配电系统利用效率评估研究进展与展望

袁博

(国网河北省电力有限公司经济技术研究院，石家庄050021)

0 引言

我国配电系统投资的持续增加使其规模迅猛发展。近年来，配电系统以优化可靠性为主要目标，带来了利用效率不高等问题；加之可再生能源、多元化负荷、柔性装置等新资源的广泛接入，配电系统的整体利用效率亟待优化。在提质增效的电力发展模式下，提升配电系统利用效率的需求日益迫切。其中，作为优化利用效率基础的评估技术受到广泛关注，并在利用效率提升方面发挥着重要作用。然而，与之不适应的是，对配电系统利用效率评估的研究目前尚处于由浅及深的探索过程，具有一定基础、但整体有待深入。目前，尚无迹象表明相关学者对配电系统利用效率评估进行了综述研究。

因此，本文对配电系统利用效率评估的研究现状进行全面综述，并重点针对该技术领域中适应性评估方法进行展望，以期指导后续研究。本文结构安排如下：第1节按照运行资源、存量资源和辅助资源，定义了配电系统利用效率的3类内涵；第2节按照设备层面和系统层面对配电系统利用效率评估的研究进展进行总结，并分析其内在逻辑联系；第3节针对未来适应性的配电系统利用效率评估方法进行探讨，探讨未来的研究方向，提出基于3大维度的评估指标体系、设备个体和系统整体的互动评估思路等，并指出配电系统利用效率评估的拓展研究方向；第四章对全文进行了总结。

1 配电系统利用效率的内涵

由于整体研究时间不长，配电系统利用效率尚没有统一、全面的内涵。为此，在综合总结国内外对配电系统利用效率界定的基础上[1 - 3]，本文给出一种配电系统利用效率的含义。

定义1(配电系统利用效率)配电系统利用效率有“广义”与“狭义”之分。广义利用效率由配电系统运行资源利用效率、配电系统存量资源利用效率、配电系统辅助资源利用效率3个部分组成；狭义利用效率专指是配电系统运行资源利用效率，运行资源也是配电系统各类资源中最重要的部分。

广义利用效率3个组成部分进一步定义如下。

定义2(运行资源利用效率)配电系统运行资源利用效率是指，系统中实际运行的电气资源(含电气二次资源)的利用效率，应包括设备利用效率和系统利用效率两个层面。

该定义中，设备利用效率指，单一设备或某类设备的利用率；而系统利用效率则指，配电系统的整体利用效果。在此指出，在评估配电系统运行资源利用效率时，应充分考虑设备利用效率和系统利用效率，并应计及正常运行方式和故障运行方式。

定义3(存量资源利用效率)配电系统存量资源利用效率是指，非运行中的电气资源(含电气二次资源)的利用效率，包括老旧资源利用情况和备用资源储备情况。

该定义中，老旧资源情况指，暂时废弃且可进一步应用的电气资源(如设备升级后被替代的老旧线路、变压器)；备用资源情况则指，已采购但近期尚没有建设或安装计划的电气资源(如备用的智能电表)。这里指出，在配电系统存量资源利用效率评估时，应综合考虑电网运行和设备需求等情况，即在保障系统安全和适应发展的前提下，老旧资源利用量越高、备用资源的储备量越少时，存量资源利用效率越高。

定义4(辅助资源利用效率)配电系统辅助资源利用效率是指，非电气类资源的利用效率。

该定义中，非电气类资源是指，除电气资源之外一切电网公司资产内的可用资源，如电缆管廊、架空线路走廊、配套建筑、建设用地，以及所具有的知识产权、软硬件系统等。

本文所述的配电系统利用效率，是指狭义的配电系统利用效率，即配电系统运行资源利用效率。本文对配电系统利用效率评估所做的工作，也主要面向运行资源开展的。目前，配电系统利用效率评估已具有一定研究进展[4 - 5]，并在逐步深入。本文将从总结研究进展和探索研究展望两个核心方面，进行综述研究。

2 配电系统利用效率评估的研究进展

电网公司常用“三率”(供电可靠率、线损率和电压合格率)来评估配电系统的实际工程，但这3个指标过于单一，未能真正反映利用效率。配电系统利用效率评估的核心在于评估指标的构建，本文在梳理该领域研究现状的基础上，将配电系统利用效率评估的研究进展分为两类，分别是设备层面的利用效率评估和系统层面的利用效率评估，这也与上节所述配电系统运行资源利用效率的定义一致。

