基于全社会成本评估的输煤输电经济比较

曾 沅，王 浩

(天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072)

基于全社会成本评估的输煤输电经济比较

曾 沅，王 浩

(天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072)

分析了输煤和输电全社会成本的构成，将系统投资成本、燃料成本、环境损失成本、可靠性成本之和定义为全社会成本，并提出输煤和输电全社会成本的评估框架，根据单位供电量的全社会成本进行输煤输电经济比较．已有的系统运行模拟方法计及了机组组合优化模型和安全约束经济调度模型，可以详细评估输煤和输电每一时段的燃料成本、环境损失成本和可靠性成本．评估了输煤与特高压直流输电的具体算例，详细分析了输电线路年利用小时数、环境损失成本和可靠性成本对输煤和输电经济比较的影响．结果表明在输煤输电的比较中，考虑可靠性和环境因素是非常必要的．

输煤；输电；全社会成本；环境损失成本；可靠性成本

受能源资源赋存条件的制约，我国是世界上为数不多的能源生产与消费以煤炭为主的国家[1]．我国煤炭资源集中在西北和华北地区，煤炭消费主要在东南沿海地区，客观上存在能源供需地区逆向分布的特点．利用铁路运输煤炭是目前进行能源输送的主要途径，而电力输送也是煤炭资源配置的一种方式，因此输煤与输电何者更优的问题值得研究．

采用输煤方案时，负荷地区电厂一般建水冷机组．受端地区环境承载力较弱，所以环境损失成本较高．建设铁路的一次性投资较大，铁路运输时还要产生驱动能耗、煤炭物理损失等．采用输电方案时，由于我国煤炭产区附近大多水资源短缺，坑口电厂一般采用空冷机组，空冷机组的煤耗要比水冷机组高，投资成本也高．直流输电要建换流站，一次性投资较大．煤矿产区环境承载力较强，所以环境损失成本相对较低．输电方案存在长距离输电线路，会使系统供电的可靠性降低，同时网损很大．

文献[2-5]对输煤输电的经济比较已经做过研究，但是没有考虑环境和可靠性因素，对输煤输电中各项成本的差异没有充分考虑，且近些年特高压直流输电发展迅速，所以有必要对输煤和输电重新进行比较研究．笔者将系统投资成本、燃料成本、环境成本、可靠性成本之和定义为全社会成本，以单位供电量的全社会成本为基准，对输煤与特高压直流输电的具体算例进行比较研究，详细分析了输电线路年利用小时数、环境成本和可靠性成本对输煤输电经济比较的影响.

1 输煤输电的全社会成本构成

输煤方案的全社会成本包括火电机组投资及维护成本、铁路投资及运行维护成本、燃料成本、环境损失成本和可靠性成本．输电方案的全社会成本包括火电机组投资及维护成本、输电线路投资及运行维护成本、燃料成本、环境损失成本和可靠性成本．

环境损失成本指在考虑环境对策措施(如采用脱硫脱销设备)的条件下，火电排放的污染物对环境产生的经济损失[6]．减排单位污染物所避免的经济损失称作污染物的环境价值．煤炭发电的污染物主要有SO2、NO、CO2、CO和悬浮颗粒等．输煤方案的电厂建在受端负荷地区，负荷地区一般环境承载力较弱，所以环境损失成本较高[7]．

目前，我国的供电可靠性水平还比较低，每年停电事故都造成巨大的经济损失[8-10]．可靠性价值可以看作单位停电量的经济损失，目前我国缺乏可靠性价值方面的统计数据，故通常采用度电产值来衡量单位缺供电量所造成的平均经济损失，度电产值是国内生产总值与全社会总用电量之比．目前我国的度电产值约为 10.5元/(kW·h)，美国的度电产值约为3.6,$/(kW·h)．根据美国劳伦茨贝克莱实验室(LBNL)报告[11]提供的基础数据，推算出美国单位缺供电量的经济损失的中间值近似为 100,$，可以看出系统的可靠性问题造成的经济损失是非常巨大的，所以可靠性成本在输煤输电的比较中不能忽略．

