配电网资产综合绩效影响因素分析及评价方法

董力通，樊 伟，陈英华，葛艳琴，徐雪松，谭忠富

(1.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209;2.华北电力大学经济与管理学院，北京 102206)

2020年3月，国家电网公司将“具有中国特色国际领先的能源互联网企业”作为未来发展的战略目标，配电网作为电能传输重要支撑，促进配电网高质高效发展能够推动电网公司战略目标的实现[1]。配电网通过构建合理的电网结构，能够加强调峰调频和电压支撑从而促进新能源消纳，保障输电网安全稳定运行，实现输配电网协调发展、提高电网整体利用效率和电能供给安全可靠性[2-3]。配电网资产综合绩效评价是针对一个区域整体资产而言，通常将经济性作为主要评价指标。但是，在“新基建”融合创新以及电力物联网建设的视角下[4]，新能源和多源负荷接入对配电网互联互通有了新的要求，全面建设小康社会也对人民电能质量有了新的要求。除了要考虑售电量、售电收入等经济性指标，还需要考虑电压合格率、用户停电次数等安全性指标以及煤改电用户数、新能源并网比例等社会性指标[5-6]。

目前，中外关于配电网资产的研究已经较为成熟，不仅仅从经济效益的角度评估配电网资产绩效水平，还考虑了配电网的安全性能和服务性能。文献[7]遵循系统性、定量性、独立性、实用性等原则，从全寿命周期的绩效和成本角度构建配电网资产综合绩效评价体系，包括安全可靠效益、增量配电效益、投资成本等指标。为了全面评估配电网发展状况，以指标的准确性、规范性和可比性为原则，文献[8]从供电可考虑、运行故障、负载率、电压质量、线损率等多个方面构建配电网运行状态评估指标体系，文献[9]从经济效益、治理效果、发展效果3个角度对配电网治理方案展开评估，文献[10]重点分析配电网运行状态，从经济性、稳定性以及可靠性等方面分析。

为了量化评估区域配电网的发展水平，相关学者针对所建立配电网评价指标体系提出了较为适用的组合权重设计方法以及一系列的综合评价方法。为了深入分析配电网服务效能，文献[11]兼顾主观因素和客观因素，采取组合赋权方法对社会效益和服务效益指标进行赋权；文献[12]采用了最小二乘思想解决了组合权重、组合预测等存在偏差的问题。文献[13]应用合作博弈法计算出各指标的基础权重，然后通过变权公式修正基础权重，同样采用了组合赋权的思想，基于合作博弈理论和梯形云模型提出配电网模糊评价方法。文献[14-16]为了综合考虑配电网评价指标的主客观信息，均采用了组合赋权的方式设计指标权重。文献[17-18]应用物元可拓理论对电网运行的状态进行评估，能够确定电网状态、效益等属性参量等级。

当前，中国配电网整体发展水平虽有显著提高，但城乡及区域发展水平不均衡，另外分布式电源与多元化负荷大量接入给配电网安全稳定运行带来挑战，不利于新型基础设施建设的稳步推进。针对当前配电网评价存在的结果单一、忽略指标数据随机性和模糊性等问题，为了全面分析区域配电网发展情况，从成本投入、投资产出、运行效率、安全可靠、用户满意、环境保护6个维度构建配电网资产综合绩效评估指标体系。然后，兼顾评价指标的主观信息和客观信息，基于最小二乘优化思想提出了AHP-信息熵组合权重设计方法。最后，对物元可拓模型进行改进，确定配电网资产绩效评价结果从而确定所属等级。以3个区域配电网为对象做算例分析，对比分析配电网发展状况，分析其存在问题。

1 配电网综合绩效影响因素

随着新型基础设施建设步伐的加快，城市地区内高精度制造企业等重要电力用户越来越多，居民基本生活品质要求越来越高。但是，配电网呈现出“多源化”特征，风电、光伏等新能源等出现迫切需要加强“源-网-荷”协调性，不断提高配电网的安全保障能力、资源配置能力以及智能互动能力。另外，各个区域配电网在空间资源、建设标准、规划理念、政策环境等方面存在诸多差异，导致各个地区配电网建设发展程度参差不齐。

