基于增量配電網(wǎng)需求響應(yīng)的定價方法研究

秦高原，涂 亮，張志彬，周育忠

(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責任公司,廣東 廣州 510700)

0 引言

如今，分布式能源被廣泛接入于增量配電網(wǎng)。然而，分布式發(fā)電技術(shù)的間歇性增加了增量配電網(wǎng)規(guī)劃的可變性，阻礙了輸電和配電2級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的順利運行。此外，不可預(yù)測的分布式能源可能會加劇增量配電網(wǎng)的擁堵問題[1-2]。

為了實現(xiàn)高效的負載管理，增量配電網(wǎng)運營商通常通過提供各種價格信號來激勵用電用戶調(diào)整他們的消費模式[3]。通過優(yōu)化調(diào)整用電用戶的用電策略對價格信號做出反應(yīng)，以將電費降到最低，這種機制被稱為需求側(cè)響應(yīng)(demand-side response，DSR)[4-6]。DSR包含了多種策略，包括使用時間定價、關(guān)鍵峰值定價和實時定價，在具有智能定價機制和智能設(shè)備的新興增量配電網(wǎng)中，用戶可以通過將自身的用電高峰轉(zhuǎn)移到增量配電網(wǎng)非高峰時段或通過改變其總體用電模式來改變其消費模式[7]。DSR方法有助于降低配電網(wǎng)峰值時的用電需求，從而促進增量配電網(wǎng)的高效系統(tǒng)運行[8-9]。

配電網(wǎng)費用可以通過各種定價模型預(yù)先計算，其中，長期增量成本(long-run incremental cost ，LRIC)是最先進的定價模型[10-11]。LRIC定價模型的一個改進版本為增量配電網(wǎng)用戶提供了一個特定于用戶類別的LRIC定價信號，除了傳統(tǒng)LRIC模型中基于節(jié)點位置的信號外，還引入了貢獻因子(contribution factor，CF)來突出用戶對網(wǎng)絡(luò)峰值條件的貢獻程度[12]。

本文將DSR與改進的LRIC定價方法相結(jié)合，以管理由分布式能源的間歇性引起的增量配電網(wǎng)規(guī)劃的可變性問題。該方法可以改變增量配電網(wǎng)中用戶的用電行為，以應(yīng)對隨著時間變化的收費情況，可以緩解增量配電網(wǎng)擁堵情況。

1 LRIC定價模型

LRIC定價方法利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)備用容量，通過研究每個節(jié)點上增加發(fā)電量或負荷對網(wǎng)絡(luò)帶來的影響，來反映未來容量投入的成本。為了得出每個節(jié)點的LRIC價格，需要2次潮流運行來評估每個節(jié)點的增量是否提前或延遲于配電網(wǎng)增量。LRIC模型可以提供長期的、前瞻性的經(jīng)濟價格信息來反映新用戶對網(wǎng)絡(luò)的使用程度。

下面給出了使用基本LRIC模型計算配電網(wǎng)絡(luò)價格的數(shù)學(xué)公式[13]。如果供應(yīng)節(jié)點k的配電網(wǎng)配電資產(chǎn)j的容量為Ckj，支持Dkj的功率流，則在給定的負荷增長率r下，從Dkj增長到Ckj所需的年數(shù)nkj可以確定為

(1)

如果在節(jié)點k注入負荷ΔDk，使沿配電網(wǎng)配電資產(chǎn)j的潮流變化增加ΔPkj，使節(jié)點在一定時間范圍內(nèi)增加nkjnew。配電網(wǎng)配電資產(chǎn)的長期增量成本是指在負載增加和不增加的情況下其現(xiàn)值Vkj的變化，定義為：

(2)

(3)

(4)

LRIC的基本定價方法不僅考慮了滿足需求所需的“距離”功率，還考慮了電路利用率。該模型不需要假設(shè)未來發(fā)電或需求的規(guī)模和選址。它依賴于現(xiàn)有增量配電網(wǎng)絡(luò)容納未來發(fā)電和需求的能力，從而提供了一個前瞻性的經(jīng)濟價格信息，以主動影響未來發(fā)電與需求的發(fā)展與變化[14-15]。

2 改進的LRIC定價模型

本文提出的改進的LRIC定價模型流程如圖1所示。該定價機制考慮了需求靈活性和用戶在推動未來增量配電網(wǎng)絡(luò)容量投入中的實際貢獻值來分配增量配電網(wǎng)絡(luò)成本。用戶的實際貢獻值可以使用貢獻因子(CF)進行評估。通過基于具有代表性的用戶的概況評估需求側(cè)響應(yīng)(DSR)對LRIC價格的影響，可以作為減輕增量配電網(wǎng)絡(luò)負荷和延遲增量配電的工具。長遠來看，此處考慮的DSR顯著降低了增量配電網(wǎng)絡(luò)的峰值需求，因此，可以延緩進行增量配電所需的時間。

