可中斷負荷參與系統備用研究綜述

孔祥清，雷 霞，劉慶偉，柏小麗

(1.西華大學電氣信息學院，四川成都 610039;2.瀘州電業局，四川瀘州 646000)

0 引言

市場環境下，各市場參與者以收益最大化為目標，功率缺額事件具有高度的不確定性。在傳統管制的電力系統中，出現系統有功不足時，系統調度員往往強制無補償的中斷某些用戶的供電來保證電力系統的安全運行。但在電力市場環境中，對作為電力消費者同時也是市場參與者的用戶，終止這樣的服務不能再是單純的拉閘限電，需要給予停電用戶一定的補償。可中斷負荷(interruptible load，IL)即是指那些以合約等方式允許有條件停電的負荷［1］。實施可中斷負荷前需要電力公司與用戶先簽訂可中斷合同，在系統緊急情況下電力公司可以按照合同內容中斷用戶的電力供應，但給予這些用戶一定的經濟補償［2］。

由于市場環境下實際可用發電容量、負荷需求和容量事故不確定性的增加，備用容量的配置問題更加地突出。作為電力系統需求側管理(DSM)的重要組成部分，可中斷負荷可以充分利用用戶的用電靈活性。因此，當系統出現功率缺額時，既可以在發電側購買機組備用容量，也可在需求側購買IL，它們均可作為系統備用容量。并且IL響應速度快相當于發電側的旋轉備用，從IL參與系統備用的角度，可將IL視作一種需求側緊急備用容量資源。對于小概率的嚴重容量事故，僅僅依靠發電側備用不但不經濟，技術上也不可行。為了防御互聯系統發生災難性大停電，緊急控制和校正控制都必須配置足夠的切負荷措施，相應地，就必須建立完善的IL市場參與系統備用［1］。可中斷負荷可以看作一種虛擬的新型能量資源，只需要增加一些經濟手段，改變電力系統中對用戶原來固有的運營模式，就可以在不消耗任何實際能源的情況下，增加系統的發電容量和備用容量充裕性，減少備用機組的啟停和運行費用;同時可以提高系統的可靠性，使用戶以同樣的電價享受更優質的供電服務;還可以增加用戶側的需求彈性和經濟穩定性。只要IL能與其他備用形式合理協調，得到合理的補償，那么IL不僅能提高系統的可靠性和安全性，還會促進資源的優化配置。

從IL參與系統備用的角度出發，概括了市場環境下的備用容量體系，分析了IL參與備用的成本效益。然后詳細論述比較了IL參與系統備用的建模思路，最后給出了以后的可能研究方向。

1 市場環境下備用容量體系的建立

市場環境下，電力系統不再是壟斷的，各市場參與者均有權參與系統備用容量市場的競爭［3］。電網公司作為系統備用容量的購買方，必須從可靠性與經濟性協調的角度來合理選擇備用容量市場的參與者，合理配置各類備用容量。為防御互聯系統發生災難性的大停電，以及避免因相繼開斷引起更大范圍的不受控停電，系統備用容量的配置應是多方面的。一個好的系統備用容量體系需要多種備用容量及其交易市場的參與。對于頻繁發生的基礎備用需求，應以發電側備用容量來應對，而對于小概率的嚴重容量事故，則可以采用可中斷負荷容量的形式。文獻［4］按發電機組響應時間及其與系統是否同步，將發電側備用容量分為瞬時備用、快速備用、慢速備用及冷態備用。按對用戶的補償方式，IL可分為低電價可中斷負荷(ILL)與高賠償可中斷負荷(ILH)，其中ILL是在事故前通過電價打折來進行補償［5－7］，ILH是在事故發生且中斷實施后才對其進行事后的高額賠償［8］。文獻［9］從風險的角度建立了發電側備用與ILL、ILH共同參與的備用容量市場，其結構框圖如圖1所示。

