董 蓓， 毛文博， 李 峰， 蘇大威

(1. 國(guó)家電網(wǎng)公司客服中心南方分中心,江蘇 南京 210003； 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003；3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024)

0 引言

未來(lái)電網(wǎng)中，電源、電網(wǎng)和負(fù)荷間的構(gòu)成形式、響應(yīng)范圍和交互模式較目前電網(wǎng)更趨復(fù)雜，對(duì)電網(wǎng)調(diào)度控制和安全穩(wěn)定運(yùn)行將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)調(diào)度系統(tǒng)采用的常規(guī)日前優(yōu)化調(diào)度還是采用發(fā)電跟蹤負(fù)荷的模式，但這種模式難以適應(yīng)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展。首先，新能源機(jī)組的大規(guī)模接入不可避免，風(fēng)電、光伏發(fā)電成為未來(lái)電源側(cè)重要資源，然而這些資源發(fā)電的不確定性高[3-4]，對(duì)電網(wǎng)功率平衡提出巨大挑戰(zhàn)[5]，常規(guī)調(diào)度不得不為此配置大量備用資源[6]；其次，風(fēng)電具有逆調(diào)峰特性，導(dǎo)致夜間負(fù)荷水平低時(shí)，系統(tǒng)下調(diào)備用不足，致使常規(guī)調(diào)度模式下，只能大量棄風(fēng)，極大限制了風(fēng)電的利用率[7]；再次，隨著負(fù)荷側(cè)使能技術(shù)發(fā)展[8-11](包括智能插座、負(fù)荷終端等)和可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量的增加[12-13](包括電動(dòng)汽車大范圍應(yīng)用[14]、儲(chǔ)能電站投建[15]等)使得系統(tǒng)負(fù)荷具有巨大的可調(diào)節(jié)潛力[16-17]，常規(guī)調(diào)度對(duì)這些可調(diào)資源缺乏有效調(diào)控手段[18]。相對(duì)而言，考慮多類型柔性負(fù)荷的日前優(yōu)化調(diào)度模式則更加適應(yīng)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展。首先，柔性負(fù)荷作為備用的建設(shè)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)電源；其次，同時(shí)通過引入負(fù)荷側(cè)資源，可以促進(jìn)發(fā)用電資源競(jìng)爭(zhēng)，提高資源優(yōu)化配置及利用效率，降低運(yùn)行成本[19]。

本文基于未來(lái)電網(wǎng)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)特征，設(shè)計(jì)了柔性負(fù)荷日前優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立了多類型負(fù)荷調(diào)度模型，為負(fù)荷側(cè)資源全方位參與系統(tǒng)調(diào)度提供接口；建立了發(fā)用電一體化優(yōu)化模型，將發(fā)用電資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配；設(shè)計(jì)了調(diào)度方案對(duì)照分析機(jī)制，對(duì)常規(guī)優(yōu)化調(diào)度和計(jì)及柔性負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)度分別進(jìn)行計(jì)算和界面展示。

1 柔性負(fù)荷日前優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

目前我國(guó)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)都搭載在D5000調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)上，本文提出的柔性負(fù)荷日前優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)也是在該系統(tǒng)上設(shè)計(jì)并開發(fā)的。柔性負(fù)荷一部分通過營(yíng)銷用電信息采集系統(tǒng)將響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)度系統(tǒng)，另一部分就近接入110 kV變電站，從而通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)實(shí)現(xiàn)與調(diào)度系統(tǒng)的通信。

計(jì)及柔性負(fù)荷的日前優(yōu)化調(diào)度的3大功能模塊分別是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊、優(yōu)化服務(wù)模塊和結(jié)果分析處理模塊,如圖1所示，各模塊詳細(xì)信息如下。

(1) 優(yōu)化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)據(jù)以及負(fù)荷可調(diào)度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在D5000實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。該模塊獲取經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)格式的常規(guī)調(diào)度優(yōu)化數(shù)據(jù)文件以及負(fù)荷調(diào)度優(yōu)化數(shù)據(jù)文件。

