基于CAS理论的配电网系统多主体交互模型与动态演化研究

刘金朋，吴 澜，刘福炎，杨小勇，俞 敏，郝洪志

（1.华北电力大学经济与管理学院，北京 102206；2.国网浙江经济技术研究院，浙江杭州 310020；3.浙江鼎晟工程项目管理有限公司，浙江金华 321017）

0 引言

构建以新能源为主体的新型电力系统是助力“双碳”目标落地、能源绿色转型的重要支撑，配电网作为电力系统的重要组成部分，是面向用户电力供应的核心环节，其形态及业态发生显著变化[1]。分布式电源、电力电子装备、柔性可控负荷等大规模接入，推动了配电网实现低碳发展，同时在规划调度[2]、经济运行[3]、资产管理[4]等方面带来了新的挑战，对配电系统的稳定性和可靠性带来影响。因此，亟需从系统全局角度探讨配电网各子系统耦合机理，分析配电网形态和功能的演化路径，为统筹规划、推动配电网高效发展提供参考。

目前我国对配电网结构或功能形态演化研究的相关成果主要集中在理论探索和仿真模拟两个方面。在理论探索方面，文献[5]剖析了配电网形态演变的驱动因素及作用机理，深入探讨了多元驱动力作用下配电网的协调规划问题。文献[6]总结了新型配电系统的形态、特征，提出了配电网发展的关键技术及面临的主要问题。文献[7]构建了城市配电网发展形态演变的波士顿矩阵，将配电网形态分为4 个等级。文献[8]基于能源互联网视角，研究了配电网发展形态及演化路径，将配电网发展分为雏形期、发展期、蜕变期、智融期4 个阶段。在仿真模拟方面，文献[9]以复杂网络理论为基础，提出了用异速生长规律构建配电网形态演化模型。文献[10]提出了三代电网演化模型，复现了电网演化生长过程。文献[11]克服了传统演化模型的不足，提出了有源配电网时空演化模型，研究配电网从无源到有源的演化过程及演化机制。文献[12]提出了多系统共生协调演化模型，并加入外部刺激，研究不同参量下微电网演化路径。

总体来看，现有文献对从整体视角研究配电网形态发展具有一定借鉴与参考，对从局部视角研究系统内部各要素及与外部环境的耦合机理有待深化。因此，本文提出一种基于复杂适应系统理论的配电网系统动态演化分析的新思路，从微观与宏观角度出发研究配电网系统内部各要素互动机制，挖掘配电网系统各阶段演化特性，分析系统动态演化高效发展的重要保障，为新形势下配电网相关工作提供理论支撑。

1 复杂适应系统理念与框架

1.1 核心理念

复杂适应系统（Complex Adaptive Systems，CAS）理论由约翰·霍兰教授于1994 年正式提出，被誉为继一般系统论、耗散结构论之后的“第三代系统思想”，为系统研究开辟了新视野。该理论采取“自下而上”的研究路线揭示客观事物构成的原因及其演化历程，将微观分析与宏观分析相结合，认为微观个体的适应促使宏观系统呈现新的结构与形态，即涌现复杂现象[13]。因此“，适应产生复杂性”作为CAS 理论的核心思想，指导系统复杂性生成的内因分析。

1.2 分析框架

基于CAS 理论的系统演化行为研究，主要包括以下4 个基本环节：

1）明确系统主体构成。系统由具有适应性的主体构成，主体是CAS 理论的核心，具备与环境及其他主体交互的能力，通过不断地调整和改变自身行为模式，从而适应环境变化的要求[14]。