2 全社会成本评估方法

2.1 评估基准

对输煤方案和输电方案评估时，两种方案的电源规划方案相同(即采用相同数量和容量的火电机组)，火电机组的年利用小时数相同，通过计算单位供电量的全社会成本进行输煤输电的经济性比较．

2.2 评估框架

已有的系统运行模拟方法采用机组组合优化模型和安全约束经济调度模型[12]，可以详细评估输煤和输电方案每一时段的燃料成本、环境损失成本、可靠性成本和供电量．

获得燃料成本、环境损失成本和可靠性成本之后，再结合系统投资及维护成本，即可获得输煤方案和输电方案的全社会成本．输煤输电方案的全社会成本评估框架如图1所示．

系统运行模型的流程如图2所示．

图1 输煤输电方案的全社会成本评估框架Fig.1 Framework for evaluating total social cost of coal transportation and electricity transmission program

2.3 环境损失成本评估

系统运行模拟可获得火电机组每个时段的耗煤量，再利用各种污染物的环境价值和排放量，计算系统的年环境损失成本．环境损失成本的计算式为

式中 Costenv、Kmax、Pollk、Costk分别为年环境损失成本、污染物种类数、第k种污染物的年排放量、第k种污染物的环境价值．评估过程考虑的污染物有 SO2、NO、CO2、CO和悬浮颗粒．

2.4 可靠性成本评估

根据蒙特卡洛模拟方法确定系统元件(本文考虑了机组和输电线路)的状态转移过程[13]，进行系统运行模拟，如果日机组组合失败或者不满足安全约束，则降低线路的传输功率，根据求得的缺供电量计算可靠性成本[14]．可靠性成本的计算公式为

式中：C ostrrel为方案的年可靠性成本；Ymax为运行模拟年数；ENS(y, t)为系统在第y年第t小时的缺供电量；C ostr为可靠性价值．

图2 系统运行模拟流程Fig.2 Flow chart of the system operation simulation

3 算例分析

新疆煤炭资源总量预测约为2.194,2万亿t，约占全国预测煤炭资源总量的 40.6%，居全国第一位．哈密是新疆四大煤矿产区之一，该地区煤质好，发热量高．本章算例为新疆哈密到河南郑州的输能线路，距离约为2,200,km．

3.1 边界条件

3.1.1 输煤方案的边界条件

(1) 铁路单位投资为0.08元/(t·km)(含运行维护成本)；

(2) 受端电厂采用60万 kW水冷机组，单位投资为 3,600元/kW，煤耗为 300,g/(°)(标煤)，年运行维护费用为5%，资金回收系数为0.101,9；

(3) 机组加装脱硫脱硝装置；

(4) 根据新疆煤炭供应现状，原煤的价格取为150元/t，输煤的固定费用取为 100元/t，这样原煤的车板价为250元/t，原煤发热量为5,500×4.186,kJ/t；

(5) 根据铁路运煤现状，输煤的物理损失率取为1%．

3.1.2 输电方案的边界条件

(1) 输电线路采用±800,kV特高压直流线路[15-17]，其传输容量为 760万 kW，年利用小时数为 5,500,h.输电线路单位投资为1.83×10-5元/(kW·h·km) (不含换流站，含运维成本)，两端换流站投资为125.6亿元，资金回收系数为0.082；

(2) 送端电厂采用60万 kW 空冷机组，单位投资为 3,850元/kW(比水冷机组高 7%)，煤耗为315,g/(°)(标煤)(比水冷机组高 15,g/(°))，年运行维护费用为5%，资金回收系数为0.101,9；

