考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型

李彦吉,王鑫陶,康赫然,张秀路,张伟,韩永强,闫佳佳

（1.国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古呼和浩特 010010；2.国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院，内蒙古呼和浩特 010010；3.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870）

0 引言

为实现“碳达峰”、“碳中和”目标，我国正加快构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，推动以新能源为主体的新型电力系统建设。在含可再生能源的配电网建设发展过程中，存在一些外部因素的影响和新机遇的挑战[1]～[3]。一方面，随着配电网投资项目多元化发展，配电网的投资对象除了包括传统变电站和配电网线路网架内设备升级更换外，还包括可再生能源设备、储能设备和新能源汽车充能设备等建设。配电网建设不仅要满足多种负荷用能需求，还要提高电网供电可靠性、运行经济性，提高电网碳减排能力及可再生能源消纳能力等。另一方面，随着社会企业参与配电网投资建设，电网公司与社会企业在配电网投资效益、运行效益中逐渐形成竞争[4]，[5]。为适应各类用户日益增长的高质量用能需求，亟须进行配电网的改造、扩容和新建。然而，各级电网公司往往存在实际投资能力不足的问题。因此，在保证配电网投资需求的前提下，提高可再生能源渗透率，实现清洁、低碳和效率及效益提升的配电网精准投资是目前亟须解决的问题。

目前，一些专家针对配电网投资项目评估指标体系、投资决策等方面进行了相关研究。文献[6]综合了经济、技术等多级指标，对配电网投资项目进行了综合评价，提出了一种基于超平面投影变换的增量配电网规划多准则投资优先级评价方法。文献[7]针对投资分配与实际投资需求间存在的偏差问题，结合历史投资数据，提出了基于历史投资成效的配电网投资分配方法。文献[8]分析了配电网运行状态的影响因素，构建了提高配电网运行可靠性的综合评价体系，并在此基础上提出一种配电网投资分配模型。文献[9]通过分析配电网建设目标对项目属性进行分类，采用灰色关联度法分析项目属性与评价指标间存在的关系，提出了一种考虑指标约束的配网项目两阶段优选排序法。文献[10]定量考虑各个配电网投资项目的关系对配电网绩效产生的影响，基于配电网双Q规划方法，结合不同地区对供电可靠性的要求，构建了考虑电网投资项目效益与时序关联特性的配电网投资优选模型。文献[11]提出了一种配电网投资项目规模与项目属性投资分配比例计算方法，并考虑项目属性、项目评价结果等，建立了配电网投资决策模型。上述研究为解决考虑配电网碳减排与效率、效益双提升下含可再生能源的投资项目优选问题提供了一定的理论指导。

本文首先通过配电网建设投资需求及含可再生能源的项目投资效益分析，构建了由配电网投资需求与组合投资项目效益评估指标、单个投资项目效益指标构成的含可再生能源配电网投资项目效益评估两阶段指标体系。在此基础上，本文以配电网单位项目投资产出效率与碳减排最大为目标，建立了考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型，并采用NSGA-Ⅱ-RLS算法对所建模型进行求解。通过所构建的算例仿真模型进行对比分析，验证了所提出的含可再生能源配电网投资项目优选模型的有效性。

1 含可再生能源配电网投资效益评估两阶段指标体系

含可再生能源的配电网投资项目具有数量大、类别多、资金需求与实施时长的差异大等特点。在对含可再生能源配电网投资项目进行组合优选过程中，存在决策难度大、投资成效评估不全面等一系列问题。在电网公司的投资能力远不能满足于投资项目库总投资量的情况下，综合考虑安全、经济、环境等多种因素对配电网可再生能源投资项目进行科学高效的组合优选，是配电网建设中的关键。本文以配电网投资项目产出效益为导向，建立了含可再生能源配电网投资项目效益评估两阶段指标体系。