因此，为了全面系统评估各个地区配电网发展状况，综合考虑配电网的经济性、服务性和社会性特征，从成本投入、投资产出、运行效率、安全可靠、用户满意、环境保护等多个维度分析运营绩效的影响因素，构建配电网资产综合绩效评价指标体系，既能反应区域配电网资产的投入和产出，也能体现配电网服务质量水平，同时还可以评估其环保贡献程度。通过持续不断地量测、评估配电网资产绩效水平，提高新型基础设施的长期供给质量和效率。配电网资产综合绩效评价指标体系如图1所示。

图1 配电网资产综合绩效指标体系Fig.1 Comprehensive performance evaluation index system of distribution network assets

成本投入型指标主要指配电网在运行期间所产生的费用，该项指标数值越高表明配电网投入越高，包括指标有年度运维成本、年度检修维护成本、年度故障成本、退役处置成本、单位容量变电造价、单位容量输电造价、固定资产综合折旧率。

投资产出型指标主要指配电网运行带来的经济收益，该项指标越高表明配电网收益水平越佳，包括指标有年售电量、年售电收入、单位资产售电收益。

运行效率型指标主要指配电网资产运行效率，其中投资收益率越高表明配电网投入产出比越高，综合线损率越低表明配电网电能传输效率越高，资产负载率越低表明所承担的财务风险越小。

2 基于层次分析法和信息熵的组合赋权法

权重是定量评价模型中较为关键的环节，权重设计的合理性直接影响到评价结果的可信度，在提出配电网资产综合绩效评价模型之前，首先提出指标的权重设计方法。

2.1 层次分析法

层次分析法适用于解决多指标、多层次系统优化决策问题。

2.1.1 建立结构模型

将配电网资产综合绩效评价指标体系划分为目标层、准则层、方案层。

2.1.2 构建判断矩阵

采用两两比较的思想，根据重要程度判断构建判断矩阵。重要程度比例标度如表1所示。A为判断矩阵，指标i相对于指标j的重要性为aij，则

A=(aij)n×n

(1)

(2)

表1 重要程度比例标度Table 1 Importance scale

2.1.3 一致性检验

求出判断矩阵的最大特征值以及与其相对应的特征向量，借助具体的数量指标计算与衡量其不一致程度大小，即

(3)

(4)

一致性指标(RI)的值如表2所示。

表2 一致性指标(RI)的值Table 2 Values of the consistency index RI

使用一致性比率(CR)刻画其一致性更加合理，即

(5)

如果随机一致性比率CR＜0.1，说明一致性比较满意。不然，要修改初始的判断矩阵。

2.1.4 计算合并权重

根据上述内容，准则层内因素相对于目标层的权重为b1,b2,…,b3，准则Bj下方案层权重为cj1,cj2,…,cjn。方案层C内各因素w1,w2,…,wn合并权重计算公式为

wi=∑(cjkbj)

(6)

2.2 信息熵

对于客观赋权方法的选择需要考虑不同配电网资产指标体系的特征以及不同赋权方法优缺点，采用恰当的客观赋权方法。信息熵法属于客观赋权法，在包含多个指标和多个指标对象的价值评价体系中应用广泛。

(1)根据指标的原始数据构建矩阵[Pmn]，[Pmn]表示第m个区域第n项指标的数值。

(7)

(2)对原始数据进行标准化处理，其中单位资产售电收益等极大型指标和年度运维成本等极小型指标的标准化过程为

(8)

(3)计算第n项指标的熵值en为

(9)

式(9)中：

(10)

(11)

(4)计算第n项指标的差异系数gi为

gi=1-ej

(12)

式(11)中：ej为第j项指标的熵值。

(5)计算第n项指标的权重wj为

(13)

2.3 综合权重

为了克服层次分析法中主观评断经验色彩以及信息熵中过于注重数据的缺陷，提高评价结果的科学性和准确性，采用组合赋权的思想设计综合权重，能够充分体现各项指标所含信息量重要程度大小。为了减少主观权重和客观权重的偏离程度，应用最小二乘优化思想确定权重的比例系数，即

wn=αwn,i+(1-α)wn,j

(14)

(15)

式中：α为权重系数；wn,i为第n项指标的主观权重；wn,j为第n项指标的客观权重；F为综合权重求解方差和的最小目标值。

3 改进的物元可拓模型

物元可拓模型能够分析物元关系以及可拓性，通过物元变换和结构调整解决定性分析与定量分析矛盾，把不相容问题转化为相容问题。基于可拓性原理，确定评价对象对于各个等级关联度，实现全局最优决策。根据应用经验可知经典物元可拓模型在确定各评价等级关联函数值时存在局限性，将关联函数分段考虑后，如果实际数据超出节域区间，关联函数分母为0，从而无法计算，针对经典物元可拓模型的缺陷进行改进，对待评价物元和经典域进行规划化，具体如下.

