一種基于用能行為分析的多源-荷互補集成規(guī)劃方法

程孟增，侯依昕，楊朔，陳良，李金起

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

電-氣-熱耦合構(gòu)成的多源荷系統(tǒng)（Multi-Source Load System，MSLS），可以實現(xiàn)多能源在集成能源系統(tǒng)中的梯級利用[1]，通過MSLS可以實現(xiàn)不同能源間的相互耦合與優(yōu)勢互補，提升能源效率，減少碳排放[2]。

現(xiàn)有的綜合能源規(guī)劃主要集中在能量樞紐與微電網(wǎng)，著重從供電可靠性與博弈論角度出發(fā)，對微電網(wǎng)設備選型與容量配置上進行了優(yōu)化求解，但是對負荷側(cè)電/熱配網(wǎng)布局規(guī)劃考慮不足[3]～[6]。文獻[7]～[9]從用戶用電行為層面進行了研究，未計及電、熱等綜合用能行為，無法全面地評估MSLS的用戶用能行為。需求響應（Demand response，DR）指消費者根據(jù)基于時間的電價信息或基于激勵機制做出的響應，將用電方式由高峰時段轉(zhuǎn)移或減少到非峰值時段的響應行為[10]。在規(guī)劃層面，文獻[11]，[12]表明，DR可以降低系統(tǒng)負荷峰谷差、延緩電網(wǎng)建設投資與運行成本，然而傳統(tǒng)的DR不能充分利用需求側(cè)資源的交互能力，限制了電力系統(tǒng)中能源用戶的使用。隨著可再生能源在電網(wǎng)的比例逐漸提高，綜合需求響應（Integrated Demand Response，IDR）通過將電力、熱能、天然氣、冷能等多種形式的能源整合在一起，可以推動MSLS網(wǎng)絡中供需雙方進行互動，靈活地切換能耗來源，同時在保證用戶滿足舒適度的條件下積極參與IDR，可以實現(xiàn)削峰填谷，提升系統(tǒng)安全性，促進消費者向產(chǎn)消者轉(zhuǎn)換[13]～[16]。

為了推動需求響應實施，促進MSLS的規(guī)劃滿足用戶用能行為需求，本文首先根據(jù)智能用能設備采集到的用能數(shù)據(jù)，采用主/從架構(gòu)與并行k-means聚類方法，對用戶側(cè)用能數(shù)據(jù)進行用戶用能行為分析，并根據(jù)用戶用能行為搭建電熱綜合需求響應模型。在此基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)年最小規(guī)劃成本為目標，綜合考慮IDR約束與棄風、棄光約束，建立基于用戶實際需求的多源荷互補集成規(guī)劃模型；通過Yalmip軟件包中的Cplex商業(yè)求解器進行求解。最后，通過算例分析驗證了所提方法具有良好的經(jīng)濟性，可以有效促進新能源消納，提升了可再生能源的發(fā)電占比。

1 MSLS用戶用能行為與需求響應潛力分析

1.1 MSLS用戶用能行為分析

用戶側(cè)用能數(shù)據(jù)具備多源異構(gòu)性、復雜關(guān)聯(lián)性、實時交互性、數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)維度多等特征，其在電力市場化進程中發(fā)揮重要的作用[17]，[18]。本文對采集到的區(qū)域多元用戶用能數(shù)據(jù)，采用主/從架構(gòu)[19]與并行k-means聚類挖掘方法，對用戶用能數(shù)據(jù)進行分析，以獲取用戶的用能行為模式與可調(diào)節(jié)負荷的類型及比例。圖1為用戶用能行為分析架構(gòu)。

