新型城镇配电网影响因素解释结构模型

王守相，张一帆，葛磊蛟

（天津大学 智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

0 引言

为应对能源短缺、生态环境恶化等问题，世界各国积极探索向新能源、低碳经济的发展模式转型。我国提出了“集约、智能、低碳、绿色”新型城镇化建设的发展理念[1]，强调对传统城镇化的观念更新、体制革新和技术创新，实现新型工业化、社会信息化和农业现代化的可持续发展。新型城镇具有多样化、区域个性化、生态化、宜居化等特点。配电网为新型城镇化的发展提供基础性保障。新型城镇配电网不同于传统农村配电网和城市配电网。我国幅员辽阔，各地区自然环境、经济状况、社会形态等差异较大。不同类型新型城镇的发展基础、发展类型、发展规模、发展方向等各不相同，其配电网发展模式也不相同，存在多样化、个性化的特点。新型城镇配电网发展速度、质量等受到内外部因素的制约。因此，构建新型城镇配电网影响因素分析模型对于制定措施、合理规划、推动新型城镇配电网向着正确的方向快速发展是很有必要的。

国内外，现有的针对配电网影响因素分析方面的着眼点是为配电网稳定运行，消纳新能源提供良好的技术支持，以及分布式电源及电动汽车接入配电网对电压水平、电能质量所造成的影响[2]。目前已有不少学者对分布式电源或电动汽车接入对配电网某一个方面的影响做了较为深入的研究。例如，文献[3-7]阐释了分布式电源接入给配电网继电保护带来的影响；文献[8-9]针对配电网的供电可靠性，研究了分布式电源接入对其造成的影响；文献[10]对光伏接入带来的安全稳定性问题做了研究；还有很多学者对配电网负荷预测影响因素进行了研究，文献[11]特别考虑了非气象因素对夏季降温负荷的影响；文献[12-16]针对分布式电源接入配电网这一前提，对过电压、电压暂降、供电电压质量等一系列电压方面的问题开展研究。还有学者研究了分布式电源、电动汽车接入对配电网规划设计等其他几个方面的影响。上述研究都着眼于分布式电源的接入对配电网某一个方面的影响，而文献[17-18]则研究了分布式电源对配电网系统的影响，主要包括对配电网规划、电能质量、继电保护、配电网可靠性以及故障恢复等几个方面的影响。更进一步，有学者不仅研究了分布式电源接入对配电网的影响，还提出了相关的对策[19-20]。值得注意的是，不论是研究分布式电源（包括电动汽车）对配电网某一方面的影响，还是对配电网多个方面的影响，核心主要是对分布式电源的研究。总而言之，目前已有的研究集中在2个方面：一是“多对一”，即配电网某一个方面受到多种因素影响的研究；二是“一对多”，即一种因素对配电网多个方面造成影响的研究。对于除分布式电源以外的其他因素对配电网的影响程度，特别是近年来发展起来的新型城镇，其配电网影响因素模型，国内外都鲜有研究。

本文所提出的新型城镇配电网影响因素分析模型是研究多种因素对配电网综合影响大小的问题。分析并总结了新型城镇配电网的影响因素集，采用解释结构模型（ISM）的方法构建影响因素的阶层结构图，然后运用扩展的层次分析法的思想与方法确定了影响因素集中各影响因素的权重，最后通过算例分析了各因素权重大小的现实意义，为我国新型城镇配电网的发展和建设提供借鉴和参考。

1 新型城镇配电网影响因素解释结构模型

1.1 解释结构模型

解释结构模型是应用图的矩阵表示方法和简单的逻辑运算，对复杂系统的各元素间的结构关系加以描述的一种模型。解释结构模型方法是美国J.Warfield教授于1973年为分析解决复杂系统有关结构建模问题而提出的一种方法[21]。经过40多年的不断发展，已经形成了相对系统并且易于实现的分析思路和操作方法，在复杂系统相关问题的研究中发挥着重要作用。解释结构模型方法的特点是把复杂系统分解成几个子系统，利用知识经验和计算机辅助构造多级递阶的结构模型。下面给出其主要步骤。

