陳玉偉，吳夕純，周 林

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

為支撐國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以風(fēng)電、光伏等新能源為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)已成為我國(guó)電力能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)。新能源的高比例接入加劇了電網(wǎng)的隨機(jī)性波動(dòng)，僅依靠發(fā)電側(cè)常規(guī)電源有限的靈活性資源已難以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求，加快挖掘響應(yīng)速度快、成本低的負(fù)荷側(cè)靈活性資源，為電網(wǎng)功率平衡提供輔助服務(wù)，已是電網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然要求[1-2]。工業(yè)用戶作為最大的電力消費(fèi)主體，其負(fù)荷靈活性資源的價(jià)值開(kāi)始引起廣泛關(guān)注。工業(yè)和信息化部出臺(tái)的《工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理工作指南》指出，要大力鼓勵(lì)工業(yè)用能單位積極參與需求側(cè)響應(yīng)。隨著電力輔助服務(wù)的不斷推進(jìn)，工業(yè)用戶負(fù)荷的靈活性價(jià)值將被優(yōu)先挖掘和應(yīng)用，為電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻提供常態(tài)化服務(wù)。

因此，以高耗能工業(yè)負(fù)荷為例，對(duì)其需求側(cè)響應(yīng)的適應(yīng)性和負(fù)荷靈活性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，選取紡織企業(yè)為研究對(duì)象，建立以用電成本最小化為目標(biāo)函數(shù)的柔性作業(yè)調(diào)度數(shù)學(xué)模型，對(duì)其在需求側(cè)響應(yīng)方面的策略進(jìn)行探索，并結(jié)合湖州電網(wǎng)2022 年迎峰度夏期間移峰填谷的實(shí)踐情況，對(duì)高耗能工業(yè)負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 高耗能工業(yè)負(fù)荷適應(yīng)性及靈活性分析

1.1 適應(yīng)性分析

工業(yè)負(fù)荷是國(guó)內(nèi)最大的電能用戶，其中僅高耗能企業(yè)用電量就約占全社會(huì)用電量近50 %。在傳統(tǒng)運(yùn)行控制模式下，高耗能工業(yè)(如鋼鐵、水泥、紡織、化工等)日負(fù)荷率平穩(wěn)集中，基本不向電網(wǎng)提供靈活性響應(yīng)[3]。與其他用電負(fù)荷相比，新型電力系統(tǒng)下高耗能工業(yè)負(fù)荷的靈活性資源價(jià)值具有多重優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)參與電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)：一是單體容量大、物理集中，單個(gè)用戶即可提供較大的靈活性響應(yīng)容量；二是氣候敏感度低，靈活性響應(yīng)資源基本不受季節(jié)性影響；三是企業(yè)數(shù)字化、智能化水平高，各類用電設(shè)備可自動(dòng)靈活控制，響應(yīng)迅速，直接改造成本低；四是工業(yè)電價(jià)峰谷差大，用戶參與需求側(cè)響應(yīng)積極性高；五是法人資格明確，資產(chǎn)歸屬清晰，以大用戶身份參與市場(chǎng)門檻低，軟環(huán)境相對(duì)寬松。

1.2 靈活性分析

根據(jù)高耗能企業(yè)用電設(shè)備類型和生產(chǎn)流程特點(diǎn)，各典型高耗能負(fù)荷的靈活性響應(yīng)模式和潛力分析如下。

1) 溫度控制模式，如電解、制冷等流程，涉及生產(chǎn)環(huán)境溫度控制。在確保一定時(shí)段內(nèi)輸入輸出熱平衡的前提下，該類工業(yè)用戶可通過(guò)調(diào)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)外部溫度，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，其溫度調(diào)節(jié)范圍的大小決定了該類負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)的潛力。

2) 生產(chǎn)節(jié)奏模式，如鋼鐵企業(yè)軋鋼等環(huán)節(jié)。其生產(chǎn)設(shè)備雖多為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但各類產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程卻是間斷的，該類工業(yè)用戶可通過(guò)對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏的靈活控制實(shí)現(xiàn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整，其生產(chǎn)節(jié)奏的快慢直接決定負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)的潛力。

3) 倉(cāng)儲(chǔ)容量模式，如水泥、紡織等生產(chǎn)，為保證生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)性，會(huì)根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)備有一定的倉(cāng)儲(chǔ)容量。當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中某一中間環(huán)節(jié)突發(fā)故障時(shí)，可對(duì)上一環(huán)節(jié)半成品進(jìn)行暫時(shí)保存，并調(diào)用倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)的其他中間產(chǎn)品以維持后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性。該類工業(yè)用戶可通過(guò)在一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)關(guān)停某些生產(chǎn)設(shè)備的方式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)負(fù)荷的柔性調(diào)節(jié)，其倉(cāng)儲(chǔ)容量的大小決定了企業(yè)負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)的潛力。

