收稿日期：2022-07-13

基金項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目“面向能源轉(zhuǎn)型的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”（5400-202119156A-0-0-00）；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)

2115人才工程

通信作者：蘇 娟（1980—），女，博士、副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電力市場方面的研究。sujuan@cau.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1031 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0475-10

摘 要：根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)中能源層、信息層和價(jià)值層的邏輯結(jié)構(gòu)，規(guī)范縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的概念、分析縣域主要影響要素、聚類縣域典型場景、設(shè)計(jì)縣域能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式，為未來縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論和方法支撐。首先，根據(jù)縣域特點(diǎn)將縣域分為核心區(qū)和非核心區(qū)，界定和設(shè)計(jì)縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵及總體架構(gòu)；然后，介紹縣域場景劃分的方法與技術(shù)流程；第三，運(yùn)用層次分析法對縣域要素進(jìn)行層次構(gòu)建和權(quán)重求解；第四，構(gòu)造縣域場景函數(shù)式，建立基于自變量與函數(shù)的三維數(shù)據(jù)集，用輪廓系數(shù)分析法確定最優(yōu)的聚類數(shù)目，運(yùn)用K-均值聚類法得到不同的縣域場景；第五，提出縣域能源互聯(lián)網(wǎng)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)原則、核心區(qū)與非核心區(qū)設(shè)計(jì)原則；最后研究設(shè)計(jì)不同場景下的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)；層次分析法；K-均值聚類；輪廓系數(shù)分析；場景劃分；縣域核心要素；典型模式

中圖分類號(hào)：TM76"""""""" """""""""" """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

縣域是以縣區(qū)為中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)為紐帶、農(nóng)村作腹地的區(qū)域，是中國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的主戰(zhàn)場。推動(dòng)縣域能源轉(zhuǎn)型、推進(jìn)縣域能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，是解決縣域能源問題和綠色發(fā)展的必由之路［1］。能源互聯(lián)網(wǎng)是依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源與信息良性互動(dòng)的資源信息共享平臺(tái)，是能源電力技術(shù)與信息科技技術(shù)融合發(fā)展的必然方向［2］。目前能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展研究主要集中在全球能源互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)、城市能源互聯(lián)網(wǎng)、園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)等方面。全球能源互聯(lián)網(wǎng)主要以特高壓電網(wǎng)為主要載體，以消納清潔能源為目的，實(shí)現(xiàn)全世界互聯(lián)的骨干電網(wǎng)［3］。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)旨在實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)風(fēng)、光、生物質(zhì)等眾多類別的可再生能源就地消納，滿足區(qū)域內(nèi)冷、熱、電、氣的用能需要［4］。在人口稠密、能源需求較大的城市開展城市能源互聯(lián)網(wǎng)，通過建設(shè)能源耦合與管理的智能互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)［5］。園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)以滿足用戶側(cè)需求為目標(biāo)，基于電力和天然氣實(shí)現(xiàn)能源耦合與互聯(lián)［6］。

目前能源互聯(lián)網(wǎng)在城市、園區(qū)等范圍內(nèi)發(fā)展迅速，但在縣域發(fā)展相對滯后?，F(xiàn)階段縣域能源耦合程度低、可再生能源消納的情況較差、能源利用率低，亟需針對縣域能源互聯(lián)網(wǎng)開展研究，系統(tǒng)性地對縣域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于縣域特征受人口分布、發(fā)展水平等因素的影響，其能源互聯(lián)網(wǎng)的模式也不盡相同。因此，需要量化縣域要素，并基于不同縣域要素取值范圍進(jìn)行場景劃分，為縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供支撐。針對以上問題，本文首先分析縣域特征與縣域能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵并設(shè)計(jì)縣域能源互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)；然后，根據(jù)縣域特點(diǎn)建立基于層次分析法與K-均值聚類法的縣域場景劃分方法；最后，針對不同場景研究設(shè)計(jì)縣域能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式。

1 縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵與架構(gòu)

1.1 縣域特點(diǎn)

