林琳,高雪,甄釗

(1.保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，河北 保定 071051；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

0 引 言

需求響應(yīng)是指調(diào)整電價(jià)或給予用戶經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，讓用戶參與到電力市場中，主動(dòng)調(diào)節(jié)用電模式，直接或間接地參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控。一般來說，需求響應(yīng)可以分為兩類：基于價(jià)格型和基于激勵(lì)型的需求響應(yīng)項(xiàng)目[1]。需求響應(yīng)聚合商通過不同的需求響應(yīng)項(xiàng)目從用戶處獲得需求響應(yīng)容量，然后在電力市場進(jìn)行交易[2-3]。例如，激勵(lì)型需求響應(yīng)是指用戶簽訂協(xié)議合同，在用電高峰時(shí)段獲得一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，保證在特定時(shí)間段內(nèi)能夠降低用電量，以此實(shí)現(xiàn)減載的目的[4]。

為了計(jì)算每個(gè)參與者在需求響應(yīng)事件期間實(shí)現(xiàn)的負(fù)荷減少量，以確定應(yīng)給予每個(gè)參與者的獎(jiǎng)勵(lì)，需要估計(jì)用戶的基線負(fù)荷(customer baseline load, CBL)?；€負(fù)荷是指用戶在事件期間不執(zhí)行需求響應(yīng)，每小時(shí)消耗的負(fù)荷情況[5]。需求響應(yīng)執(zhí)行后，基線負(fù)荷減去電表采集的負(fù)荷情況就是用戶的負(fù)荷削減量。但是需求響應(yīng)一旦執(zhí)行后，真實(shí)的基線負(fù)荷曲線是無法得知的，只能對(duì)基線負(fù)荷進(jìn)行估計(jì)，估計(jì)數(shù)據(jù)越接近真實(shí)的基線數(shù)據(jù)則估計(jì)越準(zhǔn)確，計(jì)算的負(fù)荷削減量越精確。目前，國內(nèi)外許多研究學(xué)者對(duì)于基線負(fù)荷做了大量研究，國內(nèi)關(guān)于需求響應(yīng)開始較落后，主要針對(duì)負(fù)荷估計(jì)方面，而基線負(fù)荷大部分是在原有成果的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，國外關(guān)于基線負(fù)荷的計(jì)算方法較多。文獻(xiàn)[6]建立了一種基于用戶類型的計(jì)算方法，若用戶以前沒有參與過需求響應(yīng)項(xiàng)目，那么它的基線負(fù)荷計(jì)算值是前一個(gè)工作日的每小時(shí)平均值。若該用戶參加過需求響應(yīng)項(xiàng)目，則需要采用基線負(fù)荷公式進(jìn)行計(jì)算，新的公式通過賦予前一天和當(dāng)天的加權(quán)系數(shù)來避免某些用戶的投機(jī)行為。文獻(xiàn)[7]給出了日前需求響應(yīng)的基線負(fù)荷計(jì)算公式，將從前10 d的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)中提取平均負(fù)荷排在前5 d的數(shù)據(jù)作為參考，該方法操作簡單但預(yù)測精度低。

需求響應(yīng)作為需求側(cè)管理的解決方案之一，在智能電網(wǎng)中積極地發(fā)揮著作用。在激勵(lì)型需求響應(yīng)中，用基線負(fù)荷計(jì)算負(fù)荷削減量，給予用戶適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)補(bǔ)償。因此準(zhǔn)確的用戶基線負(fù)荷估計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)于需求響應(yīng)的實(shí)施至關(guān)重要。裝有分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶在參與激勵(lì)型需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)，耦合的實(shí)際負(fù)荷與光伏輸出功率變得更加波動(dòng)性和隨機(jī)性，給基線負(fù)荷的估計(jì)帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，本文提出了一種分布式光伏系統(tǒng)識(shí)別后光伏-負(fù)荷解耦的方法，對(duì)含有分布式光伏系統(tǒng)用戶的實(shí)際負(fù)荷與光伏輸出功率進(jìn)行解耦，分別進(jìn)行估算后再估計(jì)基線負(fù)荷。

1 含分布式光伏居民用戶的基線負(fù)荷估計(jì)方法

用戶安裝有分布式光伏系統(tǒng)，凈負(fù)荷曲線受到影響產(chǎn)生了變化。為了解決用戶的實(shí)際負(fù)荷與光伏出力耦合的問題，本文將用戶實(shí)際負(fù)荷和光伏輸出功率從凈負(fù)荷數(shù)據(jù)中解耦，再分別進(jìn)行估計(jì)，整體的方法流程如圖1所示。

