兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測新方法

曾 鳴，李 娜，王 濤，歐陽邵杰，王 良

（華北電力大學(xué) 能源與電力經(jīng)濟(jì)研究咨詢中心，北京 102206）

0 引言

電力企業(yè)肩負(fù)著提供優(yōu)質(zhì)電能服務(wù)、確保國有資產(chǎn)保值增值、滿足經(jīng)濟(jì)社會快速增長的電力需求等多方面的社會責(zé)任。但在新的形勢下，電網(wǎng)企業(yè)在履行上述責(zé)任時(shí)將面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：一方面，隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，未來電力需求將進(jìn)一步增長，這對電力供應(yīng)側(cè)提出了新的擴(kuò)容要求；另一方面，電網(wǎng)擴(kuò)容面臨著土地、資金等多個(gè)因素的制約，導(dǎo)致電網(wǎng)規(guī)劃落地難度大。因此，在供應(yīng)側(cè)資源擴(kuò)容面臨眾多瓶頸的今天，電網(wǎng)公司亟需重新審視環(huán)境，發(fā)現(xiàn)新的資源，找到緩解上述瓶頸的新途徑。

近年來，隨著相關(guān)政策不斷完善、技術(shù)水平不斷提高，需求側(cè)資源引起了人們的廣泛重視，并在一些領(lǐng)域中越來越多地發(fā)揮著供應(yīng)側(cè)資源的作用。在國外，以美國為代表，包括能效EE（Energy Efficiency）資源和需求響應(yīng)DR（Demand Response）資源在內(nèi)的需求側(cè)資源在電力系統(tǒng)運(yùn)行和規(guī)劃中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。通過在電力系統(tǒng)運(yùn)行中調(diào)用不同的需求響應(yīng)資源，達(dá)到了平衡系統(tǒng)供求、滿足輔助服務(wù)需求等目標(biāo)，降低了電力系統(tǒng)運(yùn)行成本和相關(guān)市場的交易成本[4-6]。在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，通過引入能效資源和需求響應(yīng)資源，減少了對發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行擴(kuò)容的需求，從而降低了大量的投資成本[7-8]。在我國，需求側(cè)資源在電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行中的應(yīng)用，主要是實(shí)施有序用電管理和負(fù)荷管理（包括電價(jià)政策和直接負(fù)荷控制）[9-10]。近年來，我國已逐步探索將需求側(cè)資源納入電力系統(tǒng)規(guī)劃的模式和方法，并已經(jīng)啟動(dòng)了各種試點(diǎn)方案的研究。研究結(jié)果顯示，引入需求側(cè)資源，將大幅減少系統(tǒng)內(nèi)供應(yīng)側(cè)資源的投資，同時(shí)可達(dá)到節(jié)約土地、減少浪費(fèi)、減少溫室氣體排放等效果[11-15]。在國內(nèi)外，已有研究多是將需求側(cè)作為一種資源考慮到綜合資源規(guī)劃和電力規(guī)劃中，但沒有針對電網(wǎng)規(guī)劃提出具體的應(yīng)用方式和方法。

基于上述考慮，本文提出一種新的工作思路——將需求側(cè)資源考慮到電網(wǎng)規(guī)劃的電力負(fù)荷預(yù)測中，以緩解電網(wǎng)規(guī)劃落地難、電網(wǎng)投資耗資大、電網(wǎng)設(shè)備利用率低等現(xiàn)存問題，促進(jìn)電網(wǎng)規(guī)劃與投資向著精益化的方向轉(zhuǎn)變。