步骤1：设定问题并确定影响因素集。

依据系统所涉及的专业知识、文献研究和实践经验，对系统及其影响因素进行分析，明确影响因素集。

步骤2：形成意识经验模型。

依据所研究的系统涉及到的专业理论和实践经验，对该系统及其各影响因素进行初步分析，首先在思维意识中形成关于系统结构中各因素及其相关关系的初步结构。

步骤3：建立连接矩阵。

判断影响因素集中各因素之间是否存在直接的影响关系，并用连接矩阵 A=（aij）m×n表示全部直接的影响关系：i≠j时，若影响因素ei和ej存在直接的影响关系，则aij=1；若影响因素ei和ej不存在直接的影响关系，则aij=0。

步骤4：建立可达矩阵。

依据推移律的特性，由式（1）和式（2）计算可达矩阵M。当k＜n-1时，若

则有

其中，I为单位矩阵，且矩阵乘法满足布尔代数运算法则。

步骤5：各因素级别分配。

根据可达矩阵M对各影响因素计算如下集合：

其中，P（ei）表示从影响因素ei出发能够到达的全部影响因素的集合，即可达集合；Q（ei）表示能够到达影响因素ei的全部因素的集合，即先行集合。通过寻找可达矩阵M第i行中值为1的列所对应的因素，可求得P（ei）。通过寻找可达矩阵M的第i列中值为1的行所对应的因素可以求得Q（ei）。再根据P（ei）、Q（ei）求出满足式（4）的因素的集合 L1：

L1即第1层因素的集合，其中的因素有下述特征：由其他影响因素能够到达此因素，但是由此因素不能到达其他因素，即L1中的影响因素位于最高层次（第1层次）。删掉原可达矩阵M中对应L1因素的行和列得到新的矩阵M′。对M′进行同样的操作，确定属于第2层次L2的影响因素。重复上述操作，依次求出各层次的因素，则可将各因素分配到相应的层次上。

步骤6：构造层次结构图。

以可达矩阵M为基础，采用规范方法或者实用方法构建递阶结构的模型，用多级递阶有向图来表示该模型。

步骤7：分析解释多级递阶有向图。

根据相关理论知识和实践经验，分析并解释多级递阶有向图从而得到解释结构模型。比较解释结构模型和现有经验意识模型，如有严重不符则应返回步骤2对相关因素及其影响关系进行修正。

1.2 构建新型城镇配电网影响因素解释结构模型

对于新型城镇配电网，在确定其影响因素集之前，首先构造新型城镇配电网影响因素知识模型，如图1所示。

图1 新型城镇配电网影响因素知识模型Fig.1 Knowledge model of influencing factors for new-type town distribution system

本文研究的对象是新型城镇配电网，在此记为因素S0。通过对大量相关文献的研究，结合图1所列出的新型城镇配电网影响因素知识模型，综合目前对配电网影响因素的已有研究成果，确定下述具体影响因素。

能源因素主要包括：清洁能源种类、分布及各自所占百分比记为因素S1；传统燃料消耗量记为因素S2；总能利用效率记为因素S3；清洁能源分布式发电记为因素S4；冷热电联供制冷性能系数记为因素S5；冷热电联供蓄冷量记为因素S6；清洁能源渗透率记为因素S7。

环境因素主要包括：新型城镇经纬度记为因素S8；新型城镇天气记为因素S9；新型城镇气候类型记为因素 S10；PM10（包含 PM2.5）指数记为因素 S11。

交通因素主要包括：新能源汽车数量记为因素S12；电动汽车充电站数量及分布记为因素S13；每万人公交车拥有量及公路里程记为因素S14；新型城镇非清洁能源机动车数量记为因素S15。

用户因素主要包括：负荷特性曲线记为因素S16；常住人口总量及人口构成百分比记为因素S17；居民生活方式和用能习惯记为因素S18。

产业因素主要包括：新型城镇GDP总量记为因素S19；各类产业比例结构记为因素S20；各类产业分布记为因素S21；各产业年产值记为因素S22。

建筑因素主要包括：绿色建筑数量和分布记为因素S23；绿色建筑节能总量记为因素S24；绿色节能建筑占建筑总量的百分比记为因素S25；建筑形态特点与用途记为因素S26；智能家居用户数量和百分比记为因素S27。

另外，还有部分因素：城镇配电网售电量记为因素S28；配电网的供电可靠性记为因素S29；配电网的电能质量记为因素S30；配电网的结构和规划记为因素S31；配电网的负荷大小记为因素S32；配电网的继电保护和设备配置记为因素S33；配电网的经济效益记为因素S34。

