計(jì)及資源與時(shí)間約束的自動(dòng)需求響應(yīng)模型

王鶴，石坤，李德智，段聰，許高杰，林弘宇

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192；2. 華北電力大學(xué)，北京市 102206；3.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京市 100031 )

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China;3. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

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計(jì)及資源與時(shí)間約束的自動(dòng)需求響應(yīng)模型

王鶴1，石坤1，李德智1，段聰2，許高杰1，林弘宇3

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192；2. 華北電力大學(xué)，北京市 102206；3.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京市 100031 )

需求響應(yīng)(demand response，DR)對(duì)能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源與能源節(jié)約以及環(huán)境保護(hù)具有重要的戰(zhàn)略意義，而如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化DR還有待進(jìn)一步研究。首先從電力用戶響應(yīng)成本、企業(yè)生產(chǎn)特性、響應(yīng)時(shí)間這3個(gè)方面研究了DR的影響因素；其次在變量分析及以可持續(xù)中斷供電時(shí)間劃分用戶群的基礎(chǔ)上，以停電時(shí)間與缺電功率為約束條件、以參與DR的企業(yè)用戶為變量、以停電總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，采取由簡(jiǎn)入繁的思路逐步建立2種情形下的數(shù)學(xué)模型；最后根據(jù)停電時(shí)間的不同選取2種典型算例以驗(yàn)證這2種模型的有效性。

需求響應(yīng)(DR)；影響因素；可持續(xù)中斷供電時(shí)間；停電時(shí)間與功率；用戶停電成本

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)外能源與經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的深刻變革，市場(chǎng)化將成為電力系統(tǒng)改革的大方向，需求側(cè)資源的地位也在逐漸改變[1]。將需求側(cè)資源與供應(yīng)側(cè)平等或者優(yōu)先地對(duì)待，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益和資源利用效率具有重大意義[2]。從廣義上來(lái)講，需求響應(yīng)(demand response DR)是指在價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)的推動(dòng)下，電力用戶改變其原有用電模式的行為[3-4]。

在國(guó)外，DR的發(fā)展得到了政策上的大力支持，發(fā)展迅速。美國(guó)起步最早，DR方面的政策相對(duì)比較完備。美國(guó)于2005、2007和2009年，相繼頒布了《能源政策法案》、《能源獨(dú)立與安全法案》和《美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案》，表明大力支持DR的實(shí)施。在美國(guó)，Open-ADR技術(shù)也得到充分發(fā)展，并已取得多個(gè)成功案例，其體現(xiàn)出的技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步促進(jìn)了DR[5-8]的發(fā)展。此外，歐盟于2010年公布了3個(gè)歐洲2020年能源和氣候目標(biāo)，DR是實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo)的重要途徑，這必將促進(jìn)DR在歐洲的發(fā)展。

在我國(guó)，DR的發(fā)展相對(duì)落后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，目前只有峰谷電價(jià)得到初步推廣，然而尖峰電價(jià)和可中斷負(fù)荷仍處于試行和探索階段[8]。而在Auto-DR技術(shù)方面，我國(guó)才剛剛起步，發(fā)展勢(shì)頭良好，但缺乏專門研發(fā)Auto-DR新技術(shù)的組織機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)電力企業(yè)已經(jīng)初步認(rèn)識(shí)到制定DR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的必要性和迫切性。因此，電網(wǎng)企業(yè)牽頭制定的DR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已步入起草階段。但是對(duì)于DR的研究，國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)較少。主要針對(duì)需求響應(yīng)的作用[9-10]、響應(yīng)機(jī)制[11-13]、可中斷負(fù)荷合同模型[1,14]，需求側(cè)資源優(yōu)化[15]等方面。如文獻(xiàn)[1]只給出了需求側(cè)可中斷負(fù)荷模型；文獻(xiàn)[13]研究了住戶負(fù)荷控制器對(duì)于價(jià)格響應(yīng)的算法和控制邏輯；文獻(xiàn)[15]介紹了一種分布式能源規(guī)劃算法，在考慮用戶側(cè)溫度的條件下使得發(fā)電用戶收入最大。

