配電網投資縱橫向分配策略及其校驗

王 瑜，邱凌鍵，儲學立，吳昌設，馬顯駿，羅時偉，吳 倩

（1.國網浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國網浙江省電力有限公司平陽縣供電公司，浙江 平陽 325401；4.天地電研（北京）科技有限公司杭州分公司，杭州 310012；5.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

目前關于配電網投資分配的研究很多，但仍存在投資總規模不能準確確定、投資分配比例不能獲得有效驗證的盲點［1］。當前的研究成果大致可分為兩類：第一類是在總投資額已知的情況下從不同角度進行投資優化比例分配。文獻［2-4］建立了配電網規劃項目評價指標和基于投資分配約束的分配方法；文獻［5-6］從投資需求、經濟性要求、電量增長需求角度建立了配電網投資分配的模型；文獻［7-9］考慮不同因素對投資效益的影響，實現對投資額進行分配；文獻［10-13］建立了地市級供電公司各地區中壓配電網投資與指標綜合評分的函數關系。第二類是在總投資額已知的情況下以實現某個或某類指標（例如可靠性）最大為目標開展投資分配。文獻［14-15］建立了基于投資規模和投資方向的配電網投資分配模型，但在項目排序時未考慮項目間的約束關系；文獻［16-17］給出了可靠性與經濟性之比最高的項目優選方法，但優選后的項目無法合理覆蓋所研究區域的問題。上述文獻均假定配電網所有項目的總投資額不超過投資預算，未給出確定總投資額的方法；由于項目優選按照整個研究區域進行排序，導致部分供電網格投資過?；虿蛔?，分配結果不夠合理；所提方法均未實現對投資總額的準確估算。

針對上述不足，本文提出一種配電網投資縱橫向分配及其校驗方法，橫向涵蓋項目分類，縱向貫通市縣網格。所提出的投資分配與項目優選模型既解決了投資分配問題，又解決了配電網投資總額如何準確確定的問題，并通過歷史數據完成對投資比例分配的閉環校驗。本文主要創新點如下：

1）在基于投資效果的投資分配方法中，綜合考慮項目自身的重要性、改善程度的緊迫性和自身對整體效益的貢獻，提出權重矯正系數，使之能根據項目實施后的效果自適應調整。

2）在項目優選模型中，以供電網格為范圍考慮項目自身約束及項目間約束條件，避免項目過度集中于個別區域。

3）在完成配電網整體—不同投資方向分配—供電網格內“自上而下”的投資分配后，根據歷史數據采用工程量統計法“自下而上”對所有優選項目的投資額進行匯總，并將“自上而下”的投資額與“自下而上”的投資額進行對比驗證，實現了對配電網投資總額的準確估算。所提方法能夠為供電企業合理確定配電網投資總規模、均衡分配投資方向、科學安排投資項目提供有效支撐。

1 投資分配模型及思路

本文所提配電網投資分配模型如圖1所示，主要分為以下三部分：

圖1 配電網投資決策模型Fig.1 The distribution network investment decision model

1）根據決策目標確定投資方向（即項目類型）；建立評價指標體系，分析投資方向與評價指標的對應關系，明確各投資方向的重要度。

2）從宏觀層面提出配網規劃總投資及不同投資方向的決策方法，得到配電網投資總額和不同投資方向的分配比例。

3）建立項目優選模型，得到優選項目。從微觀層面分析歷史項目的各部分工作量及綜合單價，根據歷史數據計算出目標年所有優選項目的項目投資額；按投資方向匯總以檢驗宏觀層面得出的分配比例是否正確；全部匯總以估算出配電網總投資額。

2 指標體現及權重確定

2.1 評價指標的選取

按照Q/GDW 1738—2020《配電網規劃設計技術導則》要求，結合W 市供電公司2017—2019年規劃項目數據，選取如圖2所示的配電網投資方向與評價指標。從源網荷儲幾方面將投資方向分為7個，共選取17項評價指標。

