠硎鑼?dǎo)高比例新能源接入導(dǎo)致的新增輸配電成本[8-9]。
國外關(guān)于新增輸配電成本分?jǐn)偟难芯肯鄬^早。文獻[10]以英國海上風(fēng)電接網(wǎng)項目為研究對象,提出一種基于投資收益率劃定分?jǐn)偙壤慕泳W(wǎng)成本分?jǐn)偡椒āＮ墨I[11]將德國、荷蘭、英國等歐洲國家的新能源接入電網(wǎng)帶來的強化成本作為研究對象,發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)強化改造成本由電網(wǎng)運營商承擔(dān)可減少新能源并網(wǎng)障礙,而附加的這類額外成本則需通過提升用戶側(cè)電價來回收。文獻[6]闡述了一種在源網(wǎng)間平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本的分配策略,但未考慮到不同新能源發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟、技術(shù)等因素的差異。目前,我國尚未制定明確的接網(wǎng)成本和強化成本分?jǐn)傉?新增輸配電成本仍被視為常規(guī)輸配電成本,由電網(wǎng)承擔(dān)并最終傳導(dǎo)至終端用戶。國內(nèi)學(xué)者針對常規(guī)輸配電成本的分?jǐn)傄延性S多研究,按照分?jǐn)傄罁?jù)可分為郵票法、峰荷責(zé)任法、邊際潮流法、邊際成本法、受益分?jǐn)偡╗12-14]等。然而,上述方法存在交叉補貼、費率短時波動性大等問題,難以直接應(yīng)用于新增輸配電成本的多主體成本分?jǐn)倛鼍啊４送?接網(wǎng)成本隸屬于聯(lián)系源網(wǎng)兩側(cè)的專項服務(wù)工程,而強化成本服務(wù)于整個電力網(wǎng)絡(luò)[6]。若忽略兩種成本的成本屬性差異,對二者使用相同的分?jǐn)偛呗詫?dǎo)致分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性不足。
針對上述問題,本文分別提出了基于成本責(zé)任的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ秃陀嫾靶履茉床⒕W(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ汀１疚木唧w貢獻如下:
1)提出了基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?基于新能源企業(yè)異質(zhì)性特征聚類得到新能源企業(yè)集群,分析量化接網(wǎng)成本責(zé)任要素,考慮新能源企業(yè)集群異質(zhì)性厘清新能源企業(yè)和電網(wǎng)側(cè)之間的成本責(zé)任并分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本。
2)提出了計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ?基于成本效益按比例分配強化成本至源網(wǎng)兩側(cè),并分析新能源并網(wǎng)風(fēng)險,構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體的雙層分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu),最后利用計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的EANS-Owen值法對強化成本進行分?jǐn)偂?/p>
1 基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>1.1 新能源企業(yè)異質(zhì)性聚類分析
新能源企業(yè)數(shù)量眾多,制定接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗詴r,忽略企業(yè)間的成本承擔(dān)能力差異有失合理性。以源網(wǎng)平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本為例,統(tǒng)一的分?jǐn)偙壤官Y產(chǎn)體量較小、經(jīng)營水平低的新能源企業(yè)承擔(dān)過高的接網(wǎng)成本,不利于高比例新能源并網(wǎng)接入。本節(jié)基于各新能源企業(yè)異質(zhì)性,將經(jīng)營水平相似的新能源企業(yè)聚類到同一集群,在異質(zhì)性相似的發(fā)電企業(yè)集群內(nèi)確定接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤?從而提高接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果的合理性與實用性。
企業(yè)異質(zhì)性是新能源企業(yè)在激烈的市場競爭中形成利潤與成本優(yōu)勢的基礎(chǔ),通常會導(dǎo)致企業(yè)之間生產(chǎn)效率存在一定差異[15]。從新能源企業(yè)的資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營、投資管理三個維度出發(fā),建立新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系,具體如圖1所示。
