考虑城镇生长特性的区域能源网演化模型_徐成司.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0529-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑城镇生长特性的区域能源网演化模型徐成司1，董树锋2，鲁斌3，吴振杰1，徐航1（1国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，浙江省 杭州市 310009；2浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027；3上海电力设计院有限公司，上海市 黄浦区 200025）Evolving Model of Regional Energy Network Considering Town Growth Characteristics XU Chengsi1,DONG Shufeng2,LU Bin3,WU Zhenjie1,XU Hang1(1.Hangzhou Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electricity Power Co.,Ltd.,Hangzhou 310009,Zhejiang Province,China;2.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China;3.Shanghai Power Design Institute Co.,Ltd.,Huangpu District,Shanghai 200025,China)ABSTRACT:The development of the regional energy network is an essential part in the construction of new-type towns.It is of great significance to analyze the evolution law and morphological characteristics of the regional energy network for guiding its planning and operation.This paper proposes an evolving model of the regional energy network considering town growth characteristics.Firstly,the growth characteristics of spatial load are summarized according to the town growth characteristics,and the growth process of the town load is simulated based on the random geometric graph model of the complex network theory.Then,with the objective of minimizing the investment and construction cost,the distribution of the energy stations and the integrated pipelines of the regional energy network is obtained,and the evolving process of the regional energy network is given.Furthermore,the spatial and topological characteristics of the evolution model are analyzed theoretically.The simulation results show that the evolved regional energy network conforms to the growth characteristics of the town and load,and its morphological characteristics are consistent with the theoretical analysis and similar to the actual power grid,which verifies the rationality of the proposed model.KEY WORDS:regional energy network;town growth characteristics;complex network;random geometric graph;evolving model;network morphological characteristics 摘要：区域能源网的发展是新型城镇建设的重要环节，分析区域能源网的演化规律和形态特征，对于指导网络规划、运行具有重要意义。提出了一种考虑城镇生长特性的区域能源 基金项目：国家自然科学基金项目(52077193)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(52077193).网演化模型，首先根据城镇生长特性总结了空间负荷的增长特性，进而借鉴复杂网络理论中的随机几何图模型模拟城镇负荷的增长过程，然后以最小化投资建设成本为目标，规划得到区域能源网的能源站和综合管线分布，给出区域能源网的演化流程，进一步通过理论分析了演化模型的空间和拓扑特征。算例分析结果表明演化所得区域能源网符合城镇和负荷的生长特性，其形态特征与理论分析结果一致，并且与实际电网具有相似的特征，验证了所提演化模型的合理性。