劉金朋,吳 瀾,劉福炎,楊小勇,俞 敏,郝洪志
(1.華北電力大學經(jīng)濟與管理學院,北京 102206;2.國網(wǎng)浙江經(jīng)濟技術(shù)研究院,浙江杭州 310020;3.浙江鼎晟工程項目管理有限公司,浙江金華 321017)
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是助力“雙碳”目標落地、能源綠色轉(zhuǎn)型的重要支撐,配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分,是面向用戶電力供應的核心環(huán)節(jié),其形態(tài)及業(yè)態(tài)發(fā)生顯著變化[1]。分布式電源、電力電子裝備、柔性可控負荷等大規(guī)模接入,推動了配電網(wǎng)實現(xiàn)低碳發(fā)展,同時在規(guī)劃調(diào)度[2]、經(jīng)濟運行[3]、資產(chǎn)管理[4]等方面帶來了新的挑戰(zhàn),對配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來影響。因此,亟需從系統(tǒng)全局角度探討配電網(wǎng)各子系統(tǒng)耦合機理,分析配電網(wǎng)形態(tài)和功能的演化路徑,為統(tǒng)籌規(guī)劃、推動配電網(wǎng)高效發(fā)展提供參考。
目前我國對配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或功能形態(tài)演化研究的相關成果主要集中在理論探索和仿真模擬兩個方面。在理論探索方面,文獻[5]剖析了配電網(wǎng)形態(tài)演變的驅(qū)動因素及作用機理,深入探討了多元驅(qū)動力作用下配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃問題。文獻[6]總結(jié)了新型配電系統(tǒng)的形態(tài)、特征,提出了配電網(wǎng)發(fā)展的關鍵技術(shù)及面臨的主要問題。文獻[7]構(gòu)建了城市配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)演變的波士頓矩陣,將配電網(wǎng)形態(tài)分為4 個等級。文獻[8]基于能源互聯(lián)網(wǎng)視角,研究了配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)及演化路徑,將配電網(wǎng)發(fā)展分為雛形期、發(fā)展期、蛻變期、智融期4 個階段。在仿真模擬方面,文獻[9]以復雜網(wǎng)絡理論為基礎,提出了用異速生長規(guī)律構(gòu)建配電網(wǎng)形態(tài)演化模型。文獻[10]提出了三代電網(wǎng)演化模型,復現(xiàn)了電網(wǎng)演化生長過程。文獻[11]克服了傳統(tǒng)演化模型的不足,提出了有源配電網(wǎng)時空演化模型,研究配電網(wǎng)從無源到有源的演化過程及演化機制。文獻[12]提出了多系統(tǒng)共生協(xié)調(diào)演化模型,并加入外部刺激,研究不同參量下微電網(wǎng)演化路徑。
總體來看,現(xiàn)有文獻對從整體視角研究配電網(wǎng)形態(tài)發(fā)展具有一定借鑒與參考,對從局部視角研究系統(tǒng)內(nèi)部各要素及與外部環(huán)境的耦合機理有待深化。因此,本文提出一種基于復雜適應系統(tǒng)理論的配電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)演化分析的新思路,從微觀與宏觀角度出發(fā)研究配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各要素互動機制,挖掘配電網(wǎng)系統(tǒng)各階段演化特性,分析系統(tǒng)動態(tài)演化高效發(fā)展的重要保障,為新形勢下配電網(wǎng)相關工作提供理論支撐。
