程云祥 張海靜 梁雅潔 劉勇超 宮池玉

（1.國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司 2.國網(wǎng)山東省電力公司營銷服務(wù)中心）

0 引言

隨著電力體制改革的不斷推進(jìn)，電力現(xiàn)貨交易市場趨向規(guī)?；l(fā)展［1，2］，山東省電力現(xiàn)貨市場試點(diǎn)已啟動(dòng)實(shí)施，初步構(gòu)建了日前和實(shí)時(shí)電力現(xiàn)貨市場，建設(shè)了電力現(xiàn)貨支持系統(tǒng)。近年來山東電網(wǎng)電力供需形勢偏緊，部分時(shí)段存在電力缺口，將需求響應(yīng)引入到電力市場競爭中，通過激勵(lì)機(jī)制和價(jià)格信號來增加市場中需求側(cè)的作用，并將供需求兩側(cè)的資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化，是電力市場發(fā)展的內(nèi)在要求。如何將需求響應(yīng)技術(shù)與電力現(xiàn)貨支持系統(tǒng)的出清模型進(jìn)行整合和協(xié)同，需要開展技術(shù)研究和探索。

為方便計(jì)算，首先對參與調(diào)度的負(fù)荷進(jìn)行建模，目前已有多篇文章對需求響應(yīng)模型進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［3］中建立了兩種需求響應(yīng)模型：經(jīng)濟(jì)型和價(jià)格型。其中用價(jià)格和電量得到其收益模型來響應(yīng)經(jīng)濟(jì)型需求；根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)需求原理定義電量電價(jià)彈性響應(yīng)價(jià)格型需求。文獻(xiàn)［4］中采用交叉彈性與自彈性的需求彈性，基于分時(shí)電價(jià)建立需求響應(yīng)模型。文獻(xiàn)［5］中應(yīng)用價(jià)格與需求響應(yīng)量的彈性關(guān)系，通過線性彈性關(guān)系得到需求響應(yīng)成本模型。文獻(xiàn)［6］在進(jìn)行建模時(shí)考慮了電價(jià)彈性矩陣對需求響應(yīng)行為的影響，不僅考慮其經(jīng)濟(jì)特性，還考慮消費(fèi)者滿意度，更詳細(xì)地分析了需求響應(yīng)特性。以上文獻(xiàn)僅從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)進(jìn)行建模，沒有計(jì)及負(fù)荷的物理特性，所得出的結(jié)論可能無法達(dá)到實(shí)際調(diào)度需求，即調(diào)度策略不具有實(shí)用性。

本文提出一種考慮負(fù)荷分類及其需求響應(yīng)的電力現(xiàn)貨市場優(yōu)化調(diào)度模型，該模型融入負(fù)荷需求響應(yīng)并以節(jié)點(diǎn)電價(jià)作為定價(jià)機(jī)制優(yōu)化次日各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷曲線，通過日前電能市場模型與現(xiàn)貨市場模型的循環(huán)迭代實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力資源的優(yōu)化分配。最后，以IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例進(jìn)行仿真，來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行裕⒃敿?xì)分析需求響應(yīng)容量大小對優(yōu)化調(diào)度模型的影響程度。

1 基于電價(jià)響應(yīng)特性的負(fù)荷分類

不同行業(yè)的用電規(guī)律以及對電價(jià)的敏感性不盡相同，在典型的配電網(wǎng)中，構(gòu)成需求響應(yīng)的主體主要是居民用電、商業(yè)用電和大工業(yè)用電。在進(jìn)行需求響應(yīng)時(shí)，為了摸清針對某一類負(fù)荷的需求響應(yīng)特性，需要準(zhǔn)確掌握行業(yè)的用電特性。

1.1 大工業(yè)用電分析

大工業(yè)雖然數(shù)量相對較少，但用電需求大，是國家最大的耗電行業(yè)，一般電費(fèi)支出占企業(yè)總成本的50%以上。其中，鋼鐵、建材等行業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期長，負(fù)荷率高，比較積極響應(yīng)峰谷分時(shí)電價(jià)，在低谷、平時(shí)段增大負(fù)荷用電量，在高峰時(shí)段減小負(fù)荷用電量。由于受生產(chǎn)工藝制約，化工、冶金等行業(yè)不易調(diào)整生產(chǎn)方式，無法實(shí)現(xiàn)避峰生產(chǎn)，響應(yīng)電價(jià)的積極性不明顯。

