楊新益， 袁奕文， 王珂珂， 鄭思佳， 徐天天， 駱 佳， 吳 波

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 物資分公司， 杭州 310000； 2.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 北京 102206)

隨著社會發(fā)展的進(jìn)步和能源資源的衰減，環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，發(fā)展可再生能源以解決資源緊缺與環(huán)境問題成為世界上多個國家的共識。但大規(guī)模、高比例的可再生能源并網(wǎng)會增加電力系統(tǒng)的不確定性，同時對傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電比例產(chǎn)生約束，使得電力系統(tǒng)中可配置的靈活資源受限[1]，對系統(tǒng)運(yùn)行總成本影響較大[2]。因此，隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，針對電力系統(tǒng)運(yùn)行問題，除了安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性以外，還需要考慮如何充分挖掘其他資源的靈活性潛力[3]，以應(yīng)對不確定性因素給電力系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響。需求側(cè)響應(yīng)是解決可再生能源發(fā)電隨機(jī)性與間歇性的一種有效方法，隨著智能電器的廣泛使用，參與到需求側(cè)響應(yīng)的資源種類越來越多[4]，通過調(diào)動需求側(cè)靈活資源可以提高能源利用效率，實現(xiàn)削峰填谷，減少電力系統(tǒng)運(yùn)行成本等[5]。

需求側(cè)資源是指在技術(shù)可靠性與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面可以代替發(fā)電側(cè)實現(xiàn)靈活性平衡[6]，提高終端用電效率和改變用電方式，給用戶和電力系統(tǒng)帶來更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益，從而實現(xiàn)多方受益、節(jié)約成本、合理利用資源、綠色可持續(xù)發(fā)展的目的，電動汽車、儲能設(shè)備以及熱泵等均為需求側(cè)資源。傳統(tǒng)意義上的靈活資源指能夠提高能源供需系統(tǒng)的靈活性和彈性，有效促進(jìn)能源供需系統(tǒng)實現(xiàn)一定程度上的動態(tài)平衡的資源。調(diào)節(jié)性強(qiáng)的靈活性資源現(xiàn)已逐步接入電力系統(tǒng)中，其中以分布式儲能系統(tǒng)和需求側(cè)響應(yīng)最為典型[7-8]。本文將傳統(tǒng)靈活資源的定義適度擴(kuò)充，靈活資源的定義為多種類型、龐大基數(shù)、分布面積廣泛的可控單元，其中包括分布在配電網(wǎng)側(cè)的柔性負(fù)荷以及分布式電源等。在電力系統(tǒng)中，可通過對靈活資源的調(diào)控實現(xiàn)高效管理，可以快速、準(zhǔn)確地對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而實現(xiàn)供需平衡，同時滿足多樣化的能源供需。

為在實現(xiàn)合理有序用電的同時最小化對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，需要對不同產(chǎn)業(yè)類型用戶的錯避峰能力進(jìn)行合理評估，綜合評價的結(jié)果可為電力系統(tǒng)有關(guān)部門制定電力調(diào)度方案提供有效支撐，為各行業(yè)用電用戶制定合理的用電策略，從而實現(xiàn)高效率的有序用電。當(dāng)前對于需求側(cè)靈活資源綜合評價的研究較少，文獻(xiàn)[9]對配電系統(tǒng)接納電動汽車的能力進(jìn)行評估，總結(jié)出2類配電系統(tǒng)靈活性指標(biāo)；文獻(xiàn)[10]對鄉(xiāng)村清潔能源配電系統(tǒng)供能靈活性進(jìn)行評估，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。但現(xiàn)有研究對于靈活資源可調(diào)度潛力的評估尚未形成一套完善的指標(biāo)體系，基于以上分析，本文從用戶基本情況、錯避峰潛力、成本因素和激勵因素四個方面構(gòu)建了較為詳盡的基于激勵的需求側(cè)資源潛力評價指標(biāo)體系，并采取AHP-灰色關(guān)聯(lián)度這一綜合評價方法對基于激勵的需求側(cè)可調(diào)度資源潛力進(jìn)行評估。