本文從電力用戶響應(yīng)成本、企業(yè)生產(chǎn)特性、響應(yīng)時(shí)間這3個(gè)方面研究DR的影響因素；在變量分析及以可持續(xù)中斷供電時(shí)間劃分用戶群的基礎(chǔ)上，以停電時(shí)間與缺電功率為約束條件、以參與DR的企業(yè)用戶為變量、以停電總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型；根據(jù)算例驗(yàn)證這模型的有效性，并為DR的實(shí)施提供技術(shù)依據(jù)，為用戶與電網(wǎng)企業(yè)雙向互動(dòng)的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。

1 DR影響因素分析

經(jīng)濟(jì)效益是推動(dòng)用戶側(cè)響應(yīng)的重要因素，而企業(yè)用戶能否做出DR行為還要受到其生產(chǎn)特性和響應(yīng)時(shí)間的限制。因此將影響用戶側(cè)響應(yīng)行為的因素歸結(jié)為：響應(yīng)成本、企業(yè)生產(chǎn)特性和響應(yīng)時(shí)間。

1.1 用戶響應(yīng)成本

用戶響應(yīng)成本是指在激勵(lì)信號(hào)的作用下，用戶做出響應(yīng)并改變其固有用電模式所產(chǎn)生的成本。用戶響應(yīng)成本主要是由停電帶來(lái)的成本構(gòu)成，則用戶響應(yīng)成本為

(1)

式中：θ為用戶的生產(chǎn)特性類型；Q為中斷供電量；τ為中斷發(fā)生的時(shí)間類型；Tq為停電時(shí)間；T為可持續(xù)中斷供電時(shí)間；f為負(fù)荷中斷次數(shù)。

實(shí)際上，用戶的停電時(shí)間相同，若只考慮一次斷電，則用戶響應(yīng)成本的決定因素就是用戶的生產(chǎn)特性和中斷供電量，此外還要考慮用戶可持續(xù)中斷供電時(shí)間的約束，即

(2)

1.2 企業(yè)生產(chǎn)特性

由于生產(chǎn)特性(主要考慮可持續(xù)中斷供電時(shí)間和用戶側(cè)資源)的不同，企業(yè)參與DR的能力也不同。根據(jù)企業(yè)參與DR的能力的不同，將企業(yè)用戶分為以下幾類：可以進(jìn)行避峰生產(chǎn)的企業(yè)、具有避峰生產(chǎn)潛力的企業(yè)和不避峰生產(chǎn)的企業(yè)。

(1)可以進(jìn)行避峰生產(chǎn)的企業(yè)：這類企業(yè)生產(chǎn)時(shí)間靈活，可持續(xù)停電時(shí)間可以調(diào)節(jié)，有參與DR的空間，并且電力成本占其生產(chǎn)成本的比重較大，有參與DR的動(dòng)力。主要包括機(jī)械制造和紡織、水泥等小型的低耗能企業(yè)。

(2)有避峰潛力的企業(yè)：這類企業(yè)可以參與DR，但由于低谷生產(chǎn)帶來(lái)的管理成本明顯增加，導(dǎo)致參與避峰生產(chǎn)的動(dòng)力不足。

(3)不避峰生產(chǎn)的企業(yè)：這類企業(yè)受生產(chǎn)工藝限制一般不參與避峰生產(chǎn)，主要包括電氣電子和化工等大中型的連續(xù)生產(chǎn)的高耗能企業(yè)。

1.3 用戶可持續(xù)中斷供電時(shí)間

具有不同負(fù)荷特性的電力用戶參與Auto-DR的響應(yīng)措施時(shí)，Auto-DR實(shí)施機(jī)構(gòu)會(huì)按照合同約定的時(shí)間與電力用戶共同參與。合同約定中與用戶可持續(xù)中斷供電時(shí)間相關(guān)的是提前通知時(shí)間和可持續(xù)中斷供電時(shí)間。

