块调度模式下的智慧小区自动需求响应模型

李逸超,刘伟峰, 施泉生

(1.上海电力大学 经济与管理学院,上海 201400;2.上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海 200240)

0 引 言

智慧小区作为智能电网用电环节的重要形态,可在泛在物联体系下实现以智赋能、以智增效,是电网与用户友好互动的关键载体。《智慧社区建设指南(试行)》[1]等政策文件的颁布催生了一大批智慧小区试点[2-4]。一般而言,智慧小区运营商(smart community operator, SCO)负责智慧小区的运维管理,是电网与用户友好互动的能量流和信心流衔接者,需在保障所辖电力用户正常受电的同时实现自身经济效益的最大化。为此,引导所辖用户进行需求响应(demand response, DR)是SCO逼近其期望目标的重要手段,有必要探究出在泛在物联体系下站SCO立场的调控模式及策略,以解决现阶段小时级邀约制DR模式的弊端:灵活但不实用,高度依赖用户自主切合负荷。

区别于传统人工邀约制DR,自动需求响应(automated demand response, ADR)建立在泛在物联体系基础上,不需人工投切负荷,通过可靠的通信和调控机制将调度指令下发至所辖用电设备,之后用电设备自动执行DR[5]指令。文献[6]中的家庭控制器通过ADR机制调控所辖家用电器来高精度的跟踪电价波动,以实现自身效益最大化;文献[7]利用区块链技术构建了点对点电力交易模式的ADR架构,以保障有序的电力供需平衡。文献[6-7]均基于完备的物联、调控和量测体系来达成决策者的期望目标,而智慧小区也具备这些物理基础,故如何设计智慧小区ADR模式来提高SCO的DR可靠性、鲁棒性和成本效益,显得十分有必要。

常规设计ADR模式的方法视相邻调度时段独立,在满足可控负荷经济需求的基础上,SCO可在DR物理约束下任意调整用户的用电计划来满足自身期望[8-10]。这类模式具有高度灵活性,但对工业级可控负荷或居民用户而言,往往与其用能计划的时段连续性相悖。文献[11]以北欧的电力现货市场[12]为背景,对比了小时交易和块交易之间的差异,提出了基于灵活块交易的出清模型。文献[11-12]均针对小时出清模式灵活但不实用问题提供了块出清的解决思路,可作为常规ADR模式的借鉴,而智慧小区的物理基础恰能支撑块调度模式的ADR顺利实施。

鉴于此,在智慧小区的物联、调控和量测体系完备的前提下,参考北欧现货市场块出清模式,提出了常规块ADR策略和可移动式块ADR策略,用以解决时段连续型DR模式与居民用户用电规律相悖的问题。所提模型以智慧小区经济效益最大为目标,提出了以所辖燃气轮机来平抑风电预测偏差的策略,并通过鲁棒优化方法订制的ADR模型确保了调度计划的高度可执行性。

1 智慧小区基础知识

1.1 智慧小区ADR模式

智慧小区ADR运营模式如图1所示。设典型智慧小区包含电力用户、风电机组、储能装置和燃气轮机。其中:用户负荷由刚性负荷和激励型ADR负荷组成;SCO对ADR负荷、风机、储能装置和燃气轮机具有完全调控权和所有权;构成居民用户ADR负荷的智能设备由安置于用户处的物联网网关调控,智能设备则将电耗量测信息经物联网网关上传至智慧小区ADR系统;信息流包含量测信息和调控指令,信息流始末端均以合适的通信方式连接[13]。

图1 智慧小区运营模式

从市场角度,SCO扮演着一个商业调节者的角色,主要体现在:(1)以经济效益为驱动力、电力供需平衡为前提来合理订制风机、储能装置、燃气轮机和ADR负荷的发用电计划;(2)区别于虚拟电厂、微电网与主网间的潮流双向流动,智慧小区所辖的风机、储能装置侧重用于经济的平衡内部电能需求,以及所辖的燃气轮机用于实时平抑源荷预测偏差电量[14];(3)区别于市场中的售电商或负荷聚合商,参考美国PJM市场,SCO所辖负荷为小区内的居民负荷,其规模较小的特性让主网对其态度为发挥此类主体DR行为的聚沙成塔效用,主网往往订制政策来鼓励其在特定时段主动进行DR以降低主网上下调压力[15],一般免于来自主网的偏差考核,也无需向电力交易中心上报购电计划。