相比于城市和園區(qū)，縣域具有獨(dú)特的縣、鄉(xiāng)、村三級(jí)行政區(qū)劃，具有可再生能源資源與實(shí)際負(fù)荷分布不適應(yīng)的特點(diǎn)。據(jù)此，將縣域分為核心區(qū)和非核心區(qū)兩部分。核心區(qū)負(fù)荷需求大、能源需求種類多、負(fù)荷增量大，主要涉及縣域城區(qū)和發(fā)達(dá)城鎮(zhèn)，例如經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、工業(yè)聚集區(qū)、商業(yè)聚集區(qū)等。非核心區(qū)負(fù)荷需求小、可再生能源豐富，主要涉及小城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村，包含林區(qū)、山地等。

1.2 縣域能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵與架構(gòu)

縣域能源互聯(lián)網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)在縣域的應(yīng)用?？h域核心區(qū)和非核心區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)有所不同，但整體而言，縣域能源互聯(lián)網(wǎng)主要通過縣域能源層的綜合能源系統(tǒng)在“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”層面的協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)目標(biāo)。一是能源層目標(biāo)，滿足縣域內(nèi)用戶對冷、熱、電、氣等多種能源需求；二是信息層目標(biāo)，通過縣域信息系統(tǒng)進(jìn)行信息采集、分析與反饋，對縣域能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行整體協(xié)調(diào)、優(yōu)化、調(diào)控和推演；三是價(jià)值層目標(biāo)，從宏觀和微觀角度統(tǒng)籌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供給與需求、可靠性、低碳節(jié)能以及市場服務(wù)，實(shí)現(xiàn)縣域范圍內(nèi)可再生能源資源的最大化就地消納，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益。

基于上述目標(biāo)和技術(shù)思路，本文構(gòu)建基于能源層、信息層與價(jià)值層相統(tǒng)一的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1中的能源層是縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，重點(diǎn)考慮“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”能源鏈要素、能源站和能源網(wǎng)絡(luò)，基于能源站對縣域各類清潔能源進(jìn)行分類開發(fā)，通過“電網(wǎng)-氣網(wǎng)-熱網(wǎng)”進(jìn)行能源耦合和能量交換，然后輸送至負(fù)荷端，滿足用戶對冷、熱、電、氣等各種能源的多樣化需求。信息層通過光纖、無線、載波3種通信方式，構(gòu)建信息采集模塊、處理和反饋模塊，對能源層的各類信息進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、剖析和應(yīng)用，為價(jià)值層模塊提供大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)上存儲(chǔ)和信息安全支撐。價(jià)值層由宏觀價(jià)值和微觀價(jià)值兩個(gè)模塊組成，前者體現(xiàn)產(chǎn)能綠色、供電可靠、智慧互聯(lián)和要素融合，后者體現(xiàn)智慧能源、多能耦合、節(jié)能減排和市場服務(wù)。

2 縣域場景劃分方法與技術(shù)流程

2.1 縣域場景的劃分方法

本文采用層次分析法、輪廓系數(shù)分析法和K-均值聚類進(jìn)行縣域場景的聚類和劃分。

2.1.1 層次分析法

層次分析法是通過定性和定量的方式對單目標(biāo)類問題進(jìn)行處理和論斷的理論。通過將問題拆解為不同層次以及相關(guān)要素，基于要素間的相互影響程度形成多層次的結(jié)構(gòu)，從而通過求解最底層要素的權(quán)重及影響程度，解決最高的目標(biāo)層問題。

缺點(diǎn)：當(dāng)所需處理要素太多時(shí)，標(biāo)度問題會(huì)引起混亂從而造成判斷失誤；判斷矩陣的標(biāo)度確定具有一定的主觀隨意性。

改進(jìn)：通過參考相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)地調(diào)研，凝練提取關(guān)鍵要素；通過結(jié)合政府報(bào)告與專家評判平均值降低標(biāo)度確定的主觀干擾。

