配電網資產綜合績效影響因素分析及評價方法

董力通，樊 偉，陳英華，葛艷琴，徐雪松，譚忠富

(1.國網經濟技術研究院有限公司，北京 102209;2.華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206)

2020年3月，國家電網公司將“具有中國特色國際領先的能源互聯網企業”作為未來發展的戰略目標，配電網作為電能傳輸重要支撐，促進配電網高質高效發展能夠推動電網公司戰略目標的實現[1]。配電網通過構建合理的電網結構，能夠加強調峰調頻和電壓支撐從而促進新能源消納，保障輸電網安全穩定運行，實現輸配電網協調發展、提高電網整體利用效率和電能供給安全可靠性[2-3]。配電網資產綜合績效評價是針對一個區域整體資產而言，通常將經濟性作為主要評價指標。但是，在“新基建”融合創新以及電力物聯網建設的視角下[4]，新能源和多源負荷接入對配電網互聯互通有了新的要求，全面建設小康社會也對人民電能質量有了新的要求。除了要考慮售電量、售電收入等經濟性指標，還需要考慮電壓合格率、用戶停電次數等安全性指標以及煤改電用戶數、新能源并網比例等社會性指標[5-6]。

目前，中外關于配電網資產的研究已經較為成熟，不僅僅從經濟效益的角度評估配電網資產績效水平，還考慮了配電網的安全性能和服務性能。文獻[7]遵循系統性、定量性、獨立性、實用性等原則，從全壽命周期的績效和成本角度構建配電網資產綜合績效評價體系，包括安全可靠效益、增量配電效益、投資成本等指標。為了全面評估配電網發展狀況，以指標的準確性、規范性和可比性為原則，文獻[8]從供電可考慮、運行故障、負載率、電壓質量、線損率等多個方面構建配電網運行狀態評估指標體系，文獻[9]從經濟效益、治理效果、發展效果3個角度對配電網治理方案展開評估，文獻[10]重點分析配電網運行狀態，從經濟性、穩定性以及可靠性等方面分析。

為了量化評估區域配電網的發展水平，相關學者針對所建立配電網評價指標體系提出了較為適用的組合權重設計方法以及一系列的綜合評價方法。為了深入分析配電網服務效能，文獻[11]兼顧主觀因素和客觀因素，采取組合賦權方法對社會效益和服務效益指標進行賦權；文獻[12]采用了最小二乘思想解決了組合權重、組合預測等存在偏差的問題。文獻[13]應用合作博弈法計算出各指標的基礎權重，然后通過變權公式修正基礎權重，同樣采用了組合賦權的思想，基于合作博弈理論和梯形云模型提出配電網模糊評價方法。文獻[14-16]為了綜合考慮配電網評價指標的主客觀信息，均采用了組合賦權的方式設計指標權重。文獻[17-18]應用物元可拓理論對電網運行的狀態進行評估，能夠確定電網狀態、效益等屬性參量等級。

當前，中國配電網整體發展水平雖有顯著提高，但城鄉及區域發展水平不均衡，另外分布式電源與多元化負荷大量接入給配電網安全穩定運行帶來挑戰，不利于新型基礎設施建設的穩步推進。針對當前配電網評價存在的結果單一、忽略指標數據隨機性和模糊性等問題，為了全面分析區域配電網發展情況，從成本投入、投資產出、運行效率、安全可靠、用戶滿意、環境保護6個維度構建配電網資產綜合績效評估指標體系。然后，兼顧評價指標的主觀信息和客觀信息，基于最小二乘優化思想提出了AHP-信息熵組合權重設計方法。最后，對物元可拓模型進行改進，確定配電網資產績效評價結果從而確定所屬等級。以3個區域配電網為對象做算例分析，對比分析配電網發展狀況，分析其存在問題。

1 配電網綜合績效影響因素

隨著新型基礎設施建設步伐的加快，城市地區內高精度制造企業等重要電力用戶越來越多，居民基本生活品質要求越來越高。但是，配電網呈現出“多源化”特征，風電、光伏等新能源等出現迫切需要加強“源-網-荷”協調性，不斷提高配電網的安全保障能力、資源配置能力以及智能互動能力。另外，各個區域配電網在空間資源、建設標準、規劃理念、政策環境等方面存在諸多差異，導致各個地區配電網建設發展程度參差不齊。

