基于有效输电成本的输电网扩展规划

基于有效输电成本的输电网扩展规划

张百健

国网扎鲁特旗供电公司 内蒙古自治区  029100

摘要：输电网扩展规划是电力系统安全经济运行的基础，扩展规划一旦实施，其网架结构就很难大幅度更改，因此对它的研究一直是电力系统的热点之一，近年来随着网络结构的复杂，实践中对输电网扩展优化规划的技术需求也在增加，譬如中国提出的特高压交直流输电网规划，同时因为电力市场改革以及电网扩大互联，输电网优化规划不仅涉及技术问题也涉及多个市场问题。基于建立输电网扩展规划模型，针对这一复杂的非线性混合整数规划问题，提出模型转换方法，将其转化为线性混合整数规划问题，可采用成熟的商业求解器高效鲁棒求解。基于 Garver’s 6 节点系统的算例分析表明所提机制和模型能够根据线路的利用程度合理确定其准许收益率，从而抑制电网企业过度投资，提升电力资源优化配置的水平。

关键词：输电网；扩展；规划  

随着电力系统发展，我国新一轮电改提出输配电环节是重要公用事业，是网络自然垄断环节。政府主要核定输配电价，接受社会监督，输配电价逐步过渡到按“准许成本加合理收益”的原则，分电压等级核定。在垂直一体化的电力体制管制模式下，输电线路拥有者同时也是输电扩展规划方案的制定者。电网投资将根据长期国债利率加上一定百分比核定的固定投资回报率获得收益。根据经济学中的阿弗奇–约翰逊效应(Averch-Johnson，A-J)效应，在固定投资回报率的模式下，被管制企业将倾向于使用过度的资本来代替其他劳动要素的投入，导致线路过度投资，资产利用率低下，违背资源优化配置的原则。

一、输电网规划慨述

目前，根据不同的划分方法，输电网规划方法可划分为多种类型：按优化目标的数目，分为单目标电网规划和多目标电网规划。单目标电网规划的目标函数一般以经济指标为主，系统的可靠性和安全性仅在后校验计算当中进行分析；多目标规划的目标函数一般会同时综合多种方面，同时考虑经济性、输电安全性和可靠性等其它技术指标，并能够按照决策者意愿处理各个目标之间的关系，最终可获得综合效益整体最优的方案。按照是否考虑多个时段和时段之间输电网建设状态过渡的情况，输电网规划模型可分为静态规划与动态规划。其中，静态规划侧重于考虑输电网在规划水平年的扩建状态，而动态规划着重考虑输电网网架结构在规划期内逐年的变化情况，即可认为静态规划是动态规划在某一时间断面上的情况。按照各种规划影响因素的可变性，分为确定性电网规划和不确定性电网规划。电力系统规划存在先天的不确定因素，针对是否考虑不确定性因素进行划分，确定性输电网规划模型是不需要考虑不确定因素影响的，而不确定性输电网规划模型则需要全面考虑不确定因素对电网的影响。目前，电网规划中处理不确定性问题的主要方法为多场景技术和不确定性数学理论。规划中采用的不确定数学理论包括随机规划、模糊规划、区间规划、盲数规划、灰色规划等。输电网规划属于非线性整数规划问题，其特点是规模大、复杂，带有大量约束条件和离散变量等。输电网规划模型的求解方法随着计算机和优化方法的发展而得到进一步发展。

二、基于有效输电成本回收的输电网扩展规划模型

建立基于有效输电成本回收的输电网扩展规划模型。随着电力体制逐步改革，输电收益将按照准许成本加合理收益的模式核算，传统最小化输电投资成本的模型不能真实反映输电投资者的投资冲动，由于输电资产拥有者的逐利特性，其将以自身收益最大化为原则开展输电网扩展规划，提出的有效输电成本回收概念，为有效输电成本的部分才能纳入输配电价的核算，基于上述原则，建立新型输电网扩展规划模型的目标如下：