圖1 提出的改進LRIC定價模型流程

在計算基本LRIC方法的單位價格后，根據(jù)用戶的代表性負荷分布向用戶提供時變網(wǎng)絡(luò)價格，用戶根據(jù)其價格彈性對這些收費優(yōu)惠做出響應(yīng)。由于DSR的存在，負載情況將通過用戶的一系列調(diào)節(jié)而改變。因此，在適當考慮上游配電資產(chǎn)貢獻因子(load-to-upstream asset CF，LACF)的負荷的情況下，針對負荷曲線的修改方案再次評估單位LRIC價格。

此外，該方法通過類別到負載貢獻因子(class-to-load CF，CLCF)來評估不同類別用戶對峰值網(wǎng)絡(luò)條件的貢獻。根據(jù)CLCF和單位價格，計算總LRIC價格，反映用戶類別對節(jié)點連接的總負荷峰值的貢獻。在LACF與CLCF這2個層面上考慮CF有助于確定用戶類別對增量配電網(wǎng)配電資產(chǎn)增量成本的有效貢獻。

2.1 按用戶類別分類的需求計算

首先從基本LRIC模型中獲得單位價格。在計算了單位價格后，通過設(shè)定不同類別用戶的價格彈性和時變價格報價，得到修正的需求。時變價格報價定義為

(5)

Dp為在任一節(jié)點連接的不同類別用戶的峰值需求；Do為不同類別用戶的參考需求；γ為提供給用戶類別的信號強度，其值可以在0到100%之間變化；Po為參考價格，即基本LRIC模型的單位價格。響應(yīng)價格變化的修正的需求可以表示為

(6)

?為價格彈性；D為用戶類別對價格變化的修正的需求曲線；P為向用戶提供的新價格(時變價格)。通過式(6)即可確定不同類別用戶修正后的需求。

2.2 上游配電資產(chǎn)的重合需求計算

傳統(tǒng)的LRIC定價方法是基于節(jié)點的峰值分布來評估增量配電網(wǎng)配電資產(chǎn)的使用價格。由于2個負荷曲線可能具有相同的峰值，但峰值出現(xiàn)的時間可能不同，在這種情況下，現(xiàn)有的方法無法區(qū)分2個曲線對配電網(wǎng)費用的影響。改進的LRIC方法使用LACF來評估節(jié)點負載對上游配電資產(chǎn)峰值使用的貢獻程度。這2個相同峰值的負荷對上游配電資產(chǎn)峰值使用的貢獻不同因而產(chǎn)生不同的價格，可以恰當?shù)胤从吵鏊鼈儗ε潆娋W(wǎng)配電資產(chǎn)增量的貢獻程度。該系數(shù)的計算式為

(7)

在LACF中，節(jié)點k的負載對每個上游共享配電資產(chǎn)j的重合需求Ekj為

(8)

2.3 單位LRIC價格

根據(jù)式(8)計算的重合需求作為輸入的潮流數(shù)據(jù)，以評估實際配電資產(chǎn)使用情況。當出現(xiàn)滿載情況時，需要進行增量配電。向連接節(jié)點k提供負載的配電網(wǎng)配電資產(chǎn)j具有功率承載能力Ckj并且支持功率流Pkj。m個用戶類別的子類別i的負載增長率假定為rim。由于在節(jié)點k處連接的m個用戶類別中每個子類i負載增長，引起配電網(wǎng)配電資產(chǎn)增加所需要的時間范圍(以年為單位)為

(9)

未來的配電網(wǎng)容量投入可以根據(jù)未來投入發(fā)生的時間折算成現(xiàn)值。對于貼現(xiàn)率d，連接在節(jié)點k的m個用戶類別中子類別i，配電網(wǎng)容量投入的未來投入現(xiàn)值被確定為

(10)

Aj為配電網(wǎng)配電資產(chǎn)j的等同配電資產(chǎn)成本。

由于連接在節(jié)點k的用戶子類i引起的節(jié)點注入，相關(guān)配電網(wǎng)配電資產(chǎn)j的功率流進一步被改變?yōu)棣kj。因此，配電網(wǎng)增加配電資產(chǎn)新的時間范圍為

(11)

這進而影響在節(jié)點k處連接的用戶子類i的配電網(wǎng)配電資產(chǎn)j的未來投入的現(xiàn)值為

(12)