(1)提前通知時(shí)間是指響應(yīng)的及時(shí)性，是解決Auto-DR問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵因素。在某些情況下，通過(guò)非常超前的通知可以減輕未來(lái)預(yù)計(jì)產(chǎn)生的損失。

(2)可持續(xù)中斷供電時(shí)間是決定用戶能否參與DR的重要因素，也是響應(yīng)成本的重要因素，對(duì)于參加DR的電力用戶來(lái)說(shuō)，可持續(xù)中斷供電時(shí)間根據(jù)簽訂的可中斷合同來(lái)選擇和確定。一般地，可持續(xù)中斷供電時(shí)間越長(zhǎng)，停電總成本越大，但單位停電成本越小。

2 計(jì)及資源與時(shí)間約束的Auto-DR模型

2.1 變量設(shè)計(jì)及用戶群劃分

假設(shè)電網(wǎng)某段時(shí)間缺電，停電時(shí)間為Tq，且該時(shí)段缺電功率無(wú)變化，缺電功率為Pq，電網(wǎng)公司可參與需求響應(yīng)用戶庫(kù)情況如下。

(1)定義可持續(xù)中斷供電時(shí)間大于Tq為a類客戶(用戶總數(shù)為N)，用戶群定義為Ya，Ya的信息矩陣為[Cai,Pai,Tai]。其中：i為用戶序號(hào)，i=1，2 ···N；Cai表示第i個(gè)a類用戶的停電成本，主要由單位功率下的用戶停電成本及固定停電成本構(gòu)成；Pai表示第i個(gè)a類用戶的可持續(xù)中斷供電的有功功率；Tai表示第i個(gè)a類用戶可持續(xù)中斷供電的時(shí)間，且Tai>Tq。

(2)定義可持續(xù)中斷供電時(shí)間小于Tq為b類客戶(用戶數(shù)為M)，用戶群定義為Yb，Yb的信息矩陣為[Cbj,Pbj,Tbj]。其中：j為用戶序號(hào)，j=1，2···M，這里將b類用戶按其可持續(xù)中斷供電時(shí)間由小到大排序，使得Tb1

2.2 模型建立

需求響應(yīng)場(chǎng)景有若干種，優(yōu)化模型也各不相同。本文根據(jù)停電時(shí)間Tq與缺電功率Pq的不同，選擇合適的可參與DR的用戶，使得停電總成本最小。因此以停電時(shí)間Tq與缺電功率Pq為約束條件、以參與DR的企業(yè)用戶為變量、以停電總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，采取由簡(jiǎn)入繁的思路逐步建立接近事實(shí)場(chǎng)景的數(shù)學(xué)模型。

(1)假設(shè)電網(wǎng)中只存在a類客戶，即所有用戶的可持續(xù)中斷供電時(shí)間均大于Tq：該模型適用于電網(wǎng)缺電時(shí)間較短，且恢復(fù)供電后即便存在部分負(fù)荷反彈，也不會(huì)再出現(xiàn)缺口，并忽略電網(wǎng)潮汐約束中斷供電。最小停電總成本為

(3)

式中：Caki、Cafi分別為a類用戶i的單位功率下的用戶停電成本與固定停電成本；實(shí)際參與DR的a類客戶數(shù)為n。考慮到停電時(shí)間和缺電功率約束，則約束條件為：

(4)

(2)電網(wǎng)中同時(shí)存在a類客戶和b類客戶，即只有部分用戶的可持續(xù)中斷供電時(shí)間大于Tq。該模型適用于電網(wǎng)缺電時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)且恢復(fù)供電后即便存在部分負(fù)荷反彈，也不會(huì)再出現(xiàn)缺口，并忽略電網(wǎng)潮流約束中斷供電。根據(jù)用戶群劃分，所有用戶中可持續(xù)供電時(shí)間最小的是Tb1，以Tb1為分界點(diǎn)，這種情況下又分為2個(gè)不同的階段：

①定義[0，Tb1]為所有用戶均可參與DR的時(shí)段，這一階段的最小停電成本為

(5)

