雙碳背景下配電網綠色發展與安全高效耦合評價

杜 洋, 楊心剛, 郭靈瑜, 王玉潔, 周靜涵*, 譚忠富,3

(1. 國網上海市電力公司, 上海 200000; 2. 華北電力大學經濟與管理學院， 北京 102206; 3. 延安大學經濟與管理學院, 延安 716000)

2020年，中國提出了二氧化排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現碳中和的雙碳目標，能源燃燒作為二氧化碳的主要來源，占二氧化碳排放的88%左右，而電力行業排放量約占能源行業排放的41%。基于此，電力能源清潔化轉型成為了以碳減排為目標的能源發展主旋律，多年來，中國以煤炭為主的能源供給結構逐漸被打破，此外，在虛擬電廠、多能互補等能源消費模式不斷優化[1]，需求響應、智慧能源系統等能源管理模式不斷迭代下[2]，新能源開始大規模開發和利用，然而，受光伏、風電發電不穩定影響，世界范圍內電力危機頻發[3]，這給中國電力行業能源發展帶來了警示，同時也使大規模新能源并網下配電網綠色發展與安全高效是否失衡成為一個值得研究的問題。

目前，中外學者針對電網安全運行水平、可再生能源并網下電網綠色發展水平等問題已展開了廣泛研究。Chung等[4]從供電可靠性、發電經濟性、環境可持續性、技術互補性4個方面綜合評價了韓國能源安全水平，并基于能源利用效率最大化提出了能源結構改進方向。史丹等[5]源從能源可得性、經濟性、清潔性和可持續性4個方面綜合考慮，綜合評價了我國一次能源安全水平，并提出了能源安全保障途徑。艾欣等[6]在電網效益維度設計了考慮可再生能源發電量的環境效益指標，反映電網節能減排水平同時也能體現出分布式能源波動性、不可控性對電網運行產生的影響。李彥普[7]從能源生產結構、能源消費結構、電能替代和清潔能源替代、節能降耗、環境協調性5個維度考慮，構建了能源綠色評價模型，模型體現了能源發展過程中能源產業、人與環境的和諧共生情況。張師等[8]通過對比吉林某地區分布式風光儲接入前后中壓配電網穩定性發現，分布式風光儲接入配電網末端，可以有效提高配電網運行電壓水平。張一泓等[9]從安全性、經濟性、適用性三方面考慮，建立了配電網運行綜合評價模型，評價結果顯示改進的物元可拓綜合評價法更適合清潔能源并網下配電網運行狀態評價。郭超豪[10]結合可再生能源發電間歇性、隨機性的特點，構建了基于可再生能源并網的智能電網安全評價體系，用以評價智能電網安全等級和篩選安全監控點，最后針對安全監控點提出了智能電網安全管控策略。馬杰等[11]為合理量化可再生能源接入下配電網靈活性，從電源側、配網側、負荷側三方面考慮，提出了配電網靈活性評價指標體系及計算方法，為高滲透率下配電網建設提供輔助參考。

上述研究能夠從多角度測算電網安全運行水平，也為清潔能源并網下能源綠色發展水平測算提供了評價依據，但是并未涉及以配電網為核心的臺區安全高效與綠色發展影響關系及協調水平研究。在國家政策激勵下，能源生產和消費逐漸走向清潔化，但是可再生能源出力的不確定性會間接影響電力的生產供應，繼而對配電網安全高效運行產生較大影響[12]，可能導致用戶側電力需求失去保障。因此，合理評估可再生能源接入水平與電網安全高效運行水平的耦合程度是推廣可再生能源、轉換能源結構的首要前提。現基于電網安全運行與綠色發展的相互作用關系進行了關鍵指標提取，并構建配電網綠色發展與安全高效耦合協調程度評價指標體系，采用熵權法進行指標賦權，基于線性加權法計算電網綠色發展、電網安全高效兩個子系統各自的評價結果，最后構建耦合協調度模型，通過耦合度和耦合協調度反映電網綠色發展與安全高效之間的相互作用關系，以期為判斷配電網安全運行水平，及時修正配電網綠色發展態勢提供理論基礎，在保障配電網安全的前提下，為實現新一輪能源結構和能源消費轉型升級目標助力。