因此，為了全面系統評估各個地區配電網發展狀況，綜合考慮配電網的經濟性、服務性和社會性特征，從成本投入、投資產出、運行效率、安全可靠、用戶滿意、環境保護等多個維度分析運營績效的影響因素，構建配電網資產綜合績效評價指標體系，既能反應區域配電網資產的投入和產出，也能體現配電網服務質量水平，同時還可以評估其環保貢獻程度。通過持續不斷地量測、評估配電網資產績效水平，提高新型基礎設施的長期供給質量和效率。配電網資產綜合績效評價指標體系如圖1所示。

圖1 配電網資產綜合績效指標體系Fig.1 Comprehensive performance evaluation index system of distribution network assets

成本投入型指標主要指配電網在運行期間所產生的費用，該項指標數值越高表明配電網投入越高，包括指標有年度運維成本、年度檢修維護成本、年度故障成本、退役處置成本、單位容量變電造價、單位容量輸電造價、固定資產綜合折舊率。

投資產出型指標主要指配電網運行帶來的經濟收益，該項指標越高表明配電網收益水平越佳，包括指標有年售電量、年售電收入、單位資產售電收益。

運行效率型指標主要指配電網資產運行效率，其中投資收益率越高表明配電網投入產出比越高，綜合線損率越低表明配電網電能傳輸效率越高，資產負載率越低表明所承擔的財務風險越小。

2 基于層次分析法和信息熵的組合賦權法

權重是定量評價模型中較為關鍵的環節，權重設計的合理性直接影響到評價結果的可信度，在提出配電網資產綜合績效評價模型之前，首先提出指標的權重設計方法。

2.1 層次分析法

層次分析法適用于解決多指標、多層次系統優化決策問題。

2.1.1 建立結構模型

將配電網資產綜合績效評價指標體系劃分為目標層、準則層、方案層。

2.1.2 構建判斷矩陣

采用兩兩比較的思想，根據重要程度判斷構建判斷矩陣。重要程度比例標度如表1所示。A為判斷矩陣，指標i相對于指標j的重要性為aij，則

A=(aij)n×n

(1)

(2)

表1 重要程度比例標度Table 1 Importance scale

2.1.3 一致性檢驗

求出判斷矩陣的最大特征值以及與其相對應的特征向量，借助具體的數量指標計算與衡量其不一致程度大小，即

(3)

(4)

一致性指標(RI)的值如表2所示。

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

使用一致性比率(CR)刻畫其一致性更加合理，即

(5)

如果隨機一致性比率CR＜0.1，說明一致性比較滿意。不然，要修改初始的判斷矩陣。

2.1.4 計算合并權重

根據上述內容，準則層內因素相對于目標層的權重為b1,b2,…,b3，準則Bj下方案層權重為cj1,cj2,…,cjn。方案層C內各因素w1,w2,…,wn合并權重計算公式為

wi=∑(cjkbj)

(6)

2.2 信息熵

對于客觀賦權方法的選擇需要考慮不同配電網資產指標體系的特征以及不同賦權方法優缺點，采用恰當的客觀賦權方法。信息熵法屬于客觀賦權法，在包含多個指標和多個指標對象的價值評價體系中應用廣泛。

(1)根據指標的原始數據構建矩陣[Pmn]，[Pmn]表示第m個區域第n項指標的數值。

(7)

(2)對原始數據進行標準化處理，其中單位資產售電收益等極大型指標和年度運維成本等極小型指標的標準化過程為

(8)

(3)計算第n項指標的熵值en為

(9)

式(9)中：

(10)

(11)

(4)計算第n項指標的差異系數gi為

gi=1-ej

(12)

式(11)中：ej為第j項指標的熵值。

(5)計算第n項指標的權重wj為

(13)

2.3 綜合權重

為了克服層次分析法中主觀評斷經驗色彩以及信息熵中過于注重數據的缺陷，提高評價結果的科學性和準確性，采用組合賦權的思想設計綜合權重，能夠充分體現各項指標所含信息量重要程度大小。為了減少主觀權重和客觀權重的偏離程度，應用最小二乘優化思想確定權重的比例系數，即

wn=αwn,i+(1-α)wn,j

(14)

(15)

式中：α為權重系數；wn,i為第n項指標的主觀權重；wn,j為第n項指標的客觀權重；F為綜合權重求解方差和的最小目標值。

3 改進的物元可拓模型

物元可拓模型能夠分析物元關系以及可拓性，通過物元變換和結構調整解決定性分析與定量分析矛盾，把不相容問題轉化為相容問題。基于可拓性原理，確定評價對象對于各個等級關聯度，實現全局最優決策。根據應用經驗可知經典物元可拓模型在確定各評價等級關聯函數值時存在局限性，將關聯函數分段考慮后，如果實際數據超出節域區間，關聯函數分母為0，從而無法計算，針對經典物元可拓模型的缺陷進行改進，對待評價物元和經典域進行規劃化，具體如下.