圖2 配電網投資方向與評價指標Fig.2 Distribution network investment directions and evaluation indicators

2.2 動態自適應權重的確定

2.2.1 改善程度法指標權重

配電網指標的提升幅度不僅與項目的實施效果有關，還與項目實施前的電網現狀水平有關。為使項目的實施效果與電網現狀解耦，將指標絕對變化程度與其可改善空間的比值定義為指標改善程度。一般來說，指標的現狀值與理想值之間的差距能夠反映該指標的改善緊迫程度——現狀值與理想值的差距越大，表明改善緊迫程度越高，指標權重也相應越高。這同時也解決了不同指標具有不同的特性、量綱和數量級的問題。

表1 投資方向與評價指標的映射關系Table 1 The mapping relationship between investment directions and evaluation indicators

采用改善程度法求得的各指標相對重要度為：

隨著項目的逐年實施，每年末對各指標重新評價，動態更新各指標權重的改善程度，因此改善程度法所得權重不會固定不變，而是會隨著年份的變化不斷調整，能夠充分體現出不同時期指標的改善緊迫程度。但這種僅依靠指標改善緊迫程度的方法有一個缺陷——某些指標（如新增線路條數占比、分布式電源裝機規模等需要與新增負荷或清潔能源電源容量相協調的區間類指標）與理想值的差值較小，但該類項目的實施緊迫度卻很高時，不能準確反映此類項目的權重。為此，除采用上述改善程度法計算權重外，另外選擇德爾菲法、熵權法共3種方法來確定權重。

2.2.2 組合權重

改善程度法反映了指標提升程度的需求；熵權法關注指標值的變異程度，其變異程度越大，提供的信息量越多，所能起到的作用也越大，其權重也就越大，反映了指標對整體的影響程度；德爾菲法則結合專家多年的經驗，偏重于指標本身的重要程度。3種方法結合起來，既考慮了指標本身的重要性，又考慮了指標提升程度要求和單相指標對總體的貢獻，能更好地反映項目的實際效果。指標i的組合權重ωi為：

式中：ωia為改善程度法指標權重；ωib為德爾菲法指標權重；ωic為熵權法指標權重；α、β、γ為權重系數，依據相關歷史數據通過專家會議法確定。隨著項目的實施，ωia將逐年更新。

2.2.3 權重矯正系數

用組合權重除以改善程度法權重，得到權重矯正系數ki：

2.3 指標得分計算

單項指標的得分采用百分制：

式中：si為單項指標得分；yi為單項指標評分。

綜合評分計算公式為：

式中：S為綜合評分。

3 投資分配計算

3.1 配電網單位投資改善效果

基于近J年的歷史數據，按年份統計項目建設前后各指標實際值和配電網總投資，計算各年份的配電網整體單位投資的改善效果；然后將歷史年單位投資配電網改善效果加權，作為目標年配電網單位投資改善效果。

式中：E為配電網單位投資改善效果；Sj為第j年配電網整體綜合評分；Vj為第j年配電網投資總額；λj為年份權重系數，考慮到資金時間價值，所選年份距離參考年越近，權重越高；j′為歷史年距離參考年的年數，例如參考年為2020年，則2017年對應的j′=3。

3.2 總投資規模的計算

根據配電網各指標的現狀值和理想值，計算配電網整體綜合評分。結合目標年的單位投資效果，可確定目標年配電網整體投資規模：

式中：V*為目標年配電網規劃總投資需求；S*為目標年綜合評分。

3.3 投資方向重要度的計算

相同投資方向的項目可改善多項指標，而同一項指標也可由多個不同投資方向的項目來改善，因此需要將投資方向與評價指標相關聯，投資方向與評價指標的映射見表1。

投資方向重要度的計算公式為：

式中：cl為第l類投資方向重要度；nl為第l類投資方向的關聯指標集合中的指標數量；ωl，h為第l類投資方向關聯指標集合中第h項指標權重。

3.4 投資方向分配比例的計算

根據歷史年各投資方向的改善效果，推算目標年各投資方向的投資額比例。第j年第l個投資方向的改善效果為：

式中：ej，l為第j年第l個投資方向的改善效果；sj，l，h為第j年第l個投資方向關聯指標集合中第h項指標的評分；ωj，l，h為第j年第l個投資方向關聯指標集合中第h項指標的權重。

