智能電網(wǎng)中的柔性負(fù)荷

孫偉卿，王承民，張 焰

（上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷需求日益增大，現(xiàn)有電力系統(tǒng)正不斷接近或已經(jīng)超過系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的極限。與此同時(shí)，以煤炭為主要能量來源的傳統(tǒng)發(fā)電模式正面臨資源枯竭、氣候變暖以及環(huán)境污染等一系列問題[1]。在此背景下，新一輪的世界能源變革拉開帷幕，智能電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，并成為目前世界電力發(fā)展的新趨勢[2]。

智能電網(wǎng)是現(xiàn)代先進(jìn)電力系統(tǒng)的統(tǒng)稱。智能電網(wǎng)的最重要基礎(chǔ)是堅(jiān)強(qiáng)，靈活是它的重要特性。靈活性貫穿于電力系統(tǒng)生產(chǎn)、運(yùn)行以及管理的整個(gè)過程，如：靈活接入可再生能源（包括大規(guī)模和分布式）、靈活安排運(yùn)行方式、靈活安排負(fù)荷用電等。同樣，堅(jiān)強(qiáng)可靠的網(wǎng)架也是電網(wǎng)安全靈活運(yùn)行的基本保障[3]。

加強(qiáng)電源、電網(wǎng)及其配套設(shè)施的建設(shè)是安全、清潔、高效電力系統(tǒng)的重要硬件基礎(chǔ)。加強(qiáng)需求側(cè)管理，以市場機(jī)制引導(dǎo)電力用戶錯(cuò)峰填谷，選擇清潔高效的能源，是智能電網(wǎng)建設(shè)過程中極其重要的一項(xiàng)工作[4]。

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化分析中，電力負(fù)荷總是被電網(wǎng)決策者視為被動(dòng)接受的、剛性的系統(tǒng)參數(shù)。為了考慮負(fù)荷不確定性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，廣大電力研究者開展了隨機(jī)潮流[5]、模糊潮流[6]、概率潮流[7]等方面的研究。無論怎樣考慮負(fù)荷的不確定性，電力負(fù)荷總是單向的被服務(wù)者，并不反作用于電力供應(yīng)方。但是，在面臨資源枯竭、環(huán)境惡化等多重問題的今天，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與電網(wǎng)雙向互動(dòng)，使其成為一類靈活可變的柔性系統(tǒng)參數(shù)具有十分顯著的現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)橥ㄟ^負(fù)荷主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行控制，可以達(dá)到增加可再生能源接入、降低資源消耗、提高電力資產(chǎn)利用率等目的。負(fù)荷的這種靈活可變的特性稱為“負(fù)荷柔性”，相應(yīng)地，具有柔性特征的負(fù)荷稱為“柔性負(fù)荷”。

“互動(dòng)性”作為現(xiàn)代智能電網(wǎng)的最重要特征之一，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將從電網(wǎng)-負(fù)荷互動(dòng)特性改善電力系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)理、電力網(wǎng)與通信網(wǎng)總體系統(tǒng)框架、柔性負(fù)荷的實(shí)現(xiàn)與控制方法等幾個(gè)角度，闡述負(fù)荷柔性應(yīng)用于電網(wǎng)優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)手段與關(guān)鍵技術(shù)，并展望了柔性負(fù)荷的發(fā)展前景。

1 利用負(fù)荷柔性提高電力系統(tǒng)運(yùn)行水平

現(xiàn)代電力系統(tǒng)正面臨資源枯竭、環(huán)境污染等問題帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，智能電網(wǎng)必須從“開源”和“節(jié)流”2個(gè)方面入手，減少資源消耗、降低污染物排放、提高資產(chǎn)利用效率?！伴_源”指的是積極發(fā)展可再生能源與分布式能源發(fā)電技術(shù)，補(bǔ)充傳統(tǒng)火電供給的不足；“節(jié)流”指的是提高火電發(fā)電效率，提高電力資產(chǎn)利用率，以最小的資源消耗產(chǎn)生最大的社會(huì)效益。在實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的過程中，充分發(fā)揮電力負(fù)荷的靈活性具有積極的意義。