1 方法描述

1.1 總體思路

兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測新方法的目標(biāo)為：通過合理統(tǒng)計(jì)估算某區(qū)域內(nèi)各類需求側(cè)資源的潛力，并將其潛力考慮到負(fù)荷預(yù)測過程中，使得負(fù)荷預(yù)測更為準(zhǔn)確，以避免擴(kuò)容方案粗放而造成投資浪費(fèi)。其基本步驟可概括為“自上而下細(xì)分負(fù)荷，自下而上疊加計(jì)算”，具體內(nèi)容如下。

a.確定預(yù)測范圍。選取某一變電站輻射范圍的供電區(qū)域作為預(yù)測范圍。

b.對用戶進(jìn)行分類。對變電站每條饋線上接入的電力用戶進(jìn)行分類，一般可分為居民用戶、工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和其他用戶等。

c.識別各類用戶的各種需求側(cè)資源。每類用戶可能同時(shí)有多類需求側(cè)資源，各類需求側(cè)資源會對用戶的用電量或負(fù)荷特性產(chǎn)生不同的影響。因此，需充分識別各類用戶可考慮到負(fù)荷預(yù)測過程中的需求側(cè)資源。

d.定量分析預(yù)測期內(nèi)各類用戶各種需求側(cè)資源對負(fù)荷的影響效果。在定性識別潛在需求側(cè)資源的基礎(chǔ)上，需通過構(gòu)建模型、相應(yīng)的數(shù)據(jù)歸集和處理技術(shù)，得到某類用戶各類需求側(cè)資源綜合作用對傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值的影響效果，從而得到該類用戶考慮需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測值。與電網(wǎng)規(guī)劃工作相結(jié)合，一般只預(yù)測綜合影響下的最大負(fù)荷值。

e.通過多層次疊加技術(shù)測算得到預(yù)測區(qū)域內(nèi)考慮需求側(cè)資源的最大負(fù)荷。采用負(fù)荷同時(shí)率處理技術(shù)，逐層疊加最終得到變電站范圍內(nèi)考慮需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。

兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測方法包括3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即用戶類型及相應(yīng)的需求側(cè)資源界定、需求側(cè)資源潛力分析、需求側(cè)資源作用下的最大負(fù)荷分析。

1.2 需求側(cè)資源的界定

綜合考慮我國相關(guān)政策導(dǎo)向（如《可再生能源管理辦法》和《有序用電管理辦法》）、行業(yè)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步等因素，根據(jù)需求側(cè)資源對負(fù)荷曲線的作用效果，將考慮到負(fù)荷預(yù)測中的需求側(cè)資源分為能效類資源和負(fù)荷類資源兩大類。

所謂能效類資源，指通過提高用電效率從而達(dá)到降低用電量及負(fù)荷水平的技術(shù)措施，如綠色照明、節(jié)能型家用電器、變壓器節(jié)能、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能、節(jié)能電梯、節(jié)能空調(diào)等。引入能效類資源可以在所有時(shí)間內(nèi)降低用戶的用電量，從而減少用戶對發(fā)電容量和輸電容量的需求，在負(fù)荷曲線圖上表現(xiàn)為負(fù)荷曲線的整體下移，其效果如圖1所示。

圖1 能效類資源作用效果圖Fig.1 Effect of energy efficiency resource

負(fù)荷類資源是用戶自愿選擇的，通過減少用電設(shè)備的用電量或者改變用電時(shí)間而達(dá)到降低負(fù)荷目的的各種經(jīng)濟(jì)措施或行政措施，其中，經(jīng)濟(jì)措施包括峰谷電價(jià)、階梯電價(jià)、季節(jié)性電價(jià)和可中斷電價(jià)等電價(jià)政策，行政措施包括有序用電管理和直接負(fù)荷控制。負(fù)荷類資源的規(guī)劃和實(shí)施將達(dá)到節(jié)電的目的（效果），在負(fù)荷曲線圖上表現(xiàn)為曲線形狀的變化，如圖2所示。

圖2 負(fù)荷類資源作用效果圖Fig.2 Effect of load resource

傳統(tǒng)電力負(fù)荷預(yù)測中，需要對區(qū)域內(nèi)不同負(fù)荷類型的用戶進(jìn)行分類。而不同類型的用戶也對應(yīng)著特有的需求側(cè)資源，如表1所示。

每一類電力用戶都有多個(gè)用電環(huán)節(jié)，如居民用戶的主要用電環(huán)節(jié)包括照明、空調(diào)、冰箱、熱水器等，工業(yè)用戶的主要用電環(huán)節(jié)包括照明、電動(dòng)機(jī)等，商業(yè)用戶的主要用電環(huán)節(jié)包括照明、空調(diào)等。而各類用戶的每個(gè)用電環(huán)節(jié)都可能存在需求側(cè)資源。同理，每類用戶也可能參加多項(xiàng)負(fù)荷類需求側(cè)管理項(xiàng)目。

