需求側負荷可調度潛力分析及供需協(xié)調策略研究

周博曦，張國靜，徐家恒，宋 娜

（國家電網有限公司技術學院分公司，山東 濟南 250002）

0 引言

近年來，隨著新型電力電子技術和控制手段的發(fā)展，負荷特性發(fā)生了根本性變化。一方面，用戶能夠針對市場價格或激勵機制改變原有電力消費模式，主動參與電網運行控制；另一方面，電動汽車、儲能設備等具備與電網雙向互動的能力，具備削峰填谷的功能，為電網調控提供了新的手段［1-2］。負荷參與電網互動調度方面的研究成為關注焦點［2］。文獻［3］提出將高峰時段占比較高的空調通過需求響應納入電力系統(tǒng)調度中；文獻［4］提出對工業(yè)微網中的可控負荷實施源荷協(xié)同優(yōu)化調度；文獻［5］提出樓宇負荷中可調度負荷的最大本地消納模型，實現樓宇能量管理；文獻［6］提出針對熱電廠的日前-實時雙階段優(yōu)化調度方法，參與電力市場競爭的優(yōu)化調度；文獻［7］提出改變用電時間或負荷大小以適應電力運營商的需求響應策略，從而獲得經濟效益。

需求側的可調負荷可作為削減高峰負荷、平衡電力供應缺口的重要手段，對電力系統(tǒng)運行和控制具有重要作用［8］。為便于管理，將用戶側可激勵、可中斷負荷資源建模成可調負荷集群，研究規(guī)?；摵扇嚎丶夹g以及互動調度響應技術，實現負荷的柔性和剛柔并濟控制，可為負荷精細管理和控制提供保證。對工業(yè)生產、建筑樓宇、居民生活、新興負荷4種典型負荷資源的可調度潛力進行分析，建立頻率、運行電壓及運行狀態(tài)3 類供需平衡調節(jié)控制的判據，提出了分層分區(qū)的負荷供需協(xié)調策略，利用可調負荷參與虛擬調峰，從而達到緩解電網備用容量不足和大容量負荷缺額的目的。

1 負荷可調度潛力分析

關于負荷特性的研究，已有多種負荷建模方法：統(tǒng)計綜合法［9］、總體辨識法［10］、故障仿真法［11-12］等。近年來，國內用電信息采集和智能互動終端技術的快速發(fā)展為負荷特性研究提供了數據支撐［13］。經過負荷調研、數據整理和分析、負荷建模及響應能力預測，同時依托實時采集與在線監(jiān)測技術，對需求側的工業(yè)負荷、建筑樓宇、居民生活、新興負荷4 種負荷資源開展可調度潛力研究，為實現用戶側可調負荷協(xié)調控制奠定基礎。

1.1 工業(yè)負荷

工業(yè)負荷在國民經濟發(fā)展用電構成中居于首位，約占總用電負荷的80%。工業(yè)負荷特性復雜，不同行業(yè)差異較大，獲取可調負荷估算需要對各行業(yè)生產設備開展具有針對性的調研。以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵行業(yè)電能消耗為主的設備為電弧爐、精煉爐和軋鋼生產線等，其中軋鋼負荷約占總負荷20%，電弧爐負荷約占總負荷55%，剩下為輔助生產設備和辦公設備。軋鋼機和電弧爐負荷特性曲線分別如圖1（a）、圖1（b）所示，其響應可調度潛力如表1 所示。其中，表1 中所描述電弧爐和軋鋼負荷的供需協(xié)調方法為：高峰時段功率缺口較大情況時，在征求客戶同意情況下，客戶可在不影響生產情況下短時切除部分生產設備。該方法可在分鐘級內得到響應，響應時長（即調峰持續(xù)時間）可達0.5～1.0 h（表1 中直控調控策略指由直流電源供電的控制、保護、信號、自動裝置等控制負荷）。