采用经典 Garver’s 6 节点系统的网架结构和网络参数，机组参数以及线路参数在文献[4]的基础上适当调整。M1：传统以最小化输电投资建设成本为目标的规划方案；M2：以最大化输电网投资者的收益为目标，投资者的收益采用固定回报率核算的规划方案；M3：以最大化输电网投资者收益为目标且基于线路有效利用率回收的规划方案，即本文方法。本文模型在不同的成本回收后评估机制下，当输电网投资商以自身利益最大化为目标时，机制设计能够使投资商理性投资，方案M2 和 M3 作为对比方案体现本文机制的优势，方案 M1 目标是最小化输电成本，作为理想的成本最优方案对比体现本文机制设计的优势。

1、基础数据。水平规划期设置为 10 年。

2、结果分析。对比了方案的输电投资成本，可以看出，方案 M1 目标是最小化输电投资成本，是理想化模型，拥有最小的输电投资成本；但由于 A-J 效应，信息不对称将导致被管制企业倾向于过度投资以获取高额利益。方案 M2 体现了这一点，在该方案中不考虑输电线路有效利用率，而是按照固定投资回报率给予收益，导致了投资冲动，输电投资建设成本最高；本文提出基于线路利用率的输电线路准许回收率，在这种机制设计下，线路的投资回报与其利用程度紧密相关。方案 M3 的结果表明，即使输电投资者依然追求收益最大，其实际成本依然接近理想化的方案 M1，远好于方案 M2。不同方案下输电线路规划建设的详细过程，方案 M1 以最小化输电投资建设成本为目标，给出了满足 N1 安全约束的线路投资成本最小的规划方案，在 10 个水平规划年陆续投建了6 条待选线路。方案 M2 由于没有激励相容的成本回收机制，引发 A-J 效应，造成输电投资者的投资冲动，规划方案选择在第 1 个水平规划年投建了全部 9 条待选线路；方案 M3 选择在 10 个水平规划年投建了 7 条待选线路，表明本文方案在投建成本上远远优于方案 M2，在输电投资者以自身利益最大化为目标的基础上，得到的规划方案与理想的输电成本最小得到的方案 M1 接近，表明本文所提方法有较好的激励相容效果。规划方案下的满足 N1 安全约束后线路最大利用率情况，由于 M1 和 M3 方案在线路投建顺序上区别出现在第 10 个水平规划年中，因此，只取第 10 规划年的线路利用率进行对比分析。如图。

从图可以看出，方案 M2 由于产生了过度投资，线路利用率相对其他方案较为低下，线路利用程度不高，出现投资浪费；方案 M3 在线路平均利用率上与 M1 较为接近，放大第 4 条线路的线路利用率可以看出，M1 的线路利用率略高于M3 的线路利用率，其他线路也有类似的结果。在方案 M3 多投建 1条输电线路的情况下，方案 M1的线路利用情况整体略优于方案 M3。

综上所述，基于有效输电成本的输电网扩展规划模式体现了激励相容的原则，输电投资者以自身利益最大化为目标，同时也使整体的线路投资建设成本与最小化输电建设成本的方案接近。从方案 M3 和 M2 的对比可以看出，如果按照有效输电利用率核定输电回收成本，A-J 效应将导致电网企业投资冲动，输电线路过度投资，使资源优化配置效率降低。而本章所提方法甄别电网的无效投资，提出了基于基态和 N1 安全状态的线路利用率的有效输电成本回收率概念，准许收益不考虑线路投资的无效成本，从机制设计上使电网企业注重投资效率，抑制过度投资，提升了资源优化配置的水平。基于 “准许成本加合理收益”的输配电价核定原则，以及有效输电成本甄别和后评估的指导思想，结合结构化有效输电成本的概念，设计了有效输电成本回收率和准许收益核定的方法，根据基态与 N1 状态下的线路利用率核定该线路投资的准许收益率。在此基础上，提出了基于有效输电成本回收的新型输电网扩展规划模型和高效的一体化求解方法。

参考文献：

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[2] 张彦涛，张玉红．应用特高压直流输电技术实现输电方案的设想[J]．电网技术，2019(8)：25．

[3] 梅生伟 ，薛安成．基于直流潮流的电力系统停电分布及自组织临界性分析[J]．电网技术 ，2019，30(14)：7-12．

[4]易俊 ，周孝信．考虑系统频率特性以及保护隐藏故障的电 网连锁故 障模型[J]．电力 系统 自动化 ，2017，30(14)：15．

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