城市能源互聯網及其影響因子評價模型研究

趙云峰

（國網山西省電力公司電力調度控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

長期以來，社會經濟發展過度依賴化石能源，資源緊張、環境污染等問題日益顯著，能源革命迫在眉睫。為應對能源危機，需要統籌把握產業發展、資源配比、環境影響等密切相關的廣域化的特征，以實施清潔替代和電能替代為重點加快能源格局的轉變，推動了能源互聯網相關技術的研究應用。

本文概括了現階段能源互聯網的研究情況，提出城市能源互聯網UEI（urban energy Internet）的概念。將城市能源互聯網作為全球能源互聯網的基分析，結合城市能源互聯網的構成元素和關鍵特征，歸納提煉城市能源互聯網關鍵影響因子集合。基于解結構模型和層次分析法，構建了城市能源互聯網影響因子評價模型。

1 城市能源互聯網

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

1.1 國內外研究現狀

關注智能電網的底層拓撲結構的美國加利福尼亞大學伯克利分校的學者提出了“基于信息核心的能源網絡”結構[1]。2008年，德國推出新型能源網絡的技術創新提升計劃E-energy[2]，E-energy提出能源互聯體系綜合數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測算法、配電網潮流在線實時監測實現對各發電側及受控負荷側的優化控制?；诨ヂ摼W的數字電網將電網細分成自主但相互聯系的區塊，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“第三次工業革命將圍繞能源互聯網展開”。

我國對能源互聯網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“第三次工業革命”以及“能源互聯網”專家研討會以及國家電網公司召開“智能電網承載第三次工業革命”研討會開啟了相關軟課題研究，中國電科院啟動了“能源互聯網技術架構”研究項目。2016年，國家發展與改革委員會發布提出“互聯網+”智慧能源的概念[3-4]。綜上所述，國內外學者現階段對能源互聯網的研究重點著眼于3個方向：概念模型及發展挑戰、通信設計及應用（能源路由器）、技術框架及重點技術。

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

相關國內研究人員就能源互聯網提出了初步定義：能源互聯網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、互聯通信和系統規劃等技術，實現電力能源網絡與其他能源系統緊密接駁高度融合的能源網。能源互聯網具有清潔高效、動態隨機、廣域共享、多源互聯、互動智能等特性[8-9]。

1.2 中國城市能源互聯網

相關數據顯示，我國城市集中了全國50%的人口，75%的資源消費，80%的GDP，產生近70%的碳排放，而能源革命恰恰就是解決低碳經濟和能源高效利用的問題。從當前發展情況看，相較于能源需求，社會發展對電力需求更加旺盛，電力在能源結構中的主導地位愈發增強。能源互聯網是電力市場交易的物理基礎，是未來生產生活不可或缺的公共服務平臺[10]。電力流布局的4個原則之一便是本地優先原則，即當地的分布式或集中式發電應優先開發利用。UEI作為能源互聯網的基礎構成單元，是能源互聯網在城市地區的承接節點和重要支撐，城市能源互聯與傳統城市配電網特征比較如表1所示。

表1 城市能源互聯網與傳統城市配電網特征比較

國家能源局公布的智慧能源示范項目涵蓋城市、園區能源互聯網建設，企業大數據平臺開發，分布式微電網建設，電動汽車充換電設施與分時租賃等多個方面[11]。天津北辰區、浙江嘉興市、四川天府新區、上海旅游度假區等地都開展了能源互聯示范工程的建設。主要內容包括：整合多種能源及其優化利用，建設“源—網—荷—儲”協調的智能交互電力網，構建城市能源大數據共享平臺，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網指的是：基于城市配電網，以城市區域范圍為網絡覆蓋區域，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，能夠實現城市電力網絡與其他能源緊密結合、靈活調用的區域能源互聯網絡。

2 城市能源互聯網影響因子評價模型

城市能源互聯網涵蓋能源、通信、交通、信息等多個方面，是一個受多種因子影響的復雜系統。為了研究城市能源互聯網影響因子之間的關系和各因子對城市能源互聯網影響的大小，構建評價模型，本文采用解釋結構模型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構模型ISM[4]，旨在通過結構建模的數學方法來分析解決復雜系統的相關問題，在經濟、工程等多領域都得到了廣泛驗證與應用，目前已經具備完整的分析體系。

2.1 城市能源互聯網影響因子集合

通過對城市能源互聯網所包含相關理論和實踐經驗，對UEI系統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、及相應控制系統等含有大量電力電子器件的設備接入，城市能源互聯網比傳統城市配電網更加復雜，如圖1所示，影響城市能源互聯網的因子更加分散且多樣。

圖1 城市能源互聯網影響因子類型

本文研究的核心是城市能源互聯網，記作因子S0。通過對能源互聯網及相關文獻的研究，結合圖1城市能源互聯網影響因子類型，確定城市能源互聯網影響因子集如表2所示。

表2 城市能源互聯網影響因子集合

其中，能源因子主要包括S1～S7；環境因子主要包括S8～S11；交通因子主要包括S12～S15；用戶因子主要包括S16～S18；產業因子主要包括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，是確定其他因子權重需要的。

2.2 構建意識經驗模型

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

表3 城市能源互聯網影響因子有向關系表

2.3 建立連接矩陣

存在直接關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不存在直接關系，則nij=0。

2.4 建立可達矩陣

依據影響因子關系的連接矩陣并根據式（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 分配城市能源互聯網各影響因子所在層級

應用可達矩陣M對城市能源互聯網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出發可以到達的全部因子，對應可達矩陣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的層級上。

依據上述計算方法將城市能源互聯網影響因子分為8個層級。

根據8個層級分配，建立遞階結構的模型，如圖2所示。

圖2 城市能源互聯網影響因子層級結構圖

3 城市能源互聯網影響因子權重確定

在構建完成城市能源互聯網影響因子解釋結構模型后，以層次分析法為基礎，計算各因子的權重。

美國教授T·L·Saaty在他的相關學術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。本文在原有傳統模型基礎上進行擴展，形成適應城市能源互聯網影響因子解釋結構模型的綜合權重計算方法。

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定義中卻不一定劃分在同一層級上。

假設共有影響因子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的權重與Sq的權重相等，即 Wpq＝Wq；若m＞1，Sp的權重 Wpq可通過以下方法求得。

構造判斷矩陣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所對應的具有正分量的特征向量W；由式（6）計算出各個因子的權重。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影響大小的相對權重。

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

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

4 城市能源互聯網評價算例

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

圖3 3類城市能源互聯網6個方面影響權重

圖4 3類城市能源互聯網影響因子權重折線圖

由算例結果可知以下幾點。

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

b）與傳統配電網不同的是清潔能源對城市能源互聯網的影響非常大。城市能源互聯網綠色友好性、多元互聯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和分布式利用產生直接影響。另外，城市能源互聯網中分布式發電以及微電網對能源的協調互補有重要作用。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網的能源流向是雙向的。雙向能源流向對城市能源互聯網的規劃設計、運行控制、設備配置、負荷預測等都提出了新的要求。

C）產業因子對城市能源互聯網的影響較大。特別是對工業主導型的城市能源互聯網的影響大于其他兩類城市。GDP、產業分布等因子對城市用電負荷的增長有重要影響。

5 結束語

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