电力市场背景下考虑设备投资潜在价值的输电网规划

何英静 王曦冉 王文涛 毛安家 李海疆

电力市场背景下考虑设备投资潜在价值的输电网规划

何英静1王曦冉1王文涛2毛安家2李海疆1

（1. 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310008；2. 华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

电力市场改革对电网企业投资和资产管理行为规范提出了更高的要求，传统以输电能力提升为目的的规划方法难以适应新的形势。分别考虑线路潮流的流通、系统阻塞的缓解和市场交易对线路的影响，计及价值因素建立评估规划方案在经济性和实用性方面的潜在价值指标体系。在此基础上，基于潜在价值指标和成本建立多目标输电网规划模型，通过一种改进的遗传算法实现对模型的求解，采用修改后的IEEE 39节点算例验证了本文所提方法的有效性。

输电网规划；价值评估；电力市场；多目标规划；改进遗传算法

0 引言

电力市场化改革，进一步加强了对投资和收益的考量。传统电网规划中单纯以输电能力提升的投资收益计算方法不能完全表达投资在市场环境下的价值，可能造成过度投资[1-2]，难以适应新形势下的电网运营需求。因此，如何在最大程度保证系统可靠性的前提下兼顾规划资源的利用效率，成为电力市场化改革背景下电网规划中亟待解决的问题。

1906年Irving Fisher最早提出资本价值理论，论述了企业价值、资本和收入的关系，由此发展起来的成本法、市场法、收益法等价值评估方法，在众多领域得到推广应用。在电力系统规划中，投资成本与效用收益作为规划方法的评价依据，已发展出一系列成熟的理论与方法。例如，文献[3]将电力系统规划的视角从传统的技术经济评估拓宽为社会价值评估，将安全性价值体现在减少社会损失的成本上。文献[4]计及电网改造成本、储能投资成本和光伏限电损失，以有/无储能接入时的成本差别来体现储能支撑高比例分布式光伏接入的价值。类似地，文献[5]在可靠性成本中考虑用户侧期望中断成本，从中断供电对工业、商业、居民等用户造成的损失切入，寻找规划方案的价值。可以看出，这类方法仅从成本减少、降低损失角度分析规划方案所体现的价值。文献[6]通过系统负荷和实时电价的变化来挖掘储能在充放电过程中的潜在效益。文献[7-9]以美国中部独立电力系统运营商（midwest independent transmission system operator, MISO）电力市场为背景，以收益与投资为基本评估指标，研究考虑价值的电网规划问题。其中，文献[7]提出一种寻找兼顾可靠性和经济价值的跨区输电规划方案；文献[8]以九种需求侧管理资源在四种预测情景下的单位功率成本为考量，提出计及需求响应与能源效率的输电网规划方法；文献[9]则通过待建线路在提高市场运行效率、减少网损和延缓投资等方面的作用，更全面地体现了输电网规划投资价值。这类方法引入了潜在价值思想，拓宽了传统规划中主要考虑投资收益的思想局限，为全方位挖掘输电网规划投资潜在价值提供了借鉴。

近年来，随着电网规模的不断扩大，系统结构日益复杂，对系统投资的考量也日趋多元化，体现在电网规划方面，出现了一系列考虑系统多元经济指标，如结合剩余供电能力[10]、储能设备功率变化量[11]、线路潮流信息[12-13]等概念的电网规划方法，也有考虑多方面因素的多目标规划方法[14-16]。例如文献[14]考虑分布式电源的运行裕度和线路剩余输电容量建立安全因子，考虑分布式电源的运行率和与其相连的线路数建立协同因子，结合运行经济性指标建立多目标规划模型，所提方法可以同时对分布式能源和输电线路进行协调规划。文献[15]在计及投资运行成本的同时，还建立了能量利用效率、碳排放、用户不满意度等指标对规划方案进行评估，协同设备配置及需求侧管理策略进行优化，所提方法兼顾决策最优性与抗风险能力。文献[16]以经济成本、风光消纳率和能源供应不足为目标建立综合能源系统多目标规划模型，由粒子群优化算法得到非劣解集后，使用满意度指标获取非劣解集中的最满意解。多目标优化方法可以使规划方案计及问题的多个方面，在电力市场背景下，考虑多元因素建立模型有利于寻找合理的电网规划方案。

电力市场环境下，电网公司转变为服务型企业，但电网阻塞、市场集中度等因素会对自由交易产生影响，而传统规划方法无法体现电网规划与电力市场的双向影响和电网企业在保证资源配置中的功能性，容易造成社会福利的无谓损失。本文借鉴价值评估思想来体现电网企业于电力市场中的真实价值，结合价值指标建立输电网多目标规划模型，探寻一种考虑价值评估的电网规划方法。由于输电线路投资在输电网规划中占据了较大比重，因此，为简化问题，本文研究的输电网规划只考虑输电线路的扩建问题。

