需求側(cè)負(fù)荷可調(diào)度潛力分析及供需協(xié)調(diào)策略研究

周博曦，張國靜，徐家恒，宋 娜

（國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

近年來，隨著新型電力電子技術(shù)和控制手段的發(fā)展，負(fù)荷特性發(fā)生了根本性變化。一方面，用戶能夠針對(duì)市場(chǎng)價(jià)格或激勵(lì)機(jī)制改變?cè)须娏οM(fèi)模式，主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行控制；另一方面，電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能設(shè)備等具備與電網(wǎng)雙向互動(dòng)的能力，具備削峰填谷的功能，為電網(wǎng)調(diào)控提供了新的手段［1-2］。負(fù)荷參與電網(wǎng)互動(dòng)調(diào)度方面的研究成為關(guān)注焦點(diǎn)［2］。文獻(xiàn)［3］提出將高峰時(shí)段占比較高的空調(diào)通過需求響應(yīng)納入電力系統(tǒng)調(diào)度中；文獻(xiàn)［4］提出對(duì)工業(yè)微網(wǎng)中的可控負(fù)荷實(shí)施源荷協(xié)同優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)［5］提出樓宇負(fù)荷中可調(diào)度負(fù)荷的最大本地消納模型，實(shí)現(xiàn)樓宇能量管理；文獻(xiàn)［6］提出針對(duì)熱電廠的日前-實(shí)時(shí)雙階段優(yōu)化調(diào)度方法，參與電力市場(chǎng)競爭的優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)［7］提出改變用電時(shí)間或負(fù)荷大小以適應(yīng)電力運(yùn)營商的需求響應(yīng)策略，從而獲得經(jīng)濟(jì)效益。

需求側(cè)的可調(diào)負(fù)荷可作為削減高峰負(fù)荷、平衡電力供應(yīng)缺口的重要手段，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制具有重要作用［8］。為便于管理，將用戶側(cè)可激勵(lì)、可中斷負(fù)荷資源建模成可調(diào)負(fù)荷集群，研究規(guī)?；?fù)荷群控技術(shù)以及互動(dòng)調(diào)度響應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的柔性和剛?cè)岵?jì)控制，可為負(fù)荷精細(xì)管理和控制提供保證。對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、建筑樓宇、居民生活、新興負(fù)荷4種典型負(fù)荷資源的可調(diào)度潛力進(jìn)行分析，建立頻率、運(yùn)行電壓及運(yùn)行狀態(tài)3 類供需平衡調(diào)節(jié)控制的判據(jù)，提出了分層分區(qū)的負(fù)荷供需協(xié)調(diào)策略，利用可調(diào)負(fù)荷參與虛擬調(diào)峰，從而達(dá)到緩解電網(wǎng)備用容量不足和大容量負(fù)荷缺額的目的。

1 負(fù)荷可調(diào)度潛力分析

關(guān)于負(fù)荷特性的研究，已有多種負(fù)荷建模方法：統(tǒng)計(jì)綜合法［9］、總體辨識(shí)法［10］、故障仿真法［11-12］等。近年來，國內(nèi)用電信息采集和智能互動(dòng)終端技術(shù)的快速發(fā)展為負(fù)荷特性研究提供了數(shù)據(jù)支撐［13］。經(jīng)過負(fù)荷調(diào)研、數(shù)據(jù)整理和分析、負(fù)荷建模及響應(yīng)能力預(yù)測(cè)，同時(shí)依托實(shí)時(shí)采集與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)需求側(cè)的工業(yè)負(fù)荷、建筑樓宇、居民生活、新興負(fù)荷4 種負(fù)荷資源開展可調(diào)度潛力研究，為實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)可調(diào)負(fù)荷協(xié)調(diào)控制奠定基礎(chǔ)。

