基于分布式电源的配电网综合效益评估

张世翔，邵慧壮

(上海电力学院 a.科研处，b.经济与管理学院，上海 200090)

随着智能电网的建设，以风电、光伏等为主的分布式电源(Distribution Generation，DG)在我国配电网中的应用越来越广泛，传统配电网因存在各种技术和环境问题正面临多重挑战.一方面，煤炭价格波动、电力负荷波动、上网电价的波动，以及环境问题的日益突出，给传统配电网运行管理带来一定程度的风险;另一方面，随着居民用电量需求的持续增长，传统配电网将面临升级改造.因此，鉴于负荷预测、上网电价、燃料价格的不确定以及环境问题的必要性，综合考虑DG接入对配电网所带来的综合效益价值，相信DG在未来的智能电网建设中将有很大的发展潜力.

1 配电网综合效益评估现状

在能源短缺、环境保护和气候变化等问题日益突出的背景下，开发清洁能源，建设智能电网，发展低碳经济，实现能源优化配置，已成为世界各国的共同选择.[1]智能电网的建设，给传统配电网带来机遇的同时也带来了挑战.未来智能电网必然大力开发使用以可再生能源为一次能源的绿色发电机组，传统火力发电受制于运力紧张、煤炭资源整合后集中度较高、计划电、市场煤等诸多因素的制约，加剧了火电运营管理亏损.[2]智能电网的建设必然引发配电网一次新的变革，而DG的接入将是不容忽视的重要变革方向.配电网的运行管理受到诸多因素影响，同时又面临负荷预测、上网电价、燃料价格的不确定性以及环境恶化等问题.因此，考虑DG的配电网的综合效益评估是一个涉及多种因素的复杂问题，具有理论和现实研究意义.

配电网的综合效益评估涉及配电网的经济性和可靠性.经济性包括诸如燃料成本、电价、环境污染等影响因素;可靠性的评估方法也有多种，一般在实际中用停电带来的经济损失来定量表述.文献[3]通过最大收益计算使配电网经济与技术参数相结合，制定了评价配电网技术投资效益的指标，建立了配电网经济性综合评估体系，该体系由财务效益评估、技术经济效益评估、不确定性分析和综合评估4部分构成.文献[4]通过建立分布式电源的状态空间模型，采取故障状态枚举和后果分析的方法对含有分布式电源的配电系统进行了可靠性评估.文献[5]通过估计分布式电源的输出功率，建立了可再生能源的分布式电源容量因素的公式，并给出了行业调查结果.该方法通过算例证明了其满足馈线的要求并对配电系统的可靠性具有一定的提高作用.文献[6]针对配电网经济运行属性的多样性和复杂性，提出了一种基于证据融合理论的配电网经济运行BP神经网络评价模型.

现有文献对配电网的综合效益评估并不全面，有的只考虑了经济性或可靠性，有的虽然考虑了综合效益，但完全是基于工程的角度或技术层面角度.

2 评估方法及模型建立

2.1 评估方法

配电网的综合效益评估涉及配电网的经济性和可靠性，需要综合考虑这两个指标的影响，其中经济性存在的不确定因素主要考虑电力负荷波动、燃料价格变动、电价波动、环保效益等.配电网的可靠性用某地区停电经济损失定量表示.[3]配电网的综合效益最终全部用经济性和可靠性折算的货币价值体现.

2.1.1 电力负荷波动

电力负荷是反映一个供电地区全部用电设备的有功功率，由于电力负荷受多种因素影响，因此具有不确定性和随机性.对于随机电力负荷的定量描述，已有调查研究表明，一个地区的电力负荷近似服从正态分布.结合工程实际，负荷服从一定概率分布符合负荷具有随机性的情况.假设某地区用电负荷Qd服从正态分布(ud，δ2d)，则可用期望和方差描述该区域负荷的最有可能水平和波动水平.[7-8]

2.1.2 燃料价格变动

在我国，75%左右的发电机组采用火力发电，煤炭是主要燃料，其价格波动对火力发电机组运营成本产生重大影响.电煤市场基本放开后，作为一种商品，电煤价格波动服从经济学中的价值原理，其价格会围绕价值上下波动.在完全开放的市场条件下，波动幅度可能较大，但为了稳定市场，监管部门会限定电煤价格波动的上下限.因此，电煤价格波动在监管下近似均匀分布.本文假设煤电价格Pc波动范围为(a，b)，根据均匀分布概率密度函数:

可得期望与方差为:

2.1.3 上网电价波动

电力市场相关研究中，普遍认可的假设是电价服从正态分布.上网电价具有一定的随机性，即假设发电侧竞争激烈，上网电价Pe不会出现垄断情况，本文假定Pe符合参数为(ue，δ2e)的对数正态分布，即:

根据概率密度函数可得上网电价的期望值和波动值分别为:

2.1.4 环保效益

目前，低碳环保已经成为各行各业发展不可忽视的问题，电力行业也在积极寻求一条可持续发展的道路.DG以风能、太阳能等清洁能源为一次能源，其接入配电网可以很好地缓解电力行业的碳排放及其他污染问题.

目前我国发电侧主要为火力发电机组，煤炭作为根本燃料是碳排放的主要来源.燃煤发电产生的CO2的排放强度为1 008.788 kg/MWh.CO2的排放费是 0.765元/kg，CO2的环境价值是0.023元/kg.[9]DG 因使用清洁能源为一次能源，故不存在碳排放问题.

