负荷聚合商参与调峰市场调度权综合评价模型研究

秦少明,胡 凯,程 特,蔡博武,池 放

(1.国网湖北省电力有限公司调控中心,湖北 武汉 430071;2.武汉大学电气与自动化学院,湖北 武汉 430072)

0 引言

近年来,随着风电、光伏等新能源高比例增长,电力系统面临源荷双重不确定性的挑战,呈现显著的“双峰双高”等特性[1]。传统的火电调峰已难以满足系统调峰需求,亟需用户侧可调节负荷资源参与电网调控平衡[2]。我国各省市陆续发布了辅助服务市场相关政策文件[3],2021 年12 月21日,国家能源局公示《电力并网运行管理规定》和《电力辅助服务管理办法》明确表明,大力倡导用户侧可调节负荷参与电力辅助服务市场。

目前国内外针对用户侧可调节负荷参与电力辅助服务市场方面开展大量研究。文献[4-6]构建了负荷聚合商参与市场的双层优化调度模型,实现了系统经济利益最大化,验证了负荷聚合商参与市场调峰的巨大潜力。文献[7]考虑源荷协同互动,设计了负荷聚合商参与电力辅助服务的运营框架。文献[8-9]基于电网与负荷聚合商的主从博弈关系,建立负荷聚合商参与的日前-日内分层优化模型调度。文献[10]提出负荷聚合商调度优先权的定义,并基于此建立一种双层实时调度模型。文献[11-12]提出了一种基于电力用户随机性影响的用户侧调度模型,能够有效提升电网调度的经济性。文献[13]考虑用户的满意度,建立了电动汽车双层充放电模型,但未结合用户诚信度对调度结果的影响。上述文献虽然都表明了负荷聚合商并网的可行性、经济性,但是未能具体提出负荷聚合商参与调峰市场的调度权排序方法。

针对上述问题,本文首先建立了用户侧可调节负荷调度权评价指标体系,采用熵权法计算评价指标体系中指标的权重;然后基于TOPSIS法建立综合评价模型,根据评价结果对各类可调节负荷聚合商进行排序;最后对某地区负荷聚合商进行实例验证,结果表明评价结果可以真实的反映负荷聚合商的表现情况及调峰性能,为动态调整调峰辅助服务市场最优准入条件提供理论基础。

1 负荷聚合商调度权分级框架

电动汽车、储能、电采暖等可调控负荷可以聚合参与电网调峰,而不同类型负荷调峰能力参差不齐,且各负荷聚合商用电特性不同,其可调度负荷容量以及违约风险存在较大差异。此外,可调度负荷容量和违约风险会影响电网调度结果能否满足电网调峰和安全稳定的需求,因此需对负荷聚合商进行分析排序,确定负荷聚合商的调度。

对于某一时段而言,不同负荷聚合商只能实现充电或放电一种状态。电网调度中心统计分析各类型负荷聚合商信息后,根据负荷聚合商的用电诚信度、可调度时段、可调度容量等评价指标确定各负荷聚合商的相对接近度,并据此将负荷聚合商分为优先调度、备用调度和不调度3类,如图1所示。

图1 负荷聚合商调度权分级方案

电网调度中心向优先调度类负荷聚合商发送调度指令,制定负荷聚合商最优充放电计划,优先调度的聚合商容量不能满足电网调峰需求时,继续调用备用调度的负荷聚合商,而优先权较低的负荷聚合商暂不参与调度。

电网调度中心通过对负荷聚合商的实际情况进行综合评价分析,不断调整电力辅助服务市场的聚合商并网准入标准,同时根据各负荷聚合商的实时申报容量、申报价格以及历史充放电曲线,确定各负荷聚合商的调度权,并将最终结果发送给各负荷聚合商,确定各负荷聚合商是否获得调峰市场的参与资格。获得参与调峰市场资格的负荷聚合商,经过电网调度出清后,确认自身的调度计划,并及时向电网反馈,保证能够满足电网的调峰需求以及维持电网的安全稳定。

