兼容廣義需求側(cè)資源的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行研究

曾 鳴，成 歡

(華北電力大學能源與電力經(jīng)濟研究咨詢中心，北京102206)

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和用電量需求的增長，需求側(cè)資源成為實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要保障之一，體現(xiàn)了推動全社會參與節(jié)能的重要戰(zhàn)略［1－2］。在此背景下，傳統(tǒng)配電網(wǎng)將發(fā)展成為能夠接入和管理需求側(cè)電力資源的新型配電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)調(diào)度和運行主要是從主網(wǎng)供能的角度出發(fā)，缺乏對需求側(cè)資源的考慮。因此，新形勢下有必要從兼容需求側(cè)資源的視角，重新思考配電網(wǎng)的能源優(yōu)化分配問題，開展配電網(wǎng)優(yōu)化運行研究。

從廣義的角度來看，分布式發(fā)電、儲能技術(shù)和需求響應(yīng)均是重要的需求側(cè)資源［3］。目前國內(nèi)外學者針對兼容需求側(cè)資源的新型配電網(wǎng)的運行展開了一系列的研究，提出了較多的方法和成果。文獻［4］針對不同分布式電源的特性以及成本，構(gòu)建了環(huán)保經(jīng)濟的微網(wǎng)多目標調(diào)度模型。文獻［5］考慮含小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的微電網(wǎng)系統(tǒng)與外部配網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)狀態(tài)，并提出了綜合考慮主網(wǎng)和分布式能源的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型。文獻［6］則重點關(guān)注如何將可中斷負荷引入到配電網(wǎng)故障恢復問題中。文獻［7］從經(jīng)濟調(diào)度的角度出發(fā)構(gòu)建了微網(wǎng)儲能優(yōu)化裝置模型，提出了優(yōu)化不同儲能容量下分布式電源出力以及向外網(wǎng)購售電量的方法?？梢钥闯觯F(xiàn)有研究主要針對某一種需求側(cè)資源(如分布式發(fā)電)，未能充分考慮兼容多種廣義需求側(cè)資源的協(xié)調(diào)調(diào)度問題。因此，本文將在探討廣義需求側(cè)資源概念的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個基于廣義需求側(cè)資源的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型，研究廣義需求側(cè)資源在電力市場環(huán)境中與主網(wǎng)資源共同直接參與市場競價的情況下，配電網(wǎng)運營商如何開展經(jīng)濟運行決策，以及通過算例驗證模型的可行性，同時，對于影響需求側(cè)資源競爭力和參與度的相關(guān)因素做了具體分析，以期為提高多元化能源的利用率、構(gòu)建清潔能源消納市場提供參考。

1 廣義需求側(cè)資源

傳統(tǒng)的需求側(cè)資源通常指能夠?qū)﹄妰r信號或激勵機制做出響應(yīng)的負荷資源，即負荷和能效資源［8］。隨著分布式發(fā)電和儲能等手段的興起和發(fā)展，終端用戶有了更多主動響應(yīng)和參與電力市場的途徑。根據(jù)美國能源局關(guān)于需求側(cè)資源的定義，需求側(cè)資源包括為降低負荷水平和延緩電源側(cè)新增裝機容量投資為目的而實施的各種需求側(cè)管理手段和措施［9］。因此，從廣義的角度來看，可以將分布式發(fā)電和儲能等資源也納入需求側(cè)資源中。

廣義需求側(cè)資源主要可分為電源類和負荷類兩種。分布式發(fā)電資源是典型的電源類廣義需求側(cè)資源，通常包括功率較小的內(nèi)燃機、微型燃氣輪機、燃料電池以及可再生能源電源等［10］。尤其是分布式可再生電源，在低碳化發(fā)展要求和智能電網(wǎng)的發(fā)展背景下，以其低成本、低電壓、低污染等特點成為了國內(nèi)外電力能源領(lǐng)域關(guān)注的熱點。負荷可分為可中斷(削減)類負荷、可轉(zhuǎn)移類負荷和不可動類負荷等［11］，其中前兩者可以在完善的電價機制和電價信息的引導下，參與電網(wǎng)的優(yōu)化運行，是重要的主動負荷。分布式儲能是指在用電側(cè)將電能轉(zhuǎn)換成機械能、化學能等其他能量形式儲存起來，在需要時再轉(zhuǎn)換成電能釋放出來［12］，因此儲能資源同時具備電源和負荷的性質(zhì)。

