双碳背景下配电网绿色发展与安全高效耦合评价

杜 洋, 杨心刚, 郭灵瑜, 王玉洁, 周静涵*, 谭忠富,3

(1. 国网上海市电力公司, 上海 200000; 2. 华北电力大学经济与管理学院， 北京 102206; 3. 延安大学经济与管理学院, 延安 716000)

2020年，中国提出了二氧化排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和的双碳目标，能源燃烧作为二氧化碳的主要来源，占二氧化碳排放的88%左右，而电力行业排放量约占能源行业排放的41%。基于此，电力能源清洁化转型成为了以碳减排为目标的能源发展主旋律，多年来，中国以煤炭为主的能源供给结构逐渐被打破，此外，在虚拟电厂、多能互补等能源消费模式不断优化[1]，需求响应、智慧能源系统等能源管理模式不断迭代下[2]，新能源开始大规模开发和利用，然而，受光伏、风电发电不稳定影响，世界范围内电力危机频发[3]，这给中国电力行业能源发展带来了警示，同时也使大规模新能源并网下配电网绿色发展与安全高效是否失衡成为一个值得研究的问题。

目前，中外学者针对电网安全运行水平、可再生能源并网下电网绿色发展水平等问题已展开了广泛研究。Chung等[4]从供电可靠性、发电经济性、环境可持续性、技术互补性4个方面综合评价了韩国能源安全水平，并基于能源利用效率最大化提出了能源结构改进方向。史丹等[5]源从能源可得性、经济性、清洁性和可持续性4个方面综合考虑，综合评价了我国一次能源安全水平，并提出了能源安全保障途径。艾欣等[6]在电网效益维度设计了考虑可再生能源发电量的环境效益指标，反映电网节能减排水平同时也能体现出分布式能源波动性、不可控性对电网运行产生的影响。李彦普[7]从能源生产结构、能源消费结构、电能替代和清洁能源替代、节能降耗、环境协调性5个维度考虑，构建了能源绿色评价模型，模型体现了能源发展过程中能源产业、人与环境的和谐共生情况。张师等[8]通过对比吉林某地区分布式风光储接入前后中压配电网稳定性发现，分布式风光储接入配电网末端，可以有效提高配电网运行电压水平。张一泓等[9]从安全性、经济性、适用性三方面考虑，建立了配电网运行综合评价模型，评价结果显示改进的物元可拓综合评价法更适合清洁能源并网下配电网运行状态评价。郭超豪[10]结合可再生能源发电间歇性、随机性的特点，构建了基于可再生能源并网的智能电网安全评价体系，用以评价智能电网安全等级和筛选安全监控点，最后针对安全监控点提出了智能电网安全管控策略。马杰等[11]为合理量化可再生能源接入下配电网灵活性，从电源侧、配网侧、负荷侧三方面考虑，提出了配电网灵活性评价指标体系及计算方法，为高渗透率下配电网建设提供辅助参考。

上述研究能够从多角度测算电网安全运行水平，也为清洁能源并网下能源绿色发展水平测算提供了评价依据，但是并未涉及以配电网为核心的台区安全高效与绿色发展影响关系及协调水平研究。在国家政策激励下，能源生产和消费逐渐走向清洁化，但是可再生能源出力的不确定性会间接影响电力的生产供应，继而对配电网安全高效运行产生较大影响[12]，可能导致用户侧电力需求失去保障。因此，合理评估可再生能源接入水平与电网安全高效运行水平的耦合程度是推广可再生能源、转换能源结构的首要前提。现基于电网安全运行与绿色发展的相互作用关系进行了关键指标提取，并构建配电网绿色发展与安全高效耦合协调程度评价指标体系，采用熵权法进行指标赋权，基于线性加权法计算电网绿色发展、电网安全高效两个子系统各自的评价结果，最后构建耦合协调度模型，通过耦合度和耦合协调度反映电网绿色发展与安全高效之间的相互作用关系，以期为判断配电网安全运行水平，及时修正配电网绿色发展态势提供理论基础，在保障配电网安全的前提下，为实现新一轮能源结构和能源消费转型升级目标助力。