對于積極響應(yīng)需求響應(yīng)的大工業(yè)用戶，一旦滿足需求響應(yīng)條件，需最低調(diào)用容量，才能彌補(bǔ)因生產(chǎn)方式調(diào)整帶來的損失。

1.2 商業(yè)用電分析

像大型商場、賓館、餐飲、學(xué)校、醫(yī)院、辦公樓等等商業(yè)用戶種類豐富，用電差異性不大，家電對激勵(lì)和電價(jià)的響應(yīng)能力積極性不大，參與需求響應(yīng)最重要的部分是中央儲能空調(diào)。從對電價(jià)的響應(yīng)敏感程度看，商業(yè)用戶低于工業(yè)用電［7］。對于這類用戶，即使沒有調(diào)用其響應(yīng)容量或少調(diào)用響應(yīng)容量，對其生產(chǎn)經(jīng)營影響很小，不存在最小調(diào)用容量。

1.3 居民用電分析

居民用戶的需求響應(yīng)行為與商業(yè)用戶和大型工業(yè)用戶不同，具有其自身鮮明的特點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)、意識、人口是影響居民用戶需求響應(yīng)行為的主要因素［8］。其中，影響居民用電響應(yīng)的重要一點(diǎn)是家庭的經(jīng)濟(jì)條件。當(dāng)電價(jià)調(diào)整時(shí)，對于經(jīng)濟(jì)條件好的用戶，一般不會(huì)調(diào)整自身的用電行為；而對經(jīng)濟(jì)條件一般的用戶，則會(huì)轉(zhuǎn)移到谷電價(jià)時(shí)段用電。因此，居民用戶對電價(jià)的響應(yīng)程度不一。

針對不同的負(fù)荷，本文引入需求響應(yīng)機(jī)會(huì)成本這一概念，需求響應(yīng)機(jī)會(huì)成本即企業(yè)中斷用能或轉(zhuǎn)移用能時(shí)間而暫時(shí)所放棄的生產(chǎn)性收益，需求響應(yīng)機(jī)會(huì)成本可以表示為做出需求響應(yīng)造成生產(chǎn)活動(dòng)的最大損失。很顯然，電網(wǎng)側(cè)付出的激勵(lì)成本只有小于電網(wǎng)邊際發(fā)電成本，才有調(diào)動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)的必要，才能實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源利用效益的最大化；同理，只有企業(yè)從電網(wǎng)獲得的激勵(lì)成本大于需求響應(yīng)機(jī)會(huì)成本時(shí)，企業(yè)才有利可圖，才會(huì)積極參與需求側(cè)響應(yīng)。

即存在以下成本約束：

其中，S為企業(yè)需求響應(yīng)機(jī)會(huì)成本；J為電網(wǎng)企業(yè)付出的激勵(lì)成本；B為電網(wǎng)邊際發(fā)電成本。

其中，q為企業(yè)需求響應(yīng)單位電能報(bào)價(jià)；P為企業(yè)需求響應(yīng)電能總量。

其中，k為企業(yè)所在電網(wǎng)日前節(jié)點(diǎn)電價(jià)，由電網(wǎng)企業(yè)發(fā)布；P為企業(yè)需求響應(yīng)電能總量。

由式（1）～式（3）可知：

2 節(jié)點(diǎn)電價(jià)

節(jié)點(diǎn)電價(jià)理論最早于1988年提出，并在新加坡、澳大利亞、北美等地電力市場中得到應(yīng)用［9，10］。節(jié)點(diǎn)電價(jià)是指在滿足各類設(shè)備和資源的運(yùn)行特性和約束條件的前提下，在某一節(jié)點(diǎn)增加單位負(fù)荷需求時(shí)的邊際成本，即代表在某時(shí)間、某地點(diǎn)消費(fèi)“多一度電”所需要增加的成本。節(jié)點(diǎn)電價(jià)可從時(shí)空兩個(gè)角度反映系統(tǒng)實(shí)際的供電運(yùn)行成本，該定價(jià)機(jī)制應(yīng)用越來越廣泛。節(jié)點(diǎn)電價(jià)主要影響因素有發(fā)電費(fèi)用、輸電阻塞、網(wǎng)絡(luò)損耗等，其中輸電線路潮流越限主要影響阻塞費(fèi)用。

