含分布式电源的配电网固定成本分摊

黄庆云

（广东天联电力设计有限公司，广东广州 510600）

1 背景

近些年来，分布式发电技术因初期投资低、发电方式灵活等特点在全球愈发受到重视，在国内也发展十分迅速，如广州大学城、佛山禅城均建设了光伏电站，风电、生物质电厂已得到广泛建设，家庭用的分布式电站也已有并网运行。分布式发电技术给电力系统的运行和控制带来了变化和挑战，它可满足系统和用户的某些特定要求，还能提供给传统电力系统更优异的可靠性和经济性[1-2]，因此，研究分布式发电技术具有十分重要的理论意义和重大的实用价值。

输电网及提供的电力服务由于具有一些特殊性，使得解决其固定成本分摊问题非常困难。面对如何科学、公平、合理地分摊固定成本，目前学界已提出了多种分摊方法，其中一些方法如邮票法、平均分摊法、MW-km(兆瓦-公里)法、合同路径法已得到应用，但仍没有一种被普遍认同。节点多、网络结构复杂的特点给配电网固定成本分摊带来很多困难，导致对配电网的固定成本分摊方法研究非常少。尤其是在配电网引入分布式电源后，如何将成本分摊给配网用户或电源成为问题的关键。本文借鉴输电网固定成本分摊方法，对常用的平均分摊法作了改进，并考虑了引入分布式电源后配电网固定成本的分摊问题，力图使配电网固定成本分摊能够更公平、合理。

2 固定成本分摊方法的提出

目前，固定成本分摊的常见方法较多。如邮票法，根据用户使用功率的大小来分摊电网的固定成本，忽略电网实际运行条件，可能导致错误的经济信号。合同路径法同样也忽略了电网实际运行情况。在MW-km法中，用户对输电设备的利用程度被表示为传输距离及交易所引起功率变化的乘积。输电设备由于主要用于输送有功，因此输电网固定成本只分给有功。事实上，虽然无功的边际价格较有功要低很多，但无功的短期边际价格与有功几乎相当[3]。不考虑无功所引起的误差会随交易的增大跟着增大。上述几种方法的共同特点是不考虑输电网络中每条支路上的实际潮流和各用户对它的影响，而是采用简化方法来近似确定各个用户对电网的利用程度，且不对无功功率分摊。这些方法均较简单，易实现。由于没考虑实际的潮流及交易对电网的影响，用户分摊的固定成本不能准确反映由用户使用所引起真实的输电成本。潮流跟踪法基于潮流，是根据用户对电网利用程度而进行成本分摊的，即根据各个用户对网络中每条支路的利用程度来进行成本分摊。根据潮流跟踪的基本原理，将比例原理推广到电网上的所有节点，就能够跟踪网上用户和电源的有功与无功潮流，根据电网实际的潮流，按照“谁使用谁支付”的原则来将配电网固定成本分摊给使用用户，这种方法简单、直观、公平、合理，容易被接受[4]。

引入分布式电源后使得配电网系统从放射单电源网变为含分布式电源的弱环网。通过跟踪潮流将配电网固定成本分摊到网络中的各个负荷和电源，并在有功功率和无功功率进行分摊。因为有功或无功的使用都对支路潮流造成影响，所以支路有功成本应该分别分摊给用户有功和用户无功两个部分，支路无功成本也应该分别分摊给用户有功和用户无功两个部分。在分摊过程中做了一些简化假设，本文在分摊过程中做了“任何支路有功和无功分别只与用户输送的有功和无功有关”的简化假设。配电网总成本在支路有功和支路无功间按照平方比例分摊[5]。根据贡献因子理论算出电源及负荷对每一条支路的有功及无功的利用程度，可将每支路的固定成本具体分摊到各负荷和各电源。

针对含分布式电源的配电网结构和上文提出的分摊思路，本文提出含分布式电源的配电网固定分摊方法如下：

（1）先将总成本在支路有功和无功之间分摊；

（2）再根据对配电系统的实际利用情况将有功和无功固定成本在电源和负荷中按比例分摊；

（3）最后根据潮流跟踪法将固定成本按照利用程度分摊到每个电源和负荷。

3 建议的分摊方法

含分布式发电机的固定成本分三步进行，首先将总成本在支路有功和无功之间分摊。再将有功和无功固定成本在电源和负荷中按比例分摊。最后按潮流跟踪法将固定成本按利用程度分摊至每个电源和负荷。

3.1 对支路有功和无功分摊

在一个有n个节点，m条支路的系统里，通过前推回推潮流算法解系统潮流后（不考虑网损的情况下），可以很方便地得到含各支路的潮流图。系统的总成本在各支路有功和无功之间按照它们的平方比例来进行分摊。在支路中，支路有功和无功的固定成本分别如下：

其中：CTot,t为第t条支路j-i的总固定成本，Cp,t为支路的有功固定成本，Cq,t为支路t的无功固定成本。

3.2 对电源和负荷分摊

在将总成本在支路有功和无功之间进行分摊之后，根据它们对配电网的实际使用情况将有功固定成本和无功固定成本按照比例分摊给系统中的电源和负荷。在支路中电源和负荷分摊的固定成本分别如下：

其中：Clp,t和Clq,t分别为分摊给负荷的支路t有功和无功固定成本；Cgp,t和Cgq,t分别为分摊给发电机的支路t有功和无功固定成本；αl、αg为分摊给负荷和发电αg机的分摊因子，αl+αg=1。

