综合能源系统外部效益评价指标体系构建

摘要：基于分布式发电技术而形成的综合能源系统，具有低碳、环保、能量利用效率高的特点，其产生的巨大的外部效益与社会影响却鲜有规范的评价体系。因此本文从经济、环境和社会三个方面对综合能源系统外部效应影响进行定性分析，通过层次分解的方法，构建综合能源系统的三级评价指标体系，并将其外部效益内部化，成功运用于广州知识城综合能源系统的外部效益计算。

关键词：综合能源系统；外部效益；评价指标；内部化

1.引言

我国大型电网建设迅猛，极大缓解我国经济发展对电力的需求。但日益苛刻的碳排放标准，用户对电力服务需求的多样化，部分偏远地区或特殊区域对于综合集成电力服务的渴求等等，已经成为我国电力发展过程中不可忽视的制肋。

小型发电装置（50MW以下）分散布置在用户（负荷）现场或用户附近对于传统大型集中式的发电起来了补充与替代作用（鲁宗相，2007）。这种分布式发电的主要特点包括：提高能量利用率，减少各种碳化物的排放，比较环保，提高电能质量和供电的可靠性，减少了由电能远距离传输所带来的线损和各种稳定方面的问题，延缓负荷增长造成的电网膨胀（郑漳华，2008）。可靠性技术解决方案协会2002年在分布式发电的基础上，较完整的提出了微电网的概念，阐述了其可同时满足用户对电能质量和供电安全等得要求，并对其在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究（郑漳华，2008）。盛鹍（2007）根据我国电网的实际情况，对微电网的基本要素进行了定义：能量来源为可再生能源，发电类型为微型燃气轮机，内燃机，燃料电池，太阳能电池，风力发电，生物只能等，系统容量为20KW-10MW，网内的用户配电电网等级为380V，或者包括10.5kV。曾鸣等（2010）从综合能源系统线损效益、电价效益和环境效益三个方面分析了综合能源系统的系统经济效益，指出综合能源系统能有效减少线损、降低系统中的环境污染和环保支出。从分布式发电到微电网，这种新型发电方式在理论研究与实际应用中内容不断充实、完善和发展，经验不断积累，最终形成了综合能源系统成熟的概念模型。

综合能源系统充分利用可再生能源、优质清洁化石能源（主要是天然气），在日益成熟的分布式能源发电技术及微电网的基础上，集成智能控制系统、分布式能源、储能装置，并接入用户荷载和大电网。既满足区域内对于电力的多样需求，同时兼顾低碳运行，必要时并入大电网提供支持，达到其内部经济性与外部经济性最优平衡，成为我国智能电网发展中一个不可或缺的重要补充，其组织架构如下图所示。

图1综合能源系统组成架构

2.综合能源系统外部性评价指标构建的理论基础——外部性理论

外部性，也称外在效应或溢出效应，是指在实际经济活动中，生产者或消费者的活动对其他生产者或消费者带来的非市场性的影响，而没有得到惩罚或补偿，使得价格机制不能有效的配置资源。

要充分评价综合能源系统的外部性，无论是外部收益还是外部损失，必须参照一个正确的价值基准，即价值判断与价值选择的问题。综合能源系统作为经济社会系统中的一部分，其发展的目标必须与人类社会的可持续发展的目标相一致。

3.综合能源系统外部性指标体系构建

基于上述理论论述，综合能源系统外部性主要从其经济外部性、环境外部性以及社会外部性构建其指标体系。

3.1 经济外部性。经济的外部性包括技术经济外部性和产业经济外部性两个方面。

3.1.1 技术经济外部性。综合能源系统利用新型发电技术，在并网联网运行时，综合能源系统的加入能给现有的电力系统提供电压支持，减少远距离输电的线损，提高能源利用效率。

（1）电压支持。综合能源系统提供电压支持，主要表现形式为：

第一，综合能源系统提供的功率离负荷很近，容易改善电压质量。即使系统中所使用的功率绝大部分由集中供电提供，综合能源系统仍可以作为同步调相机运行，从而减少对配电系统中实现电压支持的其他设备的需求。

第二，通过综合能源系统提供自动电压调节（VAR）支持。通过控制电力调节设备中的电力电子元件的运行状态，使发电机母线电压保持为常数。电力调节设备可为综合能源系统提供超前或滞后的无功功率，可以改善局部无功功率的不平衡。

（2）能源利用效率提升。综合能源系统对于能源利用效率的提升包括发电环节与供电环节两个部分。

发电环节中，综合能源系统能够实现热、电、冷能量的三级联供，主要是利用燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气发电，对作功后的余热进一步吸收，用来制冷、供暖和生活热水。与传统的集中式供电相比，可以使能源的综合使用率提高到85%以上，一般情况可以节约能源成本30-50%以上。

输电环节能源效率的提升则主要来自于输变电过程网损的降低。综合能源系统中的微电源由于就近灵活的分在用电负荷的附近，减小了输电距离，输电过程的线损必然减小，发电装置产生的电能通过中低压的配电网进行运输，无需通过变压器的升降压，也会减少供电过程中的电能损耗。