2 紡織企業(yè)參與調(diào)峰輔助服務(wù)的策略分析

紡織企業(yè)是一種常見(jiàn)的高耗能工業(yè)用戶，為全天連續(xù)生產(chǎn)模式，其生產(chǎn)過(guò)程可以簡(jiǎn)化為如圖1 所示的一條線性生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)[4]。在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，上下游機(jī)器之間引入有緩存?zhèn)}儲(chǔ)，以保障某一中間環(huán)節(jié)突發(fā)故障時(shí)后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性。通過(guò)調(diào)節(jié)上下游機(jī)器的啟停組合，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)形成紡織企業(yè)參與調(diào)峰輔助服務(wù)的策略。

圖1 紡織企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程

工業(yè)生產(chǎn)中將求解各機(jī)器之間最優(yōu)啟停組合，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)效益最高的資源規(guī)劃分配問(wèn)題稱為柔性作業(yè)調(diào)度問(wèn)題(flexible job-shop scheduling problem，F(xiàn)JSP)[5-6]。紡織企業(yè)的負(fù)荷調(diào)節(jié)行為即可歸屬到柔性作業(yè)調(diào)度問(wèn)題。因此，以下采用柔性作業(yè)調(diào)度方法對(duì)紡織企業(yè)參與調(diào)峰輔助服務(wù)的策略進(jìn)行分析。

2.1 柔性作業(yè)調(diào)度數(shù)學(xué)描述

首先建立紡織企業(yè)柔性作業(yè)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型。在柔性作業(yè)調(diào)度下，紡織企業(yè)參與調(diào)峰輔助服務(wù)，企業(yè)設(shè)備用電成本最小化的目標(biāo)函數(shù)可表示如下。

式中：FM，t、FC，t分別表示時(shí)段t內(nèi)機(jī)器與緩存?zhèn)}儲(chǔ)的用電成本函數(shù)，可近似認(rèn)為與每臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)對(duì)象個(gè)數(shù)和倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)象個(gè)數(shù)成正比；ΔP為企業(yè)移峰電量；w為激勵(lì)補(bǔ)償系數(shù)，這是將其設(shè)置為0.65元/kWh。

以圖1 所示的線性生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)為例，假定紡織企業(yè)所有待生產(chǎn)對(duì)象必須依次經(jīng)過(guò)每一臺(tái)機(jī)器加工直至最后一臺(tái)機(jī)器，才能最終加工為成品，則圖1 所示生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)過(guò)程約束可按公式(2)～(5)進(jìn)行描述。

式中：Mt，i、Ct，j分別表示時(shí)段t中第i臺(tái)機(jī)器與第j個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)中生產(chǎn)對(duì)象的個(gè)數(shù)；為第i臺(tái)機(jī)器與第j個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)應(yīng)時(shí)段的最大生產(chǎn)個(gè)數(shù)和最大緩存?zhèn)€數(shù)；式(4)為機(jī)器的行為約束，表示時(shí)段t中第i臺(tái)機(jī)器的加工數(shù)量不大于上一時(shí)段上一級(jí)機(jī)器和倉(cāng)儲(chǔ)中的產(chǎn)品數(shù)量之和；式(5)則為倉(cāng)儲(chǔ)中緩存對(duì)象流入、流出之間的平衡約束。

進(jìn)一步假定在每一個(gè)調(diào)度周期開(kāi)始(t=1)和結(jié)束(t=T)時(shí)，所有緩存?zhèn)}儲(chǔ)中均沒(méi)有半成品，則有如下約束。

最后，生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)除滿足上述約束外，還應(yīng)滿足一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)最小目標(biāo)生產(chǎn)數(shù)，記NTAR為一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)最小目標(biāo)生產(chǎn)數(shù)，則：

2.2 決策分析

結(jié)合圖1，構(gòu)建一條共由5 臺(tái)生產(chǎn)機(jī)器和4 個(gè)緩存?zhèn)}儲(chǔ)組成的紡織企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)機(jī)器和緩存?zhèn)}儲(chǔ)的參數(shù)如表1 所示。

表1 生產(chǎn)機(jī)器和緩存?zhèn)}儲(chǔ)的參數(shù)

假設(shè)電力市場(chǎng)為工業(yè)用戶調(diào)峰輔助服務(wù)提供的價(jià)格型激勵(lì)分時(shí)電價(jià)表如表2 所示。

表2 分時(shí)電價(jià)

將企業(yè)一天生產(chǎn)過(guò)程均分為T=24 個(gè)生產(chǎn)調(diào)度時(shí)段，規(guī)定一條生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)調(diào)度周期的生產(chǎn)任務(wù)為25 個(gè)生產(chǎn)對(duì)象，每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象代表紡織工業(yè)中的1 000 m 機(jī)織染整布。基于表2 所示的需求側(cè)響應(yīng)分時(shí)電價(jià)表，對(duì)目標(biāo)函數(shù)式(1)在式(2)～(8)約束下進(jìn)行模擬求解，得到紡織企業(yè)用電成本最小化生產(chǎn)調(diào)度甘特圖(見(jiàn)圖2)。