1 需求側(cè)靈活資源可調(diào)度潛力評估

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文選擇模糊綜合評價方法對需求側(cè)資源潛力進(jìn)行綜合評價，基于激勵的需求側(cè)資源潛力主要通過不同產(chǎn)業(yè)類型用電用戶的錯避峰能力進(jìn)行體現(xiàn)，通過分析不同產(chǎn)業(yè)類型客戶錯避峰限電能力的影響因素，構(gòu)建出一套較為全面的、具有科學(xué)性和操作性較強(qiáng)的綜合評價指標(biāo)體系。本文需求側(cè)資源潛力指標(biāo)體系主要包括四個方面：用戶基本情況、錯避峰潛力、成本因素和激勵因素四個方面建立指標(biāo)體系。

1.1.1 用戶基本情況

1)行業(yè)類型。我國行業(yè)類型分為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民用戶四種類型。隨著我國不斷進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及不同產(chǎn)業(yè)類型的用電占比也逐步發(fā)生變化，第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)的用電占比不斷下降，第三產(chǎn)業(yè)成為我國經(jīng)濟(jì)增長貢獻(xiàn)與電力消費(fèi)的主力，居民用電比重也逐步上升。過去經(jīng)濟(jì)粗放式增長，第二產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)較大，但第二產(chǎn)業(yè)中多數(shù)為高耗能產(chǎn)業(yè)，大規(guī)模工業(yè)用電客戶用電負(fù)荷大，具備較強(qiáng)的錯避峰能力。但隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，第三產(chǎn)業(yè)和居民用電占比上升，造成電力負(fù)荷率水平呈現(xiàn)下降趨勢，負(fù)荷峰谷差增大，給電力系統(tǒng)帶來一定的調(diào)控壓力。

2)負(fù)荷重要性。負(fù)荷重要性指標(biāo)是用于衡量用電用戶對于供電可靠性的要求，主要以斷電對于用電用戶的影響來衡量。該指標(biāo)基于用電用戶的工作性質(zhì)，從供電可靠性和斷電影響兩個方面，將用電用戶分為三種不同的類型：第一類用戶關(guān)系國計民生的重要客戶，要求極高的供電可靠性，不允許停電或限電，并有意愿通過一定的經(jīng)濟(jì)投入或補(bǔ)償保證供電可靠性；第二類客戶是臨時斷電會對其造成較大經(jīng)濟(jì)損失的用戶；第三類客戶用電較為靈活，對供電可靠性要求相對較低，發(fā)生臨時停電事件時對其造成的經(jīng)濟(jì)損失較小。

3)購電量比重。購電量比重為定量指標(biāo)，以該用戶年實際用電量占全部用戶年實際用電量的比值來體現(xiàn)，比重越高，該類型用戶的錯避峰限電能力越強(qiáng)。

1.1.2 錯避峰潛力

錯避峰潛力主要通過三個客觀、直接的因素來刻畫：可錯避峰用電設(shè)備容量、供電系統(tǒng)要求不高的“柔性負(fù)荷”與可用于錯避峰的儲存能量設(shè)備容量，以下對該指標(biāo)下的三級指標(biāo)進(jìn)行闡述。

1)可錯避峰用電設(shè)備容量。用電容量是指用戶或用電設(shè)備可能用到的最大電功率，其中用戶用電設(shè)備中可以錯避峰的用電容量越高則錯避峰潛力越大。

2)供電系統(tǒng)要求不高的“柔性負(fù)荷”。柔性負(fù)荷是指可由電網(wǎng)公司根據(jù)不同的運(yùn)行方式、供需情況以及故障情況，進(jìn)行控制、削減、切除的用電彈性大的用戶負(fù)荷。在目前國內(nèi)，一般來說，負(fù)荷的柔性化是通過周輪休錯峰用電等措施來實現(xiàn)的，柔性負(fù)荷越多則說明行業(yè)用戶的可錯避峰潛力越大。