2.1.5 可靠性效益

配电网的可靠性效益主要是指电力用户因断电而承受的直接或间接的经济损失，通常可以用停电频率和停电时间与单位停电时间的经济损失的乘积来表示，本文采用总缺电量ENS和产电比C表示.[10]

式中:ENS——缺电量，可由历史数据统计得到;

C——产电比，是指某一阶段、某一地区国内生产总值(GDP)与所用电能之比，元/kWh.

产电比体现了单位电能所创造的经济价值，是电能货币价值的一种等价评估，可以近似表述停电带来的经济损失，可由某地区往年的国内生产总值和往年总用电量计算得到.

2.2 模型建立

本文综合考虑了配电网的经济效益和可靠性效益，对配电网进行综合效益评估.无论是传统配电网还是加入了DG的配电网，其评估模型都需要综合考虑各个指标，因各个指标均已折算为货币价值，故无需加权计算.配电网综合效益评估模型如下:

综合效益=－(燃料价格×每度电耗煤量×用电量)+(销售电价－上网电价)×用电量－二氧化碳排放治理费用－缺电量损失

3 算例分析

3.1 燃料效益

本文以上海市传统配电网(不含DG)为例进行综合效益评估.表1为上海市2007～2013年的用电量.

表1 上海市2007～2013年用电量 ×108kWh

本文假设上海市年用电量服从正态分布，故通过最大似然估计:

火电厂发1 kWh用煤360 g左右.煤的价格每吨在350～550元，服从平均分布，则E(pc)=450元，D(pc)=3 333.

燃料费用Ccoal=450×1 252×108×360×10－6=2.028 24 ×1010元.

3.2 上网电价波动效益

表2为上海市2007～2013年的上网电价统计.

表2 上海市2007～2013年上网电价 元

本文假设上网电价服从对数正态分布，根据统计学知识，采用最大似然估计对上网电价参数进行估计.

销售电价以上海市第一档峰时电价0.617元计算，则电价收益为:

3.3 环保效益

一般燃煤发电产生的CO2的排放强度为1 008.788 kg/MWh.CO2的排放费为 0.765 元/kg，CO2的环境价值是 0.023元/kg.故可得上海市CO2排放治理费用为:

3.4 可靠性效益

通过分析上海市2007～2013年的GDP和用电量，如表3所示，可以得出每年的产电比C.由表3可知，产电比年增长量近似线性增长.本文的产电比C取近7年的平均值，C=13.55.

表3 上海市2007～2013年GDP和用电量

根据国家电网统计，上海市2011年供电可靠性为99.97%，相邻年份的可靠性也在该数值附近波动，本文取供电可靠性为99.97%.则缺电量导致的经济损失为:

根据以上各评估指标的计算，结合综合效益评估模型可得综合效益为:

3.5 考虑分布式电源时的综合效益评估

相比于传统配电网络，计及DG的配电网会有所不同.DG大都以清洁能源为一次能源，不会消耗燃料，而且DG运行过程中绿色环保，无碳排放及其他污染物排放，在电价方面区别于传统电价，可忽略可靠性的影响.以上海市东海大桥海上风电场一期为例，该风电场于2010年6月并网发电，其装机容量为102 MW，年发电量约为2.67×108kWh.节省燃煤费用为Cr=450×2.67×108×360×10－6=4.325×107元.由于海上风电属于零碳排放，可减少 CO2的排放治理费用，具体可节省的经济费用为:

国家发改委发布《关于海上风电上网电价政策的通知》，明确了国内海上风电的标杆电价为:2017年以前投运的近海风电项目上网电价为0.85元/kWh(含税)，潮间带风电项目上网电价为0.75元/kWh(含税).为推动本地新能源发电，上海已经出台针对海上风电的补贴方案，即并网发电的每一度“海风绿电”，由政府补贴0.20元.东海大桥风电场属于近海风电项目，其上网电价为0.85元/kWh，海上风电销售电价现在没有统一标准，本文假设海上风电供上海市居民使用，即销售电价与普通火电机组同为0.617元/kWh，则含海上风电的配电网电价效益为:

综合燃料效益、环境效益及电价效益，可得含海上风电的配电网综合效益为:

由以上分析可知，相比于传统配电网，含海上风电的配电网的综合效益有所下降，主要原因是目前海上风电项目的关键技术还不够成熟，开发成本较高，导致电网购电成本远高于传统火力发电机组，这也是现在我国存在大量弃风现象的一个重要原因——如此高昂的上网成本导致电网公司购电的盈利水平越来越低，甚至出现亏损现象.未来随着海上风电技术的不断成熟，其发电上网成本也会越来越低，上网电量也会越来越多.虽然由于电价效益的影响，含DG的配电网综合效益有所下降，但是DG在节省燃料成本和在环境保护方面的价值不容忽视.煤炭是不可再生能源，据资料显示，如果按照目前的开采速度，我国煤炭储备仅够维持30年，而风能、太阳能等可再生能源不仅取之不尽，用之不竭，而且绿色无污染.随着我国智能电网建设的不断发展，火力发电机组并网的份额会越来越少，而以新能源发电上网的DG所占的比例会日益凸显.

4 结语

随着智能电网的建设，传统配电网因存在各种技术和环境问题面临多重挑战，以风电、光伏等为主的DG在我国配电网中的应用将会越来越广泛.本文综合考虑了配电网的经济性和可靠性，从电力负荷、燃料价格、上网电价的不确定性以及环境污染治理的价值等方面，分析了配电网的经济性效益和可靠性效益，然后分析了DG接入对配电网综合效益的影响.相信随着DG技术的不断成熟，其带来的综合效益将会更加明显.

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