关键词：区域能源网；城镇生长特性；复杂网络；随机几何图；演化模型；网络形态特征 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0152 0 引言 构建新型电力系统是实现双碳目标、应对环境气候问题的关键举措，能源互联网能够发挥不同形式能源的协同互补效益，促进新能源消纳，实现兼顾经济效益与能源利用率等指标提升的系统优化运行，是电力能源行业转型中的关键载体1。区域能源网的建设是构建能源互联网的基础，其网络规模主要适用于城镇、社区等覆盖大量商业、工业、居民用户并且地理位置相对集中的区域2，具有内部自治自律、外部协同的特征。城镇是推动社会经济政治发展、科技文明进步的重要平台，区域能源网的建设属于城镇发展的重要组成部分，与城镇的生长特性密不可分。当今世界的城镇化进程迅速，目前已有超过 50%的人口生活在城镇，而到 2050 年预计全球将有超过 70%的人口将生活在城镇。当前中国正处于稳步、长期的城镇化进程，传统的城镇能源系统缺乏多种能源互联互通途径，存在综合能效偏低、供需互动不足等530 徐成司等：考虑城镇生长特性的区域能源网演化模型 Vol.47 No.2 问题3。推进区域能源网的发展能够优化城镇用户的用能方式，是改善当前能源利用现状的重要手段。为了更有效地应对城镇化进程中高能耗、高污染等问题，区域能源网的规划、建设和运行需要与城镇的建设发展紧密结合。因此，根据城镇生长特性模拟区域能源网的演化过程，对于归纳能源网发展的共性规律，模拟分析网络形态与故障脆弱度之间的关系，指导区域能源网工程建设、增加投资高效性等具有重要意义4。现有研究已经对电网的演化规律进行了初步的探究，并且大多是基于复杂网络理论设计电网的时 空 演 化 模 型5。文 献 6 提 出 了 一 种 基 于Barabsi-Albert(BA)无标度网络的电网演化模型，比较了其与实际电网的度分布和聚类系数等拓扑特征参数。文献7根据局域世界演化模型模拟电网演化过程，所得网络的度分布与实际电网具有类似的幂尾特性8。文献4分析了小型电网、大型互联电网和智能电网三代电网的发展历程，归纳了负荷需求、电能供给和控制能力这 3 类驱动电网演化的因素，并指出当前世界各国电网总体处于互联电网向智能电网演进的阶段。文献9分析了高比例风电、光伏接入对电力系统灵活性的要求及电网未来低碳化和电力电子化的发展趋势。文献10利用未来新能源和负荷量的预测数据，考虑电量、电力、环保和调峰等约束，以电网建设成本最小为目标进行网络规划，对未来多个年份的电网演化进行模拟。文献11基于复杂网络的异速生长规律研究电网规模发展变化规律，根据理想化的电网零阶模 型得出电网规模和用电量之间存在亚线性的增长关系。负荷需求的增长、变化是能源网演化最根本的驱动要素。负荷的增长和空间分布特征与城镇的发展密切相关，也是能源网规划的基础，对区域能源网的形态特征有着重要影响。文献12用等大小的网格对 10kV 馈线供电范围进行划分，基于支持向量机方法并根据用地信息得到空间负荷预测结果。文献13利用模糊 C-均值聚类算法对不同城市进行分类，并利用非参数核密度估计方法提取不同用地类型的负荷概率密度分布特征。文献14采用单位面积功率法计算建筑体负荷量，并用聚类方法验证了城市负荷可在空间上分为多个群簇。现有的电网演化模型大多基于复杂网络理论中的某一理想网络模型，没有充分考虑电网演化与实际城镇生长特性之间的关系。同时当前空间负荷预测的相关研究主要集中于预测方法的改进15，缺乏对城镇空间负荷分布规律的总结，难以为能源网演化规律的分析提供指导。在现有研究的基础上，本文提出一种考虑城镇生长特性的区域能源网演化模型。根据城镇生长特性总结了负荷的空间增长规律，并基于复杂网络理论中的随机几何图模型模拟城镇负荷的增长过程。以最小化投资建设成本为目标，随负荷增长进行初期规划和多个阶段的扩展规划，得到区域能源网能源站和综合管线分布，以充分模拟能源网演化，使模型能够适用于初期规划和扩展规划两种场景。将演化得到的区域能源网与实际电网的规模演化和拓扑特征进行对比，验证所提模型的合理性。1 城镇和空间负荷生长特性 1.1 城镇生长特性 城镇的生长与人口的增长密不可分，其原因除了出生、死亡导致的人口自然增长以外，在很大程度上还包括农村人口的迁入。城镇能够吸引人们聚居，一方面是由于当地较优质的气候、资源、地形、地理位置等自然条件，另一方面是由于城镇具有较发达的经济、文化、教育、交通、通信、医疗卫生等社会经济条件。同时人口增长也会进一步影响城镇的生产生活条件，其中社会经济条件尤其与人的活动密不可分。在城镇发展过程中的一个现象是随着越来越多人口的迁入，城镇有了更多的就业机会、更好的教育资源、更先进的医疗卫生条件、更完善的社区和娱乐环境等。这种现象可以被抽象为人口的聚集使得人与人之间有了更多的交互和协作，从而促使城镇的生产生活环境变得更加友好，而更友好的生产生活环境也会进一步提升城镇的吸引力，使得更多的人口迁移到城镇中16。因此 城镇的生长与人们可交互和协作的程度密切相关，人与人之间的交互和协作效益越多，城镇就越有吸引力。文献16-18分析了某实际社区、厦门市、泰州市的形态演化特征，结果表明城镇在扩张阶段建成区的面积会加速增长，建成区半径近似随时间线性增长，其中厦门市 2002 年至 2018 年的建成区面积与年份之间近似存在二次函数关系，即 2XMyy0.0488194.17193054Stt(1)式中：SXM为厦门市建成区的面积，单位为 km2；ty为年份。建成区半径与年份之间近似存在如下关系：XMy0.0627120.52Rt(2)式中 RXM为厦门市建成区半径，单位为 km。第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 531 此外，厦门市 20022006 年、20062010 年、20102014 年、20142018 年的集聚强度分别为8.49%、10.82%、14.31%、1