電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理方法與應(yīng)用

鄭琳

（華北電力大學(xué)能源與電力經(jīng)濟(jì)研究咨詢中心，北京市，102206）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)電力的需求量越來越大，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)可靠的電網(wǎng)就顯得至關(guān)重要。為了服務(wù)于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，應(yīng)不斷增加和優(yōu)化電網(wǎng)建設(shè)的資金投入，加快電網(wǎng)建設(shè)的步伐。在這種情況下，我國電網(wǎng)投資的高速增長已成為必然。據(jù)預(yù)測(cè)，從“十一五”到“十三五”20年內(nèi)，我國電網(wǎng)建設(shè)和改造需要投入資金總規(guī)模達(dá)1.7萬億元，平均每年投入近900億元[1]。面對(duì)如此大的投資規(guī)模，電網(wǎng)公司如何科學(xué)地確定電網(wǎng)建設(shè)的投資策略，建立完善的項(xiàng)目投資優(yōu)化管理方法，杜絕重復(fù)投資、浪費(fèi)投資等現(xiàn)象，已成為了日益關(guān)注的課題。

本文對(duì)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理方法與應(yīng)用進(jìn)行了研究?；谕顿Y優(yōu)化管理體系和流程分析，重點(diǎn)考慮了電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、社會(huì)性目標(biāo)，并將資金總額約束條件轉(zhuǎn)化為罰函數(shù)計(jì)入投資收益目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型，運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行求解。最后，結(jié)合某省多個(gè)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行算例分析，得到最優(yōu)投資組合方案。

1 電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理體系

1.1 電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理理念

目前，在我國電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資管理工作中還存在著管理流程不清晰，投資評(píng)價(jià)方法不完善，指標(biāo)體系考慮因素不全面等問題。這就要求電網(wǎng)公司建立一套科學(xué)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理方法，為投資決策提供支撐，實(shí)現(xiàn)投資收益最大化。

針對(duì)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目特點(diǎn)及其投資管理現(xiàn)狀，電網(wǎng)公司投資優(yōu)化管理的主要工作是：結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電網(wǎng)建設(shè)投資規(guī)劃，在電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析與負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套完善的投資評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，以考察建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)可行性為目標(biāo)，兼顧可靠性和社會(huì)性等影響因素，構(gòu)建電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資決策流程和投資優(yōu)化管理方法，形成統(tǒng)一的投資優(yōu)化管理體系，如圖1所示。

1.2 電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理流程

基于電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理理念，電網(wǎng)公司應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、可靠性、社會(huì)性等影響因素，在有限的資金總額等條件約束下，運(yùn)用投資優(yōu)化管理方法選擇出一個(gè)最優(yōu)的項(xiàng)目或項(xiàng)目組合進(jìn)行投資。其項(xiàng)目投資優(yōu)化管理流程如下：

（1）項(xiàng)目投資初選。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀和負(fù)荷預(yù)測(cè)，以考察電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可行性和建設(shè)必要性為主要目標(biāo)，建立多層次的投資初選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。例如，第1個(gè)層次可分為建設(shè)性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性這4個(gè)指標(biāo)；再將各目標(biāo)按照自頂向下分析方法分解成若干影響因素，進(jìn)一步分為下一層次子目標(biāo)，包括項(xiàng)目重要性指標(biāo)、成本費(fèi)用指標(biāo)、投資效益指標(biāo)、技術(shù)先進(jìn)性指標(biāo)等；在此基礎(chǔ)上，通過選擇相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重、評(píng)價(jià)方法和計(jì)算指標(biāo)，對(duì)各項(xiàng)目投資效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)分析投資存在的不確定性，從而得到滿足要求的備選項(xiàng)目。

