基于可调节负荷参与电网需求响应的潜力挖掘研究

陈雪敏，周丽霞，丁恒春，张立鹏

（国网冀北电力有限公司计量中心，北京 100045）

电网需求响应也叫电力需求响应，是一种短期的电量表现行为，指的是当电力系统受到威胁或电力批发价格上升后，下级用户所接收到负荷信号会以直接补偿的形式，通知上级应用主机，不仅能够改变电网设备的惯有用电模式，也可减少单位时间内的用电负荷供应量，从而长久维持电网环境的应用稳定性[1-2]。一般来说，满足电网需求响应标准的电量资源都属于居民负荷的范畴，与大规模电量调度行为不同，这种响应模式能够同时适应电网环境的暂时性与永久性改变，并可在集中所有待测负荷量的同时，实现对传输电阻的准确评估与预测。

冀北地区电量调峰是国家电网建设的重要实践项目，肩负着调试全国电量平衡的应用任务。为充分激发电网体系的应用潜力，当前互动调峰策略根据多时间尺度原则，确定调节负荷节点处的目标优化量条件，再通过良性调节原则，判断调峰策略的实际应用价值。然而此方法并不能将电量输出数值控制在既定指标条件之下，很难实现对冀北地区电量调峰工作压力的有效缓解。为避免上述情况的发生，提出基于可调节负荷参与的电网需求响应潜力挖掘模型，在负荷分散度条件的支持下，获取最大电量负荷目标，再根据响应约束原则，完善电网环境中的特性电子量挖掘标准。

1 基于可调节负荷参与的电网特性分析

可调节负荷参与下的电网特性原则由电网负荷峰值、负荷分散度、分散负荷聚合三部分共同组成，具体分析方法如下。

1.1 电网负荷峰值

电网负荷峰值是指在满足电网需求响应的情况下，高压电机所能承受的最大电子输出量，由于可调节负荷的参与强度不同，电网负荷峰值的计算结果也会有所不同。在冀北地区的电网调峰工程中，风电、光伏作为两种主要的电量输出形式，均具有较强的随机性与波动性[3-4]。随着新能源体系大规模接入原有电网环境，一部分电量空间被反馈电子占据，不仅对电网环境的峰值运行状态造成影响，也使得电网外送容量难以被高压电机直接消耗。而在已知电网负荷峰值条件的情况下，输出电量的随机性与波动性行为得到有效抑制，不但可以增强调节负荷量的传输强度水平，也能够促进高压电网在短时间内呈现相对稳定的表现状态[5]。设wmin代表最小的电量负荷强度，wmax代表最大的电量负荷强度，在高压输出电量均值为的情况下，可将电网负荷峰值表达式定义为：

式中，Qwmin、Qwmax分别代表最小值与最大值条件下的高压电量信号强度，λ代表电量负荷信号的响应系数值。

1.2 负荷分散度

电网需求响应潜力的负荷分散度计算，首先应以传输电量调峰需求和运行特性两个角度作为切入点，研究可调节负荷算法对高压电网环境造成的影响，从而指出这种特性算法在促进电网需求响应能力方面的应用价值[6-7]。其次，应通过不同情况下的高压主机出力曲线，确定传输电压、传输电流等外界条件在维护电网需求响应潜力方面的应用价值。最后，分析当电力负荷大量接入高压电网后，主网环境中需求响应潜力的具体变化情况。设D代表高压电网环境中的电量潜力系数，β代表既定的电压差降数值，联立式（1），可将电网需求响应的负荷分散度条件表示为：

式中，ID代表电量潜力系数为D时的传输电流数值，μD代表电量负荷特征值，σD代表高压信号的传输特征值。

1.3 分散负荷聚合

分散负荷聚合是电量负荷分散的反向运算过程，可在已知分散度条件的情况下，针对高压电网边缘的传输电阻进行集中处理，再根据相邻响应节点之间的物理距离数值，确定可调节负荷算法是否具备适应电网环境的应用潜力[8]。若将电网环境看成一个完全独立存在的个体，则可认为随着高压电子输入量的增大，相邻响应节点之间的传输能力可被充分调度，且由于可调节负荷作用的存在，任何一个电子量都不会出现错传或误传的情况，这也是电网主机可对单位时间内电量输出数值进行有效控制的主要原因[9]。设η0代表初始情况下的高压电网响应强度，ηn代表终止情况下的高压电网响应强度，n代表单位时间内的电网响应次数值，联立式（2），可将分散负荷聚合表达式定义为：

其中，t代表电网响应行为的单位作用时长，a1代表第一个响应的电信号系数值，an代表第n个响应的电信号系数值。

2 电网需求响应的潜力挖掘模型

在可调节负荷参与的情况下，按照最大电量负荷目标获取、响应约束条件构建、特性挖掘标准完善的处理流程，完成电网需求响应潜力挖掘模型的设计与应用。

2.1 最大电量负荷目标获取

当高压电网出现下调峰状态时，其应用潜力会在短时间内达到极值响应状态，此时电网主机的瞬时电子消耗量也就是高压电网的最大电量负荷目标数值。为减小可调节负荷作用对高压电网需求响应潜力造成的影响，应在已知分散负荷聚合条件的基础上，对最大电量负荷目标值进行准确计算，一方面确定高压电子在单位时间内的传输与运行能力，另一方面也可实现对电子感应能力的准确预判[10-11]。设c代表可调节负荷参与条件下的高压电网调峰系数，代表瞬时情况下的电子信号消耗量指标，一般情况下，在单位电量负荷时间ΔT内，调峰系数c的取值结果越大，瞬时情况下的电子信号消耗量也就越多。在上述物理量的支持下，联立式（3），可将最大电量负荷目标计算结果表示为：