圖1 鋼鐵行業(yè)負荷特性曲線

表1 鋼鐵負荷的可調度潛力

1.2 建筑樓宇負荷

大型建筑、樓宇和商業(yè)主要負荷包括空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及部分動力系統(tǒng)等，其中空調等溫控負荷數量巨大，夏季高峰時段可達負荷總量的30%～40%，甚至可達50%。溫控負荷具備熱存儲能力，適度調溫或短暫切斷不會對用戶熱舒適度造成明顯的負面影響?？照{負荷需求響應產生的影響較小，通過精細控制，大型商場以及建筑樓宇的空調負荷用電在高峰時段可以削峰5%～10%，響應時長可達2 h，部分用電發(fā)達地區(qū)甚至可以達到10%～15%，具有巨大的調峰潛力。以典型的商業(yè)綜合體為例，建筑樓宇負荷曲線如圖2 所示，其響應可調度潛力如表2 所示?？照{的調控方式包括調節(jié)設定溫度和調節(jié)功率2 種方式，在功率高峰時段，通過智能控制設備對空調實現分鐘級調節(jié)，響應時長可達0.5～2.0 h。

圖2 建筑樓宇負荷特性曲線

表2 空調負荷的可調度潛力

1.3 居民用電負荷

居民用電負荷主要負荷包括照明類負荷、電視、洗衣機、廚房等，夏冬兩季用電高峰期間負荷占比較高，居民負荷特征曲線如圖3 所示。居民負荷夏季主要以空調負荷為主，冬季主要以電采暖和熱水器負荷為主，此類負荷用電特性靈活、短時操作不會對用戶造成較大影響，且容易受到應價格信號或激勵機制引導，具有可觀的調峰潛力，居民可調節(jié)負荷方式、調節(jié)速度與響應時長如表3 所示。

圖3 居民負荷特性曲線

表3 居民負荷的可調度潛力

1.4 新型負荷

新型負荷包括電動汽車、儲能及分布式電能。其中電動汽車涵蓋了較大一部分的儲能設備，因此以電動汽車為例進行新型負荷可調節(jié)性分析。大量電動汽車并網形成充放電聚合效應，集中充電效應有可能導致電能消耗“峰上加峰”。通過分時電價引導電動汽車充電行為，使電動汽車充電時間盡量選擇在電價較低的電網低谷時段，其負荷曲線如圖4 所示。

圖4 電動汽車特性曲線

綜上，工業(yè)、樓宇、居民以及部分新型負荷用電需求靈活可控，是潛在的可調度資源。據估算，通過加強技術研發(fā)、完善補貼政策和市場交易機制，未來3～5 年全網可調負荷可達到35 GW；至2030 年，可調節(jié)負荷的理論遠期潛力可達90 GW。在電網的高峰用電時段，通過可調負荷參與虛擬調峰，可有效緩解電網高峰時段對電力的需求，具有極大的現實意義。

2 可調負荷供需協(xié)調方案

為緩解功率缺額引起的頻率波動，傳統(tǒng)調解方案采用負荷快切方式防止系統(tǒng)頻率快速下降［14］。盡管傳統(tǒng)調解方案短時間能將負荷控制到位，但由于其為單向剛性調節(jié)方式，沒有考慮負荷類型與其可調節(jié)性，對用戶影響較大。對此，提出一種考慮負荷可調性的區(qū)域電網供需協(xié)調控制方案，利用主動的可調負荷資源代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性被切負荷，降低切負荷代價。

2.1 供需協(xié)調控制判據

負荷參與供需平衡調節(jié)需求的控制判據包括3類，分別為頻率、運行電壓與運行狀態(tài)。

1）頻率越限判據。

當系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，不同負荷表現出不同的頻率調節(jié)效應。文獻［9］給出了負荷的“功率-頻率”特性為

式中：PLN為系統(tǒng)的額定有功功率；f 為系統(tǒng)頻率；fN為額定頻率；PL為頻率為f 時系統(tǒng)的有功功率；PL*、f*分別為有功功率和系統(tǒng)頻率的標幺值，PL*=KL為負荷的頻率調節(jié)效應系數；αi（i=0，1，…，n）為研究區(qū)域各類可調負荷占PLN的比例系數；由于實際很少存在負荷的頻率調節(jié)效應與頻率高次方（≥4 次方）成正比的情況［9］，對式（1）進行簡化，得到式（2）；式（3）中KL用于反映負荷的調節(jié)性能，KL越大對負荷的調節(jié)性能越好。因此，低頻減載時，為防止頻率下降過多應優(yōu)先切除KL小的負荷，保留大的負荷，有利于提高系統(tǒng)頻率恢復水平。