2）判断系统是否符合CAS 的基本特性。CAS应同时具备7 个基本特性，分别为聚集、非线性、流、多样性、标识、内部模型及积木。

3）分层级建模。包括微观层面的单一主体交互模型及宏观层面的多主体交互模型，通过个体行为规则调整研究系统全局行为变化。

（1）微观层面。主体的学习过程包括“接受刺激-主体反应-行为调节-得到反馈-修正规则”5 个环节，如图1 所示。

图1 微观层面CAS单一主体交互模型Fig.1 Single agent interaction model in CAS（micro）

（2）宏观层面。系统在微观主体之间以及主体与环境相互作用中演变或进化，表现出新层次的产生、分化等复杂演化过程[15]，分析模型如图2 所示。

图2 宏观层面CAS多主体交互模型Fig.2 Multi-agent Interaction Model in CAS（macro）

4）演化历程解析。结合建立的概念模型或数学模型，梳理系统的演化历程，总结各阶段系统特征，进一步科学推理系统整体演化趋势。

2 配电网系统多主体构成分解及适应特性分析

2.1 基于CAS框架的配电网系统多主体构成分解

配电网可以看作是由若干适应性主体构成的CAS。从物理角度分析，配电网的基本单元是接入系统中的单个设备元件，随着电力电子技术的发展，设备元件由被动调整向主动适应过渡，将逐步具备CAS 理论对主体“活性”的基本要求。从经济角度分析，配电网的基本单元是参与系统运营的独立经济体，各独立经济体能够主动应对外部变化并做出适应性调整，具备独立决策和收益的能力[16]。因此，本文将配电网系统简化为由配电网源端生产主体、配电网网端传输主体、配电网荷端用能主体和转化与存储主体4 大类适应性主体群组成的CAS，各主体由多个设备元件经由多种形式的物理信息联系构筑而成。

2.2 配电网系统演化复杂适应特性分析

配电网是一个融合多维目标、具有多个主体的CAS，具备典型的复杂适应特性如表1 所示。

表1 配电网系统的复杂适应特性Table 1 Complex adaptive characteristics of distribution network system

结上所述，CAS 理论的7 个基本特性在配电网中得到充分体现，两者具有较好的兼容性，为下一步交互模型的构建奠定基础。

3 CAS 框架下配电网系统多主体交互模型构建

3.1 系统外部环境复杂性分析

配电网系统主体的发展与系统外部环境的复杂性息息相关，交错复杂的外部环境形成了配电网复杂适应系统的高度敏感性，致使任意微小的扰动均会在各主体间产生复杂的连锁效应，推动主体在反复交互过程中不断进化。

配电网CAS 外部环境的复杂性主要包括自然、经济、政策等方面。其中，自然环境主要由土地、化石燃料、气候等要素构成，自然环境的变化给配电网电力生产模式、消费模式等方面带来深刻影响；经济环境主要由社会经济结构、经济发展水平、消费者收入水平等要素构成，经济环境的变化给配电网的规模、发展速度、目标定位等方面带来深刻影响；健全完善的政策环境是配电网稳健发展的根基与保障，有效促进多元复杂主体的生成和要素在主体间的流动；其他方面如技术、市场等，技术的发展为配电网主体行为调节提供了强大的支持手段，包括自动化技术、计算机网络技术、电子信息技术等[18]，市场方面，社会资本加入、售电市场开放等举措[19]，推动主体多样化发展，能量流动更加复杂。

3.2 基于“刺激-反应”的单一主体交互模型构建

配电网CAS 中的主体在与外部环境不断的交互过程中谋求主体的生存与发展，这种交互作用遵循一般的刺激-反应模型。该模型的实施机制为：适应性主体接收到外部刺激后，根据其已有规则集合进行匹配，给出适宜决策，改变自身行为方式，并反作用于外部环境。在此过程中产生正反馈或负反馈链路，正反馈可强化主体适应度，负反馈将导致主体趋向消亡。本文将从微观层面对4 大适应性主体分别构建交互模型。

3.2.1 配电网源端生产主体

考虑到外部环境的复杂性，选取自然环境系统变化为主要驱动因素，研究其与配电网源端生产主体的交互模型，具体适应机制如图3 所示。配电网源端生产主体接收到外部环境的变化信息，通过引入分布式电源做出刺激反应，优化主体结构，并采取政策扶持、技术支撑等手段，促进主体朝着清洁化、多元化方向发展。同时，主体选定的适应规则反作用于外部环境，为主体活动带来更具优势的外部环境，形成“环境→主体→环境”的循环反馈链路。

图3 配电网源端生产主体交互模型Fig.3 Interaction model of production agent at power source end of distribution network

3.2.2 配电网网端传输主体

选取源端及荷端主体变化为主要驱动因素，研究其与配电网网端传输主体的交互模型，具体适应机制如图4 所示。

图4 配电网网端传输主体交互模型Fig.4 Interaction model of transmission agent at network end

配电网网端传输主体作为系统的中间环节，同时接受外部环境及上下游主体的变化信息，通过应用新型电力电子装备及改变网架结构等方式做出刺激反应，采取优化拓扑结构、直流配电技术支撑等手段，促进网架的灵活性、可靠性，主体的适应性调节促进新能源的消纳，降低电能生产及变换环节的碳排放，与外部形成反馈循环，主体朝着电力电子化、设备智能化方向发展。