2.1.2 輪廓系數(shù)分析法

輪廓系數(shù)分析法是通過內(nèi)聚度和分離度兩類指標(biāo)分析聚類效果的一種理論。通常使用在聚類算法之前，以尋找最優(yōu)聚類數(shù)目為目標(biāo)，評價(jià)聚類效果的原則：聚類數(shù)目[K]所對應(yīng)的輪廓系數(shù)越大，表明該[K]值下樣本數(shù)據(jù)聚類效果越好。

2.1.3 K-均值聚類

K-均值聚類通過比較數(shù)據(jù)相關(guān)性進(jìn)行聚類劃分。事先確定聚類數(shù)目[K]，將相關(guān)性高的樣本數(shù)據(jù)聚類劃分，然后求解各個(gè)數(shù)據(jù)到聚類中心的平均距離，并尋找新的聚類中心，以此迭代，直到符合規(guī)定聚類要求。

缺點(diǎn)：對數(shù)據(jù)要求較高，要求數(shù)據(jù)處于歐式空間中，對數(shù)據(jù)極值非常敏感；聚類數(shù)目[K]值需提前給定。

改進(jìn)：通過對數(shù)據(jù)歸一化處理可將不同單位數(shù)據(jù)統(tǒng)一于歐式空間，減小極值的波動(dòng)范圍；運(yùn)用輪廓系數(shù)分析法確定最優(yōu)[K]值。

2.2 縣域場景劃分的技術(shù)流程

通過縣域場景的劃分，依據(jù)縣域場景的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適應(yīng)不同場景的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)模式，具體場景劃分的技術(shù)流程如圖2所示。具體包括：

1） 凝練縣域要素，進(jìn)行層次構(gòu)建，確定各層間與各層內(nèi)各要素對場景劃分影響權(quán)重的大小，并判斷矩陣是否通過一致性校驗(yàn)；

2） 篩選權(quán)重較大的縣域要素，建立縣域要素與縣域場景之間的函數(shù)關(guān)系；

3） 對各縣域要素的物理單位進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理；

4） 確定計(jì)算步長，形成遍歷所有組合的數(shù)據(jù)集；

5） 通過輪廓系數(shù)分析，確定樣本最優(yōu)的聚類數(shù)目；

6） 采用K-均值聚類進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到縣域場景分類及其縣域要素特征；

7） 對不同的縣域場景，根據(jù)其縣域要素的取值范圍，設(shè)計(jì)相應(yīng)的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)模式。

3 基于層次分析法的縣域要素權(quán)重求解

3.1 縣域要素的確定

縣域要素是描述縣域特征的具體指標(biāo)。由于縣域要素眾多，為了體現(xiàn)縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的特征，必須分別有針對性地對能源層、信息層和價(jià)值層進(jìn)行核心要素的凝練。

對于能源層，依據(jù)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的能量鏈條［7］，確定5個(gè)核心要素［8］：縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦、縣域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、縣域管網(wǎng)覆蓋率、縣域負(fù)荷密度、縣域城鎮(zhèn)化水平。其中縣域生物質(zhì)資源稟賦與縣域城鎮(zhèn)化水平是縣域區(qū)別區(qū)域、城市和園區(qū)的核心要素。對于信息層，根據(jù)縣域信息系統(tǒng)建設(shè)及信息系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定3個(gè)核心要素［9］：縣域信息采集率、縣域智能終端覆蓋率、縣域網(wǎng)絡(luò)信息安全指數(shù)。對于價(jià)值層，基于國家宏觀戰(zhàn)略和現(xiàn)行政策，確定4個(gè)核心要素［10］：產(chǎn)能綠色、供電可靠、低碳高效、經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 縣域場景劃分的層次分析結(jié)構(gòu)

運(yùn)用層次分析法對縣域場景劃分的縣域要素進(jìn)行權(quán)重求取。首先，對縣域因素進(jìn)行分層構(gòu)造，分為目標(biāo)層、約束層和要素層。然后，根據(jù)各層與各因素的重要性分配權(quán)重，得到縣域場景劃分的層次分析結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