1.1 增加分布式能源接入

為緩解傳統(tǒng)的以煤炭、石油等礦物資源為燃料的火力發(fā)電不足的問題，以風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電為代表的新型清潔、可再生能源發(fā)電技術(shù)近年來得到快速發(fā)展。其中，風(fēng)力發(fā)電因風(fēng)能資源巨大、發(fā)電成本相對(duì)低廉以及具有大規(guī)模并網(wǎng)的潛力而受到各國的青睞。

但是，風(fēng)電出力隨機(jī)性強(qiáng)，波動(dòng)幅度大，間歇性明顯，波動(dòng)頻率也無規(guī)律性，在極端情況下，風(fēng)電出力可能在0～100%范圍內(nèi)變化[8]。針對(duì)這一問題，提出了“電網(wǎng)友好”的概念[9]，目前開展的研究主要集中在從調(diào)度的角度評(píng)估安全的風(fēng)電接入容量[10],[11]。在這些研究中，電力負(fù)荷根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果被視為固定值。文獻(xiàn)[12]提出一種實(shí)時(shí)響應(yīng)風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)的電力需求側(cè)管理方法，電網(wǎng)中的柔性負(fù)荷根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的大小調(diào)整自身負(fù)荷功率的大小，從而減輕風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的影響。

如果電力負(fù)荷可以變得智能化，根據(jù)電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電出力的波動(dòng)，靈活地調(diào)整負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率，就可以進(jìn)一步加大風(fēng)力發(fā)電的接入容量。

1.2 改善電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與安全性

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市電網(wǎng)峰谷負(fù)荷差不斷增大。過大的峰谷負(fù)荷差，在要求電網(wǎng)增加固定資產(chǎn)投資、加強(qiáng)電源和電網(wǎng)建設(shè)以滿足峰荷需求的同時(shí)，也造成谷荷時(shí)大量電力資產(chǎn)利用率低下，甚至被迫閑置。此外，發(fā)電機(jī)組發(fā)電成本與輸電線路損耗與其發(fā)出或傳輸?shù)挠泄β实钠椒匠烧鹊奶匦裕苍斐煞搴蓵r(shí)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的下降。鑒于以上原因，將部分峰荷時(shí)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到谷荷有利于提高電力資產(chǎn)利用效率，同時(shí)還可以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

另一方面，極端的負(fù)荷水平勢必導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行在其安全穩(wěn)定運(yùn)行約束的邊緣，帶來系統(tǒng)安全隱患。作為保障電網(wǎng)運(yùn)行安全的第三道也是最后一道防線，超出電網(wǎng)輸送能力極限部分的負(fù)荷將被切除以保障整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行[13]。智能電網(wǎng)中，電力調(diào)度部門在電力供應(yīng)緊張時(shí)，通過發(fā)布電價(jià)或其它激勵(lì)信息，引導(dǎo)柔性電力負(fù)荷主動(dòng)避開用電高峰，選擇價(jià)格更加低廉的其它時(shí)段的電量，從而減少切負(fù)荷情況的發(fā)生，減少電力系統(tǒng)負(fù)荷損失。

1.3 電動(dòng)汽車充放電控制

電動(dòng)汽車作為清潔能源產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支，具有其特殊性。電動(dòng)汽車不僅是電能的使用者，同時(shí)也可以作為移動(dòng)的、分布式儲(chǔ)能單元接入電網(wǎng)[14]。與其它負(fù)荷相比，電動(dòng)汽車不但能夠起到更好的削峰填谷的作用，而且還能作為系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用。

電動(dòng)汽車充電行為的不確定性，勢必對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度帶來沖擊[15]。研究表明，大量電動(dòng)汽車的無序充電會(huì)顯著增大配電系統(tǒng)網(wǎng)損，并損害電能質(zhì)量；反之，如果對(duì)電動(dòng)汽車的充電行為進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，則可以化不利為有利，降低系統(tǒng)的峰荷需求，并在很大程度上減輕上述負(fù)面影響[16],[17]。