1 配電網綠色發展現狀分析

中國能源結構長期以煤炭為主導，是全球最大的碳排放國家，近期，國網公司就如何實現“碳達峰”與“碳中和”目標發布了行動方案，以推進能源供給清潔化和能源終端消費電氣化，同時還提出要處理清潔發展與系統安全、電力保障間的相互作用關系。從中國近年來的清潔電力能源發展來看，風電已經成為僅次于火電和水電的第三大電力來源。2019年風電發電量為4 057億kWh，占全國發電量的5.54%。2019年與2012年中國清潔電源結構如圖1所示。

圖1 2019年及2012年清潔電源裝機量對比Fig.1 Comparison of clean power installations in 2019 and 2012

國家電網除了不斷提高電源供給側清潔水平外，還通過大力開拓用電市場來降低消費側碳排放水平。2019年，公司完成電能替代電量1 802億kWh，實施工業加工領域電能替代電量758億kWh，長江流域港口建成岸電1 116個，推廣家庭電氣化產品13萬臺，完成35個營業廳電動汽車體驗區建設升級。2019年中國電能替代各領域分布概況如圖2所示。

圖2 2019年電能替代各技術領域分布概況Fig.2 Electrical energy substitution by technology area distribution profile in 2019

配電網安全運行是電網向用戶提供電力服務的前提，配電網作為連接電力供給側與消費測的媒介，需要保障發、供電實時平衡。然而，能源轉型背景下，中國的終端電氣化水平快速提升，經濟社會發展對電力的依賴程度也越來越高，進一步提高了配電網安全運行挑戰性。一方面，配電網供給側清潔能源大多具有發電隨機性強、間歇性強、可調節能力弱等特點，因此，大規模新能源并網對電網柔性可控要求更高；另一方面，需求側推進電能替代實現綠色消費，引導負荷類型和負荷需求激增，此外，負荷柔性的增加增大了電網運行損耗，影響電網安全可靠性，電網保障電力持續可靠供電和安全穩定的難度增大。為保障配電網安全高效運行，需要在評估電力系統安全性及綠色發展耦合程度的基礎上，協調配電網綠色發展與安全運行的矛盾，從而在保障配電網安全性的同時，實現新能源接入水平、新能源消納率、電能替代覆蓋率全面提升，綜上，城市配電網綠色發展與安全高效實現路徑如圖3所示。

圖3 城市配電網綠色發展與安全高效實現路徑Fig.3 Green development and safe and efficient realization path of urban distribution network

2 評價指標體系構建

基于配電網綠色發展與安全高效相互作用關系，提取關鍵指標因素，在配電網綠色發展維度通過引入清潔能源裝機、傳統火電機組清潔高效改造、發電單元所產生的二氧化碳排放量、新能源利用水平、電能替代水平以及電能占終端能源消費比重，此類指標反映了配電網的綠色發展水平特征及節能降耗成效，并且超過一定發展比例時，將對配電網安全運行產生不利影響。而配電網安全運行維度則從供電可靠性、供電安全性、電能質量三個角度提取指標，反映在可再生能源接入以及電能清潔替代下配電網安全性變動趨勢，綜上，形成配電網綠色發展與安全高效耦合評價指標體系如表1所示。

表1 配電網綠色發展與安全高效耦合評價指標Table 1 Evaluation index of coupling green development and safety and efficiency of distribution network

3 熵權-耦合協調綜合評價模型

熵權-耦合協調綜合評價方法的實現路徑是首先通過熵權法計算各指標權重，使指標權重主要取決于實際數據，然后利用線性加權法計算配電網綠色發展及配電網安全高效兩個子系統的綜合評價值，最后利用耦合協調模型計算兩個子系統的協調發展水平。

3.1 熵權法計算評價指標權重

熵權法是根據各評價指標內在信息反映出來的外部數據形態來確定評價指標權重的方法，其可以有效避免專家打分導致的指標權重主觀性強的問題。考慮到配電網綠色發展及安全高效評價需要以運行實際數據為參考，加入人為判斷可能會導致系統內部信息在映射系統運行問題時出現失真現象。因此，選取熵權法對配電網綠色發展與安全高效評價指標體系的各指標進行賦權，并在此基礎上進一步計算配電網安全發展與綠色發展水平。基于熵權法的配電網綠色發展與安全高效評價指標賦權流程如下。

(1)指標無量綱化處理。采用極差標準化法對配電網綠色發展與安全高效評價指標數據進行標準化。

正向指標：

(1)

