電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力評(píng)估建模研究

朱仔新 張靜忠 楊龍

摘? 要：在全社會(huì)用電需求持續(xù)增長(zhǎng)的狀態(tài)下，高峰負(fù)荷與峰谷差值對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了不利影響，為了保證電網(wǎng)安全性，研究電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力評(píng)估建模方法。在劃分電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)階段的基礎(chǔ)上，設(shè)定不同負(fù)荷狀態(tài)下響應(yīng)能力評(píng)估指標(biāo)，并采用時(shí)序分解法構(gòu)建評(píng)估模型，完成電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力評(píng)估建模方法設(shè)計(jì)。在實(shí)時(shí)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，評(píng)估電動(dòng)汽車(chē)參與需求側(cè)響應(yīng)后，對(duì)電力負(fù)荷影響效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章模型能夠在其充放電過(guò)程中完成高峰負(fù)荷劃分，多輪測(cè)試結(jié)果均與實(shí)際峰值負(fù)荷一致，具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：電力負(fù)荷;需求側(cè)響應(yīng);響應(yīng)能力評(píng)估模型;用電需求

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）16-0142-03

Research on Modeling of Power Load Demand Side Response Capability Evaluation

ZHU Zixin， ZHANG Jingzhong， YANG long

（State Grid Ningxia Dispatching and Control center， Yinchuan? 750001， China）

Abstract： With the continuous growth of power demand in the whole society， the peak load and peak valley difference have an adverse impact on the safe operation of the power grid. In order to ensure the security of the power grid， the modeling method of power load demand side response capability evaluation is studied. Based on the division of power load demand side response stage， the response capability evaluation indexes under different load states are set， and the evaluation model is constructed by time series decomposition method to complete the design of power load demand side response capability evaluation modeling method. Under the mechanism of real-time electricity price and time of use electricity price， the effect of electric vehicle participating in demand side response on power load is evaluated. The experimental results show that the model in this paper can complete the peak load division in it’s charge and discharge process， and the multi round test results are consistent with the actual peak load， which has a good practical application effect.

Keywords： power load; demand side response; response capability evaluation model; power demand

0? 引? 言

在多年的改革和發(fā)展中電力市場(chǎng)已經(jīng)形成了較為成熟的經(jīng)營(yíng)模式，但電力市場(chǎng)和其他市場(chǎng)中的商品相比仍存在一定差距，表現(xiàn)在電力市場(chǎng)需求側(cè)調(diào)動(dòng)不夠充分，并沒(méi)有完全利用好需求側(cè)資源，使得電力市場(chǎng)出現(xiàn)電力調(diào)度靈活性低與效率低等多種問(wèn)題。隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，主網(wǎng)最大用電負(fù)荷和負(fù)荷峰谷差不斷增加，且高峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間不斷增加，對(duì)電網(wǎng)發(fā)電、用電、外送電平衡以及輸電斷面控制帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。需求側(cè)管理作為一項(xiàng)長(zhǎng)久且能夠持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略工程，可以較大程度上緩解電力供應(yīng)的緊張局面，以此進(jìn)一步促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，因此在各地政府推進(jìn)用電終端節(jié)能技術(shù)研發(fā)和改革中，提出多個(gè)針對(duì)自身區(qū)域內(nèi)電力消費(fèi)特點(diǎn)的需求側(cè)管理方案，以期為推進(jìn)我國(guó)電力用戶端的市場(chǎng)化進(jìn)程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。受電網(wǎng)實(shí)時(shí)供需復(fù)雜性影響，在對(duì)電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)過(guò)程推進(jìn)中，需要進(jìn)行不同模式下的能力評(píng)估，確定在不同季節(jié)與不同時(shí)段內(nèi)負(fù)荷分級(jí)狀態(tài)。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言，傳統(tǒng)的分級(jí)模型在切削與填平峰谷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)充放電總量的不平衡的問(wèn)題，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行安全性下降，因此為了解決傳統(tǒng)模型存在的問(wèn)題，研究電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力評(píng)估建模方法，以期為不間斷供電提供更加可靠的理論依據(jù)。

