新形態城市電網綜合評價指標體系

李桂鑫，王偉臣，楊白潔，王 哲，孫 闊，劉 洪

（1.國網天津市電力公司，天津 300010；2.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

0 引 言

新一輪能源革命正在全球興起，到21世紀中葉全球將打造繁榮的凈零碳排放經濟[1,2]。作為全球第二大經濟體的中國將采取更加有力的政策和措施，力爭二氧化碳排放于2030年前達到峰值，并努力爭取2060年前實現碳中和[3]。此外，隨著中國《關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》發布，中國在戰略性新興產業發展、基礎設施建設、市場主體活力激發以及綠色低碳發展等方面對能源革命和碳排放挑戰提出更加明確的建議和要求[4]。為順應國內外能源變革形勢，中國城市電網勢必發生深刻改變。

近年來，盡管中國“四個革命，一個合作”的能源安全新戰略對促進能源供給質量提升和能源結構優化等方面有積極的成效，但中國仍面臨著資源環境約束趨緊、能源安全風險較高以及能源利用率較低等深層次矛盾和問題[5]。以清潔主導轉變能源生產方式和以電為中心轉變能源消費方式，即清潔低碳和電氣化是推動中國能源革命和綠色低碳發展的重要途徑[6]。隨著城市電網清潔能源高比例接入和終端電氣化率提升，中國城市電網的新形態特征將會逐漸體現。為支持新形態城市電網的規劃、建設與發展，新形態城市電網形態特征的提取和綜合評價指標體系的建立成為亟待解決的問題。

文獻[7]從角色功能、網架形態、運行特性以及可控能力4個方面描述了智能配電網的新形態特征，并以配電網靈活性提升為核心分析內容，對智能配電網規劃、運行及控制等技術發展進行了展望。文獻[8]基于新型城鎮化內在要求，從網架結構、自愈控制、能量調度以及市場交易4個方面對傳統配電網形態進行總結，并對未來配電網形態進行了展望。文獻[9]以新形態城市電網保護和控制為研究內容，從分布式電源滲透、交通電氣化以及電力電子化和直流化3個方面梳理了新形態城市電網的發展形態特征。文獻[10]從電能質量、供電可靠性、網架結構以及經濟性4個角度提出了配電網運行評價指標。文獻[11]采用魚骨法對影響配電網建設的關鍵要素構建了綜合評價指標體系，涉及供電可靠率、綜合電壓合格率、綜合線損率及設備利用率。上述對城市電網特征和評價指標的研究還存在以下不足，一是對于城市電網新特征在節能高效運行和經濟友好服務方面的描述，特別是未充分考慮碳中和、碳排放、綜合能源服務以及需求響應服務等因素。二是對于城市電網評價多集中于配電網運行層面的評價指標建立，同樣未充分分析節能高效運行和經濟友好服務方面的評價指標。

基于中國2060年碳中和目標和中國二〇三五年遠景目標，在清潔能源高比例接入和終端電氣化提升背景下，針對上述問題，重點從清潔能源消納、供電性能提升、節能高效運行以及經濟友好服務4個方面分析新形態城市電網源網荷發展的特征。通過選擇新形態城市電網評價的核心指標和二級指標，構建綜合評價指標體系，為新形態城市電網的規劃、建設與發展提供參考。

1 新形態城市電網核心特征分析

清潔能源接入比例不斷提高，終端電氣化推動效果顯著增強，未來新形態的城市電網與傳統城市電網對比時，在清潔能源消納、供電性能提升、節能高效運行以及經濟友好服務等方面應具備不同的特征。

1.1 清潔能源消納

現階段，中國清潔能源裝機年均增速為6%，到2035年清潔能源發電量占比將達到69%，然而中國清潔能源消納問題仍存在較為明顯的地域和時段集中分布的特征[12]。城市電網作為清潔能源消納的核心組件，通過多方式實現清潔能源的接入和消納是未來新形態城市電網發展的重要內容之一。

新形態城市電網將具有高承載特征，不僅能夠主動接入規模化的分布式清潔能源，還能從源網荷儲不同層面實現清潔能源的靈活和優先消納。其發展將適應中國清潔替代進程，有效解決棄水、棄風、棄光的“三棄”現象以及地域和時段層面的清潔能源消納問題。

1.2 供電性能提升

隨著終端電氣化率的提升，多種柔性電力電子設備逐漸應用于城市電網各個部分，形成多能互補的交直流互聯形態，對城市電網網架結構、供電安全可靠性、供電裝備技術、供電運維管理以及供電故障恢復等體現供電性能的多個層面提出了更高的要求。

新形態城市電網將具有高可靠性特征，不僅能夠滿足終端電氣化提升的供電需求，而且能夠提供堅強的供電網架、優質的供電裝備以及高效的維護管理。新形態電網的發展將優先確保電能供給傳輸的高可靠性，并有效應對來自源網荷儲不同層面對供電性能的挑戰。

