電力負荷需求側響應能力評估建模研究

朱仔新 張靜忠 楊龍

摘? 要：在全社會用電需求持續增長的狀態下，高峰負荷與峰谷差值對電網的安全運行造成了不利影響，為了保證電網安全性，研究電力負荷需求側響應能力評估建模方法。在劃分電力負荷需求側響應階段的基礎上，設定不同負荷狀態下響應能力評估指標，并采用時序分解法構建評估模型，完成電力負荷需求側響應能力評估建模方法設計。在實時電價和分時電價機制下，評估電動汽車參與需求側響應后，對電力負荷影響效果，實驗結果表明，文章模型能夠在其充放電過程中完成高峰負荷劃分，多輪測試結果均與實際峰值負荷一致，具有較好的實際應用效果。

關鍵詞：電力負荷;需求側響應;響應能力評估模型;用電需求

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

在多年的改革和發展中電力市場已經形成了較為成熟的經營模式，但電力市場和其他市場中的商品相比仍存在一定差距，表現在電力市場需求側調動不夠充分，并沒有完全利用好需求側資源，使得電力市場出現電力調度靈活性低與效率低等多種問題。隨著電網規模的逐步擴大，主網最大用電負荷和負荷峰谷差不斷增加，且高峰負荷持續時間不斷增加，對電網發電、用電、外送電平衡以及輸電斷面控制帶來極大挑戰。需求側管理作為一項長久且能夠持續發展的戰略工程，可以較大程度上緩解電力供應的緊張局面，以此進一步促進社會經濟的快速發展，因此在各地政府推進用電終端節能技術研發和改革中，提出多個針對自身區域內電力消費特點的需求側管理方案，以期為推進我國電力用戶端的市場化進程奠定堅實的基礎。受電網實時供需復雜性影響，在對電力負荷需求側響應過程推進中，需要進行不同模式下的能力評估，確定在不同季節與不同時段內負荷分級狀態。針對電動汽車而言，傳統的分級模型在切削與填平峰谷時，會出現充放電總量的不平衡的問題，導致電網運行安全性下降，因此為了解決傳統模型存在的問題，研究電力負荷需求側響應能力評估建模方法，以期為不間斷供電提供更加可靠的理論依據。

1? 電力負荷需求側響應能力評估建模方法

1.1? 劃分電力負荷需求側響應階段

在電力負荷不斷增加的情況下，為保證電網的穩定運行，解決主網的供電壓力，在不同的負荷缺口下維持電網供需平衡，需要劃分不同狀態下電力負荷的需求側響應階段。根據電網用電缺口等級劃分電力預期的負荷階段，在失衡和緊張以及特緊三種情況，根據有序用電原則，對高耗能的用電設備進行峰值避電，或者無法連續性用電生產設備進行錯峰定時用電。在合理調整用電時間和負荷屬性后，分析電網實際運行過程中的負荷峰谷特性并獲取相關的隸屬關系，假定在常態負荷運行狀態下，每小時的用電負荷能夠構成隸屬集合，在梯度關系下某個時刻的最大值和最小值可以構成傳遞的閉包矩陣。對于不同性質的負荷置信水平進行需求響應階段模糊聚類，根據負荷峰值與平值以及谷值時段完成劃分，因此規定以上三個階段的總時長不少于6小時，峰值時段需在8小時之內，其中每個平子時段不得低于2小時。在每日需求側響應的階段劃分基礎上，設定能夠影響負荷響應能力的多級評估指標。

1.2? 設定負荷響應能力評估指標

負荷響應能力評估指標能夠衡量某個負荷點中持續不斷的供電能力，包括變電站在內的整個電網系統，按照用戶期望用電接受標準和需求能力度量，設置多個評估指標。以線路平均故障率和故障修復時間為基準，假設一年內因設配原件故障引起的停電次數用ηp表示，在故障發生到恢復供電的所需時間，單位以小時計量取平均值，在不關注負荷定接入用戶數量情況下，對電力系統年度平均停電頻率進行計算，表達式為：

（1）

式中：頻率衡量指標用AJIJI表示，負荷點p的用戶數量用Qp表示，在平均停電時間計算過程中，需要綜合考量整個系統的運行狀態下，通過分析用戶一年實際供電時長和停電市場作比市場值換算得出。在最大負荷數值接入后不產生故障的負荷點位切入口，保證電網在各個時刻內能夠對隨機出現的波動值進行切換，在進行最高負荷切除投入時，保證有效功率平衡即可。根據供電用戶的年損失電量，對比整個電網的供應能力設置多級評估指標，為評估模型構建提供保證。