在更完善的智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車將作為電能雙向交易者，在電網(wǎng)谷荷時(shí)以低廉的電價(jià)購入電能，滿足自身使用需要；在峰荷時(shí)高價(jià)賣出電能或充當(dāng)備用電源以獲取利潤?？傊晟频氖袌雠c管理機(jī)制，不但可以消除電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響，而且可以將數(shù)量龐大的電動(dòng)汽車作為柔性負(fù)荷加以利用，改善電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

2 雙向互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

智能電網(wǎng)支持電網(wǎng)與用戶的互動(dòng)，一是應(yīng)用智能電能表，實(shí)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)電價(jià)，讓用戶自行選擇用電時(shí)段；二是允許用戶擁有的分布式電源（包括電動(dòng)車等）向電網(wǎng)送電[18]。

2.1 總體框架

實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與負(fù)荷之間能量流和信息流的雙向互動(dòng)，必須依賴于完善的電力輸送和信息通信系統(tǒng)[19]。在傳統(tǒng)的電力輸配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建設(shè)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷之間強(qiáng)大的互聯(lián)通信系統(tǒng)已成為智能電網(wǎng)的重要特征之一。智能電網(wǎng)電力網(wǎng)與通信網(wǎng)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)電力網(wǎng)與通信網(wǎng)系統(tǒng)框圖

由圖1可見，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)不但增加了負(fù)荷端負(fù)荷與電網(wǎng)之間電力流的雙向傳輸，更增加了基于互聯(lián)網(wǎng)的信息監(jiān)測與通信系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與負(fù)荷狀態(tài)，調(diào)整電源出力，發(fā)布實(shí)時(shí)電價(jià)信息。與此同時(shí)，智能化的柔性負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)信息安排用電計(jì)劃，達(dá)到利益最大化的目的。文獻(xiàn)[20]提出智能電網(wǎng)中覆蓋電網(wǎng)全域的綜合處理電網(wǎng)信息的統(tǒng)一信息系統(tǒng)，并對(duì)其框架、功能和實(shí)現(xiàn)做了較為詳盡的介紹。

此外，電力流和信息流的雙向流動(dòng)必然推動(dòng)電力業(yè)務(wù)流的進(jìn)一步整合，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合[21]。例如：在智能電網(wǎng)中由于用戶側(cè)分布式發(fā)電裝置的存在，電力用戶在向電網(wǎng)支付用電費(fèi)用的同時(shí)，也向電網(wǎng)收取發(fā)電費(fèi)用，形成電網(wǎng)與用戶之間資金流的雙向流動(dòng)。

智能電網(wǎng)中電網(wǎng)-負(fù)荷的互動(dòng)特性主要體現(xiàn)在表1所列的幾個(gè)方面。

表1 電網(wǎng)-負(fù)荷互動(dòng)性在傳統(tǒng)電網(wǎng)與智能電網(wǎng)中的區(qū)別

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，階梯電價(jià)、分時(shí)（尖峰）電價(jià)等作為激勵(lì)機(jī)制在需求響應(yīng)領(lǐng)域已得到應(yīng)用，并取得了一定的效果。但是，無論是按用戶單位時(shí)間內(nèi)用電量分段計(jì)價(jià)的階梯電價(jià)，還是按不同用電時(shí)間進(jìn)行計(jì)價(jià)的分時(shí)（尖峰）電價(jià)，其計(jì)價(jià)區(qū)間的劃分方法都過于僵硬，缺乏靈活性，一定程度上甚至有失公平性[22]。

智能電網(wǎng)中的實(shí)時(shí)電價(jià)根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地發(fā)布電價(jià)信息，供用戶自主選擇，并通過價(jià)格杠桿提高能源的使用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，是一種公平、理想的電價(jià)機(jī)制。

2.2 國內(nèi)外建設(shè)現(xiàn)狀

美國科羅拉多州的博爾德（Boulder）在2008年成為了全球第一個(gè)智能電網(wǎng)城市。該市的每個(gè)家庭都安裝了智能電能表，人們可以直觀地了解即時(shí)電價(jià)，把洗衣服、燙衣服等事情安排在電價(jià)低的時(shí)間段。