(3) 机组加装脱硫脱硝装置；

(4) 原煤的价格取为 150元/t，原煤发热量为5,500×4.186,kJ/t；

(5) 两端换流站的损耗率为 1.4%，直流线路每100,km的损耗为0.25%[18]．

3.2 输煤方案评估

输煤方案中，受端负荷地区建 13台水冷火电机组发电供给负荷．算例中机组、线路、经济及可靠性参数见文献[19-25]．具体评估结果如表1所示．

表1 输煤方案的评估结果Tab.1 Evaluation results of coal transportation program

由于输煤方案只考虑火电机组的故障率，而在可靠性评估中，火电机组故障导致的年缺供电量极小，故表1中输煤方案的可靠性成本为0．

3.3 输电方案评估

输电方案中，送端电厂建 13台空冷火电机组，通过±800,kV特高压直流线路输电．具体评估结果如表2所示．

表2 输电方案的评估结果Tab.2 Evaluation results of electricity transmission program

3.4 评估结果分析

综上，以新疆哈密煤矿产区至河南郑州为例进行输煤输电经济比较，在各参数均取典型值的条件下，输煤方案的经济性略优于输电方案．

由表1和表2的各项成本比较中可以看出：

(1) 空冷机组的投资高于水冷机组，所以输电方案的机组投资总成本高于输煤方案；

(2) 输电方案的输电线路投资总成本(不包含换流站投资)低于输煤方案的铁路投资总成本(不包含输煤固定费用)；

(3) 空冷机组的煤耗高于水冷机组，所以输电方案的燃料总成本要高于输煤方案；

(4) 输煤方案的电厂建设在受端负荷地区，负荷地区人口密集、经济发达，环境承载力较弱，所以环境损失总成本要比输电方案高；

(5) 系统的供电可靠性问题主要取决于输电线路的可靠性，因而输电方案的可靠性总成本更高一些；

(6) 输电线路的网损很高，所以输电方案的年供电量要低于输煤方案．

4 输电线路年利用小时数可靠性成本和环境成本对临界输能距离的影响

4.1 临界输能距离与传统方法的比较

输煤输电存在一个临界输能距离，当输能距离低于该距离时，输电方案更为经济．基于本文采用的基础数据，用传统方法得出的临界输能距离约为2,000,km，本文方法得出的临界输能距离为1,955,km，如图3所示．

图3 单位电量成本与输能距离的关系曲线Fig.3 Relationship curves between the cost of unit electricity and distance

单位供电量的输电线路投资成本要低于铁路投资成本，但是单位供电量的可靠性成本也会随着输能距离的增加而增加，所以远距离输电的成本较高．本文方法得出的临界输能距离与传统方法比较接近．但这是基于某一特定的输电线路年利用小时数、可靠性价值和环境价值．实际上随着未来外界环境的变化，上述 3个参数会发生变化，进而影响输煤输电的比较结果．

4.2 输电线路年利用小时数对临界输能距离的影响

以上算例中，输电线路的年利用小时数为5,500,h，临界输能距离与输电线路年利用小时数的关系曲线如图4所示．

图4 临界输能距离与输电线路年利用小时数的关系曲线Fig.4 Relationship curve between critical distance and annual utilization hours of electricity transmission line

由图 4可见，随着输电线路年利用小时数的增加，单位供电量的线路投资成本会降低，输电的经济距离会增加，所以输煤输电的临界输能距离逐渐增加．

4.3 可靠性成本对临界输能距离的影响

以上算例在计算可靠性成本时，按照我国 2012年度电产值将单位可靠性成本取为10.5元/(kW·h).如果单位可靠性成本变化为原值的 K倍(本文中定义 K为可靠性价值系数)，输煤输电的临界输能距离与可靠性价值系数K的关系曲线如图5所示．

图5 临界输能距离与可靠性价值系数K的关系曲线Fig.5 Relationship curve between critical distance and the coefficient K of reliability value

