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伯克利分校的學者提出了“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。