每類投資方向的單位投資改善效果為：

式中：el為第l個投資方向的單位投資改善效果；vj，l為第j年第l個投資方向的總投資額。

結合投資方向重要度決定投資分配占比：

4 項目優選

項目優選的流程如圖3所示。項目優選的目標函數為各個供電網格內所選項目的得分值之和最大。約束條件分為資金約束和項目約束兩大類，資金約束為該供電網格的投資分配約束，項目約束分為單個項目約束條件和項目間約束條件。

圖3 項目優選流程Fig.3 The project selection process

4.1 項目優選目標函數

優選模型目標函數為：

式中：Fk為供電網格k的項目優選目標函數；s(pk-l-m)為供電網格k第l類投資方向第m個規劃項目pk-l-m的綜合評分；L為投資方向數量；Ml為第l類投資方向規劃項目數量。

4.2 投資范圍約束條件

本文以供電網格為范圍開展項目優選。以網格k為例，網格k第l個投資方向的投資額vk-l為：

供電網格k的總投資額vk為：

式中：Lk為供電網格k中投資方向的總數量。

4.3 項目約束條件

4.3.1 單個項目約束條件

單個項目約束為：

式中：Pk為供電網格k所有項目方案的集合；v(pk-l-m)為項目pk-l-m的投資額。

4.3.2 項目間約束條件

若供電網格k中的項目a（pk-a）為強制性項目，則投資額約束為：

式中：v(pk-a)為項目pk-a的投資額。

若項目pk-a與pk-b為互斥關系，則投資額約束為：

若項目pk-a與pk-b為共生關系，則投資額約束為：

若pk-a與pk-b為從屬關系，則投資額約束為：

5 投資分配校驗

5.1 項目的工程量分解

配電網項目建設過程中，需要購買設備，占用人力及施工設施。這些項目工程量、設施綜合單價、施工單價等數據都有相應的造價規范文件為依據，也有項目竣工驗收報告和項目決算文件為支撐。

根據獲得的優選項目，從歷史完工項目庫中找出供電網格k中所有類似的完工項目，并將各項目量化為人、機、物及其對應的工程量：

式中：Lline為所需建設的架空線路長度，Uline為架空線路單位長度綜合單價；Lcable為所需建設的電纜線路長度，Ucable為電纜線路單位長度綜合單價；Ntrans為所需增加的配電變壓器容量，Utrans為配電變壓器單位容量綜合單價；Nswitch為所需的開關臺數，Uswitch為單臺開關綜合單價；Nconstruct為所需的某項施工工程量，Uconstruct為該項施工綜合單價；Nequip為所需的工器具數量，Uequip為該項工器具綜合單價；Nhuman為所需人力資源數量，Uhuman為人力資源單價；Nother為其他工程量，Uother為其他工程量綜合單價；vfix為固定費用。對于式（25）中不同完工年份的項目，其相同項的綜合單價需要考慮資金時間價值。

目標年各項目工程量的估算方法為：架空、電纜線路按長度估算；配電變壓器按戶均配電變壓器容量估算；施工工程量依據建設規模估算。

5.2 投資校驗及總投資額確定

先匯總所有優選項目的投資額，得到投資總額，再與式（12）的計算結果對比?？紤]到項目優選的約束條件，優選后的項目投資額的匯總結果應小于式（12）的計算結果。

按式（25）估算出目標年優選項目的投資額后，按投資方向將項目投資額分類匯總，得到不同方向的投資額比例；然后與依據式（16）計算的投資方向分配比例對比，若某些投資方向的投資額差別較大（例如投資占比相差超過10%），需分析影響較大的因素，找出問題所在。