圖1 含分布式光伏用戶基線負(fù)荷估計(jì)方法流程

1.1 凈負(fù)荷數(shù)據(jù)匹配

將用戶的凈負(fù)荷曲線與對(duì)照組用戶聚類中心的用電曲線進(jìn)行配對(duì)，采用歐氏距離和相關(guān)系數(shù)兩個(gè)計(jì)算值作為判斷曲線相似的評(píng)估指標(biāo)[8-9]。

(1) 歐式距離。歐式距離(全稱歐幾里德距離)是指空間中兩點(diǎn)之間的距離，如式(1)所示。它可以反映每個(gè)測量點(diǎn)上兩條曲線之間的差異。

(1)

式中：x和y分別為樣品曲線和測試曲線；i為測量點(diǎn)；K為測量點(diǎn)個(gè)數(shù)。

計(jì)算在時(shí)間t1處兩條曲線與樣本曲線y之差的比率。s(t1)的值越大，在時(shí)間t1處測試曲線x和樣品曲線y之間的偏差越大。

(2)

(3)

式中：s為比率，值在0到1的范圍內(nèi)。0～0.2表示兩條曲線具有高度相似性；0.2～0.5表示兩條曲線具有一定程度的相似性；0.5～0.8表示兩條曲線基本不同；而0.8～1.0表示兩條曲線非常不同。

(2) 相關(guān)系數(shù)。若兩條曲線的一部分差異很大，但是一些間隔值非常接近。歐式距離的計(jì)算不能反映曲線的總體趨勢，因此需要計(jì)算相關(guān)系數(shù)r以反映兩條曲線的趨勢，x為樣品曲線，y為測試曲線，其公式如式(4)所示。

(4)

式中：r為相關(guān)系數(shù)；xi和yi同時(shí)為兩條曲線上的對(duì)應(yīng)值。r的值在0到1的范圍內(nèi)，若r>0.8則認(rèn)為兩條曲線有很強(qiáng)的相關(guān)性。

(3) 曲線相似指標(biāo)。判斷兩條曲線之間的相似程度，s值越小，r值越大，兩條曲線越相似，即CSI值越接近2，兩條曲線越相似。

CSI=(1-s)+r

(5)

式中：CSI為兩條曲線的相似程度。

1.2 基線負(fù)荷的估計(jì)

(6)

式中:d為需求響應(yīng)日；D為天數(shù)集；t為需求響應(yīng)時(shí)間；α為時(shí)段。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算如式(7)～式(9)所示。

(7)

(8)

(9)

式中：i為每個(gè)用戶；M為用戶集；d為需求響應(yīng)日；D為天數(shù)集；t為需求響應(yīng)時(shí)間；α為時(shí)段；std為標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算；avg為平均值的計(jì)算；pCBL,i(d,t)和pl,i(d,t)分別為估計(jì)的基線負(fù)荷和實(shí)際的基線負(fù)荷；Bias為偏差，偏差越接近零，則基線負(fù)荷估計(jì)方法越好；MAE為平均絕對(duì)誤差，較低的MAE值表示更準(zhǔn)確的估計(jì)結(jié)果；RER為相對(duì)誤差，其值越小，用戶的基準(zhǔn)誤差越穩(wěn)定。

2 含分布式光伏系統(tǒng)基線負(fù)荷估計(jì)仿真

采用數(shù)據(jù)庫中的100戶居民數(shù)據(jù)集，選擇一整年數(shù)據(jù)，采樣間隔為1 h，并對(duì)所有輸入的特征量均進(jìn)行了歸一化處理?？紤]到需求響應(yīng)事件日通常在電力系統(tǒng)高峰時(shí)期進(jìn)行，因此，將全年系統(tǒng)負(fù)荷在周末和節(jié)假日除外的最高的10 d選為需求響應(yīng)日，考慮到春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的不同用電習(xí)慣，選擇的10個(gè)需求響應(yīng)日時(shí)間分散在全年的用電高峰時(shí)期，需求響應(yīng)事件周期選擇為10∶00—14∶00[12-13]。

將100個(gè)用戶隨機(jī)分為70個(gè)需求響應(yīng)組用戶和30個(gè)對(duì)照組用戶，將程序運(yùn)行100次，分別采用直接估計(jì)法和光伏-負(fù)荷解耦法進(jìn)行基線負(fù)荷估計(jì)，得到100組的評(píng)價(jià)指標(biāo)，取其平均值作為最終仿真結(jié)果，如表1所示。

