新形态城市电网综合评价指标体系

李桂鑫，王伟臣，杨白洁，王 哲，孙 阔，刘 洪

（1.国网天津市电力公司，天津 300010；2.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072）

0 引 言

新一轮能源革命正在全球兴起，到21世纪中叶全球将打造繁荣的净零碳排放经济[1,2]。作为全球第二大经济体的中国将采取更加有力的政策和措施，力争二氧化碳排放于2030年前达到峰值，并努力争取2060年前实现碳中和[3]。此外，随着中国《关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》发布，中国在战略性新兴产业发展、基础设施建设、市场主体活力激发以及绿色低碳发展等方面对能源革命和碳排放挑战提出更加明确的建议和要求[4]。为顺应国内外能源变革形势，中国城市电网势必发生深刻改变。

近年来，尽管中国“四个革命，一个合作”的能源安全新战略对促进能源供给质量提升和能源结构优化等方面有积极的成效，但中国仍面临着资源环境约束趋紧、能源安全风险较高以及能源利用率较低等深层次矛盾和问题[5]。以清洁主导转变能源生产方式和以电为中心转变能源消费方式，即清洁低碳和电气化是推动中国能源革命和绿色低碳发展的重要途径[6]。随着城市电网清洁能源高比例接入和终端电气化率提升，中国城市电网的新形态特征将会逐渐体现。为支持新形态城市电网的规划、建设与发展，新形态城市电网形态特征的提取和综合评价指标体系的建立成为亟待解决的问题。

文献[7]从角色功能、网架形态、运行特性以及可控能力4个方面描述了智能配电网的新形态特征，并以配电网灵活性提升为核心分析内容，对智能配电网规划、运行及控制等技术发展进行了展望。文献[8]基于新型城镇化内在要求，从网架结构、自愈控制、能量调度以及市场交易4个方面对传统配电网形态进行总结，并对未来配电网形态进行了展望。文献[9]以新形态城市电网保护和控制为研究内容，从分布式电源渗透、交通电气化以及电力电子化和直流化3个方面梳理了新形态城市电网的发展形态特征。文献[10]从电能质量、供电可靠性、网架结构以及经济性4个角度提出了配电网运行评价指标。文献[11]采用鱼骨法对影响配电网建设的关键要素构建了综合评价指标体系，涉及供电可靠率、综合电压合格率、综合线损率及设备利用率。上述对城市电网特征和评价指标的研究还存在以下不足，一是对于城市电网新特征在节能高效运行和经济友好服务方面的描述，特别是未充分考虑碳中和、碳排放、综合能源服务以及需求响应服务等因素。二是对于城市电网评价多集中于配电网运行层面的评价指标建立，同样未充分分析节能高效运行和经济友好服务方面的评价指标。

基于中国2060年碳中和目标和中国二〇三五年远景目标，在清洁能源高比例接入和终端电气化提升背景下，针对上述问题，重点从清洁能源消纳、供电性能提升、节能高效运行以及经济友好服务4个方面分析新形态城市电网源网荷发展的特征。通过选择新形态城市电网评价的核心指标和二级指标，构建综合评价指标体系，为新形态城市电网的规划、建设与发展提供参考。

1 新形态城市电网核心特征分析

清洁能源接入比例不断提高，终端电气化推动效果显著增强，未来新形态的城市电网与传统城市电网对比时，在清洁能源消纳、供电性能提升、节能高效运行以及经济友好服务等方面应具备不同的特征。

1.1 清洁能源消纳

现阶段，中国清洁能源装机年均增速为6%，到2035年清洁能源发电量占比将达到69%，然而中国清洁能源消纳问题仍存在较为明显的地域和时段集中分布的特征[12]。城市电网作为清洁能源消纳的核心组件，通过多方式实现清洁能源的接入和消纳是未来新形态城市电网发展的重要内容之一。

新形态城市电网将具有高承载特征，不仅能够主动接入规模化的分布式清洁能源，还能从源网荷储不同层面实现清洁能源的灵活和优先消纳。其发展将适应中国清洁替代进程，有效解决弃水、弃风、弃光的“三弃”现象以及地域和时段层面的清洁能源消纳问题。

1.2 供电性能提升

随着终端电气化率的提升，多种柔性电力电子设备逐渐应用于城市电网各个部分，形成多能互补的交直流互联形态，对城市电网网架结构、供电安全可靠性、供电装备技术、供电运维管理以及供电故障恢复等体现供电性能的多个层面提出了更高的要求。

新形态城市电网将具有高可靠性特征，不仅能够满足终端电气化提升的供电需求，而且能够提供坚强的供电网架、优质的供电装备以及高效的维护管理。新形态电网的发展将优先确保电能供给传输的高可靠性，并有效应对来自源网荷储不同层面对供电性能的挑战。