2.1 设备层面的配电系统利用效率评估

设备层面的利用效率评估是针对某个设备或某些设备的评估。最初，文献[6]通过变压器和线路的容量利用率表征运行设备的利用效率；文献[7]则利用相关性分析并从资产管理角度提出设备运行效率评估指标体系；上述研究对象是包括输电网和配电网在内的各级电网。随后，针对110 kV及以下配电系统，相关学者基于设备和网络两个维度的相互关系，定义了配电系统设备利用率，考虑供电可靠性、网架结构、负荷特性、电网建设裕度等影响因素，提出配电系统设备利用率评价标准和提升措施[8]；进而结合供电能力的中低压配电系统设备合理利用效率研究受到关注[9]。同时，在实例方面，文献[10]分析广东配电网中不同地区、不同电压等级的设备利用率及其效率低下的原因。

一般来说，配电系统的核心电气设备包括变压器和线路两类。在变压器方面，文献[11]以配电变电站为评估对象，根据某省变电站轻载情况，剖析了变压器轻载原因；在线路方面，文献[12]根据未来负荷增长、设备停运及发电机组经济分配等因素，通过计算线路潮流概率分布，获取线路利用率；文献[13]则提出了一种基于经济性与可靠性协调的线路最大利用率评估方法，可获取线路年均利用率最高水平。上述变压器和线路的评估对于输电系统和配电系统均具有适用性。

与各类评估思路一致，设备层面的利用效率评估涉及两个核心环节——“各评估指标的构建”(评估指标体系)和“综合评估指标的计算”。在评估指标体系方面，可从负载率、容载比、容量因子和全周期利用率等不同侧面全方位分析设备利用状态以构建设备利用率指标体系[14]；或通过安全准则、用电需求、电网建设、负荷特性、分布式电源、设备寿命等影响设备利用率的因素，构建评估退役设备和在运设备的利用效率指标体系[15 - 16]。在综合评估指标计算方面，文献[17]构建了基于层次分析法与改进熵权法的设备利用率综合评价方法，实现主客观的结合。从本质上讲，评估指标构建与计算密不可分，且各类评估指标之间的关联性较强。文献[18]从供电可靠性、网络结构、供电能力、建设裕度等影响因素中梳理设备利用率指标体系，采用灰色关联阈值变权法对层次分析法确定的权重进行调整，得到综合评估结果。目前，虽然配电系统设备利用效率的具体指标呈现出多样化的状态，但始终从设备利用效率影响因素入手，根据不同需求构建相应指标[19]。

近年来，随着研究的深入，设备层面的配电系统利用效率评估出现了2个新特点。

1)考虑非利用率因素的配电系统设备利用效率评估。这类评估的指标是在传统设备利用效率指标基础上，考虑与之相博弈的因素构建指标。其中，最具代表性的博弈因素是安全可靠性。文献[20]提出考虑安全约束的电网利用率评估思路，在概率潮流计算中考虑基于安全约束的发电调度算法，从而得到设备利用率。文献[21]则基于国务院599号令构建不同等级事故发生概率的要求，提出以等级事故概率为约束的设备利用效率评估方法。

2)考虑可再生能源影响的配电系统设备利用效率评估。这类评估通过分析各类可再生能源对传统设备利用率的影响实现的。文献[22]研究了分布式电源接入对配电系统设备利用率的影响并提出针对性优化措施；文献[23]则基于运行效率和投资效益构建计及新能源接入的评估指标体系，并基于古林法改进物元可拓模型以实现评估主客观结合。

