兼容廣義需求側資源的配電網經濟運行研究

曾 鳴，成 歡

(華北電力大學能源與電力經濟研究咨詢中心，北京102206)

隨著經濟的高速發展和用電量需求的增長，需求側資源成為實現電力系統安全穩定運行的重要保障之一，體現了推動全社會參與節能的重要戰略［1－2］。在此背景下，傳統配電網將發展成為能夠接入和管理需求側電力資源的新型配電系統。傳統的配電網調度和運行主要是從主網供能的角度出發，缺乏對需求側資源的考慮。因此，新形勢下有必要從兼容需求側資源的視角，重新思考配電網的能源優化分配問題，開展配電網優化運行研究。

從廣義的角度來看，分布式發電、儲能技術和需求響應均是重要的需求側資源［3］。目前國內外學者針對兼容需求側資源的新型配電網的運行展開了一系列的研究，提出了較多的方法和成果。文獻［4］針對不同分布式電源的特性以及成本，構建了環保經濟的微網多目標調度模型。文獻［5］考慮含小型冷熱電聯產的微電網系統與外部配網系統的并網狀態，并提出了綜合考慮主網和分布式能源的配電網經濟運行模型。文獻［6］則重點關注如何將可中斷負荷引入到配電網故障恢復問題中。文獻［7］從經濟調度的角度出發構建了微網儲能優化裝置模型，提出了優化不同儲能容量下分布式電源出力以及向外網購售電量的方法。可以看出，現有研究主要針對某一種需求側資源(如分布式發電)，未能充分考慮兼容多種廣義需求側資源的協調調度問題。因此，本文將在探討廣義需求側資源概念的基礎上，構建一個基于廣義需求側資源的配電網經濟運行模型，研究廣義需求側資源在電力市場環境中與主網資源共同直接參與市場競價的情況下，配電網運營商如何開展經濟運行決策，以及通過算例驗證模型的可行性，同時，對于影響需求側資源競爭力和參與度的相關因素做了具體分析，以期為提高多元化能源的利用率、構建清潔能源消納市場提供參考。

1 廣義需求側資源

傳統的需求側資源通常指能夠對電價信號或激勵機制做出響應的負荷資源，即負荷和能效資源［8］。隨著分布式發電和儲能等手段的興起和發展，終端用戶有了更多主動響應和參與電力市場的途徑。根據美國能源局關于需求側資源的定義，需求側資源包括為降低負荷水平和延緩電源側新增裝機容量投資為目的而實施的各種需求側管理手段和措施［9］。因此，從廣義的角度來看，可以將分布式發電和儲能等資源也納入需求側資源中。

廣義需求側資源主要可分為電源類和負荷類兩種。分布式發電資源是典型的電源類廣義需求側資源，通常包括功率較小的內燃機、微型燃氣輪機、燃料電池以及可再生能源電源等［10］。尤其是分布式可再生電源，在低碳化發展要求和智能電網的發展背景下，以其低成本、低電壓、低污染等特點成為了國內外電力能源領域關注的熱點。負荷可分為可中斷(削減)類負荷、可轉移類負荷和不可動類負荷等［11］，其中前兩者可以在完善的電價機制和電價信息的引導下，參與電網的優化運行，是重要的主動負荷。分布式儲能是指在用電側將電能轉換成機械能、化學能等其他能量形式儲存起來，在需要時再轉換成電能釋放出來［12］，因此儲能資源同時具備電源和負荷的性質。

2 兼容廣義需求側資源的配電網經濟運行模型

為簡化模型，本文僅研究各項資源參與電能市場和備用市場的情況;主動負荷方面也僅考慮可中斷負荷和“負容量備用”這兩種典型的需求響應項目。為充分考慮備用容量的實際使用情況對配電網經濟運行的影響，本文還在模型中創新性地引入了備用使用概率的概念。

2.1 目標函數

降低運營成本、實現效益最大化是配電網整合資源、經濟運行所期望達到的目標。因此模型以配電網交易成本最小化為目標函數，如式(1)所示。

式中:TC為配電網運行成本;Cg、Cd和Cs分別表示配電網與第g個分布式發電機組、第d個負荷資源和第s個主網供電方的交易成本。

根據本文假設，與各類電源的交易成本主要包括電能成本和備用成本。此外，對于分布式電源和負荷資源還需要考慮計劃外發電量削減補償和計劃外停電補償。與第g個DG的交易成本主要由電能服務成本 Cg－e、備用服務成本 Cg－r和計劃外發電量削減補償Cg－c三部分組成，如式(2)所示。