1.3 节能高效运行

中国对碳排放提出更高要求，并不断加强资源合理配置，大力发展战略新兴产业，加快人工智能同各产业深度融合。但中国城市电网还存在供电设备利用率低、备用容量冗余、智能化信息化程度低以及灵活可调资源调控能力不足等问题。

新形态城市电网将具有净零碳、高效率以及高智能特征。作为节能高效的重要载体，通过挖掘冗余容量利用潜能，提升电力设备智能化调控程度，灵活应对需求侧可调资源等方式，为全社会提供高效清洁的绿色电能。

1.4 经济友好服务

城市电网经营模式简单，服务类型单一。随着电动汽车数量增长、综合能源系统发展以及终端电气化提升等，用户对城市电网提供综合能源服务、电力辅助服务、需求响应激励、数据运营服务及能源交易服务的需求更加突出。

新形态城市电网将具有高互动和高效益特征，不仅能够实现同多元用户间多样化需求的高效友好互动，提供常规电能供应服务的同时为用户定制化优质服务，而且能够获得除电能供应收益外的多种服务收益。其业务类型将更加丰富，在保证营业收益提升的同时增强同用户的紧密联系和友好互动。

2 新形态城市电网综合评价基础

2.1 综合评价理论方法

2.1.1 综合评价分析法

在单项指标评价的基础上，从整体角度出发对评价对象进行全面、系统且科学的评价。该方法主要包括内容有评价目标、评价对象、评价指标以及评价标准等[13]。

2.1.2 鱼骨图分析法

通过分析挖掘评价对象的影响因素，根据影响因素间的关联性进行分类整理，梳理不同影响因素间的从属关系，最终形成层次分明、条理清晰的鱼骨状图形。该方法多用于多层指标梳理，可表征不同指标间的相互支撑和影响关系[14]。

2.2 综合评价体系框架

综合评价体系构建分为3步骤实现。

2.2.1 建立评价指标体系

针对新形态城市电网，基于综合评价分析法，从清洁能源消纳、供电性能提升、节能高效运行以及经济友好服务4个方面合理选取评价指标，构建核心指标和二级指标双层评价指标架构并绘制各级评价指标鱼骨图，保证指标体系的完整性与指标间的独立性，并分别给出各指标的详细定义和计算方法。

2.2.2 设定评价指标权重

评价指标权重设置不仅需要客观合理，而且需要能够体现各指标的重要性。采用德尔菲法对评价指标权重进行赋权。

2.2.3 设定评价指标评分标准

评分标准应该科学合理且符合各指标的变化特性。采用德尔菲法建立评价指标的评分标准。

3 新形态城市电网综合评价指标体系

新形态城市电网综合评价指标体系总体架构如图1所示。

以新形态城市电网为评价对象，以综合评价分析法为指导，从清洁能源消纳、供电性能提升、节能高效运行以及经济友好服务4个层面构建新形态城市电网综合评价指标体系。评价指标体系分为核心评价指标层和二级评价指标层，核心评价指标根据新形态城市电网核心特征选择确定，从全面多维,角度体现城市电网未来新形态特征。二级评价指标基于核心评价指标的驱动因素分析，将核心评价指标层层分解为鱼骨状指标，更加全面系统地描述新形态城市电网的发展水平。

3.1 核心指标

新形态城市电网核心特征分析表明其具有高承载、高可靠、净零碳、高效率、高智能、高互动以及高效益特征，是具备清洁能源高比例消纳、供电能力安全可靠、运行方式节能高效以及优质服务经济友好能力的未来高形态城市电网。因此，构建的评价指标体系必须全面、系统且客观地体现新形态城市电网的清洁能源消纳、供电安全可靠、运行节能高效以及服务经济友好。

3.1.1 清洁能源消纳

弃风弃光弃水率是指城市电网无法消纳的分布式清洁能源发电量占总发电量的比例。该核心指标能够准确地反映城市电网对清洁能源的消纳能力，用来衡量电网可持续发展能力，且数据获取较为便利。弃风弃光弃水率A1表示为：

式中，WQ为弃风弃光弃水电量，WG为风电光伏水电实际发电量。

3.1.2 供电安全可靠

供电可靠率是指不计因系统电源不足而限电的情况下，实际供电时间与统计期内全部用电时间的百分数。作为国际电力工业应用范围最广的统计指标之一，供电可靠率体现城市电网的供电能力和供电质量，是对城市电网网架结构、供电装备性能以及供电运维管理等方面的综合体现。供电可靠率A2表示为：

式中，NS为总停电次数，tsn为单次停电持续时间，mn为单次停电户数，M为总用户数，Ts为统计期间总时间。

3.1.3 运行节能高效

设备利用率是指城市电网中输变电设施的利用效率。设备不仅指传统城市电网中的变压器、线路以及电力电子换流设备等，还包括各类新型节能智能设备。该指标能反应城市电网的利用情况，评价城市电网的运行实际水平。设备利用率A3表示为：

