高彈性電網精準投資指數理論及其應用研究

黃沈海，杜 超，金 顯，竇金月，張黛妮

（國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司經濟技術研究所，浙江 嘉興 314000）

0 引言

為貫徹國網公司建設“中國特色國際領先能源互聯網企業”戰略，浙江公司確立了“將浙江電網建設成能源互聯網形態下多元融合的高彈性電網”目標。高彈性電網是智能電網的再升級，是能源互聯網的核心載體，是海量資源被喚醒、源網荷儲全交互、安全效率雙提升的電網，具有高承載、高互動、高自愈、高效能四大核心能力。建設高彈性電網，需要研究如何發揮電網投資的最大效能，從傳統的“保安全弱經濟”轉變為“安全經濟并駕齊驅”。因此，全面系統地掌握現有電網投資的狀況，不僅是電網建設投資管控精益化和提升投資決策水平的要求，也是建設高彈性電網的基礎。

現行的電網建設投資評估主要是采用傳統的工程項目后評估法[1-3]，評估結果具有一定的客觀性和參考價值，但是主要存在以下不足和缺陷：

1）評價指標體系不全面。僅從電網投資的經濟性角度出發，將成本和收益作為評估電網建設投資狀況的主要指標，而與電網本身的架構、電網安全性和可靠性聯系較少。而在實際電網運營過程中，電網建設投資是保證電網持續供電、安全運行的基礎，而僅從財務角度無法全面客觀地評價電網投資的有效性[4-7]。雖然田粵[8]在研究中考慮了輸變電工程建設的經濟、社會以及技術指標，但未考慮需求側互動關系。

2）指標體系中關鍵特征量無法量化。如陳云峰等[9]在對主網輸變電工程進行評價時，二級指標中的“建設效果”和“可持續情況”無法定量計算，需要通過專家打分法擬定，降低了方法的可操作性。

3）目前電網投資狀況的評價主要停留在判斷投資等級[10-12]。龐邦凱等[13]在研究中通過采用模糊綜合評價法，將電網投資優劣程度分為“優秀、良好、一般、及格、差”。同樣的，郭兆蕊等[14]將電網投資效益分為“好、較好、中、較差、差”等級，未對各等級進行量化釋義。而趙鵬翔、范瑩等[15]雖然對電網投資的等級進行量化，但其綜合系統得分未能反應出電網投資的精準程度。綜上所述，目前的文獻研究缺少從整體上對電網投資精準程度的定量研究，而能從量化的投資精準等級上追根溯源，找到投資精準度差異原因的研究更是寥寥無幾。

為了解決上述電網投資存在的難題，同時能夠滿足高彈性電網建設對于精準投資的要求，本文通過歸納總結國內外相關研究成果，對已有成本進行系統梳理和深入分析，初步探討高彈性電網投資指數研究的問題，提出了高彈性電網投資指數的定義、等級劃分標準以及計算模型，并通過實例分析驗證，結合實例結果，分析投資差異原因，為推進電網轉型發展奠定一定基礎。

1 高彈性電網投資指數理論研究

1.1 投資指數定義

投資指數是對高彈性電網下投資情況的量化，是衡量和表征被研究對象投資情況的一個數值，通過研究對象的關鍵特征量，經過本文所提出的投資指數模型運算獲得。投資指數具有邏輯性強、量化直觀的特點，可用于判斷地區在高彈性電網下電網投資的合理程度，以此確定在下一年度中調整和干預的方向。該投資指數是面向地區電網，綜合表征地區電網投資狀態。然而高彈性電網下的電網投資是一個復雜系統、多因素相互干擾的過程，如何能夠全面綜合、實用客觀地評價電網投資狀況是電網公司面臨的難題，如何量化確定投資情況也沒有統一的標準和方法。在新電改形勢下，未來電力市場中的競爭主體將逐步增加，對于電網投資評價在可靠性和安全性的基礎上，指標體系更加兼顧電網企業的經濟效益和市場競爭力。因此，從經營業績、電網安全、服務質量以及清潔高效4 個維度來描述高彈性電網下電網投資指數。