式中：Cbkj、Cbfj分別為b類用戶j的單位功率下的用戶停電成本與固定停電成本；實(shí)際參與該階段DR的a、b類客戶數(shù)為n1、m1。

②定義[Tb1，Tq]為部分b類用戶不能繼續(xù)參與DR的階段。這一階段又可以根據(jù)Tb劃分為L(zhǎng)個(gè)小階段，每個(gè)小階段的末端時(shí)間為Tbl(l=2，3，…，L)。對(duì)于每一小階段，均可按階段①的方法求得本階段停電成本。如階段l目標(biāo)函數(shù)為

(6)

式中： [Tbl-1，Tbl]表示時(shí)間斷點(diǎn)；實(shí)際參與該階段DR的a、b類客戶數(shù)為nl、ml。綜合以上各階段得到第2種假設(shè)的目標(biāo)函數(shù)：

(7)

式中：nc、mc表示重復(fù)計(jì)算的a、b類用戶的固定成本。

上述所有階段所選擇的DR的用戶，均應(yīng)滿足缺電功率要求，即約束條件為

(8)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本課題以8個(gè)企業(yè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行模擬分析，企業(yè)停電成本分成：(1)固定停電成本Cf，表示企業(yè)損失不受停電時(shí)間影響，停電即產(chǎn)生的固定損失；(2)單位功率停電成本Ck，表示企業(yè)損失受停電功率大小、停電時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)的單位成本，可持續(xù)中斷供電的功率P、可持續(xù)供電時(shí)長(zhǎng)T。具體見(jiàn)表1。

表1 企業(yè)可參與需求響應(yīng)的資源與時(shí)長(zhǎng)

Table 1 Resource and time of enterprises participated in DR

算例一 假設(shè)電網(wǎng)此時(shí)需要停電功率Pq=200 kW，需要停電時(shí)長(zhǎng)Tq=1 h。則表1中的8個(gè)均屬于a類企業(yè)。首先根據(jù)式(3)計(jì)算出每個(gè)企業(yè)的停電成本，然后按平均停電成本由小到大排序，結(jié)果如表2所示。

表2 停電時(shí)長(zhǎng)Tq=1 h 時(shí)停電成本計(jì)算結(jié)果

Table 2 Calculation results of outage cost whenTq=1 h

由表2可知，停到企業(yè)5時(shí)，完成缺口190 kW，此時(shí)，企業(yè)6、企業(yè)1、企業(yè)4相比企業(yè)1停電成本最小，所以系統(tǒng)應(yīng)將企業(yè)1停電，完成優(yōu)化過(guò)程。最后選擇停電的企業(yè)有企業(yè)2、企業(yè)7、企業(yè)8、企業(yè)3、企業(yè)5、企業(yè)1，停電總功率為210 kW，停電總成本為566 萬(wàn)元。

算例二 假設(shè)電網(wǎng)此時(shí)需要停電功率Pa=200 kW，需要停電時(shí)長(zhǎng)Ta=2 h。則出現(xiàn)a、b類這2種用戶。首先將上述企業(yè)劃分為a類用戶(企業(yè)2、企業(yè)3、企業(yè)4、企業(yè)5、企業(yè)6、企業(yè)8)和b類用戶(企業(yè)1、企業(yè)7)，然后再根據(jù)b類用戶劃分時(shí)間段，可以分為2個(gè)時(shí)段[0 h, 1 h]和[1 h, 2 h]。對(duì)于每個(gè)時(shí)間段按照式(5)～(8)的計(jì)算方法，計(jì)算得到停電成本，結(jié)果如表3所示。

表3 停電時(shí)長(zhǎng)Tq=2 h 時(shí)停電成本計(jì)算結(jié)果

Table 3 Calculation results of outage cost whenTq=2 h

階段1：所有用戶均可參與，按照算例一的方法，得到需要停電的企業(yè)7、企業(yè)2、企業(yè)1、企業(yè)8、企業(yè)3、企業(yè)5，該階段停電總功率為210 kW，停電總成本為566 萬(wàn)元。