（3）信息的集成控制与智能管理。在已建立的配电和输电系统中，对于电力市场驱动的运行模式的需要，仅仅采用统一的制度结构框架就能满足要求。然而，随着电能生产方面不断增长的竞争，用户电力需求的多样性要求，需要对这一框架进行拓展，将小规模的发电机全部整合进市场中，同时纳入用户的需求特征信息。在这样的市场中综合能源系统可参与承担基本负荷、批量销售、电能规划、短期负荷以及其他市场服务等任务。

3.1.2 产业经济外部性。硬件设备方面，综合能源系统采用的分布式发电技术设备主要包括燃气轮机，余热锅炉，蒸汽透平，压缩式制冷，吸收式制冷，蓄冷、蓄热设备，以及控制系统和设备。可以预见，随着综合能源站大规模的兴起，也会促进国内相应的设备制造业、硬件技术产业按照市场经济的规律和机制发展起来。

软件技术方面包括两类，一类是综合能源系统的集成设计，综合能源系统的配置与用户所在地域的气候，对供冷、供热的需求以及天然气、电力的供应条件和价格有非常密切的关系，绝对不可能是千篇一律的。第二类软件技术是分布式能源站的运营管理和控制技术，当气候条件、其他人为条件造成冷、热负荷的变化，或者电、天然气以及其他能源价格发生改变时，运营软件都能使这个系统始终在高效率下运行。

3.2 环境外部性。环境的外部性表示经济主体对于其没有直接的市场合约关系的人们的环境福利所产生的有害影响（孙鳌，2010），其后果主要体现在三个方面：对生态环境的损害、对人体健康的影响以及不可更新资源的损耗。

传统供电系统对环境造成影响的来源包括三个：温室气体排放、污染物排放和资源消耗，影响方式包括直接影响和间接影响两类。直接影响表示供电系统生产过程中直接消耗的资源与产生的排放，而间接的影响还考虑了投入要素生产过程中消耗的资源和产生的排放。

3.3 社会外部性。社会外部性包括对地区社会发展的促进、供电的可靠性以及供电自给率。

（1）促进地区发展指标。综合能源系统对地区社会发展的促进可以从就业和用电支出占收入比的变化两个方面考察。Kanase（2010）研究了综合能源系统在偏远、离网地区发展的可能性，结果表明：通过合理组合，能够降低综合能源系统的发电成本，促进可再生能源资源的利用，满足偏远地区的能源需求。综合能源系统项目能够促进不仅能够带动上下游产业的发展，如设备制造、零部件供应、原材料生产等就业，也将促进配套的服务业发展，包括工程建设企业、工程咨询公司、面向客户的节能服务企业、技术研发企业等。

（2）供电可靠性。供电可靠性表示供电系统持续供电的能力，是考核供电系统电能质量的重要指标。综合能源系统通过并网可与集中发电系统连接，通过PCC（point of common coupling）与大电网进行能量交换，大量现代化的电子电力设备保障系统能在短时间内恢复流畅稳定的运行，从而实现微电网之间、微电网与大电网之间相互备份，能够减少高峰负荷时期的轮流停电。常用的供电可靠性指标包括用户平均停电时间、用户平均停电次数、系统等效停电小时数、供电可靠率。

（3）供电自给率。我国区域能源供给与需求的分布存在显著的差异，经济发达地区的东部沿海地区是能源与电力的主要受端，包括广东、江苏、浙江和京、津、唐地区，而西部地区的贵州、云南、广西、四川、内蒙和山西等省份的电力资源较为丰富，因此形成了以三条线路为代表的西电东送的电力供应格局。从地区的角度而言，跨区域运输线路过长，一方面运输过程的损耗也将增加，另一方面，自然灾害、安全事故等也会增加供电的安全风险。提高区域的供电自给程度能有效降低地区长期缺电的可能性，增加抗风险能力，保障区域经济的可持续发展。

3.4 本章小结。综合能源系统外部效益的指标体系，从经济外部性、环境外部性、社会外部性三个方面构建指标体系。

4.综合能源系统外部性指标内部化

为了评价和比较外部效应及其成本，有必要将其化为同一单位，比如货币单位就是较便利的选择，这样将外部效应转化为货币单位就是外部成本。由于外部成本并不是决策者所依据的主要因素，因此需要使用合适的方法使其内部化（姜子英，2008）。

在对不同发电供应技术的外部成本进行计量时，需要遵循：（1）尽可能使用量化的数据和过程进行影响的评价和加权；（2）影响转换的共同单位是货币；（3）以个人的偏好为基础，通过个人的WTP和WTA转换为货币形式；（4）计量损害比计量负担或效应更重要；（5）大部分环境影响使用影响路径法进行分析，并且能够计量随具体时间和地点的外部成本；（6）能够计量平均或总的外部效应或成本。