(2) 優(yōu)化服務(wù)模塊：調(diào)用商業(yè)優(yōu)化軟件Aimms(當(dāng)前系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的優(yōu)化平臺(tái))提供的接口，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化應(yīng)用服務(wù)的調(diào)用，包括優(yōu)化模型裝載、數(shù)據(jù)裝載、計(jì)算求解等主要功能。本文所提模型為混合整數(shù)線性優(yōu)化模型，Aimms中調(diào)用Cplex求解器采用分支定界法求解。

圖1 柔性負(fù)荷日前優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)框架Fig.1 The framework of day-ahead optimized dispatching system with flexible loads

(3) 結(jié)果分析處理模塊：對(duì)常規(guī)優(yōu)化調(diào)度和計(jì)及柔性負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，更新D5000實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的機(jī)組發(fā)電計(jì)劃，發(fā)布負(fù)荷調(diào)節(jié)計(jì)劃，并進(jìn)行界面展示。

2 柔性負(fù)荷特性分析及分類

柔性負(fù)荷參與調(diào)度計(jì)劃時(shí)，由于各類柔性負(fù)荷具有不同物理特性，在優(yōu)化建模時(shí)，需要針對(duì)性設(shè)置相關(guān)約束。依據(jù)實(shí)際負(fù)荷特性調(diào)研，負(fù)荷可調(diào)度特性主要表現(xiàn)為：

(1) 可中斷特性。在一定時(shí)段內(nèi)可削減一定容量負(fù)荷，并持續(xù)一定時(shí)間。中斷次數(shù)和提前通知時(shí)間有不同要求。

(2) 可轉(zhuǎn)移特性。在一定時(shí)段內(nèi)，負(fù)荷將用電需求整體轉(zhuǎn)移至其它時(shí)段。這類負(fù)荷既可能是在一段時(shí)間內(nèi)具有總耗電量的需求(例如蓄冷用戶)，也可能是用電曲線整體轉(zhuǎn)移(例如生產(chǎn)線提前或延后生產(chǎn))。

(3) 雙向潮流特性。負(fù)荷具有向電網(wǎng)發(fā)電(或放電)能力，這類負(fù)荷通常具有儲(chǔ)能特性(包括電池、燃料等)，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間尺度(甚至多日)負(fù)荷調(diào)整。

詳細(xì)調(diào)研結(jié)果如表1所示。

表1 柔性負(fù)荷特性分析及分類Tab.1 The Characteristics and classification of flexible loads

負(fù)荷類型可中斷特性可轉(zhuǎn)移特性雙向潮流特性備注(具體負(fù)荷可調(diào)量)工業(yè)負(fù)荷鋼鐵行業(yè)√軋鋼生產(chǎn)線49%有色金屬√延壓加工35%水泥行業(yè)√√研磨、破碎57%化纖行業(yè)√紡絲、卷繞46%造紙行業(yè)√卷紙、吊機(jī)8%塑料行業(yè)√輔助加工64%橡膠行業(yè)√造粒、整理33%商業(yè)負(fù)荷√√空調(diào)、照明25%～60%居民用電√√照明15%、洗衣機(jī)6%、空調(diào)60%電動(dòng)汽車√私家車、充電樁、換電站

3 計(jì)及柔性負(fù)荷的日前優(yōu)化調(diào)度模型

計(jì)及柔性負(fù)荷的安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型如式(1—20)所示。

(1) 目標(biāo)函數(shù)。

(1)

(2) 常規(guī)約束條件。

(2)

(3)

(4)

-Pmaxbr(ibr)≤Pbr(ibr,t)≤Pmaxbr(ibr)

(5)

Pming(igen,t)Igen(igen,t)≤Pgen(t)≤Pmaxg(igen,t)Igen(igen,t)

(6)

式(1)為目標(biāo)函數(shù)，Pgbl為分段發(fā)電量；igen為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組，屬于發(fā)電機(jī)組集合Sgen；iblk為第i個(gè)分段，屬于線性分段集合Sblk；t為時(shí)段,屬于時(shí)段集合ST；Cgbl為分段線性成本；Pdrbl為柔性負(fù)荷分段調(diào)節(jié)量；idr為第i個(gè)柔性負(fù)荷，屬于柔性負(fù)荷集合；Cdrbl為柔性負(fù)荷分段調(diào)節(jié)成本；Cvio為懲罰系數(shù)；V為松弛變量值，取正值，用于設(shè)置每個(gè)約束條件的松弛變量，優(yōu)化問題存在可行解時(shí)，松弛變量為0，不影響結(jié)果，可行域內(nèi)無(wú)解時(shí)，不滿足的約束條件對(duì)應(yīng)的松弛變量不為0，并發(fā)出條件越限告警；ipen為第i個(gè)松弛變量，屬于松弛變量集合Spen。