由图 5可见，随着可靠性价值的增加，输电的可靠性成本增加更多，输电的经济距离会减少，所以输煤输电的临界输能距离逐渐降低．当可靠性价值变化为 25元/(kW·h)时，输煤输电的临界距离将降低到 600,km以下，这已经不在特高压直流输电模式的合理建设范围之内，而该值(25元/(kW·h))还远远低于目前国际上曾多次采用的对可靠性成本的推算值(100,$/(kW·h))[11]．因此，大规模发展特高压直流输电，需要解决其供电的可靠性问题．

4.4 环境损失成本对临界输能距离的影响

以上算例在计算环境损失成本时，按照我国2012年的水平，送端地区的各污染物的环境单位损失成本约为受端的 1/4[14]．如果将单位环境损失成本变化为原值的 H倍(本文中定义 H为环境价值系数)，临界输能距离与环境价值系数H的关系曲线如图6所示．

图6 临界输能距离与环境价值系数H的关系曲线Fig.6 Relationship curve between critical distance and the coefficient H of environment value

由图 6可见，随着环境价值的增加，输煤输电的临界输能距离将逐渐增加．这表明仅从环境保护的角度出发，更应优先发展输电方案．当然，得到这一结论的前提是，受端地区的环境价值高于送端地区的环境价值．就我国目前的具体发展情况而言，人口密集的东南部负荷地区，其环境价值是远高于人烟稀少的西部地区的．然而，当西部开发进行到一定程度时，随着社会经济的发展和当地环境的破坏，东西部之间的环境价值差距将大大减少，对输煤输电经济性比较的最终结果也将随之产生影响．

5 结 语

近年来，输煤输电的经济性比较一直是研究的热点话题．本文将系统投资成本、燃料成本、环境成本、可靠性成本之和定为全社会成本，利用单位供电量的全社会成本比较输煤输电的经济性．本文对输煤与特高压直流输电的具体算例进行评估，详细分析了可靠性因素和环境因素对输煤输电比较的影响，评估结果论证了在全社会成本中引入可靠性成本和环境损失成本的必要性．本文可对输煤输电经济性的比较研究提供有益的参考．

［1］ 邓建利，葛正翔，蒋莉萍. 2020年全国煤、电、运综合平衡初步判断及煤炭运输能力对华东电力发展的制约分析[J]. 电力技术经济，2005，17(3)：5-8.

Deng Jianli，Ge Zhengxiang，Jiang Liping. A preliminary judgment on general balance of coal，electric power and transportation in the year of 2020 and constraint analysis on coal transport capacity to eastern power development[J]. Electric Power Technologic Economics，2005，17(3)：5-8(in Chinese).

［2］ 邵 华，周树仁，孟宪申. 合理利用煤炭资源：输煤、输电、输气方案比较[J]. 煤炭化工设计，1985(4)：1-8.

Shao Hua，Zhou Shuren，Meng Xianshen. Rational utilization of coal resources：Comparison between coal transportation，electricity transmission and gas transportation[J]. Coal Chemical Industry Design，1985(4)： 1-8(in Chinese).

［3］ 丁 伟，胡兆光. 特高压输电经济性比较研究[J]. 电网技术，2006，30(19)：7-13.

Ding Wei，Hu Zhaoguang. The research on the economy comparison of ultra high voltage[J]. Power System Technology，2006，30(19)：7-13(in Chinese).

［4］ 王耀华，张风营，白建华. 输煤输电经济性比较[J].中国电力，2007，40(12)：6-9.

Wang Yaohua，Zhang Fengying，Bai Jianhua. Comparative research on the economy of coal transportation and power transmission[J]. Electric Power，2007， 40(12)：6-9(in Chinese).

［5］ 杨德庄，文 迅，朱 刚. 输煤输电问题[J]. 优选与管理科学，1987(2)：37-44.

Yang Dezhuang，Wen Xun，Zhu Gang. The problem of coal transportation and electricity transmission[J]. Chinese Journal of Management Science，1987(2)： 37-44(in Chinese).

［6］ 许汝文，田雁冰. 发电厂的环境成本分析[J]. 内蒙古环境保护，2004，16(4)：24-27.

