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        兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測新方法

        2013-10-19 03:12:26歐陽邵杰
        電力自動化設(shè)備 2013年10期
        關(guān)鍵詞:用電量能效用電

        曾 鳴,李 娜,王 濤,歐陽邵杰,王 良

        (華北電力大學(xué) 能源與電力經(jīng)濟研究咨詢中心,北京 102206)

        0 引言

        電力企業(yè)肩負(fù)著提供優(yōu)質(zhì)電能服務(wù)、確保國有資產(chǎn)保值增值、滿足經(jīng)濟社會快速增長的電力需求等多方面的社會責(zé)任。但在新的形勢下,電網(wǎng)企業(yè)在履行上述責(zé)任時將面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):一方面,隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展,未來電力需求將進一步增長,這對電力供應(yīng)側(cè)提出了新的擴容要求;另一方面,電網(wǎng)擴容面臨著土地、資金等多個因素的制約,導(dǎo)致電網(wǎng)規(guī)劃落地難度大。因此,在供應(yīng)側(cè)資源擴容面臨眾多瓶頸的今天,電網(wǎng)公司亟需重新審視環(huán)境,發(fā)現(xiàn)新的資源,找到緩解上述瓶頸的新途徑。

        近年來,隨著相關(guān)政策不斷完善、技術(shù)水平不斷提高,需求側(cè)資源引起了人們的廣泛重視,并在一些領(lǐng)域中越來越多地發(fā)揮著供應(yīng)側(cè)資源的作用。在國外,以美國為代表,包括能效EE(Energy Efficiency)資源和需求響應(yīng)DR(Demand Response)資源在內(nèi)的需求側(cè)資源在電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。通過在電力系統(tǒng)運行中調(diào)用不同的需求響應(yīng)資源,達到了平衡系統(tǒng)供求、滿足輔助服務(wù)需求等目標(biāo),降低了電力系統(tǒng)運行成本和相關(guān)市場的交易成本[4-6]。在電力系統(tǒng)規(guī)劃中,通過引入能效資源和需求響應(yīng)資源,減少了對發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)進行擴容的需求,從而降低了大量的投資成本[7-8]。在我國,需求側(cè)資源在電力系統(tǒng)調(diào)度運行中的應(yīng)用,主要是實施有序用電管理和負(fù)荷管理(包括電價政策和直接負(fù)荷控制)[9-10]。近年來,我國已逐步探索將需求側(cè)資源納入電力系統(tǒng)規(guī)劃的模式和方法,并已經(jīng)啟動了各種試點方案的研究。研究結(jié)果顯示,引入需求側(cè)資源,將大幅減少系統(tǒng)內(nèi)供應(yīng)側(cè)資源的投資,同時可達到節(jié)約土地、減少浪費、減少溫室氣體排放等效果[11-15]。在國內(nèi)外,已有研究多是將需求側(cè)作為一種資源考慮到綜合資源規(guī)劃和電力規(guī)劃中,但沒有針對電網(wǎng)規(guī)劃提出具體的應(yīng)用方式和方法。

        基于上述考慮,本文提出一種新的工作思路——將需求側(cè)資源考慮到電網(wǎng)規(guī)劃的電力負(fù)荷預(yù)測中,以緩解電網(wǎng)規(guī)劃落地難、電網(wǎng)投資耗資大、電網(wǎng)設(shè)備利用率低等現(xiàn)存問題,促進電網(wǎng)規(guī)劃與投資向著精益化的方向轉(zhuǎn)變。

