含分布式发电配电网企业综合效益分析

郭 莉，付立思

（沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁沈阳 110866）

中国电力系统主要以集中供电，统一输配电的模式来组建电网。然而，随着能源供应紧张，导致环境保护问题突显、节能减排压力增大以及电力缺口扩大。分布式发电（distributed generation，DG）以其降低线损、节能减排、环保低碳、投资成本少、占地面积小以及减少发电容量等多方面的经济环境效益，促使中国电网从大容量发电、远距离送电、终端配电的大电网互联模式向区域内自平衡的分布式、就地平衡、低网损模式发展［1］。传统发电方式和分布式发电方式相结合，用户自主地选择从电网买电或者自行发电，是打破行业垄断与合理引入竞争机制的积极表现。

中国电网分为3 个等级：高压网络（U≥220 kV）、中压网络（110kV 和35kV）、低压配电网络（U≤10kV）。三者的损耗比为1.5∶1.1∶2.5，低压配电网络损耗占整个网络损耗将近50%［2］。因此，研究10kV及以下的配电网络更有实际意义。文献［3］的线损效益模型很经典，但是文章中未对网损增加量进行衡量分析；文献［4］从DG 对网损的影响程度出发，引入网损影响因子概念模型；文献［5］提出燃煤发电的环境成本计算方法，但随着时代的发展应计及脱硫、脱硝设备的成本；文献［6］计及了断电情况下电网企业需要赔付的费用成本；文献［7］考虑盈亏平衡价格的DG接入减少的成本以及延缓投资；文献［8］介绍了延缓长期配电网投资更新效益的评估方法；文献［9］没有计入环境收益，过于追求经济表现。

以上文献的研究均没有通用的或者是完善的方法来衡量分布式发电的整体社会价值，本文是考虑线损效益时计及线损贡献度平衡成本收益，并且计及环境价值的整体综合收益，不仅考虑经济价值的方法。计算时作出一些简化问题的假设，即潜在直接电网价值和环境价值（不仅是温室气体排放还有区域空气污染）仅仅考虑边际的成本与收益。本文以冀西北地区电力系统引入DG 为例，对电力企业的社会成本效益分析，提出相应评估模型。

1 电网企业的社会成本效益分析

当有分布式电源接入电网时，电网企业原本的成本收益组成发生改变，统称为电网企业的综合成本效益。本文主要分析潜在直接电网价值和间接环境价值。潜在直接电网价值分为减少线路损耗、降低购买电价、售电利润损失、延缓电网的扩容投资；间接环境价值包括避免温室气体和污染物的排放。

1）线路损耗 因为传统集中式供电的远距离输电造成大量线路损耗，而DG 离负荷区域较近，缩短传输路径，进而影响系统网损量［9－10］。但应注意，当网损出现不降反增的时候，需要引入网损影响因子［11］，将成本增量分摊到每个DG 上，以转嫁风险。只有降低损耗才能降低电网企业的购电成本。

2）购电价格 电网企业从DG 购电，因为政策的倡导和补贴，在价格上优于传统电厂批发价格。

3）售电损失 DG 除了自身电力供应外还并网向电网卖电，电网企业的售电损失是与用户自身用电量有关［12］。

4）延缓电网的扩容投资 随着用户用电量的急剧增加，DG 接入避免了大型扩容设备的投资，且安装运行上减少了包括受时间因素影响较大的电力负荷预测风险、燃料价格风险、无形资产贬值险风等［3］。

5）间接环境价值 传统发电方大量燃煤需缴纳治污费以及罚款，使得发电成本增加［13－14］，从DG 购电节省了这部分成本，以一定比例分摊乘以此成本作为电网企业的良好社会环境效益，称为优势环境收益。需要注意的是要区分以小时为单位的计算量（网损、低价电、间接环境收益）与以年为单位的计算量（延缓电网的扩容投资和售电损失［15］）。

2 电网企业的社会成本效益评估模型

2.1 线路损耗效益模型

线路损耗效益主要与降损量和电力批发价格成正相关性。线路损耗的典型计算方法为无DG 情况下与接入DG 后的线路损耗之差，可正可负。假设上级电源和负荷之间配网为典型放射状链式配电网，配电系统采用星型三相接线［3］。DG 接入前后的配电网简化图如图1所示。

