电力供应链全生命周期成本评价方法及算例分析
2024-03-04方效巍胡承鑫
方效巍 胡承鑫 陈 琳
（国网上海市电力公司物资公司，上海 200235）
电力供应链存在多个环节，包括发电原料生产、电能生产以及电力传输等，每个环节都会产生一定的生产和运营成本，在管理过程中，应该树立生命周期的思想，从电力生产的源头开始，直至电力能源的消纳，全面评价整个电力产销过程的成本。随着用户侧分布式电源的持续增加，电网的成本结构也在发生变化，研究相关电力供应链的全生命周期成本测评方法具有重要的应用价值。
1 电力供应链及其全生命周期成本分析
1.1 电力供应链结构分析
电力供应链涵盖电能生产、传输、分配以及消纳4 个核心环节。在电能生产阶段，国内当前仍然以火力发电为主，因此电力供应链可向前延伸至化石原料生产阶段，在火力发电体系下，电力供应链的整体结构如图1所示。
图1 火力发电供应链结构
1.2 电力供应链全生命周期成本
从煤炭等化石燃料生产到终端用户使用电力能源，形成1个完整的生命周期，每个过程都存在一定的生产、运营成本。例如，发电阶段消耗化石燃料、输电阶段产生线路损失、用电阶段出现电力计量误差。电力供应链全生命周期成本管理是对供应链中各阶段的生产、运营成本进行测算和评价，达到成本最低、效益最大的目的[1]。
2 电力供应链全生命周期成本评价方法
2.1 成本测算方法
2.1.1 用户侧微电网成本测算
用户侧微电网是将分布式电源产生的电力能源存储在特定的储能装置中，一部分电能用于负担用户的电力负荷，多余的电能经过并网逆变器接入大电网。当前，主流的分布式电源包括光伏和风电，储能装置以蓄电池为主。根据用户侧微电网的运行控制模式，其成本包括初始成本、微电网网络结构成本以及用电改造成本等。
2.1.1.1 初始成本
初始成本主要是指设备成本，包括并网逆变器、储能装置以及分布式电源所产生的成本。将用户侧微电网的初始成本记为CT1，其计算过程如公式（1）所示。
式中：CDES为分布式电源的成本；CSTR为储能装置的成本；CMOD为并网逆变器的成本。这三类成本元素都具有明确的计算方法，以CMOD为例，其计算方法与双向电流变压器的总功率、储能装置单价以及电力供应链全生命周期时长密切相关[2]。
2.1.1.2 用电方式改造成本
当终端用户改变用电方式后，用户侧微电网的控制系统和线路都要进行适当改造，于是产生了用电方式改造成本，该成本的计算过程如公式（2）所示。
式中：将用电方式的改造成本记为CT2；Cntw为用户侧微电网结构成本，包括线路铺设及软硬件采购所产生的成本；RT2为改造费用在分布式电源系统初始成本中的占比。
2.1.1.3 微电网的运行成本
微电网在运行的过程中会产生一定的成本，将该成本记为CSC，其计算过程如公式（3）所示。
式中：将微电网的维修率记为RSC。
2.1.2 大电网成本测算2.1.2.1 发电厂成本测算
以传统的燃煤火力发电厂为例，其发电成本由许多方面的因素构成（例如机组固定成本、启停成本），可按照公式（4）计算发电厂的成本。
式中：CFIR为燃煤机组的成本；发电机的固定成本为CCC；将火电机组的损耗率记为RFIR；火电机组在某一时段的发电成本为CM；Cst、Ced分别为机组的启动成本、关停成本；NG为机组数量；燃煤原料成本为Cu；将某一时段的用电需求记为τ，那么发电厂成本可转化为关于τ的二次函数，a、b为函数中二次变量和一次变量的系数，c为常量[3]。
2.1.2.2 输配电企业成本测算
输配电企业负责电力能源的调度、分配与输送，在具体实施过程中，同样存在一定的成本。例如，在输电过程中，线路上会产生一定的线损失。在考虑用户侧微电网的情况下，电网企业通常需要向并网发电的用户提供经济补偿，从而产生额外的运营成本。假设在时段t内，共计i个用户侧微电网并网发电，电网企业为其提供经济补偿，成本的计算过程如公式（5）所示。
2.1.3 全生命周期成本测算
在考虑分布式能源并网发电的情况下，可将电力供应链划分为3 个层级，第一级是电力能源的源头，由分布式能源（如太阳能、风能）成本和发电原材料成本构成；第二级是发电环节，由分布式电源和传统发电厂组成；第三级是电能消纳环节，以各类电力用户为主体。电力供应链全生命周期成本管理针对电能生产和消纳的所有环节，根据各阶段的电力成本测算方法，假设在大电网中存在N个传统发电机组，则全生命链周期成本的计算过程如公式（6）所示。
2.2 全生命周期成本评价方法
2.2.1 构建评价指标体系
2.2.1.1 指标体系构成
电力供应链全生命周期成本管理的目的是提高电力供应的经济效益、降低运行成本，其影响因素较为复杂，包括地区经济（GDP）、人口密度、人均负荷密度、电网容量、发电量、有功耗损率、故障及检修费用、利润、折旧费用等。所有影响因素可分为3 个类别，每个类别设置多个评价指标，评价指标体系见表1。
表1 电力供应链全生命周期成本综合评价指标体系
2.2.1.2 指标计算方法示例
2.2.2 建立评价模型
评价体系中指标数量较多，其含义也各不相同，各指标对总目标的影响程度存在一定的差异，因此要为每个指标分配合理的权重，从而完成后续的量化评价。在评价过程中，可采用层次分析法，评价流程如下。
