祁鑫，劉一峰，張德亮

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏銀川750001；2.北京清大科越股份有限公司，北京100084）

基于可中斷負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法

祁鑫1，劉一峰1，張德亮2

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏銀川750001；2.北京清大科越股份有限公司，北京100084）

針對電力系統(tǒng)時常發(fā)生輸電斷面阻塞的問題，深入分析了多個地區(qū)的可中斷負(fù)荷合同，從控制時段、控制負(fù)荷等方面提煉了可中斷負(fù)荷的控制要求，以此為基礎(chǔ)，考慮可中斷負(fù)荷響應(yīng)后最優(yōu)購電策略，提出了基于可中斷負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。仿真結(jié)果表明：該方法有效地提高了電力系統(tǒng)的可靠性，降低了用戶的用電成本。

電力市場；可中斷負(fù)荷；經(jīng)濟(jì)調(diào)度；需求側(cè)響應(yīng)

近年來，隨著用電量的逐步增大以及電源和負(fù)荷的分布不均等問題，輸電斷面阻塞情況時常發(fā)生，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題越來越突出。在電力市場環(huán)境下，如何行之有效地進(jìn)行輸電斷面阻塞經(jīng)濟(jì)調(diào)度的管理，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行成為廣大學(xué)者廣泛關(guān)注的問題。

1 研究現(xiàn)狀及需要解決的問題

當(dāng)輸電斷面發(fā)生阻塞時，僅通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的出力來消除輸電阻塞不是經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方式?？芍袛嘭?fù)荷是電力市場中需求側(cè)響應(yīng)的一種常見形式，其內(nèi)涵是電力公司和用戶簽訂合約，當(dāng)出現(xiàn)斷面阻塞或供電緊張等特殊狀況時，電力公司可按照合約對簽署了可中斷負(fù)荷的用戶進(jìn)行負(fù)荷控制［1-2］。究其本質(zhì)，可中斷負(fù)荷是一種特殊形式的負(fù)荷側(cè)備用，與當(dāng)前我國所采用的負(fù)荷側(cè)備用管理模式相比，電力公司須和用戶簽署合約，按照規(guī)定的條件實施管理，用戶能從中獲得收益，符合市場化改革的需求，在國外電力市場中得到了廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)［3］研究了電力市場和市場過渡階段的可中斷負(fù)荷管理模型，重點(diǎn)分析了可中斷負(fù)荷的成本和效益。文獻(xiàn)［4］提出了可中斷負(fù)荷參與備用市場的帕累托改進(jìn)模型，該模型下通過合理核定發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)備用預(yù)留的成本，給出了全社會備用預(yù)留成本最低的情況下可中斷負(fù)荷參與備用市場定價策略。文獻(xiàn)［5］提出了分布式電源大規(guī)模接入后市場信息不完全情況下的可中斷負(fù)荷選擇模式，從而為調(diào)度運(yùn)行中選擇最優(yōu)的可中斷負(fù)荷提供依據(jù)。文獻(xiàn)［6-7］研究了風(fēng)電等清潔能源與可中斷負(fù)荷互動的實施模型。文獻(xiàn)［8］提出了考慮可中斷負(fù)荷響應(yīng)的備用配置方法。由于可中斷負(fù)荷的執(zhí)行基礎(chǔ)是電力公司與用戶所簽署的合同，因此當(dāng)將其納入調(diào)度運(yùn)行中時，必須首先分析其合同特征。然而目前的研究尚沒有通過對當(dāng)前可中斷負(fù)荷的合同深入分析，提供其控制要點(diǎn)的相關(guān)研究成果。

在國內(nèi)電力系統(tǒng)中，對于輸電斷面阻塞問題，傳統(tǒng)管制辦法是：電網(wǎng)調(diào)度員通過強(qiáng)制無補(bǔ)償?shù)刂袛嗄承┯脩舻墓╇妬肀ＷC電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行［9］，給被中斷的電力用戶帶來了經(jīng)濟(jì)損失。而對于電網(wǎng)方面，僅僅依靠發(fā)電側(cè)為電網(wǎng)提供備用容量，缺乏市場競爭機(jī)制，增加了系統(tǒng)用電成本，不但不經(jīng)濟(jì)，而且電網(wǎng)安全運(yùn)行也存在隱患。在電力市場中，將電力用戶納入到電網(wǎng)的調(diào)度管理中，為其提供一種可選擇、可補(bǔ)償?shù)挠秒姺椒▌菰诒匦校壳拔覈目芍袛嘭?fù)荷方案及補(bǔ)償辦法均處于試點(diǎn)，由于地域差異未形成統(tǒng)一。

