石 坤，李德智，何 勝，王 魯，易永仙

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；3.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧遼陽 111200；4.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103)

0 引 言

電力是具有實(shí)時(shí)供需平衡性的能源形式。在能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景下，可再生能源接入量不斷增加、柔性負(fù)荷的種類和數(shù)量愈漸豐富、直流輸電技術(shù)的大力發(fā)展導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足等現(xiàn)狀，對(duì)于電能的實(shí)時(shí)供需平衡提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。

傳統(tǒng)供需平衡調(diào)節(jié)方法，主要依靠調(diào)節(jié)供給側(cè)的出力來匹配用電需求，只有在十分緊急的情況下才對(duì)用戶負(fù)荷進(jìn)行切除，即減載[3]。該調(diào)控方式下，發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)成本大，機(jī)組利用率低，而需求側(cè)能動(dòng)性差，只能被動(dòng)關(guān)停。進(jìn)一步的，為匹配高峰負(fù)荷情況，只能增加冗余的發(fā)電出力，造成發(fā)電容量浪費(fèi)，或拉停大用戶負(fù)荷，導(dǎo)致用戶用電滿意度嚴(yán)重下降。隨著智能用電及其相關(guān)技術(shù)日趨成熟，需求側(cè)資源的可控潛力被逐步挖掘，除傳統(tǒng)的需求響應(yīng)外，需求側(cè)資源在電網(wǎng)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)、頻率控制、緊急負(fù)荷控制等供需平衡調(diào)控方面也受到廣泛關(guān)注[4-6]，計(jì)及需求側(cè)資源的合理供需平衡調(diào)控手段亟待提出。

目前的研究大多采用在單一調(diào)控模式下，通過價(jià)格型或激勵(lì)型需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)用戶的主動(dòng)減負(fù)荷[7]的實(shí)現(xiàn)形式，研究覆蓋了其全過程的價(jià)格/激勵(lì)制定、負(fù)荷分類、調(diào)控策略等。然而需求側(cè)資源在數(shù)量、種類和使用習(xí)慣上都具有突出的多樣性，因此單一的調(diào)控模式不足以充分匹配負(fù)荷資源的響應(yīng)能力?？紤]到同類型用戶具有區(qū)域聚集性(居民區(qū)、工業(yè)園區(qū)等)，同時(shí)基于需求側(cè)資源的電網(wǎng)供需平衡調(diào)節(jié)具有層次性[8]，本文提出一種計(jì)及需求側(cè)資源的電網(wǎng)分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法，在不同區(qū)域不同層次之間建立供需平衡調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以縱向調(diào)控、橫向互補(bǔ)的運(yùn)行機(jī)制為需求側(cè)資源在參與供需平衡調(diào)節(jié)奠定理論基礎(chǔ)。

1 參與電網(wǎng)供需平衡的需求側(cè)資源模型

需求側(cè)資源的智能化調(diào)節(jié)技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度手段的有效補(bǔ)充，具有靈活性和柔性的可調(diào)度空間，同時(shí)減少對(duì)用戶用電體驗(yàn)的負(fù)面影響[9]。

1.1 需求側(cè)資源特性

廣義的需求側(cè)資源主要涵蓋了分布式電源設(shè)備、可儲(chǔ)能型負(fù)荷及用能型負(fù)荷。

1.1.1 分布式電源設(shè)備

分布式電源設(shè)備主要包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電源和分布式風(fēng)電設(shè)備等。其中光伏電源和分布式風(fēng)電設(shè)備等可再生能源設(shè)備由于其發(fā)電出力受到客觀天氣、風(fēng)/光強(qiáng)度等影響，波動(dòng)性較大，因此其接入對(duì)于常規(guī)調(diào)度模式下的電網(wǎng)運(yùn)行沖擊性較強(qiáng)；另一方面，分布式電源的清潔性和可持續(xù)性使其成為長期發(fā)展進(jìn)程中的必然趨勢(shì)，因此，基于合理、實(shí)時(shí)、靈活的需求側(cè)資源調(diào)度策略來匹配分布式電源出力，為可再生能源的充分利用提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。1.1.2 可儲(chǔ)能型設(shè)備