2.2 系统层面的配电系统利用效率评估

系统层面的利用效率评估是指针对整个配电系统的整体利用效率评估，涉及电源、电网、负荷3个方面，可以是针对源、网、荷中某一方面的整体评估，也可以是针对“源-网-荷”的整体评估。近十年前，就有学者从年最大负荷、变压器容量、线路容量、土地利用情况等方面对利用效率进行评估[6]；随后，相关学者以全寿命单位输电成本为核心，从运行效率、安全性、经济性、可靠性等角度，提出运营效率评价指标体系[24]，并对比国内外电网评估结果[25]。这些指标体系虽然针对输电网，但其思想可用于配电系统利用效率评估。文献[26]提出了一组反映输配电网整体利用效率的利用水平指标及指标近似估算方法，并从利用水平角度研究了日本输配电网发展规律。文献[27]则考虑负荷率、功率因数和负载率等，构建了评价配电系统利用率的综合指标。随着智能电网的推进，相关学者研究了智能电网评价指标，指出利用效率是智能电网评估的重要方面，并提出智能电网设备利率上限、实际利用率、相对利用率等指标的计算方法[28]。

随着研究的深入，目前系统层面的配电系统利用效率评估，正在关注以下研究方向。

1)考虑非利用率因素的配电系统利用效率评估。与设备层面的评估思路相同，这类评估是在系统利用效率的传统评估指标基础上，考虑与之相博弈的可靠性、安全性、风险性等因素。例如，相关研究在构建了利用效率影响因素的基础上，根据相关性分析，引入风险因素、网架结构、负荷特性以及电网发展裕度等影响因素的系数修正变量，结合静态安全分析提出整体利用率评估方法[29]。再如，文献[30]构建了以最大供电能力为目标、以供电可靠性为约束的非线性模型，结合馈线分区理念改进配电系统可靠性评估思路，提出考虑供电可靠性的中压配电系统供电能力评估方法，可用于表征配电系统的整体利用效率评估。

2)基于供电能力或能源利用率的配电系统利用效率评估。供电能力和能源利用率是传统利用效率指标的集中体现，本文将其归为一类。其中，供电能力可视为电网支撑负荷的综合指标，而能源利用率可视为各类电源(含以电为最终并网形式的可再生能源)支撑负荷的综合指标。显而易见，这两类指标是表征系统整体利用效率的主要指标。在供电能力方面，常以最大供电能力进行表征[30]；文献[31]在最大供电能力的基础上考虑平均供电能力，以评估配电系统拓扑接线方案；文献[32]则以最大供电能力为目标、以可靠性需求和故障后负荷响应经济性为约束，提出主动配电网供电能力评估方法，并验证其对提升利用效率的有效性。在能源利用率方面，文献[33]构建了一套涵盖配电规划、设备参数、设备运行状态等指标的配电系统能效指标体系，并通过层次分析法确定指标权重；文献[34]则考虑多类综合能源的多能流特性及其对配电系统的影响，构建用于多能协同配电园区的能源利用率指标。

3)考虑可再生能源的配电系统利用效率评估。本文将配电系统中的“可再生能源”进一步划分为可再生电源和区域综合能源。(1)可再生电源以风电、光伏等为主要形式，文献[35]考虑分布式电源出力随机性，提出含分布式电源的配电系统中供电能力的概率评估方法；文献[36]则基于电动汽车充电网、电力用户、交通网和配电网之间的耦合关系建立四个准则，构建了涵盖利用效率评价的电动汽车快充网综合评估指标体系；文献[37 - 38]针对微电网进行评估，前者运用鱼骨图建立“源-网-荷”3个维度的微网运行效果评估指标体系，后者则建立考虑全寿命周期内的收益和成本，分析微网项目综合效益。(2)区域综合能源即综合能源系统的起步阶段，多能协同效果、能源利用率、可再生能源消纳率等[34]，是整体利用效率的重要指标；文献[39]针对“电力-天然气-热力”区域综合能源系统，分析能源耦合环节并建立能量流综合求解模型，采用系统内耦合性在一定程度上表征利用效率。

4)面向新发展目标的配电系统利用效率评估。这类评估的核心在于新发展目标对利用效率的影响，而发展目标则是随时间变化的，故该类评估未来将不断出现新的研究重点。绿色低碳、资源市场化、资源协调性、社会效益等，是现阶段和未来一段时间内配电系统的新发展目标。文献[40]建立系统运行均匀性与传统经济性/安全性之间的关系，并基于此提出了针对运行安全与资产利用效率的均匀性分析方法；文献[41]则针对大规模电动汽车对电力市场竞争造成的影响，建立了电力市场古诺均衡模型，可用于分析含电动汽车的配电市场。针对低碳电网，文献[42]提出面向低碳目标的电网节能与经济运行评价方法，通过低碳分析实现配电系统利用效率的辅助评估；文献[43]则基于全生命周期分析理念，构建低碳电网的综合评价指标体系，可用于表征配电系统的碳利用率。文献[44]针对社会效益，运用“压力—状态—响应”逻辑框架，将新技术应用视为压力，将新技术引起的运行效率和资源配置能力的提高作为过渡状态，实现社会效益角度的配电系统利用效率评估。

