基于多因素權(quán)重優(yōu)化的分布式電源布局預(yù)測方法
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黃碧斌，李瓊慧，高菲
(1．國網(wǎng)能源研究院，北京 102209;2．中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)
摘要：分布式電源具有投資門檻低、可安裝地點(diǎn)多、政策大力支持、地方政府核準(zhǔn)備案等特點(diǎn)，因此，分布式電源發(fā)展布局受政策的影響相對較小，更趨市場化，可以對未來布局進(jìn)行預(yù)測。分布式電源發(fā)展布局的影響因素包括資源條件、項(xiàng)日經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)條件等，需要綜合考慮。為準(zhǔn)確預(yù)測未來各省分布式電源發(fā)展規(guī)模．引導(dǎo)分布式電源科學(xué)規(guī)劃，提出了一種基于多因素權(quán)重優(yōu)化的分布式電源布局預(yù)測方法，綜合考慮多種影響因素，并利用歷史年份數(shù)據(jù)優(yōu)化確定各個(gè)影響因素的權(quán)熏，進(jìn)而對未來目標(biāo)年份的分布式電源布局進(jìn)行預(yù)測，具有考慮影響因素全面、因素權(quán)重準(zhǔn)確、易于軟件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。通過對分布式光伏發(fā)電的案例分析，未來中東部地區(qū)將成為分布式電源發(fā)展重點(diǎn)地區(qū)。
關(guān)鍵詞：分布式電源布局：影響因素；權(quán)重優(yōu)化：電網(wǎng)條件
0引言
發(fā)展分布式電源對于促進(jìn)可再生能源開發(fā)利用、提高能源綜合利用效率、扶持戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。大力發(fā)展分布式電源已經(jīng)上升到圍家戰(zhàn)略高度，中國已明確提出了分布式電源發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)，出臺(tái)了一系列支持分布式電源發(fā)展的政策措施。
與傳統(tǒng)集中式電源相比，分布式電源具有如下特點(diǎn)：(1)裝機(jī)容量小，技術(shù)和資金門檻較低，項(xiàng)目業(yè)主多樣．除了傳統(tǒng)的發(fā)電企業(yè)，還有合同能源服務(wù)公司、工業(yè)企業(yè)、居民等；(2)可安裝地點(diǎn)較多，用戶根據(jù)自身需求建設(shè)，項(xiàng)目布局分散；(3)隨著國家進(jìn)一步簡政放權(quán)，核準(zhǔn)或備案要求進(jìn)一步降低。總的來看，未來分布式電源發(fā)展布局受政府的影響相對較小，更趨市場化，因此可基于全圍發(fā)展規(guī)模目標(biāo)，對各省分布式電源發(fā)展影響因素進(jìn)行綜合分析，從而預(yù)測其發(fā)展布局。
目前中國已對光伏發(fā)電實(shí)施各省年度新增規(guī)模調(diào)控，部分科研機(jī)構(gòu)也對分布式光伏發(fā)電開展了發(fā)展布局分析。在研究方法方面，現(xiàn)有研究多是在分析資源條件、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上按比例進(jìn)行初步分配，然后結(jié)合各地政策和積極性，對初步分配規(guī)模進(jìn)行人為調(diào)整，研究沒有基于科學(xué)的方法和模型，準(zhǔn)確性不強(qiáng)。在研究考慮岡素方面．多數(shù)研究不夠全面，大多僅考慮資源條件和項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性．但是分布式電源需要依托電網(wǎng)才能充分發(fā)揮技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。從規(guī)劃層而來看，先有電網(wǎng)再有分布式電源，因此也需要考慮電網(wǎng)接入條件。總的來看，現(xiàn)有研究還處于初級(jí)階段，對規(guī)劃的指導(dǎo)性不強(qiáng)。
為了解決現(xiàn)有分布式電源布局預(yù)測方法適用類型和考量因素不全面、方法不精細(xì)、結(jié)果仍需人為調(diào)整等問題，本文提出了一種基于多因素權(quán)重優(yōu)化的分布式電源布局預(yù)測方法，綜合考慮了資源潛力、項(xiàng)曰經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)條件等影響因素，并利用歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化求解各個(gè)影響因素的權(quán)重，從而基于全國發(fā)展目標(biāo)對各省分布式電源發(fā)展規(guī)模進(jìn)行預(yù)測。