1 潜在价值及其评价指标

传统电网规划方法多以垂直一体化垄断的电力系统为研究对象，其任务是为满足负荷按照预定比率的增长，在确保系统供电可靠前提下，力求使电网建设或改造成本最低。在这种严苛的条件下，为保证概率较低、持续时间较短的波动性负荷下的供电可靠性，往往需要大量投资。而在正常情况下，这部分所投资的设备利用率较低，不可避免地会在一定程度上降低经济性。为在最大程度保证安全性的前提下兼顾系统运行的经济性，本文在传统电网规划方法的基础上，引入三项潜在价值指标来体现电网建设在电力市场运行中更真实全面的潜在价值和效益。

1.1 高负荷潮流流通价值

衡量一条线路是否值得投资建设，除了其流通潮流大小外，还要考虑潮流的持续作用时间。

年持续负荷曲线可以反映负荷在一年内的变化情况，体现负荷年变化特性对规划结果的影响，更符合实际规划的需求，由IEEE-RTS提供的参数和预测年峰值负荷即可得到全年各小时的平均负荷，对数据按负荷大小和持续时间排序后即为年持续负荷曲线[17-18]。若选择年持续负荷曲线所有运行点进行详尽的仿真分析，会使规划方法的计算量急剧增大，故本文选择在曲线上选取一定数量的典型负荷进行价值分析。这样既可以发挥年持续负荷曲线上负荷的年变化特性，又不会使模型计算过于繁杂。

典型负荷点依据负荷持续时间的长度进行选取。

式中：h为第个选出的典型负荷点的负荷持续时间，可按上一典型负荷点的负荷持续时间h-1的61.8%取值并取整得出；0为全年小时数，因IEEE- RTS仅提供了52周负荷参数数据，故此处0取值为8 736。可以看出，依照此方法得到的典型负荷点取样密度由负荷低谷至负荷尖峰逐渐增加。负荷尖峰反映了系统电能传输能力最紧张的状态，较大的取样密度可以还原曲线形状，更好地展现系统的规划需求。此外，为计算潮流流通价值tf，将年持续负荷曲线中负荷率为60%的状态点取为典型负荷点。所得典型负荷点信息见表1。

表1 近似年负荷持续曲线各点数据

本文定义线路在年持续负荷曲线中60%以上负荷与负荷持续时间围成的面积为高负荷潮流流通价值，表示该线路在系统运行中承担的高峰负荷的需求，此项价值指标较大的线路在全年中以高负载率流通了较大份额的能量，对此类线路进行扩建可以缓解其电能输送压力，因扩建后的线路在系统中依然承担较大份额能量的传输，故此次投资的性价比较其他线路更高。取前17个典型负荷来计算此项价值，计算tf使用的典型负荷点如图1所示。

高负荷潮流流通价值的计算方式为

图1 计算Vtf使用的典型负荷点

式中：1为计算tf时的典型负荷点集合；P为第个典型负荷下线路的有功功率；max为线路有功功率极限；h为第个典型负荷点在年持续负荷曲线上的横坐标；h+1-h表示在P+1与P之间负荷持续的近似时间。

1.2 阻塞缓解价值

输电网连接发电商与用户，阻塞问题在电力市场环境下将带来更大的影响，此处引入阻塞缓解价值c来表征待建线路对消除阻塞的效用。为简化模型，此处仅考虑单一买方市场下的对应指标。单一买方市场方式一般以全系统购电费用最少为阻塞调度的目标函数[19]，为体现待选线路缓解和消除电网阻塞的程度，结合年持续负荷曲线，取全部典型负荷点来计算阻塞缓解价值，某一扩建方案的全网近似年购电费用由式（4）计算，用投建线路前后的全网近似年购电费用之差表示该扩建方案的阻塞缓解价值。阻塞缓解价值越大，代表该方案的阻塞缓解效果越好。计算c使用的典型负荷点如图2所示。

图2 计算Vc使用的典型负荷点

阻塞缓解价值计算方式为

机组发电费用可由二次函数近似表示为

式中：P为机组在第个负荷状态下的有功出力；2和1分别为近似函数的二次项及一次项的系数，0为其常数项。

1.3 调度灵活性价值

发电机输出功率转移分布因子（generation shift distribution factor, GSDF）表示由发电机有功输出功率变化引起的支路潮流变化量。GSDF常应用于实时调度里的联络线潮流控制、电力市场的阻塞管理、在线静态安全分析等领域。本文利用GSDF寻找系统中受电源出力变化影响程度最严重的线路，调度灵活性价值反映了该线路在系统中各电源改变出力时的潮流波动情况，近似表达维持发电商自由交易环境的潜在需求。