在输电系统中从电厂和大负荷选址的角度看，应该根据对输电系统的实际使用情况将输电固定成本同时分摊给电源和负荷，但由于输电价格对电厂的影响通常较负荷更大一些，因此电源分摊的比例应相对大一些[6]。而在配电系统中，输电价格对电源和负荷的影响基本上相同，且在理论上并不存在确定电源和负荷应该承担的分摊比例的方法。因此在本文算例中按通常值取αl=αg=0.5。

3.3 对每个电源和负荷分摊

在将固定成本对电源和负荷进行分摊之后，按基于实际潮流的潮流跟踪法[7-8]将配电网的固定成本按利用程度分摊至各电源及各负荷。基于流跟踪技术，各节点有功和无功对支路潮流贡献表示如下：

其中：PL和QL分别为负荷的有功功率列向量和无功功率列向量；PG和QG分别为所有电源的有功功率列向量和无功功率列向量；Pt和Qt分别为线路t的有功功率列向量和无功功率列向量；以上两个系数矩阵为有关贡献因子矩阵[9]。

通过上面贡献因子矩阵，结合简化假设，可得出任一负荷或电源对支路t的有功和无功贡献值。基于“谁使用谁支付”的原则，支路t分摊给第k个负荷的固定成本为：

则所有支路分摊给第k个负荷的固定成本为：

其中：Clkp,t和Clkq,t为支路t分摊给负荷k的有功和无功固定成本；TPPL,t,k和TQQL,t,k为负荷侧相关贡献因子矩阵；αLkp,t和αLkp,t为支路t分摊给负荷k固定成本的有功和无功分摊因子，其值为：

同理，第k个发电机应分摊支路j-i的固定成本应为：

Cgkp,t和Cgkq,t为支路t分摊给发电机k的有功和无功固定成本；TPPG,t,k和TQQG,t,k为发电机侧相关贡献因子矩阵；αGkp,t和αGkp,t为支路t分摊给发电机k固定成本的有功和无功分摊因子，其值为

4 算例

运用该方法对下图1中引入分布式发电机后的IEEE33节点配电系统[10]中的一个5节点的子系统进行固定成本分摊，本文给出了详细的分摊结果。

图1 含分布式发电机5节点配电系统

本系统为10 kV配电系统，在节点1上有一无穷大电源G1，在节点19引入一台功率为600 kW，功率因数为0.95的发布式发电机G2。此配网相关的线路阻抗及节点负荷参数如表1所示。

表1 线路阻抗及节点负荷参数

10 kV线路电阻值取0.3Ω/km，建设成本取100 000元/km，年投资回报率取0.2，期望的回报年限取为10年，则通过计算可以得到每条支路的年回收成本，结果如表2所示。

表2 各支路年回收的固定成本元

利用本文的方法，运用上文的公式计算出各负荷和电源的配电网固定成本，结果如表3、4所示。

表3 负荷分摊的配电网固定成本元

表4 发电机分摊的配电网固定成本 元

表3、4中分别列出了每条支路分摊给负荷及发电机的固定成本，并算出了每个负荷及发电机应该承担的固定成本。由表4可以看出首端负荷L18承担的固定成本最少，末端负荷L21承担的固定成本最多，且分摊值恒为正值，引入的分布式发电机G2只承担它实际潮流流经的第3条和第4条支路，在分摊过程中考虑了有功潮流和无功潮流的使用情况，由上可看出此分摊方法是符合实际情况的，满足“谁使用谁支付”的原则，是公平、合理、安全的。4个负荷和2个发电机分摊的总和等于整个配电网的固定成本，即55 732+55 732=111 464(元)，这表明本文提出的分摊方法是可行的。

5 结论

本文借助输电网固定成本分摊的思想，并将分布式发电机引入了配电网络，应用流跟踪技术、贡献因子理论，提出了一种含分布式电源的配电网固定成本分摊方法。该方法分三个阶段进行，将配电网络中的用户和电源根据其利用程度来分摊固定成本，并用一个含分布式电源的简单配电系统计算实例论证本文提出方法的正确及可行，使配电网固定成本分摊更加公平和合理。

本文作者创新点：（1）提出了一种含分布式发电机的配电网固定成本分摊方法；（2）通过计算实例证明了该方法的正确性和可行性。

［1］梁才浩，段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响［J］.电力系统自动化，2001（12）：53-56.

［2］梁有伟，胡志坚，陈允平.分式发电及其在电力系统中的应用研究综述［J］.电网技术，2003（12）：71-74.

［3］Perez Arriage I J，Rubio F J，Puerto J F.et al.Marginal pricing，of transmission services：an analysis of cost recovery［J］.IEEE Trans.on Power Systems，1995，10（1）：546-553.

［4］ J Bialck.Tracing the Flow of Electricity［J］.IEE Proc.Gener.Transm.Distrib.，1996，143（7）：313-320.

［5］ Bialek J.Allocation of Transmission Supplementary Charge to Real and Reactive Loads［J］.IEEE Trans on Power Systems，1998，13（3）：749-754.

［6］Camfield R J，Schuster A G.Pricing Transmission Services Efficiently ［J］.The Electricity Journal，2000，13（9）：13-32.

［7］吴政球.基于系统边际电价的输电网络固定成本分时分摊研究［J］.电力自动化设备，2004，24（12）：6-11.

［8］吴政球.求解由节点功率引起线路潮流和损耗功率变化的方法［J］.中国电机工程学报，2002，22（9）：34-37.

［9］吴政球，姚建刚.基于潮流分析的有功无功联合功率追踪的研究［J］.电力自动化设备，2000，20（3）：4-7.

［10］Baran M E，Wu FF.Network reconfiguration in distribution systems for loss reduction and load balancing［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1989，4（2）：1401-1406.