电力供应链全生命周期成本评价方法及算例分析.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（上）-136-技 术 经 济 与 管 理电力供应链存在多个环节，包括发电原料生产、电能生产以及电力传输等，每个环节都会产生一定的生产和运营成本，在管理过程中，应该树立生命周期的思想，从电力生产的源头开始，直至电力能源的消纳，全面评价整个电力产销过程的成本。随着用户侧分布式电源的持续增加，电网的成本结构也在发生变化，研究相关电力供应链的全生命周期成本测评方法具有重要的应用价值。1 电力供应链及其全生命周期成本分析1.1 电力供应链结构分析电力供应链涵盖电能生产、传输、分配以及消纳 4 个核心环节。在电能生产阶段，国内当前仍然以火力发电为主，因此电力供应链可向前延伸至化石原料生产阶段，在火力发电体系下，电力供应链的整体结构如图 1 所示。1.2 电力供应链全生命周期成本从煤炭等化石燃料生产到终端用户使用电力能源，形成 1个完整的生命周期，每个过程都存在一定的生产、运营成本。例如，发电阶段消耗化石燃料、输电阶段产生线路损失、用电阶段出现电力计量误差。电力供应链全生命周期成本管理是对供应链中各阶段的生产、运营成本进行测算和评价，达到成本最低、效益最大的目的1。2 电力供应链全生命周期成本评价方法2.1 成本测算方法2.1.1 用户侧微电网成本测算用户侧微电网是将分布式电源产生的电力能源存储在特定的储能装置中，一部分电能用于负担用户的电力负荷，多余的电能经过并网逆变器接入大电网。当前，主流的分布式电源包括光伏和风电，储能装置以蓄电池为主。根据用户侧微电网的运行控制模式，其成本包括初始成本、微电网网络结构成本以及用电改造成本等。2.1.1.1 初始成本初始成本主要是指设备成本，包括并网逆变器、储能装置以及分布式电源所产生的成本。将用户侧微电网的初始成本记为 CT1，其计算过程如公式（1）所示。CT1=CDES+CSTR+CMOD （1）式中：CDES为分布式电源的成本；CSTR为储能装置的成本；CMOD为并网逆变器的成本。这三类成本元素都具有明确的计算方法，以 CMOD为例，其计算方法与双向电流变压器的总功率、储能装置单价以及电力供应链全生命周期时长密切相关2。2.1.1.2 用电方式改造成本当终端用户改变用电方式后，用户侧微电网的控制系统和线路都要进行适当改造，于是产生了用电方式改造成本，该成本的计算过程如公式（2）所示。CT2=CT1RT2-Cntw （2）式中：将用电方式的改造成本记为 CT2；Cntw为用户侧微电网结构成本，包括线路铺设及软硬件采购所产生的成本；RT2为改造费用在分布式电源系统初始成本中的占比。2.1.1.3 微电网的运行成本微电网在运行的过程中会产生一定的成本，将该成本记为 CSC，其计算过程如公式（3）所示。CSC=RSC（CT1+Cntw+CT2）（3）式中：将微电网的维修率记为 RSC。2.1.2 大电网成本测算2.1.2.1 发电厂成本测算以传统的燃煤火力发电厂为例，其发电成本由许多方面的因素构成（例如机组固定成本、启停成本），可按照公式（4）计算发电厂的成本。CFIR=（CCCRFIR+CM+Cst+Ced）NG+Cu+CM=a2+b+c（4）式中：CFIR为燃煤机组的成本；发电机的固定成本为 CCC；将火电机组的损耗率记为 RFIR；火电机组在某一时段的发电成本为 CM；Cst、Ced分别为机组的启动成本、关停成本；NG为机组数量；燃煤原料成本为 Cu；将某一时段的用电需求记为，那么发电厂成本可转化为关于 的二次函数，a、b 为函数中二次变量和一次变量的系数，c 为常量3。2.1.2.2 输配电企业成本测算输配电企业负责电力能源的调度、分配与输送，在具体实电力供应链全生命周期成本评价方法及算例分析方效巍胡承鑫陈琳（国网上海市电力公司物资公司，上海 200235）摘 要：为了提高电力供应链全生命周期成本管理效果，研究过程基于用户侧微电网和传统的火力发电供应体系，形成完整的供应链结构。