圖1 新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)體系Fig.1 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
根據(jù)發(fā)電形式和接網(wǎng)電壓等級對新能源企業(yè)初步分類后,將新能源企業(yè)異質(zhì)性指標(biāo)作為輸入特征,引入自適應(yīng)DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)算法[16]聚類劃歸新能源企業(yè)集群。
此外,為防止集群內(nèi)部成員數(shù)量過少,同時避免個別樣本點被識別為離群點而無法形成新能源企業(yè)集群,進一步基于豪斯多夫距離對聚類結(jié)果進行二次集群劃歸。若輸出的新能源企業(yè)聚類結(jié)果中出現(xiàn)小集群(樣本點少于設(shè)定閾值)或離群點,則基于豪斯多夫距離[17]將其進行二次劃歸到距離最近的新能源企業(yè)集群,最終得到具有不同異質(zhì)性的新能源企業(yè)集群,為差異化、精細(xì)化分?jǐn)偢鹘泳W(wǎng)工程成本奠定基礎(chǔ)。
1.2 考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)?/h3>
參考國外接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗?在不同新能源接入規(guī)模下可對不同范圍的接網(wǎng)資產(chǎn)進行劃責(zé)分?jǐn)?從而在保證新能源高質(zhì)量發(fā)展的同時緩解終端電價抬升壓力。根據(jù)成本分?jǐn)偡秶谐瑴\度、半淺度、淺度和深度四種接網(wǎng)成本分?jǐn)偛呗訹6,8],具體如圖2所示。本節(jié)參考半淺度策略對接網(wǎng)成本分?jǐn)倖栴}進行建模:在得到新能源異質(zhì)性集群的基礎(chǔ)上,量化分析源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任,最終構(gòu)建考慮發(fā)電企業(yè)異質(zhì)性的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
圖2 不同成本分?jǐn)偛呗约皩?yīng)分?jǐn)偡秶鶩ig.2 Different cost allocation strategies and corresponding allocation range
成本責(zé)任是指生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各主體根據(jù)其權(quán)限和責(zé)任范圍所應(yīng)承擔(dān)的經(jīng)濟責(zé)任[18]。接網(wǎng)工程成本責(zé)任隸屬于新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè),最終的接網(wǎng)成本分?jǐn)偙壤尚履茉磦?cè)與電網(wǎng)側(cè)各自成本責(zé)任量化表達(dá)。
從新能源側(cè)角度,接網(wǎng)成本與新能源場站地理位置、技術(shù)水平和發(fā)電容量等因素相關(guān)[6]。提出新能源側(cè)成本責(zé)任量化公式:
αRe,i,j=[w1(ηi,j-ηmin,j)2+w1(Li,j-Lmin,j)2+
w3(Wi,j-Wmin,j)2+w4(Qi,j-Qmin,j)2]0.5
(1)
式中:下標(biāo)i、j代表集群j中的第i個新能源企業(yè);下標(biāo)min表示集群中該項指標(biāo)的最小值,下同;αRe,i,j為集群j中第i個新能源企業(yè)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出各發(fā)電企業(yè)在集群內(nèi)接網(wǎng)線路最大負(fù)載率(ηi,j)、接網(wǎng)線路長度(Li,j)、全生命周期發(fā)電量(Wi,j)和發(fā)電電能質(zhì)量(Qi,j)的優(yōu)劣,其中,Qi,j由新能源場站輸出功率最大波動率與輸出電流總諧波畸變率的均值表征;w1、w2、w3和w4分別為各指標(biāo)所占權(quán)重,由組合賦權(quán)法[19]計算得到。
從電網(wǎng)側(cè)角度,新能源配套電網(wǎng)基建工程建設(shè)時序落后于新能源場站的情況頻頻出現(xiàn),導(dǎo)致新能源企業(yè)延遲并網(wǎng)并產(chǎn)生經(jīng)濟損失[8];此外,短路比是衡量電源接入點并網(wǎng)強度的重要指標(biāo)[20],電網(wǎng)提供新能源并網(wǎng)點的短路比不滿足最優(yōu)經(jīng)濟技術(shù)要求也將導(dǎo)致后續(xù)發(fā)電企業(yè)擴容困難等問題,因此提出電網(wǎng)側(cè)成本責(zé)任計算公式:
(2)
式中:αGr,i,j為電網(wǎng)的接網(wǎng)成本責(zé)任,綜合反映出延遲并網(wǎng)發(fā)電側(cè)損失與接入點的短路比優(yōu)劣;θi,j為新能源企業(yè)因延遲并網(wǎng)損失的上網(wǎng)電量;ΔRi,j為新能源企業(yè)最優(yōu)并網(wǎng)點的短路比與實際短路比的差值。
綜合考慮上述源網(wǎng)兩側(cè)接網(wǎng)成本責(zé)任因素,提出基于成本責(zé)任的接網(wǎng)工程成本分?jǐn)偰Ｐ?
