王守相，張一帆，葛磊蛟

（天津大學 智能電網教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引言

為應對能源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，世界各國積極探索向新能源、低碳經濟的發(fā)展模式轉型。我國提出了“集約、智能、低碳、綠色”新型城鎮(zhèn)化建設的發(fā)展理念[1]，強調對傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化的觀念更新、體制革新和技術創(chuàng)新，實現(xiàn)新型工業(yè)化、社會信息化和農業(yè)現(xiàn)代化的可持續(xù)發(fā)展。新型城鎮(zhèn)具有多樣化、區(qū)域個性化、生態(tài)化、宜居化等特點。配電網為新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展提供基礎性保障。新型城鎮(zhèn)配電網不同于傳統(tǒng)農村配電網和城市配電網。我國幅員遼闊，各地區(qū)自然環(huán)境、經濟狀況、社會形態(tài)等差異較大。不同類型新型城鎮(zhèn)的發(fā)展基礎、發(fā)展類型、發(fā)展規(guī)模、發(fā)展方向等各不相同，其配電網發(fā)展模式也不相同，存在多樣化、個性化的特點。新型城鎮(zhèn)配電網發(fā)展速度、質量等受到內外部因素的制約。因此，構建新型城鎮(zhèn)配電網影響因素分析模型對于制定措施、合理規(guī)劃、推動新型城鎮(zhèn)配電網向著正確的方向快速發(fā)展是很有必要的。

國內外，現(xiàn)有的針對配電網影響因素分析方面的著眼點是為配電網穩(wěn)定運行，消納新能源提供良好的技術支持，以及分布式電源及電動汽車接入配電網對電壓水平、電能質量所造成的影響[2]。目前已有不少學者對分布式電源或電動汽車接入對配電網某一個方面的影響做了較為深入的研究。例如，文獻[3-7]闡釋了分布式電源接入給配電網繼電保護帶來的影響；文獻[8-9]針對配電網的供電可靠性，研究了分布式電源接入對其造成的影響；文獻[10]對光伏接入帶來的安全穩(wěn)定性問題做了研究；還有很多學者對配電網負荷預測影響因素進行了研究，文獻[11]特別考慮了非氣象因素對夏季降溫負荷的影響；文獻[12-16]針對分布式電源接入配電網這一前提，對過電壓、電壓暫降、供電電壓質量等一系列電壓方面的問題開展研究。還有學者研究了分布式電源、電動汽車接入對配電網規(guī)劃設計等其他幾個方面的影響。上述研究都著眼于分布式電源的接入對配電網某一個方面的影響，而文獻[17-18]則研究了分布式電源對配電網系統(tǒng)的影響，主要包括對配電網規(guī)劃、電能質量、繼電保護、配電網可靠性以及故障恢復等幾個方面的影響。更進一步，有學者不僅研究了分布式電源接入對配電網的影響，還提出了相關的對策[19-20]。值得注意的是，不論是研究分布式電源（包括電動汽車）對配電網某一方面的影響，還是對配電網多個方面的影響，核心主要是對分布式電源的研究?？偠灾?，目前已有的研究集中在2個方面：一是“多對一”，即配電網某一個方面受到多種因素影響的研究；二是“一對多”，即一種因素對配電網多個方面造成影響的研究。對于除分布式電源以外的其他因素對配電網的影響程度，特別是近年來發(fā)展起來的新型城鎮(zhèn)，其配電網影響因素模型，國內外都鮮有研究。

本文所提出的新型城鎮(zhèn)配電網影響因素分析模型是研究多種因素對配電網綜合影響大小的問題。分析并總結了新型城鎮(zhèn)配電網的影響因素集，采用解釋結構模型（ISM）的方法構建影響因素的階層結構圖，然后運用擴展的層次分析法的思想與方法確定了影響因素集中各影響因素的權重，最后通過算例分析了各因素權重大小的現(xiàn)實意義，為我國新型城鎮(zhèn)配電網的發(fā)展和建設提供借鑒和參考。