1.1 工業(yè)負(fù)荷

工業(yè)負(fù)荷在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展用電構(gòu)成中居于首位，約占總用電負(fù)荷的80%。工業(yè)負(fù)荷特性復(fù)雜，不同行業(yè)差異較大，獲取可調(diào)負(fù)荷估算需要對(duì)各行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備開展具有針對(duì)性的調(diào)研。以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵行業(yè)電能消耗為主的設(shè)備為電弧爐、精煉爐和軋鋼生產(chǎn)線等，其中軋鋼負(fù)荷約占總負(fù)荷20%，電弧爐負(fù)荷約占總負(fù)荷55%，剩下為輔助生產(chǎn)設(shè)備和辦公設(shè)備。軋鋼機(jī)和電弧爐負(fù)荷特性曲線分別如圖1（a）、圖1（b）所示，其響應(yīng)可調(diào)度潛力如表1 所示。其中，表1 中所描述電弧爐和軋鋼負(fù)荷的供需協(xié)調(diào)方法為：高峰時(shí)段功率缺口較大情況時(shí)，在征求客戶同意情況下，客戶可在不影響生產(chǎn)情況下短時(shí)切除部分生產(chǎn)設(shè)備。該方法可在分鐘級(jí)內(nèi)得到響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)長（即調(diào)峰持續(xù)時(shí)間）可達(dá)0.5～1.0 h（表1 中直控調(diào)控策略指由直流電源供電的控制、保護(hù)、信號(hào)、自動(dòng)裝置等控制負(fù)荷）。

圖1 鋼鐵行業(yè)負(fù)荷特性曲線

表1 鋼鐵負(fù)荷的可調(diào)度潛力

1.2 建筑樓宇負(fù)荷

大型建筑、樓宇和商業(yè)主要負(fù)荷包括空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及部分動(dòng)力系統(tǒng)等，其中空調(diào)等溫控負(fù)荷數(shù)量巨大，夏季高峰時(shí)段可達(dá)負(fù)荷總量的30%～40%，甚至可達(dá)50%。溫控負(fù)荷具備熱存儲(chǔ)能力，適度調(diào)溫或短暫切斷不會(huì)對(duì)用戶熱舒適度造成明顯的負(fù)面影響。空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)產(chǎn)生的影響較小，通過精細(xì)控制，大型商場(chǎng)以及建筑樓宇的空調(diào)負(fù)荷用電在高峰時(shí)段可以削峰5%～10%，響應(yīng)時(shí)長可達(dá)2 h，部分用電發(fā)達(dá)地區(qū)甚至可以達(dá)到10%～15%，具有巨大的調(diào)峰潛力。以典型的商業(yè)綜合體為例，建筑樓宇負(fù)荷曲線如圖2 所示，其響應(yīng)可調(diào)度潛力如表2 所示?？照{(diào)的調(diào)控方式包括調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和調(diào)節(jié)功率2 種方式，在功率高峰時(shí)段，通過智能控制設(shè)備對(duì)空調(diào)實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)時(shí)長可達(dá)0.5～2.0 h。

圖2 建筑樓宇負(fù)荷特性曲線

表2 空調(diào)負(fù)荷的可調(diào)度潛力

1.3 居民用電負(fù)荷

居民用電負(fù)荷主要負(fù)荷包括照明類負(fù)荷、電視、洗衣機(jī)、廚房等，夏冬兩季用電高峰期間負(fù)荷占比較高，居民負(fù)荷特征曲線如圖3 所示。居民負(fù)荷夏季主要以空調(diào)負(fù)荷為主，冬季主要以電采暖和熱水器負(fù)荷為主，此類負(fù)荷用電特性靈活、短時(shí)操作不會(huì)對(duì)用戶造成較大影響，且容易受到應(yīng)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制引導(dǎo)，具有可觀的調(diào)峰潛力，居民可調(diào)節(jié)負(fù)荷方式、調(diào)節(jié)速度與響應(yīng)時(shí)長如表3 所示。

圖3 居民負(fù)荷特性曲線

表3 居民負(fù)荷的可調(diào)度潛力

1.4 新型負(fù)荷

新型負(fù)荷包括電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能及分布式電能。其中電動(dòng)汽車涵蓋了較大一部分的儲(chǔ)能設(shè)備，因此以電動(dòng)汽車為例進(jìn)行新型負(fù)荷可調(diào)節(jié)性分析。大量電動(dòng)汽車并網(wǎng)形成充放電聚合效應(yīng)，集中充電效應(yīng)有可能導(dǎo)致電能消耗“峰上加峰”。通過分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)電動(dòng)汽車充電行為，使電動(dòng)汽車充電時(shí)間盡量選擇在電價(jià)較低的電網(wǎng)低谷時(shí)段，其負(fù)荷曲線如圖4 所示。

