基于可調節負荷參與電網需求響應的潛力挖掘研究

陳雪敏，周麗霞，丁恒春，張立鵬

（國網冀北電力有限公司計量中心，北京 100045）

電網需求響應也叫電力需求響應，是一種短期的電量表現行為，指的是當電力系統受到威脅或電力批發價格上升后，下級用戶所接收到負荷信號會以直接補償的形式，通知上級應用主機，不僅能夠改變電網設備的慣有用電模式，也可減少單位時間內的用電負荷供應量，從而長久維持電網環境的應用穩定性[1-2]。一般來說，滿足電網需求響應標準的電量資源都屬于居民負荷的范疇，與大規模電量調度行為不同，這種響應模式能夠同時適應電網環境的暫時性與永久性改變，并可在集中所有待測負荷量的同時，實現對傳輸電阻的準確評估與預測。

冀北地區電量調峰是國家電網建設的重要實踐項目，肩負著調試全國電量平衡的應用任務。為充分激發電網體系的應用潛力，當前互動調峰策略根據多時間尺度原則，確定調節負荷節點處的目標優化量條件，再通過良性調節原則，判斷調峰策略的實際應用價值。然而此方法并不能將電量輸出數值控制在既定指標條件之下，很難實現對冀北地區電量調峰工作壓力的有效緩解。為避免上述情況的發生，提出基于可調節負荷參與的電網需求響應潛力挖掘模型，在負荷分散度條件的支持下，獲取最大電量負荷目標，再根據響應約束原則，完善電網環境中的特性電子量挖掘標準。

1 基于可調節負荷參與的電網特性分析

可調節負荷參與下的電網特性原則由電網負荷峰值、負荷分散度、分散負荷聚合三部分共同組成，具體分析方法如下。

1.1 電網負荷峰值

電網負荷峰值是指在滿足電網需求響應的情況下，高壓電機所能承受的最大電子輸出量，由于可調節負荷的參與強度不同，電網負荷峰值的計算結果也會有所不同。在冀北地區的電網調峰工程中，風電、光伏作為兩種主要的電量輸出形式，均具有較強的隨機性與波動性[3-4]。隨著新能源體系大規模接入原有電網環境，一部分電量空間被反饋電子占據，不僅對電網環境的峰值運行狀態造成影響，也使得電網外送容量難以被高壓電機直接消耗。而在已知電網負荷峰值條件的情況下，輸出電量的隨機性與波動性行為得到有效抑制，不但可以增強調節負荷量的傳輸強度水平，也能夠促進高壓電網在短時間內呈現相對穩定的表現狀態[5]。設wmin代表最小的電量負荷強度，wmax代表最大的電量負荷強度，在高壓輸出電量均值為的情況下，可將電網負荷峰值表達式定義為：

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度，λ代表電量負荷信號的響應系數值。

1.2 負荷分散度

電網需求響應潛力的負荷分散度計算，首先應以傳輸電量調峰需求和運行特性兩個角度作為切入點，研究可調節負荷算法對高壓電網環境造成的影響，從而指出這種特性算法在促進電網需求響應能力方面的應用價值[6-7]。其次，應通過不同情況下的高壓主機出力曲線，確定傳輸電壓、傳輸電流等外界條件在維護電網需求響應潛力方面的應用價值。最后，分析當電力負荷大量接入高壓電網后，主網環境中需求響應潛力的具體變化情況。設D代表高壓電網環境中的電量潛力系數，β代表既定的電壓差降數值，聯立式（1），可將電網需求響應的負荷分散度條件表示為：

式中，ID代表電量潛力系數為D時的傳輸電流數值，μD代表電量負荷特征值，σD代表高壓信號的傳輸特征值。

1.3 分散負荷聚合

分散負荷聚合是電量負荷分散的反向運算過程，可在已知分散度條件的情況下，針對高壓電網邊緣的傳輸電阻進行集中處理，再根據相鄰響應節點之間的物理距離數值，確定可調節負荷算法是否具備適應電網環境的應用潛力[8]。若將電網環境看成一個完全獨立存在的個體，則可認為隨著高壓電子輸入量的增大，相鄰響應節點之間的傳輸能力可被充分調度，且由于可調節負荷作用的存在，任何一個電子量都不會出現錯傳或誤傳的情況，這也是電網主機可對單位時間內電量輸出數值進行有效控制的主要原因[9]。設η0代表初始情況下的高壓電網響應強度，ηn代表終止情況下的高壓電網響應強度，n代表單位時間內的電網響應次數值，聯立式（2），可將分散負荷聚合表達式定義為：

其中，t代表電網響應行為的單位作用時長，a1代表第一個響應的電信號系數值，an代表第n個響應的電信號系數值。

2 電網需求響應的潛力挖掘模型

在可調節負荷參與的情況下，按照最大電量負荷目標獲取、響應約束條件構建、特性挖掘標準完善的處理流程，完成電網需求響應潛力挖掘模型的設計與應用。

2.1 最大電量負荷目標獲取

當高壓電網出現下調峰狀態時，其應用潛力會在短時間內達到極值響應狀態，此時電網主機的瞬時電子消耗量也就是高壓電網的最大電量負荷目標數值。為減小可調節負荷作用對高壓電網需求響應潛力造成的影響，應在已知分散負荷聚合條件的基礎上，對最大電量負荷目標值進行準確計算，一方面確定高壓電子在單位時間內的傳輸與運行能力，另一方面也可實現對電子感應能力的準確預判[10-11]。設c代表可調節負荷參與條件下的高壓電網調峰系數，代表瞬時情況下的電子信號消耗量指標，一般情況下，在單位電量負荷時間ΔT內，調峰系數c的取值結果越大，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，聯立式（3），可將最大電量負荷目標計算結果表示為：