Xu Ruwen，Tian Yanbing. The environmental cost analysis of power generation plant[J]. Inner Mongolia Environmental Protection，2004，16(4)：24-27(in Chinese).

［7］ 张运洲. 特高压交流输电的经济运行分析[J]. 电器工业，2007(4)：34-39.

Zhang Yunzhou. The economic performance analysis of the over-voltage AC power transmission[J]. Electrical Equipment Industry，2007(4)：34-39(in Chinese).

［8］ 元 博，周 明，李庚银，等. 基于可靠性指标的含风电电力系统的发电和运行备用的协调调度模型[J].电网技术，2013，37(3)：1-8.

Yuan Bo，Zhou Ming，Li Gengyin，et al. A coordinated dispatching model considering generation and operating reserve for wind power integrated power system based on ELNSR[J]. Power System Technology， 2013，37(3)：1-8(in Chinese).

［9］ 孙元章，程 林，刘海涛. 基于实时运行状态的电力系统运行可靠性评估[J]. 电网技术，2005，29(15)：6-12.

Sun Yuanzhang，Cheng Lin，Liu Haitao. Power system operating reliability evaluation based on real-time operation state[J]. Power System Technology，2005， 29(15)：6-12(in Chinese).

［10］ 赵 渊，周家启，周念成，等. 大电力系统可靠性评估的解析计算模型[J]. 中国电机工程学报，2006，26(5)：19-25.

Zhao Yuan，Zhou Jiaqi，Zhou Niancheng，et al. An analytical approach for bulk power systems reliability assessment[J]. Proceedings of the CSEE，2006，26(5)： 19-25(in Chinese).

［11］ LaCommare K H，Eto J H. Cost of Power Interruptions to Electricity Consumers in the United States[EB/OL]. http：//www.escholarship.org/uc/item/1d43k4p9，2006-02-16.

［12］ 余贻鑫，周金辉，秦 超. 基于价值的含大规模风电电力规划评估[J]. 天津大学学报，2011，44(11)：941-947.

Yu Yixin，Zhou Jinhui，Qin Chao. Value-based evaluation of power system planning alternatives with largescale wind power[J]. Journal of Tianjin University， 2011，44(11)：941-947(in Chinese).

［13］ 李文沅. 电力系统风险评估：模型、方法和应用[M].北京：科学出版社，2006.

Li Wenyuan. Risk Assessment of Power Systems： Models，Methods and Applications[M]. Beijing： Science Press，2006(in Chinese).

［14］ 周金辉. 基于价值评估的含大规模风电的电力规划[D]. 天津：天津大学电气与自动化工程学院，2012.

Zhou Jinhui. Power System Planning with Large-Scale Wind Power Based on Value Evaluation[D]. Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，2012(in Chinese).

［15］ 张运洲. 对我国特高压输电规划中几个问题的探讨[J]. 电网技术，2005，29(19)：11-14.

Zhang Yunzhou. Study on some problems of UHV power transmission planning in China[J]. Power System Tech-nology，2005，29(19)：11-14(in Chinese).

［16］ 杜忠明. 贵广第二回直流输电工程换流站无功补偿的研究[J]. 电网技术，2006，30(10)：69-74.

Du Zhongming. Study on reactive power compensation for the secondary HVDC project from Guizhou to Guangdong[J]. Power System Technology，2006， 30(10)：69-74(in Chinese).

［17］ 赵 彪，史雪飞，孙 珂，等. 特高压输电经济性实例分析[J]. 中国电机工程学报，2009，29(22)：8-11.

Zhao Biao，Shi Xuefei，Sun Ke，et al. Economic analysis of the instance for UHV AC transmission[J]. Proceedings of the CSEE，2009，29(22)：8-11(in Chinese).

［18］ 刘振亚，舒印彪，张文亮，等. 直流输电系统电压等级序列研究[J]. 中国电机工程学报，2008，28(10)： 1-8.

