電力供應鏈全生命周期成本評價方法及算例分析

方效巍 胡承鑫 陳 琳

（國網上海市電力公司物資公司，上海 200235）

電力供應鏈存在多個環節，包括發電原料生產、電能生產以及電力傳輸等，每個環節都會產生一定的生產和運營成本，在管理過程中，應該樹立生命周期的思想，從電力生產的源頭開始，直至電力能源的消納，全面評價整個電力產銷過程的成本。隨著用戶側分布式電源的持續增加，電網的成本結構也在發生變化，研究相關電力供應鏈的全生命周期成本測評方法具有重要的應用價值。

1 電力供應鏈及其全生命周期成本分析

1.1 電力供應鏈結構分析

電力供應鏈涵蓋電能生產、傳輸、分配以及消納4 個核心環節。在電能生產階段，國內當前仍然以火力發電為主，因此電力供應鏈可向前延伸至化石原料生產階段，在火力發電體系下，電力供應鏈的整體結構如圖1所示。

圖1 火力發電供應鏈結構

1.2 電力供應鏈全生命周期成本

從煤炭等化石燃料生產到終端用戶使用電力能源，形成1個完整的生命周期，每個過程都存在一定的生產、運營成本。例如，發電階段消耗化石燃料、輸電階段產生線路損失、用電階段出現電力計量誤差。電力供應鏈全生命周期成本管理是對供應鏈中各階段的生產、運營成本進行測算和評價，達到成本最低、效益最大的目的[1]。

2 電力供應鏈全生命周期成本評價方法

2.1 成本測算方法

2.1.1 用戶側微電網成本測算

用戶側微電網是將分布式電源產生的電力能源存儲在特定的儲能裝置中，一部分電能用于負擔用戶的電力負荷，多余的電能經過并網逆變器接入大電網。當前，主流的分布式電源包括光伏和風電，儲能裝置以蓄電池為主。根據用戶側微電網的運行控制模式，其成本包括初始成本、微電網網絡結構成本以及用電改造成本等。

2.1.1.1 初始成本

初始成本主要是指設備成本，包括并網逆變器、儲能裝置以及分布式電源所產生的成本。將用戶側微電網的初始成本記為CT1，其計算過程如公式（1）所示。

式中：CDES為分布式電源的成本；CSTR為儲能裝置的成本；CMOD為并網逆變器的成本。這三類成本元素都具有明確的計算方法，以CMOD為例，其計算方法與雙向電流變壓器的總功率、儲能裝置單價以及電力供應鏈全生命周期時長密切相關[2]。

2.1.1.2 用電方式改造成本

當終端用戶改變用電方式后，用戶側微電網的控制系統和線路都要進行適當改造，于是產生了用電方式改造成本，該成本的計算過程如公式（2）所示。

式中：將用電方式的改造成本記為CT2；Cntw為用戶側微電網結構成本，包括線路鋪設及軟硬件采購所產生的成本；RT2為改造費用在分布式電源系統初始成本中的占比。

2.1.1.3 微電網的運行成本

微電網在運行的過程中會產生一定的成本，將該成本記為CSC，其計算過程如公式（3）所示。

式中：將微電網的維修率記為RSC。

2.1.2 大電網成本測算2.1.2.1 發電廠成本測算

以傳統的燃煤火力發電廠為例，其發電成本由許多方面的因素構成（例如機組固定成本、啟停成本），可按照公式（4）計算發電廠的成本。

式中：CFIR為燃煤機組的成本；發電機的固定成本為CCC；將火電機組的損耗率記為RFIR；火電機組在某一時段的發電成本為CM；Cst、Ced分別為機組的啟動成本、關停成本；NG為機組數量；燃煤原料成本為Cu；將某一時段的用電需求記為τ，那么發電廠成本可轉化為關于τ的二次函數，a、b為函數中二次變量和一次變量的系數，c為常量[3]。

2.1.2.2 輸配電企業成本測算

輸配電企業負責電力能源的調度、分配與輸送，在具體實施過程中，同樣存在一定的成本。例如，在輸電過程中，線路上會產生一定的線損失。在考慮用戶側微電網的情況下，電網企業通常需要向并網發電的用戶提供經濟補償，從而產生額外的運營成本。假設在時段t內，共計i個用戶側微電網并網發電，電網企業為其提供經濟補償，成本的計算過程如公式（5）所示。

2.1.3 全生命周期成本測算

在考慮分布式能源并網發電的情況下，可將電力供應鏈劃分為3 個層級，第一級是電力能源的源頭，由分布式能源（如太陽能、風能）成本和發電原材料成本構成；第二級是發電環節，由分布式電源和傳統發電廠組成；第三級是電能消納環節，以各類電力用戶為主體。電力供應鏈全生命周期成本管理針對電能生產和消納的所有環節，根據各階段的電力成本測算方法，假設在大電網中存在N個傳統發電機組，則全生命鏈周期成本的計算過程如公式（6）所示。

2.2 全生命周期成本評價方法

2.2.1 構建評價指標體系

2.2.1.1 指標體系構成

電力供應鏈全生命周期成本管理的目的是提高電力供應的經濟效益、降低運行成本，其影響因素較為復雜，包括地區經濟（GDP）、人口密度、人均負荷密度、電網容量、發電量、有功耗損率、故障及檢修費用、利潤、折舊費用等。所有影響因素可分為3 個類別，每個類別設置多個評價指標，評價指標體系見表1。

表1 電力供應鏈全生命周期成本綜合評價指標體系

2.2.1.2 指標計算方法示例

2.2.2 建立評價模型

評價體系中指標數量較多，其含義也各不相同，各指標對總目標的影響程度存在一定的差異，因此要為每個指標分配合理的權重，從而完成后續的量化評價。在評價過程中，可采用層次分析法，評價流程如下。