1.3 節能高效運行

中國對碳排放提出更高要求，并不斷加強資源合理配置，大力發展戰略新興產業，加快人工智能同各產業深度融合。但中國城市電網還存在供電設備利用率低、備用容量冗余、智能化信息化程度低以及靈活可調資源調控能力不足等問題。

新形態城市電網將具有凈零碳、高效率以及高智能特征。作為節能高效的重要載體，通過挖掘冗余容量利用潛能，提升電力設備智能化調控程度，靈活應對需求側可調資源等方式，為全社會提供高效清潔的綠色電能。

1.4 經濟友好服務

城市電網經營模式簡單，服務類型單一。隨著電動汽車數量增長、綜合能源系統發展以及終端電氣化提升等，用戶對城市電網提供綜合能源服務、電力輔助服務、需求響應激勵、數據運營服務及能源交易服務的需求更加突出。

新形態城市電網將具有高互動和高效益特征，不僅能夠實現同多元用戶間多樣化需求的高效友好互動，提供常規電能供應服務的同時為用戶定制化優質服務，而且能夠獲得除電能供應收益外的多種服務收益。其業務類型將更加豐富，在保證營業收益提升的同時增強同用戶的緊密聯系和友好互動。

2 新形態城市電網綜合評價基礎

2.1 綜合評價理論方法

2.1.1 綜合評價分析法

在單項指標評價的基礎上，從整體角度出發對評價對象進行全面、系統且科學的評價。該方法主要包括內容有評價目標、評價對象、評價指標以及評價標準等[13]。

2.1.2 魚骨圖分析法

通過分析挖掘評價對象的影響因素，根據影響因素間的關聯性進行分類整理，梳理不同影響因素間的從屬關系，最終形成層次分明、條理清晰的魚骨狀圖形。該方法多用于多層指標梳理，可表征不同指標間的相互支撐和影響關系[14]。

2.2 綜合評價體系框架

綜合評價體系構建分為3步驟實現。

2.2.1 建立評價指標體系

針對新形態城市電網，基于綜合評價分析法，從清潔能源消納、供電性能提升、節能高效運行以及經濟友好服務4個方面合理選取評價指標，構建核心指標和二級指標雙層評價指標架構并繪制各級評價指標魚骨圖，保證指標體系的完整性與指標間的獨立性，并分別給出各指標的詳細定義和計算方法。

2.2.2 設定評價指標權重

評價指標權重設置不僅需要客觀合理，而且需要能夠體現各指標的重要性。采用德爾菲法對評價指標權重進行賦權。

2.2.3 設定評價指標評分標準

評分標準應該科學合理且符合各指標的變化特性。采用德爾菲法建立評價指標的評分標準。

3 新形態城市電網綜合評價指標體系

新形態城市電網綜合評價指標體系總體架構如圖1所示。

以新形態城市電網為評價對象，以綜合評價分析法為指導，從清潔能源消納、供電性能提升、節能高效運行以及經濟友好服務4個層面構建新形態城市電網綜合評價指標體系。評價指標體系分為核心評價指標層和二級評價指標層，核心評價指標根據新形態城市電網核心特征選擇確定，從全面多維,角度體現城市電網未來新形態特征。二級評價指標基于核心評價指標的驅動因素分析，將核心評價指標層層分解為魚骨狀指標，更加全面系統地描述新形態城市電網的發展水平。

3.1 核心指標

新形態城市電網核心特征分析表明其具有高承載、高可靠、凈零碳、高效率、高智能、高互動以及高效益特征，是具備清潔能源高比例消納、供電能力安全可靠、運行方式節能高效以及優質服務經濟友好能力的未來高形態城市電網。因此，構建的評價指標體系必須全面、系統且客觀地體現新形態城市電網的清潔能源消納、供電安全可靠、運行節能高效以及服務經濟友好。

3.1.1 清潔能源消納

棄風棄光棄水率是指城市電網無法消納的分布式清潔能源發電量占總發電量的比例。該核心指標能夠準確地反映城市電網對清潔能源的消納能力，用來衡量電網可持續發展能力，且數據獲取較為便利。棄風棄光棄水率A1表示為：

式中，WQ為棄風棄光棄水電量，WG為風電光伏水電實際發電量。

3.1.2 供電安全可靠

供電可靠率是指不計因系統電源不足而限電的情況下，實際供電時間與統計期內全部用電時間的百分數。作為國際電力工業應用范圍最廣的統計指標之一，供電可靠率體現城市電網的供電能力和供電質量，是對城市電網網架結構、供電裝備性能以及供電運維管理等方面的綜合體現。供電可靠率A2表示為：

式中，NS為總停電次數，tsn為單次停電持續時間，mn為單次停電戶數，M為總用戶數，Ts為統計期間總時間。

3.1.3 運行節能高效

設備利用率是指城市電網中輸變電設施的利用效率。設備不僅指傳統城市電網中的變壓器、線路以及電力電子換流設備等，還包括各類新型節能智能設備。該指標能反應城市電網的利用情況，評價城市電網的運行實際水平。設備利用率A3表示為：