1 分布式電源發(fā)展布局的影響因素
分布式電源發(fā)展布局影響因素的選取需考量3點(diǎn)要求：一是重要性。影響分布式電源發(fā)展布局的因素繁多．但從可操作的角度來看，無法計(jì)及所有影響因素．需要篩選出具有重要影響的因素：二是獨(dú)立性。為保證布局預(yù)測結(jié)果的科學(xué)性，所選取的影響岡素應(yīng)該相互獨(dú)立，不存在耦合關(guān)系：三是可量化性。從提高分析方法的量化程度考慮，要求影響因素可以進(jìn)行量化。
綜合上述考慮，本文提出的分布式電源發(fā)展布局預(yù)測方法重點(diǎn)考慮資源潛力、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)條件、地方政府發(fā)展意愿和地方財(cái)政承受能力等5個(gè)因素。
1.1 資源潛力
從資源條件來看．主要包括資源總量潛力和資源優(yōu)劣程度等。其中資源優(yōu)劣程度主要影響分布式電源的年等效利用小時(shí)數(shù)，從而影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性�？紤]到影響因素的解耦，此處重點(diǎn)考慮資源總量潛力。
對于不同類型的分布式電源．資源潛力所需要關(guān)注的內(nèi)容也不一樣。由于光照資源的總量不存在約束．分布式光伏發(fā)電的資源潛力需要重點(diǎn)關(guān)注屋頂資源。分布式天然氣發(fā)電的資源潛力不僅要關(guān)注天然氣供應(yīng)能力，還需要關(guān)注天然氣管網(wǎng)建設(shè)的制約作用。
1.2項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性
項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性直接決定投資商的積極性，對分布式電源發(fā)展也有重要影響。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性主要受單位容量初投資成本、年度運(yùn)維成本、售電／熱／冷收入和年等效利用小時(shí)數(shù)等方面影響。
不同類型分布式電源的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性又有各自的特點(diǎn)，在測算項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性時(shí)都需要加以考慮。受光照條件影響，分布式光伏發(fā)電出力為拋物線形狀，峰值出力出現(xiàn)在12:00-14:00．因此在計(jì)算售電收入的時(shí)候需要考慮峰平電價(jià)的影響．可利用典型出力曲線和峰平電價(jià)表加權(quán)形成平均電價(jià)，再進(jìn)行計(jì)算。分布式光伏發(fā)電不同，分布式天然氣發(fā)電運(yùn)行需要消耗天然氣．產(chǎn)生電的同時(shí)還產(chǎn)生熱／冷，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性測算時(shí)需要綜合考慮。此外，分布式天然氣發(fā)電通常在峰平電價(jià)是滿負(fù)荷運(yùn)行，不頻繁調(diào)整出力，使得加權(quán)電價(jià)的計(jì)算相對簡單。
1.3 電網(wǎng)條件
分布式電源接人中低壓配電網(wǎng)將引起配電網(wǎng)雙向潮流，可能出現(xiàn)非計(jì)劃孤島、線路電壓升高和系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)等問題．影響配電網(wǎng)安全運(yùn)行和用戶可靠供電。隨著接入容量的增加．上述風(fēng)險(xiǎn)將明顯提高。從保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行和用戶可靠供電的角度考慮．配電網(wǎng)接納分布式電源容量存在一個(gè)上限，通常稱為配電網(wǎng)接納能力，用于衡量分布式電源發(fā)展的電網(wǎng)條件。
從嚴(yán)格意義上的電網(wǎng)條件來說．分布式電源接人中低壓配電網(wǎng)．范圍相對較�。畬�(xì)度的要求很高．理論上要求配電網(wǎng)接納能力細(xì)化到每個(gè)變電站．然后累計(jì)計(jì)算得到各省電網(wǎng)的接納能力，但對于中國如此數(shù)量龐大的變電站來說，電網(wǎng)接納能力細(xì)化到各個(gè)變電站是難以實(shí)現(xiàn)的。
為衡量配電網(wǎng)接納分布式電源的能力．國內(nèi)外引入了滲透率的概念．滲透率指配電網(wǎng)內(nèi)分布式電源并網(wǎng)容量與最大用電負(fù)荷的比值。配電網(wǎng)可承受的最大滲透率又稱為準(zhǔn)許滲透率。隨著技術(shù)進(jìn)步和運(yùn)行規(guī)則等變化．準(zhǔn)許滲透率值也會(huì)發(fā)生變化。美歐、加拿大等均已開展分布式電源接納能力的研究。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，滲透率低于15%時(shí)對配電網(wǎng)影響不大。
