基于比例潮流追蹤的輸電分?jǐn)傆?jì)算方法

王文東，劉杰鋒，王 帥，閆 慧

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司工程管理分公司，北京 100070；2.北京京電電力工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100070)

特高壓電網(wǎng)輸電經(jīng)濟(jì)效益直接關(guān)系到特高壓電網(wǎng)輸電設(shè)備和線路投資能否在合理的回收期內(nèi)回收[1]。在當(dāng)前電力市場(chǎng)改革的大環(huán)境之下，這是投資者最為關(guān)注的問題[2]。就當(dāng)前而言，發(fā)電端上網(wǎng)電價(jià)與受電端售電價(jià)都是由國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)確定的，電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益則需主要綜合發(fā)電端上網(wǎng)電價(jià)、受電端標(biāo)桿售電價(jià)和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)電量和用電量來(lái)計(jì)算確定輸電經(jīng)濟(jì)效益。隨著電力市場(chǎng)的改革，國(guó)家發(fā)改委倡導(dǎo)完善輸電價(jià)形成機(jī)制，據(jù)此可以更加合理準(zhǔn)確地計(jì)算和確定特高壓電網(wǎng)等的輸電經(jīng)濟(jì)效益，提供正確的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行信息，促進(jìn)供電方和大用戶之間良性決策、達(dá)成競(jìng)價(jià)協(xié)議，優(yōu)化電力資源和電能的合理配置，提高電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效能和利用效率，而且可以進(jìn)一步為電力網(wǎng)架規(guī)劃和電力建設(shè)提供準(zhǔn)確的參考信息[3]。然而，準(zhǔn)確、可靠的輸電分?jǐn)偫碚摵陀?jì)算方法是輸電電價(jià)確定和電網(wǎng)效益計(jì)算準(zhǔn)確與可靠的基礎(chǔ)。本文主要對(duì)輸電電價(jià)和輸電分?jǐn)偫碚撨M(jìn)行闡述[4]。

1 輸電電價(jià)的形成機(jī)制

計(jì)算輸電電價(jià)需要基于用戶對(duì)輸電線的使用程度的量化值來(lái)進(jìn)行判斷，用戶不同則輸電價(jià)自然也不相同[5]。電力用戶也要視情況結(jié)合電力市場(chǎng)運(yùn)行規(guī)則來(lái)確定，若輸電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備由獨(dú)立主體投資，那么發(fā)、購(gòu)電方可以通過協(xié)議方式分擔(dān)輸電成本；若采用輸配一體的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理主體模式，該主體買發(fā)電廠的電上網(wǎng)后賣給用戶，那么回收輸電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的投資成本就需要綜合依據(jù)國(guó)家、行業(yè)和企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行評(píng)估以確定輸電成本回收周期能否滿足預(yù)期要求[6]。根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，各地售電價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)是國(guó)家確定的，那么承擔(dān)輸電建設(shè)成本的輸電價(jià)將決定該輸電線路是否具有競(jìng)爭(zhēng)力[7]。對(duì)于某電廠到某負(fù)荷之間的輸電價(jià)與所經(jīng)過輸電線路的成本有關(guān)，然而這個(gè)成本并非完全由該發(fā)電廠和負(fù)荷承擔(dān)，因?yàn)樗?jīng)過輸電線還要轉(zhuǎn)運(yùn)其他電能，那么這里面輸電價(jià)的計(jì)算實(shí)質(zhì)就是輸電成本怎樣合理地分?jǐn)偟礁鬏旊娪脩簦饔脩舴謹(jǐn)偟某杀揪褪窍鄬?duì)該用戶的輸電價(jià)[8]。因此，輸電價(jià)的計(jì)算核心就是輸電分?jǐn)偟挠?jì)算，也就是把前面所測(cè)算的電網(wǎng)成本按合理的輸電分?jǐn)偡椒ǚ謹(jǐn)傊粮饔脩簦纬奢旊婋妰r(jià)，從而體現(xiàn)和計(jì)算輸電經(jīng)濟(jì)效益[9]。

