【精彩论文】关键技术发展对配电网自然垄断属性的影响

关键技术发展对配电网自然垄断属性的影响

杨素¹, 武泽辰¹, 王冬辉², 胡源¹

（1. 国网能源研究院有限公司，北京 102209; 2. 华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）

摘要：电力行业各环节的技术经济特性是电力体制改革的重要依据，随着配电环节技术的发展以及智能配电技术的应用，配电网的技术特性发生了较大改变。为探究技术发展对配电网自然属性的影响，深入研究了配电网的自然垄断属性，包括成本次可加性、规模经济属性以及范围经济属性。在此基础上，分析配电网智能化及自动化技术对配电网规模经济性和范围经济性的影响。为电网环节改革措施的制定以及增量配电改革的方向提供决策参考。

引文信息

杨素, 武泽辰, 王冬辉, 等. 关键技术发展对配电网自然垄断属性的影响[J]. 中国电力, 2021, 54(2): 175-181.

YANG Su, WU Zechen, WANG Donghui, et al. The impacts of key technology development on the natural monopoly attributes of distribution network[J]. Electric Power, 2021, 54(2): 175-181.

引言

中国本轮电力市场化改革的一个显著特点就是充分考虑了电力行业不同环节的技术经济特性。9号文提出“区分竞争性和垄断性环节，在发电侧和售电侧开展有效竞争”，“放开两头，管住中间”。即在可竞争环节，即发电和售电环节引入竞争，在具备自然垄断属性的电网环节发挥其系统性和规模经济性，保持垄断经营，接受政府监管。配电环节是推进电力市场化改革的关键，其技术特征和经济属性显著影响政策的制定。深入研究配电网的技术经济特性，可为中国电力体制改革中电网环节改革措施的制定提供理论支持，同时对中国增量配电改革的发展方向也具有借鉴意义^[1-5]。增量配电改革是当前体制改革的关键，其一直保持着较高的社会关注度。文献[6-10]对增量配电改革面临的关键问题，如规划、投资、建设、价格等进行了深入研究。文献[11-12]对增量配电试点的未来发展的方向进行了探讨和展望。文献[13]论述了在改革背景下，相关行业自然垄断属性的变化规律。文献[14-15]从规制主导的角度，分析了电力行业的规制方法与竞争机制的引入；文献[16]以输配电网技术经济特征为切入点，研究了输配电环节的自然垄断属性。文献[17]进一步讨论了配、售电环节的规制与竞争问题，指出配电环节的天然垄断性及其经济特征。文献[18]则利用有效产出和享乐成本函数，提出了配电网规模经济的实证分析框架。

长期以来，电网环节具有自然垄断属性已成为大家的共识。配电网也同样具有自然垄断属性，这也是各国配电网改革的理论基础。然而随着电力产业的发展和配电环节技术更新换代，尤其是智能配电网技术的发展，配电网的无源性，单向性的传统技术特征发生了较大的改变。这些技术特性的改变是否对配电网的自然垄断属性产生影响尚没有系统研究。本文着重研究智能配电网新技术对配电网自然属性的影响，并对配电网技术经济特性的演化趋势进行研究。