（2）項(xiàng)目投資篩選優(yōu)化。對(duì)于通過投資初選的項(xiàng)目，利用已估算出的項(xiàng)目在建設(shè)期和生產(chǎn)運(yùn)營期的現(xiàn)金流量，在考慮資金時(shí)間價(jià)值的前提下各項(xiàng)目的凈現(xiàn)值等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，結(jié)合負(fù)荷需求滿足以及項(xiàng)目重要性分析，設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算各備選項(xiàng)目在考慮以上影響因素情況下的綜合得分，按照總分高低對(duì)初選得到的各單項(xiàng)目進(jìn)行建設(shè)投資優(yōu)先級(jí)排序。

（3）項(xiàng)目投資組合優(yōu)化。在全面分析影響電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資效益的各個(gè)因素的基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)效益等不同的角度出發(fā)，客觀、綜合地對(duì)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行定性和定量評(píng)價(jià)，按照上述流程初選得出可實(shí)施的備選項(xiàng)目，并對(duì)單項(xiàng)目進(jìn)行篩選優(yōu)化得到投資優(yōu)先級(jí)排序。但是，在實(shí)際電網(wǎng)建設(shè)過程中，由于項(xiàng)目種類多、數(shù)量大，往往是多個(gè)項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行，更多涉及的是對(duì)多個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的組合投資，并且資金總額有限。這就要求電網(wǎng)公司不僅考慮到單項(xiàng)目的投資效益，更應(yīng)重視多項(xiàng)目組合的投資優(yōu)化，以最終實(shí)現(xiàn)將有限的資金在不同電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的投資分配上做出最優(yōu)的安排。

2 電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合優(yōu)化

2.1 電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型構(gòu)建

電網(wǎng)建設(shè)的目的是向社會(huì)提供經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能。因此，在分析電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理工作時(shí)，綜合考慮了項(xiàng)目投資組合的經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目建設(shè)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的影響，所要滿足的可靠性要求，以及資金總額的約束，以投資組合效益最大化為目標(biāo)，建立了相應(yīng)的投資組合優(yōu)化模型及其求解方法，選出最優(yōu)項(xiàng)目組合。

基于以上分析，本文采用凈現(xiàn)值指標(biāo)衡量電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合的經(jīng)濟(jì)效益，即通過計(jì)算各個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的投資成本、年收益、年運(yùn)營成本，得出投資組合的凈現(xiàn)值，在項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型中用N(X X)表示。

式中：xi為投資變量，xi=1表示對(duì)第i個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行投資，xi=0表示不對(duì)第i個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行投資；X X=[x1，x2，…，xn]T，n為項(xiàng)目總數(shù)；CIit為第i個(gè)項(xiàng)目第t年的售電收入；COit為第i個(gè)項(xiàng)目第t年的運(yùn)營成本；T為電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目壽命周期；I為投資回報(bào)率；Qi為第i個(gè)項(xiàng)目投資建設(shè)成本。

容載比是評(píng)價(jià)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。電網(wǎng)容載比過高，大量供電設(shè)施被閑置，項(xiàng)目投資效率低；電網(wǎng)容載比過低，會(huì)形成電力瓶頸，抑制電能的消費(fèi)，不利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。220 kV電網(wǎng)的容載比宜取1.6～1.9，110/35 kV電網(wǎng)宜取1.8～2.1。采用容載比指標(biāo)衡量電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合的可靠性，即依據(jù)電網(wǎng)不同電壓等級(jí)建設(shè)項(xiàng)目，考慮到容載比過高時(shí)的投資浪費(fèi)，過低時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)的抑制作用，以及為提高投資效益，在滿足用電需求和可靠性要求的前提下，應(yīng)逐步降低容載比取值，選取容載比1.6～1.8、1.8～2.0為可靠性約束條件，并將其經(jīng)濟(jì)化，在項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型中用可靠性成本函數(shù)P(X X)表示。

式中：ci為第i個(gè)項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)的新增容量；c為原系統(tǒng)容量；α為電網(wǎng)剩余容量的影響系數(shù)；β為電網(wǎng)不足容量的影響系數(shù)；L為整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)主線平均負(fù)荷。