階段2：由于企業(yè)1、企業(yè)7可持續(xù)供電時(shí)間小于2 h則不參與DR，按照式(5)～(8)的方法，得到需要停電的企業(yè)2、企業(yè)8、企業(yè)3、企業(yè)5、企業(yè)6，該階段停電總功率為210 kW，停電總成本為557 萬(wàn)元。

綜合以上2個(gè)階段，停電總成本為1 123 萬(wàn)元。若只選擇a類用戶，即選擇停電的企業(yè)有企業(yè)2、企業(yè)8、企業(yè)3、企業(yè)5、企業(yè)6，停電總功率為210 kW，停電總成本為1 196萬(wàn)元；若不采取以停電成本為目標(biāo)函數(shù)的需求響應(yīng)策略，采用隨機(jī)關(guān)停，不僅可能造成經(jīng)濟(jì)損失甚至發(fā)生重要用戶失電而導(dǎo)致用電安全事故。通過(guò)以上實(shí)例，驗(yàn)證了所提方法的有效性和實(shí)用性。

4 結(jié) 論

本文所提DR模型能選擇最優(yōu)實(shí)際參與DR的企業(yè)組合，使得在滿足停電功率要求的前提下停電總成本最小。這對(duì)我國(guó)實(shí)施需求響應(yīng)項(xiàng)目有較好的借鑒作用。主要提出以下幾點(diǎn)創(chuàng)新：

(1)從電力用戶響應(yīng)成本、企業(yè)生產(chǎn)特性、響應(yīng)時(shí)間這3個(gè)方面研究了DR的影響因素，得到企業(yè)參與DR的約束條件；

(2)根據(jù)停電時(shí)間的不同，劃分用戶群，為分階段DR模型做鋪墊；

(3)提出以停電時(shí)間與缺電功率為約束條件、以參與DR的企業(yè)用戶為變量、以停電總成本最小為目標(biāo)函數(shù)的分階段DR模型，并給出實(shí)際算例。

隨著電價(jià)與激勵(lì)機(jī)制的不斷完善，未來(lái)針對(duì)需求響應(yīng)的響應(yīng)成本、用戶類型、響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)等研究將更加突出，能夠充分調(diào)動(dòng)用戶，改變用電行為。結(jié)合電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，研究電網(wǎng)潮流約束下的需求響應(yīng)優(yōu)化模型是今后需要深入研究的問(wèn)題。

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(編輯：蔣毅恒)

Auto-DR Model Considering Resources and Time Constraints

WANG He1, SHI Kun1, LI Dezhi1, DUAN Cong2, XU Gaojie1, LIN Hongyu3

Demand response (DR) has important significance to energy and economic development, resource and energy saving, as well as environmental protection; however how to realize Auto-DR still need further study. First, the influence factors of DR were analyzed from three aspects of response cost, enterprise production characteristics, and response time. Second, on the basis of the variable analysis and the user division according to sustainable interruption time of power supply, the models of Auto-DR in 2 cases were proposed with using the idea ‘from simple to complex’, in which the power enterprises that were chosen to participate in DR were set as variables, and the minimum total outage cost was set as the objective function, with the constraint conditions of power outage time and active power. Finally, according to different outage time, two cases were chosen to verify the validities of these two models.

demand response (DR), influence factor, sustainable power supply interruption time, outage time and power, outage cost

C=f(θ,Q,τ,Tq,T,f)

C=f(θ,Q,T)

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China;3. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

TM 72

A

1000-7229(2015)04-0110-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.018

2014-09-29

2014-10-20

王鶴(1974)，女，博士研究生，高工，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理；

石坤(1984)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理、用電技術(shù)；

李德智(1982)，男，研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理、用電技術(shù)；

段聰(1989)，女，研究生，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理；

許高杰(1984)，男，研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理、用電技術(shù)；

林弘宇(1972)，男，博士研究生，高工，研究方向?yàn)殡娏I(yíng)銷、能效管理、智能電網(wǎng)技術(shù)。