2 兼容廣義需求側(cè)資源的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型

為簡化模型，本文僅研究各項資源參與電能市場和備用市場的情況;主動負荷方面也僅考慮可中斷負荷和“負容量備用”這兩種典型的需求響應(yīng)項目。為充分考慮備用容量的實際使用情況對配電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響，本文還在模型中創(chuàng)新性地引入了備用使用概率的概念。

2.1 目標函數(shù)

降低運營成本、實現(xiàn)效益最大化是配電網(wǎng)整合資源、經(jīng)濟運行所期望達到的目標。因此模型以配電網(wǎng)交易成本最小化為目標函數(shù)，如式(1)所示。

式中:TC為配電網(wǎng)運行成本;Cg、Cd和Cs分別表示配電網(wǎng)與第g個分布式發(fā)電機組、第d個負荷資源和第s個主網(wǎng)供電方的交易成本。

根據(jù)本文假設(shè)，與各類電源的交易成本主要包括電能成本和備用成本。此外，對于分布式電源和負荷資源還需要考慮計劃外發(fā)電量削減補償和計劃外停電補償。與第g個DG的交易成本主要由電能服務(wù)成本 Cg－e、備用服務(wù)成本 Cg－r和計劃外發(fā)電量削減補償Cg－c三部分組成，如式(2)所示。

式中:a、b、c 分別為成本系數(shù);Pg－e、Pg－r和 Pg－c分別為DG的提供的電能、備用和發(fā)電削減量;xg－e、xg－r為0－1函數(shù)，當?shù)趃個DG被列入配電網(wǎng)運營商的電能(備用)調(diào)度方案時，值為1，否則為0;q為備用使用概率;Sg－c為DG發(fā)電量削減的單位成本。第d個負荷資源的運行成本主要由電能需求響應(yīng)成本Cd－e、備用需求響應(yīng)成本 Cd－r和計劃外停電補償Cd－c等三部分組成，如式(3)所示。

式中:a、b、c 分別為成本系數(shù);Pd－e、Pd－r和 Pd－c分別為負荷資源提供的電能和備用以及計劃外停電量;xd－e和 xd－r為0 －1 函數(shù)，當?shù)?d 個負荷資源被列入配電網(wǎng)運營商的電能(備用)調(diào)度方案時，值為1，否則為0;Sd－c為計劃外單位停電量的補償。配電網(wǎng)運營商與第s個供電商的交易成本主要由電能服務(wù)成本Cs－e和備用服務(wù)成本 Cs－r兩部分組成，如式(4)所示。

式中:a、b、c 分別為成本系數(shù);Ps－e和 Ps－r為第 s個外部供電商實際提供的電能和備用;xs－e和 xs－r為0－1函數(shù)，當?shù)趕個供電商被列入配電網(wǎng)運營商的電能(備用)調(diào)度方案時，值為1，否則為0。

2.2 約束條件

目標函數(shù)需滿足一定的功率平衡約束和機組出力約束。

1)有功功率平衡約束，對于任一節(jié)點i在任一時間點t需滿足以下約束條件:

ijij為電導和電納。

2)無功功率平衡約束:

式中:Qg－e、Qd和 Qs－e分別為分布式發(fā)電機組 g、負荷d和供電商s在節(jié)點i的無功功率。

3)備用需求約束:

式中:PR－r為配電網(wǎng)總備用需求。

4)節(jié)點電壓約束:

式中:Umin和Umax分別為節(jié)點電壓的最大、最小限制，φmin和φmax分別為電壓相角的最大、最小限制。

5)DG有功功率約束:

6)可中斷負荷約束:

7)供電商購電約束:

本文將采用引力搜索算法對上述優(yōu)化問題進行求解，并引入混沌變量對優(yōu)化算法進行改進，具體算法流程詳見文獻［13－14］。

3 算例分析

3.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及基本假設(shè)