1? 電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力評(píng)估建模方法

1.1? 劃分電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)階段

在電力負(fù)荷不斷增加的情況下，為保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，解決主網(wǎng)的供電壓力，在不同的負(fù)荷缺口下維持電網(wǎng)供需平衡，需要?jiǎng)澐植煌瑺顟B(tài)下電力負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)階段。根據(jù)電網(wǎng)用電缺口等級(jí)劃分電力預(yù)期的負(fù)荷階段，在失衡和緊張以及特緊三種情況，根據(jù)有序用電原則，對(duì)高耗能的用電設(shè)備進(jìn)行峰值避電，或者無(wú)法連續(xù)性用電生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行錯(cuò)峰定時(shí)用電。在合理調(diào)整用電時(shí)間和負(fù)荷屬性后，分析電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷峰谷特性并獲取相關(guān)的隸屬關(guān)系，假定在常態(tài)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，每小時(shí)的用電負(fù)荷能夠構(gòu)成隸屬集合，在梯度關(guān)系下某個(gè)時(shí)刻的最大值和最小值可以構(gòu)成傳遞的閉包矩陣。對(duì)于不同性質(zhì)的負(fù)荷置信水平進(jìn)行需求響應(yīng)階段模糊聚類(lèi)，根據(jù)負(fù)荷峰值與平值以及谷值時(shí)段完成劃分，因此規(guī)定以上三個(gè)階段的總時(shí)長(zhǎng)不少于6小時(shí)，峰值時(shí)段需在8小時(shí)之內(nèi)，其中每個(gè)平子時(shí)段不得低于2小時(shí)。在每日需求側(cè)響應(yīng)的階段劃分基礎(chǔ)上，設(shè)定能夠影響負(fù)荷響應(yīng)能力的多級(jí)評(píng)估指標(biāo)。

1.2? 設(shè)定負(fù)荷響應(yīng)能力評(píng)估指標(biāo)

負(fù)荷響應(yīng)能力評(píng)估指標(biāo)能夠衡量某個(gè)負(fù)荷點(diǎn)中持續(xù)不斷的供電能力，包括變電站在內(nèi)的整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)，按照用戶期望用電接受標(biāo)準(zhǔn)和需求能力度量，設(shè)置多個(gè)評(píng)估指標(biāo)。以線路平均故障率和故障修復(fù)時(shí)間為基準(zhǔn)，假設(shè)一年內(nèi)因設(shè)配原件故障引起的停電次數(shù)用ηp表示，在故障發(fā)生到恢復(fù)供電的所需時(shí)間，單位以小時(shí)計(jì)量取平均值，在不關(guān)注負(fù)荷定接入用戶數(shù)量情況下，對(duì)電力系統(tǒng)年度平均停電頻率進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)式為：

（1）

式中：頻率衡量指標(biāo)用AJIJI表示，負(fù)荷點(diǎn)p的用戶數(shù)量用Qp表示，在平均停電時(shí)間計(jì)算過(guò)程中，需要綜合考量整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)下，通過(guò)分析用戶一年實(shí)際供電時(shí)長(zhǎng)和停電市場(chǎng)作比市場(chǎng)值換算得出。在最大負(fù)荷數(shù)值接入后不產(chǎn)生故障的負(fù)荷點(diǎn)位切入口，保證電網(wǎng)在各個(gè)時(shí)刻內(nèi)能夠?qū)﹄S機(jī)出現(xiàn)的波動(dòng)值進(jìn)行切換，在進(jìn)行最高負(fù)荷切除投入時(shí)，保證有效功率平衡即可。根據(jù)供電用戶的年損失電量，對(duì)比整個(gè)電網(wǎng)的供應(yīng)能力設(shè)置多級(jí)評(píng)估指標(biāo)，為評(píng)估模型構(gòu)建提供保證。