根据定义，若发电机节点集合为，可以得到受所有发电机节点有功功率影响的线路有功潮流变化量为

设每个电源节点变化单位值时，线路上的有功潮流变化量绝对值之和为线路调度灵活性价值，即

调度灵活性价值f的物理意义为，当每个电源节点注入功率变化单位值时，在线路上引起的功率最大改变量，表征线路承受电源调度或发电商自由交易的灵活需求。

2 考虑潜在价值的输电网规划模型

电网规划方法按优化目标的数目可以分为单目标电网规划和多目标电网规划。与单目标规划模型相比，多目标规划模型可以综合考虑多个目标函数，在实现经济性目标的同时兼顾其他指标，从而获得综合效益整体最优的方案[20]。

本文以电网建设投资成本net、高负荷潮流流通价值tf、阻塞缓解价值c和调度灵活性价值f作为规划方案的优化目标函数，计及电网潮流约束和正常运行，将输电网扩展规划模型描述为

电网投资成本net是传统电网规划方法里的基本项，在本文中作为成本并结合其他指标进行建模，某一方案获得效益相近时，成本较小的方案可投入价值更大，故此目标取最小；当输电价格一定时，线路潮流流通越多，线路过网费越高，线路对电网重要程度越高，负载率高的线路若阻塞，势必影响系统的潮流分布，潮流流通价值tf的计算方式为全年在60%以上负载率状态所流通的能量，既计及线路负载率，也考虑了线路潮流的大小，此指标较大的线路高载且负载率较高，过网费较其他线路更高，具有一定的投资价值；阻塞缓解价值c是通过线路扩建前后发电费用之差表示的，以体现待选规划方案缓解和消除电网阻塞的程度，结合年持续负荷曲线可以在时间维度更具体地描述规划方案带来的价值，c越大，表示线路投建后电网发电成本降低程度越大，即对电网阻塞的缓解程度越好；调度灵活性价值f用来寻找受电源出力变化影响程度最严重的线路，表达了线路承受电源调度或发电商自由交易的灵活需求。

电网投资成本net代表线路投入的成本，高负荷潮流流通价值tf、阻塞缓解价值c和调度灵活性价值f从三个角度表达了投入成本可以带来的价值收益，用建线成本配合三项价值收益指标筛选出对系统运行改善程度较大且投资和效益较为合理的线路组合。

3 基于改进遗传算法的模型求解

本文模型中，设备投资成本、高负荷潮流流通价值、阻塞缓解价值和调度灵活性价值量纲各不相同，且难以给各个目标确定合适的权重，很难转为单目标问题进行求解。本文采用智能算法来求解问题。遗传算法可以对搜索空间内的多个解进行评估，具有较好的全局搜索性能，考虑到模型具有4个目标，遗传算法的并行搜索过程不容易陷入单目标的局部最优，可提高求解效率，且具有简单易行的特点，只需要影响搜索方向的目标函数和对应的适应度（fitness）即可对模型进行求解。

适应度在遗传算法中用来度量群体中每个个体在优化问题中达到或接近最优解的优良程度，度量个体适应度的函数称为适应度函数（fitness function），本文使用文献[21]提出的遗传择优因子作为改进遗传算法的适应度函数。

局部遗传择优因子描述某一基因个体对特定环境的适应程度，对算法来说即为一个可行解对某一目标最优解的逼近程度，局部遗传择优因子较大的可行解比较小者更接近单一目标的最优解[21]。多目标的全局遗传择优因子为各个局部择优因子之和，各个目标下局部择优因子的权重相同对待，认为全局遗传择优因子代表该可行解在多目标最优要求下的优劣程度，将全局遗传择优因子最高的解视为可较好地满足各目标的最优解。

单一目标的局部遗传择优因子为

4 算例分析

4.1 IEEE 39节点系统

采用修改后的新英格兰系统作为算例验证本文提出的规划方法，系统的网络拓扑示意图如图3所示，原始系统参数取自matpower7.1和DigSLIENT。

在算例中，假设任意两节点间的输电走廊都允许建设线路，预计负荷增长情况见表2。系统基准年负荷峰值为6 150.13MW，预计在规划水平年增加1 200MW负荷，为满足增长的负荷需求，假设对33、34节点处电源各自增加100MW容量，对32节点处电源增加200MW容量，对31、35、36、37节点处电源各自增加300MW容量，10台机组的发电费用函数系数见表3。线路经济寿命为15年，单位长度建设投资为60万元/km，贴现率为10%。改进遗传算法中参数设置如下：种群个体数为100，最大遗传代数为40，选择过程的代沟设为0.8，交叉过程为单点交叉，交叉概率设为0.7，变异概率取0.3/34。经过选择、交叉、变异过程后80%的子代个体按照遗传择优因子的优劣重插入原种群。