(3)
(4)
(5)
2 計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ?/h2>2.1 強化成本核算
強化成本主要由電網(wǎng)側(cè)配套的輸變電工程擴容改造、抽水蓄能和無功補償設(shè)備建設(shè)成本組成,其成本屬性為固定成本。其中,抽水蓄能和無功補償設(shè)備建設(shè)成本疏導(dǎo)機制在目前的輔助服務(wù)市場和容量電價政策中尚未明確,故在本文中仍將二者按固定成本考慮。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,強化成本隨新能源裝機容量的提高而抬升。基于強化成本所具備的邊際成本遞減效應(yīng),結(jié)合電網(wǎng)歷史強化投資項目數(shù)據(jù),構(gòu)建強化成本函數(shù)如下所示:
(6)
式中:Cstr(S)為新能源裝機容量的強化成本函數(shù);S為新能源裝機容量;β1、β2、β3為待求參數(shù),其單位分別為億元/(MVA)2、億元/(MVA)和億元,可結(jié)合電網(wǎng)歷史強化投資項目數(shù)據(jù)求解。
電網(wǎng)側(cè)和新能源側(cè)均受益于強化改造工程:對新能源側(cè),可降低棄電量;對電網(wǎng)側(cè),可降低輸電阻塞費用,同時提高供電可靠性以增加售電量。基于“誰受益,誰承擔(dān)”的原則,考慮新能源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的效益大小,設(shè)計強化成本核算系數(shù),從而將強化成本在新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分配。具體為:
(7)
(8)
(9)
綜上,考慮成本效益的新能源側(cè)強化成本函數(shù)可表示為:
(10)
2.2 新能源并網(wǎng)風(fēng)險因素
新能源并網(wǎng)會引入不確定性因素,給電網(wǎng)造成運行風(fēng)險[21-22]。新能源發(fā)電企業(yè)造成的并網(wǎng)風(fēng)險高意味著對應(yīng)分?jǐn)偟膹娀杀疽矐?yīng)有所提高。新能源并網(wǎng)風(fēng)險大小可由以下幾個因素表征:
1)發(fā)電容量可信度。
該指標(biāo)是指在保持供電可靠性不變的前提下,地區(qū)內(nèi)引入新能源發(fā)電后可以增加的負(fù)荷量,能直觀描述新能源場站群的綜合效用和可靠程度[23]。
2)發(fā)電出力波動率和諧波含有率。
隨著新能源滲透率的不斷提升,新能源輸出功率的波動性、諧波注入降低電網(wǎng)電能質(zhì)量問題,造成一定運行風(fēng)險,電網(wǎng)側(cè)需投入大量的濾波、無功補償?shù)入娏﹄娮友b置[24]。
3)儲能容量配置比例。
儲能可平抑新能源發(fā)電功率波動、提高電能質(zhì)量以及降低出力偏差[24-25]。新能源側(cè)配置儲能可減少風(fēng)光電站間歇性出力對電力系統(tǒng)的沖擊,同時可為電網(wǎng)提供一定容量支撐和調(diào)峰能力[26],從而間接減少和延緩電網(wǎng)側(cè)強化成本的投入。
2.3 基于EANS-Owen值的強化成本分?jǐn)?/h3>
風(fēng)光基地是我國發(fā)展新能源發(fā)電的主要形式,基地內(nèi)的新能源企業(yè)可以形成企業(yè)聚合體,由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度管理,共享儲能、送出通道、電力電子補償裝置等資源,從而提高強化改造工程的利用效率,減少強化成本投入的冗余。此外,各個風(fēng)光基地共同接入到電網(wǎng)中,從電氣角度構(gòu)成了一種聯(lián)盟聚合體,該聯(lián)盟共同使用電網(wǎng)中的輸配電設(shè)施和靈活性資源,進一步降低強化成本投入。基于上述分析,構(gòu)建新能源企業(yè)聚合體-聯(lián)盟聚合體雙層成本分?jǐn)偨Y(jié)構(gòu)。由于電網(wǎng)的強化成本分?jǐn)偪梢砸暈橐环N“收益分?jǐn)偂?因此本文引入一種具有Owen聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的收益分配模型[27]分?jǐn)倧娀杀尽wen值是Shapley值的一種推廣,其基本思想主要基于雙層Shapley聯(lián)盟結(jié)構(gòu)[28],其中下層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)組成的企業(yè)聚合體,上層結(jié)構(gòu)指新能源企業(yè)聚合體組成的聯(lián)盟聚合體。與此同時,以聯(lián)盟中的不可分成本衡量新能源并網(wǎng)風(fēng)險,最終構(gòu)建基于EANS-Owen值的強化成本分?jǐn)偰Ｐ汀?/p>