式中，PLc为城市电网设备实际所带负荷大小，PLb为城市电网设备最佳负载能力。设备最佳负载能力主要指考虑一定的安全可靠原则、网络结构、负荷特性及其发展条件下设备所能承受的最大负荷。

3.1.4 服务经济友好

客户满意度是指客户对城市电网服务效率、服务质量以及交易市场的满意度。该指标反映了不同用户群体对城市电网提供服务的满意程度，城市电网不仅提供传统的电能供应服务，而且还包括综合能源服务、需求响应服务以及数据运营服务等新型业务服务。通过该指标了解用户的需求和电网企业存在的问题，以提供与客户需求相匹配的定制优化服务。客户满意度A4表示为：

式中，Ci为各选项满意度指数（百分制），pCi为各选项所占比重，I为客户所有满意度选项。

3.2 二级指标

基于鱼骨图分析法，根据上述新形态城市电网核心评价指标，分析影响核心评价指标的因素，通过关联性梳理，层次分明且条理清晰地选取支撑各核心评价指标的二级评价指标。

3.2.1 清洁能源消纳方面

弃风弃光弃水率是表征清洁能源消纳的核心指标，而清洁能源消纳主要体现在清洁能源的利用水平和城市电网对清洁能源发展的支撑能力两个方面。清洁能源的利用水平可通过能源加工转换效率、单位GDP能耗下降率、单位能耗碳排放量以及煤炭消耗增长率等进行表征，对清洁能源发展的支撑能力可通过清洁能源发电比例、人均可再生能源即清洁能源汽车比例等进行表征[15]。清洁能源消纳主要影响因素如图2所示。

图2 清洁能源消纳影响因素

3.2.2 安全可靠供电方面

供电可靠率是表征安全可靠供电的核心指标，而供电能力主要体现在负荷供应能力、网络结构水平、装备技术水平以及维护管理水平4个方面。负荷供应能力可通过主变“N-1”通过率、中压线路“N-1”通过率、主变重载率以及线路重载率等表征，网络结构水平可通过变电站单变率、中压线路联络率、网络接线典型化率以及中压线路平均分段数等表征，装备技术水平可通过变电站综合自动化率、配电网自动化覆盖率、变电站无功配置比例以及电压无功综合自动调节装置比例等表征，而维护管理水平可通过主要设备完好率、带电作业项目比例、线路完好率以及重复停电比例等表征。安全可靠供电主要影响因素如图3所示。

图3 安全可靠供电影响因素

3.2.3 节能高效运行方面

设备利用率是表征节能高效运行的核心指标，而运行的节能高效主要体现在节能水平和高效运行水平两个方面。节能水平可通过零碳能源比重、节能型设备占比、可再生能源路灯占比、碳交易平台建设、零碳研发投入比重、节能技术专利数以及充电站密度等表征，高效运行水平可通过智能表计比例、信息服务系统覆盖率、大数据云平台使用程度以及智能机器人巡检覆盖率等表征。节能高效运行主要影响因素如图4所示。

图4 节能高效运行影响因素

3.2.4 经济友好服务方面

客户满意度是表征经济友好服务的核心指标，而服务的经济友好主要体现在经济服务和友好互动服务两个方面。经济服务水平可通过辅助服务收益率、综合需求响应服务收益率、需求侧响应服务收益率以及净资产收益率等表征，友好互动服务可通过供电抢修到达现场及时率、业扩报装服务时限达标率、实现能效管理的用户比例、需求响应签约负荷占比、参与电网互动的智能家居比例、市场资本占比、市场化交易电量占比以及综合能源系统供电功率占比等表征。经济友好服务主要影响因素如图5所示。

图5 经济友好服务影响因素

4 新形态城市电网核心指标评价标准

4.1 评价依据

新形态城市电网综合评价指标体系的评价判据对于最终结果的影响不容忽视，基于国内外城市电网资料积累和文献分析，收集整理国内外典型城市电网相关指标并分析，通过采用德尔菲法，将核心指标按照较差、一般、较好以及优秀4个区间，构成新形态城市电网的主要指标评价标准[16-20]。

4.2 评价标准

新形态城市电网核心指标评价标准如表1所示。

表1 核心指标评价标准

新形态城市电网部分二级指标评价标准如表2所示。

表2 部分二级指标评价标准

5 结 论

在清洁能源高比例接入和终端电气化提升的背景下，结合中国净零碳发展要求和2035年远景目标，从清洁能源消纳、供电性能提升、节能高效运行以及经济友好服务方面对新形态城市电网的核心特征进行了分析。基于新形态城市电网核心特征，采用综合评价分析法和鱼骨图分析法，以核心评价指标和二级评价指标构成两层新形态城市电网综合评价指标体系，并给出核心指标和部分二级指标的评价标准。新形态城市电网综合评价指标体系将全方位客观的评价城市电网的发展建设水平，对未来新形态城市电网的规划、建设和发展具有指导意义。