电力系统经济学原理第八章ppt课件.ppt
0,第八章 输电投资,1,基本内容,8.1 简介,8.2 输电业务特性,8.3 基于成本的输电扩容,8.4 基于价值的输电扩容,2,简介,输电网络扩容的实现手段主要有两种，即新建线路或对现有设施进行升级改造。为了最大化全社会的经济福利，实现电力行业长期发展的目标应当遵循最小成本原则。输电网络投资机制建立的两种发展方向：商业性输电投资和基于监管激励的输电投资。第一种方法的理论依据是：市场力量是推动输电投资与扩容的关键因素。第二种方法的理论前提是：输电网络本质上具有自然垄断性，因此需要实施监管。,3,基本内容,8.1 简介,8.2 输电业务特性,8.3 基于成本的输电扩容,8.4 基于价值的输电扩容,4,输电业务特性,输电业务基本原理：发电厂与负荷位置不同，负荷需要通过输电网络才能实现用电，这是输电业务之所以会存在的原因。随着生产者与用户之间距离的增加，输电业务的市场空间也将不断增大。输电业务特性：输电具有自然垄断性：现实情况下，很难想象一些投资者会决定架设一套全新的网络，与已有的网络进行竞争运营。另外，输电网络的最小经济规模也决定了电力传输是典型的自然垄断业务。,5,输电业务特性,输电是资金密集型业务。为了实现电力的远距离安全输送、输电企业需要购买非常多的昂贵设备。架空输电线路显然是输电业务最常见的贵重设备，除此之外，变压器、开关与无功补偿设备的成本也是极其高昂的。输电资产使用寿命长。大多数输电设备的设计使用寿命大约是2040年，有的甚至更长。输电网络具有规模经济性。电力输送的平均成本会随着电能输送数量的增加而减少。,6,输电业务特性,输电投资具有不可变性。一旦输电线路建成，输电企业就不可能将它重新布置到其他位置，从而谋取更多的收益。输电投资具有团性。在新建输电设施时，它的额定容量通常不可能恰好等于容量需求值。新输电设施投资发生的频率是很快的，并且通常是成块增加的。商业性输电。不是由受监管的区域输电企业建设的，而是由一些不受监管的企业提供输电建设所需资金的。,7,基本内容,8.1 简介,8.2 输电业务特性,8.3 基于成本的输电扩容,8.4 基于价值的输电扩容,8,8.3.1 输电容量投资水平的设定,采用传统方法时，输电设施的投资一般按照下面的程序进行实施：基于人口与经济预测，输电企业对输电容量需求做出预测。在以上预测的基础上，输电企业制定扩容规划，并提交给监管机构。监管机构对规划进行审查，并决定对哪些设施进行建设或升级。输电企业使用它的股东或债券持有者提供的资金建设新的输电设施。在新的设施投运后，输电企业通过向电网使用者收取输电费用回收投资成本，这些输电费是必须支付的。,9,输电容量投资水平的设定,用户支付的输电价格与输电网络容量成函数关系。如果监管者允许输电企业建设的输电容量超过实际需要，则使用者必须为未使用的容量付钱。另一方面，如果建设的输电容量不能满足需要，网络阻塞将减少电能交易机会，增加一些地区的购电价格，同时降低另外一些地区的购电价格。,10,输电容量投资水平的设定,采用基于成本的方式回收输电投资的优缺点：优点：可以保证输电公司的持续经营，该方式是保证各相关方利益的最佳方式，还能确保电力输送成本具有一定程度的可预见性。缺点：不能保证输电容量投资水平是经济最优的。,11,8.3.2 输电成本分摊,为了帮助输电企业回收投资成本，监管者首先需要确定它们的允许收入。接下来需要进行的工作是：在使用输电网络的电能生产者与消费者之间分摊该嵌入成本。主要有以下几种方法：邮票法合同路径法兆瓦公里法,12,1.邮票法,为了取得网络使用权，所有的使用者都必须向所在地区的输电企业支付一笔“系统使用费”。