逆向指標：

(2)

式中：i為年，取值范圍為1～m；j為配電網安全運行與綠色發展評價指標，取值范圍為1～n。Xij為第i年第j項指標處理后的標準值；xij為第i年第j項指標原值；maxxj和minxj分別為第j項指標在所有年份中的最大值和最小值。

(2)計算第i年第j項指標在指標j總和中的比重Pij：

(3)

(3)計算第j個指標的信息熵ej：

(4)

式(4)中：Pij為第i年第j項指標在指標j總和中的比重；m為評價對象指標數據選取年數。

(4)計算第j個指標的差異系數gj：

gj=1-ej

(5)

(5)計算第j個指標的權重wj：

(6)

3.2 線性加權法計算綜合評價結果

分別構建配電網安全運行與配電網綠色發展評價函數，考慮到這是兩個互相影響且相互獨立的系統，可以基于熵權法確定的各評價指標權重，用線性加權法分別計算兩個系統的綜合評價結果，具體如下。

(1)配電網綠色發展系統綜合評價結果測算：

(7)

(2)配電網安全運行系統綜合評價結果測算：

(8)

3.3 耦合協調模型

耦合指多個系統彼此關聯、相互影響的協同關系，包括耦合度和耦合協調度兩個方面。其中，耦合度主要反映不同系統的要素集合之間相互作用的強弱程度，不區分相互作用優劣性；耦合協調度主要度量研究對象發展周期內系統間要素集合之間的和諧程度，可以進一步體現系統間的協同或制約特征。耦合度計算是耦合協調度計算的基礎，具體如下。

(1)耦合度計算：

(9)

式(9)中：C為多系統耦合度，C∈[0,1]。C越接近1，則說明耦合評價對象之間相互作用力越大；u為系統功效函數，即各耦合評價對象綜合評價水平，后續算例分析中，分別令u1=P(X),u2=E(Y)；t為耦合評價對象系統個數，現取值為2，即配電網安全運行評價子系統和配電網綠色發展評價子系統。

(2)耦合協調度計算：

(10)

T=αu1+βu2=αP(X)+βE(Y)

(11)

式中：D為耦合評價系統耦合協調度，D∈[0,1]，D值區間范圍與含義劃分仍需要根據耦合評價對象性質進一步確定；T為二維系統綜合評價指數；α、β為待定系數，滿足α+β=1。

綜合現有研究，將配電網安全運行與綠色發展耦合協調度劃分為等距的10個區間，具體區間劃分情況如表2所示。

表2 配電網安全運行與綠色發展耦合協調度區間劃分Table 2 Distribution grid safe operation and green development coupling coordination degree interval division

4 算例分析

4.1 基礎數據

為了驗證模型的有效性和科學性，以某省級電網公司實際數據為基礎，對電網公司歷年綠色發展及安全水平進行調研和統計，選取2006—2019年各指標數據為研究樣本數據。在耦合的系統中，多個因素構成的評價指標體系由于各指標的量綱、數量級和指標性質不同，為了使電網綠色發展指標和安全運行指標的結果具有可比性，消除維度的影響，需要對原始數據進行標準化，并利用熵權法對兩個子系統內的指標進行客觀賦權。

(1)電網綠色發展指標原始數據標準化結果：

(2)電網安全高效指標原始數據標準化結果：

(3)基于熵權法的電網綠色發展指標賦權結果：

0.310 5 0.145 2)。

(4)基于熵權法的電網安全高效指標賦權結果：

0.147 3 0.314 2)。

4.2 配電網綠色發展綜合評價

根據單維度綜合評價模型，配電網綠色發展指標各年評價值變化如圖4所示，2006年配電網綠色發展初始評價值為0.060 3，隨后呈現逐年增長趨勢，2019年配電網綠色發展綜合評價值達0.872 5。結合國家政策形勢，配電網綠色發展水平大致分為以下幾個階段。

圖4 2006—2019年配電網綠色發展指標綜合評價值Fig.4 Comprehensive evaluation value of green development indicators for distribution grids in 2006—2019

(1)2006—2010年，電網綠色發展主要表現為通過建設與發展特高壓，促進國家煤電、水電、核電基地的開發，電網跨區線路輸電能力得到了有效提升，設備平均利用小時數也得到合理改善。

