需求侧负荷可调度潜力分析及供需协调策略研究

2021-02-03周博曦张国静徐家恒

山东电力技术 2021年1期

周博曦，张国静，徐家恒，宋娜

（国家电网有限公司技术学院分公司，山东济南 250002）

0 引言

近年来，随着新型电力电子技术和控制手段的发展，负荷特性发生了根本性变化。一方面，用户能够针对市场价格或激励机制改变原有电力消费模式，主动参与电网运行控制；另一方面，电动汽车、储能设备等具备与电网双向互动的能力，具备削峰填谷的功能，为电网调控提供了新的手段［1-2］。负荷参与电网互动调度方面的研究成为关注焦点［2］。文献［3］提出将高峰时段占比较高的空调通过需求响应纳入电力系统调度中；文献［4］提出对工业微网中的可控负荷实施源荷协同优化调度；文献［5］提出楼宇负荷中可调度负荷的最大本地消纳模型，实现楼宇能量管理；文献［6］提出针对热电厂的日前-实时双阶段优化调度方法，参与电力市场竞争的优化调度；文献［7］提出改变用电时间或负荷大小以适应电力运营商的需求响应策略，从而获得经济效益。

需求侧的可调负荷可作为削减高峰负荷、平衡电力供应缺口的重要手段，对电力系统运行和控制具有重要作用［8］。为便于管理，将用户侧可激励、可中断负荷资源建模成可调负荷集群，研究规模化负荷群控技术以及互动调度响应技术，实现负荷的柔性和刚柔并济控制，可为负荷精细管理和控制提供保证。对工业生产、建筑楼宇、居民生活、新兴负荷4种典型负荷资源的可调度潜力进行分析，建立频率、运行电压及运行状态3 类供需平衡调节控制的判据，提出了分层分区的负荷供需协调策略，利用可调负荷参与虚拟调峰，从而达到缓解电网备用容量不足和大容量负荷缺额的目的。

1 负荷可调度潜力分析

关于负荷特性的研究，已有多种负荷建模方法：统计综合法［9］、总体辨识法［10］、故障仿真法［11-12］等。近年来，国内用电信息采集和智能互动终端技术的快速发展为负荷特性研究提供了数据支撑［13］。经过负荷调研、数据整理和分析、负荷建模及响应能力预测，同时依托实时采集与在线监测技术，对需求侧的工业负荷、建筑楼宇、居民生活、新兴负荷4 种负荷资源开展可调度潜力研究，为实现用户侧可调负荷协调控制奠定基础。

1.1 工业负荷

工业负荷在国民经济发展用电构成中居于首位，约占总用电负荷的80%。工业负荷特性复杂，不同行业差异较大，获取可调负荷估算需要对各行业生产设备开展具有针对性的调研。以钢铁行业为例，钢铁行业电能消耗为主的设备为电弧炉、精炼炉和轧钢生产线等，其中轧钢负荷约占总负荷20%，电弧炉负荷约占总负荷55%，剩下为辅助生产设备和办公设备。轧钢机和电弧炉负荷特性曲线分别如图1（a）、图1（b）所示，其响应可调度潜力如表1 所示。其中，表1 中所描述电弧炉和轧钢负荷的供需协调方法为：高峰时段功率缺口较大情况时，在征求客户同意情况下，客户可在不影响生产情况下短时切除部分生产设备。该方法可在分钟级内得到响应，响应时长（即调峰持续时间）可达0.5～1.0 h（表1 中直控调控策略指由直流电源供电的控制、保护、信号、自动装置等控制负荷）。

图1 钢铁行业负荷特性曲线

表1 钢铁负荷的可调度潜力

1.2 建筑楼宇负荷

大型建筑、楼宇和商业主要负荷包括空调系统、照明系统以及部分动力系统等，其中空调等温控负荷数量巨大，夏季高峰时段可达负荷总量的30%～40%，甚至可达50%。温控负荷具备热存储能力，适度调温或短暂切断不会对用户热舒适度造成明显的负面影响。空调负荷需求响应产生的影响较小，通过精细控制，大型商场以及建筑楼宇的空调负荷用电在高峰时段可以削峰5%～10%，响应时长可达2 h，部分用电发达地区甚至可以达到10%～15%，具有巨大的调峰潜力。以典型的商业综合体为例，建筑楼宇负荷曲线如图2 所示，其响应可调度潜力如表2 所示。空调的调控方式包括调节设定温度和调节功率2 种方式，在功率高峰时段，通过智能控制设备对空调实现分钟级调节，响应时长可达0.5～2.0 h。

图2 建筑楼宇负荷特性曲线

表2 空调负荷的可调度潜力

1.3 居民用电负荷

居民用电负荷主要负荷包括照明类负荷、电视、洗衣机、厨房等，夏冬两季用电高峰期间负荷占比较高，居民负荷特征曲线如图3 所示。居民负荷夏季主要以空调负荷为主，冬季主要以电采暖和热水器负荷为主，此类负荷用电特性灵活、短时操作不会对用户造成较大影响，且容易受到应价格信号或激励机制引导，具有可观的调峰潜力，居民可调节负荷方式、调节速度与响应时长如表3 所示。