日本發(fā)展智能電網(wǎng)的重點(diǎn)領(lǐng)域是新能源的開發(fā)與利用，其太陽能發(fā)電規(guī)模的長期目標(biāo)是于2020年和2030年分別達(dá)到28 GW和53 GW。此外，日本智能電網(wǎng)提倡“能源信息化”概念，除了注重大規(guī)模的輸電網(wǎng)智能化外，更加注重家庭與社區(qū)的高效率用電問題，開發(fā)家電對(duì)電力與能源消費(fèi)的“可視化”控制體系和電力信息傳送控制平臺(tái)，確保能源利用的信息化[23]。

在我國，發(fā)展智能電網(wǎng)的目標(biāo)是建設(shè)“統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，其要領(lǐng)是信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化。目前，國家電網(wǎng)第一批4個(gè)智能配電網(wǎng)建設(shè)試點(diǎn)城市（北京、廈門、杭州、銀川）均已完成智能發(fā)電、智能配電、智能用電、智能調(diào)劑等領(lǐng)域的試點(diǎn)任務(wù)。

3 柔性負(fù)荷的實(shí)現(xiàn)與控制

恰當(dāng)?shù)募?lì)機(jī)制是充分發(fā)揮負(fù)荷柔性作用，同時(shí)保障電力提供者和消費(fèi)者雙方利益的關(guān)鍵。由于各地區(qū)生活水平及用電習(xí)慣的差異，用戶對(duì)激勵(lì)機(jī)制的響應(yīng)行為也是一項(xiàng)值得研究的課題。

3.1 柔性負(fù)荷響應(yīng)行為研究

由于各地生活水平以及用電習(xí)慣的差異，負(fù)荷對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)的響應(yīng)行為不盡相同。但是，用電環(huán)境與用電模式相互影響，且具有一定規(guī)律[24]。

文獻(xiàn)[25]以用戶實(shí)現(xiàn)凈利潤最大化作為指導(dǎo)負(fù)荷電價(jià)敏感性分析的準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)跨時(shí)段負(fù)荷轉(zhuǎn)移。但是，現(xiàn)實(shí)中并不是所有用戶的用電行為都可以用利潤來準(zhǔn)確衡量，同時(shí)電力用戶也不可能對(duì)自己的用電行為進(jìn)行精確的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

柔性負(fù)荷對(duì)電價(jià)響應(yīng)行為的研究，應(yīng)該主要從以下2個(gè)方面著手：

（1）開展大范圍調(diào)查調(diào)研，研究負(fù)荷對(duì)電價(jià)響應(yīng)的靈敏程度，并對(duì)其進(jìn)行量化模擬。

（2）對(duì)當(dāng)?shù)仉娏τ脩粜袨檫M(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)研究，從用戶的歷史行為中挖掘信息，確定負(fù)荷中剛性部分與柔性部分的比重以及柔性負(fù)荷的行為機(jī)制。

3.2 激勵(lì)機(jī)制

在現(xiàn)有的負(fù)荷用電行為激勵(lì)機(jī)制中，以政策激勵(lì)與電價(jià)激勵(lì)為主。前者以政府干預(yù)為手段，指導(dǎo)電力用戶錯(cuò)峰用電，帶有一定的強(qiáng)制性，一般適用于工廠企業(yè)等用電大戶；后者以電價(jià)為激勵(lì)要素，應(yīng)用市場化的手段引導(dǎo)電力用戶主動(dòng)選擇谷時(shí)較為低廉的用電價(jià)格，從而達(dá)到削峰填谷的目的，適用于各種類型的電力用戶。

理想的電價(jià)定價(jià)機(jī)制應(yīng)該是：電力企業(yè)根據(jù)電力供需狀況以及電網(wǎng)中清潔能源的發(fā)電狀況，實(shí)時(shí)制定并發(fā)布電價(jià)信息，通過價(jià)格杠桿以市場化的手段調(diào)節(jié)負(fù)荷需求，從而實(shí)現(xiàn)降低發(fā)電成本、提高電力資產(chǎn)利用率及社會(huì)綜合效益的目的。進(jìn)一步加強(qiáng)電力市場化建設(shè)，放開電價(jià)管制是實(shí)現(xiàn)柔性負(fù)荷管理的關(guān)鍵所在。