1 配电网绿色发展现状分析

中国能源结构长期以煤炭为主导，是全球最大的碳排放国家，近期，国网公司就如何实现“碳达峰”与“碳中和”目标发布了行动方案，以推进能源供给清洁化和能源终端消费电气化，同时还提出要处理清洁发展与系统安全、电力保障间的相互作用关系。从中国近年来的清洁电力能源发展来看，风电已经成为仅次于火电和水电的第三大电力来源。2019年风电发电量为4 057亿kWh，占全国发电量的5.54%。2019年与2012年中国清洁电源结构如图1所示。

图1 2019年及2012年清洁电源装机量对比Fig.1 Comparison of clean power installations in 2019 and 2012

国家电网除了不断提高电源供给侧清洁水平外，还通过大力开拓用电市场来降低消费侧碳排放水平。2019年，公司完成电能替代电量1 802亿kWh，实施工业加工领域电能替代电量758亿kWh，长江流域港口建成岸电1 116个，推广家庭电气化产品13万台，完成35个营业厅电动汽车体验区建设升级。2019年中国电能替代各领域分布概况如图2所示。

图2 2019年电能替代各技术领域分布概况Fig.2 Electrical energy substitution by technology area distribution profile in 2019

配电网安全运行是电网向用户提供电力服务的前提，配电网作为连接电力供给侧与消费测的媒介，需要保障发、供电实时平衡。然而，能源转型背景下，中国的终端电气化水平快速提升，经济社会发展对电力的依赖程度也越来越高，进一步提高了配电网安全运行挑战性。一方面，配电网供给侧清洁能源大多具有发电随机性强、间歇性强、可调节能力弱等特点，因此，大规模新能源并网对电网柔性可控要求更高；另一方面，需求侧推进电能替代实现绿色消费，引导负荷类型和负荷需求激增，此外，负荷柔性的增加增大了电网运行损耗，影响电网安全可靠性，电网保障电力持续可靠供电和安全稳定的难度增大。为保障配电网安全高效运行，需要在评估电力系统安全性及绿色发展耦合程度的基础上，协调配电网绿色发展与安全运行的矛盾，从而在保障配电网安全性的同时，实现新能源接入水平、新能源消纳率、电能替代覆盖率全面提升，综上，城市配电网绿色发展与安全高效实现路径如图3所示。

图3 城市配电网绿色发展与安全高效实现路径Fig.3 Green development and safe and efficient realization path of urban distribution network

2 评价指标体系构建

基于配电网绿色发展与安全高效相互作用关系，提取关键指标因素，在配电网绿色发展维度通过引入清洁能源装机、传统火电机组清洁高效改造、发电单元所产生的二氧化碳排放量、新能源利用水平、电能替代水平以及电能占终端能源消费比重，此类指标反映了配电网的绿色发展水平特征及节能降耗成效，并且超过一定发展比例时，将对配电网安全运行产生不利影响。而配电网安全运行维度则从供电可靠性、供电安全性、电能质量三个角度提取指标，反映在可再生能源接入以及电能清洁替代下配电网安全性变动趋势，综上，形成配电网绿色发展与安全高效耦合评价指标体系如表1所示。

表1 配电网绿色发展与安全高效耦合评价指标Table 1 Evaluation index of coupling green development and safety and efficiency of distribution network

3 熵权-耦合协调综合评价模型

熵权-耦合协调综合评价方法的实现路径是首先通过熵权法计算各指标权重，使指标权重主要取决于实际数据，然后利用线性加权法计算配电网绿色发展及配电网安全高效两个子系统的综合评价值，最后利用耦合协调模型计算两个子系统的协调发展水平。

3.1 熵权法计算评价指标权重

熵权法是根据各评价指标内在信息反映出来的外部数据形态来确定评价指标权重的方法，其可以有效避免专家打分导致的指标权重主观性强的问题。考虑到配电网绿色发展及安全高效评价需要以运行实际数据为参考，加入人为判断可能会导致系统内部信息在映射系统运行问题时出现失真现象。因此，选取熵权法对配电网绿色发展与安全高效评价指标体系的各指标进行赋权，并在此基础上进一步计算配电网安全发展与绿色发展水平。基于熵权法的配电网绿色发展与安全高效评价指标赋权流程如下。