由圖3可知，縣域場景劃分包括目標(biāo)層、約束層、要素層3個(gè)層面的內(nèi)容。其中，目標(biāo)層A：實(shí)現(xiàn)縣域場景劃分A。約束層B：包括3部分，即能源層核心要素B1、信息層核心要素B2、價(jià)值層核心要素B3。要素層C：共12個(gè)要素。其中，能源層核心要素B1包括5個(gè)具體要素，即縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦C11、縣域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)C12、縣域管網(wǎng)覆蓋率C13、縣域負(fù)荷密度C14、縣域城鎮(zhèn)化水平C15；信息層核心要素B2包括3個(gè)具體要素，即縣域信息采集率C21、縣域智能終端覆蓋率C22、縣域網(wǎng)絡(luò)信息安全指數(shù)C23；價(jià)值層核心要素B3包括4個(gè)具體要素，即產(chǎn)能綠色C31、供電可靠C32、低碳高效C33、經(jīng)濟(jì)效益C34。

3.3 縣域要素權(quán)重的求解

3.3.1 層內(nèi)要素分權(quán)重的求解

首先，根據(jù)國家政策，考慮新型電力系統(tǒng)、雙碳目標(biāo)、共同富裕等指標(biāo)［11］，結(jié)合專家意見，對各要素采用1～5標(biāo)度打分，并借助Matlab軟件進(jìn)行權(quán)重求解和一致性檢驗(yàn)分析，結(jié)果如表1～表4所示。

對A-B判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，可得[λmax=3.0183]，[CI=0.0091]，[CR=0.0158]（[λmax]為特征值的最大取值，[CI]為一致性指標(biāo)，[CR]為一致性比例，當(dāng)[CRlt;0.1]時(shí)所列矩陣一致性檢驗(yàn)通過，權(quán)重有效，下同），一致性檢驗(yàn)通過，權(quán)重順序：能源層核心要素B1（0.6833），價(jià)值層核心要素B3（0.1998），信息層核心要素B2（0.1168）。

對B1-C判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，可得[λmax=5.0681，][CI=0.0170，][CR=0.0152，]一致性檢驗(yàn)通過，權(quán)重順序：縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦C11（0.4185），縣域負(fù)荷密度C14（0.2625），縣域城鎮(zhèn)化水平C15（0.1599），縣域管網(wǎng)覆蓋率C13（0.0973），縣域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)C12（0.0618）。

對B2-C判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，可得[λmax=3.0092，][CI=0.0046，][CR=0.0079，]一致性檢驗(yàn)通過，三者的權(quán)重順序：縣域信息采集率C21（0.5396），縣域智能終端覆蓋率C22（0.2970），縣域網(wǎng)絡(luò)信息安全指數(shù)C23（0.1634）。

對B3-C判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，可得[λmax=4.0310，][CI=0.0103，][CR=0.0115，]一致性檢驗(yàn)通過，權(quán)重順序：供電可靠C32（0.4673），產(chǎn)能綠色C31（0.2772），低碳高效C33（0.1601），經(jīng)濟(jì)效益C34（0.0954）。

3.3.2 縣域要素總權(quán)重的求解

由以上判斷矩陣的檢驗(yàn)結(jié)果可得，一致性檢驗(yàn)通過，分權(quán)重值有效，然后對各層的權(quán)重作乘積運(yùn)算求總權(quán)重，得到各要素的總權(quán)重如表5所示。

4 基于K-均值聚類的縣域場景化分

4.1 縣域場景函數(shù)的構(gòu)建

由表5縣域要素權(quán)重求解結(jié)果可得，縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦C11的總權(quán)重最大，為0.2860；縣域負(fù)荷密度C14次之，總權(quán)重值為0.1794；其他要素對于縣域場景劃分的影響較小。由此，確定選取縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦C11、縣域負(fù)荷密度C14這兩個(gè)權(quán)重最大的指標(biāo)，建立縣域場景的函數(shù)表達(dá)式：

[Z=0.2860X+0.1794Y]" （1）

式中：[Z]——縣域場景函數(shù)值；[X]——縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦量化值；[Y]——縣域負(fù)荷密度量化值。

