王曉文,毛煜杰

(沈陽工程學院 a.新能源學院；b.電力學院，遼寧 沈陽 110136)

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可中斷負荷研究綜述

王曉文a,毛煜杰b

(沈陽工程學院 a.新能源學院；b.電力學院，遼寧 沈陽 110136)

可中斷負荷(IL)是電力需求側(cè)管理(DSM)中負荷管理的一項重要措施。介紹了IL的發(fā)展背景及意義、IL在國內(nèi)外的開展實施情況、IL的主要內(nèi)容及應用和IL建模領(lǐng)域研究的進展，并結(jié)合分布式發(fā)電(DG)闡述了可中斷負荷新的研究方向。最后結(jié)合我國可中斷負荷的發(fā)展情況，提出了下一步的研究重點。

可中斷負荷(IL)；電力需求側(cè)管理(DSM)；分布式發(fā)電(DG)

20世紀70年代,能源需求日趨緊張,引發(fā)了世界性的能源危機，各國學者紛紛開始研究如何科學合理地利用能源。美國在1973年率先提出了新的能源研究方向:能源需求側(cè)管理，將供應方和需求方兩種資源作為一個整體進行綜合資源規(guī)劃(IRP)。電能在越來越被人們需要的同時，其生產(chǎn)消耗了大量的一次能源，對環(huán)境和溫室效應產(chǎn)生了嚴重的影響。面對如何科學合理地使用電能，克拉克.W.蓋林斯(Clark W.Gellings)于1981年提出電力需求側(cè)管理(Demand Side Management，DSM)的理念[1-2]。DSM是將用戶電力需求作為一種電力資源，通過改變用戶的用電方式，從電力需求側(cè)對電力資源進行優(yōu)化配置，從而達到節(jié)約成本、保護環(huán)境的目的[3]。DSM的主要內(nèi)容有：負荷管理；戰(zhàn)略節(jié)能；新用電服務項目；能源替代、余能回收及新能源發(fā)電。

在國際上，可中斷負荷(Interruptible Load，IL)是DSM中負荷管理的重要手段，可以實現(xiàn)需求響應(Demand Response，DR)。從負荷的角度看，IL就是指那些以合約等方式允許有條件停電并得到適當補償?shù)呢摵?。從綜合資源規(guī)劃的角度來看，IL被視為一種重要的需求側(cè)資源，通過需求側(cè)響應實現(xiàn)電網(wǎng)供需兩側(cè)的雙向互動，緩解電力短缺、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

實施IL的意義主要有：①可以有效節(jié)約電力資源并實現(xiàn)社會資源的優(yōu)化配置；②可以引導用戶科學、合理用電，提升用戶的用電水平；③可以有效緩解用電高峰期系統(tǒng)的壓力，保障電網(wǎng)運行安全；④可以解決缺電問題，降低電力不足造成的經(jīng)濟損失，體現(xiàn)電力市場環(huán)境下電力體制的進步。

1 IL的實施情況

美國是實施IL最為成功的國家[4-5]。2003年，IL進入紐約電力市場的日前現(xiàn)貨市場和運行備用市場，主要執(zhí)行的中斷計劃有緊急負荷響應(EDRP)、特殊資源(SCR)和日前負荷響應(DADRP)計劃[6]。美國最大的電力獨立運營商PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland)于2000年開展試點項目，吸引用戶參與其制定的可中斷計劃。2001年又針對大工業(yè)用戶提出了2個試點計劃[7]：緊急負荷響應和經(jīng)濟負荷響應。

加拿大、英格蘭、愛爾蘭[8-11]等國從20世紀80年代就開始實施一些可中斷計劃措施,加拿大Alberta電力庫(Power Pool)的"自愿減負荷計劃"、英國英格蘭-威爾士的需求側(cè)競價(Demand Side Bidding，DSB)、愛爾蘭的以頻率為標準的負荷中斷等都收到了很好的成效。韓國的IL主要有2類，分別是夏季負荷削減方案和緊急負荷削減方案，用戶依據(jù)不同的方案得到不同程度的補償[12]。

我國臺灣省早在1987年就開始實施IL措施，目前有多種中斷方式供用戶選擇[13]。江蘇省在2002年開展《可中斷負荷方案》試點工作，將IL應用于高能耗鋼鐵企業(yè)。河北省在2004年施行《可中斷負荷補償辦法》，用電容量在2萬kW及以上的企業(yè)按要求實施IL可以獲得適當補償。2004年，上海試行避峰補償電價政策，鼓勵實施負荷監(jiān)控的用戶參與簽訂可中斷負荷的協(xié)議。