2.2.2.1 建立层次模型
将电力供应链全生命周期成本综合评价作为目标层，经济效益、供电效益、环境效益作为准则层，表1 中的三级指标作为指标层。
2.2.2.2 构建判断矩阵
以专家建议为主要判断依据，在同一层级的指标内进行重要性分析，通过两两对比，确定各指标的相对重要程度，在这一过程中，通常采用9/1 标度法（见表2）。判断矩阵可表示为A=（aij）n×n。
表2 9/1 标度法
2.2.2.3 判断矩阵的一致性检验
从9/1 标度法的实施过程可知，当判断2 个矩阵的相对重要程度时，具有一定的主观性，当指标体系较为复杂时，有可能出现标度值冲突，因此，通过一致性检验判断标度值设定是否合理。计算一致性检验指标CI=（λmax-n）/（n-1），其中λmax为判断矩阵A的特征根，n为该矩阵的阶数。查表确定平均随机一致性指标RI，按照CR=CI/RI计算一致性比例，如果CR＜0.1，就认为该矩阵的一致性可接受，如果CR＞0.1，就认为该矩阵的一致性不可接受[6]。平均随机一致性指标RI的取值方法见表3。
表3 平均随机一致性指标取值方法
2.2.2.4 建立指标评价集
在指标打分的过程中，需要建立评价集，假设存在k个评分等级，则评价集V=[V1，V2，...，Vk]，电力供应链全生命周期成本综合评价的结果应属于评价集V中的某一级。
2.2.2.5 进行专家打分及评价矩阵构建
在这一阶段，由若干个专家根据评价集和指标的含义进行打分，从而建立评价矩阵。假设参与打分的专家数量为m个，指标C1为电力供应量全生命周期成本影响因素中的某一个，其中h1n位专家的评级结果相同，则m=∑in=1h1i，i=1，2，...，n。这样可以获得针对影响因素C1的评价向量，将该向量记为R1，则R1=[h11/m，h12/m，...，h1n/m]。m位专家针对影响因素C1共形成了k种评价级别，第k种评价级别对应的评价向量为Rk，则有Rk=[hk1/m，hk2/m，...，hkn/m]，评价向量R1，R2，...，Rk构成评价矩阵。
2.2.3 计算综合评价得分
在准则层，经济效益和供电效益的重要程度更高，因此将其作为评价时的主要影响因素，环境效益可作为参考因素，电力供应链全生命周期成本综合评价得分的计算过程如公式（7）所示。
式中：a、b、c与计算式（4）中的系数相同，其含义分别为经济、环境和供能效益的评价系数权值；EΣ、PΣ、SΣ分别对应经济效益评价系数、环境效益评价系数、供能效益评价系数；Tsco为综合评价得分。
3 算例分析
3.1 电力供应链基本情况
算例分析阶段选取2 个电力供应区域，在区域1 中，用户侧微电网参与度较高，在区域2 中，用户侧微电网参与度较低，两个区域的用户侧微电网普及率分别为21%、14%。试验中的样本总数量为20 万，从中选择具有分布式电源的用户作为评价对象，试验样本的容量为10000。蓄电池容量、充电功率、放电功率分别为50kW·h、10kW、10kW。用户购电价格在1.15元/（kW·h）～1.69 元/（kW·h），高峰期电价定为1.69 元/（kW·h），峰谷期电价定为1.15 元/（kW·h）。在2 个电力区域中均存在光伏微电网，可将光伏发电产生的电力能源传并入大电网，在电价管理中采取分时价格。放电的高峰时段包括9:30—11:30、14:30—17:30 等，充电、放电、用电在1d 内形成特定的规律，因此将时间视作生命周期。输电过程的电能损耗率按照5%进行计算，全生命周期采取24h。按照成本测算方法处理相关的试验数据，可得到两个区域的全生命周期成本，见表4。
表4 电力供应链全生命周期成本测算结果（单位：万元）
3.2 电力供应链全生命周期成本评价过程与结果
3.2.1 指标权重分配结构及指标打分依据
根据层次分析的相关原理，为指标分配权重，结果见表5。专家打分时将评价标准分为3 个等级，一般评价值在0～2.268，合格评价值在2.268～3.615，满意评价值≥3.615。
表5 评价指标体系权重分配结果
3.2.2 综合评价结果
根据评价模型对2 个区域进行电力供应链全生命周期成本测算与评价，得到的结果见表6。从中得到以下结论。当用户侧微电网在电力供应链中的占比较高时，供应链全生命周期成本管理的经济效益和供电效益也更高，并且供电效益的优势尤其突出，提高微电网接入比例对经济效益的提升幅度较小。提高用户侧微电网的接入比例并未对环境效益产生明显的影响。提高用户侧微电网的接入比例可有效降低全生命周期成本。
表6 试验区域电力供应链全生命周期成本评价结果
4 结语
综合整个研究内容，在电力供应链全生命周期成本评价中，应根据发电、输电、用电的特点，建立完整的供应链结构。实施过程分为成本测算和成本评价两个环节，成本测算是根据供应链结构，计算每个构成要素的生产、运营成本，在成本评价环节须建立指标体系和评分集，通过专家打分的方式确定每个指标的评分等级，再根据综合评价计算模型得到综合评分的结果。经过实测，该评级模型能够有效体现出微电网接入比例对电力供应链的影响。
