电力负荷需求侧响应能力评估建模研究

朱仔新 张静忠 杨龙

摘  要：在全社会用电需求持续增长的状态下，高峰负荷与峰谷差值对电网的安全运行造成了不利影响，为了保证电网安全性，研究电力负荷需求侧响应能力评估建模方法。在划分电力负荷需求侧响应阶段的基础上，设定不同负荷状态下响应能力评估指标，并采用时序分解法构建评估模型，完成电力负荷需求侧响应能力评估建模方法设计。在实时电价和分时电价机制下，评估电动汽车参与需求侧响应后，对电力负荷影响效果，实验结果表明，文章模型能够在其充放电过程中完成高峰负荷划分，多轮测试结果均与实际峰值负荷一致，具有较好的实际应用效果。

关键词：电力负荷;需求侧响应;响应能力评估模型;用电需求

中图分类号：TP391               文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）16-0142-03

Research on Modeling of Power Load Demand Side Response Capability Evaluation

ZHU Zixin， ZHANG Jingzhong， YANG long

（State Grid Ningxia Dispatching and Control center， Yinchuan  750001， China）

Abstract： With the continuous growth of power demand in the whole society， the peak load and peak valley difference have an adverse impact on the safe operation of the power grid. In order to ensure the security of the power grid， the modeling method of power load demand side response capability evaluation is studied. Based on the division of power load demand side response stage， the response capability evaluation indexes under different load states are set， and the evaluation model is constructed by time series decomposition method to complete the design of power load demand side response capability evaluation modeling method. Under the mechanism of real-time electricity price and time of use electricity price， the effect of electric vehicle participating in demand side response on power load is evaluated. The experimental results show that the model in this paper can complete the peak load division in it’s charge and discharge process， and the multi round test results are consistent with the actual peak load， which has a good practical application effect.

Keywords： power load; demand side response; response capability evaluation model; power demand

0  引  言

在多年的改革和發展中电力市场已经形成了较为成熟的经营模式，但电力市场和其他市场中的商品相比仍存在一定差距，表现在电力市场需求侧调动不够充分，并没有完全利用好需求侧资源，使得电力市场出现电力调度灵活性低与效率低等多种问题。随着电网规模的逐步扩大，主网最大用电负荷和负荷峰谷差不断增加，且高峰负荷持续时间不断增加，对电网发电、用电、外送电平衡以及输电断面控制带来极大挑战。需求侧管理作为一项长久且能够持续发展的战略工程，可以较大程度上缓解电力供应的紧张局面，以此进一步促进社会经济的快速发展，因此在各地政府推进用电终端节能技术研发和改革中，提出多个针对自身区域内电力消费特点的需求侧管理方案，以期为推进我国电力用户端的市场化进程奠定坚实的基础。受电网实时供需复杂性影响，在对电力负荷需求侧响应过程推进中，需要进行不同模式下的能力评估，确定在不同季节与不同时段内负荷分级状态。针对电动汽车而言，传统的分级模型在切削与填平峰谷时，会出现充放电总量的不平衡的问题，导致电网运行安全性下降，因此为了解决传统模型存在的问题，研究电力负荷需求侧响应能力评估建模方法，以期为不间断供电提供更加可靠的理论依据。

1  电力负荷需求侧响应能力评估建模方法

1.1  划分电力负荷需求侧响应阶段

在电力负荷不断增加的情况下，为保证电网的稳定运行，解决主网的供电压力，在不同的负荷缺口下维持电网供需平衡，需要划分不同状态下电力负荷的需求侧响应阶段。根据电网用电缺口等级划分电力预期的负荷阶段，在失衡和紧张以及特紧三种情况，根据有序用电原则，对高耗能的用电设备进行峰值避电，或者无法连续性用电生产设备进行错峰定时用电。在合理调整用电时间和负荷属性后，分析电网实际运行过程中的负荷峰谷特性并获取相关的隶属关系，假定在常态负荷运行状态下，每小时的用电负荷能够构成隶属集合，在梯度关系下某个时刻的最大值和最小值可以构成传递的闭包矩阵。对于不同性质的负荷置信水平进行需求响应阶段模糊聚类，根据负荷峰值与平值以及谷值时段完成划分，因此规定以上三个阶段的总时长不少于6小时，峰值时段需在8小时之内，其中每个平子时段不得低于2小时。在每日需求侧响应的阶段划分基础上，设定能够影响负荷响应能力的多级评估指标。

1.2  设定负荷响应能力评估指标

负荷响应能力评估指标能够衡量某个负荷点中持续不断的供电能力，包括变电站在内的整个电网系统，按照用户期望用电接受标准和需求能力度量，设置多个评估指标。以线路平均故障率和故障修复时间为基准，假设一年内因设配原件故障引起的停电次数用ηp表示，在故障发生到恢复供电的所需时间，单位以小时计量取平均值，在不关注负荷定接入用户数量情况下，对电力系统年度平均停电频率进行计算，表达式为：

（1）

式中：频率衡量指标用AJIJI表示，负荷点p的用户数量用Qp表示，在平均停电时间计算过程中，需要综合考量整个系统的运行状态下，通过分析用户一年实际供电时长和停电市场作比市场值换算得出。在最大负荷数值接入后不产生故障的负荷点位切入口，保证电网在各个时刻内能够对随机出现的波动值进行切换，在进行最高负荷切除投入时，保证有效功率平衡即可。根据供电用户的年损失电量，对比整个电网的供应能力设置多级评估指标，为评估模型构建提供保证。