在该基础上建立用户侧微电网和大电网的成本测算方法，构建全生命周期成本评价指标体系，并且利用层次分析法为每级指标分配权重，进而提出综合评价结果的计算模型。在算例分析阶段，利用本文所建立的评价模型分别评价2个不同的供电区域，结果发现，提高用户侧微电网的比例可显著改善电力供应链的供电效益，同时小幅提高经济效益。关键词：电力供应链；全生命周期；成本评价方法中图分类号：F406.72文献标志码：A图 1 火力发电供应链结构化石燃料企业原料生产电能生产火力发电厂 电网公司配售电企业电能传输电能配送用电用户电能消纳中国新技术新产品2024 NO.1（上）-137-技 术 经 济 与 管 理施过程中，同样存在一定的成本。例如，在输电过程中，线路上会产生一定的线损失。在考虑用户侧微电网的情况下，电网企业通常需要向并网发电的用户提供经济补偿，从而产生额外的运营成本。假设在时段 t 内，共计 i 个用户侧微电网并网发电，电网企业为其提供经济补偿，成本的计算过程如公式（5）所示。CDi tpayi ti tpayi t,?（5）式中：i 为第 i 个用户侧微电网；将输配电企业从用户侧微电网买电的价格记为i tpay,；i，t为一个函数，取值为 0 或者 1，0表示用户侧微电网未并入大电网，1 表示微电网并网发电；用户侧微电网在时段 t 内的并网发电量记为 Di,t；Ci tpay,为输配电企业向用户微电网 i 提供经济补偿的成本。2.1.3 全生命周期成本测算在考虑分布式能源并网发电的情况下，可将电力供应链划分为 3 个层级，第一级是电力能源的源头，由分布式能源（如太阳能、风能）成本和发电原材料成本构成；第二级是发电环节，由分布式电源和传统发电厂组成；第三级是电能消纳环节，以各类电力用户为主体。电力供应链全生命周期成本管理针对电能生产和消纳的所有环节，根据各阶段的电力成本测算方法，假设在大电网中存在 N 个传统发电机组，则全生命链周期成本的计算过程如公式（6）所示。FCj tCj tUUCFIRstjtjti tpayNstorjN?,1111i?Ci tPPSCjti tpayuser itiNstorjNiNstor,?111?tT1 （6）式中：将总生命周期成本记为 F；CFIR（j，t）为第 j 个传统发电机组在 t 时段内的发电成本；Cst（j，t）为第 j 个传统发电机组在时段 t 内的启动成本；将全生命周期总长度记为时段T；Uit-1、Uit分别为机组的不同运行状态；将供应链中用户侧微电网的总数量记为 Nstor；电力输送过程的耗损比率记为 ；CSC（i，t）为第 i 个微电网在时段 t 内的运营成本；Pjt为火电机组 j 在时段 t 内供应的总电量；Ptuser，i 为用户侧微电网 i 在时段 t 内的总上网电量4。2.2 全生命周期成本评价方法2.2.1 构建评价指标体系2.2.1.1 指标体系构成电力供应链全生命周期成本管理的目的是提高电力供应的经济效益、降低运行成本，其影响因素较为复杂，包括地区经济（GDP）、人口密度、人均负荷密度、电网容量、发电量、有功耗损率、故障及检修费用、利润、折旧费用等。所有影响因素可分为 3 个类别，每个类别设置多个评价指标，评价指标体系见表 1。2.2.1.2 指标计算方法示例在电力供应链全生命周期成本评价中，所有的指标均为可计算的量化指标，以便于进行量化分析与评价。在经济效益中，以指标 E1为例，其计算方法为 E1=（CFIR+Cntw+CT2+CT1+CSC）/F，其含义为电力供应链在建设和投入运营之前，所支付的一次性成本的占比5。在环境效益中，以指标 P1为例，计算方法为 P1=OM/OT，OM表示燃煤发电量被微电网发电代替后所减少的污染物排放量，电力供应链中总污染物排放量记为 OT。