1）經營業績指電網公司在高彈性電網下的投資效益和投資效率的能力，即電網公司投入一定資金來滿足高彈性電網建設時，電力電量的提升和電網資金的落位情況，既要避免系統容量的浪費，又要防止出現“卡脖子”現象。

2）電網安全指高彈性電網抵御重大災害的恢復能力和事故狀態前的抗干擾能力，這些能力可以保證電網供電的持續性和可靠性。

3）服務質量指電網公司開展電網業務的情況，反映電網公司在電力市場開放的情況下，市場中的占有率和服務狀態。

4）清潔高效指電力終端使用電能情況和電網協調用戶側負荷的能力情況，衡量的是地區電氣化程度和源荷互動程度。

1.2 投資指數計算

傳統的投資評價體系只針對電網建設投資等級的判斷，并未對投資等級進行量化處理，因此本文提出的高彈性電網投資指數計算模型是投資指數理論研究的核心和關鍵。

高彈性電網投資指數的計算過程為輸入需評價的某地市電網投資的關鍵特征量，通過本文所提出的評價方法和計算模型，計算出投資指數，并通過投資指數所屬范圍確定投資等級，如圖1所示。確定投資指數確定的主要計算過程包括關鍵特征量的計算和投資指數的計算及建模。

圖1 高彈性電網投資指數評價過程

1.2.1 關鍵特征量

根據建設高彈性電網的要求和導向分析結果，影響電網投資指數的因素可以劃分為經濟因素和技術因素。經濟因素主要包括經濟效益、資金分配等因素；技術因素包括電網安全性、可靠性等因素。如何從龐雜的影響因素中找到影響電網投資最典型的最少關鍵特征量集合，是計算高彈性電網投資指數的基礎，如果將所有的影響因素都囊括到評價模型中，很可能造成指數計算模型復雜化，無法落實到具體工作中。

本文吸納建設高彈性電網的核心思想，考慮電網用戶側管理，將源荷互動指標納入電網投資指數體系，采用科學使用的原則，通過對歷年電網公司的基建工程和配電網工程投資評價體系進行歸納總結，結合國內外相關科研成果，從層次性、目的性、全面性以及可操作性原則出發，提出了能夠綜合描述高彈性電網投資指數的關鍵特征量。

高彈性電網投資指數關鍵特征量的篩選過程避繁就簡，將篩選過的11 項關鍵特征量映射到4個評價維度中（經營業績、電網安全、服務質量、清潔高效），詳見表1。其中：et，et-1分別表示當年和上一年度售電量；We=et+et-1+et-2表示統計年份電網投資總量；Δe/Δe*表示地市增售電量對本省增售電量的占比；C*/C 表示地市投資完成額對本省投資完成額的占比；merp表示基建投資入賬金額；mg表示基建工程批準概算金額；t 表示電網供電時間；T 表示全年用電時間；Qi表示i，i={a，b，c，d，e}類監測點合格率；le表示地市總損失電量；Se表示地市總供電量；le′表示縣區總損失電量；Se′表示縣區總供電量；nλ表示滿足N-1 原則的元件數量；N 表示總的元件數量；qα表示電網公司業務市場占有份額；Q 表示市場業務總份額；nβ表示10 000 件供電業務中質量投訴案件數量；e 表示終端用電量；Etotal表示終端能源消費總量；vt，vt-1分別表示當年可轉移負荷占比和上一年可轉移負荷占比。

表1 表征高彈性電網投資狀況的關鍵特征量

1.2.2 計算模型與方法

高彈性電網投資指數采用自下而上、逐層分解的原理進行計算，采用融合了層次分析法[16]和物元可拓理論的高彈性電網投資指數模型。評估流程如圖2 所示。

圖2 高彈性電網投資指數方法流程

具體步驟如下：

1）確定待評物元。

物元分析法[17-19]是將所要評價事物本體P，事物特征C 以及特征值V 相結合，用物元R 來表示，表達式如下：

式中：p={p1，p2，…，pl}表示有l 個待評方案；c1，c2，…，cn表示有n 個不同特征；v1，v2，…，vn表示其對應的值。

2）確定經典域與節域。

將評價目標分為m 個評價等級，則經典物元矩陣可以公式（2）表示，即每個評價等級中特征Cj所對應的特征值vij的取值范圍為[aij，bij]，所構成的Ri成為經典物元矩陣。