式(2)為功率平衡條件，Pld為系統(tǒng)負(fù)荷；ild為第i個(gè)負(fù)荷，屬于負(fù)荷集合Sld；Pgen為機(jī)組實(shí)際功率，是分段功率之和；Ptie為聯(lián)絡(luò)線功率；itie為第i條聯(lián)絡(luò)線，屬于聯(lián)絡(luò)線集合Stie；Pdr為柔性負(fù)荷實(shí)際調(diào)節(jié)量，是分段調(diào)節(jié)量之和。

式(3)為節(jié)點(diǎn)功率平衡條件，ibus為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，屬于節(jié)點(diǎn)集合Sbus；Sgensub(ibus)表示節(jié)點(diǎn)ibus上掛接的機(jī)組集合；Sldsub(ibus)為掛接在節(jié)點(diǎn)ibus上的負(fù)荷集合；Sbrsub(ibus)為與節(jié)點(diǎn)ibus相連的支路集合；Pbr為支路潮流，流入節(jié)點(diǎn)為正，流出節(jié)點(diǎn)為負(fù)。

式(4)為直流潮流方程，Pbr為支路潮流；Rtbus為末端電壓功角；Rfbus為首段電壓功角；Xbr為支路電抗；PBscMW為系統(tǒng)基準(zhǔn)功率，通常選100 MW。

式(5)為線路傳輸功率極限條件，Pmaxbr為線路傳輸功率極限。

式(6)為機(jī)組發(fā)電極限條件，Pming為機(jī)組最小發(fā)電功率；Igen為機(jī)組開停機(jī)狀態(tài)；Pmaxg為機(jī)組最大發(fā)電功率。其他常規(guī)調(diào)度約束條件，包括機(jī)組爬坡約束、啟停約束、旋轉(zhuǎn)備用約束與現(xiàn)有系統(tǒng)日前優(yōu)化模型相同，不在此詳細(xì)闡述。

(3) 可中斷負(fù)荷約束條件。可中斷負(fù)荷通相關(guān)約束條件如式(7—12)所示。

(7)

0≤Pdr(iblk,iitld,t)≤Pdrend(iblk,iitld,t)-Pdrst(iblk,iitld,t)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

上述公式中，iitld表示第i個(gè)可中斷負(fù)荷，屬于可中斷負(fù)荷集合Sitld，且有Sitld?Sdr，即可中斷負(fù)荷集合是柔性負(fù)荷集合的子集。其中，式(7)為分段性化條件，Idr為柔性負(fù)荷調(diào)用狀態(tài)，Pdrst為分段線性成本函數(shù)的分段起始功率；式(8)為分段優(yōu)化功率范圍條件，Pdrend為分段終點(diǎn)功率；式(9)為最大可中斷次數(shù)條件，ydr為中斷次數(shù)，Nmaxdr為最大調(diào)用次數(shù)；式(10)為最小調(diào)用間隔條件，TdrMinOff為最小調(diào)用間隔；式(11)為最小連續(xù)調(diào)用條件，TdrMinOn為最小連續(xù)調(diào)用時(shí)間；式(12)為最大連續(xù)中斷條件，TdrMaxOn為最大連續(xù)調(diào)用時(shí)間。

(4) 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷約束條件。可轉(zhuǎn)移負(fù)荷特點(diǎn)是用電時(shí)段可以調(diào)節(jié)，對(duì)每個(gè)時(shí)段用電功率并無(wú)嚴(yán)格要求，但是為了不影響其使用功能，每天或者給定時(shí)段內(nèi)的總用電量需求要得到滿足。其約束條件如式(13—15)所示。

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷分段線性成本模型及可調(diào)用次數(shù)條件與可中斷負(fù)荷約束條件式(7—9)一致不再贅述。

0≤Pbscshld(ishld,t)-Pdr(ishld,t)≤Pfullshld(ishld,t)

(13)