2 负荷聚合商调度权评价指标体系

2.1 评价指标体系建立原则及设计思路

建立负荷聚合商调度权评价指标体系的前提是确定评价体系的原则,从多个角度考虑影响评价体系的各种相关因素。建立指标体系的原则可以概括为以下几个方面[14]。

1)科学性原则

用户侧可调节负荷调度权评价指标体系的建立应该有科学依据,选取的各评价指标必须具有一定的实际意义,能够度量和反应用户侧可调节负荷的实际情况。

2)全面和系统性原则

在建立用户侧可调节负荷调度权评价指标体系时,必须充分全面的考虑用户侧可调节负荷的影响因素,这样才能综合、全面的反映负荷聚合商的能力。

3)合理性原则

合理性原则是指评价指标能够表示所有评价对象的性质,而不是针对某一个评价对象的特殊性质,每个评价指标应该是公平公正公开,具有可比性,不具有指向性,要选择具有代表性的指标。

4)可行性原则

优先权评价的最终目的是对用户侧可调节负荷进行排序,确定其参加电力市场的顺序,减少电力公司的成本。

构建用户侧可调节负荷聚合商调度权评价指标体系的过程如图2所示。

图2 构建评价指标体系流程

首先确定评价体系的评价对象、评价目的、评价原则;然后分析相关影响因素,网罗反映目标特征的综合指标,构成一套初始指标体系;最后对评价体系的指标逐层分解筛选,建立最终的评价指标体系。

2.2 初始评价指标体系的构建

明确评价的目标是调峰市场中负荷聚合商的调度权,不仅仅考虑负荷聚合商调峰能力的评价指标,还需要考虑聚合商对电网、自然环境等方面的影响,这样多方位构建的评价指标体系,才能充分体现负荷聚合商的调峰潜力。通过研究我国电力调峰辅助服务市场的政策细则,并结合相关分析研究,本文从技术、经济、社会和自然环境4个方面进行指标的选取和建立。

1)技术方面

技术方面主要考虑用户侧负荷聚合商在参加调峰辅助服务市场的过程中,能否保持电网的安全稳定运行,并且在保持电网稳定的条件下,负荷聚合商能够提供调峰辅助服务的能力、时间长短等情况。

2)经济方面

经济成本问题也是用户侧负荷聚合商参加调峰服务市场需要考虑的关键内容。在负荷聚合商参与调峰市场过程中需要安装各种各样的电气设备、通信设备及相关的系统等,例如储能需要安装控制系统便于调节、电动汽车充电桩需要安装通信系统便于实时传输电量信息等,以及在日常运营过程中,需要对系统设备进行定期检查、维护修理[14],以上均为不确定的成本。

3)社会方面

社会用户参与调峰辅助服务市场的积极性对负荷聚合商的表现有直接影响,负荷聚合商的可调度容量与可调节负荷用户的心理活动息息相关,用户参与电网调度的意愿越强烈,则响应调度的确定性越高。

4)自然环境方面

用户侧可调节负荷的使用情况在某些时候受天气影响较多,其能够降低煤炭的使用量,带来节能环保效益。

根据用户侧负荷聚合商调度权评价指标体系全面和系统性、合理性、科学性及可行性的基本原则,全方位对负荷聚合商的调度权进行考察,初步构建的指标体系如表1所示。

表1 负荷聚合商调度的优先权评价初选指标体系

2.3 评价指标体系的确定

调峰市场建立的初始评价指标体系集合共包含18个指标,其中存在一些不必要、重复、不合理、遗漏甚至错误的指标,因此需要对初始评价指标体系进行筛选和优化[15],合理组成负荷聚合商调度权综合评价指标体系。

对初始评价指标体系进行调整,经过各方面考虑后,剔除冗余指标,筛选得到负荷聚合商调度的优先权评价指标体系,如表2所示。

表2 负荷聚合商调度的优先权评价指标体系

1)可调度容量指标

电动汽车、电采暖等设备在任意时段可以申报充电计划,或者申报放电计划,根据以上信息,可得到负荷聚合商在任意时段的调度容量。可调度容量指标是指在某调峰需求时段,负荷聚合商一天内的申报容量之和占申报总容量的比值,如式(1)所示。