表1 用戶類型及其需求側(cè)資源界定Tab.1 Customer types and demand-side resource definitions

2 模型構(gòu)建

本部分研究兼容需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測模型，主要包括以下3個(gè)方面的研究內(nèi)容。

2.1 某一類電力用戶最大負(fù)荷的求解

對于某一類電力用戶，考慮各類需求側(cè)資源的負(fù)荷預(yù)測總體分2步計(jì)算：第一步，考慮能效類資源對用電量進(jìn)而平均用電負(fù)荷的影響；第二步，在第一步的基礎(chǔ)上，考慮不同負(fù)荷類資源對負(fù)荷率進(jìn)而用戶最大負(fù)荷的影響。

（1）考慮單一需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測。

考慮單一需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測為本研究的基礎(chǔ)情形。該情形下，對于某類用戶只考慮單一需求側(cè)資源（即用戶只有一個(gè)用電環(huán)節(jié)，且同時(shí)存在一項(xiàng)能效類資源和一項(xiàng)負(fù)荷類資源）對其最大負(fù)荷的影響，最大負(fù)荷預(yù)測模型如式（1）所示。

其中，Pmax為需求側(cè)資源作用下最大負(fù)荷的預(yù)測結(jié)果（萬kW）；Q0為初始用電量，即不考慮需求側(cè)管理資源、通過常規(guī)預(yù)測方法所得用電量預(yù)測值（萬kW·h）；αEE為該類用戶在能效類資源作用下的降耗率，等于自然節(jié)電率與用戶滲透率的乘積；βLD為該類用戶在負(fù)荷類資源作用下的負(fù)荷率；t為預(yù)測時(shí)間段（h）。

（2）考慮多種需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測。

在考慮單一需求側(cè)資源影響的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究考慮多種需求側(cè)資源的最大負(fù)荷預(yù)測模型。

a.多種能效類資源分析。

首先，考慮多種能效類資源作用下總用電量的變化。假設(shè)ΔQ為節(jié)電量，ΔQi為第i個(gè)用電環(huán)節(jié)的節(jié)電量，Qi，0為第 i個(gè)用電環(huán)節(jié)的初始用電量；αEE，i為該類用戶第i個(gè)用電環(huán)節(jié)在能效類資源作用下的降耗率；λi為表示能效類資源是否存在的狀態(tài)系數(shù)，λi值為0時(shí)表示用戶沒有此種資源，λi為1時(shí)表示擁有此種資源。

該類用戶第i個(gè)用電環(huán)節(jié)在能效類資源作用下的節(jié)電量為：

多種能效類資源作用下，總的節(jié)電量為各用電環(huán)節(jié)節(jié)電量之和：

其中，k為該電力用戶用電環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)。

因此，能效類資源作用下的用電量QEE為：

b.多種負(fù)荷類資源分析。

考慮了多種能效類資源后，進(jìn)一步考慮多種負(fù)荷類資源的作用。在單一負(fù)荷類資源作用下減少的最大負(fù)荷的計(jì)算公式為：

其中，ΔPmax，i為第i種負(fù)荷類資源作用下減少的最大負(fù)荷（萬kW）；Pmax，0為在能效類資源作用下的最大負(fù)荷（萬 kW）；βLD，i為該電力用戶第 i種負(fù)荷類資源作用下的負(fù)荷率。

多種負(fù)荷類資源作用下減少的最大負(fù)荷為：

其中，w為該用戶擁有的負(fù)荷類資源的數(shù)目；ζ1為多種不同負(fù)荷類資源的負(fù)荷同時(shí)率。

因此，需求側(cè)資源作用下最大負(fù)荷的預(yù)測結(jié)果為：

2.2 同一饋線多類電力用戶最大負(fù)荷的求解

假設(shè)Pmax，ij為第i條送電線路第j類電力用戶在需求側(cè)資源作用下的最大負(fù)荷，那么第i條送電線路上所有用戶的效益疊加結(jié)果為：

其中，m為此饋線上電力用戶分類個(gè)數(shù)；Pmax，i為第i條送電線路覆蓋區(qū)域的最大負(fù)荷（萬kW）；ζ2為同一饋線上多種電力用戶的負(fù)荷同時(shí)率。