本文通過分析可中斷負(fù)荷的典型合同，以可中斷負(fù)荷對電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及電力用戶的經(jīng)濟(jì)效益為主要研究目標(biāo)，構(gòu)建考慮可中斷負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，以期實現(xiàn)線路潮流的優(yōu)化，減少線路阻塞，解決系統(tǒng)備用容量不足、用戶負(fù)荷受限問題。

2 可中斷負(fù)荷經(jīng)濟(jì)調(diào)度的建模及算例分析

由于目前中國電力市場仍處于不斷深化改革階段，國家電網(wǎng)公司通常很難獲得真實合理的用戶信息，從而會影響優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的有效性［10］。而美國電力市場在世界范圍內(nèi)開放程度較高，同時不同地區(qū)間市場規(guī)則差異較大。在可中斷負(fù)荷方面美國走在世界前列，本文以美國主要電力市場可中斷負(fù)荷合同為對象［11-12］，基于其對比分析進(jìn)行建模，結(jié)合國內(nèi)電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制的需求，將其歸納為形式統(tǒng)一的運(yùn)行控制約束。

2.1 可中斷負(fù)荷合同的對比分析及建模

通過對文獻(xiàn)［13］所介紹的可中斷負(fù)荷合同進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)可中斷負(fù)荷合同規(guī)定內(nèi)容存在差異，其對比分析如表1所示。整體而言不同地區(qū)可中斷負(fù)荷合同在控制實施前提均是一致的，即只有當(dāng)發(fā)電側(cè)備用不足或發(fā)生阻塞時才能啟動可中斷負(fù)荷，一般而言為保證對用戶的用電影響盡量小，全天中中斷次數(shù)不能超過1次。而在持續(xù)時間、控制時段范圍、控制負(fù)荷量和補(bǔ)償方式等方面，上述各州均做出了不同規(guī)定。

表1 可中斷負(fù)荷對比分析

從調(diào)度運(yùn)行控制角度來說，可中斷負(fù)荷的運(yùn)行特性可描述如下：

NT—全天劃分的時段數(shù)。

該模型約束項建立后，實際上可涵蓋上述介紹的3個州的可中斷負(fù)荷，模型中固定輸入?yún)?shù)與合同的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。當(dāng)控制負(fù)荷量無要求時，可視其控制量可以為其預(yù)測值。

表2 輸入?yún)?shù)對應(yīng)關(guān)系

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)阻塞管理最小化全網(wǎng)購電費(fèi)的目標(biāo)函數(shù)來分析可中斷負(fù)荷合同模型，使電力用戶創(chuàng)造的社會凈價值最多［14］，這種模式即是電力市場下阻塞管理的最優(yōu)模式，因此可中斷負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)購電費(fèi)用最低［15］。該目標(biāo)可表示為：

NG—全網(wǎng)發(fā)電廠數(shù)量，為全網(wǎng)發(fā)電廠的購電費(fèi)用。—調(diào)用可中斷負(fù)荷所引起的費(fèi)用變化量，需要針對不同的合同形式，同時考慮由于調(diào)用可中斷負(fù)荷所引起的售電收益降低和調(diào)用可中斷負(fù)荷后所需要支付的成本開支。可以有不同的形式表達(dá)，根據(jù)可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償合約［16］，可表示為

2.3 約束條件

在約束項上，主要包括2個方面的約束。第一個方面為電力系統(tǒng)運(yùn)行約束，第二個方面為可中斷負(fù)荷運(yùn)行特性約束。

2.3.1 電力系統(tǒng)運(yùn)行約束

電力系統(tǒng)運(yùn)行約束特指系統(tǒng)運(yùn)行中所必須考慮的基本約束項［17］，包括網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)功率平衡約束，線路允許潮流約束，常規(guī)機(jī)組的出力范圍約束、爬坡約束等［18-19］。

系統(tǒng)運(yùn)行約束可表示為

eT—單位向量；

T—節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移分布因子組成的矩陣；

上述約束式中4個約束項分別對應(yīng)節(jié)點(diǎn)功率平衡約束，線路潮流約束，常規(guī)機(jī)組的出力范圍約束、爬坡約束。

2.3.2 可中斷負(fù)荷運(yùn)行特性約束

可中斷負(fù)荷運(yùn)行特性約束則由其合同規(guī)定，江蘇省開展的《可中斷負(fù)荷方案》應(yīng)用于高耗能鋼鐵企業(yè)，河北省施行的《可中斷負(fù)荷補(bǔ)償辦法》應(yīng)用于20 MW以上的企業(yè)［20］，因各地區(qū)方法均有差異，結(jié)合本文分析的幾個典型合同，通用的建模約束可表示為如式（1）所示的形式。