3.1 物元与同征物元体

假定评价事物为N，其特征c的量值为V，通过三元组R=(N,c,V)可以描述，即为物元。如果N具有n个特征c1,c2,…,cn，特征对应量值为v1,v2,…,vn，然后进行规格化，可以表述为

(16)

3.2 经典域和节域

将R1,R2,…,Rn同类特征的量值采用区间形式刻画，Rj表示所划分的第j个评价等级。[Vij]=[aij,bij]表示量值限定范围，即经典域Rj，规格化后[V′ij]=[a′ij,b′ij]。

(17)

如果p为所有判断等级，那么[Vip]=[aip,bip]表示所有评价等级上下限，Rp表示节域。

(18)

3.3 经典域距的计算

为定量分析物元属性，计算各个点与经典域区间的距离，其计算公式为

ρ(vi,V′ij)=|vi-(a′ij+b′ij)/2|-(b′ij-a′ij)/2

(19)

式(19)中：ρ(vi,V′ij)表示点vi到区间V′ij距离。

3.4 评估综合关联度

将所有要素与经典域的距及权重相乘并加和，根据式(20)求出对各评价等级的关联度，即

(20)

式(20)中:Kj(P0)表示待评价物元P0关于等级j的隶属程度；对于所属等级的关联度越大，属于该等级可能性越高。如果Kj=maxKj(P0)，那么评价对象的等级为j。

4 算例结果

4.1 基础数据

为了分析不同区域配电网资产综合绩效高低，以某市的3个区M、N、P为研究对象，根据2019年各个地区配电网运行状况，统计各项指标数据，从成本投入、投资产出、运行效率、安全可靠、用户满意、环境保护等多个维度评估各个地区配电网实际运行状况，并分析各个配电网发展存在的问题。各个地区指标的统计数据如表3所示。

表3 M、N、P区配电网基础数据Table 3 Basic data of distribution network in areas M,N,and P

4.2 绩效评价指标权重确定

4.2.1 层次分析法确定主观权重

根据不同指标与配电网绩效的关联关系，准则层可以划分为6个维度，包括32个指标，如表4所示。根据层次分析法结构模型，生成调查问卷给配电网领域的6位专家评议并填写，将专家们的平均值构建一个判断矩阵，并计算特征向量，即配电网资产总绩效评估指标的权重。

判断矩阵一致性检验结果为0.050 1＜0.1。进而，根据准则层(成本投入型B1)下方案层(C11～C17)的判断矩阵计算特征向量，如表5所示。

该判断矩阵的一致性结果为0.008 7＜0.1，由此确定出C11～C17相对于目标层的权重为0.037 8、0.038 8、0.018 9、0.017 9、0.082 4、0.077 2、0.011 1。同理，依次计算其他方案层相对于准则层下的权。重，最后合并确定方案层各因素相对于目标层的重要程度，得到配电网综合绩效评价指标的主观权重。

4.2.2 信息熵确定客观权重

运用信息熵确定各个绩效评估指标的客观权重，按式(7)～式(13)处理配电网基础数据，首先将极大型、极小型、适度型指标标准化处理，然后计算各个指标的信息熵，最后确定指标的客观权重，如表6所示。

表4 目标层下准则层的判断矩阵Table 4 Judgment matrix of the criterion layer under the target layer

表5 准则层B1下方案层的判断矩阵Table 5 Judgment matrix of scheme layer under criterion layer B1

表6 评估指标信息熵及客观权重Table 6 Evaluation index information entropy and objective weight

4.2.3 配电网综合绩效评估指标综合权重

根据中外关于配电网效益评价指标相关文献中单一方法计算的权重结果，存在的问题要么是人为主观判断引起的部分指标权重“过大”，要么是根据客观数据计算与实际认知偏离“严重”。根据2.3节最小二乘原理，通过联立最小二乘优化函数确定出最优系数，由此确定出绩效评估指标综合权重，如表7所示。

表7 配电网综合绩效评估指标权重Table 7 Weights of comprehensive performance evaluation index of distribution network

