城市能源互聯(lián)網(wǎng)及其影響因子評價模型研究

趙云峰

（國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

長期以來，社會經(jīng)濟發(fā)展過度依賴化石能源，資源緊張、環(huán)境污染等問題日益顯著，能源革命迫在眉睫。為應(yīng)對能源危機，需要統(tǒng)籌把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展、資源配比、環(huán)境影響等密切相關(guān)的廣域化的特征，以實施清潔替代和電能替代為重點加快能源格局的轉(zhuǎn)變，推動了能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究應(yīng)用。

本文概括了現(xiàn)階段能源互聯(lián)網(wǎng)的研究情況，提出城市能源互聯(lián)網(wǎng)UEI（urban energy Internet）的概念。將城市能源互聯(lián)網(wǎng)作為全球能源互聯(lián)網(wǎng)的基分析，結(jié)合城市能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成元素和關(guān)鍵特征，歸納提煉城市能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵影響因子集合?；诮饨Y(jié)構(gòu)模型和層次分析法，構(gòu)建了城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子評價模型。

1 城市能源互聯(lián)網(wǎng)

2008年美國國家科學(xué)基金項目研究人員提出了一種基于可再生清潔能源發(fā)電和分布式儲能系統(tǒng)全新電網(wǎng)拓撲——能源互聯(lián)網(wǎng)。借鑒互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“路由器”，提出“能源路由器”（energy router）概念，利用電力電子技術(shù)實現(xiàn)對能源分配的控制，路由器借助通信技術(shù)實現(xiàn)信息交互。

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)注智能電網(wǎng)的底層拓撲結(jié)構(gòu)的美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的學(xué)者提出了“基于信息核心的能源網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)[1]。2008年，德國推出新型能源網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)創(chuàng)新提升計劃E-energy[2]，E-energy提出能源互聯(lián)體系綜合數(shù)字化和計算機測控的目標。瑞士研究團隊提出了“能量集線器”的概念，它通過基于超短期時域的負荷預(yù)測算法、配電網(wǎng)潮流在線實時監(jiān)測實現(xiàn)對各發(fā)電側(cè)及受控負荷側(cè)的優(yōu)化控制?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的數(shù)字電網(wǎng)將電網(wǎng)細分成自主但相互聯(lián)系的區(qū)塊，其中由電力路由器完成能源的分配。2012年5月29日，歐盟理事會副主席Antonio Tajani在布魯塞爾召開的會議上明確指出“第三次工業(yè)革命將圍繞能源互聯(lián)網(wǎng)展開”。

我國對能源互聯(lián)網(wǎng)的研究目前還處于理論研究初期。2013年至2014年在北京召開的“第三次工業(yè)革命”以及“能源互聯(lián)網(wǎng)”專家研討會以及國家電網(wǎng)公司召開“智能電網(wǎng)承載第三次工業(yè)革命”研討會開啟了相關(guān)軟課題研究，中國電科院啟動了“能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)”研究項目。2016年，國家發(fā)展與改革委員會發(fā)布提出“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的概念[3-4]。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)階段對能源互聯(lián)網(wǎng)的研究重點著眼于3個方向：概念模型及發(fā)展挑戰(zhàn)、通信設(shè)計及應(yīng)用（能源路由器）、技術(shù)框架及重點技術(shù)。

美國學(xué)者杰里米·里夫金于2008年首次提出能源互聯(lián)網(wǎng)的概念[5]，認為奠基于化石燃料大規(guī)模應(yīng)用的二次工業(yè)革命時代即將落幕，以綜合新能源技術(shù)和信息技術(shù)高度融合的能源應(yīng)用體系——“能源互聯(lián)網(wǎng)”（energy Internet）為代表的新一輪工業(yè)革命必將推進，最終形成分布式可再生能源利用替代傳統(tǒng)化石能源利用的歷史性變革[6-7]。