對此，設定頻率越限門檻值fthr，用于確定電網當前頻率和高峰缺功率時啟動低頻減載動作值；當實時監(jiān)測頻率ft和頻率變化率滿足ft

其中，K1

2）電壓越限判據。

根據系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求，參照SD 325—1989《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術導則》，對系統(tǒng)的電壓安全水平進行評價。當系統(tǒng)電壓不符合安全穩(wěn)定要求時，進行低壓減載負荷控制。母線i 電壓安全裕度指標計算公式為［14］

式中：UBi為母線i 的電壓幅值；和分別為母線i的電壓上、下限。

設定區(qū)域電壓越限門檻值Uthr，一般以母線越限電壓為準。按照“分層分區(qū)，就地平衡”原則，當UBi

3）設備運行狀態(tài)越限判據。

設備運行狀態(tài)判據主要指設備過載運行，過載設備主要包括線路和變壓器兩種。變壓器或線路等設備的重要性隨其在電網中所處在的位置、電壓等級等因素而不同，應該因地制宜地制定切負荷措施。線路j 和變壓器m 過載安全裕度指標ILj、Spm的定義［14］分別如式（5）和式（6）所示。

式中：Ilj為線路j的電流值；Ilj，lim為線路j的熱穩(wěn)定值；Stm為變壓器m 的視在功率；Stm，lim為變壓器m 的容量。設置線路過載門檻值Il，thr，用于確定電網當前狀態(tài)下的過載線路；設置變壓器過載門檻值SP，thr，用于確定電網當前狀態(tài)的過載變壓器。當線路j 滿足ILj

2.2 負荷供需協(xié)調策略

不同地區(qū)或同一地區(qū)不同負荷構成差異是非常大的，對此，制定分層分區(qū)的負荷供需協(xié)調策略以提高分區(qū)的適應性是非常必要的。根據電網高峰時段功率缺額引起的頻率波動，獲取各區(qū)頻率、電壓以及設備運行狀況實時監(jiān)測信息，負荷的供需協(xié)調策略按全網協(xié)調層、子區(qū)控制層和局部控制層進行分層，在優(yōu)先考慮系統(tǒng)可調負荷的情況下，完成全網、子區(qū)以及若干分區(qū)范圍供需協(xié)調，其基本框架如圖5 所示，控制流程如圖6 所示。

圖5 簡化的系統(tǒng)級負荷協(xié)調分層分區(qū)框架

全網協(xié)調層實時監(jiān)測系統(tǒng)頻率，根據系統(tǒng)當前運行方式及各種已知狀態(tài)量及時調整協(xié)調方案，當監(jiān)測到系統(tǒng)頻率滿足動作條件時，估算出全網的功率缺額，下發(fā)子區(qū)控制層協(xié)調指令；子區(qū)控制層根據所在分區(qū)電網的電壓和頻率跌落指標、子區(qū)功率不平衡量，確定子區(qū)可切負荷量；局部控制層完成更小區(qū)域內的母線電壓、線路電流及負荷變壓器運行容量的實時測量，秉著最大程度保證生產性設備及保安設備等重要負荷用電的原則，優(yōu)先調整和切除系統(tǒng)的可調負荷，根據負荷的重要程度分輪次實施減負荷。

利用可調負荷實現電網高峰時段的減負荷措施，一方面需要結合國家節(jié)能減排相關政策和法規(guī)，兼顧供需調節(jié)的經濟效益來實施控制措施；另一方面應充分調動用戶主動參與需求響應的意愿，保證客戶滿意度，以降低切負荷的代價。目前，隨著國內外對智能用電技術的發(fā)展，智能用電設備為實現可調負荷參與系統(tǒng)運行控制提供了重要保障。因此，研究智能家具響應的新型低頻、低壓減負荷方案，并從全系統(tǒng)角度優(yōu)化負荷響應方案，對最小代價應對電網大功率缺額的影響具有重要意義。

圖6 負荷協(xié)調控制流程

3 結語

通過挖掘需求側可調負荷資源包括工業(yè)、商業(yè)、居民以及新型負荷領域的用電設備，對可調負荷的調峰特性和調峰潛力進行分析，利用可調資源實現電網削峰填谷，提高電網運行效率。

提出的供需協(xié)調方案為可調負荷參與虛擬調峰提供了思路。區(qū)域電網失負荷后，后期將隨著系統(tǒng)出力增加，需要在滿足有功平衡與頻率控制下盡快實現負荷的柔性恢復，研究按照負荷恢復優(yōu)先級及有序恢復方案，將是進一步研究的方向。