2.2.2.1 建立層次模型

將電力供應鏈全生命周期成本綜合評價作為目標層，經濟效益、供電效益、環境效益作為準則層，表1 中的三級指標作為指標層。

2.2.2.2 構建判斷矩陣

以專家建議為主要判斷依據，在同一層級的指標內進行重要性分析，通過兩兩對比，確定各指標的相對重要程度，在這一過程中，通常采用9/1 標度法（見表2）。判斷矩陣可表示為A=（aij）n×n。

表2 9/1 標度法

2.2.2.3 判斷矩陣的一致性檢驗

從9/1 標度法的實施過程可知，當判斷2 個矩陣的相對重要程度時，具有一定的主觀性，當指標體系較為復雜時，有可能出現標度值沖突，因此，通過一致性檢驗判斷標度值設定是否合理。計算一致性檢驗指標CI=（λmax-n）/（n-1），其中λmax為判斷矩陣A的特征根，n為該矩陣的階數。查表確定平均隨機一致性指標RI，按照CR=CI/RI計算一致性比例，如果CR＜0.1，就認為該矩陣的一致性可接受，如果CR＞0.1，就認為該矩陣的一致性不可接受[6]。平均隨機一致性指標RI的取值方法見表3。

表3 平均隨機一致性指標取值方法

2.2.2.4 建立指標評價集

在指標打分的過程中，需要建立評價集，假設存在k個評分等級，則評價集V=[V1，V2，...，Vk]，電力供應鏈全生命周期成本綜合評價的結果應屬于評價集V中的某一級。

2.2.2.5 進行專家打分及評價矩陣構建

在這一階段，由若干個專家根據評價集和指標的含義進行打分，從而建立評價矩陣。假設參與打分的專家數量為m個，指標C1為電力供應量全生命周期成本影響因素中的某一個，其中h1n位專家的評級結果相同，則m=∑in=1h1i，i=1，2，...，n。這樣可以獲得針對影響因素C1的評價向量，將該向量記為R1，則R1=[h11/m，h12/m，...，h1n/m]。m位專家針對影響因素C1共形成了k種評價級別，第k種評價級別對應的評價向量為Rk，則有Rk=[hk1/m，hk2/m，...，hkn/m]，評價向量R1，R2，...，Rk構成評價矩陣。

2.2.3 計算綜合評價得分

在準則層，經濟效益和供電效益的重要程度更高，因此將其作為評價時的主要影響因素，環境效益可作為參考因素，電力供應鏈全生命周期成本綜合評價得分的計算過程如公式（7）所示。

式中：a、b、c與計算式（4）中的系數相同，其含義分別為經濟、環境和供能效益的評價系數權值；EΣ、PΣ、SΣ分別對應經濟效益評價系數、環境效益評價系數、供能效益評價系數；Tsco為綜合評價得分。

3 算例分析

3.1 電力供應鏈基本情況

算例分析階段選取2 個電力供應區域，在區域1 中，用戶側微電網參與度較高，在區域2 中，用戶側微電網參與度較低，兩個區域的用戶側微電網普及率分別為21%、14%。試驗中的樣本總數量為20 萬，從中選擇具有分布式電源的用戶作為評價對象，試驗樣本的容量為10000。蓄電池容量、充電功率、放電功率分別為50kW·h、10kW、10kW。用戶購電價格在1.15元/（kW·h）～1.69 元/（kW·h），高峰期電價定為1.69 元/（kW·h），峰谷期電價定為1.15 元/（kW·h）。在2 個電力區域中均存在光伏微電網，可將光伏發電產生的電力能源傳并入大電網，在電價管理中采取分時價格。放電的高峰時段包括9:30—11:30、14:30—17:30 等，充電、放電、用電在1d 內形成特定的規律，因此將時間視作生命周期。輸電過程的電能損耗率按照5%進行計算，全生命周期采取24h。按照成本測算方法處理相關的試驗數據，可得到兩個區域的全生命周期成本，見表4。

表4 電力供應鏈全生命周期成本測算結果（單位：萬元）

3.2 電力供應鏈全生命周期成本評價過程與結果

3.2.1 指標權重分配結構及指標打分依據

根據層次分析的相關原理，為指標分配權重，結果見表5。專家打分時將評價標準分為3 個等級，一般評價值在0～2.268，合格評價值在2.268～3.615，滿意評價值≥3.615。

表5 評價指標體系權重分配結果

3.2.2 綜合評價結果

根據評價模型對2 個區域進行電力供應鏈全生命周期成本測算與評價，得到的結果見表6。從中得到以下結論。當用戶側微電網在電力供應鏈中的占比較高時，供應鏈全生命周期成本管理的經濟效益和供電效益也更高，并且供電效益的優勢尤其突出，提高微電網接入比例對經濟效益的提升幅度較小。提高用戶側微電網的接入比例并未對環境效益產生明顯的影響。提高用戶側微電網的接入比例可有效降低全生命周期成本。

表6 試驗區域電力供應鏈全生命周期成本評價結果

4 結語

綜合整個研究內容，在電力供應鏈全生命周期成本評價中，應根據發電、輸電、用電的特點，建立完整的供應鏈結構。實施過程分為成本測算和成本評價兩個環節，成本測算是根據供應鏈結構，計算每個構成要素的生產、運營成本，在成本評價環節須建立指標體系和評分集，通過專家打分的方式確定每個指標的評分等級，再根據綜合評價計算模型得到綜合評分的結果。經過實測，該評級模型能夠有效體現出微電網接入比例對電力供應鏈的影響。