4.1 技术经济外部性指标

（1）电压分布改善指标（VPII）。综合能源系统对于各种母线电压分布的改善指标可用下式表示。

VPII=VPw/DG/VPWO/DG

VPII<1，分布式发电没有改善系统电压分布；

VPII=1，分布式发电对系统电压分布没有影响，

VPII>1，分布式发电能够改善系统电压分布。

VPW/DG和VPWO/DG分别表示使用和不使用分布式发电情况下输电系统的电压分布，其具体由下式计算得出：

VP=∑Ni=1ViLiKi

其中V表示母线i的电压级别，L表示母线i的负荷，K表示母线i的权重。

（2）线路损失降低指标（LLRI）。由于综合能源系统的发电源与负荷侧的距离很近，能够减少输电线路中的潮流，从而降低线路的电能损耗。线路损耗降低指标（Line loss reduction index，LLRI）可用下式表达：

LLRI=（LLw/DG-LLWO/DG）ECarea/LLw/DG其中，ECarea表示项目区域的年供电量，LLW/DG和LLWO/DG分别表示使用和不使用分布式发电情况下输电系统总的线路损耗，其具体由下式计算得出：

LLw/DG=3×∑Mi=1I2i×R×Di

其中I表示电流，R表示电阻，D表示输电线路的长度，M表示输电线路的数目。

因此使用项目区域年供电量乘以线路损失差额的百分比和电价即可以得到应用综合能源系统获得的降低线路损耗获得的收益。

BLR=LLRI×Pc

（3）线路容量释放指标（LCRI）。综合能源系统可以减小配电网对电网输送容量的需求，从而可以延迟电力系统网络升级需要的成本与投资。综合能源系统节约的配电网容量由下式计算得出：

ΔC=（1-u）r（1+r）Y（1+r）Y-1∑Ni=1Pixi

其中：u为电网对综合能源系统的备用率，Y为延缓电网扩建的年数，r为折现率，xi为综合能源系统中第i种电源，Pi为其装机容量。节约的网络升级容量ΔC乘以单位容量的投资成本即得到线路容量释放指标（LCRI）。

LCRI=ΔC×Iac

（4）能源效率提升指标（EEPI）。节能率、总热效率（一次能源利用率）是评价综合能源系统技术方案优劣的关键指标，综合能源系统能源效率提升所节约的能源经济价值为：（综合能源系统热电冷联产总热效率-煤电的热效率）*综合能源系统的年发电量*发电平均煤耗*煤价。

4.2 产业经济外部性指标。本文借鉴投入-产出分析中的直接消耗与完全消耗的概念，使用单位投资的带动的上下游年产值作为综合能源系统的产业经济外部性指标。

IE=IiesEIC

经济外部性综合指标为上述指标的加权之和：EEI=wLRBLR+wLCRILCRI+wEEPIEEPI+wIEIE式中：wi（i=LR，LCRI，EEPI，IE）分别表示各三级指标相应的权重。

4.3环境外部性指标的量化。环境外部性的量化方法主要可分为自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）两种。自上而下的方法采用高度综合的数据，来估算特定污染物的损害价值。自下而上的方法则使用具体位置和技术的排放数据、污染物扩散模式、接受体的详细信息和剂量-响应函数等来计算整个生产链的活动造成的环境和社会影响，然后以货币单位来计量这些影响，也被称为影响路径法（Impact Pathway Analysis）。

（1）气候变化指标的量化。对全球变暖有贡献的气体包括CO2、NOX、CO和CH4。依据国际环境毒理学与化学学会、IPCC和ISO14042建立的框架，可将全球气候变暖的影响特征化，用全球变暖潜值表示（global warming potential， GWP）。各种物质的排放量乘以相应的当量因子可以转换为标准的二氧化碳排放量。

δGW=ΣQj×δEFj

其中Qj表示第j种气体排放量，δEFj表示第j种气体转化为二氧化碳的系数因子。

综合能源系统单位发电量节约的温室气体排放量（用CO2表示）乘以碳交易价格。

（2）环境污染指标的量化。综合能源系统节约排放的污染物的经济价值用下式表示：

PS=∑Ni=1∑Mj=1Vjδc，j-δi，jEe，ixi

其中：Vj表示第j种排放物的环境价值，Ee，i表示第i种分布式电源的年发电量，δc，j表示煤电单位发电量产生的第j种污染物的排放量，δi，j表示第i种分布式电源单位发电量产生的第j种污染物的排放量。

环境价值是较难确定的变量，主要与生态环境的治理与恢复以及对人身体健康效应的影响有关。

首先，建立每种污染物与健康效应之间的剂量-反应关系等式，如式所示：

HExrh=DRxh×Crx×POPr

式中：HExrh为r地区由于污染物x（SO2、NOx）导致的第h类型健康效应；DRxh表示污染物x与第h种健康效应的剂量-反应关系系数（即污染物浓度增加1μg/m3，每百万人中发生特定健康问题的人数）；Crx为大气中x的浓度，POPr为人口数。

在得到各种类型健康效应之后，使用支付意愿法（willing to pay， WTP），通过实际调查得到人们对于每种健康效应所愿意付出的金钱代价，进而估算得到各种类型健康效应的经济损失。

HEVxrh=Vxh×HExrh

最后通过加总就可以计算得到环境污染导致的健康效应总的经济成本。

THEV=∑r∑x∑hHEVxrh

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