式中，PLc為城市電網設備實際所帶負荷大小，PLb為城市電網設備最佳負載能力。設備最佳負載能力主要指考慮一定的安全可靠原則、網絡結構、負荷特性及其發展條件下設備所能承受的最大負荷。

3.1.4 服務經濟友好

客戶滿意度是指客戶對城市電網服務效率、服務質量以及交易市場的滿意度。該指標反映了不同用戶群體對城市電網提供服務的滿意程度，城市電網不僅提供傳統的電能供應服務，而且還包括綜合能源服務、需求響應服務以及數據運營服務等新型業務服務。通過該指標了解用戶的需求和電網企業存在的問題，以提供與客戶需求相匹配的定制優化服務。客戶滿意度A4表示為：

式中，Ci為各選項滿意度指數（百分制），pCi為各選項所占比重，I為客戶所有滿意度選項。

3.2 二級指標

基于魚骨圖分析法，根據上述新形態城市電網核心評價指標，分析影響核心評價指標的因素，通過關聯性梳理，層次分明且條理清晰地選取支撐各核心評價指標的二級評價指標。

3.2.1 清潔能源消納方面

棄風棄光棄水率是表征清潔能源消納的核心指標，而清潔能源消納主要體現在清潔能源的利用水平和城市電網對清潔能源發展的支撐能力兩個方面。清潔能源的利用水平可通過能源加工轉換效率、單位GDP能耗下降率、單位能耗碳排放量以及煤炭消耗增長率等進行表征，對清潔能源發展的支撐能力可通過清潔能源發電比例、人均可再生能源即清潔能源汽車比例等進行表征[15]。清潔能源消納主要影響因素如圖2所示。

圖2 清潔能源消納影響因素

3.2.2 安全可靠供電方面

供電可靠率是表征安全可靠供電的核心指標，而供電能力主要體現在負荷供應能力、網絡結構水平、裝備技術水平以及維護管理水平4個方面。負荷供應能力可通過主變“N-1”通過率、中壓線路“N-1”通過率、主變重載率以及線路重載率等表征，網絡結構水平可通過變電站單變率、中壓線路聯絡率、網絡接線典型化率以及中壓線路平均分段數等表征，裝備技術水平可通過變電站綜合自動化率、配電網自動化覆蓋率、變電站無功配置比例以及電壓無功綜合自動調節裝置比例等表征，而維護管理水平可通過主要設備完好率、帶電作業項目比例、線路完好率以及重復停電比例等表征。安全可靠供電主要影響因素如圖3所示。

圖3 安全可靠供電影響因素

3.2.3 節能高效運行方面

設備利用率是表征節能高效運行的核心指標，而運行的節能高效主要體現在節能水平和高效運行水平兩個方面。節能水平可通過零碳能源比重、節能型設備占比、可再生能源路燈占比、碳交易平臺建設、零碳研發投入比重、節能技術專利數以及充電站密度等表征，高效運行水平可通過智能表計比例、信息服務系統覆蓋率、大數據云平臺使用程度以及智能機器人巡檢覆蓋率等表征。節能高效運行主要影響因素如圖4所示。

圖4 節能高效運行影響因素

3.2.4 經濟友好服務方面

客戶滿意度是表征經濟友好服務的核心指標，而服務的經濟友好主要體現在經濟服務和友好互動服務兩個方面。經濟服務水平可通過輔助服務收益率、綜合需求響應服務收益率、需求側響應服務收益率以及凈資產收益率等表征，友好互動服務可通過供電搶修到達現場及時率、業擴報裝服務時限達標率、實現能效管理的用戶比例、需求響應簽約負荷占比、參與電網互動的智能家居比例、市場資本占比、市場化交易電量占比以及綜合能源系統供電功率占比等表征。經濟友好服務主要影響因素如圖5所示。

圖5 經濟友好服務影響因素

4 新形態城市電網核心指標評價標準

4.1 評價依據

新形態城市電網綜合評價指標體系的評價判據對于最終結果的影響不容忽視，基于國內外城市電網資料積累和文獻分析，收集整理國內外典型城市電網相關指標并分析，通過采用德爾菲法，將核心指標按照較差、一般、較好以及優秀4個區間，構成新形態城市電網的主要指標評價標準[16-20]。

4.2 評價標準

新形態城市電網核心指標評價標準如表1所示。

表1 核心指標評價標準

新形態城市電網部分二級指標評價標準如表2所示。

表2 部分二級指標評價標準

5 結 論

在清潔能源高比例接入和終端電氣化提升的背景下，結合中國凈零碳發展要求和2035年遠景目標，從清潔能源消納、供電性能提升、節能高效運行以及經濟友好服務方面對新形態城市電網的核心特征進行了分析。基于新形態城市電網核心特征，采用綜合評價分析法和魚骨圖分析法，以核心評價指標和二級評價指標構成兩層新形態城市電網綜合評價指標體系，并給出核心指標和部分二級指標的評價標準。新形態城市電網綜合評價指標體系將全方位客觀的評價城市電網的發展建設水平，對未來新形態城市電網的規劃、建設和發展具有指導意義。