2.3 设备层面和系统层面的评估统一性

在配电系统利用效率评估的研究进展中，设备层面的评估和系统层面的评估在本质上具有统一性，其统一于综合评估思想，即：对各类设备利用率的评估结果进行综合，可获取系统整体评估结果。换言之，设备层面评估是微观过程，包括单一设备评估和某类设备整体评估；而系统层面的评估则是宏观过程，其基于某类设备得到的系统整体评估，由多个微观过程组成。随着近年来各类可再生能源的接入，区域综合能源系统的评估成为了配电系统评估的拓展。如图1所示，本文给出了设备层面和系统层面的利用效率评估统一性，其中设备层面和系统层面均具有的多个相应的评估指标，可形成对应的评估指标体系。

图1 配电系统利用效率评估的一致性Fig.1 Correspondance of the ultilization efficiency evaluation of power distribution system

3 配电系统利用效率评估的研究展望

未来配电系统利用效率评估应适应其发展形势，以全面性为目标评估利用效率。配电系统利用效率全面评估中存在两个关键要素，分别为评估指标体系构建和综合评估指标求解。本文在未来研究展望和未来适应性方法探讨中，均按照这两个关键要素进行分析。

3.1 配电系统利用效率评估的未来研究方向

3.1.1 评估指标体系的研究方向

目前，评估指标对配电系统利用效率的考虑尚不全面，对接入系统的影响因素考虑不足。因此，未来应在设备层面和系统层面评估的基础上，重点从以下2个方向上进行改进性研究。

1)全面的配电系统利用效率评估指标体系研究。这类研究包括2个方向——指标组成类型和指标表征方式。(1)在指标组成类型方面，未来应从运行资源类型和利用效率类型(同类运行资源中)两个维度确定指标组成类型，因此，如何将配电系统运行资源按照利用效率属性进行分类，并基于分类结果划分各类运行资源中的利用效率类型，是未来的研究重点。(2)在指标表征方式方面，未来应以指标组成类型为基础研究各类指标的表征方式，除各指标计算公式外，研究重点还应包括各指标之间的去耦合性，即如何以低耦合性建立完整指标体系。

2)考虑“源-网-荷”新影响的配电系统利用效率评估指标体系研究。这类研究的关键在于分析新影响因素与配电系统利用效率之间的关联性，未来应从“源-网-荷”三侧新资源或新技术入手，研究其对配电系统利用效率的影响，影响因素如下。

在“源”侧，新影响因素主要涉及泛在电源接入、泛在能源接入以及虚拟电厂技术3个方面的影响；其中虚拟电厂技术的研究已较为深入[45 - 46]，本文在此对泛在电源和泛在能源做出定义。

定义5(泛在电源与泛在能源)泛在电源是指风、光、水、燃气、生物质等最终以电能形式并网的能源，而泛在能源则是指天然气、冷热能、交通能源以及储能设施等非电能形式并网的能源[47 - 48]。

在“荷”侧，新影响因素主要涉及多元化负荷(如电动汽车)、需求侧管理(可中断负荷管理)、售电侧市场化3个方面的影响，“荷”侧新影响因素的研究应与“源”侧协调开展，实现“源-荷”互补以优化利用效率。

