基于增量配电网需求响应的定价方法研究

秦高原，涂 亮，张志彬，周育忠

(南方电网科学研究院有限责任公司,广东 广州 510700)

0 引言

如今，分布式能源被广泛接入于增量配电网。然而，分布式发电技术的间歇性增加了增量配电网规划的可变性，阻碍了输电和配电2级网络基础设施的顺利运行。此外，不可预测的分布式能源可能会加剧增量配电网的拥堵问题[1-2]。

为了实现高效的负载管理，增量配电网运营商通常通过提供各种价格信号来激励用电用户调整他们的消费模式[3]。通过优化调整用电用户的用电策略对价格信号做出反应，以将电费降到最低，这种机制被称为需求侧响应(demand-side response，DSR)[4-6]。DSR包含了多种策略，包括使用时间定价、关键峰值定价和实时定价，在具有智能定价机制和智能设备的新兴增量配电网中，用户可以通过将自身的用电高峰转移到增量配电网非高峰时段或通过改变其总体用电模式来改变其消费模式[7]。DSR方法有助于降低配电网峰值时的用电需求，从而促进增量配电网的高效系统运行[8-9]。

配电网费用可以通过各种定价模型预先计算，其中，长期增量成本(long-run incremental cost ，LRIC)是最先进的定价模型[10-11]。LRIC定价模型的一个改进版本为增量配电网用户提供了一个特定于用户类别的LRIC定价信号，除了传统LRIC模型中基于节点位置的信号外，还引入了贡献因子(contribution factor，CF)来突出用户对网络峰值条件的贡献程度[12]。

本文将DSR与改进的LRIC定价方法相结合，以管理由分布式能源的间歇性引起的增量配电网规划的可变性问题。该方法可以改变增量配电网中用户的用电行为，以应对随着时间变化的收费情况，可以缓解增量配电网拥堵情况。

1 LRIC定价模型

LRIC定价方法利用现有网络的网络备用容量，通过研究每个节点上增加发电量或负荷对网络带来的影响，来反映未来容量投入的成本。为了得出每个节点的LRIC价格，需要2次潮流运行来评估每个节点的增量是否提前或延迟于配电网增量。LRIC模型可以提供长期的、前瞻性的经济价格信息来反映新用户对网络的使用程度。

下面给出了使用基本LRIC模型计算配电网络价格的数学公式[13]。如果供应节点k的配电网配电资产j的容量为Ckj，支持Dkj的功率流，则在给定的负荷增长率r下，从Dkj增长到Ckj所需的年数nkj可以确定为

(1)

如果在节点k注入负荷ΔDk，使沿配电网配电资产j的潮流变化增加ΔPkj，使节点在一定时间范围内增加nkjnew。配电网配电资产的长期增量成本是指在负载增加和不增加的情况下其现值Vkj的变化，定义为：

(2)

(3)

(4)

LRIC的基本定价方法不仅考虑了满足需求所需的“距离”功率，还考虑了电路利用率。该模型不需要假设未来发电或需求的规模和选址。它依赖于现有增量配电网络容纳未来发电和需求的能力，从而提供了一个前瞻性的经济价格信息，以主动影响未来发电与需求的发展与变化[14-15]。

2 改进的LRIC定价模型

本文提出的改进的LRIC定价模型流程如图1所示。该定价机制考虑了需求灵活性和用户在推动未来增量配电网络容量投入中的实际贡献值来分配增量配电网络成本。用户的实际贡献值可以使用贡献因子(CF)进行评估。通过基于具有代表性的用户的概况评估需求侧响应(DSR)对LRIC价格的影响，可以作为减轻增量配电网络负荷和延迟增量配电的工具。长远来看，此处考虑的DSR显著降低了增量配电网络的峰值需求，因此，可以延缓进行增量配电所需的时间。

图1 提出的改进LRIC定价模型流程

在计算基本LRIC方法的单位价格后，根据用户的代表性负荷分布向用户提供时变网络价格，用户根据其价格弹性对这些收费优惠做出响应。由于DSR的存在，负载情况将通过用户的一系列调节而改变。因此，在适当考虑上游配电资产贡献因子(load-to-upstream asset CF，LACF)的负荷的情况下，针对负荷曲线的修改方案再次评估单位LRIC价格。

此外，该方法通过类别到负载贡献因子(class-to-load CF，CLCF)来评估不同类别用户对峰值网络条件的贡献。根据CLCF和单位价格，计算总LRIC价格，反映用户类别对节点连接的总负荷峰值的贡献。在LACF与CLCF这2个层面上考虑CF有助于确定用户类别对增量配电网配电资产增量成本的有效贡献。

2.1 按用户类别分类的需求计算

首先从基本LRIC模型中获得单位价格。在计算了单位价格后，通过设定不同类别用户的价格弹性和时变价格报价，得到修正的需求。时变价格报价定义为

(5)