式中:φS为可调度容量指标;P i为负荷聚合商i的申报容量;N为负荷聚合商数量。

2)可调度时间指标

通过负荷聚合商申报计划,可以得到负荷聚合商可以参与调峰辅助服务时间范围,可调度时间指标是指在调峰需求时段内,负荷聚合商总的调度时间占一天时间的比值,如式(2)所示。

式中:φT为可调度时间指标;T i为负荷聚合商i的申报时段。

3)调峰出力性能指数指标

调峰出力性能指数指标是指负荷聚合商在某时段申报容量占该时段所有负荷聚合商申报容量之和的比值,如式(3)所示。

式中:P i,t为负荷聚合商i在t时段的申报容量。

4)补偿成本指标

补偿成本指标是指负荷聚合商申报价格占所有负荷聚合商申报价格之和的比值,如式(4)所示。

式中:λi,t为负荷聚合商i在t时段的申报价格。

5)聚合商诚信度指标

调度中心应建立每个聚合商的历史互动数据库,包含每个聚合商的历史申报可调度时段、可调度容量及历史实际被调度情况。若聚合商按申报计划接入和离开电网,则聚合商诚信隶属度(简称“诚信度”)为1;若聚合商在计划外突然接入或突然脱离电网,设定其诚信度函数为申报容量和计划外容量(脱离电网缺失的可用容量)之差与其申报容量的比值。

聚合商诚信度指标是指负荷聚合商实际调节量与中标容量的比值,如式(5)所示。

式中:P i,s为负荷聚合商i在t时段实际电量调节值;P i,c为负荷聚合商i在t时段的中标容量。

6)节能环保效果

用户侧电力设备参加电力市场辅助服务的调度,减少了火电机组的使用,降低了煤炭的使用,有利于环境保护。

3 负荷聚合商调度权评价模型

3.1 基于熵权法确定指标权重

鉴于评价指标体系中不同指标的复杂性和多样性,评估过程中不同原因造成的不确定性,以及量化过程中对指标重要性的主观评估等问题,本文选择熵权法来确定各个指标的权重。熵权法具体步骤如下。

1)建立评价指标矩阵

式中:m为评价对象的数量;n为评价指标的数量;x ij为第i个评价对象的第j个指标值[14]。

2)数据标准化

因为每个评价指标的单位不同,不存在通用的单位,所以在进行评价之前,应该对评价指标的数值标准化和绝对值通过标准化处理成相对值,这样可以抵消单位对评价结果造成的影响。评价指标包括3种类型,即极大型指标、极小型指标和区间指标,指标的种类不同,所体现的意义也不同。极大型指标与评价对象的评价结果成正相关;极小型指标与评价对象的评价结果成负相关;区间类型指标数值距离某个固定值越近,则评价结果越高[16]。所以,不同属性的指标标准化的计算公式也不同。

极大型指标标准化公式为

极小型指标标准化公式为

区间型指标标准化公式为

创造对应的评价指标数据矩阵,根据标准化指标,得到规范化矩阵A*。

3)数据归一化

利用这一计算步骤,可消去每个指标的量纲,进而产生标准化矩阵F。

4)计算指标熵值

5)计算差异系数

6)确定指标权重

3.2 基于TOPSIS法的综合评价模型

TOPSIS法的基本原理为:计算每个评价对象与正、负理想解之间的距离,再根据距离大小比较出每个评价对象的排序结果。其基本模型如式(16)所示。

在利用熵权法确定了各个评价指标的权重后,即可采取TOPSIS法对用户侧可调节负荷调度权进行评价,具体步骤如下。

1)标准化数据做加权运算

将指标权重与标准化矩阵进行加权运算,计算方法如式(17)所示。

2)正、负理想解的确定

正理想解是理想条件下假设的最优值,负理想解是最差值的假设解,其计算方法如式(18)所示。

式中:J1为正效应指标集合;J2为负效应指标集合。

3)与正、负理想解之间欧式距离的确定

欧式距离的计算方法如式(19)所示。

4)相对接近度的确定

通过上面的计算方法,可以求解得出每个评价对象的评价指标与正、负理想解之间的欧式距离,以及评价对象与最佳状态的相对接近度,也可以代表各个评价对象表现的好坏情况,计算结果越大,表明评价对象表现越好,排名更高。

