高彈性電網(wǎng)精準投資指數(shù)理論及其應(yīng)用研究

黃沈海，杜 超，金 顯，竇金月，張黛妮

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司經(jīng)濟技術(shù)研究所，浙江 嘉興 314000）

0 引言

為貫徹國網(wǎng)公司建設(shè)“中國特色國際領(lǐng)先能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)”戰(zhàn)略，浙江公司確立了“將浙江電網(wǎng)建設(shè)成能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下多元融合的高彈性電網(wǎng)”目標。高彈性電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的再升級，是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心載體，是海量資源被喚醒、源網(wǎng)荷儲全交互、安全效率雙提升的電網(wǎng)，具有高承載、高互動、高自愈、高效能四大核心能力。建設(shè)高彈性電網(wǎng)，需要研究如何發(fā)揮電網(wǎng)投資的最大效能，從傳統(tǒng)的“保安全弱經(jīng)濟”轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍踩?jīng)濟并駕齊驅(qū)”。因此，全面系統(tǒng)地掌握現(xiàn)有電網(wǎng)投資的狀況，不僅是電網(wǎng)建設(shè)投資管控精益化和提升投資決策水平的要求，也是建設(shè)高彈性電網(wǎng)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)行的電網(wǎng)建設(shè)投資評估主要是采用傳統(tǒng)的工程項目后評估法[1-3]，評估結(jié)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(wǎng)投資的經(jīng)濟性角度出發(fā)，將成本和收益作為評估電網(wǎng)建設(shè)投資狀況的主要指標，而與電網(wǎng)本身的架構(gòu)、電網(wǎng)安全性和可靠性聯(lián)系較少。而在實際電網(wǎng)運營過程中，電網(wǎng)建設(shè)投資是保證電網(wǎng)持續(xù)供電、安全運行的基礎(chǔ)，而僅從財務(wù)角度無法全面客觀地評價電網(wǎng)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(shè)的經(jīng)濟、社會以及技術(shù)指標，但未考慮需求側(cè)互動關(guān)系。

2）指標體系中關(guān)鍵特征量無法量化。如陳云峰等[9]在對主網(wǎng)輸變電工程進行評價時，二級指標中的“建設(shè)效果”和“可持續(xù)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(wǎng)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(wǎng)投資優(yōu)劣程度分為“優(yōu)秀、良好、一般、及格、差”。同樣的，郭兆蕊等[14]將電網(wǎng)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(wǎng)投資的等級進行量化，但其綜合系統(tǒng)得分未能反應(yīng)出電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)投資存在的難題，同時能夠滿足高彈性電網(wǎng)建設(shè)對于精準投資的要求，本文通過歸納總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究成果，對已有成本進行系統(tǒng)梳理和深入分析，初步探討高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)研究的問題，提出了高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)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(jié)合實例結(jié)果，分析投資差異原因，為推進電網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定一定基礎(chǔ)。

1 高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)理論研究

1.1 投資指數(shù)定義

投資指數(shù)是對高彈性電網(wǎng)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(shù)值，通過研究對象的關(guān)鍵特征量，經(jīng)過本文所提出的投資指數(shù)模型運算獲得。投資指數(shù)具有邏輯性強、量化直觀的特點，可用于判斷地區(qū)在高彈性電網(wǎng)下電網(wǎng)投資的合理程度，以此確定在下一年度中調(diào)整和干預(yù)的方向。該投資指數(shù)是面向地區(qū)電網(wǎng)，綜合表征地區(qū)電網(wǎng)投資狀態(tài)。然而高彈性電網(wǎng)下的電網(wǎng)投資是一個復(fù)雜系統(tǒng)、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(wǎng)投資狀況是電網(wǎng)公司面臨的難題，如何量化確定投資情況也沒有統(tǒng)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(wǎng)投資評價在可靠性和安全性的基礎(chǔ)上，指標體系更加兼顧電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力。因此，從經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量以及清潔高效4 個維度來描述高彈性電網(wǎng)下電網(wǎng)投資指數(shù)。

1）經(jīng)營業(yè)績指電網(wǎng)公司在高彈性電網(wǎng)下的投資效益和投資效率的能力，即電網(wǎng)公司投入一定資金來滿足高彈性電網(wǎng)建設(shè)時，電力電量的提升和電網(wǎng)資金的落位情況，既要避免系統(tǒng)容量的浪費，又要防止出現(xiàn)“卡脖子”現(xiàn)象。

2）電網(wǎng)安全指高彈性電網(wǎng)抵御重大災(zāi)害的恢復(fù)能力和事故狀態(tài)前的抗干擾能力，這些能力可以保證電網(wǎng)供電的持續(xù)性和可靠性。

3）服務(wù)質(zhì)量指電網(wǎng)公司開展電網(wǎng)業(yè)務(wù)的情況，反映電網(wǎng)公司在電力市場開放的情況下，市場中的占有率和服務(wù)狀態(tài)。

