劉梅招，羅慧，陳星鶯，余昆，3，寧藝飛

（1．國家電網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇江蘇南京 210029；2．河海大學(xué)，江蘇南京 211100；3.南京河?？萍加邢薰?，江蘇南京 210098）

考慮需求側(cè)響應(yīng)的配電變壓器效益潛力評估

劉梅招1，羅慧1，陳星鶯2，余昆2，3，寧藝飛2

（1．國家電網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇江蘇南京 210029；2．河海大學(xué)，江蘇南京 211100；3.南京河?？萍加邢薰?，江蘇南京 210098）

采用核心平滑密度估計得到電量總體密度曲線，分析了配電變壓器的尖峰特性，并進(jìn)一步建立配電變壓器全壽命周期成本模型，分析了需求側(cè)響應(yīng)下配電變壓器尖峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移與投入資金的關(guān)系，從而建立考慮需求側(cè)響應(yīng)的配電變壓器效益潛力評估模型，并進(jìn)行了算例仿真，仿真結(jié)果表明，在需求側(cè)響應(yīng)下，配電變壓器效益具有較大的潛力。

需求側(cè)響應(yīng)、配電變壓器、全壽命周期成本、消費者心理學(xué)

國家2015年出臺的新文件中明確指出，要完善電力監(jiān)管組織體系，創(chuàng)新監(jiān)管措施和手段，有效開展電力交易、調(diào)度、供電服務(wù)和安全監(jiān)管，加強電網(wǎng)公平接入、電網(wǎng)投資行為、成本及投資運行效率監(jiān)管，切實保障新能源并網(wǎng)接入，促進(jìn)節(jié)能減排，保障居民供電和電網(wǎng)安全可靠運行[1]。電力企業(yè)愈發(fā)依賴于生產(chǎn)傳輸設(shè)備的經(jīng)濟效益[2]，為配合國家電力體制改革的切實需求，為主動配電網(wǎng)的建設(shè)提供經(jīng)濟效益基礎(chǔ)理論，在江蘇省電力公司出臺尖峰電價政策的同時，研究尖峰電價對效益的影響，從而為電力公司需求側(cè)管理及配電網(wǎng)投資提供參考。

國內(nèi)外在配電網(wǎng)效益和需求側(cè)響應(yīng)的關(guān)系方面研究較少，具有典型代表的是文獻(xiàn)[3]，采用數(shù)據(jù)包絡(luò)的方式對配電網(wǎng)效益進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[4]從配電網(wǎng)投資的角度，分析了配電網(wǎng)運行之中遇到的問題，比較全面地介紹了配電網(wǎng)效益優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[5]從需求側(cè)管理的角度出發(fā)，研究了配電網(wǎng)運行效益的整體優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[6]從配電網(wǎng)規(guī)劃角度出發(fā)，為提高配電網(wǎng)整體運行效益提供了優(yōu)化方案。以上研究對需求側(cè)響應(yīng)方面的考慮不足，難以適應(yīng)。

文章采用核心平滑密度估計得到電量總體密度曲線，分析了配電變壓器的尖峰特性，并進(jìn)一步建立配電變壓器全壽命周期成本模型，分析了需求側(cè)響應(yīng)下配電變壓器尖峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移與投入資金的關(guān)系，從而建立考慮需求側(cè)響應(yīng)的配電變壓器效益潛力評估模型，基于實際算例數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計算，從而為供電公司革新投資策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 配變運行負(fù)荷特性分析

選取某區(qū)域9 000多臺配變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，配變負(fù)荷數(shù)據(jù)明顯呈現(xiàn)高峰時間少、低谷時間多的特點，由于新建小區(qū)多、小區(qū)入住率低的特點，配變年負(fù)荷率大多低于7%，運行效率低下。選取一臺典型配變，以年負(fù)荷最大值為標(biāo)準(zhǔn)，對年負(fù)荷曲線進(jìn)行歸一化處理，得到典型配變的年負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 配變樣本數(shù)據(jù)Fig.1 Sam ple data of the distribution transformer

利用核密度平滑函數(shù)計算該典型配變負(fù)荷概率密度分布，其概率密度分布如圖2所示。

圖2 典型配變負(fù)荷概率密度分布曲線Fig.2 Distribution transformer load curve

從圖2可以看出，負(fù)荷值為最大負(fù)荷的10%到40%之間占整體負(fù)荷值的75.28%；負(fù)荷值為最大負(fù)荷的80%到100%之間占整體負(fù)荷值的2%。由此可以得出，配電變壓器負(fù)荷尖峰特性顯著，運行效率低下，尖峰負(fù)荷值占比較少，具有通過削減尖峰負(fù)荷提高效益的潛力。