图1 DG 接入前后的配电网简化图Fig.1 A distribution network with and without DG

如图1a）所示的配电网单回路简化电路图，设负荷端和上级电源端之间距离为Lkm，线路单位长度电阻为r0，Ω／km，负荷端相电压为Up，流入负荷端的相电流为IL，系统线路损耗为Ploss0，且吸收的复功率为SL＝PL＋jQL。

1）无DG 接入配电网的情况

无DG 接入配电网时，公式表示为

2）有DG 接入配电网的情况

若在距离上级电源Kkm 处接入1台DG，如图1b）所示，注入系统的单相电流为IDG，DG 注入系统的功率为SDG＝PDG＋jQDG，上级电源与DG 接入点间距离为K，流经此段的单相电流为IK＝IL－IDG。由于DG 的接入，线路损耗发生改变，具体分为2段来分析：一个是K段上的损耗，另一个是（L－K）段的损耗。K段上的电能损耗，记为PlossDG1。

（L－K）段上的电能损耗，记为PlossDG2：

所以，DG 接入后的总线路损耗，记为PlossDG：

3）接入DG 前后的线损变化量

4）线损贡献度

若式（7）结果为正，DG 达到降损目的；反之存在线损增加的情况。计算线损收益前先判断造成的线损是增加还是减少，如果增加，则乘以批发电价记为成本分摊到每个DG 上取平均值；如果减少，乘以批发电价记为收益。所以应该先引入一种网损影响因子——线损贡献度，用来衡量DG 接入前后对全网有功损耗的影响程度，即DG 并网引起的全网线损变化量与并网前全网线损量之比［4］。

单个DG 并网的线损贡献度为

式 中：CLi为 第i座DG 并 网 对 配 网 的 线 损 贡 献度，%；ΔPi1为第i座DG 并网时全网的有功损耗，kW；ΔPi0为 第i座DG 停 运 时 全 网 的 有 功 损耗，kW。

所有DG 并网的线损贡献度为

式中：CL∑为配电线路中所有DG 并网对全网的线损贡献度，%；ΔP∑1为所有DG 并网时全网的有功损耗，kW；ΔP∑0为所有DG 停运时全网的有功损耗，kW。

若式（9）结果为正，表明DG 的接入使得整个系统的线损量增加，且数值越大增量越多，每个DG 分摊的平均值越大；反之，达到降损目的且可知降损的能力。

所以，由式（7）和式（9）可得：

5）线损收益模型

以小时为计算单位，取i为单位变量，负荷所需功率表示为Pi，电网企业需购买的总量为Pi＋Plossi。DG 并网前后的线损分别为Ploss0i，PlossDGi，从传统发电方所买电力批发价格为A1，而从DG 购电的价格为A2。Pi与两者价差的乘积部分计入低价电部分［16］，此处暂不考虑，可得线损引起的开支变化量为R1i＝Ploss0iA1－PlossDGiA2。所以第t年线损的开支变化R1t为

2.2 购买低价电收益模型

DG 并网购电收益主要是在高峰期时避免高价购电成本，其大小主要与负荷侧需求大小、两者购电价差和售电量相关［6］。同上，取i为单位变量，负荷所需功率表示为Pi，从传统发电方所买峰值电力批发价格为A1，而且保守估计峰期的用电量在50%以上（以50% 为例），而从DG 购电的价格为A2，DG 有功功率为PDGi。可得购电收益为R2i＝PDGi·（A1－A2）×50%。第t年整体购电收益R2t为

2.3 售电损失模型

售电损失程度与电价的零售利润与用户自满足电量相关，DG 并网引起了售电收益减少，是两者的乘积。设用户年用电量为Q，电网平均零售电价为A0，平均售电成本为A3，传统发电方式时，用户带给电网企业的收益为Q×（A0－A3），接入DG 后假设完全自用，则电网企业损失的收益［4］为

2.4 延缓电网扩容投资收益模型

由文献［8］可知，若每年自然负荷增长造成的超载概率为0.5%，假设每年1.5% 的负荷增长，馈线中接入渗透率为30% 的风力发电将导致推迟5年投资。这种因推迟建设投资而获得的时间价值即为收益，它是DG 总装机量和电网建设的资金成本的乘积。DG 在整个寿命周期N内对节点f产生的延缓扩容投资收益为

式中：Cf为无DG 接入时配网单位装机的年更新成本；d为电网企业的加权平均资金成本，为6%；n为延缓节点f的更新投资时间［9］（n＜N）。

2.5 间接环境收益模型

传统发电方因大量燃煤需缴纳治污费以及罚款［5］，为了等值补偿污染物造成的环境破坏的外部经济损失使得发电成本增加。如果电网企业从DG购电，节省了这部分成本，以一定比例分摊乘以此成本作为电网企业的良好社会环境效益称为优势间接环境收益。比例选取为30%，完成成本到收益的转变。污染排放表见表1。