1.3? 基于時(shí)序分解法的評(píng)估模型構(gòu)建

時(shí)序分解主要是根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷在不同周期內(nèi)會(huì)形成不同的變化勢(shì)態(tài)，按照每月和每周進(jìn)行細(xì)節(jié)描述，以此搭建不同時(shí)段內(nèi)負(fù)荷時(shí)序的評(píng)估模型。時(shí)序分解能夠?qū)⒉煌掌趦?nèi)的負(fù)荷自動(dòng)生成年度變化，通過(guò)景電最小路法描述年度中不同季節(jié)的典型負(fù)荷變化，由此進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)能力的有效評(píng)估。由于需求側(cè)響應(yīng)的主要目標(biāo)是合理分配用戶用電，實(shí)現(xiàn)峰谷的切削工作，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷和初始電價(jià)，在彈力矩陣彈性系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)已知情況下，對(duì)不同用戶的電力需求進(jìn)行分析，此次模型設(shè)定以峰谷電價(jià)作為決策變量，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

（2）

式中：峰谷電價(jià)在時(shí)刻s中的電量變化值用yo，u（s）表示，受電價(jià)波動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)刻用電量用yo，u（s）表示，在可變化的電量取值范圍內(nèi)δ表示電量閾值。為了提升用戶參與側(cè)響應(yīng)積極性，在提高用電負(fù)荷電量變化基礎(chǔ)上，對(duì)主網(wǎng)響應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的峰值倒置現(xiàn)象進(jìn)行電價(jià)關(guān)系約束，使得變化量能夠滿足閾值的取值范圍，在0.1～0.35之間即可。若在正常運(yùn)行中供電系統(tǒng)出現(xiàn)供電不足現(xiàn)象，則不需要切除峰值負(fù)荷，利用負(fù)荷優(yōu)化評(píng)估完成峰值與峰谷的填平，從而實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)能力在電力負(fù)荷中的模型構(gòu)建。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1? 參數(shù)設(shè)定

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的評(píng)估模型具有實(shí)際應(yīng)用效果，在不同電價(jià)機(jī)制下，利用本文所構(gòu)建的模型評(píng)估電動(dòng)汽車(chē)參與需求側(cè)響應(yīng)后，對(duì)電力負(fù)荷影響效果。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)持續(xù)放電的特性，選取某小區(qū)內(nèi)2 000家住戶為測(cè)試對(duì)象，采用24 h整體計(jì)劃，每隔1 h進(jìn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真求解，使用國(guó)家電網(wǎng)實(shí)際電力標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)期間24 h內(nèi)實(shí)時(shí)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)，如下表1所示。

根據(jù)表中內(nèi)容所示設(shè)定電動(dòng)汽車(chē)用戶，在出發(fā)前的電池處于滿電狀態(tài)，每天駕駛的耗電量為6.195 kW，電池類(lèi)型為磷酸鋰鐵電池。為防止其過(guò)度參與需求響應(yīng)對(duì)電池的不良影響，其最小剩余電量為20%，最大儲(chǔ)存電量不超過(guò)95%，測(cè)試過(guò)程的最小行進(jìn)電量為50%。以不同負(fù)荷的交叉彈性系數(shù)為例，設(shè)置電力負(fù)荷的低谷階段為0～8 h和22～24 h，非高峰階段為9～10 h和14～17 h，剩余時(shí)間為高峰階段。

2.2? 負(fù)荷變化過(guò)程

電動(dòng)汽車(chē)用戶在參加需求響應(yīng)過(guò)程中，分為充電和放電兩種響應(yīng)模式，為具體分析電動(dòng)汽車(chē)在不同狀態(tài)下的效益，根據(jù)電網(wǎng)公司的議價(jià)能力進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)出價(jià)區(qū)間的劃分，在仿真軟件中設(shè)置電網(wǎng)底價(jià)和跨度關(guān)系，確定在6.0 cents/kWh時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)雙方能夠獲取最大效益，電車(chē)用戶更愿意參加需求響應(yīng)。在實(shí)時(shí)電價(jià)與分時(shí)電價(jià)兩種機(jī)制下，分析電動(dòng)汽車(chē)充放電過(guò)程電力負(fù)荷變化曲線，如圖1所示。

