李彥吉,王鑫陶,康赫然,張秀路,張偉,韓永強,閆佳佳

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；3.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870）

0 引言

為實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標，我國正加快構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，推動以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)。在含可再生能源的配電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展過程中，存在一些外部因素的影響和新機遇的挑戰(zhàn)[1]～[3]。一方面，隨著配電網(wǎng)投資項目多元化發(fā)展，配電網(wǎng)的投資對象除了包括傳統(tǒng)變電站和配電網(wǎng)線路網(wǎng)架內(nèi)設(shè)備升級更換外，還包括可再生能源設(shè)備、儲能設(shè)備和新能源汽車充能設(shè)備等建設(shè)。配電網(wǎng)建設(shè)不僅要滿足多種負荷用能需求，還要提高電網(wǎng)供電可靠性、運行經(jīng)濟性，提高電網(wǎng)碳減排能力及可再生能源消納能力等。另一方面，隨著社會企業(yè)參與配電網(wǎng)投資建設(shè)，電網(wǎng)公司與社會企業(yè)在配電網(wǎng)投資效益、運行效益中逐漸形成競爭[4]，[5]。為適應各類用戶日益增長的高質(zhì)量用能需求，亟須進行配電網(wǎng)的改造、擴容和新建。然而，各級電網(wǎng)公司往往存在實際投資能力不足的問題。因此，在保證配電網(wǎng)投資需求的前提下，提高可再生能源滲透率，實現(xiàn)清潔、低碳和效率及效益提升的配電網(wǎng)精準投資是目前亟須解決的問題。

目前，一些專家針對配電網(wǎng)投資項目評估指標體系、投資決策等方面進行了相關(guān)研究。文獻[6]綜合了經(jīng)濟、技術(shù)等多級指標，對配電網(wǎng)投資項目進行了綜合評價，提出了一種基于超平面投影變換的增量配電網(wǎng)規(guī)劃多準則投資優(yōu)先級評價方法。文獻[7]針對投資分配與實際投資需求間存在的偏差問題，結(jié)合歷史投資數(shù)據(jù)，提出了基于歷史投資成效的配電網(wǎng)投資分配方法。文獻[8]分析了配電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響因素，構(gòu)建了提高配電網(wǎng)運行可靠性的綜合評價體系，并在此基礎(chǔ)上提出一種配電網(wǎng)投資分配模型。文獻[9]通過分析配電網(wǎng)建設(shè)目標對項目屬性進行分類，采用灰色關(guān)聯(lián)度法分析項目屬性與評價指標間存在的關(guān)系，提出了一種考慮指標約束的配網(wǎng)項目兩階段優(yōu)選排序法。文獻[10]定量考慮各個配電網(wǎng)投資項目的關(guān)系對配電網(wǎng)績效產(chǎn)生的影響，基于配電網(wǎng)雙Q規(guī)劃方法，結(jié)合不同地區(qū)對供電可靠性的要求，構(gòu)建了考慮電網(wǎng)投資項目效益與時序關(guān)聯(lián)特性的配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型。文獻[11]提出了一種配電網(wǎng)投資項目規(guī)模與項目屬性投資分配比例計算方法，并考慮項目屬性、項目評價結(jié)果等，建立了配電網(wǎng)投資決策模型。上述研究為解決考慮配電網(wǎng)碳減排與效率、效益雙提升下含可再生能源的投資項目優(yōu)選問題提供了一定的理論指導。

本文首先通過配電網(wǎng)建設(shè)投資需求及含可再生能源的項目投資效益分析，構(gòu)建了由配電網(wǎng)投資需求與組合投資項目效益評估指標、單個投資項目效益指標構(gòu)成的含可再生能源配電網(wǎng)投資項目效益評估兩階段指標體系。在此基礎(chǔ)上，本文以配電網(wǎng)單位項目投資產(chǎn)出效率與碳減排最大為目標，建立了考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型，并采用NSGA-Ⅱ-RLS算法對所建模型進行求解。通過所構(gòu)建的算例仿真模型進行對比分析，驗證了所提出的含可再生能源配電網(wǎng)投資項目優(yōu)選模型的有效性。