3)可用于錯避峰的儲存能量設(shè)備容量。電能有多種存儲方式，主要可分為機(jī)械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能和相變儲能等。儲能設(shè)備的最終目標(biāo)是為了實現(xiàn)有功功率在時間上的控制，可以實現(xiàn)錯避峰時段的電能供應(yīng)。儲能裝置可以在用電低谷時段儲蓄電能，在用電高峰時段放電，合理的充放電模式能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷的多元化利用。所以可用于錯避峰的儲存能量設(shè)備容量越大，則說明其可錯避峰潛力越大。

4)可錯避峰設(shè)備響應(yīng)時間。電力系統(tǒng)的負(fù)荷隨著白天和夜晚在變化，白天最大，晚上最小，所以稱白天是峰，夜晚是谷.由于電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量有限，不一定能夠滿足白天最高負(fù)荷“峰”的要求，所以要將一些不重要的負(fù)荷移到夜晚最低負(fù)荷“谷”去，要求這些企業(yè)在晚上工作。由于各個城市的生產(chǎn)組成不同，所以峰值來臨的時間和持續(xù)時間都不同，將峰值時間規(guī)定下來，以避開或錯開這個峰值，就是錯避峰響應(yīng)時間?？慑e避峰設(shè)備的響應(yīng)時間越長則可錯避峰潛力越大。

1.1.3 成本因素

1)電費(fèi)占總生產(chǎn)成本比例。用戶電費(fèi)占總生產(chǎn)成本的比例越高，則在行業(yè)用戶在生產(chǎn)生活中電能是不可或缺的資源，用電量較大，則用戶的錯避峰能力相應(yīng)也較大。

2)單位缺電成本。單位缺電成本對用電用戶的錯避峰能力存在負(fù)影響，若缺電的單位成本較高，不但會造成用戶較大的經(jīng)濟(jì)損失，電網(wǎng)公司也需要對該用戶進(jìn)行合理的斷電補(bǔ)償。

1.1.4 激勵因素

激勵因素是用戶錯避峰能力的可激勵性，提高用戶補(bǔ)償額度能夠提升用戶錯避峰意愿，實現(xiàn)錯避峰的積極響應(yīng)，說明該激勵因素對于用戶錯避峰能力產(chǎn)生了正向影響。

1)可中斷/高可靠性電價?？煽啃噪妰r包含高可靠性電價和可中斷電價?？芍袛嚯妰r實則是在供電可靠性水平較低的情況下，根據(jù)事先供電商與用戶之間簽訂的合同，供電商有權(quán)在高峰時對可中斷用戶停止供電，從而達(dá)到調(diào)峰、提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的而制定出的低可靠性電價。兩者都是考慮供電可靠性因素而制定的電價。高可靠性說明用戶在發(fā)生供電中斷時的損失較大，供電商需對其進(jìn)行相應(yīng)賠償，這類用戶對持續(xù)供電要求較高，在本文中設(shè)定為不允許停電時事件的發(fā)生；可中斷負(fù)荷反映了用戶的負(fù)荷級別低，其對供電持續(xù)性的要求不高，甚至允許供電中斷，也就意味著較低的電價和較低的可靠性。

2)補(bǔ)償/懲罰機(jī)制。通過制定相應(yīng)的補(bǔ)償或懲罰機(jī)制，激勵用戶積極響應(yīng)電力系統(tǒng)有序用電，提升錯避峰能力，從而以最小的有序用電成本實現(xiàn)更為可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。對各行業(yè)用戶補(bǔ)償/懲罰機(jī)制越完善，則用戶的錯避峰能力就越大。

根據(jù)對以上二級指標(biāo)的分析，最終構(gòu)建的用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估指標(biāo)體系如表1所示。

