电网建设与灵活性资源运营平衡投资策略研究

连 聪 王一琦 邱景业

（国网浙江省电力有限公司台州市黄岩区供电公司）

0 引言

新型电力系统呈现“双高”、“双峰”、“双随机”三组特点，面临着系统调节资源不足和电网建设运营成本增加的问题和挑战［1］。电力负荷快速增长使电网投资压力加大，新能源和新型负荷的波动性使电网运行风险增加。灵活性资源可以有效提高电力系统的调峰能力，是缓解上述问题的重要手段之一［2］。与电网建设投资集中在初期不同，灵活性资源只能通过后期运营投入进行调用。如何衡量不同场景下的建设与运营成本，确定最佳的投资策略，是实现电网建设与运营成本双赢的关键所在。

本文分析了电网公司构建灵活性资源所面临的投资和运营成本。针对不同应用场景，构建平准化成本测算模型，量化分析电网建设和灵活性资源配置的全生命周期成本，找出系统全成本的最优点。在此基础上提出电网公司构建灵活性资源的投资策略和相关政策建议。

1 电网建设及灵活性资源成本分析

1.1 电网建设投资及运营成本分析

电网建设投资主要为建设变电站、输电线路等基础设施的费用。具体包括土地及房屋购置成本、设备成本、工程施工成本等，其与投资规模和施工技术成本正比关系。电网运营成本主要为维持电网正常运行的费用，具体包含人员工资和修理费用，其与通货膨胀水平和设备维护强度成正比关系［3］。

电网建设投资大多集中于项目前期建设阶段，资金量巨大，电网公司需要负担较重的资金压力；而运营成本由于初期设备尚在质保期内费用较低，中期稳定运行阶段费用也较低，后期随设备问题增加和运维工作频繁而费用增加［4］。

图1 设备故障率浴盆曲线

1.2 灵活性资源运营成本分析

电网公司构建灵活性资源的主要运营成本包括储能租赁费用、需求侧响应和新能源补贴成本等。这部分成本在资源利用初期较小，但随着灵活性资源规模的扩大，相关运营成本也将显著增加。

图2 灵活资源运营成本曲线

具体来说，储能租赁费用与租赁电量容量和租期年限对应增加，其单位功率成本与随单次持续充放电时间呈线性增长关键；需求侧响应补助资金随着参与主体数量增加和资源利用小时增加而显著提高。灵活性资源运营成本总体呈现出前期线性增长、后期显著增加的特征。

1.3 灵活性资源投资方式及成本分摊

灵活性资源投资主要来源于电力用户、灵活资源聚合商和独立储能运营商等社会各界投资，该类投资属于市场化资本，通过后期提供电力辅助服务、响应电网需求指令或设备租赁获得投资回报。电网公司则通过购买或租用设备及服务等方式实现电网供需调节需求，最终以运营成本方式分摊至输配电价中进行成本回收。

不同投资主体对应不同的资本成本率要求，市场主体以获得一定利润率为目的。资本成本率的差异会导致灵活性资源设备的租购价格出现差异，这也将影响电网公司最终的运营成本水平。

2 平准化成本分析方法

鉴于电网建设投资通常集中在项目初期，而灵活性资源运营成本在后期逐渐增加，两者难以直接进行金额比较。为实现电网建设与灵活性资源运营成本的权衡分析，本文采用平准化成本计算方法。

平准化成本分析方法通过资本现值算法，将不同时期的资金转化为基准时点的金额，用于成本比较［5］。资本现值公式为：

式中，CVt为t期资金的现值，Rt为t期资金实际金额，r为资本成本率，t为计算期间。

对电网建设投资采用上述方法进行平准化处理，可以消除投资时间差异的影响，将不同年限内的投资转化为初始投资年份的金额，用于后续运营成本的对比分析。

以某变电项目为例，如果项目建设期为2 年，在首年投资1 亿元，次年投资2 亿元。假定资本成本率为8%，则首年投资的现值为10000 万元；次年投资的现值为18518.52万元。

表1 建设投资成本平准化对比/万元

对灵活性资源运营成本同样采用资本现值法进行平准化处理，将不同年份的运营成本转化为首年的金额。以某储能租赁项目为例，如果租赁期为10 年，首年运营成本1000 万元，以后每年递增10%，采用8%的资本成本率计算，则首年的现值为1000 万元；第二年的现值1018.52 万元；第三年的现值1120.37万元。

表2 运营成本平准化对比/万元

利用平准化处理后的数据，可以将电网建设投资和灵活性资源不同时期、不同规模的投入进行直接对比。找出在满足一定可靠性和安全性的前提下，全生命周期成本最小的方案，该方案下电网建设规模和灵活性资源配置水平的组合，就是系统全成本的最优平衡点。

综上，平准化成本分析方法可以消除时间因素影响，实现不在同一时期的资金投入进行横向比较。这为电网建设与灵活性资源配置的最优化分析提供了分析工具，是实现全生命周期成本管理的有效手段。

3 典型场景下的投资策略分析

本文选取储能、需求侧响应两种灵活性资源，分析其在新能源消纳及配电线路重过载等典型场景中的应用作用及投资策略。

3.1 新能源消纳场景

在新能源消纳场景下，电网面临的主要问题是大规模的风电、光伏并网导致的消纳风险，采用储能、需求侧响应可一定程度提高电网对新能源的消纳能力。针对该场景，本文构建了电网扩容、储能消纳、需求侧响应三种方案的平准化全生命周期成本模型。