1 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素解釋結構模型

1.1 解釋結構模型

解釋結構模型是應用圖的矩陣表示方法和簡單的邏輯運算，對復雜系統(tǒng)的各元素間的結構關系加以描述的一種模型。解釋結構模型方法是美國J.Warfield教授于1973年為分析解決復雜系統(tǒng)有關結構建模問題而提出的一種方法[21]。經過40多年的不斷發(fā)展，已經形成了相對系統(tǒng)并且易于實現(xiàn)的分析思路和操作方法，在復雜系統(tǒng)相關問題的研究中發(fā)揮著重要作用。解釋結構模型方法的特點是把復雜系統(tǒng)分解成幾個子系統(tǒng)，利用知識經驗和計算機輔助構造多級遞階的結構模型。下面給出其主要步驟。

步驟1：設定問題并確定影響因素集。

依據系統(tǒng)所涉及的專業(yè)知識、文獻研究和實踐經驗，對系統(tǒng)及其影響因素進行分析，明確影響因素集。

步驟2：形成意識經驗模型。

依據所研究的系統(tǒng)涉及到的專業(yè)理論和實踐經驗，對該系統(tǒng)及其各影響因素進行初步分析，首先在思維意識中形成關于系統(tǒng)結構中各因素及其相關關系的初步結構。

步驟3：建立連接矩陣。

判斷影響因素集中各因素之間是否存在直接的影響關系，并用連接矩陣 A=（aij）m×n表示全部直接的影響關系：i≠j時，若影響因素ei和ej存在直接的影響關系，則aij=1；若影響因素ei和ej不存在直接的影響關系，則aij=0。

步驟4：建立可達矩陣。

依據推移律的特性，由式（1）和式（2）計算可達矩陣M。當k＜n-1時，若

則有

其中，I為單位矩陣，且矩陣乘法滿足布爾代數(shù)運算法則。

步驟5：各因素級別分配。

根據可達矩陣M對各影響因素計算如下集合：

其中，P（ei）表示從影響因素ei出發(fā)能夠到達的全部影響因素的集合，即可達集合；Q（ei）表示能夠到達影響因素ei的全部因素的集合，即先行集合。通過尋找可達矩陣M第i行中值為1的列所對應的因素，可求得P（ei）。通過尋找可達矩陣M的第i列中值為1的行所對應的因素可以求得Q（ei）。再根據P（ei）、Q（ei）求出滿足式（4）的因素的集合 L1：

L1即第1層因素的集合，其中的因素有下述特征：由其他影響因素能夠到達此因素，但是由此因素不能到達其他因素，即L1中的影響因素位于最高層次（第1層次）。刪掉原可達矩陣M中對應L1因素的行和列得到新的矩陣M′。對M′進行同樣的操作，確定屬于第2層次L2的影響因素。重復上述操作，依次求出各層次的因素，則可將各因素分配到相應的層次上。

步驟6：構造層次結構圖。

以可達矩陣M為基礎，采用規(guī)范方法或者實用方法構建遞階結構的模型，用多級遞階有向圖來表示該模型。

步驟7：分析解釋多級遞階有向圖。

根據相關理論知識和實踐經驗，分析并解釋多級遞階有向圖從而得到解釋結構模型。比較解釋結構模型和現(xiàn)有經驗意識模型，如有嚴重不符則應返回步驟2對相關因素及其影響關系進行修正。

1.2 構建新型城鎮(zhèn)配電網影響因素解釋結構模型

對于新型城鎮(zhèn)配電網，在確定其影響因素集之前，首先構造新型城鎮(zhèn)配電網影響因素知識模型，如圖1所示。

圖1 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素知識模型Fig.1 Knowledge model of influencing factors for new-type town distribution system

本文研究的對象是新型城鎮(zhèn)配電網，在此記為因素S0。通過對大量相關文獻的研究，結合圖1所列出的新型城鎮(zhèn)配電網影響因素知識模型，綜合目前對配電網影響因素的已有研究成果，確定下述具體影響因素。