解決方法是：以從完工項目庫中抽取出的歷史年實際數據為基準，先檢查項目的工程量有無漏項、綜合單價有無考慮資金時間價值，再根據近幾年經濟走勢進一步校核折現率，重新計算。按不超過2%的步長調整式（5）中權重α、β、γ，再次按式（1）—（16）的順序計算調整計算后的投資總額、分配比例。由于數據來源為同源歷史數據，一般迭代2～3次即可滿足要求。

校驗合格后，匯總優選項目的投資額，可得到最終的配電網總投資額。按投資方向匯總，可得到最終的不同投資方向的投資額分配。將優選項目按供電網格匯總，可得到各個供電網格的投資額。

6 案例應用

以Z 省W 市Y 區配電網為例，開展2020年配電網投資決策分析。

1）基礎數據。該地區配電網現狀年（2018年）和目標年（2020年）的各指標值如表2所示，共含93個供電網格。表3為采用3種方法得到的權重系數和初始權重矯正系數。初始權重計算時，取α=0.333，β=0.333，γ=0.333。

表2 某地區配電網現狀值與目標值Table 2 Current and target values of distribution networks in a region

表3 評價指標權重的確定Table 3 Determination of weights of evaluation indicators

2）投資方向重要度計算。各類投資方向重要度計算結果見表4。

表4 投資方向重要度與投額分配額Table 4 Importance of investment directions and investment allocation amounts

3）總投資及投資分配計算。根據2013—2017年數據，計算各年配電網整體單位投資改善效果，見表5。

表5 歷史年整體單位投額改善效果Table 5 Overall unit investment improvement effect in historical years

目標年的單位投資配電網改善效果加權值為0.693 分/億元。根據式（12）計算出2020年的配電網規劃項目預計投資規模為43.89 億元；根據式（16）計算得到各投資方向的分配比例和投資限額，見表4。

4）供電網格項目優選。W市Y 區2020年共上報609個中壓配電網項目，以供電網格A為例，各項目的綜合評分、排名及優選結果如表6所示。得到整個區域優選結果后形成W市Y區2020年的優選項目庫，共包括511個項目，項目實際投資規模為38.7億元。

表6 供電網格A項目綜合評分Table 6 Comprehensive scores of items of power supply grid A

5）供電網格投資計算。以供電網格A—K 這10 個網格為例，計算得到7 個投資方向的投資分配額，見表7。

6）投資校驗。架空線路單位長度綜合造價取60 萬元/km；智能終端和相應通信設備的綜合造價取11 萬元/套；電纜線路單位長度綜合造價取120 萬元/km；配電變壓器單位容量綜合造價取0.038萬元/kVA；固定費用取1萬元。

得到網格A—K 的投資額計算結果見表8。為進行對比，同時列出另兩種常規投資分配方法（方法1 和方法2）的計算結果?？梢钥闯?，本文所提經過校驗的分配算法得到的結果誤差更小，且能對總投資額進行比較準確的估計。

表8 網格A—K 2020年計算投資額Table 8 Calculated investment amounts of grid A to grid K in 2020

7 結語

本文提出了一種配電網投資額全流程估算分配及閉環校驗方法。在配電網規劃投資總體規模和各個投資方向的分配限額確定的基礎上構建了項目優選模型，以供電網格為限實現了考慮項目間關聯關系的項目優選，充分利用供電網格間的空間獨立性，避免了項目不能合理覆蓋所研究配電網區域的問題。另一方面，以進入優選項目庫的項目為參照，利用完工數據庫歷史數據，通過對相似工作量和綜合單價數據的評估，實現了目標年優選項目投資額的估算。最后，對不同投資方向配額進行了校驗，且準確估算出投資總額。

本文所提方法流程清晰，能夠應用于電網公司配電網投資管理工作中，可為配電網投資的合理估算提供決策參考。