節域指的是評價等級區間的全體集合，節域物元是經典域的一種特殊形式，可以表示為：

各個待評物元p 的特征值用vp1，vp2，…，vpn的取值范圍為[apj，bpj]，其中，j=1，2，…，n，即為節域。

3）確定特征值權重。

采用層次分析法確定各個關鍵特征量的權重，ω=[ω1，ω2，…，ωn]T，其中ωi=1 且ωi≥0。

4）確定待評方案關于各投資等級的關聯度。

可拓集合的核心思想是把事物之間的關系定量地表達出來，而不只是“有”和“無”，而這種定量的關系主要借助的是關聯函數[13]。

關聯函數是對“有”和“無”之間變化過程的定量描述，反應的是事物量變和質變的過程，其中關聯函數的值域為全體實數（-∞，+∞），用關聯函數表示待評事物特征關于每個等級的隸屬度，用Ki（vj）表示，如公式（4）所示：

5）計算待評方案p 的關聯指數η。

式中：M 表示投資等級對應的數字等級{5，4，3，2，1}；η 表示待評方案關于投資等級的隸屬程度，即本文所提出的高彈性電網投資指數。

1.3 投資等級劃分

高彈性電網投資指數量化了高彈性電網投資情況，不同的數值對應投資不同的等級。本文將高彈性電網投資指數的取值范圍確定為（0，5]，指數值越大，所代表的投資情況越優。結合目前對電網投資的研究和各地市應用情況，提出將高彈性電網投資等級劃分為精準投資、合理投資、基本合理、不當投資和缺陷投資5 個等級，并規定了每個投資等級所對應的投資指數得分區間。

1）精準投資。精準投資指數得分區間為[4，5），該等級的高彈性電網建設投資能夠高效、準確地落實到高經營業績、電網安全、服務質量和清潔高效等4 個維度，且其對應的關鍵特征量均能達到高標準。

2）合理投資。精準投資指數得分區間為[3，4），該等級的高彈性電網建設投資能夠較為高效、較為準確地落實到高經營業績、電網安全、服務質量和清潔高效等4 個維度，且其對應的關鍵特征量均能達到較高標準，雖然全部指標都達標，但部分指標出現有低于標準的趨勢。

3）基本合理。精準投資指數得分區間為[2，3），該等級的高彈性電網建設投資能夠較為有效地落實到高經營業績、電網安全、服務質量和清潔高效等4 個維度，且其對應的關鍵特征量均能達到標準，但是部分關鍵特征量已接近標準限值，雖然部分指標無法滿足標準要求，但對工程項目整體投資效率而言影響程度較小。

4）不當投資。精準投資指數得分區間為[1，2），該等級的高彈性電網建設投資總體上能落實到經營業績、電網安全、服務質量和清潔高效等4 個維度，但是其對應的關鍵特征量值有部分不達標，對工程項目整體投資效率而言影響程度較大。

5）缺陷投資。精準投資指數得分區間為[0，1），該等級的高彈性電網的建設投資已經無法落實到經營業績、電網安全、服務質量和清潔高效等4個維度，其對應的關鍵特征量嚴重不達標，無論是電網經濟和安全都無法滿足電網建設要求，綜合影響程度巨大。

2 實例分析

本文分別將某省A，B，C，D，E 5 個地市的經營業績、電網安全、服務質量、清潔低碳作為研究對象，對這4 個評價維度的關鍵特征量進行計算匯總，并通過本文提出的高彈性電網投資指數計算模型，計算各市所對應的投資指數，以驗證投資指數計算模型的合理性和有效性。5 個地市的關鍵特征量如表2 所示。

表2 不同地市評價維度的關鍵特征值統計

2.1 數據處理

由于表征投資狀態的關鍵特征量較多，且各個關鍵特征量的數量級不同，量綱差異大，直接將數據帶入模型會存在較大的誤差，且這些關鍵特征量存在效益型指標和成本型指標，為了避免由此造成的評估等級不匹配，用以下公式對統計數據進行標準化處理。