1.2 智慧小区组成部分建模

1.2.1 风电机组

风速的随机性导致了风电预测偏差,影响SCO订制调度计划的实际可执行性。文中视为风机实际出力等于预测出力及其预测偏差之和,预测偏差为服从盒式不确定集的随机数[16]。

(1)

此外,为避免风电大幅度波动造成网络阻塞等问题,SCO需根据系统安全需求适当弃风限电,且规定风电场在调度周期内的最高弃风率以确保风电尽可能被消纳。

(2)

1.2.2 储能装置

储能装置在智慧小区中的作用为平滑负荷曲线。因频繁充放电对其使用寿命有负面影响,故不用于实时平抑风电预测偏差,其包含充放电模式约束(3)、充放电功率约束(4)、储能充放电速率约束(5)和储能容量约束(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2.3 燃气轮机

为避免SCO订制的调度计划被风电预测误差影响其经济性和安全性,将燃气轮机实际出力划分为应对预测出力的基点功率和应对风电预测偏差的有偏调整值,以此保障调度计划的高可执行性。为此,在燃气轮机技术出力约束(7)的基础上,施加调节裕度约束(8),即使其拥有应对预测偏差的备用容量,以便于平衡因风电的预测误差所需的电力电量。

(7)

(8)

(9)

式(8)可理解为燃气轮机提供的上、下调节量需大于燃气轮机的有偏调整值,当有偏调整值为正值时需小于上调节量,当有偏调整值为负值时需小于下调节量,从而保障风电预测偏差可全由燃气轮机补充。

1.2.4 负荷

用户负荷可分为刚性负荷、可中断负荷和可转移负荷[17]。为突出重点,文中仅对可中断负荷进行建模分析,其机理也适用于可转移负荷。

1)刚性负荷。

刚性负荷为不能进行ADR的负荷,可表示为:

(10)

2)可中断负荷。

可中断负荷为可部分或全部中断的负荷,可表示为:

(11)

2 智慧小区调度策略

2.1 块ADR策略

北欧现货市场[11]的块交易机制针对连续的独立时段交易可能不适用于市场主体的效益述求,以时段耦合、电量耦合和价格耦合的分时竞价机制来促进广泛主体参与现货市场。同理,连续的独立时段DR模式也不适用于小区居民负荷,为使SCO订制的ADR计划更加自主、公平,参照块交易机制提出了常规块ADR策略和可移动式块ADR策略,给予小区用户充分的自主选择权来提升供需匹配效果。小区用户可自主选择与之相适应的ADR策略上报至SCO,SCO则尊重用户的主观意愿来订制调度计划。

2.1.1 常规块ADR策略

常规块ADR策略需用户事前申报可中断负荷允许被连续调度时段,一整块时段要么都被调度,要么都不被调度。对于用户而言,在被调度的块ADR时段内,可避免物联网网关频繁向智能设备发送启停或调整能耗状态的指令,从而增加用户用电的舒适度和满意度。

参考火电机组最小连续启停时段约束[18],将上述描述转译为以下数学表达:

(12)

2.1.2 可移动式块ADR策略

可移动式块ADR策略在式(12)的基础上,设定块ADR电量在一定范围内,但限定其被调度次数。其数学表达为:

(13)

2.2 燃气轮机平抑风电预测偏差策略

风电预测偏差直接影响调度计划的可执行性,为此需预留灵活性可调资源以实时平抑预测偏差,文中以燃气轮机预留的应对风电预测偏差的有偏调整值来实现。具体而言,燃气轮机需能灵活的调整出力以跟踪风电的预测误差在连续两时段内的波动,需建立如下两类约束:

1)线性再分配策略应对风电预测偏差。

当风电在某时段内存在预测偏差时,燃气轮机进行有偏调整,以保证其在鲁棒运行域内时可以补偿风电预测偏差。由于风电预测偏差全部由燃气轮机分担,故需建立风电预测偏差与燃气轮机的有偏调整量之间的关系。本节应用一种线性再分配策略[19],用以指导燃气轮机按照该策略进行有偏调整,即让燃气轮机按照线性分配策略全额消纳风电预测偏差。