1  配电网技术发展现状及趋势

配电设备的更新与新兴智能化系统的应用推动着当前配电网技术的发展。配电网的智能化建设以高级配电自动化技术为基础，以先进的测量与传感技术、大数据计算、多回路控制、高级通信等技术为中枢，并搭载智能可控的开关设备与新型配电终端设备。主要特点是允许系统内广泛接入以可再生能源为主的分布式电源，并且支持微网运行，积极协调不同类型电能用户与主网之间的互动，并采用坚强网架结构、双向中继通信系统和高集成度可视化软件，以完善配电网在正常工况下的系统优化、状态监测、控制保护功能。并实现电网在非正常工况下的自愈控制，从而能够为用户群体提供安全可靠、优质经济的电能服务。智能配电网的主要应用技术包括以下几类^[19-21]。（1）分布式电源。分布式能源的广泛接入是当前智能配电网的一项重要特征。分布式能源主要有独立型和并网型两种。中国分散式电源的应用较晚，其主要类型包括中小型光伏发电装置以及中小型风电设备。（2）储能技术。储能技术是目前电网内应对新能源机组出力间歇性最有效的办法。在变电站内装设低成本、高密度的分布式储能设备，可以大幅度提高电力系统的稳定性和可靠性，也有利于系统内推进大电网建设。配电网内主要采用的储能技术有：电化学储能、飞轮储能、超导电磁储能、超级电容器储能和相变储能等。（3）微电网。微电网技术是目前系统内利用分布式能源效能的方法之一。把分布式能源以微电网的形式接入到主网中运行，可以与主网互为支撑，从而促进可再生能源的充分利用以及电网的经济运行，具有可观的社会经济效益。（4）交直流混合配电网。交直流混合配电网技术可以大幅提高城市配电网供电的可靠性、电能质量以及运行效率，是目前配电网发展的一个主流方向。相较于传统配电网，交直流混合配电网可以更好地消纳直流负荷与分布式能源，有利于解决城市负荷密度高而电网站点走廊有限的问题，其也可以在负荷中心进行动态无功补偿，从而降低系统损耗并提升系统安全运行水平。（5）智能调度技术。智能调度技术的关键是进行线上实时决策调配，其能够扩展配电网的调度功能，从而提升配电网智能化、自动化水平。扩展系统的调控范围是配电网智能化及自动化建设的关键，只有确保系统调控范围增加，才可以扩大电网对故障的遥信区域。智能化配电网具有很强的自愈功能，其可以结合系统的自愈功能快速捕捉并处理故障，以最大程度减少配网故障对电力用户的影响，从而改善系统电能质量和稳定性。（6）通信技术。通信系统可以为智能配电网的改进提供技术支撑。利用高速双向通信系统，智能配电网可以实时进行自我监测和校正，调控系统潮流，避免中断规模扩大，充分发挥智能配电网的自愈性。通信系统允许各种传感监测装置、自动控制回路、电力电子器件以及继电保护回路实现联网通信，从而保证配电网的控制能力和服务水平。

随着配电网技术的改进，配电网经济建设规模也在扩大，对配电网技术经济性的要求也在不断提高。各种智能技术的推广应用促进了配电网智能化建设，新兴智能配电技术改善了电能利用和管理分配环节，提高了电网的自动化水平，从而提升了国内电力资源的传输利用率。

2  配电网的自然垄断属性

2.1  自然垄断基础理论

自然垄断指由于非人为原因限制进入，即由于规模经济、范围经济、资源稀缺性、沉淀成本等“自然”技术条件和经济环境的限制，而形成的垄断属性。对具有网络性经营特点的行业，如电网、航空、自来水、电信、煤气管道等，具有较为明显的自然垄断属性。由一家企业生产全行业产品的总成本比由多个企业生产的总成本低，独家经营比多家竞争更有效率，能够向消费者提供廉价的商品或服务供给。在具有自然垄断属性的市场上，在不使用任何权利等人为影响的情况下，将自然形成由单个企业提供产品或服务的市场结构。在现代经济理论认为，只有严格的成本次可加性才是自然垄断的充要条件。成本次可加性又称为成本劣加性。它表明由一个企业生产整个行业的产品的成本，小于多个企业分别生产的成本之和。自然垄断的特点就在于企业成本函数的次可加性，具有这个特性则这个行业就是自然垄断行业。

2.2  配电网的自然垄断属性

2.2.1  配电网的成本次可加性

一般认为，电网环节具有较为显著的自然垄断属性，其自然垄断属性可由成本次可加性定义，具体可以通过成本函数描述。如果对任意的产出向量 y₁,y₂,⋯,y_k,0＜y_i＜y,i=1,2,⋯,k 有