1)上層企業(yè)聚合體間的成本分?jǐn)偂?/p>
(11)
(12)
式中:π(k)是加權(quán)因子;SR表示R中所有新能源企業(yè)的裝機容量之和。
對于聯(lián)盟聚合體N的總強化成本而言,還存在并不單獨由某個新能源企業(yè)引起的成本,即不可分成本CNSC(N):
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式中:SN為聯(lián)盟聚合體N中所有新能源企業(yè)裝機容量之和;SNk}為聯(lián)盟聚合體N中去除新能源企業(yè)聚合體k之后,剩余的新能源企業(yè)裝機容量之和。
(14)
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式中:Hk為企業(yè)聚合體k的發(fā)電容量可信度,其數(shù)值越大表示風(fēng)險越小,計算時需將其正向化;ΔHk為企業(yè)聚合體的上層風(fēng)險因子,表征新能源并網(wǎng)風(fēng)險。
2)下層企業(yè)聚合體內(nèi)的成本分?jǐn)偂?/p>
(16)
(17)
式中:φ(i)為新能源企業(yè)i的初始Shapley值;CNSC(k)為企業(yè)聚合體k的不可分成本;Nk為聚合體k包含的新能源企業(yè)數(shù)量;Δζi,k為新能源企業(yè)i的下層風(fēng)險因子;Vi,k、Di,k、和Mi,k分別為新能源企業(yè)i的輸出功率最大波動率、電流總諧波畸變率、儲能容量配置比例,其中,Mi,k越大表示新能源并網(wǎng)風(fēng)險越小,計算時將其正向化。
在分別得到計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的上下層Shapley值后,各新能源發(fā)電企業(yè)計及風(fēng)險的EANS-Owen值(即最終分?jǐn)偟膹娀杀?為:
(18)
3 算例分析
3.1 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)發(fā)電形式和電壓等級對某省所有新能源企業(yè)進行初步分類后,輸入異質(zhì)性指標(biāo)對新能源企業(yè)進行聚類分析。為直觀表示聚類結(jié)果,將新能源企業(yè)的二級異質(zhì)性指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化后取平均值作為該企業(yè)資產(chǎn)體量、生產(chǎn)經(jīng)營和投資管理方面的評分值,集群劃分結(jié)果如圖3所示。
圖3 新能源企業(yè)集群劃分結(jié)果Fig.3 Heterogeneity index system of renewable energy enterprise
由圖3可知,聚類得到了圖中7個新能源企業(yè)集群(即7個顏色各異的95%置信橢球體),但同時保留了兩個小集群,其內(nèi)部的企業(yè)數(shù)量分別為5個和6個,低于設(shè)定閾值。因此,基于豪斯多夫距離對兩個小集群進行二次劃歸。結(jié)果顯示:與圖3中位置靠上的小集群1的豪斯多夫距離最小的是集群6,因此將小集群1劃歸至企業(yè)集群6。同理,對小集群2進行類似處理,將兩個小集群進行二次劃歸后,重新計算這兩個置信橢圓的置信度分別為90%和86%。
為驗證本文聚類方法的優(yōu)越性,選取DBSCAN和K-means算法進行對比,并采用平均輪廓系數(shù)和戴維森堡丁指標(biāo)[30]對整體聚類效果進行評估,結(jié)果如表1所示。由表1可知,DBSCAN和K-means算法得到的聚類集群中包含的新能源企業(yè)相對離散,承擔(dān)能力具有一定差異的企業(yè)被劃分至同一集群,分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本時可能導(dǎo)致成本承擔(dān)能力低的新能源企業(yè)分?jǐn)傔^多接網(wǎng)工程成本。而本文所用方法所得到的新能源企業(yè)集群內(nèi)部緊密且集群間分散性好,為后續(xù)接網(wǎng)成本的合理分?jǐn)偟於嘶A(chǔ)。
表1 不同聚類方法的指標(biāo)值對比Table 1 Comparison of index values of different clustering methods
以企業(yè)集群1內(nèi)10個新能源企業(yè)的接網(wǎng)工程為例,對應(yīng)的成本責(zé)任指標(biāo)如表2所示。根據(jù)源網(wǎng)兩側(cè)成本責(zé)任指標(biāo)計算新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)接網(wǎng)成本,分?jǐn)偨Y(jié)果如圖4所示。
