王 瑜,邱凌鍵,儲(chǔ)學(xué)立,吳昌設(shè),馬顯駿,羅時(shí)偉,吳 倩
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司,浙江 溫州 325000;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007;3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司平陽(yáng)縣供電公司,浙江 平陽(yáng) 325401;4.天地電研(北京)科技有限公司杭州分公司,杭州 310012;5.天地電研(北京)科技有限公司,北京 102206)
目前關(guān)于配電網(wǎng)投資分配的研究很多,但仍存在投資總規(guī)模不能準(zhǔn)確確定、投資分配比例不能獲得有效驗(yàn)證的盲點(diǎn)[1]。當(dāng)前的研究成果大致可分為兩類:第一類是在總投資額已知的情況下從不同角度進(jìn)行投資優(yōu)化比例分配。文獻(xiàn)[2-4]建立了配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)和基于投資分配約束的分配方法;文獻(xiàn)[5-6]從投資需求、經(jīng)濟(jì)性要求、電量增長(zhǎng)需求角度建立了配電網(wǎng)投資分配的模型;文獻(xiàn)[7-9]考慮不同因素對(duì)投資效益的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)投資額進(jìn)行分配;文獻(xiàn)[10-13]建立了地市級(jí)供電公司各地區(qū)中壓配電網(wǎng)投資與指標(biāo)綜合評(píng)分的函數(shù)關(guān)系。第二類是在總投資額已知的情況下以實(shí)現(xiàn)某個(gè)或某類指標(biāo)(例如可靠性)最大為目標(biāo)開(kāi)展投資分配。文獻(xiàn)[14-15]建立了基于投資規(guī)模和投資方向的配電網(wǎng)投資分配模型,但在項(xiàng)目排序時(shí)未考慮項(xiàng)目間的約束關(guān)系;文獻(xiàn)[16-17]給出了可靠性與經(jīng)濟(jì)性之比最高的項(xiàng)目?jī)?yōu)選方法,但優(yōu)選后的項(xiàng)目無(wú)法合理覆蓋所研究區(qū)域的問(wèn)題。上述文獻(xiàn)均假定配電網(wǎng)所有項(xiàng)目的總投資額不超過(guò)投資預(yù)算,未給出確定總投資額的方法;由于項(xiàng)目?jī)?yōu)選按照整個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行排序,導(dǎo)致部分供電網(wǎng)格投資過(guò)剩或不足,分配結(jié)果不夠合理;所提方法均未實(shí)現(xiàn)對(duì)投資總額的準(zhǔn)確估算。
針對(duì)上述不足,本文提出一種配電網(wǎng)投資縱橫向分配及其校驗(yàn)方法,橫向涵蓋項(xiàng)目分類,縱向貫通市縣網(wǎng)格。所提出的投資分配與項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型既解決了投資分配問(wèn)題,又解決了配電網(wǎng)投資總額如何準(zhǔn)確確定的問(wèn)題,并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)完成對(duì)投資比例分配的閉環(huán)校驗(yàn)。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
1)在基于投資效果的投資分配方法中,綜合考慮項(xiàng)目自身的重要性、改善程度的緊迫性和自身對(duì)整體效益的貢獻(xiàn),提出權(quán)重矯正系數(shù),使之能根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施后的效果自適應(yīng)調(diào)整。
2)在項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型中,以供電網(wǎng)格為范圍考慮項(xiàng)目自身約束及項(xiàng)目間約束條件,避免項(xiàng)目過(guò)度集中于個(gè)別區(qū)域。
3)在完成配電網(wǎng)整體—不同投資方向分配—供電網(wǎng)格內(nèi)“自上而下”的投資分配后,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)采用工程量統(tǒng)計(jì)法“自下而上”對(duì)所有優(yōu)選項(xiàng)目的投資額進(jìn)行匯總,并將“自上而下”的投資額與“自下而上”的投資額進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)投資總額的準(zhǔn)確估算。所提方法能夠?yàn)楣╇娖髽I(yè)合理確定配電網(wǎng)投資總規(guī)模、均衡分配投資方向、科學(xué)安排投資項(xiàng)目提供有效支撐。
本文所提配電網(wǎng)投資分配模型如圖1所示,主要分為以下三部分:

圖1 配電網(wǎng)投資決策模型Fig.1 The distribution network investment decision model
1)根據(jù)決策目標(biāo)確定投資方向(即項(xiàng)目類型);建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,分析投資方向與評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,明確各投資方向的重要度。
2)從宏觀層面提出配網(wǎng)規(guī)劃總投資及不同投資方向的決策方法,得到配電網(wǎng)投資總額和不同投資方向的分配比例。
3)建立項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型,得到優(yōu)選項(xiàng)目。從微觀層面分析歷史項(xiàng)目的各部分工作量及綜合單價(jià),根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出目標(biāo)年所有優(yōu)選項(xiàng)目的項(xiàng)目投資額;按投資方向匯總以檢驗(yàn)宏觀層面得出的分配比例是否正確;全部匯總以估算出配電網(wǎng)總投資額。
按照Q/GDW 1738—2020《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》要求,結(jié)合W 市供電公司2017—2019年規(guī)劃項(xiàng)目數(shù)據(jù),選取如圖2所示的配電網(wǎng)投資方向與評(píng)價(jià)指標(biāo)。從源網(wǎng)荷儲(chǔ)幾方面將投資方向分為7個(gè),共選取17項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 配電網(wǎng)投資方向與評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.2 Distribution network investment directions and evaluation indicators
2.2.1 改善程度法指標(biāo)權(quán)重
配電網(wǎng)指標(biāo)的提升幅度不僅與項(xiàng)目的實(shí)施效果有關(guān),還與項(xiàng)目實(shí)施前的電網(wǎng)現(xiàn)狀水平有關(guān)。為使項(xiàng)目的實(shí)施效果與電網(wǎng)現(xiàn)狀解耦,將指標(biāo)絕對(duì)變化程度與其可改善空間的比值定義為指標(biāo)改善程度。一般來(lái)說(shuō),指標(biāo)的現(xiàn)狀值與理想值之間的差距能夠反映該指標(biāo)的改善緊迫程度——現(xiàn)狀值與理想值的差距越大,表明改善緊迫程度越高,指標(biāo)權(quán)重也相應(yīng)越高。這同時(shí)也解決了不同指標(biāo)具有不同的特性、量綱和數(shù)量級(jí)的問(wèn)題。


表1 投資方向與評(píng)價(jià)指標(biāo)的映射關(guān)系Table 1 The mapping relationship between investment directions and evaluation indicators

采用改善程度法求得的各指標(biāo)相對(duì)重要度為:
隨著項(xiàng)目的逐年實(shí)施,每年末對(duì)各指標(biāo)重新評(píng)價(jià),動(dòng)態(tài)更新各指標(biāo)權(quán)重的改善程度,因此改善程度法所得權(quán)重不會(huì)固定不變,而是會(huì)隨著年份的變化不斷調(diào)整,能夠充分體現(xiàn)出不同時(shí)期指標(biāo)的改善緊迫程度。但這種僅依靠指標(biāo)改善緊迫程度的方法有一個(gè)缺陷——某些指標(biāo)(如新增線路條數(shù)占比、分布式電源裝機(jī)規(guī)模等需要與新增負(fù)荷或清潔能源電源容量相協(xié)調(diào)的區(qū)間類指標(biāo))與理想值的差值較小,但該類項(xiàng)目的實(shí)施緊迫度卻很高時(shí),不能準(zhǔn)確反映此類項(xiàng)目的權(quán)重。為此,除采用上述改善程度法計(jì)算權(quán)重外,另外選擇德?tīng)柗品ā㈧貦?quán)法共3種方法來(lái)確定權(quán)重。
2.2.2 組合權(quán)重
改善程度法反映了指標(biāo)提升程度的需求;熵權(quán)法關(guān)注指標(biāo)值的變異程度,其變異程度越大,提供的信息量越多,所能起到的作用也越大,其權(quán)重也就越大,反映了指標(biāo)對(duì)整體的影響程度;德?tīng)柗品▌t結(jié)合專家多年的經(jīng)驗(yàn),偏重于指標(biāo)本身的重要程度。3種方法結(jié)合起來(lái),既考慮了指標(biāo)本身的重要性,又考慮了指標(biāo)提升程度要求和單相指標(biāo)對(duì)總體的貢獻(xiàn),能更好地反映項(xiàng)目的實(shí)際效果。指標(biāo)i的組合權(quán)重ωi為:
式中:ωia為改善程度法指標(biāo)權(quán)重;ωib為德?tīng)柗品ㄖ笜?biāo)權(quán)重;ωic為熵權(quán)法指標(biāo)權(quán)重;α、β、γ為權(quán)重系數(shù),依據(jù)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)通過(guò)專家會(huì)議法確定。隨著項(xiàng)目的實(shí)施,ωia將逐年更新。
2.2.3 權(quán)重矯正系數(shù)
用組合權(quán)重除以改善程度法權(quán)重,得到權(quán)重矯正系數(shù)ki:

單項(xiàng)指標(biāo)的得分采用百分制:
式中:si為單項(xiàng)指標(biāo)得分;yi為單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分。
綜合評(píng)分計(jì)算公式為:
式中:S為綜合評(píng)分。
基于近J年的歷史數(shù)據(jù),按年份統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目建設(shè)前后各指標(biāo)實(shí)際值和配電網(wǎng)總投資,計(jì)算各年份的配電網(wǎng)整體單位投資的改善效果;然后將歷史年單位投資配電網(wǎng)改善效果加權(quán),作為目標(biāo)年配電網(wǎng)單位投資改善效果。
式中:E為配電網(wǎng)單位投資改善效果;Sj為第j年配電網(wǎng)整體綜合評(píng)分;Vj為第j年配電網(wǎng)投資總額;λj為年份權(quán)重系數(shù),考慮到資金時(shí)間價(jià)值,所選年份距離參考年越近,權(quán)重越高;j′為歷史年距離參考年的年數(shù),例如參考年為2020年,則2017年對(duì)應(yīng)的j′=3。
根據(jù)配電網(wǎng)各指標(biāo)的現(xiàn)狀值和理想值,計(jì)算配電網(wǎng)整體綜合評(píng)分。結(jié)合目標(biāo)年的單位投資效果,可確定目標(biāo)年配電網(wǎng)整體投資規(guī)模:
式中:V*為目標(biāo)年配電網(wǎng)規(guī)劃總投資需求;S*為目標(biāo)年綜合評(píng)分。
相同投資方向的項(xiàng)目可改善多項(xiàng)指標(biāo),而同一項(xiàng)指標(biāo)也可由多個(gè)不同投資方向的項(xiàng)目來(lái)改善,因此需要將投資方向與評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)聯(lián),投資方向與評(píng)價(jià)指標(biāo)的映射見(jiàn)表1。
投資方向重要度的計(jì)算公式為:
式中:cl為第l類投資方向重要度;nl為第l類投資方向的關(guān)聯(lián)指標(biāo)集合中的指標(biāo)數(shù)量;ωl,h為第l類投資方向關(guān)聯(lián)指標(biāo)集合中第h項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。
根據(jù)歷史年各投資方向的改善效果,推算目標(biāo)年各投資方向的投資額比例。第j年第l個(gè)投資方向的改善效果為:
式中:ej,l為第j年第l個(gè)投資方向的改善效果;sj,l,h為第j年第l個(gè)投資方向關(guān)聯(lián)指標(biāo)集合中第h項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分;ωj,l,h為第j年第l個(gè)投資方向關(guān)聯(lián)指標(biāo)集合中第h項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。
每類投資方向的單位投資改善效果為:
式中:el為第l個(gè)投資方向的單位投資改善效果;vj,l為第j年第l個(gè)投資方向的總投資額。
結(jié)合投資方向重要度決定投資分配占比:
項(xiàng)目?jī)?yōu)選的流程如圖3所示。項(xiàng)目?jī)?yōu)選的目標(biāo)函數(shù)為各個(gè)供電網(wǎng)格內(nèi)所選項(xiàng)目的得分值之和最大。約束條件分為資金約束和項(xiàng)目約束兩大類,資金約束為該供電網(wǎng)格的投資分配約束,項(xiàng)目約束分為單個(gè)項(xiàng)目約束條件和項(xiàng)目間約束條件。

圖3 項(xiàng)目?jī)?yōu)選流程Fig.3 The project selection process
優(yōu)選模型目標(biāo)函數(shù)為:
式中:Fk為供電網(wǎng)格k的項(xiàng)目?jī)?yōu)選目標(biāo)函數(shù);s(pk-l-m)為供電網(wǎng)格k第l類投資方向第m個(gè)規(guī)劃項(xiàng)目pk-l-m的綜合評(píng)分;L為投資方向數(shù)量;Ml為第l類投資方向規(guī)劃項(xiàng)目數(shù)量。
本文以供電網(wǎng)格為范圍開(kāi)展項(xiàng)目?jī)?yōu)選。以網(wǎng)格k為例,網(wǎng)格k第l個(gè)投資方向的投資額vk-l為:

供電網(wǎng)格k的總投資額vk為:
式中:Lk為供電網(wǎng)格k中投資方向的總數(shù)量。
4.3.1 單個(gè)項(xiàng)目約束條件
單個(gè)項(xiàng)目約束為:
式中:Pk為供電網(wǎng)格k所有項(xiàng)目方案的集合;v(pk-l-m)為項(xiàng)目pk-l-m的投資額。
4.3.2 項(xiàng)目間約束條件
若供電網(wǎng)格k中的項(xiàng)目a(pk-a)為強(qiáng)制性項(xiàng)目,則投資額約束為:
式中:v(pk-a)為項(xiàng)目pk-a的投資額。
若項(xiàng)目pk-a與pk-b為互斥關(guān)系,則投資額約束為:
若項(xiàng)目pk-a與pk-b為共生關(guān)系,則投資額約束為:
若pk-a與pk-b為從屬關(guān)系,則投資額約束為:
配電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中,需要購(gòu)買設(shè)備,占用人力及施工設(shè)施。這些項(xiàng)目工程量、設(shè)施綜合單價(jià)、施工單價(jià)等數(shù)據(jù)都有相應(yīng)的造價(jià)規(guī)范文件為依據(jù),也有項(xiàng)目竣工驗(yàn)收?qǐng)?bào)告和項(xiàng)目決算文件為支撐。
根據(jù)獲得的優(yōu)選項(xiàng)目,從歷史完工項(xiàng)目庫(kù)中找出供電網(wǎng)格k中所有類似的完工項(xiàng)目,并將各項(xiàng)目量化為人、機(jī)、物及其對(duì)應(yīng)的工程量:
式中:Lline為所需建設(shè)的架空線路長(zhǎng)度,Uline為架空線路單位長(zhǎng)度綜合單價(jià);Lcable為所需建設(shè)的電纜線路長(zhǎng)度,Ucable為電纜線路單位長(zhǎng)度綜合單價(jià);Ntrans為所需增加的配電變壓器容量,Utrans為配電變壓器單位容量綜合單價(jià);Nswitch為所需的開(kāi)關(guān)臺(tái)數(shù),Uswitch為單臺(tái)開(kāi)關(guān)綜合單價(jià);Nconstruct為所需的某項(xiàng)施工工程量,Uconstruct為該項(xiàng)施工綜合單價(jià);Nequip為所需的工器具數(shù)量,Uequip為該項(xiàng)工器具綜合單價(jià);Nhuman為所需人力資源數(shù)量,Uhuman為人力資源單價(jià);Nother為其他工程量,Uother為其他工程量綜合單價(jià);vfix為固定費(fèi)用。對(duì)于式(25)中不同完工年份的項(xiàng)目,其相同項(xiàng)的綜合單價(jià)需要考慮資金時(shí)間價(jià)值。
目標(biāo)年各項(xiàng)目工程量的估算方法為:架空、電纜線路按長(zhǎng)度估算;配電變壓器按戶均配電變壓器容量估算;施工工程量依據(jù)建設(shè)規(guī)模估算。
先匯總所有優(yōu)選項(xiàng)目的投資額,得到投資總額,再與式(12)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。考慮到項(xiàng)目?jī)?yōu)選的約束條件,優(yōu)選后的項(xiàng)目投資額的匯總結(jié)果應(yīng)小于式(12)的計(jì)算結(jié)果。
按式(25)估算出目標(biāo)年優(yōu)選項(xiàng)目的投資額后,按投資方向?qū)㈨?xiàng)目投資額分類匯總,得到不同方向的投資額比例;然后與依據(jù)式(16)計(jì)算的投資方向分配比例對(duì)比,若某些投資方向的投資額差別較大(例如投資占比相差超過(guò)10%),需分析影響較大的因素,找出問(wèn)題所在。
解決方法是:以從完工項(xiàng)目庫(kù)中抽取出的歷史年實(shí)際數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),先檢查項(xiàng)目的工程量有無(wú)漏項(xiàng)、綜合單價(jià)有無(wú)考慮資金時(shí)間價(jià)值,再根據(jù)近幾年經(jīng)濟(jì)走勢(shì)進(jìn)一步校核折現(xiàn)率,重新計(jì)算。按不超過(guò)2%的步長(zhǎng)調(diào)整式(5)中權(quán)重α、β、γ,再次按式(1)—(16)的順序計(jì)算調(diào)整計(jì)算后的投資總額、分配比例。由于數(shù)據(jù)來(lái)源為同源歷史數(shù)據(jù),一般迭代2~3次即可滿足要求。
校驗(yàn)合格后,匯總優(yōu)選項(xiàng)目的投資額,可得到最終的配電網(wǎng)總投資額。按投資方向匯總,可得到最終的不同投資方向的投資額分配。將優(yōu)選項(xiàng)目按供電網(wǎng)格匯總,可得到各個(gè)供電網(wǎng)格的投資額。
以Z 省W 市Y 區(qū)配電網(wǎng)為例,開(kāi)展2020年配電網(wǎng)投資決策分析。
1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀年(2018年)和目標(biāo)年(2020年)的各指標(biāo)值如表2所示,共含93個(gè)供電網(wǎng)格。表3為采用3種方法得到的權(quán)重系數(shù)和初始權(quán)重矯正系數(shù)。初始權(quán)重計(jì)算時(shí),取α=0.333,β=0.333,γ=0.333。