Dp为在任一节点连接的不同类别用户的峰值需求；Do为不同类别用户的参考需求；γ为提供给用户类别的信号强度，其值可以在0到100%之间变化；Po为参考价格，即基本LRIC模型的单位价格。响应价格变化的修正的需求可以表示为

(6)

ɛ为价格弹性；D为用户类别对价格变化的修正的需求曲线；P为向用户提供的新价格(时变价格)。通过式(6)即可确定不同类别用户修正后的需求。

2.2 上游配电资产的重合需求计算

传统的LRIC定价方法是基于节点的峰值分布来评估增量配电网配电资产的使用价格。由于2个负荷曲线可能具有相同的峰值，但峰值出现的时间可能不同，在这种情况下，现有的方法无法区分2个曲线对配电网费用的影响。改进的LRIC方法使用LACF来评估节点负载对上游配电资产峰值使用的贡献程度。这2个相同峰值的负荷对上游配电资产峰值使用的贡献不同因而产生不同的价格，可以恰当地反映出它们对配电网配电资产增量的贡献程度。该系数的计算式为

(7)

在LACF中，节点k的负载对每个上游共享配电资产j的重合需求Ekj为

(8)

2.3 单位LRIC价格

根据式(8)计算的重合需求作为输入的潮流数据，以评估实际配电资产使用情况。当出现满载情况时，需要进行增量配电。向连接节点k提供负载的配电网配电资产j具有功率承载能力Ckj并且支持功率流Pkj。m个用户类别的子类别i的负载增长率假定为rim。由于在节点k处连接的m个用户类别中每个子类i负载增长，引起配电网配电资产增加所需要的时间范围(以年为单位)为

(9)

未来的配电网容量投入可以根据未来投入发生的时间折算成现值。对于贴现率d，连接在节点k的m个用户类别中子类别i，配电网容量投入的未来投入现值被确定为

(10)

Aj为配电网配电资产j的等同配电资产成本。

由于连接在节点k的用户子类i引起的节点注入，相关配电网配电资产j的功率流进一步被改变为ΔPkj。因此，配电网增加配电资产新的时间范围为

(11)

这进而影响在节点k处连接的用户子类i的配电网配电资产j的未来投入的现值为

(12)

由于节点注入，在节点k处连接的用户子类i的配电资产j的现值变化为

(13)

网络配电资产j的年化单位增量成本为

(14)

AF为年金现值系数。支持节点k的该节点上所有类别用户的年化增量成本总配电资产j的总和，即

(15)

ΔDk为节点k处的总功率注入。

2.4 各节点不同用户类别的LRIC价格

在计算单位LRIC价格后，考虑到贡献因子反映了不同用户类别对连接到节点k的总负载的峰值的贡献，计算出不同用户类别对负载的贡献因子，即

(16)

由m个用户类别中的子类i支付的价格，反映了其对节点k处总负荷峰值的贡献，即

(17)

2.5 增量配电网系统评估

本文提出方法的优点在于可以通过配电网络未来增量成本的年金现值的差异ΔV，对整个系统进行评估。

(18)

(19)

3 结果与分析

3.1 系统说明

本文使用的增量配电网络如图2所示，该增量配电网络有4个电压等级，即220 kV、132 kV、33 kV和11 kV，包含了普通类、工业类、农业类和水利类。其中，有22条母线；T1～T11为该增量配电网中的11个变压器；D1～D10为该增量配电网中的10条配电线路；L1～L11为该增量配电网中的11个负荷点。普通类用户包括家庭、非家庭、公共街道照明和混合负荷用户；农业类包括固定费率农业和农业苗圃等；而工业类包括了小型工业、中型工业和高压工业；水利类包括所有类型的供水工程。在负载L4处连接一台功率因数为0.95的2 MVA分布式电源(DG)。为了反映负载的多样性，本文假设每个用户类别都被划分为子类用户。普通类由3个子类组成，容量分别为1 kW、2 kW和5 kW；工业类由2个子类组成，分别为17 kW和50 kW；农业类和水利类包括2个子类，容量分别为7 kW和25 kW，5 kW和15 kW。

图2 22母线增量配电网络

3.2 改进LRIC定价方法的应用

本节说明了考虑DSR和用户类别贡献对增量配电网峰值使用率影响的LRIC定价的推导过程。

在计算基本LRIC模型的单位价格后，每个地点的峰值和非峰值收费价格由式(1)确定。通过确定收费报价和长期价格弹性，根据式(6)为每个类别的用户确定修正后的需求。随后即得到每种类别用户的修正负载分布和连接在所有节点的总负荷。这些修正的负载分布是为了最大限度地减少不同类别用户的峰值，从而有助于最大限度地减少增量配电网的拥堵情况。具体结果如表1～表3所示。