在“网”侧，新影响因素主要涉及两个方面：一是综合能源传输网架的新资源影响因素；二是潮流控制器等电网侧新技术影响因素。

3.1.2 综合评估指标的研究方向

综合评估指标是一个能够计及各类指标、表征系统整体的综合指标，其值可直接反映配电系统利用效率的量化评估结果。该指标通常采用一些指标综合方法，对评估指标体系的各项指标值进行综合得到。显而易见，各项指标的综合方法(即综合指标计算)是研究的关键环节。在综合指标计算中，通常采用加权方式进行综合，其中“线性加权求和”则是最普遍方式[49]，因此各指标权值的确定方法是未来综合方法研究的核心内容。目前，在配电系统评估中，常用的权值确定方法包括层次分析法、模糊综合评判法、灰色关联度分析法、熵值法、主成分分析法、人工神经网络法、因子分析法、德尔菲法、优劣解距离法、秩和比法、数据包络分析法、变权重系数法等[50 - 61]，这些方法的改进研究是目前和未来综合评价中的研究方向。文献[62 - 64]对综合评价中的指标权值确定方法进行了系统阐述，本文不作赘述。

本文认为，未来综合评估指标应仍以“线性加权求和”为主要计算方式，并继续以各指标权值确定方法为研究重点，根据配电系统具体情况改进现有权值确定方法。未来，指标权值确定方法可参考以下思路进行改进：1)对现有指标权值确定方法进行综合的改进思路，即兼顾各自方法的优势；2)优化指标权值确定方法中某些要素的改进思路；3)优化指标之间关联性分析的改进思路；四是优化指标体系中各指标分类的改进思路。

3.2 配电系统利用效率适应性评估方法探讨

3.2.1 配电系统利用效率评估指标体系

随着能源互联网的推进，配电系统利用效率评估指标体系应适应能源互联网发展，在现有评估指标基础上建立全面评估指标体系。为充分适应能源互联网各架构发展，未来配电系统利用效率评估应从能源网架、信息支撑和价值创造3个维度构建指标体系。本文给出一种基于3个维度的配电系统利用效率评估指标体系，其组成架构如图2所示。

从图2中可见，配电系统利用效率评估指标包括能源网架、信息支撑和价值创造3个维度的指标体系。其中，能源网架的指标体系通过源、网、荷的体系架构实现，包括设备和系统2个层面；信息支撑的指标体系通过信息系统本身及其与能源系统融合的架构实现，也包括了设备和系统2个层面；价值创造体系则通过经济价值和社会价值的架构实现，而适应未来清洁绿色发展和泛在可再生能源接入等新战略方面的利用效率评估则集中体现在了价值创造体系中的社会价值方面。

图2 配电系统利用效率评估指标体系Fig.2 Evaluation index system of the ultilization efficiency of power distribution system

3.2.2 设备个体和系统整体的互动评估模式

在本文提出的评估指标体系中，无论能源网架维度、信息支撑维度、还是价值创造维度，都可从评估对象的角度进一步细分为设备层面的利用效率评估和系统整体层面的利用效率。由于设备层面的指标和系统层面的指标相互影响且密切相关，因此在进行各自层面评估时应计及另一层面。本文进一步给出了一种基于设备个体和系统整体互动评估模式的配电系统利用效率评估思路，如图3所示。

从图3中可见，对各类设备利用效率的评估结果进行加权，可获取系统整体评估结果；反之，通过各系统层面评估指标体系中的指标，实现对某个或某类设备对系统影响的分析，从而构建设备的评估结果。因此，设备个体的综合评估指标中应包含“设备自身利用效率”和“设备对系统利用效率影响”2个方面的指标，而系统整体的综合评估指标中则应包含“系统整体利用效率”和“所有设备利用效率的综合”2个方面的指标。显而易见，该互动评估模式下，设备个体和系统整体的两类综合评估指标，是以4个方面的指标(设备自身利用效率、设备对系统利用效率影响、系统整体利用效率、所有设备利用效率的综合)为基础的；而这4个方面的指标中，又以设备自身利用效率和系统整体利用效率为基础，本文将这两类指标称为基础性指标。

图3 设备个体和系统整体的互动评估模式Fig.3 Interactive evaluation pattern of device individual and the system as a whole

1)设备自身利用效率：应包括电源侧、电网侧和负荷侧的各类设备的利用效率。电源侧的常见设备利用效率包括各类发电机组出力效率及电源配套设备的运行效率；电网侧的常见设备利用效率包括电网中各类变压器、线路及其配套设备的运行效率；负荷侧的常见设备利用效率一般指负荷配套设备的利用效率，考虑相对较少。