此外，電網(wǎng)容量必須滿足社會(huì)用電需求，根據(jù)運(yùn)行現(xiàn)狀和負(fù)荷預(yù)測(cè)開展電網(wǎng)建設(shè)投資。采用缺電成本指標(biāo)衡量電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合的社會(huì)性，即通過缺電損失分析電網(wǎng)投資對(duì)社會(huì)的影響，將其經(jīng)濟(jì)化，在項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型中用社會(huì)性成本函數(shù)S(X X)表示。式中Cue為最大缺電成本。

同時(shí)，在模型構(gòu)建中分析電網(wǎng)建設(shè)投資的資金約束條件，即項(xiàng)目組合的總投資不應(yīng)超過總的資金限制F，將其經(jīng)濟(jì)化，在項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型中用罰函數(shù)F(X X)表示。

綜合考慮了電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合的經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性、可靠性目標(biāo)，以及容載比、資金總額約束條件，建立了投資組合優(yōu)化模型

2.2 電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型求解

由于電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模龐大，建設(shè)周期長，涉及到電網(wǎng)公司、政府、設(shè)備供應(yīng)商、施工單位等眾多參與方，需要投入大量資金，其投資模型的高離散性、非線性、高維數(shù)等特點(diǎn)，采用常規(guī)的優(yōu)化算法無法準(zhǔn)確求解本文構(gòu)建的投資組合優(yōu)化模型[2]。如：動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的變量維數(shù)高，計(jì)算速度慢；拉格朗日松弛變量法對(duì)其算子的選擇困難等，都不能適用于大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理。

遺傳算法是基于自然選擇和遺傳機(jī)制，依據(jù)優(yōu)勝劣汰原則進(jìn)行全局搜索和優(yōu)選的隨機(jī)優(yōu)化方法，特別適合于整數(shù)型變量和組合優(yōu)化問題[3-5]，其優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）操作簡單，通過交叉和變異等逐步完成進(jìn)化，最終逐步收斂到最優(yōu)解，相對(duì)靈敏度分析、線性規(guī)劃等數(shù)學(xué)方法更便于執(zhí)行。

（2）可考慮多種目標(biāo)函數(shù)和約束條件，使其適于解決電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目這種多目標(biāo)、多約束、非線性、混合整數(shù)的投資組合優(yōu)化問題[6]。

（3）在獲得最優(yōu)解的同時(shí)也能給出次優(yōu)解，為決策者根據(jù)實(shí)際情況改變投資方案提供信息，彌補(bǔ)了數(shù)學(xué)規(guī)劃只能求得單解的不足。

（4）多點(diǎn)尋優(yōu)，能以較大概率找到全局最優(yōu)解，不受搜索空間的限制，不要求連續(xù)性、導(dǎo)數(shù)存在等假設(shè)[7-8]。

遺傳算法的這些優(yōu)點(diǎn)使其在電網(wǎng)投資規(guī)劃等問題中得到了廣泛的應(yīng)用[9-10]。針對(duì)所構(gòu)建的電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型，本文運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行求解，通過簡單的編碼技術(shù)和進(jìn)化機(jī)制將投資問題抽象為純數(shù)學(xué)問題，便于同時(shí)處理整數(shù)變量和連續(xù)變量，具體步驟如下：

（1）準(zhǔn)備必要數(shù)據(jù)。在求解最優(yōu)項(xiàng)目投資組合之前，分析整理電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀、各項(xiàng)目新增容量，以及負(fù)荷預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)，確定電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的投資成本，年運(yùn)營成本和年收益等經(jīng)濟(jì)參數(shù)。

（2）建立模型。綜合考慮電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合的經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性、可靠性目標(biāo)，計(jì)算N(X X)、P(X X)、S(X X)，運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)Z對(duì)每個(gè)投資組合方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，將投資組合資金總額約束條件以罰函數(shù)形式F(X X)并入模型目標(biāo)函數(shù)中，從而將有約束條件的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成無約束條件的規(guī)劃問題。

