新型電力系統(tǒng)的影響因素分析

丁 俊 王欣怡 邵燁楠 周 凱 張少文

新型電力系統(tǒng)的影響因素分析

丁 俊1王欣怡2邵燁楠1周 凱1張少文3

（1. 國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇蘇州 215000；2. 江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102；3. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167）

隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。然而，對新型電力系統(tǒng)而言，由于構(gòu)成的復(fù)雜性，其影響因素之間必然存在復(fù)雜且強(qiáng)耦合關(guān)系。因此，本文針對新型電力系統(tǒng)影響因素之間的相互關(guān)系及層次結(jié)構(gòu)展開研究。首先對新型電力系統(tǒng)的特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上總結(jié)新型電力系統(tǒng)的影響因素集與意識模型；其次利用推移論的計(jì)算方法獲得可達(dá)矩陣，通過可達(dá)矩陣?yán)L制結(jié)構(gòu)層次圖；最后構(gòu)建出新型電力系統(tǒng)影響因素解釋結(jié)構(gòu)模型，該模型既可以直接反映影響因素之間的層次結(jié)構(gòu)，也可直接作為后期定量分析的層次結(jié)構(gòu)模型，為新型電力系統(tǒng)影響因素的分析提供了一種新的思路和方法，也為我國新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供參考。

新型電力系統(tǒng)；影響因素集；意識模型；可達(dá)矩陣；解釋結(jié)構(gòu)模型

0 引言

2021年03月01日，國家電網(wǎng)有限公司響應(yīng)國家“雙碳”政策，發(fā)布了《國家電網(wǎng)公司“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案》，該方案旨在構(gòu)建現(xiàn)代新型電力系統(tǒng)體系，從而推動低碳零碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1-2]。提升新能源發(fā)電占比、提高新能源發(fā)電在終端消費(fèi)中的比重是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要保證[3]。

文獻(xiàn)[4-5]從技術(shù)層面出發(fā)，提出新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型與調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)，為新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供參考。但由于新型電力系統(tǒng)影響因素涉及廣泛，因此需要從能源、環(huán)境等多角度對新型電力系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6-9]分別從能源、環(huán)境、技術(shù)與設(shè)備維護(hù)角度對新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的影響因素進(jìn)行敘述，為新型電力系統(tǒng)的影響因素分析提供參考。但上述文獻(xiàn)主要是對新型電力系統(tǒng)單個(gè)方面影響因素展開分析，針對新型電力系統(tǒng)多個(gè)方面混合影響因素之間的影響關(guān)系缺乏相應(yīng)的闡述。文獻(xiàn)[10-11]從負(fù)荷、報(bào)價(jià)和容量等方面分析影響因素對電價(jià)的影響，但未針對多個(gè)影響因素之間的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的探討。

本文將能源、環(huán)境、用戶、產(chǎn)業(yè)作為新型電力系統(tǒng)的影響因素集，并利用解釋結(jié)構(gòu)模型分析方法，對新型電力系統(tǒng)影響因素之間的關(guān)聯(lián)性與層次性進(jìn)行分析。首先對新型電力系統(tǒng)影響因素展開分析并通過影響因素之間的相互影響關(guān)系獲得鄰接矩陣，其次利用推移論對鄰接矩陣進(jìn)行計(jì)算，得出可達(dá)矩陣，最后利用可達(dá)矩陣得出層次清晰、脈絡(luò)清楚的結(jié)構(gòu)層次圖。

1 解釋結(jié)構(gòu)模型

對新型電力系統(tǒng)而言，由于構(gòu)成的復(fù)雜性，其影響因素之間必然存在復(fù)雜且強(qiáng)烈耦合關(guān)系，因此本文利用解釋結(jié)構(gòu)模型對新型電力系統(tǒng)進(jìn)行研究。解釋結(jié)構(gòu)模型是通過梳理將復(fù)雜且具有強(qiáng)烈耦合關(guān)系的系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)，然后通過對子系統(tǒng)內(nèi)部各影響因素之間的聯(lián)系性進(jìn)行分析，得出影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并利用有向圖來揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。解釋結(jié)構(gòu)模型建立過程如圖1所示，具體分為以下五個(gè)步驟。