表1 燃煤发电的污染物排放表Tab.1 Coal fired power generation emissions table

计算公式如式（15）所示，m为污染物种类；Vej为第j项污染物的环境价值，元／kg；Qj表示第j项污染物的排放量，kg；Vj为排放第j项污染物所受的罚款，元／kg。平均1kW·h电耗煤300g。Q为年用电量。

2.6 整体社会成本效益模型

综合上述模型，电网企业的整体社会成本效益Rt可表示为5者的加和，以求取其最大值作为目标。在整个生命周期T内第t年的公式表示为

式中：R4／T是第t年均摊的延缓扩容投资收益。假设这个生命周期T内年社会成本效益相同，若年利率为r，n为推迟投资的时间，是年金等值系数，表示一次支付现值系数。将效益折算为DG正式运营第1年的净现值（不计6%的通胀率）。

约束条件中除技术性约束，还有经济性约束。以DG 能够经济运行，自身愿意向电网售电作为主要经济约束条件［7］。第t年DG收益是用户年用电量Qt与电网平均零售电价A0的乘积，与向电网售电所得收 益之和。同样假设DG年收益相同，其运行净现值为

式中ADGinverst是T年末分摊的固定资产投入总和。

3 算例分析

以张家口地区配电系统为例，系统电压为12.66kV，馈线负荷端有功与无功功率分别为40～60 MW 和23～52 Mvar，燃煤电厂与等效集中负荷端间距离为30km，馈线的单位长度电阻为1.98 Ω／km［17］，一风力发电机组在距集中负荷端14km处接入系统，输入的最大有功和无功功率分别为4 MW和4Mvar，4 MVA 的DG 可延缓4×106元的输配电建设投资5年［4］。上网电价一般指的是平段电价，而实际是分峰、平、谷3种的时段电价（或4种：尖、峰、平、谷）。高峰时段电力价格为平段再加60%，而且保守估计峰期的用电量在50%以上，以50%为例。且随着国家经济发展，工人工资福利的不断增加，分摊到上网电价的人工费用增多，所以根据最新核算方法得工业用电含税上网电价为0.596元／（kW·h）［18］。风电上网电价为0.54元／（kW·h）。为排除DG 出力过低造成电网企业的亏损，选取DG 出力占自身装机总容量95%以上计算［19］，且DG 总出力全部出售。按季节将整年分为春秋、夏、冬3个阶段来研究，分别绘制出典型工作日以及节假日的负荷曲线如图2所示。

图2 6个典型日的负荷曲线Fig.2 Load curve of six typical days in network

可知，日最大负荷分别为43.1，40.8，59.2，58.4，50.4，53.6 MW。可知此配电、电网功率因数为0.76，折现率r＝12.5%，生命周期T＝20。当t＝12h时，DG 以最大功率输入，夏季典型工作日时线损从749.25 MW 减少55.77 MW 变为693.48 MW，以6种典型日为参考计算各部分收益如表2所示。

表2 各季典型工作日电网企业各部分收益Tab.2 Profits of each part of power grid enterprises in typical work day in four seasons

由表2可计算全年平均的整体社会成本收益。全年中251d工作日，114d节假日，按四季比例分配可估算出全年平均收益。在保证DG 的经济运行条件下，计算可知电网企业年平均最高收益可达6.31×106元。即系统中接入DG，提高了电网企业的整体社会效益，减少了系统线损，直接或间接起到削峰作用，延缓了电网投资并且改善环境污染问题，减少环境支出。

4 结 论

本文提出了电网企业的的社会成本效益评估模型，在考虑DG 经济运行的约束条件下，将这个收益部分加以量化，将线损的增加计入成本，减少计入收益；并且对间接造成的环境收益建立模型。由算例分析可知，电网企业整体社会收益增加，可实现经济接入并带来利润。即结果一定程度上证明了模型的合理性，为电网企业决策提供数据支持与依据。建议电网企业在夏季以及冬季节假日时期使DG 出力增加，在春秋时减小DG 出力来降低成本；且由线损变化量可知，DG 有功应保持在负荷需求有功的一半以下。科学评估社会成本效益有便于各部门更好地制定奖惩机制，促进DG 技术在中国配网系统中的应用与推广。

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