式中:a、b、c 分別為成本系數;Pg－e、Pg－r和 Pg－c分別為DG的提供的電能、備用和發電削減量;xg－e、xg－r為0－1函數，當第g個DG被列入配電網運營商的電能(備用)調度方案時，值為1，否則為0;q為備用使用概率;Sg－c為DG發電量削減的單位成本。第d個負荷資源的運行成本主要由電能需求響應成本Cd－e、備用需求響應成本 Cd－r和計劃外停電補償Cd－c等三部分組成，如式(3)所示。

式中:a、b、c 分別為成本系數;Pd－e、Pd－r和 Pd－c分別為負荷資源提供的電能和備用以及計劃外停電量;xd－e和 xd－r為0 －1 函數，當第 d 個負荷資源被列入配電網運營商的電能(備用)調度方案時，值為1，否則為0;Sd－c為計劃外單位停電量的補償。配電網運營商與第s個供電商的交易成本主要由電能服務成本Cs－e和備用服務成本 Cs－r兩部分組成，如式(4)所示。

式中:a、b、c 分別為成本系數;Ps－e和 Ps－r為第 s個外部供電商實際提供的電能和備用;xs－e和 xs－r為0－1函數，當第s個供電商被列入配電網運營商的電能(備用)調度方案時，值為1，否則為0。

2.2 約束條件

目標函數需滿足一定的功率平衡約束和機組出力約束。

1)有功功率平衡約束，對于任一節點i在任一時間點t需滿足以下約束條件:

ijij為電導和電納。

2)無功功率平衡約束:

式中:Qg－e、Qd和 Qs－e分別為分布式發電機組 g、負荷d和供電商s在節點i的無功功率。

3)備用需求約束:

式中:PR－r為配電網總備用需求。

4)節點電壓約束:

式中:Umin和Umax分別為節點電壓的最大、最小限制，φmin和φmax分別為電壓相角的最大、最小限制。

5)DG有功功率約束:

6)可中斷負荷約束:

7)供電商購電約束:

本文將采用引力搜索算法對上述優化問題進行求解，并引入混沌變量對優化算法進行改進，具體算法流程詳見文獻［13－14］。

3 算例分析

3.1 算例基礎數據及基本假設

本節選取32節點配電網絡(詳見文獻［15］)為例，根據本文提出的配電網經濟運行決策模型進行算例分析。算例中，配電網電源的類型和數量如表1所示。算例充分考慮了包括光伏發電和風力發電在內的6種分布式發電方式以及5個主網供電商。為簡化算例，假設主網供電商和DG均分別以裝機容量的70%和30%(上限)參與電能市場和備用市場競價。

表1 配電網電源位置和裝機容量Tab.1 Distribution network power position and installed capacity

表2 負荷位置和初始需求Tab.2 Load location and initial requirements

表3 主網供電商、DG和主動負荷的競價參數Tab.3 Bidding parameters of main power supplier，DG and active load

各節點負荷類型和數量如表2所示。算例負荷包括大型工業用戶、中小型工業用戶、大型商業用戶、中型商業用戶、小型商業用戶和普通居民用戶等6類。為簡化算例，假設各類用戶均為主動負荷(即均參加需求響應項目)，且各用戶的需求響應潛力為初始需求的40%，其中24%參與電能市場競價，16%參與備用市場競價。

主網供電商、DG和主動負荷的基礎競價參數如表3所示。為簡化算例，假設同類DG和同類負荷的競價參數相同。

3.2 算例結果

首先分析主網資源價格的影響，假設備用容量需求為1125 kW、備用容量使用概率為100%，根據本文提出的配電網經濟運行模型得到相應的調度方案，如圖1所示。

從圖1(a)可以看出，根據本文構建的配網經濟運行模型，主動負荷能夠在配網整體經濟效益最優的基礎上，充分參與到電能市場中。在經濟運行目標下，當主網供電商電能價格下降30%之后，電能調度方案中主動負荷響應量大幅降低，且主要來自于工業用戶;工業用戶是電能市場上相對最靈活的主動負荷。其他價格區間內，主網供電商的電能價格對主動負荷在電能市場的參與情況沒有顯著影響。