        1 方法描述

        1.1 總體思路

        兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測新方法的目標(biāo)為:通過合理統(tǒng)計估算某區(qū)域內(nèi)各類需求側(cè)資源的潛力,并將其潛力考慮到負(fù)荷預(yù)測過程中,使得負(fù)荷預(yù)測更為準(zhǔn)確,以避免擴容方案粗放而造成投資浪費。其基本步驟可概括為“自上而下細分負(fù)荷,自下而上疊加計算”,具體內(nèi)容如下。

        a.確定預(yù)測范圍。選取某一變電站輻射范圍的供電區(qū)域作為預(yù)測范圍。

        b.對用戶進行分類。對變電站每條饋線上接入的電力用戶進行分類,一般可分為居民用戶、工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和其他用戶等。

        c.識別各類用戶的各種需求側(cè)資源。每類用戶可能同時有多類需求側(cè)資源,各類需求側(cè)資源會對用戶的用電量或負(fù)荷特性產(chǎn)生不同的影響。因此,需充分識別各類用戶可考慮到負(fù)荷預(yù)測過程中的需求側(cè)資源。

        d.定量分析預(yù)測期內(nèi)各類用戶各種需求側(cè)資源對負(fù)荷的影響效果。在定性識別潛在需求側(cè)資源的基礎(chǔ)上,需通過構(gòu)建模型、相應(yīng)的數(shù)據(jù)歸集和處理技術(shù),得到某類用戶各類需求側(cè)資源綜合作用對傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值的影響效果,從而得到該類用戶考慮需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測值。與電網(wǎng)規(guī)劃工作相結(jié)合,一般只預(yù)測綜合影響下的最大負(fù)荷值。

        e.通過多層次疊加技術(shù)測算得到預(yù)測區(qū)域內(nèi)考慮需求側(cè)資源的最大負(fù)荷。采用負(fù)荷同時率處理技術(shù),逐層疊加最終得到變電站范圍內(nèi)考慮需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。

        兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測方法包括3個關(guān)鍵環(huán)節(jié),即用戶類型及相應(yīng)的需求側(cè)資源界定、需求側(cè)資源潛力分析、需求側(cè)資源作用下的最大負(fù)荷分析。

        1.2 需求側(cè)資源的界定

        綜合考慮我國相關(guān)政策導(dǎo)向(如《可再生能源管理辦法》和《有序用電管理辦法》)、行業(yè)發(fā)展、技術(shù)進步等因素,根據(jù)需求側(cè)資源對負(fù)荷曲線的作用效果,將考慮到負(fù)荷預(yù)測中的需求側(cè)資源分為能效類資源和負(fù)荷類資源兩大類。

        所謂能效類資源,指通過提高用電效率從而達到降低用電量及負(fù)荷水平的技術(shù)措施,如綠色照明、節(jié)能型家用電器、變壓器節(jié)能、電動機系統(tǒng)節(jié)能、節(jié)能電梯、節(jié)能空調(diào)等。引入能效類資源可以在所有時間內(nèi)降低用戶的用電量,從而減少用戶對發(fā)電容量和輸電容量的需求,在負(fù)荷曲線圖上表現(xiàn)為負(fù)荷曲線的整體下移,其效果如圖1所示。

        圖1 能效類資源作用效果圖Fig.1 Effect of energy efficiency resource

        負(fù)荷類資源是用戶自愿選擇的,通過減少用電設(shè)備的用電量或者改變用電時間而達到降低負(fù)荷目的的各種經(jīng)濟措施或行政措施,其中,經(jīng)濟措施包括峰谷電價、階梯電價、季節(jié)性電價和可中斷電價等電價政策,行政措施包括有序用電管理和直接負(fù)荷控制。負(fù)荷類資源的規(guī)劃和實施將達到節(jié)電的目的(效果),在負(fù)荷曲線圖上表現(xiàn)為曲線形狀的變化,如圖2所示。

        圖2 負(fù)荷類資源作用效果圖Fig.2 Effect of load resource

        傳統(tǒng)電力負(fù)荷預(yù)測中,需要對區(qū)域內(nèi)不同負(fù)荷類型的用戶進行分類。而不同類型的用戶也對應(yīng)著特有的需求側(cè)資源,如表1所示。