復雜適應系統(tǒng)(Complex Adaptive Systems,CAS)理論由約翰·霍蘭教授于1994 年正式提出,被譽為繼一般系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)論之后的“第三代系統(tǒng)思想”,為系統(tǒng)研究開辟了新視野。該理論采取“自下而上”的研究路線揭示客觀事物構(gòu)成的原因及其演化歷程,將微觀分析與宏觀分析相結(jié)合,認為微觀個體的適應促使宏觀系統(tǒng)呈現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)與形態(tài),即涌現(xiàn)復雜現(xiàn)象[13]。因此“,適應產(chǎn)生復雜性”作為CAS 理論的核心思想,指導系統(tǒng)復雜性生成的內(nèi)因分析。
基于CAS 理論的系統(tǒng)演化行為研究,主要包括以下4 個基本環(huán)節(jié):
1)明確系統(tǒng)主體構(gòu)成。系統(tǒng)由具有適應性的主體構(gòu)成,主體是CAS 理論的核心,具備與環(huán)境及其他主體交互的能力,通過不斷地調(diào)整和改變自身行為模式,從而適應環(huán)境變化的要求[14]。
2)判斷系統(tǒng)是否符合CAS 的基本特性。CAS應同時具備7 個基本特性,分別為聚集、非線性、流、多樣性、標識、內(nèi)部模型及積木。
3)分層級建模。包括微觀層面的單一主體交互模型及宏觀層面的多主體交互模型,通過個體行為規(guī)則調(diào)整研究系統(tǒng)全局行為變化。
(1)微觀層面。主體的學習過程包括“接受刺激-主體反應-行為調(diào)節(jié)-得到反饋-修正規(guī)則”5 個環(huán)節(jié),如圖1 所示。
圖1 微觀層面CAS單一主體交互模型Fig.1 Single agent interaction model in CAS(micro)
(2)宏觀層面。系統(tǒng)在微觀主體之間以及主體與環(huán)境相互作用中演變或進化,表現(xiàn)出新層次的產(chǎn)生、分化等復雜演化過程[15],分析模型如圖2 所示。
圖2 宏觀層面CAS多主體交互模型Fig.2 Multi-agent Interaction Model in CAS(macro)
4)演化歷程解析。結(jié)合建立的概念模型或數(shù)學模型,梳理系統(tǒng)的演化歷程,總結(jié)各階段系統(tǒng)特征,進一步科學推理系統(tǒng)整體演化趨勢。
配電網(wǎng)可以看作是由若干適應性主體構(gòu)成的CAS。從物理角度分析,配電網(wǎng)的基本單元是接入系統(tǒng)中的單個設備元件,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,設備元件由被動調(diào)整向主動適應過渡,將逐步具備CAS 理論對主體“活性”的基本要求。從經(jīng)濟角度分析,配電網(wǎng)的基本單元是參與系統(tǒng)運營的獨立經(jīng)濟體,各獨立經(jīng)濟體能夠主動應對外部變化并做出適應性調(diào)整,具備獨立決策和收益的能力[16]。因此,本文將配電網(wǎng)系統(tǒng)簡化為由配電網(wǎng)源端生產(chǎn)主體、配電網(wǎng)網(wǎng)端傳輸主體、配電網(wǎng)荷端用能主體和轉(zhuǎn)化與存儲主體4 大類適應性主體群組成的CAS,各主體由多個設備元件經(jīng)由多種形式的物理信息聯(lián)系構(gòu)筑而成。
配電網(wǎng)是一個融合多維目標、具有多個主體的CAS,具備典型的復雜適應特性如表1 所示。
表1 配電網(wǎng)系統(tǒng)的復雜適應特性Table 1 Complex adaptive characteristics of distribution network system
結(jié)上所述,CAS 理論的7 個基本特性在配電網(wǎng)中得到充分體現(xiàn),兩者具有較好的兼容性,為下一步交互模型的構(gòu)建奠定基礎。
配電網(wǎng)系統(tǒng)主體的發(fā)展與系統(tǒng)外部環(huán)境的復雜性息息相關,交錯復雜的外部環(huán)境形成了配電網(wǎng)復雜適應系統(tǒng)的高度敏感性,致使任意微小的擾動均會在各主體間產(chǎn)生復雜的連鎖效應,推動主體在反復交互過程中不斷進化。
