电网规划中可靠性成本-效益分析

徐飞

（国网湖北孝感供电公司开发区供电中心，湖北 孝感 432000）

0 引言

电网规划、建设、运行以及经营管理与居民生活息息相关，但在电网规划过程中，往往涉及可靠性与经济性的矛盾问题。为提高供电可靠性水平，电力企业需要增加新建或改造项目投资，但会对企业经济效益造成影响；若减少投资，则会导致供电可靠性降低，甚至引发其他方面的经济赔偿。因此，电力企业有必要针对电网规划中可靠性成本-效益的关系展开深入分析，寻求整体经济效益和社会效益的稳定与平衡。

1 工程概况

1.1 建设背景

截至2022 年8 月，孝感城网10kV 公用配变2101台，总容量99.063 万kVA，线路199 条，总长度939.16km。日前，国网湖北省电力有限公司结合高压变电站建设以及10kV 配电网现状，于孝感市孝南区车站街道、书院街道、丹阳办事处、孝天办事处等区域开展电网规划建设项目，通过城市配电网项目改造致力于达成解决设备重（过）载问题、消除设备安全隐患，满足新增负荷供电、电动汽车充电站接网和配电网自动化示范区建设要求的目的。2022 年孝感市公司供电企业基本情况如表1 所示。

表1 2022 年孝感市公司供电企业基本情况

1.2 工程建设内容

本次配电网建设及改造项目一共划分为3 个批次。①国网孝感供电公司开发区供电中心2022 年度第二批城市配电网建设与改造工程，包括新建10kV 架空绝缘线4.99km、电缆14.76km；新建环网箱13 台，柱上开关116 台；新建10kV 配电变压器14 台，容量6620kVA，更换17kV 配电变压器，容量5600kVA，新建台变控制箱23 台；新建及改造0.4kV 架空线路1.3km，电缆1.07km；新建DTU 终端13 个；新建FTU 终端116个。②国网孝感供电公司开发区供电中心2022 年10kV 及以下业扩配套（第二批）配电网项目，包括新建10kV 电缆线路0.69km，新建10 千伏配电变压器5 台，容量2690kVA，新建0.4kV 电缆线路0.3km。③国网孝感供电公司开发区供电中心2022 年第三批业扩配套电网建设工程；包括新建10kV 架空绝缘线路1.5km、电缆0.2km，新建10kV 配电变压器6 台，容量1400kV安，新建0.4kV 电缆线路1km，新建台变控制箱6 台，新建柱上开关7 台，FTU 终端7 个。

1.3 投资情况

国网孝感供电公司开发区供电中心2022 年度第二批城市配电网建设与改造工程等项目总投资4436.07 万元，其中三批次项目投资情况分别为4046.07 万元、190 万元、200 万元。

2 配电网可靠性成本-效益分析方法

2.1 研究背景

在“需求侧管理”理念的影响下，电网规划可靠性观念发生改变，在减少投资的基础上加强对投资效益的关注，从而以用户停电损失为基础，提出了可靠性价值[1]。用户停电损失会受到多方面因素影响，包括不同的电力服务需求、对电力可靠性与电价的看法等。就当前的电力市场发展形势来看，电网规划应从电力市场发展实际出发，进而根据供电可靠性理念，用户有权针对因供电可靠性问题造成的经济损失索要赔偿。由此可见，在当前的电力市场机制下，电网供电总成本的范围进一步拓展，除基础的建设投资成本、运行成本，还包括用户缺电损失，即缺电成本[2]。缺电成本是电网规划过程中供电可靠性高低的直接反映，通过可靠性优化来缓解高可靠性与低成本之间的矛盾，兼顾经济效益与可靠性水平。本项目中，国网孝感供电公司开发区供电中心为达到一定的供电可靠性目标而增加投资成本，同时还需要针对需求侧缺电成本采取一定的调节措施，将可靠性成本与可靠性效益统一起来，从而为配电网规划项目的顺利推进提供便利条件。

2.2 可靠性成本计算

可靠性成本计算涉及的变量包括线路投资成本、运行维护成本、网损成本等，其公式表示如式（1）至式（4）所示。

式中：CXL——线路投资成本；COP——运行维护成本；CLOSS——网损成本；Ci——线路i 单位投资造价；Li——线路i 长度；Ni——待建线路数量；α——运行费用比例系数，取值为0.05～0.1；Il——线路l 的电流；Pl——线路l的功率；Rl——线路l 的电阻；U——网络电压；t——年运行时间；δ——电价；N——线路总数。

综合式（1）至式（4），可靠性成本计算公式如式（5）所示。

式中：α——运行费用比例系数；Ci——线路i 单位投资造价；Li——线路i 长度；Ni——待建线路数量；xl——线路l 的电抗；θi、θj——线路l 两端电压相角；μ——网损比例系数；N——线路总数。

