CN105976046A - 一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法，所述规划方法包括：(1)建立低碳电网规划模式；(2)建立低碳电网规划模型。本发明分析了需求侧管理和低碳发展对电网规划的影响。分别从基础数据收集、电力负荷预测、电气校核计算、经济性评价四个方面具体分析了需求侧管理和低碳发展对电网规划过程的影响。可以提升低碳电源的竞争力，促进电源结构的低碳化，促进系统的整体低碳水平，实现节能低碳发展。

Description

一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法

技术领域

本发明涉及电力系统低碳技术领域，具体涉及一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法。

背景技术

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国的电力需求增长很快。受气候条件、作息时间、季节等的影响，电力负荷的峰谷差呈现逐渐增长的趋势。若单纯依靠新增装机与扩建输变电设备来满足短暂的尖峰负荷用电，将使输变电设备的利用率降低，导致巨大的投资，大大降低电力系统的整体效益，不利于实现电网的节能低碳发展。

需求侧管理(Demand Side Management，DSM)通过行政和经济手段让用户调节负荷，已经得到了广泛关注，并被许多的电网公司所采用，成为综合资源管理的重要手段。需求侧管理是现代电力系统在电力市场条件下产生的用电管理模式，通过提高终端用电效率和优化用电方式，在完成同样用电功能的同时减少电力消耗，达到节约能源和保护环境的目的。它突破了传统的电力管理模式，改变了依靠单纯地扩大供应能力以满足日益增长的电力需求的方式，在更高层次上处理供应侧和需求侧的关系。我国用电负荷的增长和电网规模的扩大，将进一步促进需求侧管理的实施。

为应对全球气候变化及能源危机，实现低碳化转型已经成为当今世界电力工业发展的主旋律。电力行业具有很强的“碳锁定”效应，实施面向低碳目标的电力规划可以有效缓解电力行业的“碳锁定”效应，已经得到了国内外学者的广泛关注。

目前，虽然已有技术中提出了对于需求侧管理在输电网规划方面的应用以及低碳与电网规划的综合研究，而在需求侧管理与低碳电网规划结合方面的综合研究仍有不足。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法，本方法针对目前电网公司普遍采用的需求侧管理手段以及日益关注的低碳发展目标，在电网规划中同时考虑需求侧管理手段和低碳要素，为低碳发展背景下电网公司的需求侧管理及电网规划方案的优化决策提供技术指导。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法，所述规划方法包括：

(1)建立低碳电网规划模式；

(2)建立低碳电网规划模型。

优选的，所述步骤(1)包括：(1-1)基础数据收集增加低碳发展目标数据、碳排放数据和需求侧管理数据的收集；

(1-2)经济性评价增加碳排放成本、需求侧管理成本和电网损耗指标的评价。

优选的，所述步骤(2)中，所述规划模型为：

式中，N_S表示规划期内考虑的典型场景数，N_LC表示待建线路总数，N_G表示发电机总数，N_D表示采取的需求侧管理手段数，N_b表示节点总数，η_s表示场景s的电量贡献率，为碳排放价格；

和分别表示线路的投资成本和全生命周期碳排放量，U_l表示线路l的投建状态决策变量，U_l＝1表示线路投建,U_l＝0表示线路不投建；表示发电机的发电成本，表示发电机的碳排放强度，P_i,t,s表示场景s下发电机_i在时刻t的优化出力；α_m表示需求侧管理手段m的实施成本，D_m,b,t,s表示场景s下节点b采取需求侧管理手段m在时刻t所调节的负荷功率，为优化模型的决策变量。

进一步的，所述规划模型的约束条件包括：规划期内各场景节点功率平衡约束、已存在线路潮流约束、待选线路潮流约束、已建线路潮流上下限约束、待建线路潮流上下限约束、需求侧管理手段调节能力约束、电量不变的约束、发电机出力上下限约束和节点最大可调节负荷约束。

进一步的，所述规划期内各场景节点功率平衡约束为：

$\underset{i\∈N_{Gb}}{\Σ}{P}_{i,t,s}+\underset{l\∈N_{Lb1}}{\Σ}{F}_{l,t,s}-\underset{l\∈N_{Lb2}}{\Σ}{F}_{l,t,s}+\underset{m=1}{\overset{N_D}{\Σ}}{D}_{m,b,t,s}=L_{b,t,s}$

