基于可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與電網(wǎng)需求響應(yīng)的潛力挖掘研究

陳雪敏，周麗霞，丁恒春，張立鵬

（國網(wǎng)冀北電力有限公司計(jì)量中心，北京 100045）

電網(wǎng)需求響應(yīng)也叫電力需求響應(yīng)，是一種短期的電量表現(xiàn)行為，指的是當(dāng)電力系統(tǒng)受到威脅或電力批發(fā)價格上升后，下級用戶所接收到負(fù)荷信號會以直接補(bǔ)償?shù)男问剑ㄖ霞墤?yīng)用主機(jī)，不僅能夠改變電網(wǎng)設(shè)備的慣有用電模式，也可減少單位時間內(nèi)的用電負(fù)荷供應(yīng)量，從而長久維持電網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)用穩(wěn)定性[1-2]。一般來說，滿足電網(wǎng)需求響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的電量資源都屬于居民負(fù)荷的范疇，與大規(guī)模電量調(diào)度行為不同，這種響應(yīng)模式能夠同時適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境的暫時性與永久性改變，并可在集中所有待測負(fù)荷量的同時，實(shí)現(xiàn)對傳輸電阻的準(zhǔn)確評估與預(yù)測。

冀北地區(qū)電量調(diào)峰是國家電網(wǎng)建設(shè)的重要實(shí)踐項(xiàng)目，肩負(fù)著調(diào)試全國電量平衡的應(yīng)用任務(wù)。為充分激發(fā)電網(wǎng)體系的應(yīng)用潛力，當(dāng)前互動調(diào)峰策略根據(jù)多時間尺度原則，確定調(diào)節(jié)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的目標(biāo)優(yōu)化量條件，再通過良性調(diào)節(jié)原則，判斷調(diào)峰策略的實(shí)際應(yīng)用價值。然而此方法并不能將電量輸出數(shù)值控制在既定指標(biāo)條件之下，很難實(shí)現(xiàn)對冀北地區(qū)電量調(diào)峰工作壓力的有效緩解。為避免上述情況的發(fā)生，提出基于可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與的電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力挖掘模型，在負(fù)荷分散度條件的支持下，獲取最大電量負(fù)荷目標(biāo)，再根據(jù)響應(yīng)約束原則，完善電網(wǎng)環(huán)境中的特性電子量挖掘標(biāo)準(zhǔn)。

1 基于可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與的電網(wǎng)特性分析

可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與下的電網(wǎng)特性原則由電網(wǎng)負(fù)荷峰值、負(fù)荷分散度、分散負(fù)荷聚合三部分共同組成，具體分析方法如下。

1.1 電網(wǎng)負(fù)荷峰值

電網(wǎng)負(fù)荷峰值是指在滿足電網(wǎng)需求響應(yīng)的情況下，高壓電機(jī)所能承受的最大電子輸出量，由于可調(diào)節(jié)負(fù)荷的參與強(qiáng)度不同，電網(wǎng)負(fù)荷峰值的計(jì)算結(jié)果也會有所不同。在冀北地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)峰工程中，風(fēng)電、光伏作為兩種主要的電量輸出形式，均具有較強(qiáng)的隨機(jī)性與波動性[3-4]。隨著新能源體系大規(guī)模接入原有電網(wǎng)環(huán)境，一部分電量空間被反饋電子占據(jù)，不僅對電網(wǎng)環(huán)境的峰值運(yùn)行狀態(tài)造成影響，也使得電網(wǎng)外送容量難以被高壓電機(jī)直接消耗。而在已知電網(wǎng)負(fù)荷峰值條件的情況下，輸出電量的隨機(jī)性與波動性行為得到有效抑制，不但可以增強(qiáng)調(diào)節(jié)負(fù)荷量的傳輸強(qiáng)度水平，也能夠促進(jìn)高壓電網(wǎng)在短時間內(nèi)呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的表現(xiàn)狀態(tài)[5]。設(shè)wmin代表最小的電量負(fù)荷強(qiáng)度，wmax代表最大的電量負(fù)荷強(qiáng)度，在高壓輸出電量均值為的情況下，可將電網(wǎng)負(fù)荷峰值表達(dá)式定義為：

式中，Qwmin、Qwmax分別代表最小值與最大值條件下的高壓電量信號強(qiáng)度，λ代表電量負(fù)荷信號的響應(yīng)系數(shù)值。

1.2 負(fù)荷分散度

電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力的負(fù)荷分散度計(jì)算，首先應(yīng)以傳輸電量調(diào)峰需求和運(yùn)行特性兩個角度作為切入點(diǎn)，研究可調(diào)節(jié)負(fù)荷算法對高壓電網(wǎng)環(huán)境造成的影響，從而指出這種特性算法在促進(jìn)電網(wǎng)需求響應(yīng)能力方面的應(yīng)用價值[6-7]。其次，應(yīng)通過不同情況下的高壓主機(jī)出力曲線，確定傳輸電壓、傳輸電流等外界條件在維護(hù)電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力方面的應(yīng)用價值。最后，分析當(dāng)電力負(fù)荷大量接入高壓電網(wǎng)后，主網(wǎng)環(huán)境中需求響應(yīng)潛力的具體變化情況。設(shè)D代表高壓電網(wǎng)環(huán)境中的電量潛力系數(shù)，β代表既定的電壓差降數(shù)值，聯(lián)立式（1），可將電網(wǎng)需求響應(yīng)的負(fù)荷分散度條件表示為：