3.1 物元與同征物元體

假定評價事物為N，其特征c的量值為V，通過三元組R=(N,c,V)可以描述，即為物元。如果N具有n個特征c1,c2,…,cn，特征對應量值為v1,v2,…,vn，然后進行規格化，可以表述為

(16)

3.2 經典域和節域

將R1,R2,…,Rn同類特征的量值采用區間形式刻畫，Rj表示所劃分的第j個評價等級。[Vij]=[aij,bij]表示量值限定范圍，即經典域Rj，規格化后[V′ij]=[a′ij,b′ij]。

(17)

如果p為所有判斷等級，那么[Vip]=[aip,bip]表示所有評價等級上下限，Rp表示節域。

(18)

3.3 經典域距的計算

為定量分析物元屬性，計算各個點與經典域區間的距離，其計算公式為

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

(19)

式(19)中：ρ(vi,V′ij)表示點vi到區間V′ij距離。

3.4 評估綜合關聯度

將所有要素與經典域的距及權重相乘并加和，根據式(20)求出對各評價等級的關聯度，即

(20)

式(20)中:Kj(P0)表示待評價物元P0關于等級j的隸屬程度；對于所屬等級的關聯度越大，屬于該等級可能性越高。如果Kj=maxKj(P0)，那么評價對象的等級為j。

4 算例結果

4.1 基礎數據

為了分析不同區域配電網資產綜合績效高低，以某市的3個區M、N、P為研究對象，根據2019年各個地區配電網運行狀況，統計各項指標數據，從成本投入、投資產出、運行效率、安全可靠、用戶滿意、環境保護等多個維度評估各個地區配電網實際運行狀況，并分析各個配電網發展存在的問題。各個地區指標的統計數據如表3所示。

表3 M、N、P區配電網基礎數據Table 3 Basic data of distribution network in areas M,N,and P

4.2 績效評價指標權重確定

4.2.1 層次分析法確定主觀權重

根據不同指標與配電網績效的關聯關系，準則層可以劃分為6個維度，包括32個指標，如表4所示。根據層次分析法結構模型，生成調查問卷給配電網領域的6位專家評議并填寫，將專家們的平均值構建一個判斷矩陣，并計算特征向量，即配電網資產總績效評估指標的權重。

判斷矩陣一致性檢驗結果為0.050 1＜0.1。進而，根據準則層(成本投入型B1)下方案層(C11～C17)的判斷矩陣計算特征向量，如表5所示。

該判斷矩陣的一致性結果為0.008 7＜0.1，由此確定出C11～C17相對于目標層的權重為0.037 8、0.038 8、0.018 9、0.017 9、0.082 4、0.077 2、0.011 1。同理，依次計算其他方案層相對于準則層下的權。重，最后合并確定方案層各因素相對于目標層的重要程度，得到配電網綜合績效評價指標的主觀權重。

4.2.2 信息熵確定客觀權重

運用信息熵確定各個績效評估指標的客觀權重，按式(7)～式(13)處理配電網基礎數據，首先將極大型、極小型、適度型指標標準化處理，然后計算各個指標的信息熵，最后確定指標的客觀權重，如表6所示。

表4 目標層下準則層的判斷矩陣Table 4 Judgment matrix of the criterion layer under the target layer

表5 準則層B1下方案層的判斷矩陣Table 5 Judgment matrix of scheme layer under criterion layer B1

表6 評估指標信息熵及客觀權重Table 6 Evaluation index information entropy and objective weight

4.2.3 配電網綜合績效評估指標綜合權重

根據中外關于配電網效益評價指標相關文獻中單一方法計算的權重結果，存在的問題要么是人為主觀判斷引起的部分指標權重“過大”，要么是根據客觀數據計算與實際認知偏離“嚴重”。根據2.3節最小二乘原理，通過聯立最小二乘優化函數確定出最優系數，由此確定出績效評估指標綜合權重，如表7所示。

表7 配電網綜合績效評估指標權重Table 7 Weights of comprehensive performance evaluation index of distribution network