2.4 求解算法

上述模型中由于考慮了可中斷負(fù)荷的運(yùn)行特性約束項，使得整個模型實際上包含了0-1混合整數(shù)變量和二次約束項。因此上述模型為含混合整數(shù)的二次規(guī)劃問題。

2.5 算例分析

本文將基于IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造算例，驗證所提出方法的有效性。IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

在該模型的節(jié)點(diǎn)25處增加一可中斷負(fù)荷，該可中斷負(fù)荷的合同規(guī)定如下：

（1）控制實施前提。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電側(cè)備用不足或發(fā)生阻塞時，電力公司提前2 h告知用戶。

（2）中斷持續(xù)時間及次數(shù)。電力公司一天中最多調(diào)用可中斷負(fù)荷1次，且持續(xù)時間不能超過5 h。

（3）控制負(fù)荷量。該可中斷負(fù)荷可進(jìn)行全負(fù)荷響應(yīng)。

（4）補(bǔ)償條件。參與可中斷負(fù)荷項目的用戶能夠獲得較低的電價。

該算例中其他相關(guān)參數(shù)包括機(jī)組、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷、線路傳輸容量參見文獻(xiàn)［21］。

為了驗證本文所提出方法的有效性，構(gòu)造如下3個場景。

（1）系統(tǒng)全接線運(yùn)行。

該場景下，經(jīng)優(yōu)化分析，全天不需要進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)。

（2）設(shè)置線路27-28檢修。

該場景下節(jié)點(diǎn)25、26、27、29、30的負(fù)荷均由線路24-25供電。在高峰時段，該區(qū)域負(fù)荷需求超過了該線路的供電能力。

這種情況下可中斷負(fù)荷響應(yīng)，切除了35 MW的負(fù)荷，保證了電網(wǎng)運(yùn)行在其安全范圍內(nèi)，線路24-25的潮流不超過其額定容量。

（3）將所有機(jī)組的可調(diào)容量減少為原容量的70%。

此種情況下，系統(tǒng)將出現(xiàn)高峰時段備用不足的問題，為此，可中斷負(fù)荷可作為系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)備用，降低了負(fù)荷側(cè)備用的需求量。

3 效果評價

（1）可中斷負(fù)荷的調(diào)度方法相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的備用容量，根據(jù)系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額時，電網(wǎng)公司既可以在發(fā)電側(cè)購買機(jī)組備用容量，也可以在需求側(cè)購買可中斷負(fù)荷，均可以作為系統(tǒng)的備用容量。減少備用機(jī)組的啟停和運(yùn)行費(fèi)用，增加了電力公司的經(jīng)濟(jì)效益，同時減少了線路阻塞，提高了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

（2）可中斷負(fù)荷的調(diào)節(jié)手段有效地降低了發(fā)電機(jī)組的市場競爭力，減少了系統(tǒng)購電費(fèi)用；用戶錯避峰用電也降低了平均電價，從而使用戶的用電成本得到了降低；使參與中斷負(fù)荷的用戶得到合理的補(bǔ)償，降低電力不足造成的經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)有效緩解用電高峰期系統(tǒng)的壓力，減少了國網(wǎng)公司阻塞管理的成本，增加了用戶側(cè)的需求彈性和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）通過IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造算例，驗證了方法的有效性。一是給系統(tǒng)增加備用容量，提高電力系統(tǒng)的可靠性及供電充裕性，為調(diào)度潮流控制提供了一種新方法；二是降低了電力市場中的價格尖峰，降低了平均電價、減少了價格波動，增強(qiáng)電力市場的經(jīng)濟(jì)效益，使電力用戶創(chuàng)造的社會凈價值顯著攀升。

4 結(jié)論

（1）本文提出的考慮可中斷負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，將電力需求側(cè)管理的應(yīng)用拓展到了電網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域，為電力市場條件下的需求側(cè)管理提供了一種新思路。系統(tǒng)備用容量與可中斷負(fù)荷管理相結(jié)合，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；可以引導(dǎo)用戶科學(xué)、合理用電，提升用戶的用電水平，可以有效緩解輸電斷面阻塞的壓力，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，體現(xiàn)電力市場環(huán)境下電力體制的進(jìn)步。

（2）本文是從市場的基本情況及電力系統(tǒng)軟件中進(jìn)行模擬分析，模型設(shè)計相對簡單。而針對目前中國實際的電力系統(tǒng)，需結(jié)合地方實際情況進(jìn)行建模、仿真，根據(jù)用戶側(cè)的需求和省電力公司的電網(wǎng)運(yùn)行可靠性制定合同，逐步推進(jìn)中國電力需求側(cè)市場的開放。

［1］王建學(xué),王錫凡,王秀麗，等.電力市場可中斷負(fù)荷合同模型研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2005,25(9)∶11-16.

