計及需求側(cè)資源的電網(wǎng)分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法

石 坤，李德智，何 勝，王 魯，易永仙

(1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；3.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧遼陽 111200；4.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103)

0 引 言

電力是具有實時供需平衡性的能源形式。在能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景下，可再生能源接入量不斷增加、柔性負荷的種類和數(shù)量愈漸豐富、直流輸電技術(shù)的大力發(fā)展導致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量不足等現(xiàn)狀，對于電能的實時供需平衡提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。

傳統(tǒng)供需平衡調(diào)節(jié)方法，主要依靠調(diào)節(jié)供給側(cè)的出力來匹配用電需求，只有在十分緊急的情況下才對用戶負荷進行切除，即減載[3]。該調(diào)控方式下，發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)成本大，機組利用率低，而需求側(cè)能動性差，只能被動關(guān)停。進一步的，為匹配高峰負荷情況，只能增加冗余的發(fā)電出力，造成發(fā)電容量浪費，或拉停大用戶負荷，導致用戶用電滿意度嚴重下降。隨著智能用電及其相關(guān)技術(shù)日趨成熟，需求側(cè)資源的可控潛力被逐步挖掘，除傳統(tǒng)的需求響應外，需求側(cè)資源在電網(wǎng)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)、頻率控制、緊急負荷控制等供需平衡調(diào)控方面也受到廣泛關(guān)注[4-6]，計及需求側(cè)資源的合理供需平衡調(diào)控手段亟待提出。

目前的研究大多采用在單一調(diào)控模式下，通過價格型或激勵型需求響應實現(xiàn)用戶的主動減負荷[7]的實現(xiàn)形式，研究覆蓋了其全過程的價格/激勵制定、負荷分類、調(diào)控策略等。然而需求側(cè)資源在數(shù)量、種類和使用習慣上都具有突出的多樣性，因此單一的調(diào)控模式不足以充分匹配負荷資源的響應能力?？紤]到同類型用戶具有區(qū)域聚集性(居民區(qū)、工業(yè)園區(qū)等)，同時基于需求側(cè)資源的電網(wǎng)供需平衡調(diào)節(jié)具有層次性[8]，本文提出一種計及需求側(cè)資源的電網(wǎng)分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法，在不同區(qū)域不同層次之間建立供需平衡調(diào)節(jié)的實現(xiàn)機制，以縱向調(diào)控、橫向互補的運行機制為需求側(cè)資源在參與供需平衡調(diào)節(jié)奠定理論基礎。

1 參與電網(wǎng)供需平衡的需求側(cè)資源模型

需求側(cè)資源的智能化調(diào)節(jié)技術(shù)是對傳統(tǒng)調(diào)度手段的有效補充，具有靈活性和柔性的可調(diào)度空間，同時減少對用戶用電體驗的負面影響[9]。

1.1 需求側(cè)資源特性

廣義的需求側(cè)資源主要涵蓋了分布式電源設備、可儲能型負荷及用能型負荷。

1.1.1 分布式電源設備

分布式電源設備主要包括微型燃氣輪機、光伏電源和分布式風電設備等。其中光伏電源和分布式風電設備等可再生能源設備由于其發(fā)電出力受到客觀天氣、風/光強度等影響，波動性較大，因此其接入對于常規(guī)調(diào)度模式下的電網(wǎng)運行沖擊性較強；另一方面，分布式電源的清潔性和可持續(xù)性使其成為長期發(fā)展進程中的必然趨勢，因此，基于合理、實時、靈活的需求側(cè)資源調(diào)度策略來匹配分布式電源出力，為可再生能源的充分利用提供了良好的技術(shù)基礎。1.1.2 可儲能型設備

可儲能型設備主要包括蓄電池、電動汽車、可蓄冷蓄熱空調(diào)、鍋爐等。其特點在于在運行過程中既可以作為供給方出力，也可以作為需求方消納。電力這一能源形式要求出力與消納能實時匹配[10]，而電網(wǎng)運行調(diào)度的難點即在于平衡供需之間的偏差量，儲能設備顯然是最為直接且靈活的解決形式，雖然目前儲能設備尚未達到能夠超大規(guī)模存儲的階段，但其在微網(wǎng)中的局部調(diào)節(jié)作用是十分顯著的[11]。1.1.3 用能型設備