那么成本函数C（y）在产出水平y具有严格的成本次可加性。

与成本次可加性密切相关的概念是规模经济和范围经济。在特定的成本函数下，规模经济和范围经济可作为成本次可加性的充分条件。

配电网从输电网中获得高压电能，再通过自身的电力设备把电压等级下降到适合工农业和居民生活用电的电压等级以供给本区域内的电力用户使用，供电范围一般不会超过100 km，电压等级较低。配电网和输电网一样，需要大量输电线路的投入，且设备投入需要很大的固定成本投资，如果不能产生规模经济效应，私人企业很少会选择电网业务。由这一特点可以看出配电环节具有很强的自然垄断性，主要体现在规模经济、范围经济以及固定成本沉淀。

2.2.2  配电网的规模经济属性

电网的规模经济属性是指扩大电网的规模或增加电力用户的数量，从而增加对电网的利用，降低单个用户承担的平均固定成本。

配电网具有显著的规模经济属性。在配电网研究中，配电区域一般是按照用电的密集程度自然形成的。因此，相较于输电网，配电网的规模经济主要体现为密度经济，它是配电网形成自然垄断的根本原因。为了获得密度经济效益，各国政府均对配电区域实行特许专营的政策，一个区域内仅允许有一家配电公司，并尽可能地加大用户密度，以达到经济性的目的。

对于单一产出的成本函数C=C（y），平均成本可以表示为

规模经济可以用平均成本对产量的偏导数来衡量，即

对于配电网而言，很难用单一的产出来描述其生产特性，一般选用配电量和用户数两种实际产出进行研究。此外，配电网的成本还受到多种因素的影响，包括生产要素的投入、电网规模、网架结构等。因此，配电网的理论成本函数可以表示为

式中：Y为配电量；N为用户数；p=(P₁,⋯,P_m) 表示m维投入要素向量，主要包括劳动、原材料和资本；I为其他成本影响因素，包括网络特性和组织结构。网络特性包括网络规模、网络结构和网络利用效率，组织结构主要指配电网与其他环节的成本互补性和纵向经济。

从成本类型来看，配电网成本可分为固定成本和变动成本，固定成本包括配电网络设施成本、安装成本等。可变成本包括系统运行和维护成本、停电成本等，即

式中：C₁为配电网初始投资成本，即建设阶段的设备采购成本，属于固定成本；C_o为配电网运行损耗成本，包括设备损耗、网损等；C_M为配电网设备年度检修维护成本；C_F为配电网停电损失成本。

设备初始投资包括设备购置成本和建设安装成本，安装建设成本通常取设备购置成本的某一比例。

式中：C_B为设备购置成本；C_S为建设安装成本。

配电网运行成本本主要指网损成本。由于配电网配电量的不同，会使系统运行损耗也会不同。

式中：η为网损率。

设备检修维护成本C_M一般和设备的使用率，也就是配电量有直接关联，并与设备故障率成正比，需根据实际运行经验确定。

配电网停电损失成本为

式中：N为该配网负荷点数，可等同于用户数；EENS_i为负荷点i年度电量不足期望值；R_i为节点i的产电比，不同类型用户的单位停电容量不同；β为供电公司的售电利润，由于供电公司对不同类型负荷执行不同的电价，因此不同类型负荷对应的售电利润也不同。

配电行业属于多产出行业，对于多产出的成本函数，规模经济无法用式（3）进行描述。基于配电量和用户数两种实际产出的规模经济可以定义为

式中：∂(lnC)/∂(lnY) 和 ∂(lnC)/∂(lnN) 分别表示成本对配电量和用户数的弹性。当SE_p＞1时，即证明配电网具有规模经济性。

一般来说固定成本并不随配电量和用户数的变化而改变， ∂(lnC)/∂(lnY) 和 ∂(lnC)/∂(lnN) 的变化，主要体现在变动成本的变化上。

2.2.3  配电网的范围经济属性

范围经济性指企业经营的范围而非规模带来的经济性，即由单一企业同时生产多种产品的费用，低于由不同企业分别生产每种产品所耗费成本的总和时，该情景认为具有范围经济性。电网在电压等级、使用时间、传输距离方面具有较大差别，可以认为电网提供的是不同的电力传输服务，具有多产品的性质。