2.3 綜合最大負(fù)荷的求解

由于整個(gè)變電站涵蓋多條用電線路，因此在求解綜合最大負(fù)荷時(shí)，需要考慮每條線路的用電狀況，繼而進(jìn)行用電疊加，疊加效果為：

其中，PUmax為綜合最大負(fù)荷（萬kW）；ζ3為不同饋線的負(fù)荷同時(shí)率；n為該變電站線路條數(shù)。

3 算例分析

以北京市某一110 kV變電站中某條線路的覆蓋范圍為考慮對象，并假設(shè)初始負(fù)荷率和同時(shí)率都為0.6，在明確用戶類型，分析各用戶的主要用電環(huán)節(jié)，測算其在能效類資源和負(fù)荷類資源作用下的節(jié)電降荷效果的基礎(chǔ)上，得到考慮需求側(cè)資源的變電站電力負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

通過調(diào)查分析可知，該線路包含第1節(jié)中涉及的所有電力用戶，各用戶的基本情況如下：居民用戶的用電環(huán)節(jié)分為照明、熱水器、空調(diào)、電冰箱和其他；輕工業(yè)分為照明、空調(diào)、生產(chǎn)設(shè)備和其他；重工業(yè)分為照明、變壓器、動(dòng)力系統(tǒng)和其他；商業(yè)用戶和其他用戶統(tǒng)一劃分為照明、電梯、空調(diào)與其他。在把需求側(cè)資源引入日常生產(chǎn)與生活中時(shí)，不考慮各用電環(huán)節(jié)的其他部分。相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 兼容需求側(cè)資源負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.2 Basic data for load forecasting compatible with demand-side resources

3.2 預(yù)測結(jié)果

基于模型構(gòu)建理論以及相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算可以得到需求側(cè)資源帶來的節(jié)電效果。將需求側(cè)資源引入前后各類用戶用電量和最大負(fù)荷的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如表3和表4所示。分析結(jié)果可知，在需求側(cè)資源（能效類資源和負(fù)荷類資源）的作用下，各電力用戶的用電量和最大負(fù)荷都呈明顯的下降趨勢，其中，用電量的減少比例基本維持在10%以上，而最大負(fù)荷的減少比例都已超過20%。由此可知，考慮需求側(cè)資源影響后，電網(wǎng)規(guī)劃中的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果將顯著降低，從而能夠降低變電站和線路的擴(kuò)容需求，帶來可觀的投資節(jié)約效益。

表3 兼容需求側(cè)資源前后負(fù)荷預(yù)測的電量對比結(jié)果Tab.3 Comparison between energies forecasted with and without consideration of demand-side resources

表4 兼容需求側(cè)資源前后負(fù)荷預(yù)測的負(fù)荷對比結(jié)果Tab.4 Comparison between loads forecasted with and without consideration of demand-side resources

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測方法的基礎(chǔ)上引入了需求側(cè)資源，構(gòu)建了兼容需求側(cè)資源的多饋線負(fù)荷預(yù)測模型，采用多重疊加技術(shù)進(jìn)行求解。算例分析結(jié)果表明，考慮需求側(cè)資源的電力負(fù)荷預(yù)測新方法，能夠更為準(zhǔn)確地測算特定供電范圍的負(fù)荷情況。新的負(fù)荷預(yù)測方法旨在為相關(guān)工作主體提供新的思路，有利于克服當(dāng)前電力規(guī)劃與投資過程中面臨的瓶頸。所提模型和計(jì)算方法具備一定的可操作性、可復(fù)制性、可擴(kuò)展性，可結(jié)合實(shí)際預(yù)測地區(qū)的情況進(jìn)一步研究大規(guī)模計(jì)算工具，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。