表2 某地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀值與目標(biāo)值Table 2 Current and target values of distribution networks in a region

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定Table 3 Determination of weights of evaluation indicators
2)投資方向重要度計(jì)算。各類投資方向重要度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 投資方向重要度與投額分配額Table 4 Importance of investment directions and investment allocation amounts
3)總投資及投資分配計(jì)算。根據(jù)2013—2017年數(shù)據(jù),計(jì)算各年配電網(wǎng)整體單位投資改善效果,見(jiàn)表5。

表5 歷史年整體單位投額改善效果Table 5 Overall unit investment improvement effect in historical years
目標(biāo)年的單位投資配電網(wǎng)改善效果加權(quán)值為0.693 分/億元。根據(jù)式(12)計(jì)算出2020年的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目預(yù)計(jì)投資規(guī)模為43.89 億元;根據(jù)式(16)計(jì)算得到各投資方向的分配比例和投資限額,見(jiàn)表4。
4)供電網(wǎng)格項(xiàng)目?jī)?yōu)選。W市Y 區(qū)2020年共上報(bào)609個(gè)中壓配電網(wǎng)項(xiàng)目,以供電網(wǎng)格A為例,各項(xiàng)目的綜合評(píng)分、排名及優(yōu)選結(jié)果如表6所示。得到整個(gè)區(qū)域優(yōu)選結(jié)果后形成W市Y區(qū)2020年的優(yōu)選項(xiàng)目庫(kù),共包括511個(gè)項(xiàng)目,項(xiàng)目實(shí)際投資規(guī)模為38.7億元。

表6 供電網(wǎng)格A項(xiàng)目綜合評(píng)分Table 6 Comprehensive scores of items of power supply grid A
5)供電網(wǎng)格投資計(jì)算。以供電網(wǎng)格A—K 這10 個(gè)網(wǎng)格為例,計(jì)算得到7 個(gè)投資方向的投資分配額,見(jiàn)表7。
6)投資校驗(yàn)。架空線路單位長(zhǎng)度綜合造價(jià)取60 萬(wàn)元/km;智能終端和相應(yīng)通信設(shè)備的綜合造價(jià)取11 萬(wàn)元/套;電纜線路單位長(zhǎng)度綜合造價(jià)取120 萬(wàn)元/km;配電變壓器單位容量綜合造價(jià)取0.038萬(wàn)元/kVA;固定費(fèi)用取1萬(wàn)元。
得到網(wǎng)格A—K 的投資額計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。為進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)列出另兩種常規(guī)投資分配方法(方法1 和方法2)的計(jì)算結(jié)果。可以看出,本文所提經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的分配算法得到的結(jié)果誤差更小,且能對(duì)總投資額進(jìn)行比較準(zhǔn)確的估計(jì)。

表8 網(wǎng)格A—K 2020年計(jì)算投資額Table 8 Calculated investment amounts of grid A to grid K in 2020
本文提出了一種配電網(wǎng)投資額全流程估算分配及閉環(huán)校驗(yàn)方法。在配電網(wǎng)規(guī)劃投資總體規(guī)模和各個(gè)投資方向的分配限額確定的基礎(chǔ)上構(gòu)建了項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型,以供電網(wǎng)格為限實(shí)現(xiàn)了考慮項(xiàng)目間關(guān)聯(lián)關(guān)系的項(xiàng)目?jī)?yōu)選,充分利用供電網(wǎng)格間的空間獨(dú)立性,避免了項(xiàng)目不能合理覆蓋所研究配電網(wǎng)區(qū)域的問(wèn)題。另一方面,以進(jìn)入優(yōu)選項(xiàng)目庫(kù)的項(xiàng)目為參照,利用完工數(shù)據(jù)庫(kù)歷史數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)相似工作量和綜合單價(jià)數(shù)據(jù)的評(píng)估,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)年優(yōu)選項(xiàng)目投資額的估算。最后,對(duì)不同投資方向配額進(jìn)行了校驗(yàn),且準(zhǔn)確估算出投資總額。
本文所提方法流程清晰,能夠應(yīng)用于電網(wǎng)公司配電網(wǎng)投資管理工作中,可為配電網(wǎng)投資的合理估算提供決策參考。