1.3? 基于時序分解法的評估模型構建

時序分解主要是根據電力系統負荷在不同周期內會形成不同的變化勢態，按照每月和每周進行細節描述，以此搭建不同時段內負荷時序的評估模型。時序分解能夠將不同日期內的負荷自動生成年度變化，通過景電最小路法描述年度中不同季節的典型負荷變化，由此進行需求側響應能力的有效評估。由于需求側響應的主要目標是合理分配用戶用電，實現峰谷的切削工作，根據電網負荷和初始電價，在彈力矩陣彈性系數標準已知情況下，對不同用戶的電力需求進行分析，此次模型設定以峰谷電價作為決策變量，目標函數表達式為：

（2）

式中：峰谷電價在時刻s中的電量變化值用yo，u（s）表示，受電價波動產生的時刻用電量用yo，u（s）表示，在可變化的電量取值范圍內δ表示電量閾值。為了提升用戶參與側響應積極性，在提高用電負荷電量變化基礎上，對主網響應過程中出現的峰值倒置現象進行電價關系約束，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。若在正常運行中供電系統出現供電不足現象，則不需要切除峰值負荷，利用負荷優化評估完成峰值與峰谷的填平，從而實現需求側響應能力在電力負荷中的模型構建。

2? 實驗結果分析

2.1? 參數設定

為驗證本次設計的評估模型具有實際應用效果，在不同電價機制下，利用本文所構建的模型評估電動汽車參與需求側響應后，對電力負荷影響效果。根據電動汽車持續放電的特性，選取某小區內2 000家住戶為測試對象，采用24 h整體計劃，每隔1 h進行負荷數據監測。通過MATLAB軟件平臺進行仿真求解，使用國家電網實際電力標準，監測期間24 h內實時電價和分時電價，如下表1所示。

根據表中內容所示設定電動汽車用戶，在出發前的電池處于滿電狀態，每天駕駛的耗電量為6.195 kW，電池類型為磷酸鋰鐵電池。為防止其過度參與需求響應對電池的不良影響，其最小剩余電量為20%，最大儲存電量不超過95%，測試過程的最小行進電量為50%。以不同負荷的交叉彈性系數為例，設置電力負荷的低谷階段為0～8 h和22～24 h，非高峰階段為9～10 h和14～17 h，剩余時間為高峰階段。

2.2? 負荷變化過程

電動汽車用戶在參加需求響應過程中，分為充電和放電兩種響應模式，為具體分析電動汽車在不同狀態下的效益，根據電網公司的議價能力進行電動汽車出價區間的劃分，在仿真軟件中設置電網底價和跨度關系，確定在6.0 cents/kWh時，電動汽車和電網雙方能夠獲取最大效益，電車用戶更愿意參加需求響應。在實時電價與分時電價兩種機制下，分析電動汽車充放電過程電力負荷變化曲線，如圖1所示。

分析圖1可知，電動汽車參與需求響應后會對電力負荷產生一定影響，在分時和實時電價的兩種情況下，充電的高峰時段具有較大差距，實時電價的高峰時段較分時電力峰段高出2 330 kW，充電量呈現5倍關系。放電過程負荷變化不大，兩種機制下產生的需求響應負荷基本持平。通過對不同機制下電動汽車充電與放電的評估，本文設計的模型能夠對電網的高峰用電負荷進行有效評估，可以獲取不同用電模式下電力負荷對需求響應的能力變化，實際應用效果較好。

2.3? 評估結果分析

受實時電價對電動汽車用戶，在需求響應過程中積極性更高的影響，在不考慮分時電價中電車的響應作用，設置實時電價下電動汽車的最高負荷峰值4 848 kW，上下變化浮動在20 kW之內。進一步進行用電高峰階段負荷峰值的評估效果測試，引入兩組傳統模型作為對照，分別對高峰時段電車用戶充電狀態下進行負荷評估，具體測試結果如表2所示。

分析表2中內容可知，本文模型在多輪測試中評估結果，與實際負荷峰值基本接近，兩組傳統模型的評估結果分別與實際結果有少許出入。以此可以證明本文模型能夠在實時電價的機制下，有效評估電動汽車用戶用電需求負荷，為電網公司和用電雙方提供真實有效的交易變化數據，促使用戶能夠積極參與到需求側響應過程中，維系電網運行的穩定。

3? 結? 論

本文在劃分電力負荷需求側響應階段的基礎上，設置多個響應能力評估指標，以此確定評估模型構建的主要層級，并利用時序分解法搭建一個新的評估模型。實驗結果表明：在實時電價的機制下，根據電動汽車參與需求響應的不確定因素中，本文模型能夠有效評估出其充電時的實際負荷峰值，促使用戶能夠積極參與到需求側響應過程中，維系電網運行的穩定。但由于時間有限，在研究過程中仍存在些許不足，并未給出不同用戶在參與需求側響應時，各階段的成本效益評估。后續研究過程中會對單一的指標融合多個質變，進行組合評估模型設置，結合我國電力市場發展特點，提出更科學的優化思路。

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作者簡介：朱仔新（1986.11—），男，漢族，遼寧朝陽人，工程師，本科，研究方向：電網需求側響應對電網運行影響評估。