4 算例分析

4.1 指标权重的确定

本文以某区域负荷聚合商为实例进行调度权分析。在负荷聚合商调度权评价指标体系的基础上,对指标层的各项指标进一步分析,各项指标均为定量指标,且均为极大型指标。

收集整理该地区2021年1月份相关数据,对各个指标进行标准化处理消去量纲,可得到不同的负荷聚合商的数据处理结果,如表3所示,其中EVA、EHA、ESA分别表示电动汽车聚合商、电采暖聚合商和储能聚合商。

表3 指标数据处理结果

按照本文方法确定各指标权重的步骤可得出各指标的熵值、差异系数和权重,结果如表4所示。

表4 指标权重确定

由表4可知,在负荷聚合商调度权评价指标体系中,负荷聚合商调峰出力性能指数的权重最大,表明负荷聚合商申报容量越大,越占据优势;可调度容量、可调度时间、补偿成本指标的权重值也相对较高,然而负荷聚合商的申报价格不宜过高,应保持合理的市场竞争环境;由于电动汽车、储能、电采暖等可调节负荷参与了电网调峰,在一定程度上能够减少火电机组的发电量,同时降低碳排放,因此节能减排指标的权重取0。

4.2 调度权评价结果

1)依据电网用户侧可调节资源调度的优先权评价指标体系,消去最初数据的量纲,得到规范化矩阵A*如下。

2)构建加权标准化矩阵。根据表4的标准化数据,计算得到加权标准化矩阵R。

3)计算正、负理想解。由加权标准化矩阵R可得出正理想解和负理想解,计算结果如表5所示。

表5 指标的正负理想解

4)计算欧式距离。运用公式可算出各类负荷聚合商与正、负理想解的欧式距离,结果如表6所示。

表6 欧式空间距离

5)确定相对接近度。根据公式可计算出每个负荷聚合商与最佳水平的相对接近度及各负荷聚合商的排序结果,如表7所示。

表7 相对接近度及排序

由表7 可知,负荷聚合商的调度权级别为ESA1＞EVA2 ＞EHA2 ＞ESA2 ＞EHA1 ＞EVA1。其中ESA1和EVA2相对接近度均大于0.45,所以其调度权最高,属于优先调度级别,EHA1、EHA2和ESA2 相对接近度处于0.40～0.45,其调度权较高,属于备用调度级别,EVA1相对接近度小于0.40,调度权最低,属于不调度级别。因此在调峰市场调度中,选择优先调度ESA1和EVA2参与市场,若优先调度的负荷聚合商容量不能满足电网调峰需求,则依次将EHA1、EHA2和ESA2 参与市场调度,直至满足调峰需求。

综上,由于用户侧可调节负荷参与市场调度计划的不断推进,参与辅助服务的可调节负荷种类不断增加,不同时段、不同种类的负荷聚合商能够提供调峰辅助服务的能力不同。为了保持电网运行的安全可靠,需要对负荷聚合商进行评价排序,对负荷聚合商的调度权进行分级,且通过不断更新排名,激励负荷聚合商不断优化自身条件,加快负荷聚合商的完善,推动负荷聚合商这一市场主体的蓬勃发展。

5 结论

本文建立了负荷聚合商参与调峰市场调度权的评价指标模型。考虑评价指标体系构建的科学性、全面和系统性、合理性、可行性基本原则,针对不同负荷聚合商的响应调峰特性,基于负荷聚合商的申报信息以及历史响应情况,从技术类、经济类、社会类、自然环境类4个方面建立负荷聚合商的指标体系,并基于熵权法和TOPSIS法对负荷聚合商进行排序,仿真结果表明评价结果可以真实的反映负荷聚合商的表现情况及调峰性能,根据负荷聚合商的排序结果,能够确定负荷聚合商参与调峰市场的调度权级别。

考虑到随着新型电力系统的发展,未来负荷聚合商数量众多,调峰能力参差不齐,且各灵活负荷聚合商用电特性不同,其可调度负荷容量以及违约风险存在较大差异,而可调度负荷容量和违约风险会影响电网调度结果能否满足电网调峰需求和维持电网安全稳定,所以还需合理考虑负荷聚合商的自身特征。本文的综合评价结果也能为动态调整调峰辅助服务市场最优准入条件提供理论基础。