该费用像邮票一样，一般总是与电能的来源与去向无关，它只与使用者在不在本地输电系统中有关。优点：方法简单。缺点：每个使用者支付的费用不能反映他们对网络的实际使用程度；只能回收地区性输电网络的使用成本。,13,2.合同路径法,采用合同路径法时，合同中通常会规定一条连续的电气路径（即合同路径），并假定电能在发电厂与送达点之间会按该路径流动。在合同有效期内，生产者与用户同意支付一定的转运费，该费用与电能输送数量成比例。通过转运费用，公用事业可以回收合同路径内输电资产的部分成本。在保持简单、可操作的同时，与邮票法相比，合同路径法更能反映实际的使用成本。然而问题在于：交易的电能并不会只在合同路径中流动。,14,3.兆瓦公里法,在兆瓦公里法中，为了确定电能在网络中的实际流经路径，它常常会进行潮流计算。每笔交易所对应的兆瓦公里数会通过计算给出。然后，将该数量乘以单位输电容量的协议成本，所得数值即为转运费用。如果输电网络是线性系统，该方法很严格的。输电网络并不是线性的。交易评估时采用的基础潮流假设，以及交易被计算的顺序等，都会对最终的计算结果产生不可预知的重大影响。,15,以上三种方法的评价,三种方法均缺少可信的经济理论支持。尤为要注意的是：它们对应的输电费用与网络平均成本成比例，但不是微增成本成比例。上述方法不能提供正确地经济信号。但是它们简单且易于操作，所以也得到广泛应用。,16,基本内容,8.1 简介,8.2 输电业务特性,8.3 基于成本的输电扩容,8.4 基于价值的输电扩容,17,8.4.1 输电价值的确定,【例8-1】假设有一个双母线、单线路系统。不考虑网络损耗，并忽略安全约束的影响。假设两个发电机的容量都足够大，每个发电机都能单独承担1000MW负荷的电力供应；假设输电线路有足够的容量，能够承担任何数量的电力传输任务。,18,输电价值的确定,对于母线B来说：可以以45美元/MWh从本地电厂G2购电也可以20美元/MWh向远端的发电厂G1购电，需要支付电能传输费用。如果输电成本低于25美元/MWh，用户将选择向发电厂G1购买电能，因为这样做所需要的总成本将低于45美元/MWh。从输电线路所有者的角度看，超过25美元/MWh的电价并不是一个很好的选择。本例题中输电服务的价值是25美元/MWh。,19,输电价值的确定,输电价格选定为这一数值时，用户使用或不使用输电系统的影响实际上完全一样，输电价值是关于短期边际发电成本的函数。从输电投资的角度看，只有在该输电线路的分摊成本低于25美元/MWh时，才可以真正投资进行建设。如果本地发电厂的最大出力小于1000MW，那么此时只有使用输电线路才能满足负荷的用电需求。输电线路在该情况下的价值不再取决于本地发电价格，而是与用户购买电能的支出意愿有关。【例8-2】：输电的边际价值是关于线路潮流数量的函数,20,8.4.2 输电需求函数,在输电需求函数中，将给出输电价值相对于蜀国与魏国之间潮流传输数量F的关系：pT(F)=pW(F)-pS(F)-pT(F)表示输电价值魏国和蜀国的电能价格pW(F)、pS(F)是关于潮流输送数量F的函数。将两国的供应函数代入上式：pT(F)=13+0.02PW(F)-10+0.01PS(F)=3+0.02PW(F)-0.01PS(F),21,输电需求函数,蜀国与魏国的发电量可以用联络线上的潮流数量以及本地负荷来表示：PS(F)=DS+FPW(F)=DW-F输电价值函数可表示为：pT(F)=3+0.02(DW-F)0.01(DS+F)pT=28 0.03F(DS=500；DW=1500),22,输电线路所有者的收入,输电线路所有者的收入可以用关于线路可用容量的函数来表示：R(F)=pT(F)F=(28-0.03F)F输电收入是关于输送潮流的二次函数输电容量为0，收入为0；输电容量最大，收入为0；输电容量=466MW；输电收入最多,23,8.4.3 输电供应函数,一条输电线路建成后，它的年成本可以分解为两个部分，即取决于线路容量的变动成本和与容量无关的固定成本。