2.3 可靠性效益－缺电成本计算

2.3.1 影响因素

可靠性效益即电网达到一定供电可靠性水平时的用户效益，通过需求侧的缺电成本来表示[3]。衡量可靠性效益的缺电成本受到多方面因素影响，这也给可靠性效益计算带来一定困难。①缺电发生时间。用户活动在不同季节、不同时间均存在差异，因此也体现出不同的缺电成本。②缺电量。缺电量随着电网可靠性水平的升高而降低，缺电成本也会随之降低。③缺电持续时间。缺电初始阶段，缺电成本随着缺电持续时间延长而持续升高；当达到一定时间标准后，缺电成本开始下降。例如，缺电持续时间4h 的缺电成本可缩减至1h 的60%。④缺电频率。缺电次数越多，用户活动遭受的干扰越严重，缺电成本越高。⑤用户类型。针对不同类型用户缺电成本进行计算时，所得到的结果存在差异。

2.3.2 计算方法

在对缺点成本进行计算时，理论上应围绕上述影响因素，对不同可能性下的供电可靠性进行分析，再根据缺电成本函数计算缺电成本；但在实际情况下，缺电成本函数构造难度较大，因此只能通过合理的方法进行估算[4]。

（1）GDP 计算方法。缺少的电量会直接影响到国民生产总值GDP，因此可通过每缺1kW·h 电量而减少的GDP 平均计算得到缺电成本，通过GDP/总用电量可以反映出缺电对整体国民经济的影响。

（2）电价倍数计算方法。结合用户缺电损失现状通过平均电价倍数完成缺电成本估算。例如，英国采用该方法对不用类型的用电负荷进行估算，工业、商业、居民负荷对应的倍数分别为15、70、60 倍。

（3）公式计算方法。结合用户缺电损失受缺电功率、缺电量、缺电持续时间、缺电次数等因素的影响得到年缺电成本计算公式，如式（6）所示。

式中：Kw——单位缺电功率；Pi——第i 次缺电功率；Ke——单位缺电量损失系数；Ei——第i 次缺电量；k——缺电频率。

式（6）体现出缺电功率、缺电量、缺电持续时间、缺电次数对用户缺电损失的影响，但缺少对各负荷点用户单位缺电成本的考量，因此对数据准确性及安全性存在一定影响。缺电成本计算问题是一项系统性、综合性问题，为更全面地反映缺电影响，还可以构造缺电损失评价率的方法进行计算。

（4）构造缺电损失评价率计算方法。缺电损失评价率（IEAR）可以更全面地反映缺电成本，得到用户因得不到单位电量而造成的经济损失，如式（7）所示。

式中：N——电网负荷节点数；IEARi——节点i 的缺电损失评价率，元/（kW·h）；EENSi——节点i 的电量不足期望值；kW·h/期间。

2.4 成本效益分析方法

可靠性成本－效益分析曲线如图1 所示。

图1 可靠性成本－效益分析曲线

结合图1 可得到式（8）和式（9）。

式中：TC——供电总成本；SC——系统投资成本；UEC——缺电成本。

将式（8）和式（9）转化为增量形式可以得到：

-ΔUEC=ΔSC。（10）

由此可知，当-ΔUEC>ΔSC 时，系统投资成本增加量低于缺电成本的减少量，因此可依靠少量系统投资获得效益；反之，系统投资成本增加量超出缺电成本的减少量，系统投资收益受限，可靠性水平难以提高[5]。当-ΔUEC=ΔSC 时，供电总成本达到最小。

3 基于可靠性成本-效益分析的配电网项目规划

3.1 电力规划数学模型的提出

本项目基于电网直接投资成本、网损、缺电成本提出数学模型，用于可靠性成本-效益分析。数学模型表示形式：

式中：k1、k2——对应的经济参数确定的比例系数；Li——线路i 长度；Pi——线路i 有功功率；N——电网线路总数；Nl——待修线路总数。

3.2 模型特点

上述数学模型设计特点主要体现在3 个方面。①兼顾了系统投资费用和用户缺电损失成本，有效协调了二者之间的关系，为电网规划经济性和可靠性的统一提供保障。②将可靠度水平转化为变量，寻求其在成本与效益不平衡中最佳状态，相较于传统电网规划方法，强化了供电可靠度经济价值对用户侧影响的考量。③该数学模型还可以将降低系统投资费用的传统电网规划模式囊括其中，体现出更强的适用性与灵活性。

3.3 模型应用

本项目中数学模型的应用以倒推法为基础，结合配电网规划实际情况设定一冗余网络，首先根据直流潮流模型完成节点电压相角以及支路功率的计算，得到网络运行状态量；其次顺序去掉一条线路后进行缺电成本计算，将总成本J 按照从小到大的顺序排列，去掉最小的线路；最后根据剩下的数据得到供电总成本最小的网络。计算过程如图2 所示。

图2 数学模型计算过程

4 结语

综上所述，在配电网规划过程中，解决供电可靠性和网络经济效益的矛盾问题成为电力企业需要思考的重点。结合国网孝感供电公司开发区供电中心电网规划实践来看，应寻求电力投资与社会效益之间的平衡，进而加强对缺电成本的计算分析，结合相关影响因素提出数学模型，做到正确反映投入资金与可靠度之间的关系，提高电网规划成本计算的全面性与准确性。