(2)2011—2015年，電網公司重點圍繞清潔能源消納開展了調峰電源、輸電通道建設等；在交通、建筑、工業等領域開展電能替代市場的探索與開拓。因此，這一階段電能替代量、電能占終端消費比重等指標評價值得到有效改善，電網綠色發展更多地體現在清潔替代以及電能替代。

(3)2016—2019年，配電網綠色發展開始注重主動協調電源、負荷、儲能以及多品種能源，實現源網荷儲靈活互動和多能互補。此外，綠色消費的新業態新模式推動工業等生產部門以及建筑、交通等消費部門實現綠色轉型，這一階段電能替代量、清潔能源發電量占總發電量占比、新能源利用率等指標評價值顯著提升。

進一步，選取部分年份綠色發展指標評價值變化進行對比，如圖5所示，2006年以來，各個指標總體呈上升趨勢，其中電能替代量水平、新能源利用率在2006—2011年期間發展較緩慢，從2012年起開始顯著上升，電能替代量評價值由2011年的0.003 623上升至2019年的0.301 5，新能源利用率由2011年的0.034 1上升至2019年的0.098 8。與大部分指標評價值向好的態勢發展不同，自2011年以來，設備平均利用小時數評價值呈現逐年下降趨勢，其主要原因是新能源發電，如風電、光伏，具有波動性和不可控性，其受到所利用資源的限制，不能根據負荷需求調節出力，從而影響配電網設備的利用率。間歇性新能源并網會對網供負荷波動與峰值造成影響，因此，為保障電力供應穩定性，現有配電網設備需為其提供備用容量，這將降低配電網設備平均利用小時數。基于此，在未來促進配電網綠色發展水平時，設備平均利用小時數是需要控制及改善的關鍵指標。

圖5 配電網綠色發展指標評價值逐年對比情況Fig.5 Year-on-year comparison of the evaluation value of the green development index of the distribution network

4.3 配電網安全高效綜合評價

“碳達峰、碳中和”目標愿景的提出，對電力安全提出了更高要求，配電網安全高效綜合評價結果如圖6所示，由圖6可知，2006年以來配電網安全高效綜合評價值總體呈現逐年向好的趨勢，僅在2009—2012年出現些許波動，單個指標評價值逐年的波動幅度不大，這與配電網保證供電服務持續穩定、逐年實現能效提升、促進技術進步等運行基本要求息息相關。

圖6 配電網安全高效綜合評價值Fig.6 Comprehensive evaluation value of distribution network security and efficiency

通過對各指標評價值進行關鍵指標追溯，情況如圖7所示，由圖7可知，2006—2019年，電網設備故障次數、城市供電可靠率指標評價值維持在穩定狀態；線損率、供電標準煤耗、城市綜合電壓合格率在評價初期略有改善，自2011年開始趨于穩定，這表明在當前技術水平下，此類指標已達到標準水平，在未來需要通過火電廠清潔化改造、技術創新等手段才能促進指標改善；電網頻率可靠率在2017年有了較大幅度的改善，是未來需要管控的關鍵指標。

圖7 配電網安全高效指標評價值逐年對比情況Fig.7 Year-on-year comparison of evaluation values of safety and efficiency indicators of distribution networks

4.4 配電網綠色-安全耦合評價

通過耦合協調模型，計算配電網綠色發展與安全高效兩個維度之間的相互作用及耦合關系，評價結果如圖8所示。自2006年起，配電網綠色發展與安全高效的耦合度一直維持在0.80以上，到2019年相互作用評價值達到了0.998 8，說明兩個維度間存在較強的相互作用，且作用效果逐年增強。

圖8 電網綠色發展與安全高效耦合度變化Fig.8 Changes in the coupling degree of green development and safety and efficiency of power grid

電源側綠色發展與配電網安全高效的相互作用主要是配電網清潔能源接入，一方面，接入位置以及電源結構等影響配電網設備負載率，其出力的隨機性和不確定性也會影響電能質量，大規模新能源接入配電網，將改變故障電流的大小、持續時間及方向，新能源發電系統本身的故障行為也會對配電網的運行和保護造成不利影響，降低電網供能可靠性，同時，新能源發電接入配電系統后，若其規劃不符合實際需求，將可能出現設備利用率低、損耗增加、電網可靠性降低等諸多問題。另一方面，新能源有效改善了能源結構和發電形式，與儲能裝置配套接入配電網，能增大系統的供應電力的質量水平，利用儲能裝置能盡量的調節系統產生電能的大小，減小因為天氣和所處環境對系統內新能源工作的影響，降低新能源不確定出力引起的系統功率波動，讓系統的出力更為平穩，可以局部向重要負荷提供一定電能量的支撐，有效增強重要負荷抵御配電網故障的能力，提高現有配電網的供電可靠性。