用能型設備即常規(guī)意義上的能源消耗設備。目前對于用能型設備主要可以根據(jù)其可調(diào)控特性的差異劃分為：①可調(diào)節(jié)型負荷，即負荷具備可調(diào)節(jié)狀態(tài)參數(shù)，從而影響功率曲線的負荷類型，如空調(diào)、冰箱等；②可轉(zhuǎn)移型負荷，即負荷用電時段較為靈活，但單日消耗電量較為穩(wěn)定的負荷類型，如電磁爐、微波爐等；③可中斷型負荷，即僅具有開/關(guān)狀態(tài)，可以中斷使用的負荷類型，如電視機、部分照明設備等；④剛性負荷，用電時段十分固定且必需的負荷類型。

1.2 需求側(cè)資源響應模式

需求側(cè)資源參與調(diào)度過程的響應模式大致上可以分為價格型響應模式和激勵型響應模式，其中目前主要應用和涉及的響應模式如下：

① 動態(tài)電價響應模式：通過動態(tài)的用電價格刺激用戶進行主動負荷調(diào)節(jié)；

② 合同制負荷削減模式：在實施前期與用戶進行合約簽訂，約定在用戶收到削減指令時，進行固定額度的負荷削減；

③ 競爭性競價模式：發(fā)布削減需求量后，通過用戶主動的競價形式來實現(xiàn)負荷削減；

④ 應急備用型調(diào)度模式：與用戶進行約定，常規(guī)用電模式下不影響用戶用電，緊急情況下對該部分備用負荷進行調(diào)節(jié)。

通常情況下，對需求側(cè)資源的調(diào)用僅選用上述方式中的一種。本文給出的方案根據(jù)各層次需求的不同，在不同層次、不同用戶群區(qū)域下選用不同的響應模式。

1.3 需求側(cè)資源調(diào)控模型

分布式光伏設備的功率出力主要取決于當前光照強度、額定輸出功率以及設備接入情況，如式(1)：

Ppv=-F(Hsun,Pmax,Sac)

(1)

分布式風電設備功率出力主要取決于當前風速風力、額定輸出功率以及接入情況，如式(2)：

Pwd=-F(Vwind,Pmax,Sac)

(2)

儲能設備功率主要取決于當前設備接入狀態(tài)、充放電狀態(tài)、最大輸出功率以及儲存電量，如式(3)：

Pst=±F(Pstored,Pmax,Sac)

(3)

可調(diào)節(jié)型負荷的用電功率主要取決于當前客觀環(huán)境(溫度、濕度等)、負荷參數(shù)設定狀態(tài)、額定輸出功率，其中，參數(shù)的設定狀態(tài)主要受到用電經(jīng)濟性和舒適度體驗的影響，如式(4)：

(4)

可轉(zhuǎn)移型負荷的用電功率在運行狀態(tài)下的功率與額定值相近，其主要的調(diào)控空間在于負荷運行時間的轉(zhuǎn)移，而時間轉(zhuǎn)移情況同樣主要受用電經(jīng)濟性和舒適度體驗的影響，如式(5)：

(5)

可中斷負荷與可轉(zhuǎn)移負荷類似，其運行功率基本為額定值，僅開閉狀態(tài)受到經(jīng)濟性和舒適度影響，其表達如式(6)：

(6)

2 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法

2.1 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控體系架構(gòu)

針對目前需求側(cè)資源調(diào)度中存在的響應模式單一、橫向區(qū)域互動性差問題，本文提出計及需求側(cè)資源的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法，其體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控體系架構(gòu)

縱向上將系統(tǒng)劃分為電網(wǎng)調(diào)度層、聚合管理層和負荷響應層。電網(wǎng)調(diào)度層主要實時估算當前供需雙方功率平衡關(guān)系，明確功率缺額，并根據(jù)下層管理負荷中綜合評估的可響應潛力，制定相應的削減指令或價格激勵信號，并通過需求側(cè)管理平臺下發(fā)；聚合管理層是大量負荷的集成管理中心，能夠直接獲取負荷狀態(tài)，從而準確估計負荷可削減量，當收到削減任務時，集成商/工商業(yè)大用戶根據(jù)負荷狀態(tài)，以既定策略對各類型負荷下發(fā)相應的控制指令，從而完成功率調(diào)控；負荷響應層作為系統(tǒng)底層，主要通過優(yōu)質(zhì)通信方式實時、精準反饋負荷運行狀態(tài)，為上層決策提供支撐，同時對于控制指令能及時準確響應。