表2 成本責(zé)任指標(biāo)Table 2 Cost responsibility index
圖4 接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.4 Allocation result of connection cost
根據(jù)圖4,對比各新能源發(fā)電企業(yè)接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果(接網(wǎng)工程為專項服務(wù)工程,與新能源企業(yè)一一對應(yīng),二者設(shè)置相同編號),企業(yè)1、2、3、4、8所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比低于50%,企業(yè)5、6、7、9、10所分?jǐn)偟慕泳W(wǎng)成本占比均高于50%。原因是企業(yè)1、3、4的成本責(zé)任指標(biāo)中的接網(wǎng)長度偏小、企業(yè)2、8的發(fā)電電能質(zhì)量更優(yōu),負(fù)載情況更均衡,同時受電網(wǎng)投資接網(wǎng)工程時序影響,導(dǎo)致企業(yè)1、2、3、4、8的延遲并網(wǎng)收益損失較大,這些因素導(dǎo)致這5個企業(yè)在集群1內(nèi)具備更大的成本責(zé)任競爭優(yōu)勢,而企業(yè)5、6、7、9、10的情況恰巧相反。
為進一步說明本文方法公平合理性,選取源網(wǎng)平均分?jǐn)偡ㄅc本文所提模型分?jǐn)偨Y(jié)果進行對比,如圖5所示。
圖5 不同方法的接網(wǎng)成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.5 Allocation results of different method for connection cost
由圖5可知,平均分?jǐn)偡ê鲆暳穗娋W(wǎng)側(cè)延期并網(wǎng)和并網(wǎng)短路點優(yōu)劣的成本責(zé)任,使得企業(yè)4和8分?jǐn)偟某杀靖哂诒疚乃崮Ｐ汀４送?以50%的固定比例平均分?jǐn)偨泳W(wǎng)成本忽視了新能源企業(yè)的成本承擔(dān)能力,過高的前期投資會對資產(chǎn)體量較小的新能源企業(yè)形成一定的并網(wǎng)障礙。
3.2 強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果及分析
根據(jù)省級電網(wǎng)強化投資項目歷史數(shù)據(jù),強化成本函數(shù)的各項邊界參數(shù)為:κRe=0.78,β1=-2.41×10-6,β2=3.55×10-3,β3=2.13。選取某地10個新能源發(fā)電企業(yè)作為研究對象,3個企業(yè)聚合體記為{A1,A2,A3},各企業(yè)聚合體包含的新能源企業(yè)為A1={1,2,3,4}、A2={5,6,7}和A2={8,9,10}。根據(jù)強化成本函數(shù)核算不同企業(yè)聚合體組合下的強化成本(A1、A2和A3非聯(lián)盟情況下的強化成本由專家評估得到),結(jié)果如表3所示。
表3 不同聯(lián)盟聚合體結(jié)構(gòu)的強化成本Table 3 Reinforcement cost for different alliance aggregation structures
基于表3中各聯(lián)盟下的強化成本,計算企業(yè)聚合體A1、A2和A3的初始上層Shapley值為8.263億、7.173億和6.333億元,聯(lián)盟聚合體的不可分成本為0.88億元。結(jié)合各企業(yè)聚合體的新能源并網(wǎng)風(fēng)險因子,計算得到計及風(fēng)險的上下層Shapley值,如圖6所示。
圖6 上層和下層Shapley值計算結(jié)果Fig.6 The upper and lower Shapley value calculation results
由圖6(a)可知,由于企業(yè)聚合體A3的發(fā)電容量可信度較高,可減少電網(wǎng)后續(xù)的強化成本投入,故而不可分強化成本支付為-0.205億元。相比之下,A1和A2發(fā)電容量可信度較低,導(dǎo)致電網(wǎng)需投入更多強化成本以保障可靠消納,故以附加的不可分強化成本作為懲罰,使得A1和A2的強化成本分別抬升了0.147億元和0.059億元。最終A1、A2和A3分?jǐn)偟膹娀杀痉謩e為8.410億元、7.232億元和6.128億元。計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險對強化成本的抬升影響提高了分?jǐn)偨Y(jié)果的公平合理性。