式中，φ代表既定的電網負荷量預判條件，代表單位電量負荷時間ΔT內的可調節電量均值。

2.2 響應約束條件構建

響應約束條件是一個預設的電網需求潛力挖掘與判別范圍，由上限指標參量、下限指標參量兩部分共同組成。上限指標參量也叫響應約束條件的最大數值標準，能夠限定電網負荷量的最大波動范圍，在不考慮其他干擾條件的情況下，上限指標參量的物理數值水平越高，電網負荷量所能達到的波動數值量也就大[12-13]。下限指標參量也叫響應約束條件的最小數值標準，能夠限定電網負荷量的最小波動范圍，在已知上限指標參量數值的情況下，下限參量值所能達到的數值水平越低，電網需求潛力響應約束條件的覆蓋范圍也就越廣[14]。設代表電網需求潛力挖掘的下限指標參量、代表電網需求潛力挖掘的上限指標參量，聯立式（4），可將可調節負荷參與下的電網響應約束條件表示為：

其中，代表高壓電網環境中的特征響應參量，f需求量權重值，φ代表單位時間內的電量挖掘特征代表高壓電量的輸出均值，μ代表電負荷量的波動行為系數。

2.3 特性挖掘標準完善

特性挖掘標準可為電網需求響應潛力提供較好的負荷量調節參考條件，在已知響應約束數值的情況下，特性挖掘標準所涉及的電網需求響應指標數值量越大，高壓主機所具備的電負荷調節能力也就越強[15-16]。在不考慮其他干擾條件的情況下，電網需求響應的特性挖掘標準同時受到潛力挖掘深度、電信號調節參量兩項物理指標的直接影響。潛力挖掘深度可表示為，在高壓電網環境中，該項物理指標的數值水平越高，特性挖掘標準所能表達出的電信號潛力特征值也就越少。電信號調節參量可表示為ζ，由于電網穩定性響應作用的存在，可認為該項物理指標的數值結果越大，最終所得的特性挖掘標準條件越完善。在上述物理量的支持下，聯立式（5），可將特性挖掘標準條件表示為：

式中，mmin代表最小的電網響應系數判別條件，mmax代表最大的電網響應系數判別條件，b1代表第一個電量潛力指標挖掘系數，bn代表第n個電量潛力指標挖掘系數。至此，完成各項系數指標參量的計算與處理，在可調節負荷參與的條件下，實現電網需求響應潛力挖掘模型的設計與應用。

3 實例分析

為驗證基于可調節負荷參與電網需求響應潛力挖掘模型的實際應用價值，設計如下對比實驗。利用圖1 所示接線裝置，分別將實驗用、對照組電網控制器與冀北地區的高壓電網主機相連，其中，實驗組控制器搭載基于可調節負荷參與電網需求響應潛力挖掘模型，對照組控制器搭載互動調峰策略。

圖1 高壓電網接線裝置

單位時間內的電信號輸出量能夠反映高壓主機對于電網控制器負荷調節行為的平均作用強度，受到電壓振蕩效應的影響，單位時間內的電信號輸出量值越小，高壓主機對于電網控制器負荷調節行為的作用強度水平越高。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，實驗組電信號輸出量始終保持相對穩定的數值存在狀態，全局最大值與最小值之間的差值結果僅達到4 kV/min。對照組電信號輸出量在前兩個單位時長內，始終保持連續上升的數值變化狀態，而從第三個單位時長開始，則呈現出相對穩定的波動性變化態勢，整個實驗過程中的平均數值水平相對較高，兩端極值之間的差值水平也遠高于實驗組。

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，在整個實驗過程中，實驗組數值依然呈現相對穩定的波動變化狀態，而對照組數值則保持連續上升的變化態勢，從平均值角度來看，實驗組數值水平也明顯更低。

綜合上述實驗研究結果可知，基于可調節負荷參與電網需求響應潛力挖掘模型的應用，直流、交流情況下的電信號輸出量水平均得到了有效控制，保障了高壓主機對于電網控制器負荷的穩定調節能力，激發了電網體系的應用潛力，緩解了冀北地區電量調峰工作所面臨的壓力。

4 結束語

與當前互動調峰策略相比，新型電網需求響應的潛力挖掘模型在保證可調節負荷參與作用的前提下，針對電網負荷峰值進行準確計算，在獲取最大電量負荷目標的同時，完善現有的特性挖掘標準條件。從實用性角度來看，直流情況下、交流情況下的電信號輸出量水平均出現了一定程度的下降，激發了電網體系的應用潛力，能夠適應冀北地區的電量調峰工作需求。