分析圖1可知，電動(dòng)汽車(chē)參與需求響應(yīng)后會(huì)對(duì)電力負(fù)荷產(chǎn)生一定影響，在分時(shí)和實(shí)時(shí)電價(jià)的兩種情況下，充電的高峰時(shí)段具有較大差距，實(shí)時(shí)電價(jià)的高峰時(shí)段較分時(shí)電力峰段高出2 330 kW，充電量呈現(xiàn)5倍關(guān)系。放電過(guò)程負(fù)荷變化不大，兩種機(jī)制下產(chǎn)生的需求響應(yīng)負(fù)荷基本持平。通過(guò)對(duì)不同機(jī)制下電動(dòng)汽車(chē)充電與放電的評(píng)估，本文設(shè)計(jì)的模型能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的高峰用電負(fù)荷進(jìn)行有效評(píng)估，可以獲取不同用電模式下電力負(fù)荷對(duì)需求響應(yīng)的能力變化，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

2.3? 評(píng)估結(jié)果分析

受實(shí)時(shí)電價(jià)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶，在需求響應(yīng)過(guò)程中積極性更高的影響，在不考慮分時(shí)電價(jià)中電車(chē)的響應(yīng)作用，設(shè)置實(shí)時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車(chē)的最高負(fù)荷峰值4 848 kW，上下變化浮動(dòng)在20 kW之內(nèi)。進(jìn)一步進(jìn)行用電高峰階段負(fù)荷峰值的評(píng)估效果測(cè)試，引入兩組傳統(tǒng)模型作為對(duì)照，分別對(duì)高峰時(shí)段電車(chē)用戶充電狀態(tài)下進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估，具體測(cè)試結(jié)果如表2所示。

分析表2中內(nèi)容可知，本文模型在多輪測(cè)試中評(píng)估結(jié)果，與實(shí)際負(fù)荷峰值基本接近，兩組傳統(tǒng)模型的評(píng)估結(jié)果分別與實(shí)際結(jié)果有少許出入。以此可以證明本文模型能夠在實(shí)時(shí)電價(jià)的機(jī)制下，有效評(píng)估電動(dòng)汽車(chē)用戶用電需求負(fù)荷，為電網(wǎng)公司和用電雙方提供真實(shí)有效的交易變化數(shù)據(jù)，促使用戶能夠積極參與到需求側(cè)響應(yīng)過(guò)程中，維系電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定。

3? 結(jié)? 論

本文在劃分電力負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)階段的基礎(chǔ)上，設(shè)置多個(gè)響應(yīng)能力評(píng)估指標(biāo)，以此確定評(píng)估模型構(gòu)建的主要層級(jí)，并利用時(shí)序分解法搭建一個(gè)新的評(píng)估模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)時(shí)電價(jià)的機(jī)制下，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)參與需求響應(yīng)的不確定因素中，本文模型能夠有效評(píng)估出其充電時(shí)的實(shí)際負(fù)荷峰值，促使用戶能夠積極參與到需求側(cè)響應(yīng)過(guò)程中，維系電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定。但由于時(shí)間有限，在研究過(guò)程中仍存在些許不足，并未給出不同用戶在參與需求側(cè)響應(yīng)時(shí)，各階段的成本效益評(píng)估。后續(xù)研究過(guò)程中會(huì)對(duì)單一的指標(biāo)融合多個(gè)質(zhì)變，進(jìn)行組合評(píng)估模型設(shè)置，結(jié)合我國(guó)電力市場(chǎng)發(fā)展特點(diǎn)，提出更科學(xué)的優(yōu)化思路。

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作者簡(jiǎn)介：朱仔新（1986.11—），男，漢族，遼寧朝陽(yáng)人，工程師，本科，研究方向：電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響評(píng)估。