2 輸電分?jǐn)偫碚撽U述

輸電分?jǐn)偪梢杂脕?lái)確定發(fā)電端、負(fù)荷端對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的利用程度和利用份額。當(dāng)前，輸電用戶分?jǐn)偫碚撚?jì)算中常用和主要的計(jì)算方法有郵票法、合同路徑法以及潮流追蹤法[10]。

采用郵票法時(shí)，為了取得網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)，所有的使用者都必須向他們所在地區(qū)的輸電企業(yè)支付一筆系統(tǒng)使用費(fèi)，在計(jì)算該費(fèi)用時(shí)，電能生產(chǎn)者所擁有的機(jī)組額定發(fā)電容量或用戶在高峰時(shí)段的需求是比較常用的分?jǐn)傄罁?jù)[11]。郵票法計(jì)算簡(jiǎn)單，電力市場(chǎng)發(fā)展的初期，普遍使用郵票法計(jì)算真實(shí)輸電價(jià)，但其最大缺點(diǎn)是每個(gè)使用者支付的費(fèi)用不能反映他們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的使用程度，也與他們從網(wǎng)絡(luò)使用中所能取得的收益無(wú)關(guān)[12]。對(duì)于特高壓經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估來(lái)說，郵票法不適于到網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的計(jì)算，不能真實(shí)反映特高壓網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)效益[13]。

合同路徑法比起郵票法更能反映實(shí)際的使用成本，然而主要問題在于：交易的電能并不會(huì)只在合同路徑中流動(dòng)，使用合同路徑法進(jìn)行特高壓電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估具有較大缺陷，沒有尊重真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的功率流動(dòng)規(guī)律[14]。

相比前面兩種方法，潮流追蹤是在尊重網(wǎng)絡(luò)功率流動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上，按照節(jié)點(diǎn)功率比例分?jǐn)偟脑瓌t，計(jì)算輸電分?jǐn)偂３绷髯粉櫡芊浅Ｔ敿?xì)地計(jì)算每個(gè)輸電用戶對(duì)輸電網(wǎng)或特高壓的使用情況，提高輸電分?jǐn)傆?jì)算的科學(xué)性，但缺點(diǎn)是計(jì)算量比較大[15]。因潮流追蹤是按節(jié)點(diǎn)比例進(jìn)行每個(gè)節(jié)點(diǎn)功率分?jǐn)偟模谭Q為比例潮流追蹤[16]。

綜上所述，考慮到特高壓電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，本文采用比例潮流追蹤方法來(lái)進(jìn)行用戶輸電分?jǐn)偟挠?jì)算。

到網(wǎng)電價(jià)為發(fā)電端上網(wǎng)電價(jià)與對(duì)輸電成本進(jìn)行分?jǐn)傂纬傻妮旊妰r(jià)之和。在當(dāng)前電力市場(chǎng)環(huán)境之下，電網(wǎng)企業(yè)可以通過對(duì)輸電到網(wǎng)電價(jià)的測(cè)算來(lái)對(duì)輸電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行間接評(píng)估，后續(xù)則需要應(yīng)用受電端電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)進(jìn)一步計(jì)算與分析[17]。本文將通過比例潮流追蹤方法來(lái)解決如何計(jì)算到網(wǎng)電價(jià)的問題，對(duì)交流電網(wǎng)而言，也即計(jì)算各地區(qū)受電端的到網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)。

3 比例潮流追蹤方法

3.1 比例潮流追蹤技術(shù)原理

潮流追蹤是求得各節(jié)點(diǎn)和支路對(duì)發(fā)電或負(fù)荷的功率組成，也就是求得全網(wǎng)功率分布情況。潮流追蹤方法可以分為發(fā)電追蹤與負(fù)荷追蹤。發(fā)電追蹤是確定各發(fā)電端所發(fā)的電在輸電線路和各負(fù)荷端中所占的功率比例，負(fù)荷追蹤則是確定各負(fù)荷端負(fù)荷在發(fā)電端所發(fā)的電和輸電線路所占的功率比例[18]。