2 配電變壓器全壽命周期成本與負(fù)荷尖峰特性關(guān)系分析

為評估配電變壓器效益提升潛力，首先要建立配電變壓器投資運行成本與負(fù)荷尖峰特性的關(guān)聯(lián)模型。負(fù)荷尖峰值不僅與配變投資初始成本有關(guān)，也與配變運行成本有關(guān)，利用全壽命周期成本模型建立配電變壓器成本與負(fù)荷尖峰特性的關(guān)系模型如下。

2.1 配電變壓器全壽命周期成本模型

對于配電變壓器，全壽命周期成本可以表示為

式中：LCC為配變的全壽命周期成本；IC為初始投資成本；OC表示運行成本；DC表示報廢成本。

容量與投資成本關(guān)系如下[8]：

式中：IC為變壓器總的一次投資成本；Ct為單位占地費用；A為占地面積；Co為配電變壓器單位購置成本；SN為單臺變壓器額定容量。

[9]可以得出配電變壓器年運行電能損耗表達(dá)式為

式中：P0為鐵損；Pk為銅損；Qk為短路無功損耗；Q0為空載無功損耗；β為變壓器最大負(fù)載率；Kq為無功經(jīng)濟當(dāng)量；Ta為配電變壓器全年運行小時數(shù)；τ為配電變壓器最大負(fù)荷損耗小時數(shù)。

配電變壓器運行成本表示為

式中：Cg為單位電能損耗電價；MC為變壓器維護檢修成本，只與變壓器臺數(shù)有關(guān)。

變壓器報廢成本表示為

式中：η為折價率，結(jié)合公式（1）到公式（5）配電變壓器全壽命周期成本可以表示為

2.2 配電變壓器全壽命周期成本與負(fù)荷尖峰特性關(guān)系模型

分析配變特性可知，江蘇配電網(wǎng)功率因素常年在0.96以上，所以在計算損耗時不考慮無功，并將與容量不相關(guān)的因素等效成一個常數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]可以得知，式（6）可以簡化為

其中：

按照供電公司選取配電變壓器的規(guī)則，配電變壓器最高負(fù)荷乘以系數(shù)作為選取配電變壓器容量依據(jù)，所以假設(shè)某地區(qū)年負(fù)荷增長率為γ，則該配變應(yīng)選取的容量為

該配電變壓器所需成本與負(fù)荷尖峰的關(guān)系可以由式（7）和式（9）得出，如果尖峰負(fù)荷從Pmax削減到P′max，則從全壽命周期成本來看，該配電變壓器節(jié)約全壽命周期成本為

式（9）和式（10）闡述了全壽命周期成本與負(fù)荷尖峰值的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用該式可以得到尖峰負(fù)荷下降后節(jié)約變壓器的成本資金。

3 考慮需求側(cè)響應(yīng)的配電變壓器效益潛力評估

第2節(jié)評估了配電變壓器尖峰負(fù)荷值下降與配電變壓器投資運行資金節(jié)約量的關(guān)系，然而，削減配電變壓器尖峰負(fù)荷值同時需要投入一定的資金，本文利用消費者心理學(xué)模型建立需求響應(yīng)下配電變壓器尖峰削減同投入資金的關(guān)系。

當(dāng)提高過后的電價與原電價沒有多大區(qū)別時，居民不改變用電方式也能承受實施電價政策前后電費的變化，此時居民往往會圖方便或舒適而不改變用電方式。當(dāng)居民電價提高到居民用戶無法承受，居民會不得不將一些家用電器避峰運行或直接改用節(jié)能電器來降低用電量。而某些用電是必須的，無論如何改變電價，用戶也不可能改變此部分的用電量。銷售電價對居民用戶的刺激同樣有一個最小可覺差，當(dāng)銷售電價小于該最小可覺差時，居民用戶基本上無反應(yīng)；而當(dāng)銷售電價大于一個上限值時，居民用戶將不再有更多的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，響應(yīng)能力趨近飽和。居民用戶對電價的反應(yīng)可以用負(fù)荷轉(zhuǎn)移率來描述，其示意圖如圖3所示。

式中：g、d分別為高電價和低電價，Δgd=g－d；agd、bgd分別為用戶對電價差在死區(qū)與線性區(qū)的上限值；Kgd為線性區(qū)斜率。

圖3 負(fù)荷轉(zhuǎn)移率Fig.3 Load transfer rate

假設(shè)對用戶采取純補貼政策，利用資金補貼用戶自身削減的尖峰負(fù)荷，則用戶響應(yīng)后最大負(fù)荷與用戶響應(yīng)前最大負(fù)荷應(yīng)該滿足關(guān)系式：