圖1 用戶用能行為分析架構(gòu)Fig.1 The user-use behavior analysis schema

由圖1可知，主控服務用于接收智能信息采集設備、行業(yè)服務數(shù)據(jù)等外部系統(tǒng)采集到的用戶用能數(shù)據(jù)，并通過用電信息采集系統(tǒng)、智能用熱管理系統(tǒng)等管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)聚合，將提取到的用能數(shù)據(jù)特征輸出到數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)管理模塊將用能數(shù)據(jù)分別傳輸至數(shù)據(jù)存儲模塊與任務管理模塊，從控服務用于記錄數(shù)據(jù)存儲模塊的用戶類型與分布時段信息。主控服務通過k-means聚類分析對用戶群體數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)性分析，確定用戶用能行為模型，并傳遞至任務管理模塊，任務管理模塊通過從控服務執(zhí)行任務，確定需求響應類別與可調(diào)節(jié)負荷的響應量。通過主/從架構(gòu)與聚類并行分析方法執(zhí)行用戶用能數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的分析，從而促進用戶參與需求響應。

根據(jù)用戶用能響應特性可以將參與需求互動的需求側(cè)資源分為基本用電負荷、可削減負荷、可轉(zhuǎn)移負荷、可調(diào)節(jié)熱負荷4類。

①基本用電負荷

基本用電負荷主要指滿足用戶最基本用能需求，不具備參與用戶互動的響應潛力。

②削減負荷

可削減負荷指負荷供應商通過與用戶簽訂相關(guān)協(xié)議，在某時段t內(nèi)可以削減對供電可靠性要求不高的負荷，根據(jù)負荷實際運行情況對用戶發(fā)出削減負荷的指令。可削減負荷模型為

④可調(diào)節(jié)熱負荷

由于熱負荷具有熱慣性，因此可以根據(jù)建筑物內(nèi)外溫度的變化情況進行適當調(diào)節(jié)。白天有輻照的情況下，可以適當降低供暖輸出，并在夜間進行適當提升，提升用戶滿意度?？烧{(diào)節(jié)熱負荷模型為

1.2 需求響應潛力在MSLS規(guī)劃中的考慮

根據(jù)前文用能分析，對于負荷峰谷差較大，以及可再生能源接入電網(wǎng)帶來的波動性，須要采取需求響應措施才能降低機組運行壓力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文考慮到用能側(cè)電熱負荷間的靈活調(diào)節(jié)關(guān)系[20]，將需求響應措施分為價格型綜合需求響應（Price-based integrated demand response，PBIDR）和激勵型綜合需求響應（Incentive-based integrated demand response，IBIDR）。

①價格型綜合需求響應

價格型綜合需求響應模型為

式中：Lt，Pr，t分別為PBIDR負荷需求、電價；φ為需求響應負荷變動率；est為電能價格彈性系數(shù)，s=t時，ett為自彈性系數(shù)，一般為負數(shù)；s≠t時，est為交叉彈性系數(shù)，一般為正數(shù)；Qe為電熱鍋爐消耗Lt電功率輸出的熱功率值；η為電熱鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換效率。

②激勵型綜合需求響應

電、熱負荷側(cè)，IBIDR在用戶耗能量過高時，通過激勵補償政策，對參與需求響應的用戶給予經(jīng)濟補貼，鼓勵用戶在負荷高峰時自主的降低用能需求，其模型為

1.3 MSLS結(jié)構(gòu)

圖2為考慮IDR的MSLS結(jié)構(gòu)圖。

圖2 MSLS結(jié)構(gòu)Fig.2 Multi-source load system structure

圖中，能源供應與輸出設備有光伏（Photovoltaic，PV）、風機（Wind Turbine，WT）、燃氣鍋爐（Gas Bolier，GB）、電鍋爐（Electrical Bolier，EB）、熱電聯(lián)產(chǎn)機組（Combined heat and power，CHP）、電儲能（Electrical Energy Storage，EES）、熱儲能（Thermal Energy Storage，TES）。電負荷由PV，WT，EES，CHP及從電網(wǎng)的外購電滿足；熱負荷由CHP，GB，EB及TES滿足。

2 基于用戶實際需求的多源-荷互補集成規(guī)劃技術(shù)

MSLS規(guī)劃模型考慮用戶的需求響應潛力，以系統(tǒng)年總規(guī)劃成本最小為目標函數(shù)，綜合考慮經(jīng)濟成本和環(huán)境成本。