4.2 縣域要素?cái)?shù)據(jù)的歸一化處理

由于縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦量化值[X]和縣域負(fù)荷密度量化值[Y]的數(shù)據(jù)單位不一致，需進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理。

4.2.1 縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦值的歸一化處理

縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦取值以光伏為例，進(jìn)行歸一化處理。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，太陽能資源等級(jí)劃分如表6所示。

取太陽年輻射總量6300 MJ/（m2·a）為最大值[Xpvmax]，則

[Xpv=Xpv′Xpvmax]"" （2）

當(dāng)[Xpv′gt;Xpvmax]時(shí)，[Xpv=1]。其他可生能源資源稟賦取值同理，縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦取值[X]為：

[X=maxXpv，Xwp，Xhy，Xbio，…]"" （3）

式中：[Xpv]——縣域光伏資源稟賦值；[Xpv′]——縣域太陽年輻射總量；[Xpvmax]——太陽年輻射總量最大值；[X]——縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦取值；[Xwp]——縣域風(fēng)力資源稟賦值；[Xhy]——縣域水力資源稟賦值；[Xbio]——縣域生物質(zhì)資源稟賦值。

4.2.2 縣域負(fù)荷密度值的歸一化處理

縣域負(fù)荷密度主要考慮冷、熱、電、氣4種負(fù)荷，由于4種負(fù)荷以電負(fù)荷使用最多，且各類負(fù)荷使用量呈正相關(guān)，所以以電負(fù)荷密度代表縣域負(fù)荷密度。參考文獻(xiàn)［12］，目前國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)供電區(qū)域主要?jiǎng)澐譃锳+、A、B、C、D、E這6類?？h域能源互聯(lián)網(wǎng)主要涉及后4類區(qū)域，如表7所示。

注：[σ]—供電區(qū)域的負(fù)荷密度，MW/km2；實(shí)際供電面積不宜小于5 km2，扣除部分專線負(fù)荷以及森林、琥珀等各類無效供電面積。

基于縣域供電區(qū)域劃分表，考慮氣、熱、冷負(fù)荷主要與建筑和人口密度有關(guān)，且縣域城鎮(zhèn)化水平與建筑和人口密度極其相關(guān)。使用縣域城鎮(zhèn)化水平反映建筑與人口密度，城鎮(zhèn)化的3個(gè)階段：早期起始階段，鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口比重在70%以上；中期過渡階段，鄉(xiāng)村人口比重為30%～70%；后期成熟階段，鄉(xiāng)村人口比重在30%以下。根據(jù)表7數(shù)據(jù)，采用中值法，以70%城鎮(zhèn)化率確定縣域負(fù)荷密度最大值[Yctmax]=2.6 MW/km2，則：

[Yct′=PctSct]""""" （4）

[Yct=YctYctmax]"" （5）

式中：[Yct′]——縣域負(fù)荷密度；[Pct]——縣域負(fù)荷值，MW；[Sct]——縣域面積，km2；[Yct]——縣域負(fù)荷密度值；[Yctmax]——縣域負(fù)荷密度最大值。當(dāng)[Yct′gt;Yctmax]時(shí)，[Yct=1]。

4.3 縣域場景的劃分

4.3.1 縣域場景劃分的原理與思路

通過縣域要素?cái)?shù)據(jù)歸一化處理可知，縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦[X]取值范圍為（0～1），縣域負(fù)荷密度[Y]的取值范圍為（0～1），以0.1為步長，遍歷所有[X、Y]取值組合，通過式（1）求得縣域場景函數(shù)值[Z]，產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)集。

運(yùn)用輪廓系數(shù)分析求解最優(yōu)的聚類數(shù)目[K]，然后運(yùn)用[K]-均值聚類法對數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類，得到縣域場景劃分結(jié)果。