(1)指标无量纲化处理。采用极差标准化法对配电网绿色发展与安全高效评价指标数据进行标准化。

正向指标：

(1)

逆向指标：

(2)

式中：i为年，取值范围为1～m；j为配电网安全运行与绿色发展评价指标，取值范围为1～n。Xij为第i年第j项指标处理后的标准值；xij为第i年第j项指标原值；maxxj和minxj分别为第j项指标在所有年份中的最大值和最小值。

(2)计算第i年第j项指标在指标j总和中的比重Pij：

(3)

(3)计算第j个指标的信息熵ej：

(4)

式(4)中：Pij为第i年第j项指标在指标j总和中的比重；m为评价对象指标数据选取年数。

(4)计算第j个指标的差异系数gj：

gj=1-ej

(5)

(5)计算第j个指标的权重wj：

(6)

3.2 线性加权法计算综合评价结果

分别构建配电网安全运行与配电网绿色发展评价函数，考虑到这是两个互相影响且相互独立的系统，可以基于熵权法确定的各评价指标权重，用线性加权法分别计算两个系统的综合评价结果，具体如下。

(1)配电网绿色发展系统综合评价结果测算：

(7)

(2)配电网安全运行系统综合评价结果测算：

(8)

3.3 耦合协调模型

耦合指多个系统彼此关联、相互影响的协同关系，包括耦合度和耦合协调度两个方面。其中，耦合度主要反映不同系统的要素集合之间相互作用的强弱程度，不区分相互作用优劣性；耦合协调度主要度量研究对象发展周期内系统间要素集合之间的和谐程度，可以进一步体现系统间的协同或制约特征。耦合度计算是耦合协调度计算的基础，具体如下。

(1)耦合度计算：

(9)

式(9)中：C为多系统耦合度，C∈[0,1]。C越接近1，则说明耦合评价对象之间相互作用力越大；u为系统功效函数，即各耦合评价对象综合评价水平，后续算例分析中，分别令u1=P(X),u2=E(Y)；t为耦合评价对象系统个数，现取值为2，即配电网安全运行评价子系统和配电网绿色发展评价子系统。

(2)耦合协调度计算：

(10)

T=αu1+βu2=αP(X)+βE(Y)

(11)

式中：D为耦合评价系统耦合协调度，D∈[0,1]，D值区间范围与含义划分仍需要根据耦合评价对象性质进一步确定；T为二维系统综合评价指数；α、β为待定系数，满足α+β=1。

综合现有研究，将配电网安全运行与绿色发展耦合协调度划分为等距的10个区间，具体区间划分情况如表2所示。

表2 配电网安全运行与绿色发展耦合协调度区间划分Table 2 Distribution grid safe operation and green development coupling coordination degree interval division

4 算例分析

4.1 基础数据

为了验证模型的有效性和科学性，以某省级电网公司实际数据为基础，对电网公司历年绿色发展及安全水平进行调研和统计，选取2006—2019年各指标数据为研究样本数据。在耦合的系统中，多个因素构成的评价指标体系由于各指标的量纲、数量级和指标性质不同，为了使电网绿色发展指标和安全运行指标的结果具有可比性，消除维度的影响，需要对原始数据进行标准化，并利用熵权法对两个子系统内的指标进行客观赋权。

(1)电网绿色发展指标原始数据标准化结果：

(2)电网安全高效指标原始数据标准化结果：

(3)基于熵权法的电网绿色发展指标赋权结果：

0.310 5 0.145 2)。

(4)基于熵权法的电网安全高效指标赋权结果：

0.147 3 0.314 2)。

4.2 配电网绿色发展综合评价

根据单维度综合评价模型，配电网绿色发展指标各年评价值变化如图4所示，2006年配电网绿色发展初始评价值为0.060 3，随后呈现逐年增长趋势，2019年配电网绿色发展综合评价值达0.872 5。结合国家政策形势，配电网绿色发展水平大致分为以下几个阶段。

图4 2006—2019年配电网绿色发展指标综合评价值Fig.4 Comprehensive evaluation value of green development indicators for distribution grids in 2006—2019

(1)2006—2010年，电网绿色发展主要表现为通过建设与发展特高压，促进国家煤电、水电、核电基地的开发，电网跨区线路输电能力得到了有效提升，设备平均利用小时数也得到合理改善。