因此，本文從可量化和可操作的角度出發(fā)，參考國內(nèi)外研究成果，將15%滲透率作為測算中國電網(wǎng)接納分布式電源能力的保守值．并對電網(wǎng)接納能力現(xiàn)狀及未來情況進(jìn)行了分析。
1.4地方政府發(fā)展意愿
分布式電源發(fā)展對各省推進(jìn)節(jié)能減排、扶持產(chǎn)業(yè)發(fā)展、拉動(dòng)就業(yè)等方面都具有重要的作用，因此，地方政府出于本地實(shí)際情況考慮，推動(dòng)分布式電源發(fā)展的積極性存在明顯差異．對不同類型分布式電源的支持力度也會(huì)不同．影響分布式電源發(fā)展速度，、尤其是在日前大力推進(jìn)簡政放權(quán)．分布式電源項(xiàng)目多在地方核準(zhǔn)（分布式光伏發(fā)電采用備案）的情況下，地方政府的作用進(jìn)一步加大。
通常情況下地方政府發(fā)展意愿由多種因素影響，包括產(chǎn)業(yè)扶持需求、就業(yè)拉動(dòng)需求等，難以量化。為解決該問題，本文匯總整理了全罔各個(gè)省份分布式電源發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)．部分來源于正式文件，也有部分來源于淵研或者預(yù)測．各省規(guī)劃目標(biāo)可直接反映各省對分布式電源發(fā)展的意愿。
1.5地方財(cái)政承受能力
目前分布式電源開發(fā)成本相對較高，仍然離不開財(cái)政補(bǔ)貼。目前中國已針對分布式光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等出臺(tái)r全國性的激勵(lì)政策，浙江、上海等地也出臺(tái)了地方性的補(bǔ)貼政策．推動(dòng)本地分布式電源加快發(fā)展。已出臺(tái)地方性補(bǔ)貼政策的多是具有較強(qiáng)財(cái)政承受能力的中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。
考慮簡單可操作，本文選取各省GDP現(xiàn)狀及未來預(yù)測值作為反映地方財(cái)政能力的量化數(shù)據(jù)。
2基于多因素權(quán)重優(yōu)化的布局預(yù)測方法
2.1 布局預(yù)測總體思路
分布式電源發(fā)展布局預(yù)測的基本思路：基于某種技術(shù)類型分布式電源的全同發(fā)展規(guī)模預(yù)測．考慮資源條件、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)條件等因素，分解得到各個(gè)影響岡素下的全國規(guī)模：在此基礎(chǔ)上．結(jié)合各省各個(gè)影響因素的量化值，分析得到各省各個(gè)因素下的規(guī)模：進(jìn)行累加即可得到各省發(fā)展規(guī)模，即全國分布式電源發(fā)展布局。
開展分布式電源布局預(yù)測需要解決如下幾方面問題：
(1)如何確定影響因素權(quán)重。目前影響因素權(quán)重的確定通常采用專家評議方法，通過邀請大量領(lǐng)域內(nèi)專家進(jìn)行打分，確定各個(gè)影響因素的權(quán)重，但是該方法存在一定主觀性，也難以保證準(zhǔn)確度。本文提出基于歷史年份的影響因素?cái)?shù)據(jù)，優(yōu)化求解得到最接近于歷史年份實(shí)際布局?jǐn)?shù)據(jù)的因素權(quán)重．可在一定程度上解決專家評議方法存在的問題。從中短期來看，分布式電源發(fā)展制約條件不會(huì)發(fā)生根本變化，影響因素權(quán)重也會(huì)保持在合理波動(dòng)范圍內(nèi)，因此，可以假定歷史年份到目標(biāo)年份之問每年的影響因素權(quán)重是相同的。
(2)是直接對目標(biāo)年份進(jìn)行計(jì)算還是對現(xiàn)在到目標(biāo)年份進(jìn)行逐年計(jì)算，分布式電源布局預(yù)測可直接基于目標(biāo)年（如2020年）的影響因素?cái)?shù)據(jù)和發(fā)展規(guī)模進(jìn)行布局預(yù)測，但是現(xiàn)在到布局預(yù)測目標(biāo)年份之問各年的影響因素并不完全相同，因此有必要基于現(xiàn)在到目標(biāo)年份的影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行逐年計(jì)算。當(dāng)然，此時(shí)需要假定現(xiàn)在到目標(biāo)年份之間每年的全國新增規(guī)模相同�？紤]政策實(shí)施效果．從保障分布式電源發(fā)展質(zhì)量、促進(jìn)上游企業(yè)健康的目標(biāo)出發(fā)，也需要年度新增規(guī)模保持平穩(wěn)。