圖1 解釋結(jié)構(gòu)模型建立過程

1）確定要素集與意識模型

依據(jù)新型電力系統(tǒng)所涉及的專業(yè)知識和實(shí)際運(yùn)行約束條件，對新型電力系統(tǒng)的影響因素展開分析，將其分解為多個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)子系統(tǒng)生成影響要素集，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的意識模型。

2）建立鄰接矩陣

通過對各子系統(tǒng)中影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，構(gòu)建相應(yīng)的鄰接矩陣=(a)。鄰接矩陣的元素a定義為

式中，≠，且,=1, 2,…,，為影響因素的個(gè)數(shù)。

3）建立可達(dá)矩陣

利用推移論的規(guī)律與特性，對鄰接矩陣進(jìn)行計(jì)算，得到可達(dá)矩陣，計(jì)算公式為

式中，為單位矩陣。該計(jì)算方法將矩陣與相加后進(jìn)行同矩陣相乘，直至乘積矩陣保持不變，此時(shí)乘積矩陣為可達(dá)矩陣。

4）構(gòu)造結(jié)構(gòu)層次圖

采用規(guī)范方法與實(shí)用方法，利用步驟3）所求出的可達(dá)矩陣，建立結(jié)構(gòu)層次圖，觀察整個(gè)新型電力系統(tǒng)影響因素之間對應(yīng)的層次關(guān)系。

5）構(gòu)建解釋結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)相關(guān)理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)層次圖從而得到解釋結(jié)構(gòu)模型。比較解釋結(jié)構(gòu)模型和現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)意識模型，如有嚴(yán)重不符則返回步驟1）對相關(guān)因素及其影響關(guān)系進(jìn)行修正。

2 新型電力系統(tǒng)影響因素解釋結(jié)構(gòu)模型

新型電力系統(tǒng)通過多類型能源之間的互相轉(zhuǎn)化與補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合，從而提高綜合能源系統(tǒng)的有效性、靈活性和安全性。因此，在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建過程中應(yīng)綜合考慮對新型電力系統(tǒng)的供電可靠性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、負(fù)荷種類等有直接或間接影響的因素，形成如圖2所示的影響因素知識模型。

本文研究的對象是新型電力系統(tǒng)，記為因素0；通過圖2所示的知識模型，確定能源、環(huán)境、用戶、產(chǎn)業(yè)為新型電力系統(tǒng)的主要影響因素集。影響因素集中主要包括清潔能源種類、能源總利用效率、氣候類型、日照時(shí)間及光照強(qiáng)度、負(fù)荷特性曲線、各類產(chǎn)業(yè)比例結(jié)構(gòu)等14個(gè)主要影響因素，分別記為因素1～14。另外，系統(tǒng)的供電可靠性記為因素15，系統(tǒng)的電能質(zhì)量記為因素16，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益記為因素17，系統(tǒng)的負(fù)荷大小記為因素18。

圖2 新型電力系統(tǒng)影響因素知識模型

新型電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，供電可靠性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益及負(fù)荷大小是衡量新型電力系統(tǒng)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，直接受新型電力系統(tǒng)影響。此外清潔能源種類及分布與所處地區(qū)日照、產(chǎn)業(yè)規(guī)模直接相關(guān)，因此將日照時(shí)間及光照強(qiáng)度6與產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值13作為清潔能源種類及分布1的直接影響因素，依此類推，最終確定19個(gè)因素之間的相互關(guān)系見表1。