表1 用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估指標(biāo)體系

1.2 基于AHP的指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)以上指標(biāo)體系的建立，本文運(yùn)用AHP法確定各級指標(biāo)權(quán)重，按照層次分析法的思路和操作步驟，首先確定一級指標(biāo)層的相對權(quán)重，計算結(jié)果如表2所示。

表2 一級指標(biāo)層規(guī)范化判斷矩陣

矩陣特征向量W=(0.083,0.664,0.190,0.063)，最大特征根λmax=4.246，一致性評價指標(biāo)CR=0.091<0.1，滿足一致性檢驗。

對二級指標(biāo)構(gòu)造兩兩判斷矩陣，判斷矩陣均通過一致性檢驗。計算得到各指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

表3 評價指標(biāo)體系權(quán)重

1.3 基于AHP-灰色關(guān)聯(lián)分析法的需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估模型

需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估系統(tǒng)是一個灰色系統(tǒng)。首先，影響需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力的因素較多，只能篩選出較為重要的指標(biāo)對其進(jìn)行綜合評價；其次，需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估中的一些因素為不確定因素，構(gòu)建的評價指標(biāo)中僅部分?jǐn)?shù)據(jù)已知，因此可應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析理論解決用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估問題。

灰色關(guān)聯(lián)分析是依據(jù)各指標(biāo)變化曲線所呈現(xiàn)幾何形狀的相似程度來判斷評價指標(biāo)間的強(qiáng)弱、大小和次序等關(guān)聯(lián)程度的方法，幾何形狀越接近，其關(guān)聯(lián)度越大。關(guān)聯(lián)序是反映各評價對象對理想對象的接近次序，即評價對象的優(yōu)劣次序，其中灰色關(guān)聯(lián)度最大的評價對象為最優(yōu)。結(jié)合層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的特點，本文提出AHP-灰色關(guān)聯(lián)分析法對需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力進(jìn)行。采用層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，用灰色關(guān)聯(lián)分析法確定關(guān)聯(lián)度，從而對評價對象進(jìn)行綜合評價，該方法克服了AHP方法主觀性較強(qiáng)、灰色關(guān)聯(lián)分析法無法體現(xiàn)不同指標(biāo)重要程度差異的缺點。基于激勵的需求側(cè)靈活資源可調(diào)度潛力評估模型的評價步驟如下：

1)建立指標(biāo)評價體系。前文已經(jīng)對用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估的指標(biāo)體系做出了詳細(xì)的闡述。

2)確定分析數(shù)列。設(shè)i為第i個評價對象的序號，i=1,2,…,m，k為第k個評價指標(biāo)的序號，k=1,2,…,n；vik為第i個評價對象的第k個指標(biāo)的評價值，V為m個評價對象的用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估指標(biāo)值。

(1)

其中，m為評價對象的個數(shù)；n為評價指標(biāo)的個數(shù)。

參考數(shù)據(jù)列可以是各指標(biāo)的最優(yōu)值或最劣值，也可根據(jù)綜合評價的目的合理選擇其它參考值，記作V0=(V01,V02,…,V0n)

3)對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化。本文采用的無量綱化方法為均值法，計算方法如下：

(2)

無量綱處理后，得：

(3)

4)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。把無量綱化后的數(shù)列X0=(X01,X02,…,X0n)作為參考數(shù)列，Xi=(Xi1,Xi2,…,Xin) (i=1,2,…,m)作為比較數(shù)列，關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算公式為

(4)

其中，ρ是分辨系數(shù)，ρ∈[0,1]，一般取ρ=0.5。

為了計算簡便，將在計算時選用各指標(biāo)的最優(yōu)值構(gòu)成參考數(shù)據(jù)列，并省略第3步，關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算公式為：

(5)

利用公式計算關(guān)聯(lián)系數(shù)ξik(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

(6)

其中，ξik為第i個評價對象第k個指標(biāo)與第k個參考指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

5)計算單層次的關(guān)聯(lián)度。利用層次分析法計算得到某層指標(biāo)相對于上層目標(biāo)的權(quán)重W=(w1,w2,…,wn)。則關(guān)聯(lián)度的計算公式是：