4.3 基于改進物元可拓模型確定綜合績效所屬等級

4.3.1 確定評價等級和待評物元

根據配電網系統中運行現狀、關鍵要素以及潛在價值，提出配電網資產綜合績效評估體系。并根據各個指標信息給出5個評價等級，分別表征配電網資產綜合績效高低，即差、較差、適中、良好、優。在征得配電網領域專家同意后，形成各個等級對應的標準，如表8所示。

表8 各項指標評分標準Table 8 Scoring standards of various indicators

4.3.2 構造經典域和節域

根據表8中信息構造經典域為

4.3.3 計算關聯函數值

將M、N、P 3個區的數據代入式(16)～式(20)，分別計算32項指標關于5個評價等級的關聯函數值。以M區的成本投入型指標為例計算，7項指標綜合關聯度如表9所示。根據表9，可以判斷M區配電網資產綜合績效在成本投入方面的對于R3(適中)等級區關聯度最高，為0.989 3。同理，可計算出其他地區各個維度的關聯值。

表9 M區的成本投入型指標綜合關聯度Table 9 Correlation function values of index by region

4.3.4 評估綜合關聯度

根據式(20)，分別加總計算各地區配電網資產績效的綜合隸屬度，計算結果如圖2所示。M區R2最大，由此可以確定M區配電網資產綜合績效所屬的評級等級為較差；N區R4最大，N區配電網綜合績效所屬的評級等級為良好；P區R3最大，P區綜合績效所屬的評級等級為適中。根據實際了解情況，N地區配電網在環保、運行等方面均發展最佳，M地區發展相對落后，評價結果與根據各個地區配電網的經濟、社會、環境實際發展狀況相符，本文改進物元可拓評價模型實現了定性判斷和定量評估的結合。

4.4 不同配電網區域薄弱環節分析

配電網作為“新基建”的骨干支撐，評價其綜合績效具有重要意義。綜合考慮配電網發展的經濟效益、服務效益和社會效益，得到M、N、P 3個區域配電網資產綜合績效評估等級分別為較差、適中和適中。為了深入分析各個區域配電網發展狀況，從成本投入、投資產出、運行效率、安全可靠、用戶滿意、環境保護6個維度分析其薄弱環節。

從圖3中分析得到M區配電網資產績效各個維度的隸屬等級：成本投入隸屬于適中，投資產出隸屬于較差，運行效率隸屬于較差，安全可靠隸屬于適中，用戶滿意隸屬于適中，環境保護型隸屬于較差。未來M區配電網需要提升精準投資管理水平，提高投資效率效益，持續加強清潔能源技術創新，深化清潔能源領域交流合作。

從圖4中分析得到N區配電網資產績效各個維度的隸屬等級：成本投入隸屬于適中，投資產出隸屬于較差，運行效率隸屬于適中，安全可靠隸屬于適中，用戶滿意隸屬于適中，環境保護型隸屬于優。整體而言，N區配電網績效水平較好，但是投資產出水平較低，需要提升精細化管理水平，制定合理的電網投資分配策略。

從圖5中分析得到P區配電網資產績效各個維度的隸屬等級：成本投入隸屬于適中，投資產出隸屬于良好，運行效率隸屬于適中，安全可靠隸屬于較差，用戶滿意隸屬于較差，環境保護型隸屬于良好。未來P區需要重點針對配電網安全可靠運行方面加強管理，通過采用智能設備、優化中壓配電網結構，減少電網停電事故發生，提升用戶電力獲得指數。

圖2 各區配電網資產績效的綜合隸屬度Fig.2 Comprehensive subordination degree of distribution network asset performance in regions

圖3 M區各個維度的隸屬等級Fig.3 Subordination level of each dimension of comprehensive performance in M area

圖5 P區配電網資產綜合績效各個維度的隸屬等級Fig.5 Subordination level of each dimension of comprehensive performance in P area

5 結論

為了新型基礎設施建設的優質高效發展，需要安全、經濟、可靠、智能的配電網作為支撐。從成本投入、投資產出、運行效率、安全可靠、用戶滿意、環境保護等6個維度構建配電網資產綜合績效評估指標體系。為了克服層次分析法中主觀評斷經驗色彩以及信息熵中過于注重數據的缺陷，基于最小二乘優化思想設計綜合權重。最后，基于改進的物元可拓模型確定配電網資產綜合績效所屬等級。結果表明，M、N、P 3個區域配電網資產綜合績效評估等級分別為較差、適中和適中，針對各地區不同薄弱環節提出管理建議，加強配電網資產精細化管理水平，為“新基建”的發展創造良好環境。