總體來看，IL的實施實現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置，在鼓勵用戶側(cè)參與調(diào)度的同時，緩解了用電壓力，保證了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

2 IL的主要研究內(nèi)容

2.1 實施IL成本效益的價值分析

實施IL成本效益的價值分析是IL研究的基礎(chǔ)。成本效益分析是通過比較項目的全部成本和效益來評估其價值的一種方法，目標是尋求在投資決策上如何以最小的成本獲得最大的收益。

用戶提供IL付出的成本類似于缺電成本。缺電成本是指由于電力供應中斷或不足，引起斷電或限電時，用戶受到的經(jīng)濟損失。實施IL的對象主要是大工業(yè)用戶，其提供可中斷負荷的成本較復雜。用戶提供IL總成本有兩部分：產(chǎn)量降低所造成的利潤損失和生產(chǎn)調(diào)整成本。電力公司實施IL付出的成本包括對實施IL用戶的補償和相應的售電收入損失。在電力市場中，實施IL可大大增加需求側(cè)彈性，帶來短期和長期的經(jīng)濟效益，提升整個電力市場的穩(wěn)定水平和運行效率[14]。文獻[15]采用無中斷負荷時切除的負荷容量與缺電成本的乘積對IL的可靠性效益做了定量分析，并以實例對其所提出的理論進行驗證，為深入研究該問題作了有益的嘗試。

2.2 IL合同

實施IL需要簽訂合同,合同主要內(nèi)容有：合同有效期、停電發(fā)生時間、提前通知時間、中斷持續(xù)時間、最小中斷容量、補償費用、違約懲罰等。

表1總結(jié)了美國加州、紐約、加拿大、臺灣電力市場中IL合同的具體內(nèi)容。從表1中可以看出，IL的實施對象主要是一些大用戶，合同主要內(nèi)容在不同國家的電力市場中基本一致，但具體實施細節(jié)稍有不同。

表1 現(xiàn)行電力市場中的可中斷負荷合同

2.3 IL的應用

可中斷負荷作為一種需求側(cè)管理中負荷管理的一項重要措施，用來緩解負荷高峰時段供電緊張的狀況，主要應用在削峰填谷、系統(tǒng)備用服務和緩解系統(tǒng)阻塞等方面。

1)削峰填谷

在一年四季中，人們在夏季和冬季時的生活用電要大于其他季節(jié)，系統(tǒng)的負荷曲線會出現(xiàn)峰谷交替。同時在一天之中也會出現(xiàn)峰谷交替的現(xiàn)象。但發(fā)電廠為此配備的備用容量通常得不到有效利用。實施IL，彈性負荷在系統(tǒng)峰荷時段中斷負荷并獲得補償，低谷時段消耗電能受惠于低電價，在節(jié)省用戶用電成本的同時實現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置。

2)備用服務

在電力市場環(huán)境下，IL作為系統(tǒng)備用容量從安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性等方面對電力系統(tǒng)起到了重要作用[16-17]。文獻[18]提出調(diào)度中心在系統(tǒng)峰荷時段選擇IL作為系統(tǒng)的備用容量可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。文獻[19]構(gòu)建了IL參與高峰時段市場備用的選擇評估模型和電網(wǎng)企業(yè)效益測算模型，提高了系統(tǒng)在高峰時段運行的安全可靠性和經(jīng)濟性。文獻[20]在電力市場中將IL作為一種備用容量，與發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)備用聯(lián)合優(yōu)化運行，在考慮系統(tǒng)的可靠性與IL成本之間關(guān)系情況下，使運行備用費用最小。

3)阻塞管理

電力市場的逐步開放導致電能跨區(qū)交易日益增多，系統(tǒng)輸電阻塞的問題日漸突出。文獻[21]提出一種計及電壓水平的IL阻塞管理多目標模型。以電壓水平、社會效益、可中斷負荷量和中斷負荷用戶數(shù)4個因素為阻塞管理目標進行優(yōu)化。文獻[22]在實時電力市場的阻塞管理問題中，把IL作為系統(tǒng)處理實時緊急情況的手段，并考慮調(diào)整報價，建立可中斷負荷的阻塞管理模型，達到調(diào)整費用最小，使實時阻塞管理更加靈活。

3 IL建模的研究

3.1 基于動態(tài)潮流優(yōu)化的IL優(yōu)化模型

這類模型是在潮流優(yōu)化問題中考慮IL的介入，實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度。電力系統(tǒng)潮流優(yōu)化Optimal Power Flow(OPF)是典型的非線性優(yōu)化問題，實施IL加大了傳統(tǒng)非線性優(yōu)化問題的維數(shù)和求解難度。文獻[22]為解決實時電價和IL的選擇，較早地運用了動態(tài)潮流優(yōu)化方法。文獻[23]在最優(yōu)潮流的框架下提出了一種基于影子電價的IL優(yōu)化調(diào)度模型。