不同層次不同區(qū)域之間的各個主體具有不同的特性，因此傳統(tǒng)思維下的單一響應模式無法充分適配用戶需求，本文中提出不同層次不同區(qū)域具有不同的針對性策略：負荷集成商所管理負荷數(shù)量大、種類多，因此其可調(diào)節(jié)的不確定性也相對較強，為約束其波動情況，在調(diào)度中心和集成商之間采用合同制的負荷削減策略；相對而言，工商業(yè)大用戶的負荷較為穩(wěn)定，存在一定的剛性需求，且其電量直接影響生產(chǎn)收益，因而強制性的定額負荷削減可能造成其經(jīng)濟性補貼差額大的問題，因此，對于大工商業(yè)用戶主要采用電價激勵形式，鼓勵其主動關(guān)停非必要負荷，在緊急情況下也可以采用有序用電的管理形式；由于居民用戶用電不確定性較大，因此為保證響應任務的完成率，集成商與用戶負荷之間宜采用直接負荷控制(DLC)方式[12]。

2.2 多維度供需平衡調(diào)控機制

在前述所建立的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控體系架構(gòu)基礎上，從多個維度建立其具體實施過程中的供需平衡調(diào)控機制，縱向上建立多層次任務分配機制和相應的負荷調(diào)控機制，橫向上建立多區(qū)域互通的缺額互補機制，從而更好地應對局部負荷響應能力不足以及突發(fā)性的負荷狀態(tài)轉(zhuǎn)移問題。

2.2.1 縱向多層次任務分配及調(diào)控機制

供需平衡的調(diào)控過程主要是通過縱向的信息交互實現(xiàn)的，負荷響應層近乎實時地自下向上反饋負荷運行狀態(tài)，從而根據(jù)底層狀態(tài)逐級估計可調(diào)控潛力；調(diào)度中心獲悉功率缺額后，調(diào)度中心開始自上向下逐級發(fā)布調(diào)控指令，分配調(diào)控任務量。其具體的實現(xiàn)過程可以由以下步驟描述：

步驟1：功率缺額及負荷狀態(tài)獲取

功率缺額的計算可以根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化、潮流變化情況以及關(guān)口表計量等多種方式獲取，各方式適用于不同應用場景；負荷狀態(tài)可以直接通過負荷監(jiān)測實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)傳輸通過統(tǒng)一平臺共享實現(xiàn)。

步驟2：可削減負荷量估計

負荷削減量的大小直接影響用戶的用電體驗，為盡可能減少對用戶用電體驗的負面影響，設定高、低兩個影響程度閾值，估計不同影響度情況下，用戶可削減負荷量的潛力。

① 低用電影響下可削減負荷量估計

Pli=Pnow-P(…,Ncomf_1,…)

(7)

② 高用電影響下可削減負荷量估計

Phi=Pnow-P(…,Ncomf_2,…)

(8)

步驟3：判斷估計可調(diào)負荷量與缺額關(guān)系

(9)

步驟4：削減任務分配

根據(jù)步驟3判定結(jié)果，按相應用電影響下的可削減水平比例分配，允許一定的偏差量。

(10)

步驟5：負荷控制/動態(tài)工商業(yè)電價調(diào)節(jié)

根據(jù)所分配任務量，按照既定規(guī)則，對可轉(zhuǎn)移負荷/可中斷負荷/可調(diào)控負荷進行響應的控制，實現(xiàn)負荷削減；對于工商業(yè)用戶，則根據(jù)電價-負荷關(guān)系進行反向電價制定。

步驟6：實際削減效果核驗

步驟7：若削減效果整體上均有所偏差，則進行進一步的負荷控制以補足調(diào)控的波動量。

2.2.2 橫向區(qū)域化缺額互補機制

縱向調(diào)控是常規(guī)運行的主要手段，然而在實際調(diào)度過程中，由于負荷的運行受到多方面因素的影響，且用戶的主觀性較強，即使采用基于合約的直接負荷控制，用戶仍有可能出現(xiàn)緊急違約運行情況；此外，從電網(wǎng)的角度而言，如果出現(xiàn)局部性的線路故障或其他情況，同樣會嚴重影響調(diào)控任務的完成度。因此，引入橫向區(qū)域間缺額互補機制，從而保證整體供需平衡性。

