基于可中断负荷的经济调度方法

祁鑫，刘一峰，张德亮

（1.国网宁夏电力公司电力调度控制中心，宁夏银川750001；2.北京清大科越股份有限公司，北京100084）

基于可中断负荷的经济调度方法

祁鑫1，刘一峰1，张德亮2

（1.国网宁夏电力公司电力调度控制中心，宁夏银川750001；2.北京清大科越股份有限公司，北京100084）

针对电力系统时常发生输电断面阻塞的问题，深入分析了多个地区的可中断负荷合同，从控制时段、控制负荷等方面提炼了可中断负荷的控制要求，以此为基础，考虑可中断负荷响应后最优购电策略，提出了基于可中断负荷的经济调度方法。仿真结果表明：该方法有效地提高了电力系统的可靠性，降低了用户的用电成本。

电力市场；可中断负荷；经济调度；需求侧响应

近年来，随着用电量的逐步增大以及电源和负荷的分布不均等问题，输电断面阻塞情况时常发生，电网的安全稳定问题越来越突出。在电力市场环境下，如何行之有效地进行输电断面阻塞经济调度的管理，保障电网的安全运行成为广大学者广泛关注的问题。

1 研究现状及需要解决的问题

当输电断面发生阻塞时，仅通过调节发电机的出力来消除输电阻塞不是经济的调节方式。可中断负荷是电力市场中需求侧响应的一种常见形式，其内涵是电力公司和用户签订合约，当出现断面阻塞或供电紧张等特殊状况时，电力公司可按照合约对签署了可中断负荷的用户进行负荷控制［1-2］。究其本质，可中断负荷是一种特殊形式的负荷侧备用，与当前我国所采用的负荷侧备用管理模式相比，电力公司须和用户签署合约，按照规定的条件实施管理，用户能从中获得收益，符合市场化改革的需求，在国外电力市场中得到了广泛的应用。

文献［3］研究了电力市场和市场过渡阶段的可中断负荷管理模型，重点分析了可中断负荷的成本和效益。文献［4］提出了可中断负荷参与备用市场的帕累托改进模型，该模型下通过合理核定发电侧与负荷侧备用预留的成本，给出了全社会备用预留成本最低的情况下可中断负荷参与备用市场定价策略。文献［5］提出了分布式电源大规模接入后市场信息不完全情况下的可中断负荷选择模式，从而为调度运行中选择最优的可中断负荷提供依据。文献［6-7］研究了风电等清洁能源与可中断负荷互动的实施模型。文献［8］提出了考虑可中断负荷响应的备用配置方法。由于可中断负荷的执行基础是电力公司与用户所签署的合同，因此当将其纳入调度运行中时，必须首先分析其合同特征。然而目前的研究尚没有通过对当前可中断负荷的合同深入分析，提供其控制要点的相关研究成果。

在国内电力系统中，对于输电断面阻塞问题，传统管制办法是：电网调度员通过强制无补偿地中断某些用户的供电来保证电力系统的安全运行［9］，给被中断的电力用户带来了经济损失。而对于电网方面，仅仅依靠发电侧为电网提供备用容量，缺乏市场竞争机制，增加了系统用电成本，不但不经济，而且电网安全运行也存在隐患。在电力市场中，将电力用户纳入到电网的调度管理中，为其提供一种可选择、可补偿的用电方法势在必行，而目前我国的可中断负荷方案及补偿办法均处于试点，由于地域差异未形成统一。

本文通过分析可中断负荷的典型合同，以可中断负荷对电力系统运行的可靠性及电力用户的经济效益为主要研究目标，构建考虑可中断负荷的经济调度模型，以期实现线路潮流的优化，减少线路阻塞，解决系统备用容量不足、用户负荷受限问题。

2 可中断负荷经济调度的建模及算例分析

由于目前中国电力市场仍处于不断深化改革阶段，国家电网公司通常很难获得真实合理的用户信息，从而会影响优化调度结果的有效性［10］。而美国电力市场在世界范围内开放程度较高，同时不同地区间市场规则差异较大。在可中断负荷方面美国走在世界前列，本文以美国主要电力市场可中断负荷合同为对象［11-12］，基于其对比分析进行建模，结合国内电力系统调度运行控制的需求，将其归纳为形式统一的运行控制约束。

2.1 可中断负荷合同的对比分析及建模

通过对文献［13］所介绍的可中断负荷合同进行分析，可以发现不同地区可中断负荷合同规定内容存在差异，其对比分析如表1所示。整体而言不同地区可中断负荷合同在控制实施前提均是一致的，即只有当发电侧备用不足或发生阻塞时才能启动可中断负荷，一般而言为保证对用户的用电影响尽量小，全天中中断次数不能超过1次。而在持续时间、控制时段范围、控制负荷量和补偿方式等方面，上述各州均做出了不同规定。

表1 可中断负荷对比分析

从调度运行控制角度来说，可中断负荷的运行特性可描述如下：

NT—全天划分的时段数。

该模型约束项建立后，实际上可涵盖上述介绍的3个州的可中断负荷，模型中固定输入参数与合同的对应关系如表2所示。当控制负荷量无要求时，可视其控制量可以为其预测值。

表2 输入参数对应关系

2.2 优化目标

根据阻塞管理最小化全网购电费的目标函数来分析可中断负荷合同模型，使电力用户创造的社会净价值最多［14］，这种模式即是电力市场下阻塞管理的最优模式，因此可中断负荷的经济调度问题优化目标为系统购电费用最低［15］。该目标可表示为：