此類模型的本質(zhì)還是潮流優(yōu)化問題，鑒于動態(tài)潮流優(yōu)化的研究起步早，發(fā)展也相對成熟，因此有關(guān)IL優(yōu)化的模型可以潮流優(yōu)化作為實現(xiàn)可中斷負荷管理的一種工具，通過加入有關(guān)IL特性的等式約束和不等式約束來實現(xiàn)。

3.2 基于可避免成本理論的IL優(yōu)化模型

這類模型一般認為實施IL的收益主要來自于可避免運行成本(AOC)和可避免投資成本(ACCC)，最優(yōu)可中斷補償價格或優(yōu)惠電價就以此為基礎(chǔ)確定。文獻[24]率先提出了此類模型，但該方法需要以大量的用戶調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

由于IL的成本效益價值分析是IL研究的基礎(chǔ)，因此在IL建模時考慮可避免成本理論是非常有必要的。但是，由于可避免運行成本和可避免投資成本需要考慮短期、長期、用戶等多方面的因素，同時還需要對大量用戶進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，因此實施起來較為復雜。如何在考慮可避免成本的同時降低其復雜性是今后的研究重點。

3.3 基于激勵相容機制的IL優(yōu)化模型

激勵相容機制是由哈維茨(Hurwiez)提出的。其創(chuàng)立的機制設(shè)計理論認為，市場經(jīng)濟中每個理性經(jīng)濟人都會遵從自利的規(guī)則，如果存在一種機制，使每個人實現(xiàn)自利的同時實現(xiàn)集體價值最大化，這一制度安排就是激勵相容。

貫徹激勵相容機制，能夠有效地解決用戶利益與電力公司利益之間的矛盾沖突，使用戶的行為方式、結(jié)果符合電力公司價值最大化的目標，從而實現(xiàn)用戶價值與電力公司價值兩個目標函數(shù)的一致化。但同時這種方法需要對大量的用戶進行調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，實施起來較為困難。

3.4 基于需求側(cè)直接報價的可中斷負荷管理模型

需求側(cè)直接報價其實質(zhì)類似于DSB(Demand Side Bidding)。DSB是DR的一項重要措施，在電力市場環(huán)境下，用戶也可通過IL主動參與市場競爭，并獲得相應的補償。文獻[25]提出了一種經(jīng)典的基于用戶需求側(cè)報價方式的IL優(yōu)化調(diào)度模型。

需求側(cè)直接報價在提高了系統(tǒng)可靠性和備用資源靈活性的同時，還實現(xiàn)了社會效益的最大化。但該模型的使用也存在調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的問題，同基于可避免成本的模型和基于激勵相容的模型一樣，實施起來較為復雜和困難。

通過上述研究可以看出：對可中斷負荷的建模研究還需要緊密結(jié)合電力市場的規(guī)律，進一步提高系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性；相關(guān)模型的討論和研究還需要進一步應用于實際當中，用實際的算例來驗證和論證；通過對IL相關(guān)模型的分析，考慮對用戶數(shù)據(jù)的調(diào)查和統(tǒng)計并建立負荷的完整信息庫是十分必要的。

4 結(jié)合分布式電源的IL研究

分布式電源(Distributed Generation，DG)是指分散在電網(wǎng)中的各種非常規(guī)能源，主要包括風力、光伏、微型燃氣輪機等發(fā)電形式，其發(fā)電容量小的一般是千瓦級，大的可達到兆瓦級[26-27]。美國能源部的《智能電網(wǎng)系統(tǒng)報告》顯示，分布式電源作為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要部分，其發(fā)電投資比重將占整個智能電網(wǎng)投資的20%左右[28]。有關(guān)分布式能源參與的研究主要有兩個方面：分布式能源不存在，首先必須要研究分布式能源的定容與選址；分布式能源已存在，則研究分布式能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的問題。

4.1 分布式能源的定容與選址

分布式能源的定容與選址是一個大規(guī)模多目標優(yōu)化問題，其復雜性在于優(yōu)化過程中子目標之間存在相互制約、相互矛盾。文獻[28]假設(shè)負荷在饋線上的分布存在規(guī)律，討論了分布式電源在單條饋線上的最佳安裝位置，但實際上負荷在饋線上的分布一般不存在規(guī)律。文獻[29]以尋找分布式電源最優(yōu)位置為目標，在系統(tǒng)平均功率損耗最小的前提下研究了分布式電源的安裝位置，但對分布式電源的容量缺乏考慮。文獻[30]對比分析了不同分布式電源的并網(wǎng)價值，從經(jīng)濟性和環(huán)保性方面進行了研究，但沒有分析其固定成本與運行成本。