相關(guān)國內(nèi)研究人員就能源互聯(lián)網(wǎng)提出了初步定義：能源互聯(lián)網(wǎng)是以可再生能源為主要一次能源，綜合先進儲能、電力電子、能量管控、故障管理、互聯(lián)通信和系統(tǒng)規(guī)劃等技術(shù)，實現(xiàn)電力能源網(wǎng)絡(luò)與其他能源系統(tǒng)緊密接駁高度融合的能源網(wǎng)。能源互聯(lián)網(wǎng)具有清潔高效、動態(tài)隨機、廣域共享、多源互聯(lián)、互動智能等特性[8-9]。

1.2 中國城市能源互聯(lián)網(wǎng)

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國城市集中了全國50%的人口，75%的資源消費，80%的GDP，產(chǎn)生近70%的碳排放，而能源革命恰恰就是解決低碳經(jīng)濟和能源高效利用的問題。從當前發(fā)展情況看，相較于能源需求，社會發(fā)展對電力需求更加旺盛，電力在能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位愈發(fā)增強。能源互聯(lián)網(wǎng)是電力市場交易的物理基礎(chǔ)，是未來生產(chǎn)生活不可或缺的公共服務(wù)平臺[10]。電力流布局的4個原則之一便是本地優(yōu)先原則，即當?shù)氐姆植际交蚣惺桨l(fā)電應(yīng)優(yōu)先開發(fā)利用。UEI作為能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，是能源互聯(lián)網(wǎng)在城市地區(qū)的承接節(jié)點和重要支撐，城市能源互聯(lián)與傳統(tǒng)城市配電網(wǎng)特征比較如表1所示。

表1 城市能源互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)城市配電網(wǎng)特征比較

國家能源局公布的智慧能源示范項目涵蓋城市、園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)，分布式微電網(wǎng)建設(shè)，電動汽車充換電設(shè)施與分時租賃等多個方面[11]。天津北辰區(qū)、浙江嘉興市、四川天府新區(qū)、上海旅游度假區(qū)等地都開展了能源互聯(lián)示范工程的建設(shè)。主要內(nèi)容包括：整合多種能源及其優(yōu)化利用，建設(shè)“源—網(wǎng)—荷—儲”協(xié)調(diào)的智能交互電力網(wǎng)，構(gòu)建城市能源大數(shù)據(jù)共享平臺，冷、熱、電多種能源高效綜合利用，多邊開放靈活互動的電能交易形式等等。

本文提出的城市能源互聯(lián)網(wǎng)指的是：基于城市配電網(wǎng)，以城市區(qū)域范圍為網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，廣泛靈活地接納分布式可再生能源，配套先進的儲能、控制、通信、管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)城市電力網(wǎng)絡(luò)與其他能源緊密結(jié)合、靈活調(diào)用的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

2 城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子評價模型

城市能源互聯(lián)網(wǎng)涵蓋能源、通信、交通、信息等多個方面，是一個受多種因子影響的復(fù)雜系統(tǒng)。為了研究城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子之間的關(guān)系和各因子對城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響的大小，構(gòu)建評價模型，本文采用解釋結(jié)構(gòu)模型ISM[12]（interpretative structural model）的方法進行研究。美國教授J·Warfield于1973年提出了一種解釋結(jié)構(gòu)模型ISM[4]，旨在通過結(jié)構(gòu)建模的數(shù)學(xué)方法來分析解決復(fù)雜系統(tǒng)的相關(guān)問題，在經(jīng)濟、工程等多領(lǐng)域都得到了廣泛驗證與應(yīng)用，目前已經(jīng)具備完整的分析體系。

2.1 城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子集合

通過對城市能源互聯(lián)網(wǎng)所包含相關(guān)理論和實踐經(jīng)驗，對UEI系統(tǒng)及其影響因子進行綜合分析從而確定影響因子集合[13-14]。