1.1 含可再生能源配电网投资效益评估指标体系

本文建立的含可再生能源配电网投资项目效益评估分为两阶段。第一阶段是建立配电网投资需求与组合投资项目效益评估指标；通过评估配电网运行情况得到配电网投资需求，作为投资约束量化指标的提升幅度；考虑电网公司的投资能力约束，杜绝过度投资；对配电网组合投资项目的效益进行评估，量化项目实施改善情况。第二阶段是基于配电网组合投资项目效益指标建立单个投资项目效益指标；精准评估单位投资产出效率，分析单个投资项目在整体组合投资项目中提供的效益。本文主要考虑项目投资效率，构建了配电网投资项目效益评估指标。如图1所示，含可再生能源配电网投资项目效益评估指标体系共包含配电网供电质量、配电网供电能力、配电网运行、配电网结构和配电网的绿色低碳性5个目标层。具体计算方法参考文献[12]。

图1 含可再生能源配电网投资效益评估指标体系Fig.1 The evaluation index system of investment benefit of distribution network containing renewable energy

1.2 含可再生能源配电网投资效益综合评估模型

针对不同评价目标，采用赋权方式，经专家确定权重，分别为配电网供电质量权重a1、供电能力权重a2、配电网运行权重a3、绿色低碳性权重a4、和配电网结构权重a5。考虑到在配电网中可再生能源投资项目评估时，投资项目的不同目标层在配电网建设中存在实际现状的差异，本文根据各薄弱环节的重要性和改善紧迫度对各指标权重进行修正，各指标权重修正系数bσ可表示为

采用极差法对单个投资项目的各效益评估指标进行标准化处理后的评分：

式中：Ai为配电网第i个单个投资项目的综合评分；ai，j为第i个投资项目的第j项指标权重；n为指标总数。

2 考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型

本文以碳减排为导向，考虑含可再生能源配电网投资项目的效益综合评估。为提升项目投资的单位产出效率，对配电网内所含可再生能源的项目投资加以决策，充分考虑了配电网组合投资效益与配电网投资需求协调统一。通过精准评估项目单位投资效率和分析项目投资对整体配电网投资所做贡献，可有效地提高配电网的碳减排能力，推动构建清洁低碳安全高效的配电系统。

2.1 目标函数

本文所提出的考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型，在配电网投资额度、投资预期效益、用能需求等约束下的多目标函数由两部分构成。

式中：α为配电网投资项目决策向量，α=（α1，α2，…，αi，…，αn），当项目i不参与配电网项目投建时，αi取0，当项目i参与配电网项目投建时，αi取1；AT为配电网第i个单个投资项目的综合评分，AT=（A1，A2，…，Ai，…，An）。

②碳排放量F2

式中：PtE，Ptgas分别为配电网投入改造建设项目α下配电网在t时刻的燃煤机组调节电量和天然气用气量；NT为配电网的运行周期；δE，δgas分别为电力和天然气的碳排放系数，参考文献[13]取δE=0.8 72 kg/（kW·h），δgas=1.9 6 kg/m3。

2.2 约束条件

①投资额约束

式中：Cn为配电网第n个投资项目的建设费用；Cmax为配电网的最大投资额。

②潮流约束

配电网内含可再生能源的投资项目中部分包含线路改造，因此构建潮流约束模型为

式中：Px，Qx分别为配电网投入改造建设项目α后配电网节点x的有功、无功功率；Ux，Uy，Gxy，Bxy，sinθxy，cosθxy分别为投入改造建设项目α后配电网节点x，y的电压、节点x和节点y间的电导、电纳、相角差θxy的正弦和余弦。

③配电网投资预期效益约束

配电网组合投资项目的收益可表示为

式中：hiCi为第i个配电网投资项目的期望收益；hi为第i个投资项目的满足正态分布的收益率，其期望值为平均收益率，方差为投资风险估计值。

配电网投资预期效益约束表示为

式中：φ为配电网投入改造建设项目α后的目标N-1通过率；Lpa为配电网投入改造建设项目α前通过N-1校验的线路量；Ln为配电网投入改造建设项目α后第n个投资项目的N-1通过线路量；Lall表示线路总量。

⑥投资项目关系约束

式中：Xpq为配电网投资项目p和投资项目q之间的关系；X1为配电网投资项目p和投资项目q互补，两个项目同时参与或不参与配电网建设；X2为配电网投资项目q从属于投资项目p，当项目p参与配电网建设的情况下，投资项目q才参与配电网建设；X3为配电网投资项目p与投资项目q互斥，不能够同时参与配电网建设。

2.3 模型求解

采用改进后的NSGA-Ⅱ算法[14]对考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型求解，该算法具有收敛速度较快、种群分布均匀的优点，能够保证两个目标之间的独立性，得到更好的求解结果。