本節(jié)選取32節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)(詳見文獻［15］)為例，根據(jù)本文提出的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行決策模型進行算例分析。算例中，配電網(wǎng)電源的類型和數(shù)量如表1所示。算例充分考慮了包括光伏發(fā)電和風力發(fā)電在內(nèi)的6種分布式發(fā)電方式以及5個主網(wǎng)供電商。為簡化算例，假設(shè)主網(wǎng)供電商和DG均分別以裝機容量的70%和30%(上限)參與電能市場和備用市場競價。

表1 配電網(wǎng)電源位置和裝機容量Tab.1 Distribution network power position and installed capacity

表2 負荷位置和初始需求Tab.2 Load location and initial requirements

表3 主網(wǎng)供電商、DG和主動負荷的競價參數(shù)Tab.3 Bidding parameters of main power supplier，DG and active load

各節(jié)點負荷類型和數(shù)量如表2所示。算例負荷包括大型工業(yè)用戶、中小型工業(yè)用戶、大型商業(yè)用戶、中型商業(yè)用戶、小型商業(yè)用戶和普通居民用戶等6類。為簡化算例，假設(shè)各類用戶均為主動負荷(即均參加需求響應(yīng)項目)，且各用戶的需求響應(yīng)潛力為初始需求的40%，其中24%參與電能市場競價，16%參與備用市場競價。

主網(wǎng)供電商、DG和主動負荷的基礎(chǔ)競價參數(shù)如表3所示。為簡化算例，假設(shè)同類DG和同類負荷的競價參數(shù)相同。

3.2 算例結(jié)果

首先分析主網(wǎng)資源價格的影響，假設(shè)備用容量需求為1125 kW、備用容量使用概率為100%，根據(jù)本文提出的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型得到相應(yīng)的調(diào)度方案，如圖1所示。

從圖1(a)可以看出，根據(jù)本文構(gòu)建的配網(wǎng)經(jīng)濟運行模型，主動負荷能夠在配網(wǎng)整體經(jīng)濟效益最優(yōu)的基礎(chǔ)上，充分參與到電能市場中。在經(jīng)濟運行目標下，當主網(wǎng)供電商電能價格下降30%之后，電能調(diào)度方案中主動負荷響應(yīng)量大幅降低，且主要來自于工業(yè)用戶;工業(yè)用戶是電能市場上相對最靈活的主動負荷。其他價格區(qū)間內(nèi)，主網(wǎng)供電商的電能價格對主動負荷在電能市場的參與情況沒有顯著影響。

從圖1(b)可以看出，除了主網(wǎng)供電商5外，其他DG和主網(wǎng)供電商也能在配網(wǎng)整體效益最優(yōu)的基礎(chǔ)上，充分參與到電能市場中。隨著主網(wǎng)供電商的電能價格的變化，發(fā)電機組的電能調(diào)度方案也有一定的調(diào)整，尤其是在主網(wǎng)供電商的電能價格降低30%時，主網(wǎng)供電商的供電量大幅增加，且主要來自于主網(wǎng)供電商S4。

圖1 配電網(wǎng)經(jīng)濟運行方案Fig.1 Economic operation scheme of distribution network

在不同主網(wǎng)供電商的備用價格的情況下，采用本文提出的模型得到的配電網(wǎng)備用調(diào)度方案，如圖2所示。

從圖2(a)可以看出，主動負荷方面，無論主網(wǎng)供電商的備用競價如何變化，備用市場上均只有工業(yè)用戶的參與。同時，主網(wǎng)供電商備用容量價格的變化對工業(yè)用戶的響應(yīng)情況影響不大。

從圖2(b)可以看出，DG沒有參與到備用調(diào)度方案中來，表明經(jīng)濟目標下，DG在備用容量市場的競爭力仍然較弱。同時，主網(wǎng)供電商備用容量價格對備用調(diào)度方案的影響比較小。