-Pupshld(ishld)≤Pdr(ishld,t)≤Pdnshld(ishld)

(14)

(15)

上述公式中，ishld表示第i個(gè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，屬于可轉(zhuǎn)移負(fù)荷集合Sshld，且Sshld?Sdr。其中，式(13)為可轉(zhuǎn)移用戶負(fù)荷運(yùn)行功率條件，Pbscshld為基線負(fù)荷，Pfullshld為滿載負(fù)荷；式(14)為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷功率調(diào)節(jié)范圍條件，Pupshld為最大上調(diào)節(jié)功率,Pdnshld為最大下調(diào)節(jié)功率。

(5) 雙向潮流負(fù)荷約束條件。該類負(fù)荷的用電特性是具有雙向潮流特性，既可以從電網(wǎng)獲取電能，也可以將自身儲(chǔ)存的能量輸送給電網(wǎng)。其約束條件如式(16—20)所示。

雙向負(fù)荷分段線性成本模型及可調(diào)用次數(shù)條件與可中斷負(fù)荷約束條件(7—9)一致不再贅述。

Pminbild(ibild)Idr(ibild,t)≤Pdr(ibild,t)≤Pmaxbild(ibild)Idr(ibild,t)

(16)

Idr(ibild,t)≤Ibildset(ibild,t)

(17)

-PDischg(ibild)≤PBscbild(ibild,t)-Pdr(ibild,t)≤PChg(ibild)

(18)

QSOC(ibild,t-1)≥Pcsm(ibild,t)

(19)

QSOC(ibild,t)=QSOC(ibild,t-1)+PBsc(t)-Pdr(ibild,t-1)-Pcsm(ibild,t-1)

(20)

上述公式中，ibild表示第i個(gè)雙向負(fù)荷，屬于雙向負(fù)荷集合Sshld，且Sbild?Sdr。其中，式(16)為調(diào)節(jié)范圍約束，Pminbild為最小調(diào)節(jié)功率，Pmaxbild為最大調(diào)節(jié)功率；式(17)為可調(diào)時(shí)段條件，Ibildset為可調(diào)標(biāo)識(shí)，取1時(shí)為設(shè)定可調(diào)狀態(tài)，0為不可調(diào)狀態(tài)；式(18)為充放電極限條件，PDischg為最大放電功率，PBscbild為基線負(fù)荷，即原充電曲線，PChg為最大充電功率；式(19)為耗能需求條件，表示庫(kù)存電池電量不小于本時(shí)段電池耗量，QSOC為荷電狀態(tài)，表示庫(kù)存電池電量，Pcsm為電池耗電量；式(20)為儲(chǔ)能能量平衡條件。

4 仿真算例

為了充分研究柔性負(fù)荷參與日前優(yōu)化調(diào)度對(duì)系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)了多種柔性負(fù)荷占比的仿真案例。系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)定由兩部分構(gòu)成：可調(diào)負(fù)荷以及固定負(fù)荷。固定負(fù)荷功率完全按照負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線波動(dòng)；可調(diào)負(fù)荷功率則依據(jù)日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果在負(fù)荷預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上波動(dòng)。

本文案例以某省實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，系統(tǒng)峰值為52 989 MW，系統(tǒng)谷值為43 289 MW，系統(tǒng)峰谷差為0.18 p.u.，符合標(biāo)準(zhǔn)差為3069 MW。

由于案例采用省級(jí)電網(wǎng)模型，負(fù)荷均為等值負(fù)荷，柔性負(fù)荷以等值聚合方式掛接在這些負(fù)荷上，經(jīng)過篩選(負(fù)荷有功大于1 MW)，其中有403個(gè)等值負(fù)荷掛接了柔性負(fù)荷，每種類型各掛接一個(gè)等值柔性負(fù)荷，共計(jì)1209個(gè)等值柔性負(fù)荷。負(fù)荷具體功率依據(jù)初始斷面負(fù)荷值以及案例設(shè)定的各類柔性負(fù)荷占比確定。

最大柔性負(fù)荷占比案例中，可中斷負(fù)荷、雙向負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷可調(diào)量設(shè)定均為系統(tǒng)峰值的10%，各類負(fù)荷的可調(diào)節(jié)范圍分別為：可中斷負(fù)荷[-10%,0%]，雙向負(fù)荷[-5%，5%]，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷為[-7.5%，2.5%]。其他案例與此案例的各類負(fù)荷可調(diào)范圍分配一致，只是各類負(fù)荷可調(diào)量占比不同。