圖2 用電成本最小化生產(chǎn)調(diào)度甘特圖

由圖2 可知，基于電力市場(chǎng)為紡織企業(yè)調(diào)峰輔助服務(wù)提供的價(jià)格激勵(lì)，紡織企業(yè)在滿足生產(chǎn)約束的條件下，以柔性調(diào)度作業(yè)的方式，在尖峰供電時(shí)段，將部分機(jī)器關(guān)停，并將中間產(chǎn)品放入緩存?zhèn)}儲(chǔ)，暫停生產(chǎn)任務(wù)；而在低谷供電時(shí)段，則啟動(dòng)全部機(jī)器，從緩存?zhèn)}儲(chǔ)中取出中間產(chǎn)品，繼續(xù)后續(xù)生產(chǎn)。由此，紡織企業(yè)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，主動(dòng)避開(kāi)電網(wǎng)尖峰供電時(shí)段，通過(guò)主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)，保障了電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 運(yùn)行實(shí)踐

近年來(lái)，湖州電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，在電網(wǎng)發(fā)用電平衡和柔性保供方面時(shí)刻面臨著較大壓力。為此，國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司以電力輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)為契機(jī)，對(duì)高耗能工業(yè)用電負(fù)荷的靈活性進(jìn)行挖掘分析。針對(duì)紡織工業(yè)、金屬制品業(yè)等具備較高靈活性資源潛力的高耗能工業(yè)大戶，以政企聯(lián)動(dòng)為模式，全力推動(dòng)其進(jìn)行負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)改造，建立起電網(wǎng)運(yùn)行所需的靈活性資源常態(tài)化響應(yīng)機(jī)制，為電網(wǎng)提供安全、可靠的輔助服務(wù)，不僅實(shí)現(xiàn)了企業(yè)自身用電成本的最小化，還通過(guò)削峰填谷等方式高效應(yīng)對(duì)了負(fù)荷高峰時(shí)段電網(wǎng)電力供應(yīng)緊張的挑戰(zhàn)。

在2022 年迎峰度夏期間，以紡織業(yè)、金屬制品業(yè)為代表等工業(yè)用戶在電網(wǎng)供電高峰時(shí)段主動(dòng)參與需求響應(yīng)，通過(guò)柔性作業(yè)方式將6 萬(wàn)kW 左右的工業(yè)負(fù)荷調(diào)整到夜間低谷供電時(shí)段(見(jiàn)圖3)。在保證企業(yè)正常生產(chǎn)的同時(shí)，有效緩解了電網(wǎng)供需矛盾及超重載斷面越限的情況，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)安全運(yùn)行和企業(yè)用電成本最小化的雙贏目標(biāo)。

圖3 工業(yè)負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)情況

4 結(jié)束語(yǔ)

在新型電力系統(tǒng)下，為抵消電源側(cè)新能源出力的隨機(jī)波動(dòng)，負(fù)荷側(cè)亟待更多的靈活性資源參與電網(wǎng)的功率平衡調(diào)節(jié)。因此，具有高靈活性資源價(jià)值的負(fù)荷將更優(yōu)先受到電網(wǎng)歡迎。與其他用戶負(fù)荷相比，高耗能工業(yè)負(fù)荷具有單體容量大、氣候敏感度低、設(shè)備智能化水平高、準(zhǔn)入門檻低等優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)于參與電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)。

根據(jù)高耗能企業(yè)用戶電設(shè)備類型和生產(chǎn)流程特點(diǎn)，以紡織企業(yè)為例，在分析其負(fù)荷靈活性的基礎(chǔ)上，以柔性作業(yè)調(diào)度為手段，對(duì)其參與電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)的策略進(jìn)行探索。結(jié)果表明在調(diào)峰輔助服務(wù)提供的價(jià)格激勵(lì)下，紡織企業(yè)用戶可通過(guò)柔性調(diào)度作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)負(fù)荷曲線的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，降低用電尖峰時(shí)段負(fù)荷，完成電網(wǎng)負(fù)荷移峰填谷，增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。湖州電網(wǎng)2022 年迎峰度夏期間移峰填谷實(shí)踐情況顯示出高耗能工業(yè)負(fù)荷靈活性資源的價(jià)值。隨著電網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)高耗能工業(yè)負(fù)荷靈活性資源價(jià)值進(jìn)行挖掘和應(yīng)用，多措并舉引導(dǎo)高耗能工業(yè)用戶參與電網(wǎng)輔助服務(wù)，使高耗能工業(yè)負(fù)荷在維護(hù)電網(wǎng)安全和促進(jìn)新能源消納中發(fā)揮更為重要的角色，助力推動(dòng)工業(yè)用能從能耗雙控到碳排放雙控轉(zhuǎn)變。