2.1 目標函數(shù)

模型的目標函數(shù)為滿足用能需求的年總規(guī)劃成本最小，其中包括經(jīng)濟成本和環(huán)境成本。經(jīng)濟性體現(xiàn)在投資成本項和運行成本項；環(huán)保性以CO2碳排放稅來衡量，環(huán)境成本主要包括來自從電網(wǎng)購電、CHP和GB機組的燃氣污染物排放。本文考慮的排放氣體主要為CO2，目標函數(shù)為

式中：Fto為年總規(guī)劃成本；F1為經(jīng)濟成本；F2為環(huán)境成本；Canninv為設備投資成本；Coc為運行成本；ρCO2為碳稅值；Ptbuy，PtCHP，PtGB分別為購電功率、CHP機組用能功率和GB機組輸出功率；Δt為時長，本文取1 h。

①設備投資成本

本文設備采購成本為全生命周期下的購置成本，不計項目工程周期結(jié)束時的設備殘值，即：

式中：Ciinv為各設備的單位投資成本；Capi為各設備的建設容量；u為等年值成本系數(shù)；r為基準折現(xiàn)率；D為規(guī)劃期年限。

②運行成本

運行成本主要包括購電成本、售電收益、設備運行與維護成本、購氣成本、IDR補償成本、棄風、棄光懲罰成本6部分。

運行成本表達式為

式中：Cgridbuy，Cgridsale，Cope，Cgasbuy，CIDR，Cab分別為購電成本、售電收益、設備運行與維護成本、購氣成本和IDR補償成本、棄風棄光懲罰成本；Ctbuy，Ctsale，Cgas分別為購、售電分時電價、燃氣單價；Ptsale，Ptwc，Ptpc分別為售電功率、棄風功率和棄光功率；Ciom，Capi分別為各設備單位運行維護系數(shù)和各設備的建設容量；ri，αi，Pi（t）分別為可轉(zhuǎn)移負荷、可削減負荷、可調(diào)節(jié)熱負荷的分配比例、單位補償費用和對應的需求響應功率；κwc，κpc分別為單位棄風棄光懲罰成本。

2.2 約束條件

3 算例求解及分析

本文以中國北方某小型區(qū)域為例進行優(yōu)化配置分析，3種典型日的風、光出力曲線與電、熱負荷熱性曲線參考文獻[24]，其中天然氣價格為0.242 3元/（kW·h）[24]，碳稅率取0.22元/（kW·h）[26]，燃氣設備碳排放強度取0.184 kg/（kW·h），購電碳排放強度取0.55 kg/（kW·h）。市場電價如表1所示[27]。主要設備的參數(shù)分別如表2，3所示。CHP采用“以熱定電”的方式運行，設定夏、冬、過渡季3種典型季節(jié)。設定該地區(qū)規(guī)劃年限為10 a，基準折現(xiàn)率取8%，初始電、熱負荷峰值分別為800，600 kW，電、熱負荷的年增長率均取5%，MSLS向電網(wǎng)最大的售電功率為400 kW。

表1 電價信息Table 1 Electricity Tariff Information

表2 供能設備參數(shù)Table 2 Equipment parameters

表3 儲能設備參數(shù)Table 3 Energy storage devices parameters

本文將建立3種IDR場景進行對比分析，探討不同IDR場景對規(guī)劃結(jié)果產(chǎn)生的影響。3種IDR場景主要包括：場景S1，規(guī)劃中不考慮系統(tǒng)IDR，為基礎(chǔ)場景；場景S2，在場景1基礎(chǔ)上考慮PBIDR；場景S3，在場景2的基礎(chǔ)上考慮IBIDR。本文提出的用能需求總規(guī)劃成本模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型（Mixed integer linear programming，MILP），采用Yalmip軟件中的Cplex求解器進行求解。

3.1 規(guī)劃結(jié)果分析

3種模式的配置結(jié)果如表4所示。

表4 場景S1-S3容量配置與經(jīng)濟成本比較Table 4 Scenario S1-S3 capacity configuration compared to economic cost