配電網(wǎng)CAS 外部環(huán)境的復雜性主要包括自然、經(jīng)濟、政策等方面。其中,自然環(huán)境主要由土地、化石燃料、氣候等要素構(gòu)成,自然環(huán)境的變化給配電網(wǎng)電力生產(chǎn)模式、消費模式等方面帶來深刻影響;經(jīng)濟環(huán)境主要由社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟發(fā)展水平、消費者收入水平等要素構(gòu)成,經(jīng)濟環(huán)境的變化給配電網(wǎng)的規(guī)模、發(fā)展速度、目標定位等方面帶來深刻影響;健全完善的政策環(huán)境是配電網(wǎng)穩(wěn)健發(fā)展的根基與保障,有效促進多元復雜主體的生成和要素在主體間的流動;其他方面如技術(shù)、市場等,技術(shù)的發(fā)展為配電網(wǎng)主體行為調(diào)節(jié)提供了強大的支持手段,包括自動化技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、電子信息技術(shù)等[18],市場方面,社會資本加入、售電市場開放等舉措[19],推動主體多樣化發(fā)展,能量流動更加復雜。
配電網(wǎng)CAS 中的主體在與外部環(huán)境不斷的交互過程中謀求主體的生存與發(fā)展,這種交互作用遵循一般的刺激-反應模型。該模型的實施機制為:適應性主體接收到外部刺激后,根據(jù)其已有規(guī)則集合進行匹配,給出適宜決策,改變自身行為方式,并反作用于外部環(huán)境。在此過程中產(chǎn)生正反饋或負反饋鏈路,正反饋可強化主體適應度,負反饋將導致主體趨向消亡。本文將從微觀層面對4 大適應性主體分別構(gòu)建交互模型。
3.2.1 配電網(wǎng)源端生產(chǎn)主體
考慮到外部環(huán)境的復雜性,選取自然環(huán)境系統(tǒng)變化為主要驅(qū)動因素,研究其與配電網(wǎng)源端生產(chǎn)主體的交互模型,具體適應機制如圖3 所示。配電網(wǎng)源端生產(chǎn)主體接收到外部環(huán)境的變化信息,通過引入分布式電源做出刺激反應,優(yōu)化主體結(jié)構(gòu),并采取政策扶持、技術(shù)支撐等手段,促進主體朝著清潔化、多元化方向發(fā)展。同時,主體選定的適應規(guī)則反作用于外部環(huán)境,為主體活動帶來更具優(yōu)勢的外部環(huán)境,形成“環(huán)境→主體→環(huán)境”的循環(huán)反饋鏈路。
圖3 配電網(wǎng)源端生產(chǎn)主體交互模型Fig.3 Interaction model of production agent at power source end of distribution network
3.2.2 配電網(wǎng)網(wǎng)端傳輸主體
選取源端及荷端主體變化為主要驅(qū)動因素,研究其與配電網(wǎng)網(wǎng)端傳輸主體的交互模型,具體適應機制如圖4 所示。
圖4 配電網(wǎng)網(wǎng)端傳輸主體交互模型Fig.4 Interaction model of transmission agent at network end
配電網(wǎng)網(wǎng)端傳輸主體作為系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié),同時接受外部環(huán)境及上下游主體的變化信息,通過應用新型電力電子裝備及改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等方式做出刺激反應,采取優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)、直流配電技術(shù)支撐等手段,促進網(wǎng)架的靈活性、可靠性,主體的適應性調(diào)節(jié)促進新能源的消納,降低電能生產(chǎn)及變換環(huán)節(jié)的碳排放,與外部形成反饋循環(huán),主體朝著電力電子化、設備智能化方向發(fā)展。
