最新研究进展|引导源网荷储高效互动的全成本节点电价
价格机制是电力市场高效运行和源网荷储有序互动的基石。智能电网建设到今天，有两个问题始终在困扰着我们，电力系统为每一个电力消费者的行为到底付出了多少成本？用户的互动能否获得其所创造的效益？这两个问题尽管在学术上已经开展了大量的研究，但仍存在着一些关键问题尚未突破。针对上述问题，清华大学电机系夏清教授团队在国家自然科学基金重点项目的支持下开展了“基于全成本节点电价的智能电网规划和运行理论与方法研究”。本文将简要介绍全成本节点电价的基本理论和项目的主要研究成果。
1 研究背景
供给电力的成本可区分为变动成本（如燃料、运维、折旧）和固定成本（建设发电机组和输配电线路的投资）两部分。变动成本由电力交易确定的市场边际出清价格补偿，而由于设备投资建设周期长、输配电管制经营，固定成本只能按照一定规则分摊给电力用户。由于电力网络和电力流向错综复杂、电力用户数量众多，受技术的限制，目前电网的固定成本多采用邮票法（即平均分摊给各用户）。然而，根据市场经济的基本原理，如果成本不能由引起成本的人来承担，市场将是无序的，将导致资源的错配。例如，发电和输电容量需要根据未来可能出现的最大负荷并考虑一定冗余进行规划，然而全年8760小时中尖峰负荷持续的时间往往不到100小时。用户在尖峰负荷时段用电和在几何时段用电支付的固定成本分配确是相同的，用户将缺乏激励削减高峰负荷、投资者将缺少激励新建储能削减高峰负荷，将使电网不得不为尖峰负荷进行利用效率极低的设备投资。又如，电厂附近接入的用户和远离电厂经过远距离输电接入的用户支付同样的输电费用，电力负荷缺少进行空间位置转移的激励，将使得电网必须进行不必要的空间扩张。
如何精准辨识电网为不同空间位置、不同用电时间的电力负荷付出的成本？如何将电网运行的全成本分摊到空间的各节点、时序的各时段？如何建立以价格为核心的互动理论与方法？如何以反映对资源占用的成本分摊引导发、输、用、储各环节的优化布局和优化运行？这些是智能电网与电力市场迫切需要解决的基础理论问题，也是该项目研究的出发点。
2 全成本电价的理论创新
该项目提出的输电成本理论分摊包含3个步骤：1、辨识电网投资中应当分摊给用户的有效成本；2、将有效成本根据不同时段利用率的不同进行时序分摊；3、将各时段分摊的输电成本按照电网潮流分布分摊给各节点各用户。输电成本分摊叠加上节点边际电价，即得到综合反映电力供应变动成本和固定成本的全成本电价。
2.1 如何辨识电网有效成本？
如图 2‑1所示，依据电网运行状态将输电成本细分为基本输电成本、可靠性输电成本、预留容量成本和无效容量成本，针对输电容量的用途，提出相应的分摊方法，以真实反映用户对电网资产的使用程度。基本输电成本由实际发生的线路潮流决定，应当基于用户对该线路潮流的贡献度予以分摊；可靠性输电成本对应N-1场景下的线路最大潜在潮流与线路基态潮流的差值，应当根据用户对该差值的贡献度予以分摊。此外，电网还需要为应对未来负荷增长及新能源出力预留部分容量，该容量被称为预留容量成本。由于电网在未来的使用情况无法事先预知，这部分成本应当根据用户用电量大小按比例分摊。剩余的电网成本将被定义为无效容量成本。
无效容量成本对应电网的过度投资，是对输电资产不合理投资的惩罚。项目研究发现，只有去除无效投资，才能够让需求侧响应的用户真正获得互动所创造的效益，才能迫使电网提高投资效率、避免电网的投资冲动。
图 2-1 结构化输电成本分摊
2.2 如何进行输电成本的时序分摊？
输电成本时序分摊的目的是将各输电线路的有效成本按照线路不同时段的使用率分摊到各时段。以一条输电线路为例，其全年的潮流曲线如图 2‑2 (a)所示。接下来，将线路的时序潮流曲线转化为持续潮流曲线，即将各时段的潮流由高到底排序。持续曲线上每一点的横坐标即表示线路潮流超过该点纵坐标的持续时长，反映了线路容量的利用率水平。如图 2‑2 (b)所示，在持续潮流曲线上，将线路当年应回收的有效成本均匀分摊至各容量段；之后，再将每个容量段中的成本均匀分摊至单位电量。负荷水平高的部分持续时间短、对应电量少、单位电量应分摊的成本高；负荷水平低的部分持续时间长，单位电量应分摊的成本较低。最后，将持续潮流曲线恢复为时序潮流曲线，曲线下方不同的潮流水平对应分摊不同的度电输电成本。如图 2‑2 (c)中时段t为例，S3部分的潮流承担基荷水平的输电成本，S2部分承担腰荷部分的输电成本，S1部分承担峰荷的输电成本。
这一方法避免了直接在时序曲线上均匀分摊的不足，从而获得了竞争的分时固定成本，为形成科学的分时电价奠定了基础。
图 2‑2 输电成本时序分摊示意
2.3 如何进行输电成本的空间分摊？
将各线路的固定成本分摊至全年各时段后，还需要进一步根据不同节点负荷对线路潮流的贡献将各线路成本分摊至节点。该项目提出按照潮流追踪法将各输电线路各时段的固定成本按照全网潮流分布分摊至各节点。潮流追踪的基本思想是从各节点流出的潮流按照比例共享的原则分摊流入潮流的总成本。根据流入该节点的潮流，计算该节点的平均全成本，这里的平均全成本是根据各注入支路的潮流与相应支路成本的乘积除以注入该节点的总潮流而得到；该节点平均全成本与流出该节点支路的成本相加，形成了对该支路流出节点平均全成本的成本依据。