图3 新英格兰系统网络拓扑示意图

表2 新英格兰系统各节点负荷增长情况

表3 发电费用函数系数

4.2 结果分析

运行改进的遗传算法求解考虑设备投资潜在价值的输电网规划模型，规划结果见表4。扩建线路数据明细见表5。为便于分析，电网建设投资成本net、高负荷潮流流通价值tf和调度灵活性价值f数据大小为相对于极大值的百分比，阻塞缓解价值c数据为规划方案投建后，系统发电成本降低百分比。

6条拟扩建线路在图3中以虚线标示，将规划水平年系统的各节点负荷状态设为基准负荷，计算系统负荷处于此基准状态的120%、100%和60%时的线路负载百分比与其归一化成本，得到线路负荷及成本情况如图4所示。为保证功率守恒，计算120%基准负荷下的潮流状态时将所有电源的有功上限按比例提升至规划水平年的1.15倍。

表4 IEEE 39规划结果

表5 扩建线路数据明细 单位: %

图4 线路负载及成本情况

高负荷潮流流通价值和电网建设投资成本两项指标，可以使规划方法选出的线路在系统不同负荷情况下的设备利用率较高且建线成本较低。以阻塞缓解价值为导向选出的线路，对低发电成本电源出力的送出有较大影响，这些电源在电力市场出清中更容易中标，故对此项价值较高的线路进行扩建可以缓解系统阻塞。以调度灵活性价值为导向选出的线路，对电源出力变化更为敏感，这部分线路随着电源出力变化其负载率波动较大。

线路3(2-3)、12(6-11)、17(10-13)、18(13-14)和22(16-17)在系统低负荷时有一定负载率，在系统负荷升高后，5条线路的负载率急剧上升，说明5条线路受电源出力变化影响较大。为验证这一问题，计算120%基准负荷下的系统潮流状态，可以看到，5条线路都满载或接近满载。在某些电源因市场交易中标而调整出力状态后，这些线路更易阻塞。因线路22(16-17)低负荷时利用率过低且建设成本较高，与另外4条线路相比，其建设价值较低。因线路3(2-3)、12(6-11)、17(10-13)、18(13-14)潮流对电源出力变化较为敏感，未来负荷渐渐提升后，4条线路负载率将逐步上升，投资具备长远价值。

线路23(16-21)、27(21-22)和29(23-24)在系统低负荷和高负荷时都有很高的负载率，这3条线路相较其他线路更容易阻塞。G6、G7是发电成本最低的机组，在电力市场交易中更易中标，两台机组功率的输送有两条主要途径，分别为经线路27(21-22)、23(16-21)和经线路28(22-23)、29(23-24)。而27(21-22)、23(16-21)这条途径已有满载情况，这限制了G6的出力，故对此两条线路进行扩建可以直接缓解系统的阻塞。从建设成本上看，23(16-21)、27(21-22)的建设成本显著低于28(22-23)、29(23-24)，且28(22-23)的设备利用率较低，故线路23(16-21)、27(21-22)的建设价值更高。

规划方法生成的线路组合，在系统不同负荷情况下都具备一定的负载率，设备利用率较高，在电力市场环境下，还具备缓解阻塞的功能和长远投资价值。

5 结论

本文将潜在价值评价指标体系与传统电网规划模型结合，建立了一种考虑设备投资潜在价值的输电网规划模型，得到主要结论如下：

1）考虑潜在价值的电网规划，以所寻找的价值因素为指标，选取系统中投资性价比最高的线路组合，优化规划资源的分配，在保证安全性的前提下兼顾系统运行的经济性，可以避免过度投资。

2）在年持续负荷曲线上选取一定数目的断面，可以在规划时计及负荷的年变化特性而避免模型计算过于繁杂。

3）本文提出的潜在价值指标可以较好地反映投建线路在电力市场环境中的价值，所生成的规划方案具备缓解阻塞的功能和长远投资价值。

[1] LEITE DA SILVA A M, REZENDE L S, MANSO L A F, et al. Transmission expansion planning: a discussion on reliability and “-1” security criteria[C]//2010 IEEE 11th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems, Singapore, 2010: 244-251.