本文提出的考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型可描述为

式中：z为求解目标中的决策变量；gγ（z）=0，hη（z）≤0分别为等式约束和不等式约束。

求解流程如图2所示。

图2 基于NSGA-Ⅱ-RAS算法的求解流程Fig.2 The flowchart of solution based on NSGA-Ⅱ-RAS algorithm

3 算例仿真

3.1 基础数据

以我国某县级电网公司某批次计划投资的13个含可再生能源的配电网改造建设项目进行算例仿真验证。该配电网年供电量为18.25亿kW·h，最大用电负荷为328.1 MW，年负荷增长率约4.3%，35 kW与10 kW配电线路135条；35 kW级以下配变2 129台。此批次计划投资资金为2 264万元，配电网投资预期收益率为8.9%。该电网公司备选规划项目库内的重点投资项目共13个，总投资成本为5 062万元。

在电网公司的实际投资能力远低于总投资需求的情况下，整合配电网运行数据。根据文中构建的配电网投资项目效益评估指标体系判断配电网投资建设需求：满足年最大负荷增长4.3%的用能需求；配电网年收益率不低于12%；N-1通过率提高到89%；投资项目3从属于投资项目2；投资项目7从属于投资项目12；投资项目8与投资项目9互补；投资项目10与投资项目13互斥。配电网备选规划项目库内重点投资项目的基本数据如表1所示。

表1 配电网投资项目的基本数据Table 1 Basic data of distribution network investment projects

3.2 场景对比

为验证本文所提出的考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型的有效性，设置了如下2个场景。场景一：不考虑投入配电网投资项目改造建设后提升配电网的碳减排能力，利用传统的效益成本分析法进行含可再生能源配电网投资项目优选；场景二：采用本文提出的考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型进行投资项目优选。

分别在两种场景下对含可再生能源配电网投资项目进行优选，得到含可再生能源的配电网项目投资结果如表2所示。场景一与场景二的配电网平均碳排放量如图3所示。通过对投入项目改造建设后的配电网进行仿真对比，分别得到场景一与场景二的配电网运营情况（表3）。

表2 两种场景下配电网项目投资结果Table 2 Investment results of distribution network projects in two scenarios

表3 两种场景下项目改造后配电网的运营情况Table 3 The operation of the distribution network after the transformation of the distribution network in two scenarios

分析表2、表3和图3所示的仿真结果可知，与场景一相比，场景二的配电网投资项目总金额降低了5.74%，投资项目的平均综合评分提高了5.1 8%，配电网在投入项目改造建设后的收益率提高了21.8 2%，N-1通过率提高了2.8 4%，碳排放量降低了16.5 9%，配电网的供能可靠性也有所提高。以上的仿真结果表明，本文建立的优选模型能够在电网公司的投资能力远低于项目库总投资需求时，考虑配电网运行安全、环境、经济等多种因素进行含可再生能源配电网投资项目的组合优选，可实现清洁低碳、效率及效益提升的配电网精准投资目标。

采用改进的NSGA-Ⅱ算法对本文提出的考虑配电网效率、效益与碳减排提升的可再生能源投资优选模型求解。设置种群的规模为30，最大迭代次数为100，交叉概率为0.692，变异概率为0.0 93。计算机配置为Intel（R）XEON（R）Gold6136，主频为3.0 0 GHz，内存为96.0 GB。考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选的Pareto前沿如图4所示。

图4 Pareto解集分布Fig.4 The distribution situation of Pareto solution set

4 结束语

为满足配电网投资需求，本文在实际投资能力远低于项目总投资金额的情况下，以实现清洁低碳、效率和效益提升的配电网精准投资为目标，提出了考虑效率、效益与碳减排提升的含可再生能源配电网投资优选模型。以某县级配电网某批次投资计划13个项目为算例进行的仿真对比分析可知：通过构建含可再生能源配电网投资效益评估两阶段指标体系，分别评估配电网的投资需求与单个投资项目的单位产出效率，能够全面分析配电网整体性能和评估各投资项目实施改善情况，更好地量化含可再生能源配电网投资项目在投资决策中的绩效，实现了投入产出效益提升的含可再生能源配电网投资项目优选。