能源因素主要包括：清潔能源種類、分布及各自所占百分比記為因素S1；傳統(tǒng)燃料消耗量記為因素S2；總能利用效率記為因素S3；清潔能源分布式發(fā)電記為因素S4；冷熱電聯(lián)供制冷性能系數(shù)記為因素S5；冷熱電聯(lián)供蓄冷量記為因素S6；清潔能源滲透率記為因素S7。

環(huán)境因素主要包括：新型城鎮(zhèn)經緯度記為因素S8；新型城鎮(zhèn)天氣記為因素S9；新型城鎮(zhèn)氣候類型記為因素 S10；PM10（包含 PM2.5）指數(shù)記為因素 S11。

交通因素主要包括：新能源汽車數(shù)量記為因素S12；電動汽車充電站數(shù)量及分布記為因素S13；每萬人公交車擁有量及公路里程記為因素S14；新型城鎮(zhèn)非清潔能源機動車數(shù)量記為因素S15。

用戶因素主要包括：負荷特性曲線記為因素S16；常住人口總量及人口構成百分比記為因素S17；居民生活方式和用能習慣記為因素S18。

產業(yè)因素主要包括：新型城鎮(zhèn)GDP總量記為因素S19；各類產業(yè)比例結構記為因素S20；各類產業(yè)分布記為因素S21；各產業(yè)年產值記為因素S22。

建筑因素主要包括：綠色建筑數(shù)量和分布記為因素S23；綠色建筑節(jié)能總量記為因素S24；綠色節(jié)能建筑占建筑總量的百分比記為因素S25；建筑形態(tài)特點與用途記為因素S26；智能家居用戶數(shù)量和百分比記為因素S27。

另外，還有部分因素：城鎮(zhèn)配電網售電量記為因素S28；配電網的供電可靠性記為因素S29；配電網的電能質量記為因素S30；配電網的結構和規(guī)劃記為因素S31；配電網的負荷大小記為因素S32；配電網的繼電保護和設備配置記為因素S33；配電網的經濟效益記為因素S34。

需要說明的是，因素 S0、S29、S30、S31、S32、S33、S34與其他因素不同，它們并不作為需要確定權重的影響因素。 S0是待研究的問題的核心，S29、S30、S31、S32、S33、S34是該問題的6個方面，是確定其他因素權重的過程中所需要的。

對于本文所研究的新型城鎮(zhèn)配電網影響因素解釋結構模型而言，在確定了新型城鎮(zhèn)配電網影響因素集之后，需要明確每個因素直接影響的其他因素，然后在各因素之間建立有向關系并建立意識模型，這是下一步建立鄰接矩陣的基礎。針對新型城鎮(zhèn)的特點綜合現(xiàn)有文獻結論和專家經驗，確定了各因素直接影響的因素。如表1所示，給出了新型城鎮(zhèn)配電網各影響因素及其直接影響的因素的關系列表。隨著新型城鎮(zhèn)的發(fā)展和配電系統(tǒng)技術的發(fā)展，某些因素的影響關系可能發(fā)生改變，但不影響各因素相互關系的主體結構。

根據表1所列新型城鎮(zhèn)配電網影響因素之間的關聯(lián)關系，得到可達矩陣M。

根據因素級別分配方法，通過式（3）和式（4）將新型城鎮(zhèn)配電網影響因素分為若干個層次：

表1 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素相互關系Table 1 Interactions among influencing factors of new-type town distribution system

由此可得新型城鎮(zhèn)配電網影響因素層次結構圖如圖2所示。

圖2 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素層次結構圖Fig.2 Hierarchical structure of influencing factors for new-type town distribution system

2 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素權重確定

層次分析法能夠利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學化，本文采用層次分析法確定各影響因素的權重。傳統(tǒng)層次分析法建模由目標層、準則層、方案層構成[22]，本文將其進行改進，把傳統(tǒng)的目標層、準則層、方案層進行擴展，形成能夠適應新型城鎮(zhèn)配電網影響因素解釋結構模型的權重計算方法。