由表4可知，從成本角度來看，與場景S1相比，S2的經(jīng)濟成本降低了110.988萬元，環(huán)境成本下降了2.003萬元，總規(guī)劃成本降低了112.991萬元，降低幅度分別為13.32%，23.17%，13.42%。PBIDR的效果更多體現(xiàn)在環(huán)境保護方面。從各個設備的配置容量來看，WT，PV和EB分別增加了100，90，120 kW，可再生能源總裝機增加了190 kW，GB機組的容量沒有變化。CHP機組減少了100 kW、電儲能和熱儲能分別減少200，100 kW。場景S2的總規(guī)劃成本較S1減少了112.991 kW，較S1降低了13.42%?？偟膩碚f，場景S2的總體的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益均低于S1。同時，在成本上，與場景S1相比，S3的經(jīng)濟成本的降低了176.496萬元，環(huán)境成本下降了2.009萬元，總規(guī)劃成本降低了178.505萬元，降低幅度分別為21.18%，23.24%和21.19%。從各個設備的配置容量來看，場景S3中WT，PV容量分別增加了100，160 kW，可再生能源總裝機增加了260 kW，EB容量增加了240 kW。此外，GB，CHP機組容量分別減少了120，100 kW，電儲能、熱儲能容量均減少了200 kW。IBIDR有助于增加可再生能源機組裝機容量，降低儲能設備的安裝容量，同時在經(jīng)濟效益和環(huán)境效益方面，均有良好的效果。

3.2 投資成本及運營成本分解分析

為了更好地比較IDR對規(guī)劃的影響，表5，6為3種場景的各個設備投資成本比較和運營成本比較。

表5 場景S1～S3各設備投資成本比較Table 5 Scenario S1～S3 comparison of the investment costs of each equipment

由表5可以看出，由于風電、光伏的使用壽命在規(guī)劃周期內(nèi)，與場景S1相比，場景S2，S3的風光清潔能源的投資比例均有提高，進一步提升了清潔能源的發(fā)電占比。在3種場景中，WT和PV的投資占比最大，清潔能源在3種場景初始投資成本中所占的比例分別為51.69%，57.19%，60.24%，其次為CHP機組，電鍋爐的投資成本占比最小。由于CHP機組的單位投資成本最高，EB機組的單位投資成本最低，與場景S1相比，場景S2、S3下的CHP機組成本均有所下降，EB機組成本均有所提升。系統(tǒng)在滿足電負荷的同時，EB可以利用剩余電量優(yōu)先發(fā)熱，進而降低CHP與GB機組的供熱量，減少了溫室氣體的排放。由表6可以看出，3種場景的運維成本相差不大。在運行成本中，購氣成本的占比最高，3種場景購氣成本占運行總成本的比例分別為68.52%，61.99%，67.08%。與場景S1相比，場景S2，S3的購氣成本分別下降了25.29%，28.95%，環(huán)境成本分別下降了23.17%，23.24%。這主要在于場景S2，S3減少了CHP與GB機組的容量，并增加EB機組容量，通過EB機組優(yōu)先滿足熱負荷的需求，進而減少GB機組出力，降低對燃氣的消耗與CO2等氣體的排放。在售電收益方面，由于場景S3增加了EB機組容量，在滿足電負荷的條件下，EB利用更多的剩余電量滿足熱出力，使得S3整體售電收益低于場景S1，S2。在棄風棄光懲罰成本上，場景S1，S2的棄風棄光比例分別為1.75%，1.18%。與場景S1相比，在考慮PBIDR后，場景S2的棄風棄光懲罰成本下降了26.65%。在考慮IBIDR后，場景S3的棄風棄光懲罰成本為0。在總運行成本上，相比于場景S1，在考慮PBIDR后，總運行成本減少了107.25萬元，同比下降17.42%；在同時考慮PBIDR和IBIDR后，總運行成本減少了190.648萬元，同比下降了30.96%?？梢钥闯觯诳紤]綜合電熱需求響應時，可以降低棄風棄光。并減少燃氣消耗，降低環(huán)境污染。