配电网的范围经济体现在2方面：（1）不同配电电压等级之间、输配电网之间存在成本互补性。通过多种资源、经验共享可以达到节省开销的作用。不同电压等级电网之间的调度协调，也保证了配电网的安全稳定运行和成本节约。在一个地区，由一家配电企业经营所有的配电业务是最经济的方式。（2）配电网的范围经济还体现在配电业务与天然气、城市供热、自来水等其他网络型业务之间的成本互补性。这些业务均依赖于管线等网络供应系统（如自来水管道、天然气管道和地下配电电缆可以使用同样的地下通道线路），如果由一家企业经营，不但可以节约固定成本的投入，还可以节约经营成本，因而存在范围经济。

不同电压等级之间的范围经济性可以表示为

式中：Q_x 和 Q_y 为不同的电压等级；C(Q_x) 为单独经营 Q_x 电压等级时配电网的经营成本。

不同网络型业务之间的范围经济性可以表示为

式中：C(Q_e) 、 C(Q_w) 、 C(Q_g) 、 C(Q_h) 分别为配电网、自来水管道、天然气管道、供热管道的经营成本；C(Q_e,Q_w,Q_g,Q_h) 为同时经营这些网络型业务的经营成本。

综上，配电领域的自然垄断性决定了配电侧必须由国企垄断经营，避免多家投资主体自由竞争的局面，这样才能避免配电设施重复建设，从而避免造成资源浪费。

3  关键技术发展对配电网自然垄断属性的影响

自然垄断属性并非一成不变，它受到技术进步、需求扩大或市场扩张等因素影响。随着关键技术的进步，竞争性行业可能转变为自然垄断行业，传统的自然垄断行业也可能转变为竞争性行业。

3.1  智能配电网对规模经济性的影响

3.1.1  定性分析

首先，分布式电源、储能、微电网接入配电网后，不但能够就地供应当地负荷，减轻主网压力，多余的电量还能卖回电网，改变配电网原有的单向配送模式。分布式电源中很大一部分为可再生能源，其出力具有随机性、间歇性、波动性的特点，为配电网的稳定运行带来更大挑战。为了灵活接纳分布式电源并网，保障可再生能源有效并网及配电网双向潮流的实现，需进一步强化配电网的安全稳定性能，增加安全自动装置的投入或采用交直流混合配电网。这些措施均使得配电网的固定成本投资增大，只有配电网是规模经营的，才能减小单位配电网和用户数的生产成本，从而巩固配电网的规模经济性。其次，风电、光伏等可再生能源的出力同自然条件有关，不同时刻的出力差别较大，难以进行人工控制，这将影响配电网的供电可靠性。除投入储能装置之外，通过加强网络联系，在区域范围实现多能互补也是提升配电网可靠性的有效措施。加强网络联系，扩大多能互补的范围将增大电网建设的投资，减小生产成本对配电网和用户数的弹性，强化配电网的规模经济性。智能调度、配电自动化、通信等技术的应用也将强化配电区域的规模经济。智能化的开关设备、配电终端设备的应用一方面增加了配电网的固定成本投入，另一方面增强了配电网的安全可靠性，减少了劳动成本、配电网建设成本和运行维修费用等可变成本。固定成本的增大和可变成本的减小均对配电网的规模经济性起到巩固作用。并且可以预见，短时间内这一趋势将继续保持。

3.1.2  算例1

由式（5）可以看出，配电网的规模经济性可用生产成本对配电量和用户数的弹性 ∂(lnC)/∂(lnY) 和 ∂(lnC)/∂(lnN) 来衡量。新技术的引入通过改变生产成本对配电量和用户数的弹性来影响配电网规模经济性。针对EIA公布的美国主要电力公用事业单位（2007年与2017年）配电终端运维数据进行分析，具体参数如表1^[22]所示。

表1  美国主要电力公用事业单位配电终端数据

Table 1  Distribution terminal data of major US electric utilities

经过对美国配电网成本进行建模仿真运算，分别计算出2007年SE_p数值为1.2086，2017年SE_p数值为1.2252。可以看出，经过10年的配电智能化改造，美国配电网络的规模经济指标SE_p得到一定提升，巩固了配电网的规模经济性。