由于節(jié)點注入，在節(jié)點k處連接的用戶子類i的配電資產(chǎn)j的現(xiàn)值變化為

(13)

網(wǎng)絡(luò)配電資產(chǎn)j的年化單位增量成本為

(14)

AF為年金現(xiàn)值系數(shù)。支持節(jié)點k的該節(jié)點上所有類別用戶的年化增量成本總配電資產(chǎn)j的總和，即

(15)

ΔDk為節(jié)點k處的總功率注入。

2.4 各節(jié)點不同用戶類別的LRIC價格

在計算單位LRIC價格后，考慮到貢獻因子反映了不同用戶類別對連接到節(jié)點k的總負載的峰值的貢獻，計算出不同用戶類別對負載的貢獻因子，即

(16)

由m個用戶類別中的子類i支付的價格，反映了其對節(jié)點k處總負荷峰值的貢獻，即

(17)

2.5 增量配電網(wǎng)系統(tǒng)評估

本文提出方法的優(yōu)點在于可以通過配電網(wǎng)絡(luò)未來增量成本的年金現(xiàn)值的差異ΔV，對整個系統(tǒng)進行評估。

(18)

(19)

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)說明

本文使用的增量配電網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，該增量配電網(wǎng)絡(luò)有4個電壓等級，即220 kV、132 kV、33 kV和11 kV，包含了普通類、工業(yè)類、農(nóng)業(yè)類和水利類。其中，有22條母線；T1～T11為該增量配電網(wǎng)中的11個變壓器；D1～D10為該增量配電網(wǎng)中的10條配電線路；L1～L11為該增量配電網(wǎng)中的11個負荷點。普通類用戶包括家庭、非家庭、公共街道照明和混合負荷用戶；農(nóng)業(yè)類包括固定費率農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)苗圃等；而工業(yè)類包括了小型工業(yè)、中型工業(yè)和高壓工業(yè)；水利類包括所有類型的供水工程。在負載L4處連接一臺功率因數(shù)為0.95的2 MVA分布式電源(DG)。為了反映負載的多樣性，本文假設(shè)每個用戶類別都被劃分為子類用戶。普通類由3個子類組成，容量分別為1 kW、2 kW和5 kW；工業(yè)類由2個子類組成，分別為17 kW和50 kW；農(nóng)業(yè)類和水利類包括2個子類，容量分別為7 kW和25 kW，5 kW和15 kW。

圖2 22母線增量配電網(wǎng)絡(luò)

3.2 改進LRIC定價方法的應(yīng)用

本節(jié)說明了考慮DSR和用戶類別貢獻對增量配電網(wǎng)峰值使用率影響的LRIC定價的推導(dǎo)過程。

在計算基本LRIC模型的單位價格后，每個地點的峰值和非峰值收費價格由式(1)確定。通過確定收費報價和長期價格彈性，根據(jù)式(6)為每個類別的用戶確定修正后的需求。隨后即得到每種類別用戶的修正負載分布和連接在所有節(jié)點的總負荷。這些修正的負載分布是為了最大限度地減少不同類別用戶的峰值，從而有助于最大限度地減少增量配電網(wǎng)的擁堵情況。具體結(jié)果如表1～表3所示。

表1 不同位置處上游配電資產(chǎn)負荷的貢獻因子

表2 不同用戶類別的貢獻因子

位于所有節(jié)點的不同類別用戶的總費用如表3所示。不同類別的用戶根據(jù)其對節(jié)點峰值條件的貢獻對網(wǎng)絡(luò)使用情況進行收費。高峰和非高峰配電網(wǎng)絡(luò)價格可以激勵用戶修改其負載狀態(tài)，并有助于緩解增量配電網(wǎng)擁堵情況。

表3 所有節(jié)點不同類別用戶的總費用 元·MVA-1·a-1

根據(jù)修正的各個節(jié)點的總負載分布，計算每個上游配電資產(chǎn)在所有所節(jié)點的重合需求。每個上游配電資產(chǎn)在不同節(jié)點位置處的負荷的貢獻因子如表1所示。由表1可以看出，負荷L6在配電資產(chǎn)T1的使用中占主導(dǎo)地位，對配電資產(chǎn)T1處于峰值負荷條件的貢獻程度最大。同時，L7和L9對D5處于峰值負荷條件產(chǎn)生的貢獻程度最小，L6是D5處于峰值負荷條件產(chǎn)生的主導(dǎo)負荷。類似地，其他負載的貢獻程度可以視為它們對提供電力的配電資產(chǎn)的使用程度。利用重合需求作為輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進行交流潮流計算，以計算單位LRIC費用所需的潮流。