(2)2011—2015年，电网公司重点围绕清洁能源消纳开展了调峰电源、输电通道建设等；在交通、建筑、工业等领域开展电能替代市场的探索与开拓。因此，这一阶段电能替代量、电能占终端消费比重等指标评价值得到有效改善，电网绿色发展更多地体现在清洁替代以及电能替代。

(3)2016—2019年，配电网绿色发展开始注重主动协调电源、负荷、储能以及多品种能源，实现源网荷储灵活互动和多能互补。此外，绿色消费的新业态新模式推动工业等生产部门以及建筑、交通等消费部门实现绿色转型，这一阶段电能替代量、清洁能源发电量占总发电量占比、新能源利用率等指标评价值显著提升。

进一步，选取部分年份绿色发展指标评价值变化进行对比，如图5所示，2006年以来，各个指标总体呈上升趋势，其中电能替代量水平、新能源利用率在2006—2011年期间发展较缓慢，从2012年起开始显著上升，电能替代量评价值由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。与大部分指标评价值向好的态势发展不同，自2011年以来，设备平均利用小时数评价值呈现逐年下降趋势，其主要原因是新能源发电，如风电、光伏，具有波动性和不可控性，其受到所利用资源的限制，不能根据负荷需求调节出力，从而影响配电网设备的利用率。间歇性新能源并网会对网供负荷波动与峰值造成影响，因此，为保障电力供应稳定性，现有配电网设备需为其提供备用容量，这将降低配电网设备平均利用小时数。基于此，在未来促进配电网绿色发展水平时，设备平均利用小时数是需要控制及改善的关键指标。

图5 配电网绿色发展指标评价值逐年对比情况Fig.5 Year-on-year comparison of the evaluation value of the green development index of the distribution network

4.3 配电网安全高效综合评价

“碳达峰、碳中和”目标愿景的提出，对电力安全提出了更高要求，配电网安全高效综合评价结果如图6所示，由图6可知，2006年以来配电网安全高效综合评价值总体呈现逐年向好的趋势，仅在2009—2012年出现些许波动，单个指标评价值逐年的波动幅度不大，这与配电网保证供电服务持续稳定、逐年实现能效提升、促进技术进步等运行基本要求息息相关。

图6 配电网安全高效综合评价值Fig.6 Comprehensive evaluation value of distribution network security and efficiency

通过对各指标评价值进行关键指标追溯，情况如图7所示，由图7可知，2006—2019年，电网设备故障次数、城市供电可靠率指标评价值维持在稳定状态；线损率、供电标准煤耗、城市综合电压合格率在评价初期略有改善，自2011年开始趋于稳定，这表明在当前技术水平下，此类指标已达到标准水平，在未来需要通过火电厂清洁化改造、技术创新等手段才能促进指标改善；电网频率可靠率在2017年有了较大幅度的改善，是未来需要管控的关键指标。

图7 配电网安全高效指标评价值逐年对比情况Fig.7 Year-on-year comparison of evaluation values of safety and efficiency indicators of distribution networks

4.4 配电网绿色-安全耦合评价

通过耦合协调模型，计算配电网绿色发展与安全高效两个维度之间的相互作用及耦合关系，评价结果如图8所示。自2006年起，配电网绿色发展与安全高效的耦合度一直维持在0.80以上，到2019年相互作用评价值达到了0.998 8，说明两个维度间存在较强的相互作用，且作用效果逐年增强。

图8 电网绿色发展与安全高效耦合度变化Fig.8 Changes in the coupling degree of green development and safety and efficiency of power grid

电源侧绿色发展与配电网安全高效的相互作用主要是配电网清洁能源接入，一方面，接入位置以及电源结构等影响配电网设备负载率，其出力的随机性和不确定性也会影响电能质量，大规模新能源接入配电网，将改变故障电流的大小、持续时间及方向，新能源发电系统本身的故障行为也会对配电网的运行和保护造成不利影响，降低电网供能可靠性，同时，新能源发电接入配电系统后，若其规划不符合实际需求，将可能出现设备利用率低、损耗增加、电网可靠性降低等诸多问题。另一方面，新能源有效改善了能源结构和发电形式，与储能装置配套接入配电网，能增大系统的供应电力的质量水平，利用储能装置能尽量的调节系统产生电能的大小，减小因为天气和所处环境对系统内新能源工作的影响，降低新能源不确定出力引起的系统功率波动，让系统的出力更为平稳，可以局部向重要负荷提供一定电能量的支撑，有效增强重要负荷抵御配电网故障的能力，提高现有配电网的供电可靠性。