式中：P′max為用戶響應(yīng)后最大負(fù)荷；Pmax為用戶響應(yīng)前最大負(fù)荷，結(jié)合式（11）可以得到：

投入削減高峰的總成本為

式中：P1（t）為用戶響應(yīng)前負(fù)荷曲線；P2（t）為用戶響應(yīng)后的負(fù)荷曲線；t0為需求響應(yīng)執(zhí)行開始時刻；t1為需求響應(yīng)執(zhí)行結(jié)束；Δgd為調(diào)整單位負(fù)荷所需的成本。投入資金與負(fù)荷削減的關(guān)系見圖4。

圖4 投入資金與負(fù)荷削減的關(guān)系Fig.4 Relationship between investment and load shedding

結(jié)合式（10）、式（13）和式（14），令配電網(wǎng)效益最大，則

4 算例分析

依據(jù)蘇價工[2007]208號文件，規(guī)定大工業(yè)用戶的電價如表1所示。

表1 江蘇省大工業(yè)用戶電價Tab.1 Table of larger industrial electricity users in Jiangsu province 元

本文設(shè)式（9）中參數(shù)r=0.04，式（13）中agd=0.05，bgd=3，Kgd=10，式（10）參數(shù)參考文獻(xiàn)[8]。

4.1 單體配變效益潛力評估

采用精細(xì)化管理，依據(jù)文獻(xiàn)中尖峰電價的響應(yīng)體系，經(jīng)假設(shè)某臺區(qū)對用戶進(jìn)行高峰負(fù)荷削減補貼，負(fù)荷轉(zhuǎn)移率符合消費者心理學(xué)原理，設(shè)最多30%的負(fù)荷參與響應(yīng)，可建立圖5所示的投入-削峰響應(yīng)關(guān)系。

圖5 配變投入資金與效益的關(guān)系Fig.5 Relationship between investment and benefits for distribution transformers

當(dāng)削峰幅度達(dá)到13.8%的時候，供電公司收益最大，達(dá)到1 861元，此時變壓器運行效率從原來的0.370 0提高到0.418 2，此時給予的補貼為2.22元/kW·h。參考美國補貼價格[12]，為高峰時段平均價格，為平時價格的4～6倍，所以該補貼在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。

計算結(jié)果表明，本次總投入成本538.62元，獲得效益資金853.38元。

4.2 10 kV饋線效益潛力評估

選取江蘇某市某片區(qū)的1條饋線上的九臺配電變壓器進(jìn)行分析，計算結(jié)果表明，其中7臺參加需求響應(yīng)可以產(chǎn)生響應(yīng)效益，對配變進(jìn)行分析加權(quán)，如表2所示。

表2 饋線配變效益比Tab.2 Feeder benefit ratio

從上表可以看出，配變平均削峰2.67%，投入資金3424元，獲得效益資金共2 960元。

4.3 110 kV主變及片區(qū)效益潛力評估

選取泰州市黃橋分區(qū)D東進(jìn)變兩臺主變進(jìn)行分析，從主變的角度看，效益與負(fù)荷削峰模型如下：

圖6展示了主變1投入資金與效益的關(guān)系，經(jīng)過計算，共節(jié)約成本5.21萬元，投入削峰資金0.79萬元，配變效率值從0.541 3提升到0.569 6。削減高峰6.5%。

圖6 主變1投入資金與效益的關(guān)系Fig.6 Relationship between investment and benefits for transformers

在評估主變的基礎(chǔ)上，對該片區(qū)進(jìn)行全區(qū)效益評估，該片區(qū)具有7條饋線、210臺配變，對其全年典型日的3385482個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用并行計算的方式，對該區(qū)域進(jìn)行評價，如表3所示。

表3 片區(qū)饋線效益比Tab.3 Area Feeder benefit ratio

算例表明，該片區(qū)有180臺配變可以參與削峰，投入資金13.92萬元，獲得效益資金共14.06萬元。綜上所述，同時考慮主變與配變的影響，該片區(qū)一共可以獲得效益19.13萬元。

5 結(jié)論

采用核心平滑密度估計得到電量總體密度曲線，分析了配電變壓器的尖峰特性，并進(jìn)一步建立配電變壓器全壽命周期成本模型，分析了需求側(cè)響應(yīng)下配電變壓器尖峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移與投入資金的關(guān)系，從而建立考慮需求側(cè)響應(yīng)的配電變壓器效益潛力評估模型。利用江蘇省某市某片區(qū)的配網(wǎng)負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，計算結(jié)果表明，負(fù)荷尖峰的存在加大了電網(wǎng)設(shè)備的投資成本，對于配變來說，配變?nèi)珘勖芷诔杀九c容量直接相關(guān)，而配變?nèi)萘縿t是由負(fù)荷尖峰確定而來的，所以，在需求側(cè)響應(yīng)作用下，配電變壓器效益具有較大的潛力可以挖掘。該結(jié)論可以為新電改下電力公司、擁有配電網(wǎng)的售電公司制定新的投資策略提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]中共中央國務(wù)院.關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見.