負荷側綠色發展與配電網安全高效的相互作用主要是在終端能源消費環節推廣電能替代，通過有效的需求側管理手段，可以縮小由于夏季制冷負荷造成的冬夏季負荷差距，減少備用機組的閑置損耗成本以及電網調峰調頻成本，為電力系統的經濟運行創造有利條件，保障了低谷時段電網安全穩定運行，促進光伏等清潔能源消納，降低機組發電煤耗和發電排污，助力節能降耗。

基于以上研究成果，考慮到待定系數α、β的賦值會影響配電網綠色發展與安全高效的耦合程度，分別取(0.5，0.5)、(0.7，0.3)、(0.3，0.7)為配電網綠色發展子系統與安全高效子系統綜合評價待定指數，分別計算配電網綠色-安全耦合協調度，結果如圖9所示。綜合來看，不同的子系統綜合評價指數待定系數下，配電網綠色-安全耦合協調度整體趨勢大致相同。因此認為配電網綠色發展與安全高效同等重要，對α=β=0.5的情境進一步分析，可以發現，中國配電網綠色-安全耦合協調度主要經歷以下幾個階段。

圖9 電網綠色發展與安全高效耦合協調度Fig.9 Degree of coordination between green development and safe and efficient coupling of power grid

(1)2014年以前為配電網綠色發展與安全高效失調階段，具體表現為兩個系統發展水平均較低，且電網綠色發展暫時處于弱勢地位。這是由于當時我國處于綠色發展的初級階段，缺少合理的規劃和技術保障措施，而配電網安全穩定水平應維持在保障提供持續供電服務的標準范圍內，因此兩個系統的耦合協調度較低。

(2)2014—2016年為配電網綠色發展與安全高效磨合階段，該階段兩個系統發展水平逐步增加，且兩者發展速率相當，兩者在相互磨合中逐步發展。配電網在保障系統安全高效運行條件下、清潔能源供給-消費接入水平有限性之間的矛盾的前提下，持續推進配電網綠色發展，著眼于實現能源供給低碳化和能源需求清潔化，清潔能源并網規模逐漸增加，新能源利用率不斷提升。

(3)2017—2019年為配電網綠色發展與安全高效協調發展階段，兩個系統的發展水平均較高，發展水平高度協調，該階段配電網綠色發展不僅聚焦在能源電力行業，而且以智慧能源系統為載體，促進全社會綠色工業、綠色交通、綠色建筑和綠色生活，是配電網綠色發展的新趨勢，在合理規劃以及儲能、微電網等技術的支撐下，清潔能源供給消費對配電網安全運行的沖擊也得到合理的控制，配電網綠色發展和安全高效將在未來一段時間內高度協調發展，最后達到高度共生水平。

進一步，針對α=0.3、β=0.7，α=0.7、β=0.3兩種情境開展敏感性分析，如圖9所示，配電網綠色發展權重越高，配電網綠色發展與安全高效的耦合協調度越大，這說明配電網綠色發展的重要性越大，即配電網綠色發展將在未來一段時間內促進配電網安全高效發展。

5 結論

在“碳達峰”“碳中和”“能源革命”等多重能源政策背景下，電力供給和消費結構都發生了深刻改變，“綠色”成為能源發展的主導理念。構建的配電網綠色發展-安全高效綜合評價方法，一方面可以通過單維度綜合評價值反映近年來配電網綠色發展及安全高效發展水平，及時發現綠色發展及電力安全運行中的薄弱環節；另一方面，可以通過耦合度及耦合協調度評價值反映配電網綠色發展與配電網安全高效兩個系統間的相互作用程度以及耦合程度，準確預測和評估新能源、新業態接入后對配電網安全穩定運行的影響，為保障新能源大規模開發和高效利用、滿足經濟社會發展的用電需求、推動配電網安全高效發展及電網企業規劃決策提供合理決策依據。