3.2.3 配電網(wǎng)荷端用能主體
選取自然環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境變化為主要驅(qū)動因素,研究其與配電網(wǎng)荷端用能主體的交互模型,具體適應機制如圖5 所示。氣候變化等外部刺激下,電力消費主體通過推進電能替代等舉措,減少碳排放。在交通運輸領域,電動汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車;在清潔供暖領域,國家積極推進煤改電、煤改氣,使主體在不斷適應環(huán)境的同時,給配電系統(tǒng)帶來了巨大的增量負荷。再次擾動主體狀態(tài),通過參與需求響應,發(fā)展源荷互動技術(shù)等手段效緩解電力供應緊張問題,進行反饋與供需調(diào)整,主體朝用電互動化、電力市場化方向發(fā)展。
圖5 配電網(wǎng)荷端用能主體交互模型Fig.5 Interaction model of energy users at load end of distribution network
3.2.4 轉(zhuǎn)化與存儲主體
轉(zhuǎn)化與存儲主體是源端生產(chǎn)主體與荷端用能主體在不斷適應環(huán)境變化過程中,衍生出的新主體,通過與其他主體進行合作,爭取最大的生存。選取外部主要驅(qū)動因素,研究其與轉(zhuǎn)化與存儲主體的交互模型,具體適應機制如圖6 所示。
圖6 轉(zhuǎn)化與存儲主體交互模型Fig.6 Interaction model of transform and store agent
主體通過與環(huán)境的反饋循環(huán),不斷優(yōu)化內(nèi)部模型,從適應中生成復雜,共同進化。其中,主體反應環(huán)節(jié)中分布式儲能裝置主要包括電化學儲能、蓄冷蓄熱技術(shù)等。在主體學習與經(jīng)驗累積中,逐漸由單一儲能形式向復合儲能進化,呈現(xiàn)形式的多樣性,朝著商業(yè)化、規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展[20]。
配電網(wǎng)復雜適應系統(tǒng)中主體-環(huán)境-其他主體以能量流、信息流、業(yè)務流等形式實現(xiàn)資源流動與要素轉(zhuǎn)化,其中能量流反映系統(tǒng)的物理特性,信息流反映系統(tǒng)的信息特性,業(yè)務流反映系統(tǒng)的經(jīng)濟特性,各要素流之間相互耦合,在各主體間流動產(chǎn)生涌現(xiàn)效應。根據(jù)CAS 理論,在單個主體演化模型的基礎上,結(jié)合資源流動路徑分析,可將微觀個體進化過程推廣到宏觀系統(tǒng)演化過程,在此基礎上實現(xiàn)多主體交互關系刻畫,如圖7 所示。
圖7 配電網(wǎng)CAS多主體交互模型Fig.7 Multi-agent interaction model of distribution network in CAS
1)能量流。隨著電力電子裝備的接入,配電網(wǎng)架由原來的樹狀結(jié)構(gòu)發(fā)展為靈活的環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),各主體間實現(xiàn)柔性互聯(lián),潮流由傳統(tǒng)的單一流向日趨多樣化、復雜化;轉(zhuǎn)化與存儲主體的出現(xiàn),緩解了系統(tǒng)峰谷差及電力電子裝備引入的大量諧波,解決了能量流動中的功率不平衡問題[21];直流配電技術(shù)的發(fā)展,強化了分布式新能源、電動汽車等直流負荷的適應度[22],實現(xiàn)潮流的靈活控制。此外,配電網(wǎng)CAS 與交通、能源等其他外部系統(tǒng)也存在能量流動,系統(tǒng)壁壘逐漸打破。