1 含可再生能源配電網(wǎng)投資效益評估兩階段指標體系

含可再生能源的配電網(wǎng)投資項目具有數(shù)量大、類別多、資金需求與實施時長的差異大等特點。在對含可再生能源配電網(wǎng)投資項目進行組合優(yōu)選過程中，存在決策難度大、投資成效評估不全面等一系列問題。在電網(wǎng)公司的投資能力遠不能滿足于投資項目庫總投資量的情況下，綜合考慮安全、經(jīng)濟、環(huán)境等多種因素對配電網(wǎng)可再生能源投資項目進行科學高效的組合優(yōu)選，是配電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵。本文以配電網(wǎng)投資項目產(chǎn)出效益為導向，建立了含可再生能源配電網(wǎng)投資項目效益評估兩階段指標體系。

1.1 含可再生能源配電網(wǎng)投資效益評估指標體系

本文建立的含可再生能源配電網(wǎng)投資項目效益評估分為兩階段。第一階段是建立配電網(wǎng)投資需求與組合投資項目效益評估指標；通過評估配電網(wǎng)運行情況得到配電網(wǎng)投資需求，作為投資約束量化指標的提升幅度；考慮電網(wǎng)公司的投資能力約束，杜絕過度投資；對配電網(wǎng)組合投資項目的效益進行評估，量化項目實施改善情況。第二階段是基于配電網(wǎng)組合投資項目效益指標建立單個投資項目效益指標；精準評估單位投資產(chǎn)出效率，分析單個投資項目在整體組合投資項目中提供的效益。本文主要考慮項目投資效率，構(gòu)建了配電網(wǎng)投資項目效益評估指標。如圖1所示，含可再生能源配電網(wǎng)投資項目效益評估指標體系共包含配電網(wǎng)供電質(zhì)量、配電網(wǎng)供電能力、配電網(wǎng)運行、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和配電網(wǎng)的綠色低碳性5個目標層。具體計算方法參考文獻[12]。

圖1 含可再生能源配電網(wǎng)投資效益評估指標體系Fig.1 The evaluation index system of investment benefit of distribution network containing renewable energy

1.2 含可再生能源配電網(wǎng)投資效益綜合評估模型

針對不同評價目標，采用賦權(quán)方式，經(jīng)專家確定權(quán)重，分別為配電網(wǎng)供電質(zhì)量權(quán)重a1、供電能力權(quán)重a2、配電網(wǎng)運行權(quán)重a3、綠色低碳性權(quán)重a4、和配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)權(quán)重a5?？紤]到在配電網(wǎng)中可再生能源投資項目評估時，投資項目的不同目標層在配電網(wǎng)建設(shè)中存在實際現(xiàn)狀的差異，本文根據(jù)各薄弱環(huán)節(jié)的重要性和改善緊迫度對各指標權(quán)重進行修正，各指標權(quán)重修正系數(shù)bσ可表示為

采用極差法對單個投資項目的各效益評估指標進行標準化處理后的評分：

式中：Ai為配電網(wǎng)第i個單個投資項目的綜合評分；ai，j為第i個投資項目的第j項指標權(quán)重；n為指標總數(shù)。

2 考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型

本文以碳減排為導向，考慮含可再生能源配電網(wǎng)投資項目的效益綜合評估。為提升項目投資的單位產(chǎn)出效率，對配電網(wǎng)內(nèi)所含可再生能源的項目投資加以決策，充分考慮了配電網(wǎng)組合投資效益與配電網(wǎng)投資需求協(xié)調(diào)統(tǒng)一。通過精準評估項目單位投資效率和分析項目投資對整體配電網(wǎng)投資所做貢獻，可有效地提高配電網(wǎng)的碳減排能力，推動構(gòu)建清潔低碳安全高效的配電系統(tǒng)。

2.1 目標函數(shù)

本文所提出的考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型，在配電網(wǎng)投資額度、投資預期效益、用能需求等約束下的多目標函數(shù)由兩部分構(gòu)成。