可儲(chǔ)能型設(shè)備主要包括蓄電池、電動(dòng)汽車、可蓄冷蓄熱空調(diào)、鍋爐等。其特點(diǎn)在于在運(yùn)行過程中既可以作為供給方出力，也可以作為需求方消納。電力這一能源形式要求出力與消納能實(shí)時(shí)匹配[10]，而電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的難點(diǎn)即在于平衡供需之間的偏差量，儲(chǔ)能設(shè)備顯然是最為直接且靈活的解決形式，雖然目前儲(chǔ)能設(shè)備尚未達(dá)到能夠超大規(guī)模存儲(chǔ)的階段，但其在微網(wǎng)中的局部調(diào)節(jié)作用是十分顯著的[11]。1.1.3 用能型設(shè)備

用能型設(shè)備即常規(guī)意義上的能源消耗設(shè)備。目前對(duì)于用能型設(shè)備主要可以根據(jù)其可調(diào)控特性的差異劃分為：①可調(diào)節(jié)型負(fù)荷，即負(fù)荷具備可調(diào)節(jié)狀態(tài)參數(shù)，從而影響功率曲線的負(fù)荷類型，如空調(diào)、冰箱等；②可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷，即負(fù)荷用電時(shí)段較為靈活，但單日消耗電量較為穩(wěn)定的負(fù)荷類型，如電磁爐、微波爐等；③可中斷型負(fù)荷，即僅具有開/關(guān)狀態(tài)，可以中斷使用的負(fù)荷類型，如電視機(jī)、部分照明設(shè)備等；④剛性負(fù)荷，用電時(shí)段十分固定且必需的負(fù)荷類型。

1.2 需求側(cè)資源響應(yīng)模式

需求側(cè)資源參與調(diào)度過程的響應(yīng)模式大致上可以分為價(jià)格型響應(yīng)模式和激勵(lì)型響應(yīng)模式，其中目前主要應(yīng)用和涉及的響應(yīng)模式如下：

① 動(dòng)態(tài)電價(jià)響應(yīng)模式：通過動(dòng)態(tài)的用電價(jià)格刺激用戶進(jìn)行主動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)；

② 合同制負(fù)荷削減模式：在實(shí)施前期與用戶進(jìn)行合約簽訂，約定在用戶收到削減指令時(shí)，進(jìn)行固定額度的負(fù)荷削減；

③ 競爭性競價(jià)模式：發(fā)布削減需求量后，通過用戶主動(dòng)的競價(jià)形式來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減；

④ 應(yīng)急備用型調(diào)度模式：與用戶進(jìn)行約定，常規(guī)用電模式下不影響用戶用電，緊急情況下對(duì)該部分備用負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。

通常情況下，對(duì)需求側(cè)資源的調(diào)用僅選用上述方式中的一種。本文給出的方案根據(jù)各層次需求的不同，在不同層次、不同用戶群區(qū)域下選用不同的響應(yīng)模式。

1.3 需求側(cè)資源調(diào)控模型

分布式光伏設(shè)備的功率出力主要取決于當(dāng)前光照強(qiáng)度、額定輸出功率以及設(shè)備接入情況，如式(1)：

Ppv=-F(Hsun,Pmax,Sac)

(1)

分布式風(fēng)電設(shè)備功率出力主要取決于當(dāng)前風(fēng)速風(fēng)力、額定輸出功率以及接入情況，如式(2)：

Pwd=-F(Vwind,Pmax,Sac)

(2)

儲(chǔ)能設(shè)備功率主要取決于當(dāng)前設(shè)備接入狀態(tài)、充放電狀態(tài)、最大輸出功率以及儲(chǔ)存電量，如式(3)：

Pst=±F(Pstored,Pmax,Sac)

(3)

可調(diào)節(jié)型負(fù)荷的用電功率主要取決于當(dāng)前客觀環(huán)境(溫度、濕度等)、負(fù)荷參數(shù)設(shè)定狀態(tài)、額定輸出功率，其中，參數(shù)的設(shè)定狀態(tài)主要受到用電經(jīng)濟(jì)性和舒適度體驗(yàn)的影響，如式(4)：

(4)