在供电效益方面，以指标 S2为例，其计算方法为 S2=Ctind，i/F，其中，将电力供应链中用户 i 在时段 t 内因电压不合格所产生的损失记为 Ctind，i。2.2.2 建立评价模型评价体系中指标数量较多，其含义也各不相同，各指标对总目标的影响程度存在一定的差异，因此要为每个指标分配合理的权重，从而完成后续的量化评价。在评价过程中，可采用层次分析法，评价流程如下。2.2.2.1 建立层次模型将电力供应链全生命周期成本综合评价作为目标层，经济效益、供电效益、环境效益作为准则层，表 1 中的三级指标作为指标层。2.2.2.2 构建判断矩阵以专家建议为主要判断依据，在同一层级的指标内进行重要性分析，通过两两对比，确定各指标的相对重要程度，在这一过程中，通常采用 9/1 标度法（见表 2）。判断矩阵可表示为 A=（aij）nn。表 2 9/1 标度法标度aij含义1指标i和指标j同等重要3指标i比指标j稍显重要5指标i比指标j明显重要7指标i与指标j相比，非常重要9指标i和指标j相比，极其重要2，4，6，8介于中间的标度值倒数i相比于j的标度值为aij，j相对于i的标度值为1/aij2.2.2.3 判断矩阵的一致性检验从9/1标度法的实施过程可知，当判断2个矩阵的相对重要程度时，具有一定的主观性，当指标体系较为复杂时，有可能出现标度值冲突，因此，通过一致性检验判断标度值设定是否合理。计算一致性检验指标 CI=（max-n）/（n-1），其中 max为判断矩阵 A 的特征根，n 为该矩阵的阶数。查表确定平均随机一致性指标 RI，按照 CR=CI/RI 计算一致性比例，如果 CR0.1，就认为该矩阵的一致性不可接受6。平均随机一致性指标RI的取值方法见表3。2.2.2.4 建立指标评价集在指标打分的过程中，需要建立评价集，假设存在 k 个评分等级，则评价集 V=V1，V2，.，Vk，电力供应链全生命周期成本综合评价的结果应属于评价集 V 中的某一级。2.2.2.5 进行专家打分及评价矩阵构建在这一阶段，由若干个专家根据评价集和指标的含义进表 1 电力供应链全生命周期成本综合评价指标体系一级指标二级指标三级指标电力供应链全生命周期成本综合评价经济效益E电力供应链固定成本占比E1电力供应链运营成本占比E2建设、损耗和维护成本占比E3电力供应链的成本收入占比E4环境效益P碳排放量减少比率P1尾气排放减少比率P2供电效益S分布式电源电力供需比S1不合格电压损失比率S2可靠供电比率S3峰谷负荷差比S4分布式电源供电上网成本比率S5中国新技术新产品2024 NO.1（上）-138-技 术 经 济 与 管 理行打分，从而建立评价矩阵。假设参与打分的专家数量为 m个，指标 C1为电力供应量全生命周期成本影响因素中的某一个，其中 h1n位专家的评级结果相同，则 m=in=1h1i，i=1，2，.，n。这样可以获得针对影响因素 C1的评价向量，将该向量记为 R1，则 R1=h11/m，h12/m，.，h1n/m。m 位专家针对影响因素 C1共形成了 k 种评价级别，第 k 种评价级别对应的评价向量为 Rk，则有 Rk=hk1/m，hk2/m，.，hkn/m，评价向量 R1，R2，.，Rk构成评价矩阵。2.2.3 计算综合评价得分在准则层，经济效益和供电效益的重要程度更高，因此将其作为评价时的主要影响因素，环境效益可作为参考因素，电力供应链全生命周期成本综合评价得分的计算过程如公式（7）所示。TPPaEbPcSscojti tpayuser itiNstorjN?,111?F （7）式中：a、b、c 与计算式（4）中的系数相同，其含义分别为经济、环境和供能效益的评价系数权值；E、P、S分别对应经济效益评价系数、环境效益评价系数、供能效益评价系数；Tsco为综合评价得分。