(3)電源新增規(guī)模與各影響因素的關(guān)系。分布式電源發(fā)展仍處初期，發(fā)展規(guī)模不大，具備很大的發(fā)展?jié)摿涂臻g，除了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性因素之外，其他因素都是主要的制約因素。因此，可假定新增規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性岡素為非線性關(guān)系，和其他因素都是線性關(guān)系。而且，考慮到預(yù)測方法會(huì)通過歷史數(shù)據(jù)擬合進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，可以保證線性關(guān)系下的誤差控制在合理范同內(nèi)。
(4)如何獲取逐年的影響因素和歷史年份實(shí)際布局的數(shù)據(jù)。本文提出的分布式電源布局預(yù)測方法需要往年實(shí)際和未來預(yù)測的影響因素?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常大，獲取難度也較大。
2.2布局預(yù)測方法流程
分布式電源布局預(yù)測方法流程如圖1所示。
分布式電源布局預(yù)測具體步驟如下：
(1)確定目標(biāo)年的某種技術(shù)類型分布式電源全國發(fā)展規(guī)模G。，結(jié)合全國發(fā)展現(xiàn)狀Ctta".將現(xiàn)狀和日標(biāo)的差值按照年度等分，確定未來逐年的新增規(guī)模C。。
未來逐年新增規(guī)模計(jì)算公式為
式中：n表示現(xiàn)在到目標(biāo)年之間仍有n年。
(2)汁算歷史年份的各省各個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)．優(yōu)化求解各個(gè)影響因素權(quán)重，使得在該影響因素權(quán)重下預(yù)測的數(shù)據(jù)和實(shí)際發(fā)展數(shù)據(jù)最為接近。
決策變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)計(jì)算式見2.2。
(3)逐年計(jì)算現(xiàn)在到預(yù)測目標(biāo)年份的各省各個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)，結(jié)合步驟l得到的逐年新增規(guī)模和步驟2得到的各個(gè)影響因素權(quán)重，計(jì)算得到逐年各省各個(gè)影響因素的新增規(guī)模。
計(jì)算式和2.2類似，差別在于年份選取的不同．需要利用優(yōu)化確定得到的影響因素權(quán)重，對未來年份逐年進(jìn)行計(jì)算。未來年份下各項(xiàng)影響因素的數(shù)值來源于其他相關(guān)研究成果，考慮到方法比較復(fù)雜，限于篇幅，不作為本文重點(diǎn)進(jìn)行描述。
(4)將逐年各省新增規(guī)模和現(xiàn)狀累計(jì)得到目標(biāo)年份的分布式電源發(fā)展布局。
2.3.3發(fā)展布局影響因素的量化分析
將每年各省新增規(guī)模分成五大影響因素下的各省新增規(guī)模。
(2)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性因素影響下的各省新增規(guī)模
項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性主要以項(xiàng)目收益率來衡量．難以采用類似資源條件因素的方法，即不能先計(jì)算各省占全國的比例進(jìn)而分解發(fā)展規(guī)模的方法。因此本文提出將項(xiàng)目收益率轉(zhuǎn)換為調(diào)整比例．基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．形成初步的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性因素影響下新增規(guī)模，再進(jìn)行修正。具體計(jì)算流程和計(jì)算式如下。
首先，計(jì)算各省的分布式電源項(xiàng)目收益率。
考慮各省不同的余電上網(wǎng)電價(jià)和脫硫標(biāo)桿電價(jià)，以及白發(fā)自用電量比例、廠用電、增值稅、增值稅抵免等，計(jì)算典型分布式電源項(xiàng)目的凈現(xiàn)值。凈現(xiàn)值是指項(xiàng)目在整個(gè)壽命周期內(nèi)，每年發(fā)生的凈現(xiàn)金流量，用一個(gè)事先給定的標(biāo)準(zhǔn)折現(xiàn)率，折算成的現(xiàn)值之和。其計(jì)算公式為：
最后，還需要對各省規(guī)模進(jìn)行修正。
原因在于前述步驟得出的各省規(guī)模之和通常不等于該年的經(jīng)濟(jì)性因素增長規(guī)模，僅能反映各省之間的比例關(guān)系。修正計(jì)算式為：