4.3.2 縣域場景的劃分過程

取步長為0.1，遍歷所有縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦[X、]縣域負(fù)荷密度[Y]的取值組合，通過式（1）求得縣域場景函數(shù)值[Z，]形成三維數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，對所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集運(yùn)用輪廓系數(shù)分析法確定最優(yōu)[K]值。運(yùn)算過程中，由于所需確定的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)模式數(shù)目較少，對聚類數(shù)目[K]從2到9進(jìn)行遍歷，并通過輪廓值求解最優(yōu)[K]值。本文得到的[K]值-輪廓值結(jié)果如表8所示。

由表8可知，[K=4]時(shí)所求輪廓值最大，所以確定聚類數(shù)目為4，并依次劃定4個(gè)縣域場景。之后，運(yùn)用K-均值聚類法，可得如圖4所示的各場景劃分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)聚類結(jié)果。

根據(jù)圖4，所得聚類結(jié)果對應(yīng)4種縣域場景。與各縣域場景相對應(yīng)的縣域要素的取值范圍如表9所示。

4.3.3 縣域場景的劃分結(jié)果分析

根據(jù)表9，所形成的4種縣域場景分別具有以下獨(dú)特的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。

場景1 低稟賦-低能耗型縣域：

由聚類結(jié)果可得，場景1的縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦取值為（0～0.5），縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦低，縣域負(fù)荷密度取值（0～0.5），負(fù)荷密度小，能耗低。

場景2 低稟賦-高能耗型縣域：

由聚類結(jié)果可得，場景2的縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦取值為（0～0.5），縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦低，縣域負(fù)荷密度取值（0.5～1.0），負(fù)荷密度大，能耗高。

場景3 高稟賦-低能耗型縣域：

由聚類結(jié)果可得，場景3的縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦取值為（0.5～1.0），縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦高，縣域負(fù)荷密度取值（0～0.5），負(fù)荷密度小，能耗低。

場景4 高稟賦-高能耗型縣域：

由聚類結(jié)果可得，場景4的縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦取值（0.5～1.0），縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦高，縣域負(fù)荷密度取值（0.5～1.0），負(fù)荷密度大，能耗高。

5 縣域能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

5.1 總體規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

基于縣域要素特征，縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下5項(xiàng)基本原則：

1）能源耦合原則。建立含多能耦合設(shè)備的綜合能源站，根據(jù)不同耦合特性，進(jìn)行能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種能源耦合、協(xié)調(diào)、優(yōu)化，提升能源利用率、能源耦合度，增加能源輸出種類，滿足用戶對多種能源的需求。

2）供需匹配原則。集中式能源站電壓等級(jí)高、容量大，供能面積大，供能密度高；分布式能源站面向用戶側(cè)，直接滿足用戶需求，可大大減少能量損失和輸送成本［13］；用戶側(cè)能源自轉(zhuǎn)換主要用以負(fù)荷密度小的區(qū)域，可大大減少能源站的建設(shè)費(fèi)用。

3）可再生能源最大化就地消納原則?？h域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦豐富的區(qū)域可開展集中式開發(fā)，縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦一般的區(qū)域進(jìn)行小型分布式利用，實(shí)現(xiàn)可再生能源最大程度就地消納，減少碳類污染物排放，提高可再生能源利用率。

4）信息匹配原則。能源站、能源網(wǎng)和用能負(fù)荷及其對應(yīng)的儲(chǔ)能應(yīng)分別建立對應(yīng)的能源管理系統(tǒng)，其主要目的是實(shí)現(xiàn)對信息采集、簡單處理和簡單反饋控制；縣域應(yīng)建立相應(yīng)的區(qū)域能源管理系統(tǒng)，其主要目的是對所采集信息進(jìn)行綜合全面的分析與處理［14-16］，根據(jù)縣域?qū)崟r(shí)情況對能源層進(jìn)行全方位的反饋調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)價(jià)值目標(biāo)。

5）價(jià)值目標(biāo)自適應(yīng)原則。價(jià)值目標(biāo)是縣域能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的和導(dǎo)向，同時(shí)對縣域的發(fā)展起到健康引領(lǐng)的作用?？h域價(jià)值目標(biāo)在短期內(nèi)是可以確定的，但不是一成不變的，隨著縣域的發(fā)展，價(jià)值目標(biāo)也應(yīng)不斷改進(jìn)。