CT(T)=CF+CV(T)假设变动成本是关于容量的线性函数：CV(T)=k l T l-线路长度 k-建设长度为1km的输电线路分摊到每年的边际成本 T-线路容量,24,输电供应函数,输电容量的年边际成本dCT/dT=k l年边际成本与输电投资成本有关，被称为长期边际成本。将其除以一年的小时数t0(=8760h)，得到小时长期边际成本，即输电供应函数：cT(T)=k l/t0输电边际成本实际上是一个常量，它与线路的输电容量无关。,25,8.4.4 最优输电容量,输电供应与需求恰好实现均衡时，输电容量最优。假设有一条长l=1000km的输电线路，k=35美元/(MWkma)，则输电小时长期边际成本为：cT=4美元/MWh输电电价为：pT=cT=4美元/MWh由输电需求函数得到最优容量为：TOPT=800MW,26,最优输电容量,图6-10中，蜀国和魏国的节点价格是关于各自生产量的函数。在联络线潮流受联络线容量限制时，两条曲线之间的垂直距离即为两国电能市场节点价格之差。该价差为输电容量短缺量所对应的输电短期边际成本。,27,最优输电容量,如果互联线路的输电容量是800MW，并且从蜀国流向魏国的潮流也为800(F=T），此时的短期边际运营成本即为4美元/MWh。这也就意味着该短期边际运营成本恰好等于互联线路的长期边际成本。如果互联线路所有者能按两市场间节点价差实现费用回收（或者收取等于该价差的输电费用），此时的收入将恰好等于建造该线路的成本。,28,8.4.5 线路约束成本与投资成本的折衷,针对第6章两节点系统，由两国的边际发电成本推导出各自的变动发电成本：CS=10PS+1/20.01PS2CW=10PW+1/20.02PW2当发电不受输电网络容量约束时，为了实现最小成本发电，出力分布为：PS=1433.3MW；PW=566.7MW互连线路上的无约束潮流F=933.3MW各国发电成本及全系统的发电成本分别为：CS=24605 美元/h；CW=10578美元/hCU=CS+CW=35183 美元/h,29,线路约束成本与投资成本的折衷,无约束调度及其对应成本称为优化调度和优化成本。如果输电容量是800WM，此时的发电出力及对应的成本为：PS=1300MW,CS=21450 美元/hPW=700MW,CW=14000 美元/h在该约束条件下，总的负荷供电成本为：CC=35450 美元/h有约束与无约束情况下的成本差额被称为约束成本或者次优发电成本。DC=CC CU=267美元/h,30,线路约束成本与投资成本的折衷,输电总成本等于输电系统建造成本与约束成本之和。,随着容量的增加，输电线路的建造成本会增加，但是输电网络对发电调度的限制减少了，所以输电约束成本会降低。输电网络发展应以优化输电总成本为目标。右图表明上面例子对应的最优输电容量应当是800MW。,31,8.4.6 负荷波动的影响,1.负荷时间曲线假设整个系统的负荷均按相同的方式发生波动。将一天划分为若干个时间间隔，并且假设负荷在同一个间隔里恒定不变。图8-5(a)示的负荷时间特性展示了负荷在一天的各个时段是如何变化的。将一天划分为八个时段，每个时段长三个小时。在8-5(b)所示的图中，各时段负荷按照从高到低的顺序进行了重新排列，这样可以比较容易从图中査出一天中超过特定值的负荷所持续的时间。,32,负荷时间曲线,33,负荷时间曲线,如果负荷时间曲线有接近8760个小时时段，处理起来将很不方便，因此通常会进行一定的汇总。