        每一類電力用戶都有多個用電環(huán)節(jié),如居民用戶的主要用電環(huán)節(jié)包括照明、空調(diào)、冰箱、熱水器等,工業(yè)用戶的主要用電環(huán)節(jié)包括照明、電動機等,商業(yè)用戶的主要用電環(huán)節(jié)包括照明、空調(diào)等。而各類用戶的每個用電環(huán)節(jié)都可能存在需求側(cè)資源。同理,每類用戶也可能參加多項負(fù)荷類需求側(cè)管理項目。

        表1 用戶類型及其需求側(cè)資源界定Tab.1 Customer types and demand-side resource definitions

        2 模型構(gòu)建

        本部分研究兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測模型,主要包括以下3個方面的研究內(nèi)容。

        2.1 某一類電力用戶最大負(fù)荷的求解

        對于某一類電力用戶,考慮各類需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測總體分2步計算:第一步,考慮能效類資源對用電量進而平均用電負(fù)荷的影響;第二步,在第一步的基礎(chǔ)上,考慮不同負(fù)荷類資源對負(fù)荷率進而用戶最大負(fù)荷的影響。

        (1)考慮單一需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測。

        考慮單一需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測為本研究的基礎(chǔ)情形。該情形下,對于某類用戶只考慮單一需求側(cè)資源(即用戶只有一個用電環(huán)節(jié),且同時存在一項能效類資源和一項負(fù)荷類資源)對其最大負(fù)荷的影響,最大負(fù)荷預(yù)測模型如式(1)所示。

        其中,Pmax為需求側(cè)資源作用下最大負(fù)荷的預(yù)測結(jié)果(萬kW);Q0為初始用電量,即不考慮需求側(cè)管理資源、通過常規(guī)預(yù)測方法所得用電量預(yù)測值(萬kW·h);αEE為該類用戶在能效類資源作用下的降耗率,等于自然節(jié)電率與用戶滲透率的乘積;βLD為該類用戶在負(fù)荷類資源作用下的負(fù)荷率;t為預(yù)測時間段(h)。

        (2)考慮多種需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測。

        在考慮單一需求側(cè)資源影響的基礎(chǔ)上,進一步研究考慮多種需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測模型。

        a.多種能效類資源分析。

        首先,考慮多種能效類資源作用下總用電量的變化。假設(shè)ΔQ為節(jié)電量,ΔQi為第i個用電環(huán)節(jié)的節(jié)電量,Qi,0為第 i個用電環(huán)節(jié)的初始用電量;αEE,i為該類用戶第i個用電環(huán)節(jié)在能效類資源作用下的降耗率;λi為表示能效類資源是否存在的狀態(tài)系數(shù),λi值為0時表示用戶沒有此種資源,λi為1時表示擁有此種資源。

        該類用戶第i個用電環(huán)節(jié)在能效類資源作用下的節(jié)電量為:

        多種能效類資源作用下,總的節(jié)電量為各用電環(huán)節(jié)節(jié)電量之和:

        其中,k為該電力用戶用電環(huán)節(jié)的個數(shù)。

        因此,能效類資源作用下的用電量QEE為:

        b.多種負(fù)荷類資源分析。

        考慮了多種能效類資源后,進一步考慮多種負(fù)荷類資源的作用。在單一負(fù)荷類資源作用下減少的最大負(fù)荷的計算公式為:

        其中,ΔPmax,i為第i種負(fù)荷類資源作用下減少的最大負(fù)荷(萬kW);Pmax,0為在能效類資源作用下的最大負(fù)荷(萬 kW);βLD,i為該電力用戶第 i種負(fù)荷類資源作用下的負(fù)荷率。

        多種負(fù)荷類資源作用下減少的最大負(fù)荷為:

        其中,w為該用戶擁有的負(fù)荷類資源的數(shù)目;ζ1為多種不同負(fù)荷類資源的負(fù)荷同時率。

        因此,需求側(cè)資源作用下最大負(fù)荷的預(yù)測結(jié)果為:

        2.2 同一饋線多類電力用戶最大負(fù)荷的求解

        假設(shè)Pmax,ij為第i條送電線路第j類電力用戶在需求側(cè)資源作用下的最大負(fù)荷,那么第i條送電線路上所有用戶的效益疊加結(jié)果為:

        其中,m為此饋線上電力用戶分類個數(shù);Pmax,i為第i條送電線路覆蓋區(qū)域的最大負(fù)荷(萬kW);ζ2為同一饋線上多種電力用戶的負(fù)荷同時率。

        2.3 綜合最大負(fù)荷的求解

        由于整個變電站涵蓋多條用電線路,因此在求解綜合最大負(fù)荷時,需要考慮每條線路的用電狀況,繼而進行用電疊加,疊加效果為:

        其中,PUmax為綜合最大負(fù)荷(萬kW);ζ3為不同饋線的負(fù)荷同時率;n為該變電站線路條數(shù)。

        3 算例分析

        以北京市某一110 kV變電站中某條線路的覆蓋范圍為考慮對象,并假設(shè)初始負(fù)荷率和同時率都為0.6,在明確用戶類型,分析各用戶的主要用電環(huán)節(jié),測算其在能效類資源和負(fù)荷類資源作用下的節(jié)電降荷效果的基礎(chǔ)上,得到考慮需求側(cè)資源的變電站電力負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。

        3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

        通過調(diào)查分析可知,該線路包含第1節(jié)中涉及的所有電力用戶,各用戶的基本情況如下:居民用戶的用電環(huán)節(jié)分為照明、熱水器、空調(diào)、電冰箱和其他;輕工業(yè)分為照明、空調(diào)、生產(chǎn)設(shè)備和其他;重工業(yè)分為照明、變壓器、動力系統(tǒng)和其他;商業(yè)用戶和其他用戶統(tǒng)一劃分為照明、電梯、空調(diào)與其他。在把需求側(cè)資源引入日常生產(chǎn)與生活中時,不考慮各用電環(huán)節(jié)的其他部分。相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 兼容需求側(cè)資源負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.2 Basic data for load forecasting compatible with demand-side resources

        3.2 預(yù)測結(jié)果

        基于模型構(gòu)建理論以及相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計算可以得到需求側(cè)資源帶來的節(jié)電效果。將需求側(cè)資源引入前后各類用戶用電量和最大負(fù)荷的數(shù)據(jù)進行對比分析,如表3和表4所示。分析結(jié)果可知,在需求側(cè)資源(能效類資源和負(fù)荷類資源)的作用下,各電力用戶的用電量和最大負(fù)荷都呈明顯的下降趨勢,其中,用電量的減少比例基本維持在10%以上,而最大負(fù)荷的減少比例都已超過20%。由此可知,考慮需求側(cè)資源影響后,電網(wǎng)規(guī)劃中的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果將顯著降低,從而能夠降低變電站和線路的擴容需求,帶來可觀的投資節(jié)約效益。

        表3 兼容需求側(cè)資源前后負(fù)荷預(yù)測的電量對比結(jié)果Tab.3 Comparison between energies forecasted with and without consideration of demand-side resources

        表4 兼容需求側(cè)資源前后負(fù)荷預(yù)測的負(fù)荷對比結(jié)果Tab.4 Comparison between loads forecasted with and without consideration of demand-side resources

        4 結(jié)論

        本文在傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測方法的基礎(chǔ)上引入了需求側(cè)資源,構(gòu)建了兼容需求側(cè)資源的多饋線負(fù)荷預(yù)測模型,采用多重疊加技術(shù)進行求解。算例分析結(jié)果表明,考慮需求側(cè)資源的電力負(fù)荷預(yù)測新方法,能夠更為準(zhǔn)確地測算特定供電范圍的負(fù)荷情況。新的負(fù)荷預(yù)測方法旨在為相關(guān)工作主體提供新的思路,有利于克服當(dāng)前電力規(guī)劃與投資過程中面臨的瓶頸。所提模型和計算方法具備一定的可操作性、可復(fù)制性、可擴展性,可結(jié)合實際預(yù)測地區(qū)的情況進一步研究大規(guī)模計算工具,并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

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