［2］薛禹勝,羅運(yùn)虎,李碧君，等.關(guān)于可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用的評述[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(10)∶1-6.

［3］王建學(xué),王錫凡,張顯，等.電力市場和過渡期電力系統(tǒng)可中斷負(fù)荷管理(一)—可中斷負(fù)荷成本效益分析[J].電力自動化設(shè)備,2004,24(5)∶15-19.

［4］葛炬,張粒子.可中斷負(fù)荷參與的備用市場帕累托優(yōu)化模型[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(9)∶34-37.

［5］楊彥,陳皓勇,張堯，等.計及分布式發(fā)電和不完全信息可中斷負(fù)荷選擇的電力市場模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2011,31(28)∶15-24.

［6］向月,劉俊勇,魏震波，等.可再生能源接入下新型可中斷負(fù)荷發(fā)展研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(5)∶148-155.

［7］王蓓蓓,劉小聰,李揚(yáng)，等.面向大容量風(fēng)電接入考慮用戶側(cè)互動的系統(tǒng)日前調(diào)度和運(yùn)行模擬研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,10(22)∶35-44.

［8］王蓓蓓,李義榮,李揚(yáng)，等.考慮響應(yīng)不確定性的可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用配置的協(xié)調(diào)優(yōu)化[J].電力自動化設(shè)備,2015,35(11)∶82-89.

［9］孔祥清，雷霞，劉慶偉，柏小麗，等.可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用研究綜述[J].四川電力技術(shù),2012,35(1)∶57-60.

［10］劉暢,張少華.多時段可中斷負(fù)荷調(diào)度的智能優(yōu)化算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(24)∶105-109.

［11］SIVANCASAN B,THACHINAMOORLHI K,GOH,KP.Interruptible load scheme∶Demand response manage?ment for buildings[C].2016 IEEE Region 10 Confer?ence,Singapore,2016∶1716-1719.

［12］BHANA R,Overbye T J.The Commitment of Interrupt?ible Load to Ensure Adequate System Primary Frequen?cy Response[J].IEEE Transactions on Power Systems,2016,31(3)∶2055-2063.

［13］張濤,宋家驊，程曉磊，等.可中斷負(fù)荷研究綜述[J].東北電力技術(shù)，2007,6∶46-50.

［14］DAVID A K.Dispatch methodologies for open access transmission systems[J].IEEE Trans on Power Systems,1998,13(1)∶46-53.

［15］孫芊，彭建春，潘俊濤，等.多時段電力需求響應(yīng)的阻塞管理[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(9)∶139-143.

［16］張永平，焦連偉，陳壽孫，等.電力市場阻塞管理綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(8)∶1-9.

［17］COELLO C A.Theoretical and numerical constrainthandling techniques used with evolutionary algorithms：a survey of the state of the art[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2002，191（11-12）：1245-1287.

［18］CHEN L,TADA Y,OKAMOTO H,et al.Optimal opera?tion solutions of power systems with transient stability constraints.IEEE Trans on Circuits and Systems,2001,48(3)∶327-339.

［19］劉明波,夏巖,吳捷.計及暫態(tài)穩(wěn)定約束的可用傳輸容量計算.中國電機(jī)工程學(xué)報[J],2003,23(9)∶28-33.

［20］王曉文，毛煜杰.可中斷負(fù)荷研究綜述[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報，2015,11（3）∶193-198.

［21］陳辰，李森，李領(lǐng)娟.基于Matpower的負(fù)荷中斷分析[J].電子科技，2016,29（6）∶11-14.

Economic dispatch method based on interruptible load

QI Xin1,LIU Yifeng1，ZHANG Deliang2
(1.Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750001,China;2.Beijing QU Creative Technology Co.,Ltd.,Beijing 100084,China)

For the transmission section blocking often occur in power system,deeply analyzes the interruptible load contracts in many areas,proposes a series of control requirements from the aspects of controlling time,controlling load and so on.Based on the above,considering the optimum electricity purchasing strategy after the interruptible load response,puts forward the economic dispatching method based on the interruptible load.The simulation results show that the interruptible load improves the reliability of the power system and reduces the customers,electricity consumption cost.

power market;interruptible load;economic dispatch;demand side response

TM731

A

1672-3643（2017）04-0006-05

有效訪問地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.002

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.002

2017-05-08

祁鑫（1985），男，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行及計劃工作。