文獻[31-32]綜合上述研究，根據(jù)新增負荷的總量確定待建的分布式電源總量，以年投資運行費用最小為目標，通過經(jīng)濟可靠運行的各項約束條件建立最優(yōu)規(guī)劃模型，考慮較為全面，對研究分布式能源的定容與選址有指導性意義。

4.2 風電和IL在配電網(wǎng)中的協(xié)調(diào)規(guī)劃

由于應用在風電中的雙饋感應電機調(diào)峰調(diào)頻速度較慢[33]，出現(xiàn)反調(diào)峰的概率比較大，將IL作為調(diào)峰的備用手段加入風電調(diào)峰中是目前市場化的新方向[34]，其優(yōu)點有：減少了發(fā)電側(cè)投資的成本；在引導用戶科學合理用電的同時獲得理想的調(diào)峰效果。因此，研究將IL作為調(diào)峰的備用手段參與風電調(diào)峰，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度就顯得極為重要。

目前，確定性備用是風電規(guī)劃調(diào)度中的主要方法，但這種方法不夠經(jīng)濟科學，對風電功率的物理實質(zhì)反映不清晰。因此，文獻[35]針對此問題建立了機組、線路停運率的場景概率模型，結(jié)合風電出力預測誤差及旋轉(zhuǎn)備用和IL的競價進行仿真，結(jié)論認為隨機備用模型優(yōu)于確定性模型。文獻[36]則主要針對系統(tǒng)實際運行的風險水平，基于風險約束理論，提出了計及大規(guī)模風電和IL的電力系統(tǒng)供需側(cè)聯(lián)合隨機調(diào)度模型。該模型既反映了IL的調(diào)峰潛力，又體現(xiàn)出系統(tǒng)運行的風險水平。

經(jīng)濟性服務于可靠性即使在市場環(huán)境下也是必須遵守的原則。因此，在風電隨機模擬中加入IL進行計算時，要在考慮可靠性效益問題基礎(chǔ)上建立綜合的評估指標體系。文獻[37]就在考慮將IL對系統(tǒng)消納風電正負波動的效用的前提下，建立了風電系統(tǒng)中考慮IL的日前調(diào)度計劃和運行模擬模型。

由于風力發(fā)電的日趨成熟，目前對結(jié)合分布式電源和IL的研究主要集中在風力發(fā)電上。考慮到近幾年我國太陽能光伏發(fā)電的迅猛發(fā)展，可同時考慮風力發(fā)電和光伏發(fā)電對可中斷負荷進行較為深入的研究。

4.3移動式可中斷負荷

移動式可中斷負荷是指利用分布式儲能技術(shù)，接受可再生能源電力的可控負荷。它屬于一類新興的負荷概念，入網(wǎng)的電動汽車(vehicle-to-grid，V2G)可看作一種典型的移動式可中斷負荷。

文獻[38]對電動汽車普及后，電力公司借助V2G技術(shù)調(diào)用電動汽車電能參與系統(tǒng)備用服務的交易模式進行了研究。從可靠性和經(jīng)濟性角度，提出了一種計及V2G備用服務的備用交易新模式，為未來含V2G的備用服務交易模式提供了一種新思路。由于目前電動汽車在我國的發(fā)展尚處于起步階段，所以對這種移動式的可中斷負荷的研究僅僅停留在理論上。

4.4 分布式能源的優(yōu)化規(guī)劃

分布式能源規(guī)劃建模中常用的目標函數(shù)主要有：1)從投資的角度，以配電網(wǎng)和分布式電源投資運行成本最小為優(yōu)化目標；2)從網(wǎng)損的角度，以配電網(wǎng)網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標；3)從可再生能源利用的角度，以接入的分布式能源容量最大為優(yōu)化目標。

文獻[39-41]在不改變已有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上考慮分布式電源的接入，提出了以配電網(wǎng)網(wǎng)損最小為目標函數(shù)的分布式電源規(guī)劃模型，并分別采用不同的優(yōu)化算法進行求解。文獻[42]綜合考慮分布式電源的投資總費用、網(wǎng)絡損耗及分布式電源有功功率最大等因素，在分布式電源單個容量、個數(shù)、位置不確定的情況下，將多目標歸一化，采用加權(quán)方法得到最終優(yōu)化結(jié)果。