可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷的用電功率在運(yùn)行狀態(tài)下的功率與額定值相近，其主要的調(diào)控空間在于負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的轉(zhuǎn)移，而時(shí)間轉(zhuǎn)移情況同樣主要受用電經(jīng)濟(jì)性和舒適度體驗(yàn)的影響，如式(5)：

(5)

可中斷負(fù)荷與可轉(zhuǎn)移負(fù)荷類似，其運(yùn)行功率基本為額定值，僅開閉狀態(tài)受到經(jīng)濟(jì)性和舒適度影響，其表達(dá)如式(6)：

(6)

2 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法

2.1 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控體系架構(gòu)

針對(duì)目前需求側(cè)資源調(diào)度中存在的響應(yīng)模式單一、橫向區(qū)域互動(dòng)性差問題，本文提出計(jì)及需求側(cè)資源的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法，其體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控體系架構(gòu)

縱向上將系統(tǒng)劃分為電網(wǎng)調(diào)度層、聚合管理層和負(fù)荷響應(yīng)層。電網(wǎng)調(diào)度層主要實(shí)時(shí)估算當(dāng)前供需雙方功率平衡關(guān)系，明確功率缺額，并根據(jù)下層管理負(fù)荷中綜合評(píng)估的可響應(yīng)潛力，制定相應(yīng)的削減指令或價(jià)格激勵(lì)信號(hào)，并通過需求側(cè)管理平臺(tái)下發(fā)；聚合管理層是大量負(fù)荷的集成管理中心，能夠直接獲取負(fù)荷狀態(tài)，從而準(zhǔn)確估計(jì)負(fù)荷可削減量，當(dāng)收到削減任務(wù)時(shí)，集成商/工商業(yè)大用戶根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)，以既定策略對(duì)各類型負(fù)荷下發(fā)相應(yīng)的控制指令，從而完成功率調(diào)控；負(fù)荷響應(yīng)層作為系統(tǒng)底層，主要通過優(yōu)質(zhì)通信方式實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)反饋負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，為上層決策提供支撐，同時(shí)對(duì)于控制指令能及時(shí)準(zhǔn)確響應(yīng)。

不同層次不同區(qū)域之間的各個(gè)主體具有不同的特性，因此傳統(tǒng)思維下的單一響應(yīng)模式無法充分適配用戶需求，本文中提出不同層次不同區(qū)域具有不同的針對(duì)性策略：負(fù)荷集成商所管理負(fù)荷數(shù)量大、種類多，因此其可調(diào)節(jié)的不確定性也相對(duì)較強(qiáng)，為約束其波動(dòng)情況，在調(diào)度中心和集成商之間采用合同制的負(fù)荷削減策略；相對(duì)而言，工商業(yè)大用戶的負(fù)荷較為穩(wěn)定，存在一定的剛性需求，且其電量直接影響生產(chǎn)收益，因而強(qiáng)制性的定額負(fù)荷削減可能造成其經(jīng)濟(jì)性補(bǔ)貼差額大的問題，因此，對(duì)于大工商業(yè)用戶主要采用電價(jià)激勵(lì)形式，鼓勵(lì)其主動(dòng)關(guān)停非必要負(fù)荷，在緊急情況下也可以采用有序用電的管理形式；由于居民用戶用電不確定性較大，因此為保證響應(yīng)任務(wù)的完成率，集成商與用戶負(fù)荷之間宜采用直接負(fù)荷控制(DLC)方式[12]。

2.2 多維度供需平衡調(diào)控機(jī)制

在前述所建立的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，從多個(gè)維度建立其具體實(shí)施過程中的供需平衡調(diào)控機(jī)制，縱向上建立多層次任務(wù)分配機(jī)制和相應(yīng)的負(fù)荷調(diào)控機(jī)制，橫向上建立多區(qū)域互通的缺額互補(bǔ)機(jī)制，從而更好地應(yīng)對(duì)局部負(fù)荷響應(yīng)能力不足以及突發(fā)性的負(fù)荷狀態(tài)轉(zhuǎn)移問題。