R=(ri)1×m=(r1,r2,…,rm)=WET

(7)

6)計算多層評價體系的最終關(guān)聯(lián)度。對一個L層的評價指標(biāo)體系，最終關(guān)聯(lián)度的計算方法如下：合成第k層各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到其隸屬的上一層，即第(k-1)層各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度；而后把該層計算得到的關(guān)聯(lián)度作為原始數(shù)據(jù)，繼續(xù)合成得到第(k-2)層各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度，重復(fù)以上步驟，直到求出最終關(guān)聯(lián)度時停止。

若選擇AHP法己求得層次總排序的權(quán)重，合并步驟中的第4步和第5步，最終關(guān)聯(lián)度為R=(ri)1×m=(r1,r2,…,rm)=WET，其中W為層次總排序的最終權(quán)重。

7)需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力排序。根據(jù)最終關(guān)聯(lián)度值進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度值是反映需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力的直觀依據(jù)。

1.4 需求側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估

本節(jié)以Z省為例，對不同類用戶的靈活資源可調(diào)度潛力進(jìn)行評估，將用戶分為四類，分別為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民用戶。

依據(jù)用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估指標(biāo)體系，設(shè)立了用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估評議表，邀請高校專家及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍省各產(chǎn)業(yè)情況進(jìn)行打分(0～100分)，將各項評分算術(shù)平均后得分析數(shù)列。

選取各行業(yè)指標(biāo)最優(yōu)值構(gòu)成最優(yōu)參考數(shù)列如下：

V0=[95.17,89.6,96.02,93.27,93.54,94.36,90.04,90.54,91.35,90.53,94.88]T

確定Δmax=25.73，Δmin=0。根據(jù)公式(5)得到關(guān)聯(lián)系數(shù)為

E=(ξik)m×n=

用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估指標(biāo)體系的最終權(quán)重是：

W=(0.0112,0.0413,0.0305,0.3577,0.0443,0.0910,0.1710,0.0475,0.1425,0.0210,0.0420)

由R=W·E得第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民用戶的灰色關(guān)聯(lián)度分別為：0.770 2，0.923 7，0.743 2，0.646 1，所以得到的各行業(yè)可調(diào)度潛力比較最終結(jié)果為：第二產(chǎn)業(yè)>第一產(chǎn)業(yè)>第三產(chǎn)業(yè)>居民。

圖1 各類用戶的灰色關(guān)聯(lián)度

根據(jù)關(guān)聯(lián)度公式得出的評價結(jié)果，關(guān)聯(lián)度越大可調(diào)度潛力越大。根據(jù)排序，第二產(chǎn)業(yè)用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力最大，第一產(chǎn)業(yè)較大，第三產(chǎn)業(yè)較小，居民用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力最小。

2 結(jié)論

本文主要是對用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力進(jìn)行評估，首先對用戶側(cè)靈活資源進(jìn)行概述，包括對靈活資源的定義及特點、分類等進(jìn)行介紹。然后通過用戶基本情況、錯避峰潛力、成本因素和激勵因素四個方面建立了基于激勵的用戶側(cè)資源潛力評估指標(biāo)體系，并對各指標(biāo)進(jìn)行了解釋說明。運(yùn)用了AHP法確定指標(biāo)權(quán)重，建立了基于AHP-灰色關(guān)聯(lián)分析的用戶側(cè)靈活資源的可調(diào)度潛力評估模型，將用戶分為四類，分別為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民用戶，基于Z省的實際情況對不同類用戶的靈活資源可調(diào)度潛力運(yùn)用模型進(jìn)行算例分析，根據(jù)關(guān)聯(lián)度排序得到的各行業(yè)可調(diào)度潛力比較最終結(jié)果為：第二產(chǎn)業(yè)>第一產(chǎn)業(yè)>第三產(chǎn)業(yè)>居民。