（3）編碼求解。對(duì)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合方案的所有決策變量進(jìn)行編碼，設(shè)定變異率和交叉率。在遺傳算法中每個(gè)投資組合方案X X對(duì)應(yīng)于1個(gè)染色體。采用整數(shù)編碼，每個(gè)待選項(xiàng)目xi對(duì)應(yīng)于1個(gè)基因，若該項(xiàng)目出現(xiàn)在這個(gè)方案中，則其基因值為1，否則為0。

3 算例

某省電網(wǎng)公司根據(jù)本省經(jīng)濟(jì)和電力發(fā)展規(guī)劃，通過數(shù)據(jù)收集，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀和負(fù)荷需求進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，決定新建一批電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目，并對(duì)部分已有電網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行改擴(kuò)建。

根據(jù)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理流程及方法，經(jīng)過投資初選和篩選優(yōu)化，選出了7個(gè)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行投資組合優(yōu)化管理研究。

在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合優(yōu)化管理方法，分析整理所需數(shù)據(jù)，構(gòu)建投資組合優(yōu)化模型，并進(jìn)一步采用遺傳算法求解得出最優(yōu)項(xiàng)目投資組合。其中，為了便于模型的求解說明，對(duì)于備選的7個(gè)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目，只考慮220 kV電壓等級(jí)。同時(shí)，假設(shè)每個(gè)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的壽命期為25年，未來25年內(nèi)各項(xiàng)目每年的年凈收益和運(yùn)營成本不變；資金總額約束為2.1億元；投資回報(bào)率為6％，α=0.1，β=0.2；平均每年最大的缺電成本為20萬元，且缺電成本與容量大小成正比；被選中項(xiàng)目容量之和即為系統(tǒng)新增容量。

通過分析整理，電網(wǎng)運(yùn)行情況及篩選出的7個(gè)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的投資成本、年收益、新增容量等必要數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的基本情況Tab.11 Basic data of power grid projects

表2 電網(wǎng)運(yùn)行總體情況Tab.2 Total condition of power grid

按照建立的優(yōu)化模型和假設(shè)情況，對(duì)備選的7個(gè)項(xiàng)目采用二進(jìn)制編碼，即項(xiàng)目入選時(shí)為1，落選則為0，染色體長度為7。輸入各項(xiàng)目基本數(shù)據(jù)，確定利用Matlab軟件求解模型。在遺傳算法運(yùn)行中，各染色體的適應(yīng)度值如圖2所示。

本文以電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性、可靠性為目標(biāo)，將資金總額約束條件轉(zhuǎn)化為目標(biāo)罰函數(shù)而建立的投資組合優(yōu)化模型，運(yùn)用遺傳算法得到的最后結(jié)果為：X X=[1，1，1，0，0，1，1]T，Z=3 566.4，即求解得出的電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目最優(yōu)投資組合為項(xiàng)目1、2、3、6、7，項(xiàng)目組合的預(yù)期收益現(xiàn)值為3 566.4萬元。

4 結(jié)論

針對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的特點(diǎn)及其投資管理現(xiàn)狀，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理與方法進(jìn)行了研究。提出了從投資初選、篩選優(yōu)化到投資組合優(yōu)化的電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資優(yōu)化管理流程，并重點(diǎn)分析了項(xiàng)目組合的投資優(yōu)化。

在綜合分析電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合經(jīng)濟(jì)性、可靠性、社會(huì)性的基礎(chǔ)上，將資金總額約束條件轉(zhuǎn)化為罰函數(shù)計(jì)入投資組合收益最大化目標(biāo)函數(shù)中，構(gòu)建了投資組合優(yōu)化模型，并運(yùn)用遺傳算法求解得到了最優(yōu)項(xiàng)目投資組合。

最后通過具體的案例分析，驗(yàn)證了本文建立的電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資組合優(yōu)化模型及其解法的實(shí)用性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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