圖1 電力市場下系統備用容量體系

2 可中斷負荷參與系統備用的成本效益分析

2.1 IL成本估計及補償方法

可中斷負荷參與備用的成本(簡稱IL成本)即負荷停電損失，通常指直接損失，目前普遍以用戶因停電而實際減少的利潤來評估［10］。影響IL成本的因素有:提前通知時間、停電持續時間、停電發生時間、停電次數、停電頻率、缺電比率、用電收益、缺電量等。文獻［11］綜合考慮了用戶類型、提前通知時間、停電持續時間和缺電量等因素，建立了綜合缺電成本模型，但是各因素的影響程度難以確定。文獻［12－13］分別基于用戶用電需求曲線為線性和指數形式建立起IL成本模型，可看出模型與用戶需求價格彈性以及市場平衡點有關，即使缺電量相同，消費者剩余損失也可能不同，因而該模型能夠動態評估IL成本的大小。文獻［14］利用機制設計理論考慮供電公司的風險偏好，提出激勵性可中斷負荷合同模型，引導用戶自愿參與可中斷負荷管理，自愿披露真實缺電成本信息。文獻［15－17］將期權的方法引入IL合同的中斷價格制定中，分別以用戶或電網單位電量期望收益最大為目標，推導出可中斷合同的最優履約價。

2.2 IL參與系統備用的效益分析

可中斷負荷參與系統備用，將供電可靠性也作為商品，不但有利于能源的合理利用和備用容量的優化配置，也增加了應對功率缺額的手段，有利于遏制發電商在備用緊張情況下濫用市場力［18－19］。IL參與系統備用的效益主要體現在提高系統可靠性及供電充裕性，增強電力市場的經濟穩定性等方面。

可靠性的提高相當于系統向用戶提供了更優質的電能，使用戶以不高于原來的電價享受更好的服務。文獻［20］對此做了定量分析，指出可中斷負荷的可靠性效益等于無中斷負荷時切除的負荷容量與缺電成本的乘積，并進行了實例分析。文獻［21］提出一種將直接負荷控制與可中斷負荷管理相結合的自適應方案，該方案可以獲取瞬時運行備用容量，同時對于電力系統動態擾動具有一定的魯棒性。文獻［22］依據微觀經濟學中的效用無差異理論，建立了市場環境下最優備用容量優化問題的數學模型。

從市場參與者方面考慮，可中斷負荷參與系統備用可以調動需求側參與市場的積極性，增強市場的經濟穩定性，對各參與者都有益。

1)對獨立調度員ISO(independent system operator)、電能交易中心PX(power exchange):IL的參與可以削弱價格尖峰、平穩電價，還可以抑制市場中的投機行為。

2)對電網公司:IL參與系統備用，極大地降低了系統邊際電價［19］，使電網公司有可能通過降低RCGS的購買量及價格，來降低購電成本，進而提高其經濟穩定性。

3)對發電商:與某些大用戶簽訂可中斷合同等效于新增裝機容量，增加了在市場報價中的靈活性。另外，IL參與到備用中，還可以延緩甚至減少新增機組的容量投資成本。

4)對用戶側:參與備用市場提供備用容量的IL用戶，不被中斷時可以通過享受低電價來獲得額外利潤，被中斷時又可以獲得中斷賠償。不參與中斷的用戶也可以由備用容量價格的降低，供電可靠性的提高中受益。

3 可中斷負荷參與系統備用建模

可中斷負荷參與系統備用建模的最基本條件就是要滿足系統備用需求平衡，然后才是分別從不同的角度來列目標函數，考慮不同的約束條件最后建立起IL參與系統備用的模型。

3.1 從電網公司的角度考慮IL參與備用的優化

以電網公司購買備用輔助服務的總成本最小為目標函數，在滿足系統可靠性等備用約束條件下建立數學模型，通過各種算法(如基于蒙特卡羅隨機模擬的遺傳算法、非線性互補法、帕累托優化理論等等)求解得到IL與發電機組的最優組合情況。文獻［23］以電網公司購買IL的總費用和由其產生的網損增加之和最小為目標函數，考慮了不同地理位置的可中斷用戶對網損的影響，采用排隊法求解。文獻［24］從電網公司的角度，基于層次分析法建立IL參與備用的模型，綜合考慮了可中斷負荷的報價、容量大小、響應時間、中斷持續時間等因素。文獻［25］考慮備用容量和電價波動對電力公司的影響，以購買備用成本最小為目標函數建立了基于風險的最優事故備用容量購買模型。文獻［26］考慮分布式電源(DG)和可中斷負荷的基礎上建立了配電公司利潤最大化和總購電費用最小的雙目標優化模型，驗證了DG和IL在規避風險和降低節點電價波動方面的作用。此方向研究的比較多，數學模型的改進空間很小，只有在算法上優化改進。