由于新型城鎮(zhèn)的發(fā)展剛剛起步，很多歷史數(shù)據無法獲取。確定影響因素權重時，必要的信息如下：

a.地理氣候類包括氣候類型、年平均氣溫、平均降水量、年平均日照時間等；

b.經濟類包括GDP增速、三類產業(yè)的產值比例；

c.政策類包括城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃和發(fā)展導向、清潔能源的推廣和補貼；

d.各類資源及能源儲量、人口數(shù)量和用能習慣等其他方面。

在解釋結構模型中，各影響因素分布在Li（i=1，2，…）層次上。但是對于層次分析法，Li集合中的因素并不一定是在同一層次。設解釋結構模型全部因素有n個，對于因素Sp，若可達矩陣M中的元素

則Sp為直接影響Sq的因素。由此可找出直接影響Sq的全部 m（0≤m≤n）個因素。

若m=0，則在影響因素集中沒有直接影響Sq的因素；若m=1，則Sp的權重與Sq的權重相等，即wp=wq；若m＞1，則Sp的權重wp的計算方法如下。

依次構造全部m個影響因素對Sq影響大小的判斷矩陣A（m×m階），求出A最大特征值λmax對應的具有正分量的歸一化特征向量W，利用權重系數(shù)計算式（6），計算出各個因素的權重。其中aij為判斷矩陣 A 中的元素，W=[w1，w2，…，wm]為所求特征向量，也就是各因素對評價目標Sq影響的相對權重。

根據式（6）所得權重向量，通過式（7）得到最大特征值λmax，再由式（8）對所得結果進行一致性檢驗，其中m為判斷矩陣A的階數(shù)。若C.I＜0.10，則通過一致性檢驗。

式（9）中wk為Li層次上因素Sk對因素Sq的影響權重，Wq為因素Sq的綜合權重。需要注意的是，綜合權重應按照層次結構圖中從上到下的順序求取。這樣，就得到了各因素在 Li（i=1，2，…）層次上的各因素的權重Wik。再由式（10）得到因素Sk對配電網影響的綜合權重：

最后，將所有因素對配電網影響的權重歸一化評分，得到最終結果。

權重計算流程如圖3所示。

圖3 權重計算流程圖Fig.3 Flowchart of weight calculation

3 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素權重算例分析

我國華東某新型城鎮(zhèn)A以絲綢、魚米著稱，沒有重工業(yè)，擁有國家AAA級以上景區(qū)2個，常住人口約9萬人。該城鎮(zhèn)地處東亞季風區(qū)，年平均氣溫15.7℃，年平均降水量1160 mm，年平均日照時間2020 h。近年來A鎮(zhèn)所在市政府出臺了一系列節(jié)能減排政策，特別是光伏發(fā)電的補貼政策，推動了當?shù)胤植际焦夥l(fā)電的發(fā)展。

我國東北某新型城鎮(zhèn)B，礦產資源儲量豐富，其一度以重工業(yè)為經濟發(fā)展主力，常住人口約4萬人。該城鎮(zhèn)屬于中溫帶大陸性氣候，年平均日照時間2775.5 h，年平均降水量607.5 mm，年平均氣溫7℃。隨著綠色生態(tài)農業(yè)的發(fā)展，沼氣綜合利用得到推廣和應用。

以A、B兩鎮(zhèn)為例，運用本文提出的方法，對其配電網影響因素做出分析，得到各影響因素的權重，結果如表2和表3所示。從表2中可以看出，新型城鎮(zhèn)配電網對供電可靠的要求是最高的，這樣的結果也是必然的。對于旅游業(yè)主導型城鎮(zhèn)，一旦出現(xiàn)供電中斷，在人員眾多的景區(qū)、購物區(qū)、演出區(qū)易引起混亂，造成人員安全威脅；對于工業(yè)主導型城鎮(zhèn)，不僅要求具備很高的供電可靠性，還對配電網的電能質量提出很高的要求。因為電能質量的下降會導致工業(yè)用電設備的效率和功率因數(shù)降低、損耗增大、設備壽命縮短、產品品質下降等不利于工業(yè)正常運行和發(fā)展的結果。