2.2.1 縱向多層次任務(wù)分配及調(diào)控機(jī)制

供需平衡的調(diào)控過程主要是通過縱向的信息交互實(shí)現(xiàn)的，負(fù)荷響應(yīng)層近乎實(shí)時(shí)地自下向上反饋負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，從而根據(jù)底層狀態(tài)逐級(jí)估計(jì)可調(diào)控潛力；調(diào)度中心獲悉功率缺額后，調(diào)度中心開始自上向下逐級(jí)發(fā)布調(diào)控指令，分配調(diào)控任務(wù)量。其具體的實(shí)現(xiàn)過程可以由以下步驟描述：

步驟1：功率缺額及負(fù)荷狀態(tài)獲取

功率缺額的計(jì)算可以根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化、潮流變化情況以及關(guān)口表計(jì)量等多種方式獲取，各方式適用于不同應(yīng)用場景；負(fù)荷狀態(tài)可以直接通過負(fù)荷監(jiān)測實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)傳輸通過統(tǒng)一平臺(tái)共享實(shí)現(xiàn)。

步驟2：可削減負(fù)荷量估計(jì)

負(fù)荷削減量的大小直接影響用戶的用電體驗(yàn)，為盡可能減少對(duì)用戶用電體驗(yàn)的負(fù)面影響，設(shè)定高、低兩個(gè)影響程度閾值，估計(jì)不同影響度情況下，用戶可削減負(fù)荷量的潛力。

① 低用電影響下可削減負(fù)荷量估計(jì)

Pli=Pnow-P(…,Ncomf_1,…)

(7)

② 高用電影響下可削減負(fù)荷量估計(jì)

Phi=Pnow-P(…,Ncomf_2,…)

(8)

步驟3：判斷估計(jì)可調(diào)負(fù)荷量與缺額關(guān)系

(9)

步驟4：削減任務(wù)分配

根據(jù)步驟3判定結(jié)果，按相應(yīng)用電影響下的可削減水平比例分配，允許一定的偏差量。

(10)

步驟5：負(fù)荷控制/動(dòng)態(tài)工商業(yè)電價(jià)調(diào)節(jié)

根據(jù)所分配任務(wù)量，按照既定規(guī)則，對(duì)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷/可中斷負(fù)荷/可調(diào)控負(fù)荷進(jìn)行響應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減；對(duì)于工商業(yè)用戶，則根據(jù)電價(jià)-負(fù)荷關(guān)系進(jìn)行反向電價(jià)制定。

步驟6：實(shí)際削減效果核驗(yàn)

步驟7：若削減效果整體上均有所偏差，則進(jìn)行進(jìn)一步的負(fù)荷控制以補(bǔ)足調(diào)控的波動(dòng)量。

2.2.2 橫向區(qū)域化缺額互補(bǔ)機(jī)制

縱向調(diào)控是常規(guī)運(yùn)行的主要手段，然而在實(shí)際調(diào)度過程中，由于負(fù)荷的運(yùn)行受到多方面因素的影響，且用戶的主觀性較強(qiáng)，即使采用基于合約的直接負(fù)荷控制，用戶仍有可能出現(xiàn)緊急違約運(yùn)行情況；此外，從電網(wǎng)的角度而言，如果出現(xiàn)局部性的線路故障或其他情況，同樣會(huì)嚴(yán)重影響調(diào)控任務(wù)的完成度。因此，引入橫向區(qū)域間缺額互補(bǔ)機(jī)制，從而保證整體供需平衡性。

其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：發(fā)布功率額請(qǐng)求信息;

步驟2：可調(diào)潛力盈余區(qū)域進(jìn)行反饋報(bào)價(jià);

步驟3：發(fā)布方擇優(yōu)選購。

選擇過程中，可選擇不止一個(gè)目標(biāo)，其選擇依據(jù)主要由發(fā)布方根據(jù)競價(jià)方的經(jīng)濟(jì)性、舒適代價(jià)、參與方數(shù)量等因素綜合決定，具有一定的主觀性。

2.3 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法實(shí)現(xiàn)

綜合橫向和縱向的運(yùn)行機(jī)制，本文所提出的計(jì)及需求側(cè)資源的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 計(jì)及需求側(cè)資源的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法實(shí)現(xiàn)流程