负荷侧绿色发展与配电网安全高效的相互作用主要是在终端能源消费环节推广电能替代，通过有效的需求侧管理手段，可以缩小由于夏季制冷负荷造成的冬夏季负荷差距，减少备用机组的闲置损耗成本以及电网调峰调频成本，为电力系统的经济运行创造有利条件，保障了低谷时段电网安全稳定运行，促进光伏等清洁能源消纳，降低机组发电煤耗和发电排污，助力节能降耗。

基于以上研究成果，考虑到待定系数α、β的赋值会影响配电网绿色发展与安全高效的耦合程度，分别取(0.5，0.5)、(0.7，0.3)、(0.3，0.7)为配电网绿色发展子系统与安全高效子系统综合评价待定指数，分别计算配电网绿色-安全耦合协调度，结果如图9所示。综合来看，不同的子系统综合评价指数待定系数下，配电网绿色-安全耦合协调度整体趋势大致相同。因此认为配电网绿色发展与安全高效同等重要，对α=β=0.5的情境进一步分析，可以发现，中国配电网绿色-安全耦合协调度主要经历以下几个阶段。

图9 电网绿色发展与安全高效耦合协调度Fig.9 Degree of coordination between green development and safe and efficient coupling of power grid

(1)2014年以前为配电网绿色发展与安全高效失调阶段，具体表现为两个系统发展水平均较低，且电网绿色发展暂时处于弱势地位。这是由于当时我国处于绿色发展的初级阶段，缺少合理的规划和技术保障措施，而配电网安全稳定水平应维持在保障提供持续供电服务的标准范围内，因此两个系统的耦合协调度较低。

(2)2014—2016年为配电网绿色发展与安全高效磨合阶段，该阶段两个系统发展水平逐步增加，且两者发展速率相当，两者在相互磨合中逐步发展。配电网在保障系统安全高效运行条件下、清洁能源供给-消费接入水平有限性之间的矛盾的前提下，持续推进配电网绿色发展，着眼于实现能源供给低碳化和能源需求清洁化，清洁能源并网规模逐渐增加，新能源利用率不断提升。

(3)2017—2019年为配电网绿色发展与安全高效协调发展阶段，两个系统的发展水平均较高，发展水平高度协调，该阶段配电网绿色发展不仅聚焦在能源电力行业，而且以智慧能源系统为载体，促进全社会绿色工业、绿色交通、绿色建筑和绿色生活，是配电网绿色发展的新趋势，在合理规划以及储能、微电网等技术的支撑下，清洁能源供给消费对配电网安全运行的冲击也得到合理的控制，配电网绿色发展和安全高效将在未来一段时间内高度协调发展，最后达到高度共生水平。

进一步，针对α=0.3、β=0.7，α=0.7、β=0.3两种情境开展敏感性分析，如图9所示，配电网绿色发展权重越高，配电网绿色发展与安全高效的耦合协调度越大，这说明配电网绿色发展的重要性越大，即配电网绿色发展将在未来一段时间内促进配电网安全高效发展。

5 结论

在“碳达峰”“碳中和”“能源革命”等多重能源政策背景下，电力供给和消费结构都发生了深刻改变，“绿色”成为能源发展的主导理念。构建的配电网绿色发展-安全高效综合评价方法，一方面可以通过单维度综合评价值反映近年来配电网绿色发展及安全高效发展水平，及时发现绿色发展及电力安全运行中的薄弱环节；另一方面，可以通过耦合度及耦合协调度评价值反映配电网绿色发展与配电网安全高效两个系统间的相互作用程度以及耦合程度，准确预测和评估新能源、新业态接入后对配电网安全稳定运行的影响，为保障新能源大规模开发和高效利用、满足经济社会发展的用电需求、推动配电网安全高效发展及电网企业规划决策提供合理决策依据。