在評(píng)估指標(biāo)中，負(fù)值表示估計(jì)值小于實(shí)際值。正值表示高于實(shí)際值。可以看出，在偏差和MAE方面，所提出光伏-負(fù)荷解耦的方法優(yōu)于直接估計(jì)法。也就是說，當(dāng)用戶安裝有分布式光伏系統(tǒng)時(shí)，光伏-負(fù)荷解耦法可以直接從凈負(fù)荷數(shù)據(jù)中提取信息，提高了基線負(fù)荷估計(jì)的準(zhǔn)確性。圖2為某需求響應(yīng)的日負(fù)荷曲線。

表1 含分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)基線負(fù)荷估計(jì)結(jié)果

圖2 某需求響應(yīng)用戶的日負(fù)荷曲線

從圖2可知，前7 d用電曲線相似，從第8 d開始用電曲線發(fā)生了明顯變化，需求響應(yīng)事件日的用電曲線急劇增加。這可能是因?yàn)閺牡? d到第11 d的分布式光伏輸出功率急劇降低，導(dǎo)致凈負(fù)荷曲線發(fā)生了變化。特別是用電曲線的巨大波動(dòng)，導(dǎo)致很難區(qū)分出是分布式光伏系統(tǒng)輸出功率的減少還是實(shí)際負(fù)荷功率增加的原因。在這種情況下，如果仍然使用常用的平均方法來直接估計(jì)基線負(fù)荷，則將導(dǎo)致很大的誤差，不利于需求響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施[14-15]。圖3為某需求響應(yīng)用戶的基線負(fù)荷估計(jì)結(jié)果。

圖3 某需求響應(yīng)用戶的基線負(fù)荷估計(jì)結(jié)果

從圖3可以看出，提出的解耦方法準(zhǔn)確性明顯高于直接估計(jì)方法。對(duì)于需求響應(yīng)的執(zhí)行效果來說，影響實(shí)施的因素很多，例如需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間、光伏系統(tǒng)出力時(shí)段和對(duì)照組大小等。為了分析需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間對(duì)方法性能的影響，可以將需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間設(shè)置為1～8 h不同時(shí)間段。程序運(yùn)行100次并計(jì)算每一次不同持續(xù)時(shí)間下的估計(jì)結(jié)果，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，偏差值均為負(fù)，表示估算方法在不同的需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間內(nèi)始終低估實(shí)際的基線負(fù)荷。隨著需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間的增加，偏差越來越小，表示所提出方法的估計(jì)結(jié)果越來越小。這是因?yàn)槠罟烙?jì)有正有負(fù)，進(jìn)行疊加抵消，使得估計(jì)的總偏差隨著時(shí)間寬度的增加而逐漸減小，分布式光伏系統(tǒng)的輸出功率對(duì)凈負(fù)荷曲線的影響程度隨著需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間的增加而逐漸減小。也就是說，隨著需求響應(yīng)時(shí)間的增加，高估負(fù)荷和低估負(fù)荷相抵消，使總體估計(jì)偏差值變??；而MAE的值由于估計(jì)偏差的累積，隨著需求響應(yīng)事件持續(xù)時(shí)間的增加而增加。

圖4 不同需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間下的評(píng)價(jià)指標(biāo)分布

3 結(jié)束語

由于分布式光伏輸出功率與用戶實(shí)際負(fù)荷功率的耦合增加了凈負(fù)荷的波動(dòng)性和不確定性，因此本文提出一種對(duì)用戶實(shí)際負(fù)荷和光伏出力進(jìn)行數(shù)據(jù)解耦的方法來估計(jì)基線負(fù)荷。首先根據(jù)用戶特點(diǎn)分為對(duì)照組和需求響應(yīng)組，估算用戶的實(shí)際負(fù)荷；然后利用估算得到的用戶實(shí)際負(fù)荷，得到用戶每日的光伏出力估算值；接著將估算得到的用戶實(shí)際負(fù)荷與光伏輸出功率在需求響應(yīng)時(shí)段內(nèi)進(jìn)行疊加，得到用戶的基線負(fù)荷估計(jì)值；最后給出了對(duì)于基線負(fù)荷估計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

為了驗(yàn)證方法的有效性和可行性，采用真實(shí)的數(shù)據(jù)集對(duì)分布式系統(tǒng)的識(shí)別和基線負(fù)荷估計(jì)進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明：采用的典型凈負(fù)荷曲線參數(shù)特征作為輸入變量的分布式光伏系統(tǒng)識(shí)別模型具有很好的識(shí)別能力；與凈負(fù)荷數(shù)據(jù)直接估計(jì)基線負(fù)荷方法進(jìn)行對(duì)比，提出的光伏-負(fù)荷解耦法有著更好的基線負(fù)荷估計(jì)的準(zhǔn)確性。