與節(jié)點(diǎn)電價(jià)密切聯(lián)系的一個(gè)經(jīng)典問題便是最優(yōu)潮流。最優(yōu)潮流在數(shù)學(xué)上是一種帶約束條件的非線性最優(yōu)解問題，典型的包括以系統(tǒng)發(fā)電成本最小為目標(biāo)函數(shù)包含等式約束（功率平衡）以及不等式約束（發(fā)電機(jī)出力、線路輸電約束等）優(yōu)化過程［11］。最優(yōu)潮流問題可以表述為以下。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

對于一個(gè)區(qū)域系統(tǒng)，有m臺燃煤發(fā)電機(jī)組，其最優(yōu)潮流模型的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為多時(shí)段內(nèi)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用最?。?/p>

式中，T為調(diào)度周期；m為常規(guī)機(jī)組數(shù)；Pi，t為常規(guī)機(jī)組i在第t時(shí)段的出力。

2.2 邊界條件

日前電能市場邊界條件包括機(jī)組運(yùn)行約束和電網(wǎng)運(yùn)行約束。

（1）功率平衡約束

式中，Pload，t為時(shí)段t的負(fù)荷需求。

（2）最大最小出力約束

（3）發(fā)電機(jī)爬坡速率約束

（4）潮流安全約束

在表示潮流方程的約束形式時(shí)，如果以節(jié)點(diǎn)功率平衡方程表示將擴(kuò)大約束集合的維度，使優(yōu)化問題難以求解。因此，在實(shí)踐中求解潮流和輸電線路約束方程時(shí)，常常采用系統(tǒng)功率平衡方程與功率轉(zhuǎn)移分布因子來替代。上述優(yōu)化調(diào)度模型可以轉(zhuǎn)化為文獻(xiàn)［12］提出的安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并用拉格朗日法求出日前單一時(shí)間點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電價(jià)。

3 負(fù)荷需求響應(yīng)優(yōu)化模型

通過改變負(fù)荷的用能行為，需求響應(yīng)間接優(yōu)化負(fù)荷曲線，從而協(xié)調(diào)優(yōu)化電力市場下需求潛力，不斷提升負(fù)荷側(cè)在系統(tǒng)運(yùn)行中的參與度。本文各節(jié)點(diǎn)電價(jià)通過日前電能市場計(jì)算得到，負(fù)荷側(cè)獲得電價(jià)信息后，積極進(jìn)行需求響應(yīng)以優(yōu)化負(fù)荷曲線。在滿足負(fù)荷需求的情況下負(fù)荷側(cè)優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)為最小化調(diào)度周期內(nèi)的購電成本與電網(wǎng)企業(yè)付出的激勵(lì)成本。

考慮需求響應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度模型將整個(gè)計(jì)算過程分為兩步，第一步是電能市場以機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用最小作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度獲得節(jié)點(diǎn)電價(jià)；節(jié)點(diǎn)電價(jià)信息通過電網(wǎng)平臺傳遞給用戶，用戶按照自身的利益調(diào)整負(fù)荷曲線，通過電網(wǎng)平臺反饋負(fù)荷需求及時(shí)調(diào)整幅度；第二步為調(diào)度機(jī)構(gòu)以購電成本和激勵(lì)成本為目標(biāo)，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整負(fù)荷曲線。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

對于一個(gè)區(qū)域系統(tǒng)，有m臺燃煤發(fā)電機(jī)組，其多時(shí)段最優(yōu)潮流模型的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

式中，n為參與需求側(cè)響應(yīng)的用戶數(shù)；qj，t為第j個(gè)用戶在t時(shí)段的需求響應(yīng)報(bào)價(jià)，由用戶自行提出，但應(yīng)小于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電價(jià)，即滿足式（4）的條件；Pj，t為第j個(gè)用戶在t時(shí)段的響應(yīng)功率。

3.2 邊界條件

約束條件除包括式（6）～式（9）外，還應(yīng)針對不同的負(fù)荷類型有最小響應(yīng)容量約束：

式中，ωj為根據(jù)負(fù)荷分類賦予的最小調(diào)用比例；Ps j，t為第j個(gè)用戶在t時(shí)段的申報(bào)功率。對于工業(yè)用電，調(diào)用比例應(yīng)覆蓋其需求響應(yīng)機(jī)會(huì)成本。

4 求解方法

在前文的模型中，目標(biāo)函數(shù)含有常規(guī)機(jī)組出力的二次項(xiàng)，約束條件為線性約束，約束條件式（9）采用直流潮流模型來求解支路i－j的線路潮流，也是機(jī)組有功出力的線性約束。因此，整個(gè)調(diào)度模型是目標(biāo)函數(shù)為非線性而約束條件為線性的數(shù)學(xué)優(yōu)化問題，可以調(diào)用Matlab優(yōu)化工具箱求解。