4.3 基于改进物元可拓模型确定综合绩效所属等级

4.3.1 确定评价等级和待评物元

根据配电网系统中运行现状、关键要素以及潜在价值，提出配电网资产综合绩效评估体系。并根据各个指标信息给出5个评价等级，分别表征配电网资产综合绩效高低，即差、较差、适中、良好、优。在征得配电网领域专家同意后，形成各个等级对应的标准，如表8所示。

表8 各项指标评分标准Table 8 Scoring standards of various indicators

4.3.2 构造经典域和节域

根据表8中信息构造经典域为

4.3.3 计算关联函数值

将M、N、P 3个区的数据代入式(16)～式(20)，分别计算32项指标关于5个评价等级的关联函数值。以M区的成本投入型指标为例计算，7项指标综合关联度如表9所示。根据表9，可以判断M区配电网资产综合绩效在成本投入方面的对于R3(适中)等级区关联度最高，为0.989 3。同理，可计算出其他地区各个维度的关联值。

表9 M区的成本投入型指标综合关联度Table 9 Correlation function values of index by region

4.3.4 评估综合关联度

根据式(20)，分别加总计算各地区配电网资产绩效的综合隶属度，计算结果如图2所示。M区R2最大，由此可以确定M区配电网资产综合绩效所属的评级等级为较差；N区R4最大，N区配电网综合绩效所属的评级等级为良好；P区R3最大，P区综合绩效所属的评级等级为适中。根据实际了解情况，N地区配电网在环保、运行等方面均发展最佳，M地区发展相对落后，评价结果与根据各个地区配电网的经济、社会、环境实际发展状况相符，本文改进物元可拓评价模型实现了定性判断和定量评估的结合。

4.4 不同配电网区域薄弱环节分析

配电网作为“新基建”的骨干支撑，评价其综合绩效具有重要意义。综合考虑配电网发展的经济效益、服务效益和社会效益，得到M、N、P 3个区域配电网资产综合绩效评估等级分别为较差、适中和适中。为了深入分析各个区域配电网发展状况，从成本投入、投资产出、运行效率、安全可靠、用户满意、环境保护6个维度分析其薄弱环节。

从图3中分析得到M区配电网资产绩效各个维度的隶属等级：成本投入隶属于适中，投资产出隶属于较差，运行效率隶属于较差，安全可靠隶属于适中，用户满意隶属于适中，环境保护型隶属于较差。未来M区配电网需要提升精准投资管理水平，提高投资效率效益，持续加强清洁能源技术创新，深化清洁能源领域交流合作。

从图4中分析得到N区配电网资产绩效各个维度的隶属等级：成本投入隶属于适中，投资产出隶属于较差，运行效率隶属于适中，安全可靠隶属于适中，用户满意隶属于适中，环境保护型隶属于优。整体而言，N区配电网绩效水平较好，但是投资产出水平较低，需要提升精细化管理水平，制定合理的电网投资分配策略。

从图5中分析得到P区配电网资产绩效各个维度的隶属等级：成本投入隶属于适中，投资产出隶属于良好，运行效率隶属于适中，安全可靠隶属于较差，用户满意隶属于较差，环境保护型隶属于良好。未来P区需要重点针对配电网安全可靠运行方面加强管理，通过采用智能设备、优化中压配电网结构，减少电网停电事故发生，提升用户电力获得指数。

图2 各区配电网资产绩效的综合隶属度Fig.2 Comprehensive subordination degree of distribution network asset performance in regions

图3 M区各个维度的隶属等级Fig.3 Subordination level of each dimension of comprehensive performance in M area

图5 P区配电网资产综合绩效各个维度的隶属等级Fig.5 Subordination level of each dimension of comprehensive performance in P area

5 结论

为了新型基础设施建设的优质高效发展，需要安全、经济、可靠、智能的配电网作为支撑。从成本投入、投资产出、运行效率、安全可靠、用户满意、环境保护等6个维度构建配电网资产综合绩效评估指标体系。为了克服层次分析法中主观评断经验色彩以及信息熵中过于注重数据的缺陷，基于最小二乘优化思想设计综合权重。最后，基于改进的物元可拓模型确定配电网资产综合绩效所属等级。结果表明，M、N、P 3个区域配电网资产综合绩效评估等级分别为较差、适中和适中，针对各地区不同薄弱环节提出管理建议，加强配电网资产精细化管理水平，为“新基建”的发展创造良好环境。