$\∀b\∈N_b,\∀s\∈N_S$

式中，N_Lb1表示以节点b为首端节点的线路集合，N_Lb2表示以节点b为末端节点的线路集合，N_Gb表示与节点b相连的节点集合，L_b,t,s表示场景s下节点b在t时刻的总负荷，F_l,t,s表示场景s下线路l在t时刻潮流，包括已建线路和待选线路；D_m,b,t,s表示场景s下节点b采取需求侧管理手段m在时刻t所调节的负荷功率。

进一步的，所述需求侧管理手段调节能力约束为：

D_m,minL_b,t,s≤D_m,b,t,s≤D_m,maxL_b,t,s

$\∀b\∈N_b,m\∈N_D$

式中，D_m,min和D_m,max分别表示需求侧管理手段m所能调节负荷的最大最小能力。

进一步的，对于错峰、移峰及轮休措施所述电量不变的约束为：

$\underset{t=1}{\overset{24}{\Σ}}{D}_{m,b,t,s}=0,\∀b\∈N_b,s\∈N_S.$

进一步的，所述节点最大可调节负荷约束：

$-T_{max,b}{L}_{b,t,s}\≤\underset{m}{\Σ}{D}_{m,b,t,s}\≤T_{max,b}{L}_{b,t,s}$

$\∀b\∈N_b,m\∈N_D$

式中，T_max,b表示b节点负荷的最大可调节比例，L_b,t,s表示场景s下节点b在t时刻的总负荷。

与最接近的现有技术比，本发明具有以下有益效果：

本发明分析了需求侧管理和低碳发展对电网规划的影响。分别从基础数据收集、电力负荷预测、电气校核计算、经济性评价四个方面具体分析了需求侧管理和低碳发展对电网规划过程的影响。可以提升低碳电源的竞争力，促进电源结构的低碳化，促进系统的整体低碳水平，实现节能低碳发展。此外，在电网规划中考虑需求侧管理措施，可以减少输电线路的扩建，降低输变电设备投资，提升系统整体经济效益。

其次，建立了考虑需求侧管理的低碳电网规划模型，并利用分离不等式法消除模型中的非线性约束，以简化求解。模型的优化结果可用于指导电网公司的决策。

附图说明

图1是本发明的考虑需求侧管理的低碳电网规划模式图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提出了一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法，包括两部分：

第一部分：从常规电网规划的数据收集、电力负荷预测、电源规划方案分析、系统电力电量平衡、电网规划方案拟定、电气校核计算、经济性评价和电网规划方案优选等流程，分析了需求侧管理手段和低碳化发展目标的引入对电网规划的影响，并以此为依据建立了考虑需求侧管理的低碳电网规划新模式。

第二部分：在第一部分的基础上，建立了考虑需求侧管理的低碳电网规划模型，以需求侧管理手段实施方案及线路建设方法为决策变量，以此得到电网规划的结果。

上述方法的各步骤的具体实施方案详细说明如下：

第一部分：分析需求侧管理和低碳发展对电网规划的影响

常规电网规划主要包括数据收集、电力负荷预测、电源规划方案分析、系统电力电量平衡、电网规划方案拟定、电气校核计算、经济性评价和电网规划方案优选等流程。需求侧管理资源及低碳发展目标将以不同的形式影响到常规电网规划中的各项流程，由此形成考虑需求侧管理的低碳电网规划的新模式，如图1所示。图1中，需求侧管理数据、低碳发展目标及碳排放数据为需要增加的基础数据，碳排放成本、需求侧管理成本以及计算电网损耗为规划模型经济性评价环节需要关注的因素，以上共同构成考虑需求侧管理的低碳电网规划与常规电网规划的区别。其它为常规电网规划的流程。