5.2 縣域核心區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)原則

縣域核心區(qū)用戶重要性高、負(fù)荷密度大，用能需求多樣，應(yīng)按照以下原則進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)：

1）以可靠用電和用氣為主要目標(biāo)，規(guī)劃分布式能源站，滿足各種能耗需求［17］。

2）核心區(qū)用能需求巨大，能源種類多樣，應(yīng)兼顧和協(xié)調(diào)集中式能源站和分布式能源站。

3）核心區(qū)對數(shù)字化和智能化要求高，須進(jìn)行信息系統(tǒng)及模塊專項(xiàng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。

5.3 縣域非核心區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)原則

縣域非核心區(qū)負(fù)荷密度通常較低，用能需求較小，但可再生能源開發(fā)利用的價(jià)值潛力非常大。為此，應(yīng)按照以下原則進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)：

1）能源供給方面，以配電網(wǎng)為主，滿足供電可靠，通過用戶側(cè)能源自轉(zhuǎn)換滿足能源種類需求；

2）對于比較分散的村戶，廣泛采用分布式戶用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源最大程度的就地消納；

3）對于可再生能源資源富集區(qū)域，應(yīng)開發(fā)微能源系統(tǒng)，并采取“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的商業(yè)形式，實(shí)現(xiàn)多類能源的就地消納和跨區(qū)域輸送［18］。

4）非核心區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，確定性價(jià)比較高的信息系統(tǒng)建設(shè)方案。

6 縣域能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式

根據(jù)上述場景特點(diǎn)，針對4種場景分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式。

6.1 場景1 低稟賦-低能耗型縣域

該場景代表低稟賦-低能耗型縣域，其能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式見圖5。

能源層方面：由于縣域整體負(fù)荷密度不大，考慮到核心區(qū)對于能源的多樣化需求，核心區(qū)供能以電網(wǎng)、氣網(wǎng)和分布式能源站為主；非核心區(qū)注意供電安全可靠，同時(shí)盡可能開發(fā)可再生能源［19］，核心區(qū)與非核心區(qū)通過聯(lián)絡(luò)線形成系統(tǒng)互聯(lián)。

信息層方面：依靠區(qū)域能源管理系統(tǒng)，對區(qū)域內(nèi)能源設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)信息交互，最終由縣域能源管理系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃統(tǒng)籌。

價(jià)值層方面：負(fù)荷密度小、能耗低的縣域往往經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高，價(jià)值目標(biāo)應(yīng)以經(jīng)濟(jì)效益為主，旨在通過縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提高縣域經(jīng)濟(jì)水平。

6.2 場景2 低稟賦-高能耗型縣域

該場景代表低稟賦-高能耗型縣域，其能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式見圖6。

能源層方面：由于負(fù)荷需求巨大，核心區(qū)以集中式與分布式能源站協(xié)調(diào)供能，用以滿足用戶冷熱電氣綜合能源的大量需求，非核心區(qū)在滿足供電可靠性的前提下，根據(jù)實(shí)際需求建立分布式能源站，核心區(qū)與非核心區(qū)通過聯(lián)絡(luò)線形成系統(tǒng)互聯(lián)。

信息層方面：依靠區(qū)域能源管理系統(tǒng)，對區(qū)域內(nèi)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”進(jìn)行調(diào)控，考慮到集中式能源站的重要性，需單獨(dú)設(shè)計(jì)集中式能源管理系統(tǒng)［20］。

價(jià)值層方面：由于能耗大，需要提升供電可靠性，同時(shí)注意碳減排，提升能效，確定價(jià)值目標(biāo)為供電可靠和低碳高效。

6.3 場景3 高稟賦-低能耗型縣域

該場景代表高稟賦-低能耗型縣域，其能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式見圖7。

能源層方面：由于縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦豐富，核心區(qū)應(yīng)優(yōu)先開發(fā)利用可再生能源以滿足用能需要，同時(shí)加大儲(chǔ)能開發(fā)利用，提高供能可靠性；在滿足自身能源需求情況下，非核心區(qū)進(jìn)行集中式可再生能源開發(fā)，向外部輸出能源，在實(shí)現(xiàn)碳減排的同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)效益，核心區(qū)與非核心區(qū)通過聯(lián)絡(luò)線形成系統(tǒng)互聯(lián)。