圖4 電動(dòng)汽車特性曲線

綜上，工業(yè)、樓宇、居民以及部分新型負(fù)荷用電需求靈活可控，是潛在的可調(diào)度資源。據(jù)估算，通過加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)、完善補(bǔ)貼政策和市場(chǎng)交易機(jī)制，未來3～5 年全網(wǎng)可調(diào)負(fù)荷可達(dá)到35 GW；至2030 年，可調(diào)節(jié)負(fù)荷的理論遠(yuǎn)期潛力可達(dá)90 GW。在電網(wǎng)的高峰用電時(shí)段，通過可調(diào)負(fù)荷參與虛擬調(diào)峰，可有效緩解電網(wǎng)高峰時(shí)段對(duì)電力的需求，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 可調(diào)負(fù)荷供需協(xié)調(diào)方案

為緩解功率缺額引起的頻率波動(dòng)，傳統(tǒng)調(diào)解方案采用負(fù)荷快切方式防止系統(tǒng)頻率快速下降［14］。盡管傳統(tǒng)調(diào)解方案短時(shí)間能將負(fù)荷控制到位，但由于其為單向剛性調(diào)節(jié)方式，沒有考慮負(fù)荷類型與其可調(diào)節(jié)性，對(duì)用戶影響較大。對(duì)此，提出一種考慮負(fù)荷可調(diào)性的區(qū)域電網(wǎng)供需協(xié)調(diào)控制方案，利用主動(dòng)的可調(diào)負(fù)荷資源代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性被切負(fù)荷，降低切負(fù)荷代價(jià)。

2.1 供需協(xié)調(diào)控制判據(jù)

負(fù)荷參與供需平衡調(diào)節(jié)需求的控制判據(jù)包括3類，分別為頻率、運(yùn)行電壓與運(yùn)行狀態(tài)。

1）頻率越限判據(jù)。

當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，不同負(fù)荷表現(xiàn)出不同的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。文獻(xiàn)［9］給出了負(fù)荷的“功率-頻率”特性為

式中：PLN為系統(tǒng)的額定有功功率；f 為系統(tǒng)頻率；fN為額定頻率；PL為頻率為f 時(shí)系統(tǒng)的有功功率；PL*、f*分別為有功功率和系統(tǒng)頻率的標(biāo)幺值，PL*=KL為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)；αi（i=0，1，…，n）為研究區(qū)域各類可調(diào)負(fù)荷占PLN的比例系數(shù)；由于實(shí)際很少存在負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)與頻率高次方（≥4 次方）成正比的情況［9］，對(duì)式（1）進(jìn)行簡化，得到式（2）；式（3）中KL用于反映負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能，KL越大對(duì)負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能越好。因此，低頻減載時(shí)，為防止頻率下降過多應(yīng)優(yōu)先切除KL小的負(fù)荷，保留大的負(fù)荷，有利于提高系統(tǒng)頻率恢復(fù)水平。

對(duì)此，設(shè)定頻率越限門檻值fthr，用于確定電網(wǎng)當(dāng)前頻率和高峰缺功率時(shí)啟動(dòng)低頻減載動(dòng)作值；當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頻率ft和頻率變化率滿足ft

其中，K1

2）電壓越限判據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求，參照SD 325—1989《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》，對(duì)系統(tǒng)的電壓安全水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)系統(tǒng)電壓不符合安全穩(wěn)定要求時(shí)，進(jìn)行低壓減載負(fù)荷控制。母線i 電壓安全裕度指標(biāo)計(jì)算公式為［14］

式中：UBi為母線i 的電壓幅值；和分別為母線i的電壓上、下限。

設(shè)定區(qū)域電壓越限門檻值Uthr，一般以母線越限電壓為準(zhǔn)。按照“分層分區(qū)，就地平衡”原則，當(dāng)UBi

3）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)越限判據(jù)。

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判據(jù)主要指設(shè)備過載運(yùn)行，過載設(shè)備主要包括線路和變壓器兩種。變壓器或線路等設(shè)備的重要性隨其在電網(wǎng)中所處在的位置、電壓等級(jí)等因素而不同，應(yīng)該因地制宜地制定切負(fù)荷措施。線路j 和變壓器m 過載安全裕度指標(biāo)ILj、Spm的定義［14］分別如式（5）和式（6）所示。