3.1.3  算例2

以国内A市某工业园区智能配电网示范工程投资为例，园区内年供电量为72 GW·h，负荷20 MW，2014—2015年智能电网示范工程建设的固定资产投资共1 044万元^[23]。由于缺乏该地区智能电网改造之前的配电网成本具体数据，难以计算SE_p值，本节主要分析智能化改造之后， ∂(lnC)/∂(lnY) 和 ∂(lnC)/∂(lnN) 的变化趋势，据此分析智能化改造对该地区配电网规模经济性加强或是削弱。智能电网建成投运后，配电网固定成本将增加1 044万元以上。对于可变成本来说，配电网的预计线损率由2.87%下降到2.21%；停电时间由48 min/户下降至2.4 min/户；电网设备寿命延长20%。设备故障概率降低，其中线路降低1.744次/（100 km·年）、开关柜降低0.1%、配变降低0.09%；运维费用降低1.49万元/年。将以上数据代入式（7）~（9）可知，可变成本C_o、C_M、C_F等相关参数在智能化改造后都减小了，经过计算可得 ∂(lnC)/∂(lnY) 和 ∂(lnC)/∂(lnN) 均减小。SE_p值在智能配电网改造后将有一定提升，配电网规模经济性增强。

3.2  智能配电网对范围经济性的影响

3.2.1  定性分析

智能配电网技术的核心是建立双向、高速的通信系统，在各种智能电子装置、智能表计、控制中心、电力电子控制器、继电保护系统之间实现网络化通信，提高电网的控制能力和服务用户水平。通信系统加强了不同电压等级配电网之间的联系，提高了成本互补性，由一家配电企业经营所有的配电业务的成本优势将更加明显，从而巩固了范围经济属性。对于配电网、自来水管道、天然气管道以及供热管道来说，多网络互补经营将有助于降低经营成本。这说明能源互联网的发展强化了不同网络型业务之间的范围经济性。能源互联网技术综合利用先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，把由分布式能量采集装置、储存装置和各种类型负荷构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点进行互联，从而实现双向流动的能量对等交换与共享网络。各类能源节点的互联增强了不同网络型业务间的成本互补性，使得同时经营的优势更加明显，从而强化了范围经济属性。未来随着能源互联网技术的快速发展，配电网的范围经济属性将进一步加强。

3.2.2  算例

Duke Energy Progress运营商是纽约州最大的能源运营机构，其近些年积极推动智能配电网建设和纽约州互补型网络的构建。以Duke Energy Progress运营商为例，研究其经营范围内不同电压等级电网与不同类型网络的经营成本，具体数据如表2所示。该运营商于2014年实现区域内多能网络的互补经营，用户数量与用电规模在2014年前后变化可忽略。

表2  美国Duke Energy Progress运营商经营状况

Table 2  Operational condition of Duke Energy Progress

从表2中结果可知，在一定的用电规模下，多电压等级的协调经营有助于降低运营成本。

4  结语

智能配电技术涉及的业务范围较广，灵活度较高，大幅提升了配电网的技术性能。现阶段配电网关键技术的发展对配电网的自然垄断属性起到巩固和加强的作用。并且未来随着分布式能源、储能、微电网的大范围接入，以及能源互联网技术、泛在物联网技术的快速发展，配电网的自然垄断属性将进一步加强。配电网规模经济、范围经济的存在，决定了配电网由单一企业运营能够最大限度地降低生产成本，提高经营效率。目前政府已批复了4批，共404个增量配电试点项目。随着增量配电改革的深入，配电环节将大量引入独立配电网运营企业，但是在经历长期激烈的市场竞争和优胜劣汰后，配电网可能仍会趋向于由一家垄断经营。因此当前的电力体制改革及增量配电改革在政策制定时，应当对电网的长远发展有所考虑和准备。

（责任编辑　蒋东方）

作者介绍

杨素(1984—)，女，博士，高级工程师，从事电力体制改革及电力市场研究，E-mail: [e-mail];

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武泽辰(1991—)，男，硕士，工程师，从事电力体制改革及电力市场研究，E-mail: [e-mail].

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编辑：杨彪

校对：蒋东方

审核：方彤

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