3 算例分析3.1 电力供应链基本情况算例分析阶段选取 2 个电力供应区域，在区域 1 中，用户侧微电网参与度较高，在区域 2 中，用户侧微电网参与度较低，两个区域的用户侧微电网普及率分别为 21%、14%。试验中的样本总数量为 20 万，从中选择具有分布式电源的用户作为评价对象，试验样本的容量为 10000。蓄电池容量、充电功率、放电功率分别为 50kWh、10kW、10kW。用户购电价格在 1.15元/（kWh）1.69 元/（kWh），高峰期电价定为 1.69 元/（kWh），峰谷期电价定为 1.15 元/（kWh）。在 2 个电力区域中均存在光伏微电网，可将光伏发电产生的电力能源传并入大电网，在电价管理中采取分时价格。放电的高峰时段包括9:3011:30、14:3017:30 等，充电、放电、用电在 1d 内形成特定的规律，因此将时间视作生命周期。输电过程的电能损耗率按照5%进行计算，全生命周期采取 24h。按照成本测算方法处理相关的试验数据，可得到两个区域的全生命周期成本，见表 4。3.2 电力供应链全生命周期成本评价过程与结果3.2.1 指标权重分配结构及指标打分依据根据层次分析的相关原理，为指标分配权重，结果见表 5。专家打分时将评价标准分为 3 个等级，一般评价值在 02.268，合格评价值在 2.2683.615，满意评价值 3.615。表 5 评价指标体系权重分配结果二级指标三级指标指标权重经济效益EE10.091E20.062E30.098E40.150环境效益PP10.101P20.099供电效益SS10.042S20.060S30.094S40.069S50.1353.2.2 综合评价结果根据评价模型对 2 个区域进行电力供应链全生命周期成本测算与评价，得到的结果见表 6。从中得到以下结论。当用户侧微电网在电力供应链中的占比较高时，供应链全生命周期成本管理的经济效益和供电效益也更高，并且供电效益的优势尤其突出，提高微电网接入比例对经济效益的提升幅度较小。提高用户侧微电网的接入比例并未对环境效益产生明显的影响。提高用户侧微电网的接入比例可有效降低全生命周期成本。表 6 试验区域电力供应链全生命周期成本评价结果区域分类全生命周期成本/万元经济效益得分供电效益得分环境效益得分综合得分区域1460.853.263.283.953.714区域2502.233.152.863.983.5764 结语综合整个研究内容，在电力供应链全生命周期成本评价中，应根据发电、输电、用电的特点，建立完整的供应链结构。实施过程分为成本测算和成本评价两个环节，成本测算是根据供应链结构，计算每个构成要素的生产、运营成本，在成本评价环节须建立指标体系和评分集，通过专家打分的方式确定每个指标的评分等级，再根据综合评价计算模型得到综合评分的结果。经过实测，该评级模型能够有效体现出微电网接入比例对电力供应链的影响。参考文献1 李大为.电力企业供应链成本优化与控制 J.大众用电，2021，36（9）：76-77.2 卢梦煜，姜雪松，刘爽，等.基于系统动力学的电力物资供应链区块化数据库研究 J.西安理工大学学报，2021，37（4）：580-587.3 姚拓中.基于粒子群优化和改进蚁群算法的电力供应链博弈分析 J.浙江电力，2022，41（9）：80-85.4 侯文捷，武鸿鹏，高峰亭，等.基于区块链智能合约的电力供应链利益分配研究 J.信阳师范学院学报（自然科学版），2020，33（1）：144-148.表 3 平均随机一致性指标取值方法矩阵的阶数RI取值30.5240.8951.1261.2671.3681.4191.46101.49表 4 电力供应链全生命周期成本测算结果（单位：万元）区域分类 传统电力发电成本 电网公司成本 用户侧微电网成本 全生命周期成本区域1211.2150.998.2467.5区域2298.7139.869.9500.4