(3)電網(wǎng)條件因素影響下的各省新增規(guī)模
電網(wǎng)條件影響因素的各省規(guī)模分析和資源條件因素類似，計(jì)算式為
式中：Gridi,m。。表示provinc,e省的電網(wǎng)條件，根據(jù)前述影響因素分析，課題采用各省35 kV及以下負(fù)荷與準(zhǔn)許滲透率15%的乘積來計(jì)算，需要計(jì)算逐年的電網(wǎng)接納能力。
(4)地方政府發(fā)展意愿因素影響下的各省新增規(guī)模
地方政府發(fā)展意愿因素影響下的各省新增規(guī)模分析和資源條件類似，計(jì)算式為
式中：OBJWmjjw，表示provinCe省的地方政府發(fā)展目標(biāo)，目前各省的目標(biāo)主要是2015年和2020年水平年的目標(biāo)，沒有中間逐年的目標(biāo)，本文假定“十二五”期間和“十三五”期間為線性增長，年度新增規(guī)模相同，從而確定逐年的各省發(fā)展目標(biāo)。
(5)財(cái)政能力因素影響下的各省新增規(guī)模
電網(wǎng)條件影響因素的各省規(guī)模分析和資源條件類似．計(jì)算式為
式中：GDP。。。表示province省的GDP，需要計(jì)算逐年的GDP。
3 2020年分布式光伏發(fā)展布局預(yù)測
我國分布式電源近期發(fā)展重點(diǎn)是分布式光伏發(fā)電．在國家一系列支持政策下，已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，具備預(yù)測基礎(chǔ)。
國網(wǎng)能源研究院開發(fā)了分布式電源發(fā)展布局預(yù)測分析軟件．對分布式光伏發(fā)電2020年發(fā)展布局進(jìn)行了預(yù)測．
(1)確定年度新增規(guī)模。按照目前2015年分布式光伏發(fā)電2 000萬kW和2020年6 000萬kW的目標(biāo)，“十三五”期間年度新增規(guī)模為800萬kW。
(2)利用歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化確定影響因素權(quán)重。根據(jù)專家評議方法，得到資源條件、項(xiàng)日經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)條件、地方政府發(fā)展意愿和地方財(cái)政支撐能力的影響因素權(quán)重范圍分別是0.1—0.3，0.2~0.5, 0～0.3, 0～0.15, 0～0.15。根據(jù)已有的歷史年度新增數(shù)據(jù)，結(jié)合五大影響因素的測算值，對影響因素權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，使得各省年度新增規(guī)模預(yù)測值和實(shí)際值的差的平方和最小。優(yōu)化后的資源條件、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)條件、地方政府發(fā)展意愿和地方財(cái)政支撐能力的影響因素權(quán)重分別為0.21, 0.42, 0.21, 0.11和0.05.
(3)基于影響因素權(quán)重，逐年計(jì)算2015 -2020年的新增規(guī)模，得到2020年的分布式光伏發(fā)電布局結(jié)果。以中東部地區(qū)為例，規(guī)模如表1所示。
從分布式光伏發(fā)電規(guī)模預(yù)測結(jié)果來看，特點(diǎn)是：(1)布局集中，多在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，中東部12省裝機(jī)容量約占全國裝機(jī)容量的70%。(2)和光伏產(chǎn)業(yè)布局有較強(qiáng)的一致性。目前組件產(chǎn)量前七位省份的裝機(jī)容量都在全國十強(qiáng)。
4結(jié)論
本文提出了一種基于多因素權(quán)重優(yōu)化的分布式電源布局預(yù)測方法，綜合考慮了資源條件、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)條件、地方政府發(fā)展意愿和地方政府財(cái)政支撐能力等因素，并利用歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化確定各個(gè)影響因素的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了影響因素的全面準(zhǔn)確分析，可對未來目標(biāo)年份的分布式電源布局進(jìn)行預(yù)測。
未來隨著數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累豐富，可以進(jìn)一步完善該方法，提高預(yù)測精度。譬如，隨著歷史數(shù)據(jù)年份的增多，可使得影響因素權(quán)重的優(yōu)化結(jié)果更加準(zhǔn)確：可以引入更多的影響因素，但這就同時(shí)要求獲取更多的影響因素的逐年數(shù)據(jù)。