4）清潔高效指電力終端使用電能情況和電網(wǎng)協(xié)調(diào)用戶側(cè)負荷的能力情況，衡量的是地區(qū)電氣化程度和源荷互動程度。

1.2 投資指數(shù)計算

傳統(tǒng)的投資評價體系只針對電網(wǎng)建設(shè)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(wǎng)投資指數(shù)計算模型是投資指數(shù)理論研究的核心和關(guān)鍵。

高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)的計算過程為輸入需評價的某地市電網(wǎng)投資的關(guān)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(shù)，并通過投資指數(shù)所屬范圍確定投資等級，如圖1所示。確定投資指數(shù)確定的主要計算過程包括關(guān)鍵特征量的計算和投資指數(shù)的計算及建模。

圖1 高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)評價過程

1.2.1 關(guān)鍵特征量

根據(jù)建設(shè)高彈性電網(wǎng)的要求和導向分析結(jié)果，影響電網(wǎng)投資指數(shù)的因素可以劃分為經(jīng)濟因素和技術(shù)因素。經(jīng)濟因素主要包括經(jīng)濟效益、資金分配等因素；技術(shù)因素包括電網(wǎng)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(wǎng)投資最典型的最少關(guān)鍵特征量集合，是計算高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)的基礎(chǔ)，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(shù)計算模型復(fù)雜化，無法落實到具體工作中。

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

高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)關(guān)鍵特征量的篩選過程避繁就簡，將篩選過的11 項關(guān)鍵特征量映射到4個評價維度中（經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)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(tǒng)計年份電網(wǎng)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(wǎng)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(jiān)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(qū)總損失電量；Se′表示縣區(qū)總供電量；nλ表示滿足N-1 原則的元件數(shù)量；N 表示總的元件數(shù)量；qα表示電網(wǎng)公司業(yè)務(wù)市場占有份額；Q 表示市場業(yè)務(wù)總份額；nβ表示10 000 件供電業(yè)務(wù)中質(zhì)量投訴案件數(shù)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(zhuǎn)移負荷占比和上一年可轉(zhuǎn)移負荷占比。

表1 表征高彈性電網(wǎng)投資狀況的關(guān)鍵特征量

1.2.2 計算模型與方法

高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)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(wǎng)投資指數(shù)模型。評估流程如圖2 所示。

圖2 高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)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(jié)合，用物元R 來表示，表達式如下：

式中：p={p1，p2，…，pl}表示有l(wèi) 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(yīng)的值。

2）確定經(jīng)典域與節(jié)域。

將評價目標分為m 個評價等級，則經(jīng)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(yīng)的特征值vij的取值范圍為[aij，bij]，所構(gòu)成的Ri成為經(jīng)典物元矩陣。

節(jié)域指的是評價等級區(qū)間的全體集合，節(jié)域物元是經(jīng)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(jié)域。

3）確定特征值權(quán)重。

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

4）確定待評方案關(guān)于各投資等級的關(guān)聯(lián)度。

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

關(guān)聯(lián)函數(shù)是對“有”和“無”之間變化過程的定量描述，反應(yīng)的是事物量變和質(zhì)變的過程，其中關(guān)聯(lián)函數(shù)的值域為全體實數(shù)（-∞，+∞），用關(guān)聯(lián)函數(shù)表示待評事物特征關(guān)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(guān)聯(lián)指數(shù)η。

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

1.3 投資等級劃分

高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)量化了高彈性電網(wǎng)投資情況，不同的數(shù)值對應(yīng)投資不同的等級。本文將高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)的取值范圍確定為（0，5]，指數(shù)值越大，所代表的投資情況越優(yōu)。結(jié)合目前對電網(wǎng)投資的研究和各地市應(yīng)用情況，提出將高彈性電網(wǎng)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(guī)定了每個投資等級所對應(yīng)的投資指數(shù)得分區(qū)間。

1）精準投資。精準投資指數(shù)得分區(qū)間為[4，5），該等級的高彈性電網(wǎng)建設(shè)投資能夠高效、準確地落實到高經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量和清潔高效等4 個維度，且其對應(yīng)的關(guān)鍵特征量均能達到高標準。

2）合理投資。精準投資指數(shù)得分區(qū)間為[3，4），該等級的高彈性電網(wǎng)建設(shè)投資能夠較為高效、較為準確地落實到高經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量和清潔高效等4 個維度，且其對應(yīng)的關(guān)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(xiàn)有低于標準的趨勢。

3）基本合理。精準投資指數(shù)得分區(qū)間為[2，3），該等級的高彈性電網(wǎng)建設(shè)投資能夠較為有效地落實到高經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量和清潔高效等4 個維度，且其對應(yīng)的關(guān)鍵特征量均能達到標準，但是部分關(guān)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(shù)得分區(qū)間為[1，2），該等級的高彈性電網(wǎng)建設(shè)投資總體上能落實到經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量和清潔高效等4 個維度，但是其對應(yīng)的關(guān)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(shù)得分區(qū)間為[0，1），該等級的高彈性電網(wǎng)的建設(shè)投資已經(jīng)無法落實到經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量和清潔高效等4個維度，其對應(yīng)的關(guān)鍵特征量嚴重不達標，無論是電網(wǎng)經(jīng)濟和安全都無法滿足電網(wǎng)建設(shè)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(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量、清潔低碳作為研究對象，對這4 個評價維度的關(guān)鍵特征量進行計算匯總，并通過本文提出的高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)計算模型，計算各市所對應(yīng)的投資指數(shù)，以驗證投資指數(shù)計算模型的合理性和有效性。5 個地市的關(guān)鍵特征量如表2 所示。