例如，将数值比较相近的负荷进行汇总，使负荷减少到仅有四段，得到对图8-5进行简化的结果。,34,负荷时间曲线应用例子,【例题8-3】针对第6章由蜀国和魏国组成的两节点系统，通过计及负荷的影响对其进行分析。,本例采用的负荷时间曲线直接将负荷分为高峰和低谷两个数量段。高峰时段的持续时间是3889h；低谷时段是4871h。为了简化起见，假设两个国家的高峰与低谷时段完全一致。,35,负荷时间曲线应用例子,为了确定最优输电容量水平，折中考虑年电能成本节约数量与分摊到每年的输电成本。尽管可以通过解析方法直接算出最优容量水平，还是会给出不同输电容量水平下的各种成本分量，从而确定何种条件下的输电总成本最小。为了计算输电约束的小时成本，需要知道无约束发电成本。,36,负荷时间曲线应用例子,37,负荷时间曲线应用例子,38,负荷时间曲线应用例子,此输电容量最优,输电投资的年度边际成本从35美元/(MW km a)改为140美元/(MW km a),39,2.变动输电投资成本的回收,分析400MW的输电容量会对蜀国和魏国的电能市场产生怎样的影响。在低谷负荷时段，互联系统的容量不会限制两国之间的潮流数量，两者实际上就像同一个市场一样。蜀国和魏国的电能价格相同。低谷时段输电的短期边际价值为零，所以阻塞剩余或输电收入也是零。,40,变动输电投资成本的回收,在高峰负荷时段，本地负荷有900MW，但输电容量只有400MW，所以蜀国的发电出力仅有1300MW。与此同时，魏国的发电出力会有2300MW。由于存在输电阻塞，蜀国和魏国电能市场上的价格分别取决于各自的边际发电成本，即23.00美元/MWh，59美元/MWh。据此可以计算出输电的短期价值为36美元/MWh，高峰时段的小时阻塞剩余为：CShourly=400 35=14400美元/h,41,变动输电投资成本的回收,将小时阻塞剩余乘以高峰时段的小时数，得到年阻塞剩余为：CSannual=14400 3889=56000000美元/年这一数值恰好等于分摊到每年的输电投资成本：Cv(T)=k l T=140 1000 400=56000000美元/年在输电容量取最优值时，通过阻塞剩余获得的收入恰好等于变动输电成本。实际上由于输电存在规模经济性，输电边际成本k并非常量，输电收入与成本之间可能不会相等。,42,8.4.7 次优越输电容量的投资回收,实际上，真实的输电容量很少会恰好是最优值。节点电能价格和阻塞剩余同时也是由实际的网络参数决定的，因此研究次优输电容量对收入回收有怎样的影响是十分必要的。以例8-2蜀国和魏国的互联系统为例。蜀国和魏国之间互联系统的最优容量是800MW。如果假设输电线路的容量是900MW，那么此时的收入和成本会发生怎样的变化呢？（过渡投资的情况）,43,次优越输电容量的投资回收,互联线路上的潮流等于900MW，蜀国的发电出力将会上升到1400MW，而魏国的发电出力会下降到600MW。通过式(8-1)和式(8-2），得到蜀国和魏国的电能价格分别是24美元/MWh和25美元/MWh。则输电的短期价值从对应于800MW的4美元/MWh变成对应于900MW的1美元/MWh。可以获得的小时与年阻塞剩余分别是：CShourly=900 1=900美元/hCSannual=900 8760=7884000美元/年,44,次优越输电容量的投资回收,分摊到每年的投资成本为：Cv(T)=k l T=35 1000 900=31500000美元/年阻塞剩余产生的收入小于最优输电容量时的对应值，并且不足以回收输电系统过度投资的成本。接下来分析投资不足的情况,45,次优越输电容量的投资回收,如果输电容量只有700MW，蜀国的发电出力有1200MW(其中500MW用来供应本地负荷，700MW被输送到魏国)。