2)系统整体利用效率：应包括“网-荷”效率、“网-源”效率、“源-荷”效率、“源-网-荷”效率。“网-荷”效率和“网-源”效率主要指的是电网支撑负荷的效率和电网支撑电源的效率，如单位变电容量支撑供电负荷、单位电源支撑供电负荷等；而“源-荷”效率主要考虑电源支撑负荷效率，如系统供电效率等；“源-网-荷”效率则是对电网整体、电源整体和负荷整体之间相互影响的效率表征[62]。

3)两类基础性指标的说明：配电系统中，电网或电源的整体利用效率可通过电网侧和电源侧的设备利用效率进行表征，因此可将其视为“设备自身利用效率”；而配电系统中某些特殊负荷的利用率，如电动汽车、可中断负荷等，虽然属于负荷侧设备，但一般将其与“网-荷”效率和“源-荷”效率同时考虑，因此将其视为“系统整体利用效率”。

本文指出，在上述两类基础性指标中，均应计及正常运行方式、故障运行方式和发展运行方式，而这3种运行方式应根据具体需求进行具体考虑。通常，配电系统利用效率以正常运行方式为主，而将故障运行方式作为前提条件、将发展运行方式作为辅助分别进行考虑。正常运行方式和故障运行方式的概念已较为成熟，本文在此给出配电系统发展运行方式的定义。

定义6(配电系统发展运行方式)配电系统发展运行方式是指，配电系统在未来一定时间后的运行方式，主要涉及设备自身或系统整体的运行状态。

发展运行方式下的利用效率，可用于表征当前配电系统对未来发展的适应性。

3.3 配电系统利用效率评估的拓展研究思路

配电系统利用效率评估的最终目的是提升利用效率，其他研究方向大多基于评估，可视为利用效率评估的拓展研究。因此，本文对配电系统利用效率评估的拓展研究思路进行展望，将未来研究思路分为两类——直接拓展研究和间接拓展研究。

1)评估的直接拓展研究。评估的直接拓展研究是指，对得到的配电系统利用效率评估结果进行分析，并将评估结果转化为利用效率优化所需的基础数据。未来，评估的直接拓展研究包括2个方面内容。(1)配电系统利用效率评估结果的直观分析，即根据评估结果的量化指标值，给出配电系统利用效率的结论，重点在于研究量化指标值和所需工程结论之间的逻辑关系。(2)配电系统利用效率的优化目标制定，即根据评估结果找出可优化方向，制定配电系统利用效率优化目标，重点在于如何通过评估结果找出利用效率低下原因，以及如何根据找到的原因确定量化的优化目标。

2)评估的间接拓展研究。评估的间接拓展研究是指，在得到利用效率优化目标后(直接拓展研究)，制定配电系统优化策略或流程。整体来看，配电系统利用效率优化技术涉及规划设计、运行优化、调度控制、运维检修、经营管理5个领域。在这5个技术领域中，运维检修和经营管理与配电系统利用效率优化之间量化关系尚不十分明朗，这两方面的研究关注度也较小，因而不应作为未来的研究重点；而规划设计、运行优化、调度控制这3个技术领域的研究与优化目标相关性较高且具有一定研究基础，本文认为应作为未来评估的间接拓展研究的主要方向。

4 结语

在我国配电系统规模日益增长和电力发展提质增效模式的双重背景下，配电系统利用效率评估正在发挥着重要作用。然而，该领域的研究尚不深入且无针对配电系统利用效率评估的综述研究。因此，本文对配电系统利用效率评估进行了全面总结和探索性展望。本文所作具体工作包括：1)定义了配电系统利用效率的3类内涵；2)按照设备层面和系统层面总结了配电系统利用效率评估的研究进展并梳理两者逻辑关系；3)展望了该领域未来的研究方向和研究思路，探讨了基于3大维度的配电系统利用效率评估指标体系、设备个体与系统整体的互动评估模式等。

未来，配电系统利用效率评估的研究可参考本文提出的研究方向与适应性评估方法的具体思路，重点探索评估指标体系具体组成、互动评估模式实现流程、利用效率评估的直接拓展等。在研究基础上，可进一步面向规划和运行领域进行配电系统利用效率优化方法的研究。此外，本文所作工作主要针对“运行资源利用效率”，对于“存量资源利用效率”和“辅助资源利用效率”的相关研究，有待进一步进行深入探讨。