(14)

式(14)可理解为在各个时间段,燃气轮机按照一定的线性关系系数分担一定的风电预测偏差,所有燃气轮机的有偏调整值应等于该时刻的总风电预测偏差。

2)燃气轮机追踪风电预测偏差变化率。

为了让燃气轮机能够追踪风电预测偏差的变化率,需对其线性关系系数施加约束,避免燃气轮机的有偏调整量对某一风电预测偏差分配过大权重,如下式所示:

(15)

表1 风电场有功功率变化最大限制

2.3 智慧小区鲁棒优化模型

鲁棒优化模型的边界是刚性的,即取最坏情况,它不允许因意外的出现破坏其解,故适用于订制调度计划来避免风电预测偏差的负面影响。

SCO以分时电价从主网购电,售至用户的电价通常固定。不考虑风电成本时,以SCO的经济效益最大为目标,经济效益包含售电收入、购电费用、燃气轮机费用和DR费用:

(16)

1)售电收入。

(17)

式中psell为售至用户的电价。

2)主网购电费用。

(18)

3)燃气轮机费用。

(19)

式中cT为燃气轮机发电成本。

4)需求响应费用。

对于SCO而言,DR费用为补偿给用户的DR费用与调整负荷带来的电费变动之和:

(20)

2.4 约束条件

除以下两类约束条件外,约束条件还包含式(1)～式(13)。

1)网架传输容量约束。

(21)

2)功率平衡约束。

智慧小区需在各个时段需满足电力供需平衡,且直流潮流模型可不计网耗。

(22)

3 模型转换与求解

3.1 模型转换

1)式(2)的转换。

联立式(1)和式(2)可得式(23),对式(23)经鲁棒对等模型转换方法,可得式(24)所示的鲁棒对等模型。

(23)

(24)

式中JT是含风电随机参数的时间集合;zwi和pwi,t为对偶转换中新引入的决策量,无实际物理意义。

2)式(7)右端不等式的转换。

联立式(7)、式(8)、式(14)可得式(25),对式(25)经鲁棒对等模型转换方法,可得式(26)所示的鲁棒对等模型。

(25)

(26)

式中zt和pk,t为对偶转换中新引入的决策量,无实际物理意义。

这样就以SCK鲁棒线性模型[22]将模型转换为相应的确定性约束。

3.2 模型求解

嵌套分割算法可用于求解混合整数线性和非线性规模模型,其解可在全局逼近全局最优解,用其求解所提模型的流程如图2所示[23]。

图2 嵌套分割算法的流程

4 算例分析

4.1 算例背景

智慧小区节点数较少,以修改后的Garver-6节点系统[23]进行分析,如图3所示。在节点1、节点3和节点6处增加风机,各风机配置小型分布式储能以提升SCO的调节能力;为突出重点和简化程序编译,设图3中的负荷节点只有两类,如图4所示,同一类负荷节点在各时段的预测值相同,两类负荷节点的集合为{2,3}和{1,5},分别代表智慧小区内商业型负荷(24 h便利店)和家庭用户(工薪家庭);鲁棒性参数均取最大值以极端场景进行分析;智慧小区以峰谷分时电价由4节点向电网购入电量,设峰时段18:00—23:00的电价为1.2元/(kW·h),谷时段1:00—6:00的电价为0.4元/(kW·h),其余时段为平时段的电价为0.6元/(kW·h);储能装置参数如表2所示,燃气轮机参数和风电预测值及其预测偏差如图5所示。

表2 储能装置参数

图3 修改后的Garver-6节点系统

图4 智慧小区的两类负荷曲线

图5 风机的有功功率

4.2 块ADR模式分析

以时段连续型ADR,即不考虑块调度策略的ADR模式,与所提两类块调度策略进行对比。其中,设置常规块调度策略的最低连续被调度时间为3 h;设置可移动式块调度策略最多被调度1次,且ADR总电量上下限为0.45 kW·h和0.3 kW·h。经嵌套分割算法求解得到的一类负荷和二类负荷的ADR情况分别如图6和图7所示,以及其经济效益如表3和表4所示。