表1 不同位置处上游配电资产负荷的贡献因子

表2 不同用户类别的贡献因子

位于所有节点的不同类别用户的总费用如表3所示。不同类别的用户根据其对节点峰值条件的贡献对网络使用情况进行收费。高峰和非高峰配电网络价格可以激励用户修改其负载状态，并有助于缓解增量配电网拥堵情况。

表3 所有节点不同类别用户的总费用 元·MVA-1·a-1

根据修正的各个节点的总负载分布，计算每个上游配电资产在所有所节点的重合需求。每个上游配电资产在不同节点位置处的负荷的贡献因子如表1所示。由表1可以看出，负荷L6在配电资产T1的使用中占主导地位，对配电资产T1处于峰值负荷条件的贡献程度最大。同时，L7和L9对D5处于峰值负荷条件产生的贡献程度最小，L6是D5处于峰值负荷条件产生的主导负荷。类似地，其他负载的贡献程度可以视为它们对提供电力的配电资产的使用程度。利用重合需求作为输入系统数据，进行交流潮流计算，以计算单位LRIC费用所需的潮流。

考虑DSR和CF计算的单位LRIC费用如图3所示。这些费用考虑了用户对网络配电资产使用的同时需求，因此可以反映距离、利用率以及不同节点用户的峰值使用率。节点4以发电为主，因为该节点连接的负荷低于发电量。在这种情况下，当节点4的负荷最小而发电量最大时，配电资产T5会出现拥堵。本文提出的方法向需求端提供定价信号，以修改负载情况并尽量减少配电资产T5的潮流拥堵情况。节点4的负LRIC价格反映了由于DG的反向注入而减少线路潮流对网络的好处。

图3 所有结点的单位LRIC价格

在考虑到DSR的情况下计算单位价格后，根据式(16)计算出节点上各种类别用户的CLCF，如表2所示。CLCF决定了连接到任意节点的不同类别的用户对总负荷的贡献程度。从表2可以看出，普通类的子类对L1峰值负荷的贡献程度最小，而工业类的子类对L1峰值负荷的贡献程度最大。此外，水利类的子类对L11处于峰值负荷条件的贡献最大，而普通类的子类对L11处于峰值负荷条件的贡献最小。类似地，可以观察到在节点处连接的总负载中各种用户子类的贡献。

用户在所有节点上支付的总费用(有无CF情况)如图4所示。DG与配电网的结合对总费用的影响与对单位费用的影响相同。可以看出，考虑重合需求和DSR的节点用户所支付的LRIC总费用低于不考虑重合需求和DSR的情况。基本的LRIC模型计算的价格不能反映实际的网络使用情况，因此，不能根据用户的负载情况给用户一个定价信号。

图4 贡献因子对总LRIC价格的影响

考虑CF和DSR的定价方法通过降低配电网络费用来激励用户，以减少他们在增量配电网处于高峰期间的使用。因此，用户通过本文提出的定价方法改善其需求状况，修正后的曲线旨在减少增量配电网高峰期的延迟，增加配电资产。

3.3 增量配电网投入延期

提出的定价方法对推迟配电网络投入的好处如图5所示，它展示了未来增加配电资产后的年金现值。从图5可以看出，增加未来增量配电网组成部分T1与T8的配电资产的年金现值很高。在采用建议的定价后，对于这些分支的投入明显下降。对于其他分支来说，由于用户对网络峰值的贡献较小，因此采用建议的方法后，年金现值也会减少。另外，考虑到DSR，鼓励用户修正他们的配电网使用情况，以尽量减少网络峰值。这进一步推迟了配电资产的增加，从而可以推迟增量配电网的容量投入。

图5 年金现值对比

4 结束语

目前的LRIC定价机制可以前瞻性地计算价格信息，这种定价机制基于多样性因素来计算网络上各个节点的最大需求，然而，这可能与实际增量配电网络处于峰值的情况不一致，不能反映用户在增量配电网络处于峰值的情况。随着可再生能源发电的大规模集成，可能会导致无响应负载的增加，在可再生能源发电量大的时候导致增量配电网产生拥堵的情况。

本文对现有的LRIC定价方法进行了改进，提出了基于时间差分网络利用率的定价信号，通过考虑用户类别使用率对增量配电网峰值的贡献程度，来反映增量配电网中不同类别用户对增量配电网峰值使用率的贡献程度。考虑到需求侧的灵活性，向不同地点的用户提供分时电价，并根据修正后的情况和考虑CF的情况对配电网络电价进行了评估，以反映真实的使用情况。本文所提出的定价方法可以引发增量配电网中用户的行为变化，以响应时变的收费，最终缓解网络拥堵和延迟投入问题。