表2 不同地市評價維度的關(guān)鍵特征值統(tǒng)計

2.1 數(shù)據(jù)處理

由于表征投資狀態(tài)的關(guān)鍵特征量較多，且各個關(guān)鍵特征量的數(shù)量級不同，量綱差異大，直接將數(shù)據(jù)帶入模型會存在較大的誤差，且這些關(guān)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(tǒng)計數(shù)據(jù)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(guān)鍵特征值；表示原始關(guān)鍵特征值。

本文利用層次分析法確定高彈性電網(wǎng)下投資指數(shù)體系下各個指標的權(quán)重，通過判斷一致性指標CR<0.1 確定權(quán)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(quán)重

表4 二級指標對于對象集的權(quán)重

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

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

從表5 的計算結(jié)果看，地市A 和B 投資指數(shù)分別為2.211 5 和2.516 6，均屬于電網(wǎng)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(wǎng)投資精準度劣于地市B。同理可知，由于ηE＜ηC＜ηD，地市D 電網(wǎng)投資最優(yōu)，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(wǎng)投資指數(shù)評價體系下，“電網(wǎng)安全”依然是電網(wǎng)投資建設(shè)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(wǎng)投資指數(shù)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(wǎng)互動效率也占有較大比重，而地市D 在關(guān)鍵特征量“可轉(zhuǎn)移負荷占比”具有較大優(yōu)勢，故在C，D，E 3 市比較中，地市D總體高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)較大。

表5 各市投資指數(shù)和投資等級計算

3 投資指數(shù)應(yīng)用

高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)理論研究是對電網(wǎng)投資狀況的量化描述，對電網(wǎng)規(guī)劃、經(jīng)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(wǎng)建設(shè)和發(fā)展。

1）在電網(wǎng)規(guī)劃方面，由于高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)綜合了經(jīng)濟指標和電網(wǎng)安全指標，有助于通過投資指數(shù)判斷電網(wǎng)安全及可靠性情況，電網(wǎng)規(guī)劃從單一目標對話轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙h目標規(guī)劃，并充分考慮用戶側(cè)負荷協(xié)調(diào)能力，提升需求側(cè)參與電網(wǎng)活動的積極性，結(jié)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(jù)電網(wǎng)目前的安全情況，在預(yù)測未來電網(wǎng)規(guī)劃時能夠大大提高其可靠性和包容性。

2）在經(jīng)營分析方面，依托高彈性電網(wǎng)精準投資指數(shù)理論，通過建立高彈性電網(wǎng)投資評估平臺，提升電網(wǎng)投資指標和數(shù)據(jù)的深度和廣度，不僅可以深度挖掘用戶側(cè)負荷數(shù)據(jù)，還能優(yōu)化營商環(huán)境，提升用戶電力獲得感。電網(wǎng)經(jīng)營管理是結(jié)合經(jīng)驗與專業(yè)的知識密集型工作，以高彈性電網(wǎng)精準投資指數(shù)理論為依據(jù)的電網(wǎng)經(jīng)營風險管控。結(jié)合了大量的專業(yè)指標和專家經(jīng)驗，能夠充分考慮電網(wǎng)投入產(chǎn)出情況，為電網(wǎng)的運行、檢修提供可靠支撐，降低電網(wǎng)經(jīng)營風險。

3）在投資策略方面，結(jié)合電網(wǎng)投資指數(shù)，統(tǒng)籌優(yōu)化各項能力和需求，合理安排電網(wǎng)建設(shè)投資，同時充分喚醒用戶側(cè)資源，減輕電網(wǎng)公司投資壓力，以此推動各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，服務(wù)能源消費優(yōu)化和能源安全。在新形勢下，電網(wǎng)投資建設(shè)已經(jīng)由“高速”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案哔|(zhì)量”，而隨著新能源革命的深化發(fā)展，需要將更多的目光放到配電網(wǎng)建設(shè)。從電力投資趨勢來看，我國電網(wǎng)整體水平已經(jīng)滿足需求，但是在新能源消納、調(diào)峰調(diào)頻能力方面依然存在較大缺口。

4 結(jié)語

本文較為系統(tǒng)地研究了高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)理論，提出了高彈性電網(wǎng)下電網(wǎng)投資指數(shù)定義、等級劃分、關(guān)鍵特征量及高彈性電網(wǎng)投資指數(shù)的計算模型，通過實例分析可知，該投資指數(shù)能夠?qū)?fù)雜的電網(wǎng)投資，從經(jīng)營業(yè)績、電網(wǎng)安全、服務(wù)質(zhì)量和清潔高效多維度反映復(fù)雜電網(wǎng)投資情況及其投資等級，并且能量化反映電網(wǎng)投資的有效性，對電網(wǎng)規(guī)劃、經(jīng)營分析及投資策略具有參考價值。