式中：α為配電網(wǎng)投資項目決策向量，α=（α1，α2，…，αi，…，αn），當項目i不參與配電網(wǎng)項目投建時，αi取0，當項目i參與配電網(wǎng)項目投建時，αi取1；AT為配電網(wǎng)第i個單個投資項目的綜合評分，AT=（A1，A2，…，Ai，…，An）。

②碳排放量F2

式中：PtE，Ptgas分別為配電網(wǎng)投入改造建設(shè)項目α下配電網(wǎng)在t時刻的燃煤機組調(diào)節(jié)電量和天然氣用氣量；NT為配電網(wǎng)的運行周期；δE，δgas分別為電力和天然氣的碳排放系數(shù)，參考文獻[13]取δE=0.8 72 kg/（kW·h），δgas=1.9 6 kg/m3。

2.2 約束條件

①投資額約束

式中：Cn為配電網(wǎng)第n個投資項目的建設(shè)費用；Cmax為配電網(wǎng)的最大投資額。

②潮流約束

配電網(wǎng)內(nèi)含可再生能源的投資項目中部分包含線路改造，因此構(gòu)建潮流約束模型為

式中：Px，Qx分別為配電網(wǎng)投入改造建設(shè)項目α后配電網(wǎng)節(jié)點x的有功、無功功率；Ux，Uy，Gxy，Bxy，sinθxy，cosθxy分別為投入改造建設(shè)項目α后配電網(wǎng)節(jié)點x，y的電壓、節(jié)點x和節(jié)點y間的電導、電納、相角差θxy的正弦和余弦。

③配電網(wǎng)投資預期效益約束

配電網(wǎng)組合投資項目的收益可表示為

式中：hiCi為第i個配電網(wǎng)投資項目的期望收益；hi為第i個投資項目的滿足正態(tài)分布的收益率，其期望值為平均收益率，方差為投資風險估計值。

配電網(wǎng)投資預期效益約束表示為

式中：φ為配電網(wǎng)投入改造建設(shè)項目α后的目標N-1通過率；Lpa為配電網(wǎng)投入改造建設(shè)項目α前通過N-1校驗的線路量；Ln為配電網(wǎng)投入改造建設(shè)項目α后第n個投資項目的N-1通過線路量；Lall表示線路總量。

⑥投資項目關(guān)系約束

式中：Xpq為配電網(wǎng)投資項目p和投資項目q之間的關(guān)系；X1為配電網(wǎng)投資項目p和投資項目q互補，兩個項目同時參與或不參與配電網(wǎng)建設(shè)；X2為配電網(wǎng)投資項目q從屬于投資項目p，當項目p參與配電網(wǎng)建設(shè)的情況下，投資項目q才參與配電網(wǎng)建設(shè)；X3為配電網(wǎng)投資項目p與投資項目q互斥，不能夠同時參與配電網(wǎng)建設(shè)。

2.3 模型求解

采用改進后的NSGA-Ⅱ算法[14]對考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型求解，該算法具有收斂速度較快、種群分布均勻的優(yōu)點，能夠保證兩個目標之間的獨立性，得到更好的求解結(jié)果。

本文提出的考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型可描述為

式中：z為求解目標中的決策變量；gγ（z）=0，hη（z）≤0分別為等式約束和不等式約束。

求解流程如圖2所示。

圖2 基于NSGA-Ⅱ-RAS算法的求解流程Fig.2 The flowchart of solution based on NSGA-Ⅱ-RAS algorithm

3 算例仿真

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以我國某縣級電網(wǎng)公司某批次計劃投資的13個含可再生能源的配電網(wǎng)改造建設(shè)項目進行算例仿真驗證。該配電網(wǎng)年供電量為18.25億kW·h，最大用電負荷為328.1 MW，年負荷增長率約4.3%，35 kW與10 kW配電線路135條；35 kW級以下配變2 129臺。此批次計劃投資資金為2 264萬元，配電網(wǎng)投資預期收益率為8.9%。該電網(wǎng)公司備選規(guī)劃項目庫內(nèi)的重點投資項目共13個，總投資成本為5 062萬元。