5 算例仿真

為檢驗(yàn)本文方法的有效性，本文對IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。IEEE標(biāo)準(zhǔn)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的電壓基準(zhǔn)值為：110kV，功率基準(zhǔn)值為：100MVA。IEEE39節(jié)點(diǎn)電力網(wǎng)絡(luò)有10臺燃煤機(jī)組，共計(jì)21個(gè)負(fù)荷，46條輸電線路，其他算例數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)［13］的數(shù)據(jù)。

從下表可以看出，相比于沒有需求響應(yīng)，當(dāng)需求響應(yīng)的容量為±5%和±10%時(shí)，電能市場運(yùn)行費(fèi)用時(shí)有明顯的減少，電能市場運(yùn)行費(fèi)用隨著參與需求響應(yīng)的容量增大而減少的程度也越大。這是因?yàn)橛脩粼诳紤]電價(jià)進(jìn)行需求響應(yīng)后，將用電高峰負(fù)荷調(diào)整至低谷時(shí)段，同時(shí)低谷時(shí)段機(jī)組的申報(bào)價(jià)格較低，發(fā)電能力得到充分發(fā)揮，起到削峰填谷的作用，從而降低運(yùn)行成本。

表 節(jié)點(diǎn)3不同需求響應(yīng)容量下的優(yōu)化目標(biāo)（單位：萬元）

節(jié)點(diǎn)3的電力負(fù)荷在需求響應(yīng)實(shí)施前后的曲線如圖1所示。可以看到：用戶在節(jié)點(diǎn)電價(jià)信號的引導(dǎo)下實(shí)施需求響應(yīng)后，與之前相比，負(fù)荷分布有所變化，主要體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)3的高峰負(fù)荷向電價(jià)更低的時(shí)段轉(zhuǎn)移，一定程度上平抑了系統(tǒng)電力負(fù)荷的波動(dòng)。并且負(fù)荷越大，參與需求響應(yīng)的容量越大，響應(yīng)后節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移越明顯，使高峰時(shí)期的潮流阻塞得到緩解。參與需求響應(yīng)的容量越大，負(fù)荷曲線的峰谷差越小。從圖2可以看出，高峰期節(jié)點(diǎn)3的節(jié)點(diǎn)電價(jià)，當(dāng)無需求響應(yīng)時(shí)接近943元／MWh，當(dāng)需求響應(yīng)容量變大后，降低到895元／MWh。高峰時(shí)段18和19的節(jié)點(diǎn)電價(jià)在響應(yīng)后已降至接近時(shí)段9和10的各節(jié)點(diǎn)電價(jià)，由此說明較大的負(fù)荷需求響應(yīng)容量可以明顯改善系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)。

圖1 節(jié)點(diǎn)3負(fù)荷曲線

圖2 節(jié)點(diǎn)3邊際電價(jià)

6 結(jié)束語

在逐漸深入推進(jìn)電力現(xiàn)貨市場的環(huán)境下，提出一種考慮負(fù)荷分類及其需求響應(yīng)的電力現(xiàn)貨市場優(yōu)化調(diào)度模型，該模型融入負(fù)荷需求響應(yīng)并以節(jié)點(diǎn)電價(jià)作為價(jià)格傳導(dǎo)機(jī)制來優(yōu)化次日各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷曲線，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效益。并將社會(huì)生產(chǎn)機(jī)會(huì)成本的概念引入負(fù)荷側(cè)，綜合優(yōu)化各節(jié)點(diǎn)的購電成本與社會(huì)生產(chǎn)機(jī)會(huì)成本。以IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該模型的有效性。本文所得結(jié)論如下：

1）負(fù)荷需求響應(yīng)模型在一定程度上有利于削峰填谷，在降低運(yùn)行成本的同時(shí)提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。并且需求響應(yīng)程度受需求響應(yīng)的容量大小的影響。

2）不僅發(fā)電機(jī)組電能量申報(bào)價(jià)格影響日前電力市場中的節(jié)點(diǎn)電價(jià)，線路傳輸功率限制也會(huì)影響節(jié)點(diǎn)電價(jià)。在直流潮流約束下，各節(jié)點(diǎn)電價(jià)主要受線路傳輸功率限制的影響。