表2 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素計算結果1Table 2 Calculative result of influencing factors for case 1

通過對表2、表3所得結果的分析，可以得到如下幾個方面的結論。

a.A、B兩城鎮(zhèn)配電網各影響因素權重的趨勢大體上是一致的。與傳統(tǒng)配電網一樣，氣象方面的因素仍然是影響新型城鎮(zhèn)配電網的重要因素。城鎮(zhèn)的經緯度決定了其氣候類型，氣候類型又與其天氣（如降水、氣溫等）密切相關。不論對于A鎮(zhèn)這樣的旅游業(yè)主導型城鎮(zhèn)還是B鎮(zhèn)這樣的工業(yè)主導型城鎮(zhèn)，應當密切關注并考慮大風、雷暴、覆冰等不良氣象對配電網的影響。在配電網設計和規(guī)劃時，對線路、安裝位置、設備配置等方面應特別注意，慎重選擇。

b.與傳統(tǒng)配電網不同的是，清潔能源對新型城鎮(zhèn)配電網的影響非常大。例如A鎮(zhèn)大力發(fā)展的太陽能和B鎮(zhèn)的沼氣綜合利用。清潔能源的利用一方面減小了部分負荷，另一方面清潔能源分布式發(fā)電的并網使得配電網的潮流不再是單向的。雙向的潮流使得配電網的規(guī)劃、設計、運行、控制與裝置配置都需要隨之調整，適應其未來發(fā)展。作為旅游業(yè)主導型城鎮(zhèn)，A鎮(zhèn)對清潔能源分布式發(fā)電的接受程度大于B鎮(zhèn)，大量分布式光伏發(fā)電的接入使A鎮(zhèn)的配電網負荷預測的難度加大。因此，對于A鎮(zhèn)以及與A鎮(zhèn)類似的新型城鎮(zhèn)配電網，特別是配電網安全性等方面，應當在規(guī)劃、設計時充分考慮清潔能源的利用對配電網的影響、合理配置。

c.產業(yè)因素對新型城鎮(zhèn)配電網的影響較大。并且，對工業(yè)主導型的新型城鎮(zhèn)的影響遠大于旅游業(yè)主導型的新型城鎮(zhèn)。結合實際情況，A鎮(zhèn)無重工業(yè)，經濟增長主要依靠旅游業(yè)；B鎮(zhèn)以工業(yè)為主導，結合生態(tài)農業(yè)協(xié)同發(fā)展，產業(yè)結構、產值的變化更易對配電網產生影響。GDP、產業(yè)分布等因素主要是對新型城鎮(zhèn)配電網負荷的增長產生影響。因此，在新型城鎮(zhèn)配電網規(guī)劃時，應考慮其經濟發(fā)展?jié)摿拓摵稍鲩L需求，滿足新型城鎮(zhèn)的發(fā)展要求。

表3 新型城鎮(zhèn)配電網影響因素計算結果2Table 3 Calculative result of influencing factors for case 2

4 結語

本文針對新型城鎮(zhèn)配電網的特點，首先總結并提出了新型城鎮(zhèn)配電網影響因素集。其次提出了一種適用于新型城鎮(zhèn)的配電網影響因素分析的解釋結構模型，通過層次分析法擴展得到的結果，分層確定影響因素的權重。將求取權重過程中某一因素的全部權重相加，得到該影響因素的綜合權重。最后，將各影響因素權重進行歸一化，得到針對新型城鎮(zhèn)配電網的因素權重，直觀地展示了各影響因素對配電網影響的大小。特別是對于數(shù)據不足甚至是數(shù)據缺乏的情況，采用所提出的模型和算法能夠得出具有實際意義的結論。

應用所提出模型和算法對我國工業(yè)主導型和旅游業(yè)主導型的2種新型城鎮(zhèn)進行了影響因素權重計算，通過算例結果的分析和與實際的對比，驗證了模型的有效性，從而為新型城鎮(zhèn)配電網影響因素的分析和權重確定提供了一種新的思路和方法，為我國新型城鎮(zhèn)配電網的發(fā)展和建設提供參考。