（1）方案边界条件

采用电网变电站扩容方案，则需要新增投资扩建主变。各类型主变投资情况如表3所示：

表3 主变扩容工程造价/MVA、万元

表4 新增线路工程造价/MW、（万元/km）

电网运营成本费率为4%，6-10 年费率为4.2%，11-20年费率为4.41%。

若选择租赁电网侧储能进行削峰填谷，则需要租赁电化学储能系统。储能单位租赁成本为0.2 元/Wh·年，放电深度为85%，充放电效率为90%。

若选择通过需求侧响应解决新能源消纳弃电量，则需要通过价格激励调动可调负荷参与需求侧响应。某地区需求侧响应电量补贴为4 元/kWh，容量补贴为1元/kW·月。

（2）结果分析

以某地区35kV 电网为例，以满足新能源利用率不低于95%为目标，假设目前电网还需要消纳电量3000MWh的光伏发电，其最大出力12MW。

虽然租赁储能和需求侧响应单位电量成本较高，但高峰负荷的持续时间较短，采用灵活性资源的单位功率成本较低。通过优化三种方案配置量使得整体单位功率成本接近一致即可得到较优的配置方案。

经过测算表明，采用主变扩容单台10MVA 主变、2MW1.2MWh 储能、1MW 需求侧响应的配置方案，三项配置成本均在11.6 万元/MW·年左右，既满足新能源消纳要求，又能够实现全生命周期成本最小化。

3.2 配电线路重过载场景

在配电线路重过载场景下，电网面临的主要问题是已建成配电线路的输送容量无法满足负荷增长带来的需要。此时可以采用新建备用线路或利用灵活性资源进行重过载防护。

采用新建线路方式，需要投入大量资金建设新线路，但新建线路会造成设备利用小时降低较多，存在资源浪费的问题。采用储能和需求侧响应可以在线路重过载时进行快速抑制，事后再恢复正常供电，这种方式既避免了新建线路的高额投资，又不存在资源利用效率低的问题。针对该场景，本文构建了新建线路、储能与需求侧响应三种方案的平准化全生命周期成本模型。

（1）方案边界条件

选择新建10kV 架空线路，架空线路造价主要包括线路本体、杆塔以及其他费用。具体造价情况如下所示：

储能租赁和需求侧响应成本条件与新能源消纳场景相同。

（2）结果分析

公司在手订单充足，支撑业绩高速增长：截止到2018年7月31日，公司18年的在手订单未交付9.80亿（大于5000万的订单合计），17年的在手未交付17.34亿，而公司2018年上半年营收为7.81亿，随着在手订单持续确认，公司业绩将保持高速增长。

假设实际负荷为10.2MW，现有线路导线型号为JKLYJ-240，若新建线路则需建设10km 长度。以10kV线路不重载为约束条件，

经过测算标明，采用JKLYJ-120 导线型号、0.2MW 需求侧响应的配置方案，三项配置成本均在1.41 万元/MW·年左右，既满足负荷增长要求，又能够实现全生命周期成本最小化。这表明在该场景下，与大容量线路建设相比，适当利用灵活性资源可以显著降低全成本，实现建设与运营成本的最佳平衡。

综上，针对不同特性的典型场景，构建考虑电网建设、灵活性资源设备投资以及后续利用的平准化全生命周期成本模型，量化分析不同投资策略，找出最优配置方案。最优方案通过适度灵活性资源配置与电网建设相结合，实现了全生命周期成本的最小化，这也验证了混合投资策略的优势。

4 政策建议

灵活性资源在调节电网供需平衡、提高电力系统整体经济运营水平上具有积极作用。但是，要实现灵活性资源落地实施还需要多方面政策进行扶持。

2）增加对灵活性资源投资的财政支持。政府可以通过给予税收优惠、直接补贴等形式增加对灵活性资源投资的支持力度。特别是在新能源消纳和输电防护等社会效益较高的典型场景，政府补贴可以显著降低整体成本。

3）鼓励并规范电网企业对灵活性资源的购租赁。完善相关制度机制，在不损害电网公司财务可持续性的前提下，鼓励其采取购买、租赁、融资租赁等形式配置一定比例的灵活性资源。

5 结束语

本文对电网建设与灵活性资源配置进行了全生命周期投资分析。结论如下：1）采用平准化方法可以消除不同时期资金的时效性影响，实现横向投资方案对比。这为找出全生命周期成本最小的最优投资方案提供了分析工具。2）在确保安全可靠的前提下，混合投资策略可以实现全生命周期成本最小化。适度配置灵活性资源与电网扩容相结合，既控制了电网建设规模，又不致灵活性资源成本太高，是实现了建设与运营成本平衡的较优路径。3）政策支持对推动灵活性资源发展至关重要。完善灵活性资源电价机制、增加财政补贴、鼓励电网公司采购等政策，可以降低投资者参与成本，引导社会资本积极配置灵活性资源。

综上，本文提出的研究方法和结论，可为电网企业高效利用灵活性资源，实现新型电力系统成本优化提供参考。后续研究可进一步考虑技术进步带来的影响，扩大场景范围和推广区域，以完善相关结论。