[2] 韩晓慧, 王联国. 输电网优化规划模型及算法分析[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(23): 143-148, 154.

[3] 余贻鑫, 王靖然, 吕晓阳. 基于安全性价值的含大风电的电力系统扩展规划[J]. 中国科学: 技术科学, 2012, 42(7): 815-829.

[4] 黄碧斌, 李琼慧. 储能支撑大规模分布式光伏接入的价值评估[J]. 电力自动化设备, 2016, 36(6): 88- 93.

[5] SOHN J M, NAM S R, PARK J K. Value-based radial distribution system reliability optimization[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2006, 21(2): 941-947.

[6] LIU Sai, ZHOU Cheng, GUO Haomin, et al. Operational optimization of a building-level integrated energy system considering additional potential benefits of energy storage[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2021, 6(1): 1-10.

[7] HECKER L, ZHOU Z, OSBORN D, et al. Value based transmission planning process for joint coordinated system plan[C]//2009 IEEE Power & Energy Society General Meeting, Calgary, AB, Canada, 2009: 1-6.

[8] PRABHAKAR A J, VAN BEEK D, KONIDENA R, et al. Integrating demand response and energy efficiency resources into MISO’s value-based transmission planning process[C]//2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, USA, 2012: 1-7.

[9] PRABHAKAR A J, RAUCH L, HECKER L, et al. Business case justification for multi-value projects in the MISO midwest region[C]//2013 IEEE Power and Energy Society General Meeting, Vancouver, BC, Canada, 2013: 1-5.

[10] 李振生, 孙佳龙, 杜剑行, 等. 高压配电网剩余供电能力计算及应用[J]. 电气技术, 2021, 22(7): 78-82, 88.

[11] 高统彤, 邵振国, 陈飞雄. 计及多能流不确定性的综合能源系统优化配置[J]. 电气技术, 2022, 23(3): 1-10.

[12] 史智萍, 王智敏, 吴玮坪, 等. 基于态势感知的电网消纳可再生能源发电评估与扩展规划方法[J]. 电网技术, 2017, 41(7): 2180-2186.

[13] 刘自发, 于寒霄, 王帅, 等. 综合考虑运行效率和弃风损失的输电网规划[J]. 电网技术, 2018, 42(3): 827-834.

[14] 张晓辉, 李阳, 钟嘉庆, 等. 基于安全因子及协同因子的源网多目标协调规划[J]. 电工技术学报, 2021, 36(9): 1842-1856.

[15] 曾博, 徐富强, 刘一贤, 等. 综合考虑经济-环境-社会因素的多能耦合系统高维多目标规划[J]. 电工技术学报, 2021, 36(7): 1434-1445.

[16] 侯慧, 刘鹏, 黄亮, 等. 考虑不确定性的电-热-氢综合能源系统规划[J]. 电工技术学报, 2021, 36(增刊1): 133-144.

[17] 崔换君. 基于年负荷持续曲线的配电网规划研究[D].北京: 华北电力大学, 2011.

[18] GRIGG C, WONG P, ALBRECHT P, et al. The IEEE reliability test system-1996. A report prepared by the reliability test system task force of the application of probability methods subcommittee[J]. IEEE Transa- ctions on Power Systems, 1999, 14(3): 1010-1020.

[19] 谢敏, 陈金富, 段献忠, 等. 基于模糊阻塞管理的启发式电网规划方法[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(22): 64-70.

[20] 宋柄兵. 考虑短路电流限制的输电网扩展规划模型研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2015.

[21] 潘智俊. 考虑结构坚强性的城市输电网规划与运行管理研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2016.

Transmission network planning considering the potential value of equipment investment in the electricity market

HE Yingjing1WANG Xiran1WANG Wentao2MAO Anjia2LI Haijiang1

(1. Economic and Technology Research Institute, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd, Hangzhou 310008; 2. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206)

Electricity market reform has acclaimed higher demand for the investment and asset management of power grid enterprises, and the traditional planning method, whose object is to improve the transmission capacity, appears less able to adapt to this new situation. Under this circumstance, by taking factors including the power flow, the relief of system congestion and the influence of the market into consideration, this paper puts forward a potential value index system to evaluate the economy and practicability of planning schemes. Furthermore, based on the potential value and investment cost, a multi-objective transmission network planning model is proposed, and an improved genetic algorithm is used to solve the model. The effectiveness of the proposed method is verified through the case study based on the modified IEEE 39 bus system.

transmission network planning; value assessment; electricity market; multi-objective planning; improved genetic algorithm

浙江电网公司项目（5211JY18000V）

2022-05-16

2022-07-29

何英静（1975—），女，硕士，高级工程师，从事电网规划研究工作。