式中，ID代表電量潛力系數(shù)為D時的傳輸電流數(shù)值，μD代表電量負(fù)荷特征值，σD代表高壓信號的傳輸特征值。

1.3 分散負(fù)荷聚合

分散負(fù)荷聚合是電量負(fù)荷分散的反向運(yùn)算過程，可在已知分散度條件的情況下，針對高壓電網(wǎng)邊緣的傳輸電阻進(jìn)行集中處理，再根據(jù)相鄰響應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的物理距離數(shù)值，確定可調(diào)節(jié)負(fù)荷算法是否具備適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)用潛力[8]。若將電網(wǎng)環(huán)境看成一個完全獨(dú)立存在的個體，則可認(rèn)為隨著高壓電子輸入量的增大，相鄰響應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸能力可被充分調(diào)度，且由于可調(diào)節(jié)負(fù)荷作用的存在，任何一個電子量都不會出現(xiàn)錯傳或誤傳的情況，這也是電網(wǎng)主機(jī)可對單位時間內(nèi)電量輸出數(shù)值進(jìn)行有效控制的主要原因[9]。設(shè)η0代表初始情況下的高壓電網(wǎng)響應(yīng)強(qiáng)度，ηn代表終止情況下的高壓電網(wǎng)響應(yīng)強(qiáng)度，n代表單位時間內(nèi)的電網(wǎng)響應(yīng)次數(shù)值，聯(lián)立式（2），可將分散負(fù)荷聚合表達(dá)式定義為：

其中，t代表電網(wǎng)響應(yīng)行為的單位作用時長，a1代表第一個響應(yīng)的電信號系數(shù)值，an代表第n個響應(yīng)的電信號系數(shù)值。

2 電網(wǎng)需求響應(yīng)的潛力挖掘模型

在可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與的情況下，按照最大電量負(fù)荷目標(biāo)獲取、響應(yīng)約束條件構(gòu)建、特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)完善的處理流程，完成電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力挖掘模型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.1 最大電量負(fù)荷目標(biāo)獲取

當(dāng)高壓電網(wǎng)出現(xiàn)下調(diào)峰狀態(tài)時，其應(yīng)用潛力會在短時間內(nèi)達(dá)到極值響應(yīng)狀態(tài)，此時電網(wǎng)主機(jī)的瞬時電子消耗量也就是高壓電網(wǎng)的最大電量負(fù)荷目標(biāo)數(shù)值。為減小可調(diào)節(jié)負(fù)荷作用對高壓電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力造成的影響，應(yīng)在已知分散負(fù)荷聚合條件的基礎(chǔ)上，對最大電量負(fù)荷目標(biāo)值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，一方面確定高壓電子在單位時間內(nèi)的傳輸與運(yùn)行能力，另一方面也可實(shí)現(xiàn)對電子感應(yīng)能力的準(zhǔn)確預(yù)判[10-11]。設(shè)c代表可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與條件下的高壓電網(wǎng)調(diào)峰系數(shù)，代表瞬時情況下的電子信號消耗量指標(biāo)，一般情況下，在單位電量負(fù)荷時間ΔT內(nèi)，調(diào)峰系數(shù)c的取值結(jié)果越大，瞬時情況下的電子信號消耗量也就越多。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將最大電量負(fù)荷目標(biāo)計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，φ代表既定的電網(wǎng)負(fù)荷量預(yù)判條件，代表單位電量負(fù)荷時間ΔT內(nèi)的可調(diào)節(jié)電量均值。

2.2 響應(yīng)約束條件構(gòu)建

響應(yīng)約束條件是一個預(yù)設(shè)的電網(wǎng)需求潛力挖掘與判別范圍，由上限指標(biāo)參量、下限指標(biāo)參量兩部分共同組成。上限指標(biāo)參量也叫響應(yīng)約束條件的最大數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，能夠限定電網(wǎng)負(fù)荷量的最大波動范圍，在不考慮其他干擾條件的情況下，上限指標(biāo)參量的物理數(shù)值水平越高，電網(wǎng)負(fù)荷量所能達(dá)到的波動數(shù)值量也就大[12-13]。下限指標(biāo)參量也叫響應(yīng)約束條件的最小數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，能夠限定電網(wǎng)負(fù)荷量的最小波動范圍，在已知上限指標(biāo)參量數(shù)值的情況下，下限參量值所能達(dá)到的數(shù)值水平越低，電網(wǎng)需求潛力響應(yīng)約束條件的覆蓋范圍也就越廣[14]。設(shè)代表電網(wǎng)需求潛力挖掘的下限指標(biāo)參量、代表電網(wǎng)需求潛力挖掘的上限指標(biāo)參量，聯(lián)立式（4），可將可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與下的電網(wǎng)響應(yīng)約束條件表示為：