由于多種能源的接入、及相應(yīng)控制系統(tǒng)等含有大量電力電子器件的設(shè)備接入，城市能源互聯(lián)網(wǎng)比傳統(tǒng)城市配電網(wǎng)更加復(fù)雜，如圖1所示，影響城市能源互聯(lián)網(wǎng)的因子更加分散且多樣。

圖1 城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子類型

本文研究的核心是城市能源互聯(lián)網(wǎng)，記作因子S0。通過對能源互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)文獻的研究，結(jié)合圖1城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子類型，確定城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子集如表2所示。

表2 城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子集合

其中，能源因子主要包括S1～S7；環(huán)境因子主要包括S8～S11；交通因子主要包括S12～S15；用戶因子主要包括S16～S18；產(chǎn)業(yè)因子主要包括S19～S22；建筑因子包括S23～S27。值得注意的是，S29～S34以及S0與其他因子類型不同，其權(quán)重大小無需確定。S0是目標問題，S29～S34是該問題的6個評價指標，是確定其他因子權(quán)重需要的。

2.2 構(gòu)建意識經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h3>

影響因子集確定之后，需在各影響因子之間確定有向關(guān)系，并以此為依據(jù)形成初步關(guān)系模型如表3所示。

表3 城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子有向關(guān)系表

2.3 建立連接矩陣

存在直接關(guān)系的影響因子用連接矩陣

N=（nij）m×n表示全部影響因子的直接關(guān)系。i≠j時，若第i個影響因子ei和第j個影響因子ej存在直接關(guān)系，則nij=1；若第i個影響因子ei和第j個影響因子ej不存在直接關(guān)系，則nij=0。

2.4 建立可達矩陣

依據(jù)影響因子關(guān)系的連接矩陣并根據(jù)式（1）、式（2） 得可達矩陣M。

當 k＜n－1 時，若

則可達矩陣

其中I為單位矩陣。

2.5 分配城市能源互聯(lián)網(wǎng)各影響因子所在層級

應(yīng)用可達矩陣M對城市能源互聯(lián)網(wǎng)各影響因子計算如下集合

其中P（ei）是可達集合，表示從因子ei出發(fā)可以到達的全部因子，對應(yīng)可達矩陣M第i行上值為1的列的因子。Q（ei）是影響因子先行集合，表示能夠到達因子ei的全部因子，對應(yīng)可達矩陣M的第i列上值為1的行的因子。

通過式（4） 可求得第一層影響因子集合L1，其中各影響因子有以下特征：從其他因子可以到達該因子，而從該因子則不能到達其他因子，即L1中的因子的映射關(guān)系具有單向性，是位于最高層級（第一層）的。將原可達矩陣M中對應(yīng)第一層影響因子的行和列移除M后可以得到修改后的矩陣M'，對M'進行同M一樣的移除操作，就可以類推得到屬于第2級的因子。多次進行上述模式操作，可以依次求出各層因子，這樣就將各因子分配到相應(yīng)的層級上。

依據(jù)上述計算方法將城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子分為8個層級。

根據(jù)8個層級分配，建立遞階結(jié)構(gòu)的模型，如圖2所示。

圖2 城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子層級結(jié)構(gòu)圖

3 城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子權(quán)重確定

在構(gòu)建完成城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子解釋結(jié)構(gòu)模型后，以層次分析法為基礎(chǔ)，計算各因子的權(quán)重。

美國教授T·L·Saaty在他的相關(guān)學(xué)術(shù)文獻中所闡述的層次分析法AHP（the analytic hierarchy process） 建模包含目標層、準則層、方案層。本文在原有傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上進行擴展，形成適應(yīng)城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子解釋結(jié)構(gòu)模型的綜合權(quán)重計算方法。

ISM中各因子分布于Li（i=1，2，L） 層級上，但是對于層次分析法而言，層的因子在層次分析法的相關(guān)定義中卻不一定劃分在同一層級上。

假設(shè)共有影響因子n個，若可達矩陣M中的元素

那么Sp就是Sq的直接影響因子。

若m=0，表示影響因子集中沒有直接影響的Sq因子；若m=1，則因子Sp的權(quán)重與Sq的權(quán)重相等，即 Wpq＝Wq；若m＞1，Sp的權(quán)重 Wpq可通過以下方法求得。