3.2 從用戶的角度考慮IL參與備用優化

有些學者將用戶側的停電損失和獲得的停電賠償效益等因素考慮到模型中，建立雙側開放的備用市場聯合優化模型，得到最優備用容量組合。文獻［27］把用戶參與系統備用也引入競爭，以用戶效益最大化為目標函數，提出了一種基于潮流的主備用容量市場聯合優化模型。文獻［28］在考慮停電持續時間等可靠性指標的基礎上，構建了新的缺電成本函數，建立了考慮用戶可靠性的可中斷負荷管理模型。文獻［29］提出了停電損失費用(EENS)的概念，即由備用不足(包括發電機組和ILs兩側)引起用戶停電造成的損失，以系統總備用成本及EENS之和最小為目標函數，求取參與備用的發電機組和IL的最優分配組合情況。單獨以用戶側效益最大為目標函數建模的比較少，大部分文獻都是將用戶側成本效益因素作為一種約束條件加以考慮的。

3.3 考慮社會效益最大化情況下的IL參與備用的優化

以社會效益最大為目標函數，引入發電側的成本效益因素，綜合考慮IL參與備用后，電網公司、發電側和用戶側的成本效益，應用博弈論或其他算法來求得此時的備用容量配置和各參與方的成本效益。此種方法需要政府或其他獨立機構(如美國電力市場中的ISO)來組織協調各參與方的競價和利潤分配。文獻［29］應用雙方叫價拍賣和納什討價還價理論設計了可中斷負荷實施的利益分享機制，以社會效益最大為目標函數，兼顧發電側和電力公司的利益。以社會效益最大化為目標函數可以綜合考慮資源的優化配置，減少單位能耗和對環境的影響，比單純的以利潤或成本等經濟性指標做目標函數更有意義。

3.4 IL 的電價設計及合同管理模型的優化

電價的設計是IL合同管理中的一項重要內容，因為無論對參與IL的用戶激勵還是電網公司的成本收益都要通過電價的杠桿作用來調節。研究者已經分別從激勵機制［14］、期權定價［30］、最優潮流［31］和直接參與報價［32］等方面對IL的定價進行了研究。IL合同內容主要包括合同有效期、中斷提前通知時間、負荷中斷量、中斷持續時間、中斷補償費用等。文獻［33］從IL補償來源、用戶中斷成本角度應用機制設計理論思想建立了基于用戶意愿的IL合同模型。文獻［14］考慮供電公司的風險偏好，同樣利用機制設計理論建立了一種用戶類型離散的激勵型IL合同模型。文章表明對于風險進取的供電公司，IL合同將成為其進行市場競爭和風險管理的有力工具。

3.5 其他方面的優化

還有些學者從其他角度研究IL參與系統備用的問題，如用風險的觀點研究系統備用容量中低電價可中斷負荷(ILL)、高賠償可中斷負荷(ILH)與發電側備用容量(RCGS)的優化協調問題［34］。用IL替代發電機組做系統備用對發電公司檢修決策的影響［35］。IL參與系統調頻［36］和秒級可中斷負荷參與系統備用［37］等。當然，各研究方向間難免存在一些交叉的內容。

4 結語

在概括介紹市場環境下備用容量體系和可中斷負荷參與系統備用成本效益的基礎上，詳細總結了IL參與系統備用的建模思路和方法。目前文獻基本都只從市場的角度用經濟學的方法考慮IL參與備用的優化建模問題。但是IL與系統備用都是電力系統中很重要的部分，它是實時變化的動態系統，目前的模型還不能完全反應其特點。所以可中斷負荷參與系統備用優化還有以下幾個方面需要進一步的研究。

1)在滿足系統安全可靠性的前提下設計更加能綜合反映各參與方意愿的模型，運用更精確合適的算法尋求更加優化的IL與發電機組的組合結果，能夠更加準確地量化各參與方成本效益情況。

2)考慮可中斷負荷參與備用后，系統在潮流、線損、輸電阻塞、電壓等方面的改變。建立考慮系統反饋的可中斷負荷參與系統備用的優化模型。

3)結合地方實際情況設計簡單實用可操作性強的模型和算法，將IL參與備用應用到目前中國實際的電力系統中，逐步推進中國電力需求側市場的開放。

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