图3 居民负荷特性曲线

表3 居民负荷的可调度潜力

1.4 新型负荷

新型负荷包括电动汽车、储能及分布式电能。其中电动汽车涵盖了较大一部分的储能设备，因此以电动汽车为例进行新型负荷可调节性分析。大量电动汽车并网形成充放电聚合效应，集中充电效应有可能导致电能消耗“峰上加峰”。通过分时电价引导电动汽车充电行为，使电动汽车充电时间尽量选择在电价较低的电网低谷时段，其负荷曲线如图4 所示。

图4 电动汽车特性曲线

综上，工业、楼宇、居民以及部分新型负荷用电需求灵活可控，是潜在的可调度资源。据估算，通过加强技术研发、完善补贴政策和市场交易机制，未来3～5 年全网可调负荷可达到35 GW；至2030 年，可调节负荷的理论远期潜力可达90 GW。在电网的高峰用电时段，通过可调负荷参与虚拟调峰，可有效缓解电网高峰时段对电力的需求，具有极大的现实意义。

2 可调负荷供需协调方案

为缓解功率缺额引起的频率波动，传统调解方案采用负荷快切方式防止系统频率快速下降［14］。尽管传统调解方案短时间能将负荷控制到位，但由于其为单向刚性调节方式，没有考虑负荷类型与其可调节性，对用户影响较大。对此，提出一种考虑负荷可调性的区域电网供需协调控制方案，利用主动的可调负荷资源代替传统刚性被切负荷，降低切负荷代价。

2.1 供需协调控制判据

负荷参与供需平衡调节需求的控制判据包括3类，分别为频率、运行电压与运行状态。

1）频率越限判据。

当系统频率发生变化时，不同负荷表现出不同的频率调节效应。文献［9］给出了负荷的“功率-频率”特性为

式中：PLN为系统的额定有功功率；f 为系统频率；fN为额定频率；PL为频率为f 时系统的有功功率；PL*、f*分别为有功功率和系统频率的标幺值，PL*=KL为负荷的频率调节效应系数；αi（i=0，1，…，n）为研究区域各类可调负荷占PLN的比例系数；由于实际很少存在负荷的频率调节效应与频率高次方（≥4 次方）成正比的情况［9］，对式（1）进行简化，得到式（2）；式（3）中KL用于反映负荷的调节性能，KL越大对负荷的调节性能越好。因此，低频减载时，为防止频率下降过多应优先切除KL小的负荷，保留大的负荷，有利于提高系统频率恢复水平。

对此，设定频率越限门槛值fthr，用于确定电网当前频率和高峰缺功率时启动低频减载动作值；当实时监测频率ft和频率变化率满足ft

其中，K1

2）电压越限判据。

根据系统电压稳定的要求，参照SD 325—1989《电力系统电压和无功电力技术导则》，对系统的电压安全水平进行评价。当系统电压不符合安全稳定要求时，进行低压减载负荷控制。母线i 电压安全裕度指标计算公式为［14］

式中：UBi为母线i 的电压幅值；和分别为母线i的电压上、下限。

设定区域电压越限门槛值Uthr，一般以母线越限电压为准。按照“分层分区，就地平衡”原则，当UBi

3）设备运行状态越限判据。

设备运行状态判据主要指设备过载运行，过载设备主要包括线路和变压器两种。变压器或线路等设备的重要性随其在电网中所处在的位置、电压等级等因素而不同，应该因地制宜地制定切负荷措施。线路j 和变压器m 过载安全裕度指标ILj、Spm的定义［14］分别如式（5）和式（6）所示。

式中：Ilj为线路j的电流值；Ilj，lim为线路j的热稳定值；Stm为变压器m 的视在功率；Stm，lim为变压器m 的容量。设置线路过载门槛值Il，thr，用于确定电网当前状态下的过载线路；设置变压器过载门槛值SP，thr，用于确定电网当前状态的过载变压器。当线路j 满足ILj

2.2 负荷供需协调策略

不同地区或同一地区不同负荷构成差异是非常大的，对此，制定分层分区的负荷供需协调策略以提高分区的适应性是非常必要的。根据电网高峰时段功率缺额引起的频率波动，获取各区频率、电压以及设备运行状况实时监测信息，负荷的供需协调策略按全网协调层、子区控制层和局部控制层进行分层，在优先考虑系统可调负荷的情况下，完成全网、子区以及若干分区范围供需协调，其基本框架如图5 所示，控制流程如图6 所示。

图5 简化的系统级负荷协调分层分区框架

全网协调层实时监测系统频率，根据系统当前运行方式及各种已知状态量及时调整协调方案，当监测到系统频率满足动作条件时，估算出全网的功率缺额，下发子区控制层协调指令；子区控制层根据所在分区电网的电压和频率跌落指标、子区功率不平衡量，确定子区可切负荷量；局部控制层完成更小区域内的母线电压、线路电流及负荷变压器运行容量的实时测量，秉着最大程度保证生产性设备及保安设备等重要负荷用电的原则，优先调整和切除系统的可调负荷，根据负荷的重要程度分轮次实施减负荷。

利用可调负荷实现电网高峰时段的减负荷措施，一方面需要结合国家节能减排相关政策和法规，兼顾供需调节的经济效益来实施控制措施；另一方面应充分调动用户主动参与需求响应的意愿，保证客户满意度，以降低切负荷的代价。目前，随着国内外对智能用电技术的发展，智能用电设备为实现可调负荷参与系统运行控制提供了重要保障。因此，研究智能家具响应的新型低频、低压减负荷方案，并从全系统角度优化负荷响应方案，对最小代价应对电网大功率缺额的影响具有重要意义。