表6 場景S1～S3運營成本比較Table 6 Comparison of operating costs for scenarios S1～S3

3.3 可再生能源消納與供能結(jié)構(gòu)分析

表7 為場景S1～S3下的可再生能源消納情況對比結(jié)果。

表7 場景S1～S3可再生能源消納對比Table 7 Comparison of renewable energy consumption in scenarios S1～S3

由表7可知，與場景S1相比，場景S2、S3的風電利用率同比分別提高了0.57%和1.75%，場景S2，S3的光伏利用率同比分別提高了0.49%和1.58%。可以看出，當同時考慮價格型與激勵型需求響應時，可以最大程度消納可再生能源。

為體現(xiàn)含高比例可再生能源的系統(tǒng)供能情況，圖3，4顯示了場景S1～S3下的全年供能結(jié)構(gòu)。

圖3 設備年供電量結(jié)構(gòu)圖Fig.3 A graph of the annual power supply structure of the equipment

由圖3可知，在供電方面，3種場景中，風電幾乎占電能供應約2/3的電量。與場景S1相比，場景S2，S3中風電和光伏雖然增加了投資成本，但二者所發(fā)電量可以滿足多數(shù)負荷使用，同時可以降低CHP機組的投資成本，使得CHP機組減少天然氣的消耗。由圖4可知，在供熱方面，3種場景中，CHP的供熱量均超過了1/3，與場景S1相比，場景S2，S3的EB供熱量同比提高了13.38%，16.53%，同時場景S2，S3的CHP機組和GB機組熱出力相較于S1均有所下降。當CHP，GB和熱儲能出力不能滿足用戶需求時，由GB機組提供熱需求。

圖4 設備年供熱量結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Annual heat supply structure diagram of the equipment

3.4 IDR對負荷曲線的影響

由于該地區(qū)春秋季氣候變化不明顯，圖5，6為分別采用夏季和冬季的典型日負荷曲線來說明PBIDR和IBIDR對負荷曲線的影響。

圖5 電負荷考慮IDR的實施效果Fig.5 Electric load consideration IDR implementation effect

由圖5可以看出，夏季當風電和光伏輸出功率充足時，夜間部分峰值負荷可以轉(zhuǎn)移到白天電價較低的時段，實現(xiàn)了電負荷“削峰填谷”。由圖6可知，由于熱負荷主要考慮用戶的舒適度，整體負荷曲線變化幅度較小，白天時受輻照與用戶熱需求較小的影響，可以適當降低熱負荷輸出，并在夜間適當抬高熱負荷輸出，滿足用戶熱需求。根據(jù)圖5，6可以看出，相比于場景S2，綜合考慮PRIDR和IBIDR時可以明顯改善電、熱負荷曲線，降低負荷峰值壓力。

圖6 熱負荷考慮IDR的實施效果Fig.6 Heat load consideration IDR implementation effect

4 結(jié)論

本文提出了一種基于用能行為分析的多源-荷互補集成規(guī)劃方法。首先通過對用戶用能行為進行了聚類分析，將綜合需求響應模型融入到多源荷規(guī)劃模型中；兼顧經(jīng)濟成本與環(huán)境成本，以年規(guī)劃成本最小為目標，考慮綜合需求響應等約束條件，得到如下結(jié)論。

①在規(guī)劃結(jié)果方面，與基礎(chǔ)場景相比，考慮IDR可以在增加可再生能源裝機容量的同時降低經(jīng)濟成本與環(huán)境成本。

②在運行方面，考慮IDR的規(guī)劃場景在滿足電熱負荷需求的同時，通過提高電鍋爐消納清潔能源，降低了燃氣機組的供熱量，進一步減少了溫室氣體的排放。

③在節(jié)能減排方面，考慮IDR的規(guī)劃場景有效降低了系統(tǒng)購氣成本，進一步降低了環(huán)境成本與碳排放量，同時考慮IDR提高了清潔能源的供電占比，減少了棄風棄光量，可以最大程度消納可再生能源。