潮流追蹤有很多方法，本文采用比例潮流追蹤，即在節(jié)點(diǎn)按比例分配支路功率組成。節(jié)點(diǎn)功率比例分?jǐn)傇黻U述如圖1所示。節(jié)點(diǎn)流入功率和節(jié)點(diǎn)流出功率相等，都為200 MW，線路4流出的功率120 MW是由線路1與線路2按比例分?jǐn)偺峁┑模€路1在線路4中所占的功率比例分?jǐn)偡蓊~為120×(140/200)=84 MW，線路2在線路4中所占的功率比例分?jǐn)偡蓊~為120×(60/200)=36 MW。

圖1 節(jié)點(diǎn)功率比例分?jǐn)傇硎疽鈭D

3.2 負(fù)荷控制域

潮流追蹤有發(fā)電追蹤和負(fù)荷追蹤兩種。本文采用負(fù)荷追蹤，負(fù)荷的控制域是負(fù)荷在全網(wǎng)的分布情況，可根據(jù)以下幾點(diǎn)確定負(fù)荷控制域。

(1)選擇第一個(gè)負(fù)荷，從該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)開始檢查與流入該節(jié)點(diǎn)相連的所有支路。

(2)將功率流入節(jié)點(diǎn)方向的支路作為控制域的一部分，同時(shí)將該支路始端的節(jié)點(diǎn)也作為控制域的一部分。若采用該方法使某一節(jié)點(diǎn)加入到負(fù)荷控制域后，對(duì)該節(jié)點(diǎn)采用同樣方法使控制域的節(jié)點(diǎn)數(shù)目擴(kuò)大。

(3)當(dāng)負(fù)荷控制域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目不再增加時(shí)，停止計(jì)算，從而得到一個(gè)包含屬于該負(fù)荷的所有支路有向子圖。

(4)找到第二個(gè)負(fù)荷，重復(fù)以上過程。直到所有負(fù)荷完成。

(5)如果確定某負(fù)荷不通過某條支路，即使該支路流入控制域中節(jié)點(diǎn)，也不把該支路加入控制域中。同理，如果確定某發(fā)電不對(duì)該負(fù)荷供電，即使該發(fā)電有通路流向負(fù)荷也不把其列于該負(fù)荷控制域。對(duì)于所有線路和發(fā)電要有歸屬，不允許存在沒有歸屬的線路和發(fā)電。

(6)考慮支路網(wǎng)絡(luò)損耗，支路首末端按功率比例變化，譬如某支路首端功率100 MW，末端功率90 MW，如果某負(fù)荷在該支路末端功率是45 MW，那么負(fù)荷在該支路的首端功率為100×(45/90)=50 MW。

3.3 比例潮流追蹤方法流程

負(fù)荷的比例潮流追蹤主流程見圖2。負(fù)荷的比例潮流追蹤子流程如圖3所示。圖3中，下一級(jí)負(fù)荷域指與流入上一級(jí)負(fù)荷點(diǎn)相關(guān)連接支路的節(jié)點(diǎn)集合，對(duì)于由發(fā)電廠直接流入上一級(jí)負(fù)荷點(diǎn)的發(fā)電也列為該級(jí)負(fù)荷域，同時(shí)按比例假設(shè)計(jì)算發(fā)電功率[19]。負(fù)荷節(jié)點(diǎn)比例追蹤采取向前搜索方法，向前是指從某一級(jí)負(fù)荷域中取一負(fù)荷點(diǎn)向下一級(jí)負(fù)荷點(diǎn)搜索形成下一級(jí)負(fù)荷域，這樣的過程直到負(fù)荷域中只有發(fā)電點(diǎn)為止。在搜索中使用比例分?jǐn)偧僭O(shè)計(jì)算輸電分?jǐn)偣β剩罱K得出節(jié)點(diǎn)負(fù)荷在網(wǎng)絡(luò)中的功率分布，輸出該負(fù)荷點(diǎn)的控制域[20]。

圖2 負(fù)荷的比例潮流追蹤主流程

圖3 負(fù)荷的比例潮流追蹤子流程

3.4 成本對(duì)應(yīng)法

采用成本對(duì)應(yīng)法進(jìn)行特高壓交流電網(wǎng)輸電成本分?jǐn)偂３杀緦?duì)應(yīng)法在澳大利亞和新西蘭等國(guó)家用來(lái)制定輸電價(jià)格[21]。成本對(duì)應(yīng)法工作原理如圖4所示。假定在一個(gè)電網(wǎng)連接點(diǎn)(或公用電網(wǎng))上有兩個(gè)輸入支路，支路傳輸電量分別為X，Y，三個(gè)輸出支路，支路傳輸電量分別為A，B和C。其中，X+Y=A+B+C。