3.2.3 配电网荷端用能主体

选取自然环境、经济环境变化为主要驱动因素，研究其与配电网荷端用能主体的交互模型，具体适应机制如图5 所示。气候变化等外部刺激下，电力消费主体通过推进电能替代等举措，减少碳排放。在交通运输领域，电动汽车取代传统燃油汽车；在清洁供暖领域，国家积极推进煤改电、煤改气，使主体在不断适应环境的同时，给配电系统带来了巨大的增量负荷。再次扰动主体状态，通过参与需求响应，发展源荷互动技术等手段效缓解电力供应紧张问题，进行反馈与供需调整，主体朝用电互动化、电力市场化方向发展。

图5 配电网荷端用能主体交互模型Fig.5 Interaction model of energy users at load end of distribution network

3.2.4 转化与存储主体

转化与存储主体是源端生产主体与荷端用能主体在不断适应环境变化过程中，衍生出的新主体，通过与其他主体进行合作，争取最大的生存。选取外部主要驱动因素，研究其与转化与存储主体的交互模型，具体适应机制如图6 所示。

图6 转化与存储主体交互模型Fig.6 Interaction model of transform and store agent

主体通过与环境的反馈循环，不断优化内部模型，从适应中生成复杂，共同进化。其中，主体反应环节中分布式储能装置主要包括电化学储能、蓄冷蓄热技术等。在主体学习与经验累积中，逐渐由单一储能形式向复合储能进化，呈现形式的多样性，朝着商业化、规模化、产业化的方向发展[20]。

3.3 基于物理-信息-经济耦合的多主体交互模型构建

配电网复杂适应系统中主体-环境-其他主体以能量流、信息流、业务流等形式实现资源流动与要素转化，其中能量流反映系统的物理特性，信息流反映系统的信息特性，业务流反映系统的经济特性，各要素流之间相互耦合，在各主体间流动产生涌现效应。根据CAS 理论，在单个主体演化模型的基础上，结合资源流动路径分析，可将微观个体进化过程推广到宏观系统演化过程，在此基础上实现多主体交互关系刻画，如图7 所示。

图7 配电网CAS多主体交互模型Fig.7 Multi-agent interaction model of distribution network in CAS

1）能量流。随着电力电子装备的接入，配电网架由原来的树状结构发展为灵活的环网状结构，各主体间实现柔性互联，潮流由传统的单一流向日趋多样化、复杂化；转化与存储主体的出现，缓解了系统峰谷差及电力电子装备引入的大量谐波，解决了能量流动中的功率不平衡问题[21]；直流配电技术的发展，强化了分布式新能源、电动汽车等直流负荷的适应度[22]，实现潮流的灵活控制。此外，配电网CAS 与交通、能源等其他外部系统也存在能量流动，系统壁垒逐渐打破。

2）信息流。主体同时从外部环境及其他主体接受信息，根据收集到的信息，对主体内部设备元件的运行策略进行决策，优化能量流动模型。系统上游主体可向下游主体传导实时能量流信息，下游主体可向上游主体传导能量需求信息，信息的双向流动促使配电网运行模式由“源随荷动”向“源荷互动”转变。同时，利用大数据技术对系统中存在的海量数据信息进行分析，为配网规划、调度决策、电力交易提供指导，提升配网管理水平及能源利用效率。

3）业务流。配电网CAS 中主体通过聚集形成了众多新的、更高层次的利益主体，有助于新兴产业的出现。其中，源侧主要包括分布式电源投资方、微电网运营商等；荷侧主要包括单一电力用户、电力用户聚合商等；网侧主要包括配电网建设投资方、电网运营商等。各方利益主体在市场竞争与监管环境下相互博弈[23]，共同推动配电服务水平的提升。

4 基于多主体交互模型的配电网系统动态演化分析

4.1 系统分阶段演化进程与演化特性分析

根据CAS 理论，配电网的发展是系统各主体在不同阶段主动适应内外环境变化，通过各类标识聚集，在迭代交互中不断学习和积累经验，优化其内部模型而逐渐演化涌现的结果。基于这一演化思想，结合配电网主体交互模型，通过梳理各时期系统结构、参与主体、体制机制等要素，将我国配电网演化过程划分为3 个阶段，分别为初级阶段、中级阶段、高级阶段，各阶段演化特性总结如图8 所示。