2)信息流。主體同時從外部環(huán)境及其他主體接受信息,根據(jù)收集到的信息,對主體內(nèi)部設備元件的運行策略進行決策,優(yōu)化能量流動模型。系統(tǒng)上游主體可向下游主體傳導實時能量流信息,下游主體可向上游主體傳導能量需求信息,信息的雙向流動促使配電網(wǎng)運行模式由“源隨荷動”向“源荷互動”轉(zhuǎn)變。同時,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對系統(tǒng)中存在的海量數(shù)據(jù)信息進行分析,為配網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度決策、電力交易提供指導,提升配網(wǎng)管理水平及能源利用效率。
3)業(yè)務流。配電網(wǎng)CAS 中主體通過聚集形成了眾多新的、更高層次的利益主體,有助于新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。其中,源側(cè)主要包括分布式電源投資方、微電網(wǎng)運營商等;荷側(cè)主要包括單一電力用戶、電力用戶聚合商等;網(wǎng)側(cè)主要包括配電網(wǎng)建設投資方、電網(wǎng)運營商等。各方利益主體在市場競爭與監(jiān)管環(huán)境下相互博弈[23],共同推動配電服務水平的提升。
根據(jù)CAS 理論,配電網(wǎng)的發(fā)展是系統(tǒng)各主體在不同階段主動適應內(nèi)外環(huán)境變化,通過各類標識聚集,在迭代交互中不斷學習和積累經(jīng)驗,優(yōu)化其內(nèi)部模型而逐漸演化涌現(xiàn)的結(jié)果?;谶@一演化思想,結(jié)合配電網(wǎng)主體交互模型,通過梳理各時期系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參與主體、體制機制等要素,將我國配電網(wǎng)演化過程劃分為3 個階段,分別為初級階段、中級階段、高級階段,各階段演化特性總結(jié)如圖8 所示。
圖8 配電網(wǎng)CAS各階段演化特性示意圖Fig.8 Schematic diagram of evolution characteristics of distribution network in CAS
1)初級階段。傳統(tǒng)配電網(wǎng)。配電網(wǎng)發(fā)展的初級階段,是系統(tǒng)從混沌無序走向低級有序的過程。負荷需求的轉(zhuǎn)變、遠距離輸電技術(shù)的成熟等外部因素,共同推動配電網(wǎng)規(guī)模擴大,形成高、中、低壓互聯(lián)互通的配電網(wǎng)體系[8]。在此階段,配電網(wǎng)系統(tǒng)相對封閉,源端以火電、水電等傳統(tǒng)輸入為主,電能傳輸呈發(fā)射狀網(wǎng)絡,參與主體類型相對較少,以網(wǎng)端傳輸主體為核心,且各主體相對獨立,界限清晰,主體的交互作用強度一般;各類“流”在主體間的傳遞渠道、傳遞方向單一,傳遞速度較慢。初級階段的配電網(wǎng)主要承擔分配電能的作用,功能單一。
2)中級階段?,F(xiàn)代配電網(wǎng)。配電網(wǎng)發(fā)展的中級階段,是系統(tǒng)從簡單保守走向復雜開放的過程。系統(tǒng)外部環(huán)境的變化,打破了配電網(wǎng)原有的穩(wěn)定性,新的適應性主體不斷涌現(xiàn),主體間協(xié)同交互,從各個方面對配電網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化升級。源端分布式能源的接入,實現(xiàn)了系統(tǒng)從無源到有源的轉(zhuǎn)變[24];網(wǎng)端電力電子裝備的應用,提升了系統(tǒng)的可控性、可觀性;荷端新型負荷與儲能設備的出現(xiàn),推動著配電網(wǎng)朝互動化方向演變。這一階段中,配電網(wǎng)系統(tǒng)逐漸放開,參與主體多元化,且各主體相互耦合,打破獨立;各類“流”在主體間傳遞渠道多樣化,傳遞方向互通,傳遞速度加快。中級階段的配電網(wǎng)逐漸具備電能生產(chǎn)、傳輸、存儲與分配等多維功能。