圖4 成本對(duì)應(yīng)法工作原理示意圖

兩個(gè)輸入支路投資和公用電網(wǎng)投資由3，4，5三條輸出支路傳輸電量分?jǐn)偂Ｒ灾?為例，其傳輸電量承擔(dān)的投資包括三部分：支路3自身投資、公用電網(wǎng)和輸入支路1，2分?jǐn)偟街?的投資。

分?jǐn)偙壤凑崭鬏敵鲋冯娏勘壤?jì)算，各支路的分?jǐn)偙壤秊?/p>

(1)

(2)

(3)

式(1)至式(3)分別是支路3電量、支路4電量、支路5電量的分?jǐn)偙壤；诔杀緦?duì)應(yīng)法的思想，可以實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)網(wǎng)架解耦。根據(jù)交流電網(wǎng)網(wǎng)架投資估算，對(duì)交流電網(wǎng)投資進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>

4 電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)測(cè)算

根據(jù)比例負(fù)荷潮流追蹤算法，可得出每個(gè)負(fù)荷在電網(wǎng)的功率分布情況。電價(jià)是以單位電量計(jì)費(fèi)的，以典型年平均有功功率潮流進(jìn)行追蹤，平均有功功率乘以876 h即為電量。采用典型年而不采用規(guī)劃末期潮流有利于經(jīng)濟(jì)評(píng)估更加準(zhǔn)確[22]。

(4)

線路輸電價(jià)Clm是輸電投資成本回收的反映，在中國(guó)目前環(huán)境下，輸電價(jià)由發(fā)改委確定。在這里，只是為測(cè)算電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益，假設(shè)成本和利潤(rùn)都能達(dá)到要求的情況下，輸電價(jià)應(yīng)該是多少。如果由此輸電價(jià)計(jì)算出的結(jié)論不具有吸引力，那么說明該電網(wǎng)投資是不經(jīng)濟(jì)的；反之，則說明是經(jīng)濟(jì)的。這將在下一階段關(guān)于電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)中進(jìn)一步分析。設(shè)線路lm輸電成本加上預(yù)想利潤(rùn)為Dlm(萬(wàn)元)，運(yùn)行年限為n年，典型年有功功率潮流為plm(MW)，則Clm單位電量輸電費(fèi)用(元/Clm)為

(5)

考慮資金的時(shí)間價(jià)值，設(shè)為折現(xiàn)率i，則有：

(6)

式(6)代入式(4)可得：

(7)

實(shí)際計(jì)算中，可先算輸電價(jià)然后加權(quán)累加并分?jǐn)偟截?fù)荷，即：先算式(5)或式(6)，再算式(4)；也可以先加權(quán)分?jǐn)傒旊姵杀救缓笥?jì)算等效年成本并分?jǐn)偟截?fù)荷即式(7)，這兩種計(jì)算結(jié)果理論是一樣的。但數(shù)值計(jì)算過程中，存在誤差的問題，如果先算輸電價(jià)，因?yàn)檩旊妰r(jià)數(shù)值小，小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)多，舍去后面小數(shù)點(diǎn)，可能存在較大誤差，如果先算分?jǐn)傒旊姵杀荆驗(yàn)檩旊姵杀痉謹(jǐn)倲?shù)值大，小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)舍去相對(duì)精確數(shù)值非常小，最終計(jì)算機(jī)處理誤差會(huì)比較小，但這樣的計(jì)算過程沒有顯示輸電價(jià)是該計(jì)算過程的一個(gè)缺點(diǎn)。實(shí)際計(jì)算中，考慮計(jì)算精度宜采用第二種，如果從理論演示角度，宜采用第一種說明問題，并顯示輸電價(jià)。本文側(cè)重基于比例潮流追蹤的到網(wǎng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算過程演示，故采用第一種數(shù)值計(jì)算過程。