需要说明的是，因素 S0、S29、S30、S31、S32、S33、S34与其他因素不同，它们并不作为需要确定权重的影响因素。 S0是待研究的问题的核心，S29、S30、S31、S32、S33、S34是该问题的6个方面，是确定其他因素权重的过程中所需要的。

对于本文所研究的新型城镇配电网影响因素解释结构模型而言，在确定了新型城镇配电网影响因素集之后，需要明确每个因素直接影响的其他因素，然后在各因素之间建立有向关系并建立意识模型，这是下一步建立邻接矩阵的基础。针对新型城镇的特点综合现有文献结论和专家经验，确定了各因素直接影响的因素。如表1所示，给出了新型城镇配电网各影响因素及其直接影响的因素的关系列表。随着新型城镇的发展和配电系统技术的发展，某些因素的影响关系可能发生改变，但不影响各因素相互关系的主体结构。

根据表1所列新型城镇配电网影响因素之间的关联关系，得到可达矩阵M。

根据因素级别分配方法，通过式（3）和式（4）将新型城镇配电网影响因素分为若干个层次：

表1 新型城镇配电网影响因素相互关系Table 1 Interactions among influencing factors of new-type town distribution system

由此可得新型城镇配电网影响因素层次结构图如图2所示。

图2 新型城镇配电网影响因素层次结构图Fig.2 Hierarchical structure of influencing factors for new-type town distribution system

2 新型城镇配电网影响因素权重确定

层次分析法能够利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，本文采用层次分析法确定各影响因素的权重。传统层次分析法建模由目标层、准则层、方案层构成[22]，本文将其进行改进，把传统的目标层、准则层、方案层进行扩展，形成能够适应新型城镇配电网影响因素解释结构模型的权重计算方法。

由于新型城镇的发展刚刚起步，很多历史数据无法获取。确定影响因素权重时，必要的信息如下：

a.地理气候类包括气候类型、年平均气温、平均降水量、年平均日照时间等；

b.经济类包括GDP增速、三类产业的产值比例；

c.政策类包括城镇发展规划和发展导向、清洁能源的推广和补贴；

d.各类资源及能源储量、人口数量和用能习惯等其他方面。

在解释结构模型中，各影响因素分布在Li（i=1，2，…）层次上。但是对于层次分析法，Li集合中的因素并不一定是在同一层次。设解释结构模型全部因素有n个，对于因素Sp，若可达矩阵M中的元素

则Sp为直接影响Sq的因素。由此可找出直接影响Sq的全部 m（0≤m≤n）个因素。

若m=0，则在影响因素集中没有直接影响Sq的因素；若m=1，则Sp的权重与Sq的权重相等，即wp=wq；若m＞1，则Sp的权重wp的计算方法如下。

依次构造全部m个影响因素对Sq影响大小的判断矩阵A（m×m阶），求出A最大特征值λmax对应的具有正分量的归一化特征向量W，利用权重系数计算式（6），计算出各个因素的权重。其中aij为判断矩阵 A 中的元素，W=[w1，w2，…，wm]为所求特征向量，也就是各因素对评价目标Sq影响的相对权重。

根据式（6）所得权重向量，通过式（7）得到最大特征值λmax，再由式（8）对所得结果进行一致性检验，其中m为判断矩阵A的阶数。若C.I＜0.10，则通过一致性检验。

式（9）中wk为Li层次上因素Sk对因素Sq的影响权重，Wq为因素Sq的综合权重。需要注意的是，综合权重应按照层次结构图中从上到下的顺序求取。这样，就得到了各因素在 Li（i=1，2，…）层次上的各因素的权重Wik。再由式（10）得到因素Sk对配电网影响的综合权重：

最后，将所有因素对配电网影响的权重归一化评分，得到最终结果。

权重计算流程如图3所示。

图3 权重计算流程图Fig.3 Flowchart of weight calculation

3 新型城镇配电网影响因素权重算例分析

我国华东某新型城镇A以丝绸、鱼米著称，没有重工业，拥有国家AAA级以上景区2个，常住人口约9万人。该城镇地处东亚季风区，年平均气温15.7℃，年平均降水量1160 mm，年平均日照时间2020 h。近年来A镇所在市政府出台了一系列节能减排政策，特别是光伏发电的补贴政策，推动了当地分布式光伏发电的发展。