進一步計算各企業(yè)聚合體內(nèi)部的下層Shapley值,結(jié)果如圖6(b)所示。以企業(yè)聚合體A2為例,A2中不同發(fā)電企業(yè)組成聚合體的強化成本如表4所示。圖6(b)中,新能源企業(yè)5、6和7的初始下層Shapley值分別為2.64億、1.63億和3.58億元,根據(jù)表4計算得到企業(yè)聚合體A2的不可分成本為1.3億元,計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險后,企業(yè)5、6和7所分?jǐn)偟牟豢煞謴娀杀緸?.087億、0.087億和-0.173億元。
表4 不同企業(yè)聚合體結(jié)構(gòu)的強化成本Table 4 Reinforcement cost for of different enterprise aggregation structure
根據(jù)圖6中的各企業(yè)聚合體和發(fā)電企業(yè)計及風(fēng)險的Shapley值,進一步計算得到各新能源發(fā)電企業(yè)計及并網(wǎng)風(fēng)險的EANS-Owen值,即分?jǐn)偟降膹娀杀?結(jié)果如表5所示。
表5 強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Table 5 Allocation result of reinforcement cost
由表5可知,裝機容量較小的企業(yè)2和9對于各自所屬企業(yè)聚合體的成本貢獻較小,故最終分?jǐn)偟玫降膹娀杀据^少;而企業(yè)4和7裝機容量大,發(fā)電技術(shù)成熟,雖上網(wǎng)電量較多,但企業(yè)內(nèi)部的儲能容量配置比例較高,能平抑較多的出力波動,并網(wǎng)風(fēng)險較低,因而企業(yè)4和7附加的不可分成本為負(fù)值,最終分?jǐn)偟膹娀杀居兴鶞p少。此外,各新能源企業(yè)形成聯(lián)盟后分?jǐn)偟某杀揪兴档?滿足理性條件。
選取邊際成本法、Shapley值法與本文所提模型進行對比,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,采用邊際成本法的強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果在企業(yè)4和7的之間分?jǐn)倳r存在明顯的交叉補貼。邊際成本法計算的強化成本與各企業(yè)并網(wǎng)順序相關(guān),而由于強化成本的邊際遞減特點,企業(yè)7后并網(wǎng)發(fā)電使其享受后發(fā)者的優(yōu)勢,而分?jǐn)偢俚膹娀杀?因此分?jǐn)偨Y(jié)果公平性不足,使得新能源企業(yè)并網(wǎng)積極性受挫。而采用本文所提分?jǐn)偛呗詴r,企業(yè)4和7的強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果十分接近,兩者分?jǐn)偨Y(jié)果的差異是由于新能源并網(wǎng)風(fēng)險不同引起的,因此更加公平合理。基于Shapley值法對強化成本分?jǐn)倳r,忽略了企業(yè)1、6和8能各自與電氣距離近的企業(yè)形成聚合體,共享儲能和輸電通道,從而減少強化成本投入,使得Shapley值法得出的企業(yè)1、6和8分?jǐn)倧娀杀据^本文所提模型更高。
圖7 不同方法的強化成本分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.7 Allocation results of different method for reinforcement cost
4 結(jié) 論
本文構(gòu)建了高比例新能源接入下電網(wǎng)輸配電成本多主體分?jǐn)偰Ｐ?所建模型能夠有效促進新增輸配電成本的合理疏導(dǎo)。仿真結(jié)果表明:
1)本文所提基于成本責(zé)任度量的接網(wǎng)成本分?jǐn)偰Ｐ涂梢岳迩逶淳W(wǎng)兩側(cè)的成本責(zé)任,確保成本分?jǐn)偡蓊~與新能源發(fā)電企業(yè)承擔(dān)能力相匹配的同時,給出提升發(fā)電技術(shù)水平和優(yōu)化電力資源配置的激勵信號。
2)本文所提計及新能源并網(wǎng)風(fēng)險的強化成本分?jǐn)偰Ｐ湍軌蚋鶕?jù)成本貢獻分配各主體的強化成本,并引入了不可分成本來表征新能源發(fā)電企業(yè)抬升強化成本的并網(wǎng)風(fēng)險差異,使得分?jǐn)偨Y(jié)果更加公平合理,為合理疏導(dǎo)電網(wǎng)強化成本提供理論支撐。
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