表3 一类负荷ADR经济效益

表4 二类负荷ADR经济效益

图6 一类负荷ADR轮廓图

图7 二类负荷ADR轮廓图

结合图6和图7,可知:1)对于商业型负荷而言,时段性ADR模式会频繁的改变用电规律性,结合表2和表3可看出其对用户的生产经营构成一定的负面影响,而所提的两类块ADR模式可减小ADR的调度次数,该类负荷参与块ADR模式的意愿更高。2)对于家庭用户而言,鉴于其用电高峰与SCO从主网购电峰值时段相切合,故时段性ADR与常规块ADR响应规律和电量大致相同。3)以原负荷曲线与ADR调度策略后曲线之间的曲线平滑度差值作为指标,可看出工商业负荷平滑度差值更小,表明了块ADR调度策略的影响对工商业负荷的影响更小。4)受限于响应时段连续性,块ADR模式的响应时间往往超前于时段性ADR,可有效延缓电网的上行压力。

对比表3和表4,可知: 1)块ADR策略的经济性不如传统的时段性ADR,且常规块ADR策略的经济性大于可移动块ADR策略的经济性,其原因为块策略施加的刚性约束对调度计划的经济性造成负面影响。2)以时段性ADR与块ADR之间的经济效益差值作为评判指标,块ADR调度策略更适合一类负荷,其对智慧小区运营商经济效益的负面影响更小。3)对于一类负荷而言,两种块ADR调度策略对运营商经济效益的负面影响均不大,牺牲调度计划的经济性来换取高度可执行性具有一定的可行性。4)但对二类负荷的可移动块ADR模式,因其经济效益的负面影响过大(近似于折半了),它更适合常规块ADR模式,这可能与二类用户(工薪家庭)在用电高峰期对用电满意度有着较高的要求有关,此时智慧小区运营商有着较高的调控成本。

4.3 鲁棒性分析

智慧小区运营商订制调度计划的鲁棒性为调度计划在极端场景下抵抗所辖风机出力不确定性带来的负面影响的能力。鉴于此算例的鲁棒系数均取最大,即调度计划的最优解适用于极端场景,故可用燃气轮机在实时阶段可能运行上下限和基线之间的面积表征鲁棒性能大小,该面积表示燃气轮机在日前阶段预留出的上下调容量(保障块ADR可准确履约),面积越大则订制的调度计划在极限场景的适应性越强,即鲁棒性越好。

此节以一类负荷的时段性ADR与常规块ADR进行对比,以解释所提块ADR调度策略在鲁棒性方面的优势,如图8和图9所示。

图8 时段性ADR的鲁棒性

图9 常规块ADR的鲁棒性

对比图8和图9,可知在一类负荷的非峰值区域,常规块ADR和时段性ADR的鲁棒性大致相等,而在一类负荷峰值区域,如12 h附近,常规块ADR的鲁棒性更高。结合图6中各类ADR的响应情况,可判断块ADR模式的鲁棒性优于传统的时段性ADR模式。

5 结束语

智慧小区运营商在完备的物联、调控和量测体系下可订制高响应精度的ADR模式,但传统连续的时段型DR模式与所辖居民用户用电规律不是十分贴切。为此,文中参考北欧现货市场块出清模式,设计了常规块ADR策略和可移动式块ADR策略;同时,提出了以燃气轮机平抑智慧小区所辖风电预测偏差,进一步确保了ADR模式的高度可执行性。以真实数据在修改后的Garver-6节点系统进行验证,得出了以下结论:

1)常规块ADR策略和可移动式块ADR策略牺牲了一定的经济性来换取调度计划的高度可执行性,边界刚性越强则负面作用越大。

2)块ADR模式的响应时间往往超前于时段性ADR,可有效延缓电网的上行压力。

3)所提常规块ADR模式和可移动块ADR模式都适用于智慧小区中的工商业负荷,常规块ADR模式适用于工薪型家庭用户。

4)块ADR模式可让智慧小区使用电力可调资源时的鲁棒性更强。