對于效益型指標無量綱化：

對于成本型指標無量綱化：

式中：vj表示歸一化之后的關鍵特征值；表示原始關鍵特征值。

本文利用層次分析法確定高彈性電網下投資指數體系下各個指標的權重，通過判斷一致性指標CR<0.1 確定權重矩陣的有效性，如表3、表4所示。

表3 三級指標對于二級指標的權重

表4 二級指標對于對象集的權重

表3 表示的是第三級指標對于二級指標的權重大小，經過CR 校驗都符合要求，因此改組權重的判斷矩陣都是符合要求的。

表4 表示的第二級指標對于對象集的權重大小，經過CR 校驗都符合要求，因此該組權重的判斷矩陣都是符合要求的。

該高彈性電網精準投資指數相較于現有評估方法僅判斷投資優劣程度而言，不僅能更加直觀地確定電網投資精準程度，同時能夠定量比較相同投資等級方案的優劣差異，增加了電網投資管理的操作性和針對性。

從表5 的計算結果看，地市A 和B 投資指數分別為2.211 5 和2.516 6，均屬于電網投資等級“基本合理”，雖然地市A 和B 處于相同投資等級，但ηA＜ηB，由此可以判斷地市A 高彈性電網投資精準度劣于地市B。同理可知，由于ηE＜ηC＜ηD，地市D 電網投資最優，地市C 次之，而地市E 在該3 個“合理投資”地市中最次。高彈性電網投資指數評價體系下，“電網安全”依然是電網投資建設的核心，而地市A 和B 在該維度的總體指標處在較低水平，因此其高彈性電網投資指數明顯小于其他3 組地市方案。另外，由于該評價體系下市場參與者與電網互動效率也占有較大比重，而地市D 在關鍵特征量“可轉移負荷占比”具有較大優勢，故在C，D，E 3 市比較中，地市D總體高彈性電網投資指數較大。

表5 各市投資指數和投資等級計算

3 投資指數應用

高彈性電網投資指數理論研究是對電網投資狀況的量化描述，對電網規劃、經營分析和投資策略等方面起到了借鑒和參考作用，進而高效推動高彈性電網建設和發展。

1）在電網規劃方面，由于高彈性電網投資指數綜合了經濟指標和電網安全指標，有助于通過投資指數判斷電網安全及可靠性情況，電網規劃從單一目標對話轉變為多遠目標規劃，并充分考慮用戶側負荷協調能力，提升需求側參與電網活動的積極性，結合源荷互動指標，為接下來可能大量接入的分布式新能源提供量化的參考。再次，根據電網目前的安全情況，在預測未來電網規劃時能夠大大提高其可靠性和包容性。

2）在經營分析方面，依托高彈性電網精準投資指數理論，通過建立高彈性電網投資評估平臺，提升電網投資指標和數據的深度和廣度，不僅可以深度挖掘用戶側負荷數據，還能優化營商環境，提升用戶電力獲得感。電網經營管理是結合經驗與專業的知識密集型工作，以高彈性電網精準投資指數理論為依據的電網經營風險管控。結合了大量的專業指標和專家經驗，能夠充分考慮電網投入產出情況，為電網的運行、檢修提供可靠支撐，降低電網經營風險。

3）在投資策略方面，結合電網投資指數，統籌優化各項能力和需求，合理安排電網建設投資，同時充分喚醒用戶側資源，減輕電網公司投資壓力，以此推動各級電網協調發展，服務能源消費優化和能源安全。在新形勢下，電網投資建設已經由“高速”轉變為“高質量”，而隨著新能源革命的深化發展，需要將更多的目光放到配電網建設。從電力投資趨勢來看，我國電網整體水平已經滿足需求，但是在新能源消納、調峰調頻能力方面依然存在較大缺口。

4 結語

本文較為系統地研究了高彈性電網投資指數理論，提出了高彈性電網下電網投資指數定義、等級劃分、關鍵特征量及高彈性電網投資指數的計算模型，通過實例分析可知，該投資指數能夠對復雜的電網投資，從經營業績、電網安全、服務質量和清潔高效多維度反映復雜電網投資情況及其投資等級，并且能量化反映電網投資的有效性，對電網規劃、經營分析及投資策略具有參考價值。