Liu Zhenya，Shu Yinbiao，Zhang Wenliang，et al. Study on voltage class series for HVDC transmission system[J]. Proceedings of the CSEE，2008，28(10)：1-8(in Chinese).

［19］ 刘福国，蒋学霞，李 志. 燃煤发电机组负荷率影响供电煤耗的研究[J]. 电站系统工程，2008，24(4)： 47-49.

Liu Fuguo，Jiang Xuexia，Li Zhi. Investigation on affects of generator load on coal consumption rate in fossil power plant[J]. Power System Engineering，2008， 24(4)：47-49(in Chinese).

［20］ 刘国跃，朱宝田，雷兆团，等. 超临界及超超临界机组的运行特性研究[J]. 电力设备，2006，7(4)：7-10.

Liu Guoyue，Zhu Baotian，Lei Zhaotuan，et al. Study on operation property of supercritical and ultrasupercritical pressure generating units[J]. Electrical Equipment， 2006，7(4)：7-10(in Chinese).

［21］ 毛华军. S109FA联合循环机组调峰运行方式的分析[J]. 华电技术，2008，30(8)：13-15.

Mao Huajun. The peak-shaving operation analysis of S109FA gas-steam combined cycle unit[J]. Huadian Technology，2008，30(8)：13-15(in Chinese).

［22］ 洪晖虹，陈 勇. 广东省引进燃气-蒸汽联合循环机组的必要性及机组性能分析[J]. 广东电力，2006，19(5)：6-10.

Hong Huihong，Chen Yong. Necessity of developing gas-steam combined cycle units in Guangdong and performance analysis of the units[J]. Guangdong Electric Power，2006，19(5)：6-10(in Chinese).

［23］ 电力规划设计总院. 火电工程限额设计参考造价指标(2009年水平)[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

Electric Power Planning & Engineering Institute. Thermal Power Engineering Quota Design Reference Cost Index(2009)[M]. Beijing： China Electric Power Press，2010(in Chinese).

［24］ 电力规划设计总院. 电网工程限额设计控制指标(2009年水平)[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

Electric Power Planning & Engineering Institute. Grid Engineering Quota Design Control Index(2009)[M]. Beijing：China Electric Power Press，2010(in Chinese).

［25］ 国家电力监管委员会电力可靠性管理中心. 2009年全国电力可靠性指标[EB/OL]. http://www.chinaer.org/ info.aspx?n＝20100708161205737585，2010-07-08.

Electric Power Reliability Management Center of State Electricity Regulatory Commission. National Power System Reliability Indices(2009)[EB/OL]. http://www. chinaer.org/info.aspx?n=20100708161205737585，2010-07-08(in Chinese).

(责任编辑：孙立华)

Economic Comparison Between Coal Transportation and Electricity Transmission Based on Total Social Cost Assessment

Zeng Yuan，Wang Hao
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The composition of total social cost was analyzed and an assessment framework of total social cost of coal transportation and electricity transmission was proposed in this paper. The total social cost was defined as the sum of investment cost，fuel cost，environmental loss cost and reliability cost. In the simulation process，daily-ahead unit combination optimization and security constraints based economic dispatch optimization were included. The fuel cost，environmental cost and reliability cost in each time period were evaluated. The evaluation method was used to compare UHVDC transmission and coal transportation based on the total social cost of unit electricity supply. Detailed analyses of the impact of the environmental loss cost，reliability cost and annual utilization hours of electriclty transmission line on economic comparison between coal transportation and electricity transmission were made. The results show that the consideration of the reliability and environmental factors is necessary in economic comparison between coal transportation and electricity transmission.

coal transportation；electricity transmission；total social cost；environmental loss cost；reliability cost

TM9

A

0493-2137(2015)04-0291-07

10.11784/tdxbz201309057

2013-09-16；

2013-11-06.

中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究重大资助项目.

曾 沅（1975— ），男，博士，副教授.

曾 沅，zengyuan@tju.edu.cn.

时间：2014-06-27.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201309057.html.