表1 新型電力系統(tǒng)影響因素之間的相互關(guān)系

根據(jù)表1所列新型電力系統(tǒng)影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建鄰接矩陣，利用式（2）、式（3）對鄰接矩陣進(jìn)行計(jì)算，得出的可達(dá)矩陣見表2。

表2 可達(dá)矩陣M

從表2可以發(fā)現(xiàn)，新型電力系統(tǒng)的所有影響因素一共可以劃分為7個(gè)層次，所有的影響因素都通過不同的角度對新型電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。其中，每一層影響因素只對上層影響因素有直接影響，而對下層影響因素沒有直接影響。

根據(jù)可達(dá)矩陣，運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型的規(guī)范法與實(shí)用法建立新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，如圖3所示。

圖3 新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，以新型電力系統(tǒng)為核心，所有的影響因素交叉影響，最終構(gòu)成了一個(gè)密不可分的系統(tǒng)。因此在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中必須把這些影響因素看做一個(gè)整體，并制定全面的系統(tǒng)構(gòu)建計(jì)劃，才能保證系統(tǒng)的成功構(gòu)建。

在圖3中，日照時(shí)間及光照強(qiáng)度（因素6）、氣候類型（因素8）、常住人口總量及人口構(gòu)成百分比（因素10）等影響因素處于最低層，只對其他影響因素產(chǎn)生影響而不會受到其他因素的影響，將其稱為新型電力系統(tǒng)的輸入，它們是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。因此，為了保證所構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的真實(shí)有效性，需要對用戶與環(huán)境因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究。

根據(jù)圖3所示新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，確立相應(yīng)的新型電力系統(tǒng)解釋結(jié)構(gòu)模型，利用層次分析法或古林法對影響因素進(jìn)行量化，并以此為基礎(chǔ)建立新型電力系統(tǒng)影響因素結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，為我國新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供參考。

3 結(jié)論

本文分析新型電力系統(tǒng)的影響因素并總結(jié)了影響因素集，利用系統(tǒng)分析方法構(gòu)建了一種適用于新型電力系統(tǒng)影響因素分析的解釋結(jié)構(gòu)模型，得到了層次清晰、脈絡(luò)清楚的新型電力系統(tǒng)影響因素結(jié)構(gòu)模型，為后期新型電力系統(tǒng)的定量分析提供理論基礎(chǔ)。此外，對于新型電力系統(tǒng)而言，能源、環(huán)境、產(chǎn)業(yè)、用戶等諸多影響因素互相影響形成一個(gè)整體，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中必須充分考慮它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從而保證新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的有效性與實(shí)用性。

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Analysis on influencing factors of new power system

DING Jun1WANG Xinyi2SHAO Yenan1ZHOU Kai1ZHANG Shaowen3

(1. State Grid Suzhou Power Supply Company, Suzhou, Jiangsu 215000;2. Jiangsu Electric Power Design Institute Co., Ltd, Nanjing 211102;3. College of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

With the continuous advancement of energy structure transformation, building a new power system with new energy as the main body is the inevitable trend of power grid development. However, for the new power system, due to the complexity of its composition, there must be a complex and strong coupling relationship between its influencing factors. Therefore, this paper studies the relationship and hierarchy of the influencing factors of the new power system. Firstly, the characteristics of the new power system are analyzed. On this basis, the influencing factor set and consciousness model of the new power system are summarized. Secondly, the reachability matrix is obtained by using the calculation method of the transition theory, and the structural hierarchy diagram is drawn through the reachability matrix. Finally, the interpretation structure model of the influencing factors of the new power system is constructed. The model can not only directly reflect the hierarchical structure between influencing factors, but also directly serve as the hierarchical structure model for later quantitative analysis, which provides a new idea and method for the analysis of influencing factors of new power system, but also provides a reference for the construction of new power system in China.

new power system; influencing factors set; consciousness model; reachability matrix; interpretive structural model

2021-11-18

2021-12-10

丁 俊（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏こ碳夹g(shù)。