1.3  基于时序分解法的评估模型构建

时序分解主要是根据电力系统负荷在不同周期内会形成不同的变化势态，按照每月和每周进行细节描述，以此搭建不同时段内负荷时序的评估模型。时序分解能够将不同日期内的负荷自动生成年度变化，通过景电最小路法描述年度中不同季节的典型负荷变化，由此进行需求侧响应能力的有效评估。由于需求侧响应的主要目标是合理分配用户用电，实现峰谷的切削工作，根据电网负荷和初始电价，在弹力矩阵弹性系数标准已知情况下，对不同用户的电力需求进行分析，此次模型设定以峰谷电价作为决策变量，目标函数表达式为：

（2）

式中：峰谷电价在时刻s中的电量变化值用yo，u（s）表示，受电价波动产生的时刻用电量用yo，u（s）表示，在可变化的电量取值范围内δ表示电量阈值。为了提升用户参与侧响应积极性，在提高用电负荷电量变化基础上，对主网响应过程中出现的峰值倒置现象进行电价关系约束，使得变化量能够满足阈值的取值范围，在0.1～0.35之间即可。若在正常运行中供电系统出现供电不足现象，则不需要切除峰值负荷，利用负荷优化评估完成峰值与峰谷的填平，从而实现需求侧响应能力在电力负荷中的模型构建。

2  实验结果分析

2.1  参数设定

为验证本次设计的评估模型具有实际应用效果，在不同电价机制下，利用本文所构建的模型评估电动汽车参与需求侧响应后，对电力负荷影响效果。根据电动汽车持续放电的特性，选取某小区内2 000家住户为测试对象，采用24 h整体计划，每隔1 h进行负荷数据监测。通过MATLAB软件平台进行仿真求解，使用国家电网实际电力标准，监测期间24 h内实时电价和分时电价，如下表1所示。

根据表中内容所示设定电动汽车用户，在出发前的电池处于满电状态，每天驾驶的耗电量为6.195 kW，电池类型为磷酸锂铁电池。为防止其过度参与需求响应对电池的不良影响，其最小剩余电量为20%，最大储存电量不超过95%，测试过程的最小行进电量为50%。以不同负荷的交叉弹性系数为例，设置电力负荷的低谷阶段为0～8 h和22～24 h，非高峰階段为9～10 h和14～17 h，剩余时间为高峰阶段。

2.2  负荷变化过程

电动汽车用户在参加需求响应过程中，分为充电和放电两种响应模式，为具体分析电动汽车在不同状态下的效益，根据电网公司的议价能力进行电动汽车出价区间的划分，在仿真软件中设置电网底价和跨度关系，确定在6.0 cents/kWh时，电动汽车和电网双方能够获取最大效益，电车用户更愿意参加需求响应。在实时电价与分时电价两种机制下，分析电动汽车充放电过程电力负荷变化曲线，如图1所示。

分析图1可知，电动汽车参与需求响应后会对电力负荷产生一定影响，在分时和实时电价的两种情况下，充电的高峰时段具有较大差距，实时电价的高峰时段较分时电力峰段高出2 330 kW，充电量呈现5倍关系。放电过程负荷变化不大，两种机制下产生的需求响应负荷基本持平。通过对不同机制下电动汽车充电与放电的评估，本文设计的模型能够对电网的高峰用电负荷进行有效评估，可以获取不同用电模式下电力负荷对需求响应的能力变化，实际应用效果较好。

2.3  评估结果分析

受实时电价对电动汽车用户，在需求响应过程中积极性更高的影响，在不考虑分时电价中电车的响应作用，设置实时电价下电动汽车的最高负荷峰值4 848 kW，上下变化浮动在20 kW之内。进一步进行用电高峰阶段负荷峰值的评估效果测试，引入两组传统模型作为对照，分别对高峰时段电车用户充电状态下进行负荷评估，具体测试结果如表2所示。

分析表2中内容可知，本文模型在多轮测试中评估结果，与实际负荷峰值基本接近，两组传统模型的评估结果分别与实际结果有少许出入。以此可以证明本文模型能够在实时电价的机制下，有效评估电动汽车用户用电需求负荷，为电网公司和用电双方提供真实有效的交易变化数据，促使用户能够积极参与到需求侧响应过程中，维系电网运行的稳定。

3  结  论

本文在划分电力负荷需求侧响应阶段的基础上，设置多个响应能力评估指标，以此确定评估模型构建的主要层级，并利用时序分解法搭建一个新的评估模型。实验结果表明：在实时电价的机制下，根据电动汽车参与需求响应的不确定因素中，本文模型能够有效评估出其充电时的实际负荷峰值，促使用户能够积极参与到需求侧响应过程中，维系电网运行的稳定。但由于时间有限，在研究过程中仍存在些许不足，并未给出不同用户在参与需求侧响应时，各阶段的成本效益评估。后续研究过程中会对单一的指标融合多个质变，进行组合评估模型设置，结合我国电力市场发展特点，提出更科学的优化思路。

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作者简介：朱仔新（1986.11—），男，汉族，辽宁朝阳人，工程师，本科，研究方向：电网需求侧响应对电网运行影响评估。