信息層方面：建立區(qū)域能源管理系統(tǒng)，對區(qū)域內(nèi)各類設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，對于集中式可再生能源外輸部分，需單獨(dú)設(shè)計(jì)能源外輸管理系統(tǒng)，同時(shí)增強(qiáng)各信息系統(tǒng)互聯(lián)。

價(jià)值層方面：由于縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦高，需對其大力開發(fā)利用，以減少一次能源的使用，所以確定價(jià)值目標(biāo)為產(chǎn)能綠色。

6.4 場景4 高稟賦-高能耗型縣域

該場景代表高稟賦-高能耗型縣域，其能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式見圖8。

能源層方面：優(yōu)先考慮本地可再生能源開發(fā)利用，以電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)保證供能可靠性。核心區(qū)以集中式和分布式能源站供能為主，非核心區(qū)加大可再生能源開發(fā)利用，建立集中式大型可再生能源站，優(yōu)先滿足本縣域能源需求，核心區(qū)與非核心區(qū)通過聯(lián)絡(luò)線形成系統(tǒng)互聯(lián)。

信息層方面：依靠區(qū)域能源管理系統(tǒng)，分區(qū)分類進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)控，同時(shí)針對集中式能源站和集中式可再生能源站建立單獨(dú)的能源管理系統(tǒng)。

價(jià)值層方面：由于能耗大，需確保供電可靠性，同時(shí)縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)等資源稟賦高，可通過可再生能源開發(fā)利用滿足自身需要，確定價(jià)值目標(biāo)為產(chǎn)能綠色和供電可靠。

7 結(jié) 論

本文基于縣域典型特征，提出縣域核心區(qū)與非核心區(qū)的新概念，建立了能源-信息-價(jià)值統(tǒng)一的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)，梳理凝練了縣域核心要素，運(yùn)用層次分析法得出縣域風(fēng)/光/水/生物質(zhì)資源稟賦與縣域負(fù)荷密度是影響縣域場景劃分的重要要素，通過建立縣域場景劃分函數(shù)，生成數(shù)據(jù)點(diǎn)集，運(yùn)用K-均值聚類法得到4種縣域典型場景：低稟賦-低能耗型縣域、低稟賦-高能耗型縣域、高稟賦-低能耗型縣域、高稟賦-高能耗型縣域，并據(jù)此研究設(shè)計(jì)了4種縣域能源互聯(lián)網(wǎng)典型模式。

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STUDY ON COUNTY SCENE DIVISION METHOD AND TYPICAL

MODEL OF COUNTY ENERGY INTERNET

Wu Jiafu，Du Songhuai，Su Juan，Xia Yue，Zhou Xu，Du Xun

（College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract：According to the logical structure of energy layer， information layer and value layer in energy internet， the paper standardizing the concept of energy Internet at county level， analyzing the main influencing factors at county level， clustering typical scenes at county level， and designing typical patterns of energy Internet at county level， so as to provide theoretical and methodological support for future planning and design of energy Internet at county level. Firstly， according to the characteristics of the county， the county is divided into core area and non-core area， and the technical connotation and overall framework of the county energy Internet are defined and designed. Then， the method and technical process of county scene division are introduced. Thirdly， ahp is used to construct the level and solve the weight of county elements. Fourthly， construct the function formula of the scene in the county， establish the 3D data set based on independent variables and functions， determine the optimal clustering number by using the contour coefficient analysis method， and obtain different scenes in the county by using K-means clustering method. Fifthly， put forward the overall planning and design principles of the county energy Internet， the design principles of core and non-core areas； Finally， the typical model of county energy Internet under different scenarios is studied and designed.

Keywords：internet of energy； analytic hierarchy process； K-means clustering； contour coefficient analysis； scene division； county core elements； typical model