我国东北某新型城镇B，矿产资源储量丰富，其一度以重工业为经济发展主力，常住人口约4万人。该城镇属于中温带大陆性气候，年平均日照时间2775.5 h，年平均降水量607.5 mm，年平均气温7℃。随着绿色生态农业的发展，沼气综合利用得到推广和应用。

以A、B两镇为例，运用本文提出的方法，对其配电网影响因素做出分析，得到各影响因素的权重，结果如表2和表3所示。从表2中可以看出，新型城镇配电网对供电可靠的要求是最高的，这样的结果也是必然的。对于旅游业主导型城镇，一旦出现供电中断，在人员众多的景区、购物区、演出区易引起混乱，造成人员安全威胁；对于工业主导型城镇，不仅要求具备很高的供电可靠性，还对配电网的电能质量提出很高的要求。因为电能质量的下降会导致工业用电设备的效率和功率因数降低、损耗增大、设备寿命缩短、产品品质下降等不利于工业正常运行和发展的结果。

表2 新型城镇配电网影响因素计算结果1Table 2 Calculative result of influencing factors for case 1

通过对表2、表3所得结果的分析，可以得到如下几个方面的结论。

a.A、B两城镇配电网各影响因素权重的趋势大体上是一致的。与传统配电网一样，气象方面的因素仍然是影响新型城镇配电网的重要因素。城镇的经纬度决定了其气候类型，气候类型又与其天气（如降水、气温等）密切相关。不论对于A镇这样的旅游业主导型城镇还是B镇这样的工业主导型城镇，应当密切关注并考虑大风、雷暴、覆冰等不良气象对配电网的影响。在配电网设计和规划时，对线路、安装位置、设备配置等方面应特别注意，慎重选择。

b.与传统配电网不同的是，清洁能源对新型城镇配电网的影响非常大。例如A镇大力发展的太阳能和B镇的沼气综合利用。清洁能源的利用一方面减小了部分负荷，另一方面清洁能源分布式发电的并网使得配电网的潮流不再是单向的。双向的潮流使得配电网的规划、设计、运行、控制与装置配置都需要随之调整，适应其未来发展。作为旅游业主导型城镇，A镇对清洁能源分布式发电的接受程度大于B镇，大量分布式光伏发电的接入使A镇的配电网负荷预测的难度加大。因此，对于A镇以及与A镇类似的新型城镇配电网，特别是配电网安全性等方面，应当在规划、设计时充分考虑清洁能源的利用对配电网的影响、合理配置。

c.产业因素对新型城镇配电网的影响较大。并且，对工业主导型的新型城镇的影响远大于旅游业主导型的新型城镇。结合实际情况，A镇无重工业，经济增长主要依靠旅游业；B镇以工业为主导，结合生态农业协同发展，产业结构、产值的变化更易对配电网产生影响。GDP、产业分布等因素主要是对新型城镇配电网负荷的增长产生影响。因此，在新型城镇配电网规划时，应考虑其经济发展潜力和负荷增长需求，满足新型城镇的发展要求。

表3 新型城镇配电网影响因素计算结果2Table 3 Calculative result of influencing factors for case 2

4 结语

本文针对新型城镇配电网的特点，首先总结并提出了新型城镇配电网影响因素集。其次提出了一种适用于新型城镇的配电网影响因素分析的解释结构模型，通过层次分析法扩展得到的结果，分层确定影响因素的权重。将求取权重过程中某一因素的全部权重相加，得到该影响因素的综合权重。最后，将各影响因素权重进行归一化，得到针对新型城镇配电网的因素权重，直观地展示了各影响因素对配电网影响的大小。特别是对于数据不足甚至是数据缺乏的情况，采用所提出的模型和算法能够得出具有实际意义的结论。

应用所提出模型和算法对我国工业主导型和旅游业主导型的2种新型城镇进行了影响因素权重计算，通过算例结果的分析和与实际的对比，验证了模型的有效性，从而为新型城镇配电网影响因素的分析和权重确定提供了一种新的思路和方法，为我国新型城镇配电网的发展和建设提供参考。