其實現(xiàn)步驟如下：

步驟1：發(fā)布功率額請求信息;

步驟2：可調(diào)潛力盈余區(qū)域進行反饋報價;

步驟3：發(fā)布方擇優(yōu)選購。

選擇過程中，可選擇不止一個目標，其選擇依據(jù)主要由發(fā)布方根據(jù)競價方的經(jīng)濟性、舒適代價、參與方數(shù)量等因素綜合決定，具有一定的主觀性。

2.3 分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法實現(xiàn)

綜合橫向和縱向的運行機制，本文所提出的計及需求側(cè)資源的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 計及需求側(cè)資源的分層分區(qū)供需平衡調(diào)控方法實現(xiàn)流程

2.4 實施案例說明

為便于理解，在此通過簡單算例進行原理機制實施的進一步說明，但為保留文章機制的普適性，不做具體計算模型說明，具體的模型算法創(chuàng)新將在下一步研究中深入開展：

設A、B、C 3個主體，其各自的不同影響情況下的響應能力分別為P1A=3kW；PhA=5kW；P1B=2kW；PhB=4kW；P1C=4kW；PhC=7kW；設e波動量為±0.1kW，則

設Pneed=15kW；則其分別的任務分配額為PA=4.875±0.1kW；PB=3.5±0.1kW；PC=6.8±0.1kW。

若不考慮用電影響，直接按照最大能力比例分配，PA、PB、PC分別為4.687 5kW，3.75kW，6.562 5kW，與當前的分配差別性體現(xiàn)并不明顯，均處合理范圍；但若設Pneed=9即低舒適度影響下的閾值附近時，目前較為常見的最大能力分配原則下PA、PB、PC分別為2.812 5kW、2.25kW、3.937 5kW，PB顯然出現(xiàn)了用電影響低于低影響閾值的情況，而這一情況顯然隨著用戶主體的差異性以及負荷高低影響度的區(qū)間增大而更加明顯。

若A新增突發(fā)性用電需求0.2 kW，不能完成目標任務，則向B、C進行競價性邀請，則最終完成響應任務，如圖3所示。

若A新增突發(fā)性用電需求0.6kW，則考慮B、C均不能獨立完成，則按照其報價進行比例分配，由B、C協(xié)作完成。

圖3 橫向互補交互實現(xiàn)過程示意

3 優(yōu)勢及約束性分析

相比于常規(guī)意義下需求側(cè)資源管理實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)節(jié)的方式，本文所提方法中對需求側(cè)資源調(diào)控進行分層分區(qū)的精細化調(diào)控，并引入縱向調(diào)控、橫向互補機制的優(yōu)勢在于：

① 基于負荷狀態(tài)監(jiān)測自下而上進行多層次的可調(diào)控潛力評估，相對于僅僅從價格層面和激勵力度層面間接分析用戶可響應能力的方式，能夠更精準地實現(xiàn)用戶負荷調(diào)節(jié)任務分配，充分挖掘用戶的可響應能力；

② 在不同的用戶群區(qū)域間形成互聯(lián)互通關(guān)系，可以實現(xiàn)局部突發(fā)緊急情況下的橫向互補，這一機制能夠大大減少常規(guī)合約承包制情況下可能出現(xiàn)的因局部原因?qū)е孪鳒p量任務缺額，從而影響整體的運行穩(wěn)定性和實施可靠性；

③ 在不同的層次和區(qū)域之間可以根據(jù)需求采用多元化的實現(xiàn)機制，如價格型、激勵型、直接負控以及合約承包等，從而更易適應用戶的實際需求，也一定程度上避免因用戶主觀性而導致的削減任務失效。

4 結(jié)束語

本文提出了一種計及需求側(cè)資源的電網(wǎng)分層分區(qū)供需平衡方法，基于需求側(cè)資源模型，提出縱向上基于用戶在不同影響程度下的可響應能力評估情況的任務分配機制，保證了用戶側(cè)參與需求響應過程中的公平性，提升響應效果；橫向上提出了區(qū)域化缺額互補機制，避免由于用戶主觀隨機性及突發(fā)事件造成的局部響應能力不均衡，提升了需求側(cè)資源響應有效性，為需求側(cè)資源參與電網(wǎng)調(diào)控提供了參考。

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