廣義概念上講，分布式能源相當于從用戶側(cè)接入系統(tǒng)的電源，IL作為另一種用戶側(cè)電源形式與其聯(lián)合應用，能夠更有效地實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。配電網(wǎng)中同時含有分布式電源和IL，通常將IL視為多目標優(yōu)化中的一個目標進行整體優(yōu)化。文獻[43]建立了配電網(wǎng)模式下能量最優(yōu)模型，從分布式電源和IL電源選擇性獲取能量，尋找最優(yōu)的市場結(jié)構(gòu)。當節(jié)點電價高于設(shè)定閾值時啟動IL，IL和發(fā)電公司共同參與日常市場競價，確定節(jié)點電價信息，配電公司則根據(jù)利潤最大化安排分布式能源以獲得能量最優(yōu)。文獻[44]針對電力用戶停電意愿不盡相同，將IL視為離散的隨機變量，建立了分布式發(fā)電與不完全信息可中斷負荷的選擇性配電網(wǎng)能量獲取模型，同時又綜合考慮發(fā)電公司的競價行為，提出相應的電力市場模型。兩者在綜合考慮發(fā)電側(cè)競價和電力市場的前提下對各自模型進行了驗證。

5 結(jié) 語

可中斷負荷(IL)是電力需求側(cè)管理(DSM)的重要組成部分。IL實施可實現(xiàn)需求響應，緩解電力短缺，節(jié)約綜合資源，保障電網(wǎng)安全。簡要介紹了IL的產(chǎn)生背景及意義、IL在國內(nèi)外的實施情況，從IL的成本效益的價值分析、IL合同、IL的應用3個方面分析了IL的主要研究內(nèi)容。在總結(jié)國內(nèi)外研究與實踐的基礎(chǔ)上從IL建模的研究和IL結(jié)合分布式電源2個方面，分析了有關(guān)IL的研究現(xiàn)狀。綜上可得以下結(jié)論：

1)將需求側(cè)管理的理念引入配電網(wǎng)規(guī)劃，把不同互動意愿的可中斷負荷作為調(diào)峰的備用手段，以減少發(fā)電側(cè)投資成本，引導用戶科學合理用電，這是當今綜合資源規(guī)劃在電力系統(tǒng)應用即負荷管理的一項重要研究課題。

2)可中斷負荷在研究內(nèi)容和應用上形成了一定的方向。國外許多國家開展了可中斷負荷項目研究和實踐，取得了一定理論成果和應用效益。我國科研人員已經(jīng)啟動該類項目研究，部分省市電力部門已在嘗試推行與可中斷負荷相關(guān)的運行管理方案。

3)以提高系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性為目的可中斷負荷配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型尚不成熟。所建立的考慮電源建設(shè)和運行成本、網(wǎng)絡損耗成本、中斷負荷補償成本、供電可靠性等因素的多目標優(yōu)化模型各有局限性。對可中斷負荷模型的討論和研究多停留在理論上和機制上，還需要進一步用實際的算例來驗證。

4)建立IL相關(guān)模型直接依賴于對負荷信息的分析，通過用戶的調(diào)查和統(tǒng)計建立完整的負荷數(shù)據(jù)信息庫是十分必要的。

5)在大力發(fā)展新能源的背景下，分布式電源接入配電網(wǎng)是新能源方向主流的研究內(nèi)容。在充分考慮電力市場重要性的前提下，將可中斷負荷與分布式電源等需求側(cè)資源聯(lián)合進行配電網(wǎng)優(yōu)化，實現(xiàn)需求側(cè)與供應側(cè)的綜合資源優(yōu)化，具有重要的現(xiàn)實意義，但有關(guān)研究尚不成熟。

6)可中斷負荷研究與電網(wǎng)運行經(jīng)濟性密切相關(guān)，有必要借助經(jīng)濟、風險、金融等理論拓展IL的研究方法，以期獲得更有效的可中斷負荷管理方案。

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(責任編輯 佟金鍇 校對 張 凱)

Research Summary on Interruptible Load

WANG Xiao-wena,MAO Yu-jieb

(a.School of Renewable Energy; b.School of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Interruptible Load (IL) is an important measure of load management in Demand Side Management (DSM).This paper comprehensively describes the background and significance of IL,the implementation of IL in the domestic and overseas,the current research progress in main content and application of IL and modeling research of IL.Combining with distributed generation,this paper also expounds the new research direction of interruptible load.Finally it proposes the next research focus combining with the development of interruptible load situation in China.

Interruptible Load(IL);Demand Side Management(DSM);Distributed generation(DG)

2015-04-12

王曉文(1966-)，女，遼寧錦州人，教授，碩士生導師，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.001

TM744

A

1673-1603(2015)03-0193-06