4 柔性負(fù)荷模型

從負(fù)荷柔性的角度考慮，可以對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分。

第一類負(fù)荷為剛性負(fù)荷，其特征是電力的使用時(shí)間與數(shù)量與電價(jià)基本無關(guān)。此類負(fù)荷主要包括軍政機(jī)關(guān)用電，醫(yī)院的基本照明、制冷、制熱用電等，可以表示為式（1）的形式

第二類負(fù)荷為對(duì)電價(jià)敏感的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，此類負(fù)荷出于電價(jià)的考慮，可以將用電行為從電價(jià)較高的時(shí)刻轉(zhuǎn)移到電價(jià)較低的其它時(shí)刻，但是該用電行為及用電量仍會(huì)發(fā)生，如：工廠生產(chǎn)用電、居民洗衣用電等，可以表示為式（2）的形式

式中：T表示用電周期；λt表示t時(shí)段的實(shí)時(shí)電價(jià)。式（2）表示：第二類負(fù)荷對(duì)電價(jià)敏感，但是在一定的用電周期內(nèi)總用電量保持固定。

第三類負(fù)荷為對(duì)電價(jià)敏感的可削減負(fù)荷，此類負(fù)荷的用電行為具有較大的靈活性，當(dāng)其認(rèn)為電價(jià)過高（大于臨界心理價(jià)格）時(shí)即減少直至取消用電行為，但也不在另外的時(shí)間段繼續(xù)該用電行為，如：空調(diào)用電、娛樂用電等，可以表示為式（3）形式

式中：λL，λH表示用戶對(duì)電價(jià)敏感的臨界價(jià)格，P表示該類負(fù)荷中的最低保障性需求，即剛性部分。式（3）的含義是：對(duì)于第三類負(fù)荷，當(dāng)電價(jià)低于λL時(shí)，用電行為不受電價(jià)影響；當(dāng)電價(jià)高于λH時(shí)，僅使用可以維持正常生產(chǎn)和生活的最低保障性電能；而當(dāng)電價(jià)處于λL和λH之間時(shí)，用戶的用電行為是電價(jià)的函數(shù)。參數(shù)y表示除電價(jià)以外其他影響負(fù)荷用電行為的因素，如：氣溫、日照強(qiáng)度等。

綜上，考慮負(fù)荷對(duì)電價(jià)不同敏感特性的T周期內(nèi)柔性負(fù)荷模型如式（4）

因此，智能化環(huán)境下的電網(wǎng)調(diào)度必須從單一時(shí)段的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多時(shí)段統(tǒng)一、協(xié)調(diào)優(yōu)化的問題。

5 結(jié)束語

“互動(dòng)性”是智能電網(wǎng)的重要特征之一，同時(shí)也是智能電網(wǎng)研究的難點(diǎn)。但是，無論是從新能源接入和使用的角度，還是提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與安全性的角度，“互動(dòng)性”都具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)現(xiàn)用戶與電網(wǎng)互動(dòng)的硬件基礎(chǔ)是建設(shè)包含電力輸送網(wǎng)絡(luò)和信息通信網(wǎng)絡(luò)的雙向互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)能量流、信息流和業(yè)務(wù)流的雙向流通。軟件基礎(chǔ)是通過負(fù)荷響應(yīng)行為研究，以合理的激勵(lì)機(jī)制和調(diào)度管理提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。

在“互動(dòng)化”的研究中，電力負(fù)荷將從傳統(tǒng)的剛性參數(shù)轉(zhuǎn)化為柔性參數(shù)，建立合理的柔性負(fù)荷模型是進(jìn)行負(fù)荷柔性實(shí)用化計(jì)算的前提。隨著“互動(dòng)化”研究的不斷深入，負(fù)荷柔性必將作為一種系統(tǒng)資源參與到電網(wǎng)的運(yùn)行管理中去，并成為一種重要的電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)手段。

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