电能价格为22美元/MWh。魏国的发电出力是800MW，价格是29美元/MWh，它将完全用于满足魏国剩余的负荷。两国电价7美元/MWh的价差产生的小时阻塞剩余及年阻塞剩余为：CShourly=700 7=4900美元/hCSannual=4900 8760=42924000美元/年,46,次优越输电容量的投资回收,700MW互联线路分摊到每年的成本是：Cv(T)=k l T=35 100 700=24500000美元/年在这种情况下，输电短期边际定价所产生的收入显然大于建造输电线路的成本。换句话说，如果输电容量低于最优水平，获得的收入将会增加。,47,次优越输电容量的投资回收,以例8-3来分析次优越输电容量的投资回收问题。得出如下结论：输电短期边际定价所产生的收入大于建造输电网络的成本；如果刻意让输电容量低于最优值，会发生频繁的阻塞，此时能获得更多的收入。,48,8.4.8 规模经济的影响,在前面的讨论中，均假设输电设备的投资成本与它们所具有的输电容量成正比。忽略了投资成本中很大一部分可能是固定不变，它们与输电容量大小无关。剔除这一简化假设，计及输电线路总建设成本CT中的固定部分CF，重新对蜀国与魏国之间的互联线路进行分析。CT(T)=CF+CV(T),49,规模经济的影响,为了阐明固定成本的影响，用例8-2进行说明。假定线路成本中的固定成本数量为20000美元/(km a)，并将其计入1000km长的蜀一魏互联线路总投资成本。该固定成本仅仅将总成本曲线向上平抬，不会影响最优点的位置。假设互联线路的容量恰好等于最优输电容量，并且所有的容量都可用，那么采用节点价格机制可使价差收入恰好回收新建输电线路的变动成本。然而，阻塞收入无法回收新建互联线路的固定成本。,50,规模经济的影响,为了挽回收入不足损失，一种可行的方法是限制容量的可用数量。假设输电所有者只向系统运行商提供650MW的输电容量，而不是全部800MW容量，考察此时的短期输电收入。此时蜀国和魏国之间的潮流也等于650MW。蜀国的发电商会将出力降低至1150MW，而魏国的发电出力将增至850MW。根据两国的供应函数，可得出蜀国和魏国的电能价格分别为21.50美元/MWh与30美元/MWh。输电资源的短期价值会从4美元/MWh上升到8.50 美元/MWh。,51,规模经济的影响,小时阻塞剩余和年阻塞剰余分别是：CShourly=6508.5=5525美元/hCSannual=55258760=48399000美元/年则分摊到每年的输电投资成本为：CT(T)=CF+k l T=20000000+351000800=48032000美元/年,通过减少150MW的输电容量可以产生更多的输电收入，同时回收输电变动成本和固定成本。持留部分输电容量可以扩大输电线路两端的价差，增加输电价值。,52,规模经济的影响,针对例8-3，表8-5以年为单位阐述了规模经济性的影响。互联线路的最优容量依然是400MW，它与固定成本无关。假设互联线路的容量等于最优输电容量，所有的容量都可用。采用节点价格机制可以利用价差带来的阻塞收入恰好回收新建输电线路的变动成本。阻塞收入无法回收新建互联线路成本的固定部分。,53,规模经济的影响,54,规模经济的影响,表8-6表示在低谷时段，可用输电容量的大小对输电收入的影响。,将可用输电容量从400MW减少到200MW，可以使输电收入从0增加到4383900美元/MWh。,55,规模经济的影响,表8-7给出了负荷高峰时可用输电容量对阻塞剩余的影响。,在负荷高峰时段，减少可用容量将减少收入。由于高峰时段在全部收入中占的比重远远超过低谷时段的比重，因此不可能通过减少输电容量增加输电收入。,