[2]劉紀(jì)鵬，劉作瓊.國企“混改”背景下的電力體制改革[J].中國電力企業(yè)管理，2015（3）:15-17. LIU Jipeng，LIU Zuoqiong.Electric power system reform under the background of the reform of state owned enterprises[J].China Electric Power Enterprise Management，2015（3）：15-17（in Chinese）.

[3] 梁立松.基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的配電網(wǎng)效率評估研究[D].河北：華北電力大學(xué)，2010.

[4]闕之玫.中心城區(qū)典型區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[5] 趙波.基于需求側(cè)管理的配電網(wǎng)運行效率優(yōu)化研究[D].南京：東南大學(xué)，2013.

[6]肖峻，張婷，張躍，等.基于最大供電能力的配電網(wǎng)規(guī)劃理念與方法[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（10）: 106-113. XIAO Jun，ZHANG Ting，ZHANG Yue，etal.TSC-based planning idea and method for distribution networks[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33（10）：106-113（in Chinese）.

[7]WANG Y，WU F，GIESY J P，et al.Non-parametric kernel density estimation of species sensitivity distributions in developing water quality criteria ofmetals[J].Environmental Science and Pollution Research，2015:1-10.

[8]張步涵.基于樹狀網(wǎng)潮流的配電網(wǎng)電能損耗計算[J].華中理工大學(xué)學(xué)報，2000，28（2）:58-60. ZHANG Buhan.Lz kewen sha lzhua huosheng a computation method for electric energy losses based on radial distribution network load flow[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology，2000，28（2）：58-60（in Chinese）.

[9]趙淵，沈智健，周念成，等.基于序貫仿真和非參數(shù)核密度估計的大電網(wǎng)可靠性評估[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（6）:14-19. ZHAO Yuan，SHEN Zhijian，ZHOU Niancheng，et al. Reliability assessment of bulk power systems utilizing sequential simulation and nonparametric kernel density estimation[J].automation of Electric Power Systems，2008，32（6）：14-19（in Chinese）.

[10]王小波.計及可靠性的配電網(wǎng)全壽命周期成本模型及應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[11]羅運虎，邢麗冬，王勤，等.峰谷分時電價用戶響應(yīng)建模與定價決策綜述[J].華東電力，2008（6）:24-27. LUO Yunhu，XING Lidong，WANG Qin，et al.A review of the modeling and pricing decision of peak valley electricity price[J].East China Electric Power，2008（6）：24-27（in Chinese）.

[12]王蓓蓓.面向智能電網(wǎng)的用戶需求響應(yīng)特性和能力研究綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34（22）:3654-3663. WANG Beibei.Research on consumers’response characterics and ability under smart grid：a literatures survey[J]. Proceedings of the CSEE，2014，34（22）：3654-3663（in Chinese）.

Evaluation of Benefit Potential for Distribution Transformers Considering Demand Response

LIUMeizhao1，LUO Hui1，CHEN Xingying2，YU Kun2，3，NING Yifei2
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210029，Jiangsu，China；2.HohaiUniversity，Nanjing 211100，Jiangsu，China；3.Nanjing Hehai Science and Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

In this paper，the kernel smoothed density is used to obtain the total power consumption density curve，and the peak characteristics of the distribution transformer are analyzed.Furthermore，the distribution transformer life cycle cost model is established，and the relationship between the distribution transformer peak load transfer and investment under the demandside response is explored so as to establish the evaluation model for potential benefits of distribution transformers considering the demand response and thus the corresponding numerical simulation is conducted.The simulation example shows that under the demand-side response，the distribution transformer has great potential.

demand side response；distribution transformer；life cycle cost；consumer psychology

2014-03-01。

劉梅招（1983—），女，博士，高級工程師，研究方向為電力市場、電力技術(shù)經(jīng)濟分析；

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電綜合管理與能效提升技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（國家發(fā)改委物聯(lián)網(wǎng)專項）（發(fā)改辦高技〔2012〕2766）；配電網(wǎng)運營過程績效在線分析模型的研究與應(yīng)用（江蘇省電力公司咨詢項目）（SGTYHT/14-WT-214）。

Project Supported by the National Development and Reform Commission IOT Special Project（IOT-based Intelligent Integrated Power Management and Energy Efficiency Technology Research and Iindustrialization）〔2012〕2766）；Consulting Project of State Grid Jiangsu Electric Power Company（Research and Application of the Online Analysis Model for Operation Performance of Distribution Networks）（SGTYHT/14-WT-214）.

1674-3814（2017）02-0088-05

TM73

A

羅 慧（1979—），女，碩士，高級會計師，主要研究方向為企業(yè)經(jīng)營管理；

余 昆（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向為配用電規(guī)劃與評估、智能配電網(wǎng)運行分析、配電網(wǎng)智能調(diào)度與控制。