在電網(wǎng)公司的實際投資能力遠低于總投資需求的情況下，整合配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)。根據(jù)文中構(gòu)建的配電網(wǎng)投資項目效益評估指標體系判斷配電網(wǎng)投資建設(shè)需求：滿足年最大負荷增長4.3%的用能需求；配電網(wǎng)年收益率不低于12%；N-1通過率提高到89%；投資項目3從屬于投資項目2；投資項目7從屬于投資項目12；投資項目8與投資項目9互補；投資項目10與投資項目13互斥。配電網(wǎng)備選規(guī)劃項目庫內(nèi)重點投資項目的基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 配電網(wǎng)投資項目的基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of distribution network investment projects

3.2 場景對比

為驗證本文所提出的考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型的有效性，設(shè)置了如下2個場景。場景一：不考慮投入配電網(wǎng)投資項目改造建設(shè)后提升配電網(wǎng)的碳減排能力，利用傳統(tǒng)的效益成本分析法進行含可再生能源配電網(wǎng)投資項目優(yōu)選；場景二：采用本文提出的考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型進行投資項目優(yōu)選。

分別在兩種場景下對含可再生能源配電網(wǎng)投資項目進行優(yōu)選，得到含可再生能源的配電網(wǎng)項目投資結(jié)果如表2所示。場景一與場景二的配電網(wǎng)平均碳排放量如圖3所示。通過對投入項目改造建設(shè)后的配電網(wǎng)進行仿真對比，分別得到場景一與場景二的配電網(wǎng)運營情況（表3）。

表2 兩種場景下配電網(wǎng)項目投資結(jié)果Table 2 Investment results of distribution network projects in two scenarios

表3 兩種場景下項目改造后配電網(wǎng)的運營情況Table 3 The operation of the distribution network after the transformation of the distribution network in two scenarios

分析表2、表3和圖3所示的仿真結(jié)果可知，與場景一相比，場景二的配電網(wǎng)投資項目總金額降低了5.74%，投資項目的平均綜合評分提高了5.1 8%，配電網(wǎng)在投入項目改造建設(shè)后的收益率提高了21.8 2%，N-1通過率提高了2.8 4%，碳排放量降低了16.5 9%，配電網(wǎng)的供能可靠性也有所提高。以上的仿真結(jié)果表明，本文建立的優(yōu)選模型能夠在電網(wǎng)公司的投資能力遠低于項目庫總投資需求時，考慮配電網(wǎng)運行安全、環(huán)境、經(jīng)濟等多種因素進行含可再生能源配電網(wǎng)投資項目的組合優(yōu)選，可實現(xiàn)清潔低碳、效率及效益提升的配電網(wǎng)精準投資目標。

采用改進的NSGA-Ⅱ算法對本文提出的考慮配電網(wǎng)效率、效益與碳減排提升的可再生能源投資優(yōu)選模型求解。設(shè)置種群的規(guī)模為30，最大迭代次數(shù)為100，交叉概率為0.692，變異概率為0.0 93。計算機配置為Intel（R）XEON（R）Gold6136，主頻為3.0 0 GHz，內(nèi)存為96.0 GB?？紤]效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選的Pareto前沿如圖4所示。

圖4 Pareto解集分布Fig.4 The distribution situation of Pareto solution set

4 結(jié)束語

為滿足配電網(wǎng)投資需求，本文在實際投資能力遠低于項目總投資金額的情況下，以實現(xiàn)清潔低碳、效率和效益提升的配電網(wǎng)精準投資為目標，提出了考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型。以某縣級配電網(wǎng)某批次投資計劃13個項目為算例進行的仿真對比分析可知：通過構(gòu)建含可再生能源配電網(wǎng)投資效益評估兩階段指標體系，分別評估配電網(wǎng)的投資需求與單個投資項目的單位產(chǎn)出效率，能夠全面分析配電網(wǎng)整體性能和評估各投資項目實施改善情況，更好地量化含可再生能源配電網(wǎng)投資項目在投資決策中的績效，實現(xiàn)了投入產(chǎn)出效益提升的含可再生能源配電網(wǎng)投資項目優(yōu)選。