NG—全网发电厂数量，为全网发电厂的购电费用。—调用可中断负荷所引起的费用变化量，需要针对不同的合同形式，同时考虑由于调用可中断负荷所引起的售电收益降低和调用可中断负荷后所需要支付的成本开支。可以有不同的形式表达，根据可中断负荷的补偿合约［16］，可表示为

2.3 约束条件

在约束项上，主要包括2个方面的约束。第一个方面为电力系统运行约束，第二个方面为可中断负荷运行特性约束。

2.3.1 电力系统运行约束

电力系统运行约束特指系统运行中所必须考虑的基本约束项［17］，包括网内节点功率平衡约束，线路允许潮流约束，常规机组的出力范围约束、爬坡约束等［18-19］。

系统运行约束可表示为

eT—单位向量；

T—节点转移分布因子组成的矩阵；

上述约束式中4个约束项分别对应节点功率平衡约束，线路潮流约束，常规机组的出力范围约束、爬坡约束。

2.3.2 可中断负荷运行特性约束

可中断负荷运行特性约束则由其合同规定，江苏省开展的《可中断负荷方案》应用于高耗能钢铁企业，河北省施行的《可中断负荷补偿办法》应用于20 MW以上的企业［20］，因各地区方法均有差异，结合本文分析的几个典型合同，通用的建模约束可表示为如式（1）所示的形式。

2.4 求解算法

上述模型中由于考虑了可中断负荷的运行特性约束项，使得整个模型实际上包含了0-1混合整数变量和二次约束项。因此上述模型为含混合整数的二次规划问题。

2.5 算例分析

本文将基于IEEE-30节点系统构造算例，验证所提出方法的有效性。IEEE-30节点系统的结构如图1所示。

图1 IEEE-30节点系统

在该模型的节点25处增加一可中断负荷，该可中断负荷的合同规定如下：

（1）控制实施前提。当系统发电侧备用不足或发生阻塞时，电力公司提前2 h告知用户。

（2）中断持续时间及次数。电力公司一天中最多调用可中断负荷1次，且持续时间不能超过5 h。

（3）控制负荷量。该可中断负荷可进行全负荷响应。

（4）补偿条件。参与可中断负荷项目的用户能够获得较低的电价。

该算例中其他相关参数包括机组、节点负荷、线路传输容量参见文献［21］。

为了验证本文所提出方法的有效性，构造如下3个场景。

（1）系统全接线运行。

该场景下，经优化分析，全天不需要进行负荷响应。

（2）设置线路27-28检修。

该场景下节点25、26、27、29、30的负荷均由线路24-25供电。在高峰时段，该区域负荷需求超过了该线路的供电能力。

这种情况下可中断负荷响应，切除了35 MW的负荷，保证了电网运行在其安全范围内，线路24-25的潮流不超过其额定容量。

（3）将所有机组的可调容量减少为原容量的70%。

此种情况下，系统将出现高峰时段备用不足的问题，为此，可中断负荷可作为系统的负荷侧备用，降低了负荷侧备用的需求量。

3 效果评价

（1）可中断负荷的调度方法相当于增加了系统的备用容量，根据系统功率出现缺额时，电网公司既可以在发电侧购买机组备用容量，也可以在需求侧购买可中断负荷，均可以作为系统的备用容量。减少备用机组的启停和运行费用，增加了电力公司的经济效益，同时减少了线路阻塞，提高了电网运行可靠性。

（2）可中断负荷的调节手段有效地降低了发电机组的市场竞争力，减少了系统购电费用；用户错避峰用电也降低了平均电价，从而使用户的用电成本得到了降低；使参与中断负荷的用户得到合理的补偿，降低电力不足造成的经济损失。电网有效缓解用电高峰期系统的压力，减少了国网公司阻塞管理的成本，增加了用户侧的需求弹性和经济效益。

（3）通过IEEE-30节点系统构造算例，验证了方法的有效性。一是给系统增加备用容量，提高电力系统的可靠性及供电充裕性，为调度潮流控制提供了一种新方法；二是降低了电力市场中的价格尖峰，降低了平均电价、减少了价格波动，增强电力市场的经济效益，使电力用户创造的社会净价值显著攀升。

4 结论

（1）本文提出的考虑可中断负荷的经济调度方法，将电力需求侧管理的应用拓展到了电网调度领域，为电力市场条件下的需求侧管理提供了一种新思路。系统备用容量与可中断负荷管理相结合，可以有效节约电力资源并实现社会资源的优化配置；可以引导用户科学、合理用电，提升用户的用电水平，可以有效缓解输电断面阻塞的压力，保证电网安全稳定运行，体现电力市场环境下电力体制的进步。

（2）本文是从市场的基本情况及电力系统软件中进行模拟分析，模型设计相对简单。而针对目前中国实际的电力系统，需结合地方实际情况进行建模、仿真，根据用户侧的需求和省电力公司的电网运行可靠性制定合同，逐步推进中国电力需求侧市场的开放。

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Economic dispatch method based on interruptible load

QI Xin1,LIU Yifeng1，ZHANG Deliang2
(1.Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750001,China;2.Beijing QU Creative Technology Co.,Ltd.,Beijing 100084,China)

For the transmission section blocking often occur in power system,deeply analyzes the interruptible load contracts in many areas,proposes a series of control requirements from the aspects of controlling time,controlling load and so on.Based on the above,considering the optimum electricity purchasing strategy after the interruptible load response,puts forward the economic dispatching method based on the interruptible load.The simulation results show that the interruptible load improves the reliability of the power system and reduces the customers,electricity consumption cost.

power market;interruptible load;economic dispatch;demand side response

TM731

A

1672-3643（2017）04-0006-05

有效访问地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.002

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.002

2017-05-08

祁鑫（1985），男，工程师，从事电网调度运行及计划工作。