仿真案例對(duì)柔性負(fù)荷總量占比不同的情況進(jìn)行了分析計(jì)算，其結(jié)果如下。

(1) 柔性負(fù)荷總可調(diào)量對(duì)系統(tǒng)影響。為了研究柔性負(fù)荷總可調(diào)量對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷的影響，設(shè)定了總負(fù)荷可調(diào)量占系統(tǒng)峰值的9%，15%，30% 3個(gè)實(shí)驗(yàn)組，其中各類負(fù)荷占比均等。日前調(diào)度后，系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線如圖2所示(在負(fù)荷預(yù)測(cè)值上疊加負(fù)荷響應(yīng)量得到凈負(fù)荷值)。

圖2 不同柔性負(fù)荷總量時(shí)系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線Fig. 2 System net power curves with different flexible loads total amount

表2中峰谷差率為峰谷差與峰值的比，標(biāo)準(zhǔn)差表示系統(tǒng)凈負(fù)荷的波動(dòng)程度(采用96點(diǎn)樣本統(tǒng)計(jì))，總發(fā)電量差主要涉及電廠利益。結(jié)果表明，柔性負(fù)荷可調(diào)總量越大，在經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)下，系統(tǒng)峰谷波動(dòng)特性得到改善的效果越明顯，既可以減小峰谷差率，從而減少系統(tǒng)備用容量，也可以減少系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)，從而減少發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)頻度和幅度，但總發(fā)電量的減少會(huì)影響到電廠利益。

表2 柔性負(fù)荷總量對(duì)系統(tǒng)影響Tab.2 Influences of total amount of flexible loads on system

(2) 各類柔性負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的影響。為了研究各類柔性負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的不同影響，設(shè)定了柔性負(fù)荷總量不變時(shí)，各類負(fù)荷占比不同的3個(gè)實(shí)驗(yàn)組。

表3中，第一列說明了算例實(shí)驗(yàn)組的負(fù)荷占比設(shè)置，某一類負(fù)荷富集時(shí)，該類負(fù)荷占比為10%，其余兩類負(fù)荷占比為3%。圖3中各條曲線為不同負(fù)荷富集時(shí)的系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線。

表3 不同柔性負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)影響Tab.3 Influences of different kinds of flexible loads on system

圖3 各類柔性負(fù)荷占比不同時(shí)系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線Fig.3 System net power curves with different percentages for every kind of flexible load

結(jié)果表明:雙向負(fù)荷的調(diào)峰效果最佳，主要原因是其儲(chǔ)能特性，能大容量、長(zhǎng)時(shí)間尺度的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)負(fù)荷；可轉(zhuǎn)移負(fù)荷效果次之，且基本不會(huì)造成總發(fā)電量的減少；可中斷負(fù)荷效果最差，同時(shí)減少系統(tǒng)平均負(fù)荷最為嚴(yán)重，對(duì)發(fā)電企業(yè)造成較大影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)未來(lái)電網(wǎng)源網(wǎng)荷互動(dòng)特征以及未來(lái)電網(wǎng)對(duì)柔性負(fù)荷調(diào)控的需求，對(duì)考慮多類型柔性負(fù)荷的日前優(yōu)化調(diào)度技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包含：(1)基于D5000調(diào)度系統(tǒng)的柔性負(fù)荷日前優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)；(2) 柔性負(fù)荷特性分析及分類研究；(3) 適應(yīng)各類柔性負(fù)荷特性的計(jì)及柔性負(fù)荷的日前優(yōu)化調(diào)度建模研究。在此基礎(chǔ)上，基于省級(jí)電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算結(jié)果表明，大量柔性負(fù)荷納入日前調(diào)度可以減少系統(tǒng)備用容量需求，減少機(jī)組調(diào)節(jié)頻度和幅度，雙向負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷特性改善效果最佳，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷次之，可中斷負(fù)荷具有較好削峰效果，但對(duì)發(fā)電廠發(fā)電量影響最大。

本文得到國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項(xiàng)目(52100217009)資助，謹(jǐn)此致謝！