從圖1(b)可以看出，除了主網供電商5外，其他DG和主網供電商也能在配網整體效益最優的基礎上，充分參與到電能市場中。隨著主網供電商的電能價格的變化，發電機組的電能調度方案也有一定的調整，尤其是在主網供電商的電能價格降低30%時，主網供電商的供電量大幅增加，且主要來自于主網供電商S4。

圖1 配電網經濟運行方案Fig.1 Economic operation scheme of distribution network

在不同主網供電商的備用價格的情況下，采用本文提出的模型得到的配電網備用調度方案，如圖2所示。

從圖2(a)可以看出，主動負荷方面，無論主網供電商的備用競價如何變化，備用市場上均只有工業用戶的參與。同時，主網供電商備用容量價格的變化對工業用戶的響應情況影響不大。

從圖2(b)可以看出，DG沒有參與到備用調度方案中來，表明經濟目標下，DG在備用容量市場的競爭力仍然較弱。同時，主網供電商備用容量價格對備用調度方案的影響比較小。

主網資源價格變化在影響配網經濟運行方案的同時，也對配網運營交易成本有顯著影響。備用需求對配電網經濟運行方案的影響也主要體現在成本變化上。在備用使用概率100%的情況下，備用需求和主網供電商價格的變化對配網運營商交易成本的影響，如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著主網供電商價格的不斷攀升，交易成本不斷上漲。備用需求的增長也推動了交易成本的上升，但影響相對較小。

圖2 配電網備用調度方案Fig.2 Backup distribution scheme of distribution network

圖3 配網運營商交易成本變化情況Fig.3 Transaction cost of distribution network operators

備用使用概率的變化主要影響配電網備用調度方案，如圖4所示，其中備用需求為1125 kW。

從圖4可以看出，備用使用概率較大時，其變化對備用調度方案的影響并不明顯;當備用使用概率非常低、逼近0時，發電機組的備用容量顯著增加，主動負荷在備用市場上的參與度則相應降低。

為驗證本文得出的配電網經濟運行方案的有效性，同時結合配網技術參數表現對經濟運行決策提供指導，本節還選取了電壓水平指標和線損水平指標，針對各方案做了技術參數分析。各方案下配網各節點電壓水平的變化情況，如圖5所示。

圖4 不同備用使用概率下的備用調度方案Fig.4 Distribution scheme under different spare backup probability

圖5 經濟運行方案下各節點電壓水平Fig.5 Node voltage level under economic operation scheme

從圖5可以看出，主網供電商價格波動的各種情況下，配網各節點電壓水平均在可接受范圍內，這說明本文提出的配電網經濟運行模型可行。同時，距離節點1越遠的節點(如節點16和節點26)，電壓水平越低;隨著主網供電商競價降低30%，這一趨勢更加明顯。這主要是因為主網供電商競價顯著降低，從配網經濟運行的目標出發，DG和DR等需求側資源的參與度減小，從而無法補償遠距離節點的電壓水平。由此得出，需求側資源的適度參與，對于維持配網電壓水平穩定具有顯著貢獻。

不同主網資源價格水平和備用需求下，配電網總線損的變化情況，如圖6所示。

圖6 經濟運行方案下配電網線損情況Fig.6 Line loss of distribution network under economic operation scheme

從圖6可以看出，主網供電商競價顯著下降時(下降30%)，配電網線損顯著上升。這主要是由于此種情況下，DG和DR等需求側資源的參與減少;相對長距離的電能輸送增加了配網線損。由此得出，需求側資源的參與在維持配網電壓水平穩定的同時，還能夠有效改善配網線損。

4 結論

1)采用本文構建的配電網經濟運行模型，能夠得到技術上可行、經濟上有效的配電網運行方案，對系統實際運行具有一定的指導意義;廣義需求側資源的參與能夠有效改善配網技術性能。

2)競爭性電力市場環境下，主網資源價格是影響需求側參與度的最重要的因素之一;不考慮相關財政補貼和優惠政策的情況下，需求側資源在電力市場、尤其是備用市場上的競爭力仍然較弱。因此，仍然需要對需求側資源予以一定的激勵和保障，提升需求側資源的競爭力，從而實現提高配電網運行安全性和供電可靠性，最大限度利用多種能源資源，并推動新型配電系統的發展目標。

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