2.4 實(shí)施案例說明

為便于理解，在此通過簡單算例進(jìn)行原理機(jī)制實(shí)施的進(jìn)一步說明，但為保留文章機(jī)制的普適性，不做具體計(jì)算模型說明，具體的模型算法創(chuàng)新將在下一步研究中深入開展：

設(shè)A、B、C 3個(gè)主體，其各自的不同影響情況下的響應(yīng)能力分別為P1A=3kW；PhA=5kW；P1B=2kW；PhB=4kW；P1C=4kW；PhC=7kW；設(shè)e波動(dòng)量為±0.1kW，則

設(shè)Pneed=15kW；則其分別的任務(wù)分配額為PA=4.875±0.1kW；PB=3.5±0.1kW；PC=6.8±0.1kW。

若不考慮用電影響，直接按照最大能力比例分配，PA、PB、PC分別為4.687 5kW，3.75kW，6.562 5kW，與當(dāng)前的分配差別性體現(xiàn)并不明顯，均處合理范圍；但若設(shè)Pneed=9即低舒適度影響下的閾值附近時(shí)，目前較為常見的最大能力分配原則下PA、PB、PC分別為2.812 5kW、2.25kW、3.937 5kW，PB顯然出現(xiàn)了用電影響低于低影響閾值的情況，而這一情況顯然隨著用戶主體的差異性以及負(fù)荷高低影響度的區(qū)間增大而更加明顯。

若A新增突發(fā)性用電需求0.2 kW，不能完成目標(biāo)任務(wù)，則向B、C進(jìn)行競價(jià)性邀請(qǐng)，則最終完成響應(yīng)任務(wù)，如圖3所示。

若A新增突發(fā)性用電需求0.6kW，則考慮B、C均不能獨(dú)立完成，則按照其報(bào)價(jià)進(jìn)行比例分配，由B、C協(xié)作完成。

圖3 橫向互補(bǔ)交互實(shí)現(xiàn)過程示意

3 優(yōu)勢(shì)及約束性分析

相比于常規(guī)意義下需求側(cè)資源管理實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)節(jié)的方式，本文所提方法中對(duì)需求側(cè)資源調(diào)控進(jìn)行分層分區(qū)的精細(xì)化調(diào)控，并引入縱向調(diào)控、橫向互補(bǔ)機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于：

① 基于負(fù)荷狀態(tài)監(jiān)測自下而上進(jìn)行多層次的可調(diào)控潛力評(píng)估，相對(duì)于僅僅從價(jià)格層面和激勵(lì)力度層面間接分析用戶可響應(yīng)能力的方式，能夠更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)任務(wù)分配，充分挖掘用戶的可響應(yīng)能力；

② 在不同的用戶群區(qū)域間形成互聯(lián)互通關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)局部突發(fā)緊急情況下的橫向互補(bǔ)，這一機(jī)制能夠大大減少常規(guī)合約承包制情況下可能出現(xiàn)的因局部原因?qū)е孪鳒p量任務(wù)缺額，從而影響整體的運(yùn)行穩(wěn)定性和實(shí)施可靠性；

③ 在不同的層次和區(qū)域之間可以根據(jù)需求采用多元化的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，如價(jià)格型、激勵(lì)型、直接負(fù)控以及合約承包等，從而更易適應(yīng)用戶的實(shí)際需求，也一定程度上避免因用戶主觀性而導(dǎo)致的削減任務(wù)失效。

4 結(jié)束語

本文提出了一種計(jì)及需求側(cè)資源的電網(wǎng)分層分區(qū)供需平衡方法，基于需求側(cè)資源模型，提出縱向上基于用戶在不同影響程度下的可響應(yīng)能力評(píng)估情況的任務(wù)分配機(jī)制，保證了用戶側(cè)參與需求響應(yīng)過程中的公平性，提升響應(yīng)效果；橫向上提出了區(qū)域化缺額互補(bǔ)機(jī)制，避免由于用戶主觀隨機(jī)性及突發(fā)事件造成的局部響應(yīng)能力不均衡，提升了需求側(cè)資源響應(yīng)有效性，為需求側(cè)資源參與電網(wǎng)調(diào)控提供了參考。

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