主網(wǎng)資源價格變化在影響配網(wǎng)經(jīng)濟運行方案的同時，也對配網(wǎng)運營交易成本有顯著影響。備用需求對配電網(wǎng)經(jīng)濟運行方案的影響也主要體現(xiàn)在成本變化上。在備用使用概率100%的情況下，備用需求和主網(wǎng)供電商價格的變化對配網(wǎng)運營商交易成本的影響，如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著主網(wǎng)供電商價格的不斷攀升，交易成本不斷上漲。備用需求的增長也推動了交易成本的上升，但影響相對較小。

圖2 配電網(wǎng)備用調(diào)度方案Fig.2 Backup distribution scheme of distribution network

圖3 配網(wǎng)運營商交易成本變化情況Fig.3 Transaction cost of distribution network operators

備用使用概率的變化主要影響配電網(wǎng)備用調(diào)度方案，如圖4所示，其中備用需求為1125 kW。

從圖4可以看出，備用使用概率較大時，其變化對備用調(diào)度方案的影響并不明顯;當備用使用概率非常低、逼近0時，發(fā)電機組的備用容量顯著增加，主動負荷在備用市場上的參與度則相應(yīng)降低。

為驗證本文得出的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行方案的有效性，同時結(jié)合配網(wǎng)技術(shù)參數(shù)表現(xiàn)對經(jīng)濟運行決策提供指導，本節(jié)還選取了電壓水平指標和線損水平指標，針對各方案做了技術(shù)參數(shù)分析。各方案下配網(wǎng)各節(jié)點電壓水平的變化情況，如圖5所示。

圖4 不同備用使用概率下的備用調(diào)度方案Fig.4 Distribution scheme under different spare backup probability

圖5 經(jīng)濟運行方案下各節(jié)點電壓水平Fig.5 Node voltage level under economic operation scheme

從圖5可以看出，主網(wǎng)供電商價格波動的各種情況下，配網(wǎng)各節(jié)點電壓水平均在可接受范圍內(nèi)，這說明本文提出的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型可行。同時，距離節(jié)點1越遠的節(jié)點(如節(jié)點16和節(jié)點26)，電壓水平越低;隨著主網(wǎng)供電商競價降低30%，這一趨勢更加明顯。這主要是因為主網(wǎng)供電商競價顯著降低，從配網(wǎng)經(jīng)濟運行的目標出發(fā)，DG和DR等需求側(cè)資源的參與度減小，從而無法補償遠距離節(jié)點的電壓水平。由此得出，需求側(cè)資源的適度參與，對于維持配網(wǎng)電壓水平穩(wěn)定具有顯著貢獻。

不同主網(wǎng)資源價格水平和備用需求下，配電網(wǎng)總線損的變化情況，如圖6所示。

圖6 經(jīng)濟運行方案下配電網(wǎng)線損情況Fig.6 Line loss of distribution network under economic operation scheme

從圖6可以看出，主網(wǎng)供電商競價顯著下降時(下降30%)，配電網(wǎng)線損顯著上升。這主要是由于此種情況下，DG和DR等需求側(cè)資源的參與減少;相對長距離的電能輸送增加了配網(wǎng)線損。由此得出，需求側(cè)資源的參與在維持配網(wǎng)電壓水平穩(wěn)定的同時，還能夠有效改善配網(wǎng)線損。

4 結(jié)論

1)采用本文構(gòu)建的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型，能夠得到技術(shù)上可行、經(jīng)濟上有效的配電網(wǎng)運行方案，對系統(tǒng)實際運行具有一定的指導意義;廣義需求側(cè)資源的參與能夠有效改善配網(wǎng)技術(shù)性能。

2)競爭性電力市場環(huán)境下，主網(wǎng)資源價格是影響需求側(cè)參與度的最重要的因素之一;不考慮相關(guān)財政補貼和優(yōu)惠政策的情況下，需求側(cè)資源在電力市場、尤其是備用市場上的競爭力仍然較弱。因此，仍然需要對需求側(cè)資源予以一定的激勵和保障，提升需求側(cè)資源的競爭力，從而實現(xiàn)提高配電網(wǎng)運行安全性和供電可靠性，最大限度利用多種能源資源，并推動新型配電系統(tǒng)的發(fā)展目標。

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