式中：Ilj為線路j的電流值；Ilj，lim為線路j的熱穩(wěn)定值；Stm為變壓器m 的視在功率；Stm，lim為變壓器m 的容量。設(shè)置線路過載門檻值Il，thr，用于確定電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)下的過載線路；設(shè)置變壓器過載門檻值SP，thr，用于確定電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)的過載變壓器。當(dāng)線路j 滿足ILj

2.2 負(fù)荷供需協(xié)調(diào)策略

不同地區(qū)或同一地區(qū)不同負(fù)荷構(gòu)成差異是非常大的，對(duì)此，制定分層分區(qū)的負(fù)荷供需協(xié)調(diào)策略以提高分區(qū)的適應(yīng)性是非常必要的。根據(jù)電網(wǎng)高峰時(shí)段功率缺額引起的頻率波動(dòng)，獲取各區(qū)頻率、電壓以及設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，負(fù)荷的供需協(xié)調(diào)策略按全網(wǎng)協(xié)調(diào)層、子區(qū)控制層和局部控制層進(jìn)行分層，在優(yōu)先考慮系統(tǒng)可調(diào)負(fù)荷的情況下，完成全網(wǎng)、子區(qū)以及若干分區(qū)范圍供需協(xié)調(diào)，其基本框架如圖5 所示，控制流程如圖6 所示。

圖5 簡化的系統(tǒng)級(jí)負(fù)荷協(xié)調(diào)分層分區(qū)框架

全網(wǎng)協(xié)調(diào)層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻率，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行方式及各種已知狀態(tài)量及時(shí)調(diào)整協(xié)調(diào)方案，當(dāng)監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)頻率滿足動(dòng)作條件時(shí)，估算出全網(wǎng)的功率缺額，下發(fā)子區(qū)控制層協(xié)調(diào)指令；子區(qū)控制層根據(jù)所在分區(qū)電網(wǎng)的電壓和頻率跌落指標(biāo)、子區(qū)功率不平衡量，確定子區(qū)可切負(fù)荷量；局部控制層完成更小區(qū)域內(nèi)的母線電壓、線路電流及負(fù)荷變壓器運(yùn)行容量的實(shí)時(shí)測(cè)量，秉著最大程度保證生產(chǎn)性設(shè)備及保安設(shè)備等重要負(fù)荷用電的原則，優(yōu)先調(diào)整和切除系統(tǒng)的可調(diào)負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷的重要程度分輪次實(shí)施減負(fù)荷。

利用可調(diào)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)高峰時(shí)段的減負(fù)荷措施，一方面需要結(jié)合國家節(jié)能減排相關(guān)政策和法規(guī)，兼顧供需調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益來實(shí)施控制措施；另一方面應(yīng)充分調(diào)動(dòng)用戶主動(dòng)參與需求響應(yīng)的意愿，保證客戶滿意度，以降低切負(fù)荷的代價(jià)。目前，隨著國內(nèi)外對(duì)智能用電技術(shù)的發(fā)展，智能用電設(shè)備為實(shí)現(xiàn)可調(diào)負(fù)荷參與系統(tǒng)運(yùn)行控制提供了重要保障。因此，研究智能家具響應(yīng)的新型低頻、低壓減負(fù)荷方案，并從全系統(tǒng)角度優(yōu)化負(fù)荷響應(yīng)方案，對(duì)最小代價(jià)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)大功率缺額的影響具有重要意義。

圖6 負(fù)荷協(xié)調(diào)控制流程

3 結(jié)語

通過挖掘需求側(cè)可調(diào)負(fù)荷資源包括工業(yè)、商業(yè)、居民以及新型負(fù)荷領(lǐng)域的用電設(shè)備，對(duì)可調(diào)負(fù)荷的調(diào)峰特性和調(diào)峰潛力進(jìn)行分析，利用可調(diào)資源實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。

提出的供需協(xié)調(diào)方案為可調(diào)負(fù)荷參與虛擬調(diào)峰提供了思路。區(qū)域電網(wǎng)失負(fù)荷后，后期將隨著系統(tǒng)出力增加，需要在滿足有功平衡與頻率控制下盡快實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的柔性恢復(fù)，研究按照負(fù)荷恢復(fù)優(yōu)先級(jí)及有序恢復(fù)方案，將是進(jìn)一步研究的方向。