其中，代表高壓電網(wǎng)環(huán)境中的特征響應(yīng)參量，f需求量權(quán)重值，φ代表單位時間內(nèi)的電量挖掘特征代表高壓電量的輸出均值，μ代表電負(fù)荷量的波動行為系數(shù)。

2.3 特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)完善

特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)可為電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力提供較好的負(fù)荷量調(diào)節(jié)參考條件，在已知響應(yīng)約束數(shù)值的情況下，特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)所涉及的電網(wǎng)需求響應(yīng)指標(biāo)數(shù)值量越大，高壓主機(jī)所具備的電負(fù)荷調(diào)節(jié)能力也就越強(qiáng)[15-16]。在不考慮其他干擾條件的情況下，電網(wǎng)需求響應(yīng)的特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)同時受到潛力挖掘深度、電信號調(diào)節(jié)參量兩項(xiàng)物理指標(biāo)的直接影響。潛力挖掘深度可表示為，在高壓電網(wǎng)環(huán)境中，該項(xiàng)物理指標(biāo)的數(shù)值水平越高，特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)所能表達(dá)出的電信號潛力特征值也就越少。電信號調(diào)節(jié)參量可表示為ζ，由于電網(wǎng)穩(wěn)定性響應(yīng)作用的存在，可認(rèn)為該項(xiàng)物理指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果越大，最終所得的特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)條件越完善。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（5），可將特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)條件表示為：

式中，mmin代表最小的電網(wǎng)響應(yīng)系數(shù)判別條件，mmax代表最大的電網(wǎng)響應(yīng)系數(shù)判別條件，b1代表第一個電量潛力指標(biāo)挖掘系數(shù)，bn代表第n個電量潛力指標(biāo)挖掘系數(shù)。至此，完成各項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與的條件下，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力挖掘模型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證基于可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力挖掘模型的實(shí)際應(yīng)用價值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。利用圖1 所示接線裝置，分別將實(shí)驗(yàn)用、對照組電網(wǎng)控制器與冀北地區(qū)的高壓電網(wǎng)主機(jī)相連，其中，實(shí)驗(yàn)組控制器搭載基于可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力挖掘模型，對照組控制器搭載互動調(diào)峰策略。

圖1 高壓電網(wǎng)接線裝置

單位時間內(nèi)的電信號輸出量能夠反映高壓主機(jī)對于電網(wǎng)控制器負(fù)荷調(diào)節(jié)行為的平均作用強(qiáng)度，受到電壓振蕩效應(yīng)的影響，單位時間內(nèi)的電信號輸出量值越小，高壓主機(jī)對于電網(wǎng)控制器負(fù)荷調(diào)節(jié)行為的作用強(qiáng)度水平越高。直流與交流情況下的電信號輸出量分別如表1 和表2 所示。

表1 直流情況下的電信號輸出量

表2 交流情況下的電信號輸出量

分析表1 可知，在直流傳輸情況下，實(shí)驗(yàn)組電信號輸出量始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)，全局最大值與最小值之間的差值結(jié)果僅達(dá)到4 kV/min。對照組電信號輸出量在前兩個單位時長內(nèi)，始終保持連續(xù)上升的數(shù)值變化狀態(tài)，而從第三個單位時長開始，則呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的波動性變化態(tài)勢，整個實(shí)驗(yàn)過程中的平均數(shù)值水平相對較高，兩端極值之間的差值水平也遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組。

分析表2 可知，與直流傳輸情況相比，交流情況下的電信號輸出量水平明顯更高，在整個實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組數(shù)值依然呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的波動變化狀態(tài)，而對照組數(shù)值則保持連續(xù)上升的變化態(tài)勢，從平均值角度來看，實(shí)驗(yàn)組數(shù)值水平也明顯更低。

綜合上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可知，基于可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與電網(wǎng)需求響應(yīng)潛力挖掘模型的應(yīng)用，直流、交流情況下的電信號輸出量水平均得到了有效控制，保障了高壓主機(jī)對于電網(wǎng)控制器負(fù)荷的穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力，激發(fā)了電網(wǎng)體系的應(yīng)用潛力，緩解了冀北地區(qū)電量調(diào)峰工作所面臨的壓力。

4 結(jié)束語

與當(dāng)前互動調(diào)峰策略相比，新型電網(wǎng)需求響應(yīng)的潛力挖掘模型在保證可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與作用的前提下，針對電網(wǎng)負(fù)荷峰值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，在獲取最大電量負(fù)荷目標(biāo)的同時，完善現(xiàn)有的特性挖掘標(biāo)準(zhǔn)條件。從實(shí)用性角度來看，直流情況下、交流情況下的電信號輸出量水平均出現(xiàn)了一定程度的下降，激發(fā)了電網(wǎng)體系的應(yīng)用潛力，能夠適應(yīng)冀北地區(qū)的電量調(diào)峰工作需求。