图8 配电网CAS各阶段演化特性示意图Fig.8 Schematic diagram of evolution characteristics of distribution network in CAS

1）初级阶段。传统配电网。配电网发展的初级阶段，是系统从混沌无序走向低级有序的过程。负荷需求的转变、远距离输电技术的成熟等外部因素，共同推动配电网规模扩大，形成高、中、低压互联互通的配电网体系[8]。在此阶段，配电网系统相对封闭，源端以火电、水电等传统输入为主，电能传输呈发射状网络，参与主体类型相对较少，以网端传输主体为核心，且各主体相对独立，界限清晰，主体的交互作用强度一般；各类“流”在主体间的传递渠道、传递方向单一，传递速度较慢。初级阶段的配电网主要承担分配电能的作用，功能单一。

2）中级阶段。现代配电网。配电网发展的中级阶段，是系统从简单保守走向复杂开放的过程。系统外部环境的变化，打破了配电网原有的稳定性，新的适应性主体不断涌现，主体间协同交互，从各个方面对配电网系统进行优化升级。源端分布式能源的接入，实现了系统从无源到有源的转变[24]；网端电力电子装备的应用，提升了系统的可控性、可观性；荷端新型负荷与储能设备的出现，推动着配电网朝互动化方向演变。这一阶段中，配电网系统逐渐放开，参与主体多元化，且各主体相互耦合，打破独立；各类“流”在主体间传递渠道多样化，传递方向互通，传递速度加快。中级阶段的配电网逐渐具备电能生产、传输、存储与分配等多维功能。

3）高级阶段。未来配电网。配电网发展的高级阶段，是系统从局部发展走向整体成熟的过程。该阶段是配电网发展的目标状态，具备多能互补、供需匹配、效益最优等特征。在此阶段，现代配电网发展中面临的静态问题、动态问题等得到有效解决，分布式电源运营商、配售电网公司、用户聚合商等多元利益主体协同作用，各类型主体功能交叉渗透，界限趋于模糊，主体潜力被充分激发；内部主体间物理信息等要素充分融合，外部与交通、能源等系统壁垒打破，实现清洁能源主导、各主体协同运行、全环节互联可控的最优状态。高级阶段的配电网成为具备多重角色功能的公共平台。

4.2 系统动态演化高效发展支撑保障分析

引入CAS 理论，从“主体”、“适应”等视角阐述了配电网系统成就“涌现”的必然性，总结凝练系统演化进程，提升配电网科学规划、高效运行控制及多主体协同优化发展。为科学支撑系统向高级阶段过渡，重点从以下几方面加强系统建设与管理。

1）规划设计保障提升方面，配电网复杂适应系统在演化过程中外部与交通、燃气、热力等系统的壁垒逐渐打破，未来规划设计技术要求配电网与其他系统统一协调规划，实现更大时空范围的能源配置需求。互联网与云计算等技术[25]将在未来配电网规划设计中发挥重大支撑作用。

2）运行控制保障提升方面，未来配电网复杂适应系统中的内部模型随着主体的演变而呈现多样性，对系统运行控制技术的发展提出更高的要求，主体间协调优化、智能保护、需求响应、建模仿真等相关保障技术仍需加强。

3）数字信息技术保障提升方面，配电网是物理-信息-经济耦合的复杂系统，在主体交互过程中产生海量多源异构数据，如何通过数字信息技术实现大数据的挖掘、筛选、存储、分析等功能是亟需重点攻克的难题。大数据的充分利用，为未来配电网提供更多可能。

5 结语

新型电力系统发展下深化配电网系统动态演化研究具有重要的指导性与前瞻价值，本文提出了一种利用CAS 理论研究配电网系统动态演化的新思路。剖析了配电网作为复杂适应系统的关键主体，包括配电网源端生产主体、配电网网端传输主体、配电网荷端用能主体和转化与存储主体，解析了聚集、非线性、流等7 大适应特性在配电网中的具体体现，构建了基于刺激-反应的单一主体交互模型和基于物理-信息-经济耦合的多主体交互模型，实现了微观个体进化与宏观系统演化两个不同层次的连接，总结提炼了传统配电网、现代配电网、未来配电网各阶段系统结构、功能、演化形式等特性，阐明了系统动态演化高效发展的支撑保障措施。

目前利用复杂适应系统对配电网主体进行分级建模研究仍处于初步探索阶段，未来还有待在回声模型、涌现模型、平台仿真等领域对配电网进行深入研究，探讨系统从微观到宏观的联动机制。