5 算例分析

針對(duì)IEEE Garver 6節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用比例潮流追蹤法進(jìn)行到網(wǎng)電價(jià)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。IEEE Garver System是一個(gè)典型的6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，通常用于電網(wǎng)規(guī)劃方法的驗(yàn)證和測(cè)試。

選擇一個(gè)以電網(wǎng)投資最小和可用傳輸容量最大為目標(biāo)的最優(yōu)規(guī)劃及其潮流計(jì)算結(jié)果為例，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行到網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算，如圖5所示。該網(wǎng)架共有線路8條，除節(jié)點(diǎn)6為平衡節(jié)點(diǎn)不帶負(fù)荷以外，其他節(jié)點(diǎn)都接有負(fù)荷，其中1，3，6為發(fā)電節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)的發(fā)電出力和負(fù)荷大小、線路的潮流均標(biāo)示在圖中。

圖5 IEEE Garver 6-bus System

取負(fù)荷節(jié)點(diǎn)1，2，3，4和5作為初始負(fù)荷域進(jìn)行比例潮流追蹤，追蹤結(jié)果分別如圖6至圖10所示。在追蹤中，設(shè)定一個(gè)額外條件，節(jié)點(diǎn)3的負(fù)荷不來(lái)自本地區(qū)，都從外地購(gòu)電。

三個(gè)發(fā)電區(qū)域的上網(wǎng)電價(jià)如表1所示，節(jié)點(diǎn)3上網(wǎng)電價(jià)最高。根據(jù)式(3)按折現(xiàn)率10%計(jì)算每條線路的輸電價(jià)如表2所示，最貴的是線路4，因?yàn)榈湫湍赀\(yùn)行有功功率太小，沒有充分使用。利用比例潮流追蹤結(jié)果根據(jù)式(1)計(jì)算各負(fù)荷到網(wǎng)電價(jià)如表3所示。從表3可以看到，到網(wǎng)電價(jià)都不超過0.3元/kWh，到網(wǎng)電價(jià)從大到小排序?yàn)楣?jié)點(diǎn)5，3，2，4，1。節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)2負(fù)荷功率都是240 MW，但是節(jié)點(diǎn)5不僅有遠(yuǎn)距離輸電，而且附近地區(qū)上網(wǎng)電價(jià)偏高，所以節(jié)點(diǎn)5到網(wǎng)電價(jià)最大，節(jié)點(diǎn)3到網(wǎng)電價(jià)，如果都是從本地區(qū)購(gòu)電那么到網(wǎng)電價(jià)達(dá)到0.3元/kWh，追蹤設(shè)定節(jié)點(diǎn)3負(fù)荷都來(lái)自其他地區(qū)，所有到網(wǎng)電價(jià)有所降低。

表3 到網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算表

整個(gè)計(jì)算簡(jiǎn)單方便，只需要代數(shù)運(yùn)算，計(jì)算復(fù)雜度是多項(xiàng)式算法，可解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的到網(wǎng)電價(jià)計(jì)算。

表1 發(fā)電區(qū)域上網(wǎng)電價(jià)

表2 各線路費(fèi)用情況

圖6 節(jié)點(diǎn)1負(fù)荷控制域

圖7 節(jié)點(diǎn)2負(fù)荷控制域

圖8 節(jié)點(diǎn)3負(fù)荷控制域

圖9 節(jié)點(diǎn)4負(fù)荷控制域

圖10 節(jié)點(diǎn)5負(fù)荷控制域

6 結(jié)語(yǔ)

本文使用比例潮流追蹤方法計(jì)算交流電網(wǎng)各受電節(jié)點(diǎn)的到網(wǎng)電價(jià)。應(yīng)用分級(jí)算法來(lái)計(jì)算追蹤負(fù)荷分?jǐn)偅_方便且高效，還能同時(shí)處理追蹤中的網(wǎng)絡(luò)損耗和特別設(shè)定問題。這里特別設(shè)定問題是指在節(jié)點(diǎn)功率平衡和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束下人為設(shè)定某負(fù)荷不會(huì)來(lái)自某發(fā)電機(jī)，或者不從某輸電線通過。該到網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算法軟件實(shí)現(xiàn)方便，對(duì)潮流追蹤分析具有指導(dǎo)意義，也是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益研究和分析的基礎(chǔ)[23]。