图 2‑3 潮流追踪法示意
如图 2‑3所示，线路1和线路2的潮流首先流入节点A，按照潮流追踪法的定义，两条线路的潮流和成本在节点A完全融合，并按照比例共享原则流向线路3和线路4，即流向线路3的总成本是：
与线路3的成本结合，流向节点B的总输电成本是：
则节点B的单位输电成本是：
上述潮流追踪过程中，与发电机相连节点的全成本为发电的边际价格。其它节点的全成本中叠加考虑了全网发电的边际成本和输电线路的成本分摊。
运用潮流追踪法将输电固定成本合理分摊到各节点并与边际发电成本叠加形成具有显著性差异的全成本电价，在潮流变化时全成本电价也随之变化，始终保持全成本分摊的公平性和准确性，值得一提的是，输电成本采用潮流追踪法分摊，但分摊的成本由有效输电成本取代输电全成本，进一步体现终端负荷对电网的实际利用程度，充分体现“谁受益，谁承担”的原则。同时，由此形成了电网中的“成本链”，直观展示了电网在各时段、各空间位置供给电力负荷的成本形成过程。
3 基于全成本电价的电网优化模式与方法
3.1 电网调度运行
目前节点电价没有考虑输电固定成本，是不完整的价格信号。传统考虑需求响应的经济调度模式仅仅考虑用户对节点边际发电成本的响应，在这种调度模式下，由于没有考虑输电固定成本对节点电价的影响，用户不能根据在该节点用电的真实成本作出响应，需求侧响应的力度可能是不足的，用户难以根据真实的电价信号做出正确的需求侧响应。
为此，该项目提出基于考虑输电固定成本的全成本电价的经济调度新模式，如图 3‑1所示。通过在经济调度的目标函数中增加输电成本，使发电机出力的目标函数系数随着网络潮流的变化不断更新，发电计划更趋合理。在该模式中，用户针对发电边际成本和输电固定成本分摊形成的全成本电价信号进行响应，使需求侧响应更加充分、准确，发电计划更趋合理，电源、电网、负荷基于真实的全成本互动起来，由此形成提高电网资产利用率、缓解电网阻塞的潮流分布。
图 3‑1 全成本分时电价引导下的供需双向互动
3.2 电网扩展规划
传统的电源、电网规划通常在已确定的负荷预测的基础上进行，负荷信息是规划的边界信息，根据已确定的电力电量需求来安排系统的生产模拟，并决策最优的电、电网扩展方案。这种规划模式实质上仅仅实现了供应侧资源的单边优化，未充分考虑需求侧响应对于规划的影响，未能实现“源-网-荷”的协同优化规划。为应对最高负荷的刚性增长和电网运行的不确定因素——即使高峰负荷持续时间很低——也必须投建新的输电线路。如此将造成不必要的投资和电网设备利用率的低下。
有别于传统视负荷需求为刚性的方法，该项目提出在规划问题中通过全成本电价的方式进行投资成本分摊、并由此引导电力负荷响应和空间转移。首先决策电网优化方案，然后计算全成本节点电价。如图图 3‑2所示，这一电价将激励产生空间需求侧响应，高节点电价的负荷向低的节点转移，从而节约电网投资。
由于在规划中引入了输配电价的时空分摊，终端负荷能够在正确的价格信号激励进行需求侧响应，优化用电行为以最小化用电成本，适当减少网络净负荷，进而可以延缓及减少电源和电网投资，节约了电源电网的投资成本，体现全成本电价实现了电源投资、线路投资以及负荷用电规划的互动决策。实现了节约电网投资，拓展优化空间的目标。以价格信号引导源-网-荷的协同规划和布局，提升资源优化配置的水平。
图 3‑2 考虑全成本电价的电网规划示意
4 结语
传统的节点电价机制往往没有考虑输电固定成本的影响，从而传达给终端用户的电价信号是不完全的，不能准确反映终端用户用电的时空差异性和对电网资源的实际利用程度，导致用户参与需求响应的激励不足，难以达到激励相容的效果，导致电力资源配置效率低下，难以充分发掘源-网-荷互动的价值。
该项目提出全成本节点电价的理论与方法，在辨识电网有效投资成本的基础上，通过时序分摊和空间分摊将电网固定成本按照不同时间、不同位置负荷对电网的实际利用程度进行分摊，结合节点边际发电成本从而形成节点的全成本电价。全成本电价能够激励电源、电网、负荷基于真实成本充分互动，深入挖掘三者互动产生的价值；全成本节点电价综合发输电全成本，充分体现各个终端节点对源、网资源的利用程度，真实反映用户在不同地点消费电能应承担的成本，激励用户积极响应电价信号，能够根据电源和用户对电网的利用程度，形成具有显著性差异的节点电价，体现经济学中“谁受益，谁承担成本”的原则；引导潮流基于全成本合理分配，由距发电中心远处向近处适度地转移，激励用户需求侧响应，引导负荷需求就近满足，提升全网潮流的均衡度，有利于电网安全；将电网运行与规划与发输电全成本相结合，以价格信号引导潮流分布，辨识线路有效成本和无效投资，提升电网的投资效率，激励源、网、荷之间的互动，进而实现电力资源优化配置的目标。
新的理论与方法赋予电网优化运行和投资规划新的内涵，改变以往负荷完全刚性、负荷增长没有承担电网为之所付出的真实成本的不合理方式，激励负荷充分响应、引导源网荷储高效协同，有助提升电网投资效率、促进电网资源优化水平的提升。
部分成果
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