考慮DSR和CF計算的單位LRIC費用如圖3所示。這些費用考慮了用戶對網(wǎng)絡(luò)配電資產(chǎn)使用的同時需求，因此可以反映距離、利用率以及不同節(jié)點用戶的峰值使用率。節(jié)點4以發(fā)電為主，因為該節(jié)點連接的負荷低于發(fā)電量。在這種情況下，當節(jié)點4的負荷最小而發(fā)電量最大時，配電資產(chǎn)T5會出現(xiàn)擁堵。本文提出的方法向需求端提供定價信號，以修改負載情況并盡量減少配電資產(chǎn)T5的潮流擁堵情況。節(jié)點4的負LRIC價格反映了由于DG的反向注入而減少線路潮流對網(wǎng)絡(luò)的好處。

圖3 所有結(jié)點的單位LRIC價格

在考慮到DSR的情況下計算單位價格后，根據(jù)式(16)計算出節(jié)點上各種類別用戶的CLCF，如表2所示。CLCF決定了連接到任意節(jié)點的不同類別的用戶對總負荷的貢獻程度。從表2可以看出，普通類的子類對L1峰值負荷的貢獻程度最小，而工業(yè)類的子類對L1峰值負荷的貢獻程度最大。此外，水利類的子類對L11處于峰值負荷條件的貢獻最大，而普通類的子類對L11處于峰值負荷條件的貢獻最小。類似地，可以觀察到在節(jié)點處連接的總負載中各種用戶子類的貢獻。

用戶在所有節(jié)點上支付的總費用(有無CF情況)如圖4所示。DG與配電網(wǎng)的結(jié)合對總費用的影響與對單位費用的影響相同?？梢钥闯?，考慮重合需求和DSR的節(jié)點用戶所支付的LRIC總費用低于不考慮重合需求和DSR的情況?；镜腖RIC模型計算的價格不能反映實際的網(wǎng)絡(luò)使用情況，因此，不能根據(jù)用戶的負載情況給用戶一個定價信號。

圖4 貢獻因子對總LRIC價格的影響

考慮CF和DSR的定價方法通過降低配電網(wǎng)絡(luò)費用來激勵用戶，以減少他們在增量配電網(wǎng)處于高峰期間的使用。因此，用戶通過本文提出的定價方法改善其需求狀況，修正后的曲線旨在減少增量配電網(wǎng)高峰期的延遲，增加配電資產(chǎn)。

3.3 增量配電網(wǎng)投入延期

提出的定價方法對推遲配電網(wǎng)絡(luò)投入的好處如圖5所示，它展示了未來增加配電資產(chǎn)后的年金現(xiàn)值。從圖5可以看出，增加未來增量配電網(wǎng)組成部分T1與T8的配電資產(chǎn)的年金現(xiàn)值很高。在采用建議的定價后，對于這些分支的投入明顯下降。對于其他分支來說，由于用戶對網(wǎng)絡(luò)峰值的貢獻較小，因此采用建議的方法后，年金現(xiàn)值也會減少。另外，考慮到DSR，鼓勵用戶修正他們的配電網(wǎng)使用情況，以盡量減少網(wǎng)絡(luò)峰值。這進一步推遲了配電資產(chǎn)的增加，從而可以推遲增量配電網(wǎng)的容量投入。

圖5 年金現(xiàn)值對比

4 結(jié)束語

目前的LRIC定價機制可以前瞻性地計算價格信息，這種定價機制基于多樣性因素來計算網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的最大需求，然而，這可能與實際增量配電網(wǎng)絡(luò)處于峰值的情況不一致，不能反映用戶在增量配電網(wǎng)絡(luò)處于峰值的情況。隨著可再生能源發(fā)電的大規(guī)模集成，可能會導(dǎo)致無響應(yīng)負載的增加，在可再生能源發(fā)電量大的時候?qū)е略隽颗潆娋W(wǎng)產(chǎn)生擁堵的情況。

本文對現(xiàn)有的LRIC定價方法進行了改進，提出了基于時間差分網(wǎng)絡(luò)利用率的定價信號，通過考慮用戶類別使用率對增量配電網(wǎng)峰值的貢獻程度，來反映增量配電網(wǎng)中不同類別用戶對增量配電網(wǎng)峰值使用率的貢獻程度。考慮到需求側(cè)的靈活性，向不同地點的用戶提供分時電價，并根據(jù)修正后的情況和考慮CF的情況對配電網(wǎng)絡(luò)電價進行了評估，以反映真實的使用情況。本文所提出的定價方法可以引發(fā)增量配電網(wǎng)中用戶的行為變化，以響應(yīng)時變的收費，最終緩解網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲投入問題。