3)高級階段。未來配電網(wǎng)。配電網(wǎng)發(fā)展的高級階段,是系統(tǒng)從局部發(fā)展走向整體成熟的過程。該階段是配電網(wǎng)發(fā)展的目標狀態(tài),具備多能互補、供需匹配、效益最優(yōu)等特征。在此階段,現(xiàn)代配電網(wǎng)發(fā)展中面臨的靜態(tài)問題、動態(tài)問題等得到有效解決,分布式電源運營商、配售電網(wǎng)公司、用戶聚合商等多元利益主體協(xié)同作用,各類型主體功能交叉滲透,界限趨于模糊,主體潛力被充分激發(fā);內(nèi)部主體間物理信息等要素充分融合,外部與交通、能源等系統(tǒng)壁壘打破,實現(xiàn)清潔能源主導、各主體協(xié)同運行、全環(huán)節(jié)互聯(lián)可控的最優(yōu)狀態(tài)。高級階段的配電網(wǎng)成為具備多重角色功能的公共平臺。
引入CAS 理論,從“主體”、“適應”等視角闡述了配電網(wǎng)系統(tǒng)成就“涌現(xiàn)”的必然性,總結(jié)凝練系統(tǒng)演化進程,提升配電網(wǎng)科學規(guī)劃、高效運行控制及多主體協(xié)同優(yōu)化發(fā)展。為科學支撐系統(tǒng)向高級階段過渡,重點從以下幾方面加強系統(tǒng)建設與管理。
1)規(guī)劃設計保障提升方面,配電網(wǎng)復雜適應系統(tǒng)在演化過程中外部與交通、燃氣、熱力等系統(tǒng)的壁壘逐漸打破,未來規(guī)劃設計技術(shù)要求配電網(wǎng)與其他系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃,實現(xiàn)更大時空范圍的能源配置需求?;ヂ?lián)網(wǎng)與云計算等技術(shù)[25]將在未來配電網(wǎng)規(guī)劃設計中發(fā)揮重大支撐作用。
2)運行控制保障提升方面,未來配電網(wǎng)復雜適應系統(tǒng)中的內(nèi)部模型隨著主體的演變而呈現(xiàn)多樣性,對系統(tǒng)運行控制技術(shù)的發(fā)展提出更高的要求,主體間協(xié)調(diào)優(yōu)化、智能保護、需求響應、建模仿真等相關保障技術(shù)仍需加強。
3)數(shù)字信息技術(shù)保障提升方面,配電網(wǎng)是物理-信息-經(jīng)濟耦合的復雜系統(tǒng),在主體交互過程中產(chǎn)生海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù),如何通過數(shù)字信息技術(shù)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的挖掘、篩選、存儲、分析等功能是亟需重點攻克的難題。大數(shù)據(jù)的充分利用,為未來配電網(wǎng)提供更多可能。
新型電力系統(tǒng)發(fā)展下深化配電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)演化研究具有重要的指導性與前瞻價值,本文提出了一種利用CAS 理論研究配電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)演化的新思路。剖析了配電網(wǎng)作為復雜適應系統(tǒng)的關鍵主體,包括配電網(wǎng)源端生產(chǎn)主體、配電網(wǎng)網(wǎng)端傳輸主體、配電網(wǎng)荷端用能主體和轉(zhuǎn)化與存儲主體,解析了聚集、非線性、流等7 大適應特性在配電網(wǎng)中的具體體現(xiàn),構(gòu)建了基于刺激-反應的單一主體交互模型和基于物理-信息-經(jīng)濟耦合的多主體交互模型,實現(xiàn)了微觀個體進化與宏觀系統(tǒng)演化兩個不同層次的連接,總結(jié)提煉了傳統(tǒng)配電網(wǎng)、現(xiàn)代配電網(wǎng)、未來配電網(wǎng)各階段系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、演化形式等特性,闡明了系統(tǒng)動態(tài)演化高效發(fā)展的支撐保障措施。
目前利用復雜適應系統(tǒng)對配電網(wǎng)主體進行分級建模研究仍處于初步探索階段,未來還有待在回聲模型、涌現(xiàn)模型、平臺仿真等領域?qū)ε潆娋W(wǎng)進行深入研究,探討系統(tǒng)從微觀到宏觀的聯(lián)動機制。