構(gòu)造判斷矩陣Am×m表示m個影響因子對Sq影響的大小，求出A的最大特征值λmax所對應(yīng)的具有正分量的特征向量W；由式（6）計算出各個因子的權(quán)重。其中aij為Am×m中的元素，W＝［w1q，w2q，…，wpq，…，wmq］為所求特征向量，即各因子對Sq影響大小的相對權(quán)重。

式（6） 對應(yīng)權(quán)重向量計算，由式（7） 對應(yīng)λmax的計算，式（8） 對計算結(jié)果進行一致性檢驗。若根據(jù)式（8） 計算得到的一致性評價參數(shù)CI＜0.10，則計算通過。

其中Wkq為Li層上因子k對q的影響權(quán)重。這樣，就得到了各因子在Li（i＝1，2，L） 層級上的權(quán)重。式（10） 計算可以得到影響因子的綜合權(quán)重。

4 城市能源互聯(lián)網(wǎng)評價算例

我國城市大致可以分為工業(yè)支撐型、商業(yè)支撐型、旅游業(yè)支撐型3個類型，運用本文提出的方法，得到結(jié)果，如圖3、4所示。

圖3 3類城市能源互聯(lián)網(wǎng)6個方面影響權(quán)重

圖4 3類城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子權(quán)重折線圖

由算例結(jié)果可知以下幾點。

a）3種類型城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子權(quán)重大小整體趨勢一致。城市能源互聯(lián)網(wǎng)的互補和兼容性更高，由于光伏、風(fēng)電等清潔能源的接入以及對微電網(wǎng)、分布式發(fā)電的高接納度，光照、風(fēng)力等氣象因子必然產(chǎn)生重要影響。更重要的是，配電網(wǎng)是城市能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，因此不論哪種類型的城市能源互聯(lián)網(wǎng)，都應(yīng)當密切關(guān)注惡劣天氣對配電網(wǎng)的影響。

b）與傳統(tǒng)配電網(wǎng)不同的是清潔能源對城市能源互聯(lián)網(wǎng)的影響非常大。城市能源互聯(lián)網(wǎng)綠色友好性、多元互聯(lián)性的根本在于對清潔能源的接納。城市的資源稟賦、地理分布等都會對清潔能源的集中式開發(fā)和分布式利用產(chǎn)生直接影響。另外，城市能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式發(fā)電以及微電網(wǎng)對能源的協(xié)調(diào)互補有重要作用。清潔能源的綜合利用一方面起到支撐負荷的功能，另一方面城市能源互聯(lián)網(wǎng)的能源流向是雙向的。雙向能源流向?qū)Τ鞘心茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、運行控制、設(shè)備配置、負荷預(yù)測等都提出了新的要求。

C）產(chǎn)業(yè)因子對城市能源互聯(lián)網(wǎng)的影響較大。特別是對工業(yè)主導(dǎo)型的城市能源互聯(lián)網(wǎng)的影響大于其他兩類城市。GDP、產(chǎn)業(yè)分布等因子對城市用電負荷的增長有重要影響。

5 結(jié)束語

利用解釋結(jié)構(gòu)模型和擴展的層次分析法，構(gòu)建城市能源互聯(lián)網(wǎng)影響因子評價模型，直觀地展示各因子對城市能源互聯(lián)網(wǎng)的影響程度。3種典型類型城市的能源互聯(lián)網(wǎng)的影響因子權(quán)重對比，驗證了方法的有效性，為城市能源互聯(lián)網(wǎng)的評價分析提供了一種嶄新的思路和方法，在城市能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化配置、建設(shè)規(guī)劃方案及運營管控模式的研究中具有參考價值。