式中，φ代表既定的电网负荷量预判条件，代表单位电量负荷时间ΔT内的可调节电量均值。

2.2 响应约束条件构建

响应约束条件是一个预设的电网需求潜力挖掘与判别范围，由上限指标参量、下限指标参量两部分共同组成。上限指标参量也叫响应约束条件的最大数值标准，能够限定电网负荷量的最大波动范围，在不考虑其他干扰条件的情况下，上限指标参量的物理数值水平越高，电网负荷量所能达到的波动数值量也就大[12-13]。下限指标参量也叫响应约束条件的最小数值标准，能够限定电网负荷量的最小波动范围，在已知上限指标参量数值的情况下，下限参量值所能达到的数值水平越低，电网需求潜力响应约束条件的覆盖范围也就越广[14]。设代表电网需求潜力挖掘的下限指标参量、代表电网需求潜力挖掘的上限指标参量，联立式（4），可将可调节负荷参与下的电网响应约束条件表示为：

其中，代表高压电网环境中的特征响应参量，f需求量权重值，φ代表单位时间内的电量挖掘特征代表高压电量的输出均值，μ代表电负荷量的波动行为系数。

2.3 特性挖掘标准完善

特性挖掘标准可为电网需求响应潜力提供较好的负荷量调节参考条件，在已知响应约束数值的情况下，特性挖掘标准所涉及的电网需求响应指标数值量越大，高压主机所具备的电负荷调节能力也就越强[15-16]。在不考虑其他干扰条件的情况下，电网需求响应的特性挖掘标准同时受到潜力挖掘深度、电信号调节参量两项物理指标的直接影响。潜力挖掘深度可表示为，在高压电网环境中，该项物理指标的数值水平越高，特性挖掘标准所能表达出的电信号潜力特征值也就越少。电信号调节参量可表示为ζ，由于电网稳定性响应作用的存在，可认为该项物理指标的数值结果越大，最终所得的特性挖掘标准条件越完善。在上述物理量的支持下，联立式（5），可将特性挖掘标准条件表示为：

式中，mmin代表最小的电网响应系数判别条件，mmax代表最大的电网响应系数判别条件，b1代表第一个电量潜力指标挖掘系数，bn代表第n个电量潜力指标挖掘系数。至此，完成各项系数指标参量的计算与处理，在可调节负荷参与的条件下，实现电网需求响应潜力挖掘模型的设计与应用。

3 实例分析

为验证基于可调节负荷参与电网需求响应潜力挖掘模型的实际应用价值，设计如下对比实验。利用图1 所示接线装置，分别将实验用、对照组电网控制器与冀北地区的高压电网主机相连，其中，实验组控制器搭载基于可调节负荷参与电网需求响应潜力挖掘模型，对照组控制器搭载互动调峰策略。

图1 高压电网接线装置

单位时间内的电信号输出量能够反映高压主机对于电网控制器负荷调节行为的平均作用强度，受到电压振荡效应的影响，单位时间内的电信号输出量值越小，高压主机对于电网控制器负荷调节行为的作用强度水平越高。直流与交流情况下的电信号输出量分别如表1 和表2 所示。

表1 直流情况下的电信号输出量

表2 交流情况下的电信号输出量

分析表1 可知，在直流传输情况下，实验组电信号输出量始终保持相对稳定的数值存在状态，全局最大值与最小值之间的差值结果仅达到4 kV/min。对照组电信号输出量在前两个单位时长内，始终保持连续上升的数值变化状态，而从第三个单位时长开始，则呈现出相对稳定的波动性变化态势，整个实验过程中的平均数值水平相对较高，两端极值之间的差值水平也远高于实验组。

分析表2 可知，与直流传输情况相比，交流情况下的电信号输出量水平明显更高，在整个实验过程中，实验组数值依然呈现相对稳定的波动变化状态，而对照组数值则保持连续上升的变化态势，从平均值角度来看，实验组数值水平也明显更低。

综合上述实验研究结果可知，基于可调节负荷参与电网需求响应潜力挖掘模型的应用，直流、交流情况下的电信号输出量水平均得到了有效控制，保障了高压主机对于电网控制器负荷的稳定调节能力，激发了电网体系的应用潜力，缓解了冀北地区电量调峰工作所面临的压力。

4 结束语

与当前互动调峰策略相比，新型电网需求响应的潜力挖掘模型在保证可调节负荷参与作用的前提下，针对电网负荷峰值进行准确计算，在获取最大电量负荷目标的同时，完善现有的特性挖掘标准条件。从实用性角度来看，直流情况下、交流情况下的电信号输出量水平均出现了一定程度的下降，激发了电网体系的应用潜力，能够适应冀北地区的电量调峰工作需求。