需求侧管理和低碳发展目标对电网规划的影响主要体现在以下几个环节：

(1)基础数据收集

常规电网规划需要收集社会经济发展、历史用电负荷、电源电网发展现状等基础资料数据，提高电网规划的针对性和准确性，为后续的电网规划工作奠定基础。考虑需求侧管理资源和低碳发展目标后，电网规划需要关注收集的数据增多，除了电源及用电负荷等基础资料数据外，还包括设定的低碳发展目标、碳排放相关数据及需求侧管理的实施成本等数据，为考虑需求侧管理和低碳发展目标电网规划设定好边界条件。

(2)电力负荷预测

电力负荷预测是根据所收集到的基础数据，对未来的电力负荷进行科学的预测。需求侧管理措施的引入可以在电力负荷预测中计及。结合各区域需求侧管理资源的规模和实施效果，修正电力负荷预测的结果。需求侧管理的灵活运用可以减少地区用电量，削减地区尖峰负荷，提高电网设备的利用率。此外，可以对错峰、轮休等常态化的需求侧管理措施进行量化，根据量化结果进行需求侧管理措施的决策，这样又使得负荷在一定程度上变得可控。

(3)电气校核计算

电气校核计算主要是计算各拟定电网规划方案下的潮流、稳定、短路电流等内容。低碳发展目标引入后，电网规划需要关注各规划方案下的电网损耗，并计算网损在发电侧对应的等效碳排放量。特别地，在碳排放交易机制下，如果电网企业被纳入碳排放管理体系中，则还需校核对应排放量是否超出电网所分配到的配额，并确定相应的碳交易计划。

(4)经济性评价

经济性评价阶段主要计算各拟定电网规划方案的总成本并进行比较。传统的电网规划的经济性指标比较简单，而考虑需求侧管理和低碳发展以后，除了系统的运行成本、电网投资成本外，还需要考虑碳排放成本及需求侧管理成本等指标，因此对电网规划方案的经济性评价将更加复杂。

第二部分：建立考虑需求侧管理的低碳电网规划模型

基于第一部分的分析，可建立考虑需求侧管理的低碳电网规划模型如下：

(1)目标函数

模型的目标函数包括投资成本与运行成本两个方面，投资成本包括规划期内线路动态投资成本及其相应的碳排放成本、DSM实施成本，运行成本包括机组发电成本、机组碳排放成本，本模型采用直流潮流模型，忽略电网损耗及其对应的碳排放成本。具体为：

式中，N_S表示规划期内考虑的典型场景数，N_LC表示待建线路总数，N_G表示发电机总数，N_D表示采取的需求侧管理手段数，N_b表示节点总数，η_s表示场景s的电量贡献率，为碳排放价格。

目标函数(1)的第一行为投资成本：包括线路的投资成本及碳排放成本，和分别表示线路的投资成本和全生命周期碳排放量，U_l表示线路l的投建状态决策变量，为0-1变量，U_l＝1表示线路投建,U_l＝0表示线路不投建；第二行表示发电机的发电成本及碳排放成本，表示发电机的发电成本，表示发电机的碳排放强度，P_i,t,s表示场景s下发电机i在时刻t的优化出力；第三行表示需求侧管理手段的实施成本，α_m表示需求侧管理手段m的实施成本，D_m,b,t,s表示场景s下节点b采取需求侧管理手段m在时刻t所调节的负荷功率，为优化模型的决策变量。

(2)约束条件

2-1)规划期内各场景节点功率平衡方程：

$\begin{array}{c}\underset{i\∈N_{Gb}}{\Σ}{P}_{i,t,s}+\underset{l\∈N_{Lb1}}{\Σ}{F}_{l,t,s}-\underset{l\∈N_{Lb2}}{\Σ}{F}_{l,t,s}+\underset{m=1}{\overset{N_D}{\Σ}}{D}_{m,b,t,s}=L_{b,t,s}\\ \∀b\∈N_{b,}\∀s\∈N_S\end{array}---\left(2\right)$

式中，N_Lb1表示以节点b为首端节点的线路集合，N_Lb2表示以节点b为末端节点的线路集合，N_Gb表示与节点b相连的节点集合，L_b,t,s表示场景s下节点b在t时刻的总负荷，F_l,t,s表示场景s下线路l在t时刻潮流，包括已建线路和待选线路。

2-2)规划期内，对于已经存在的线路，应满足潮流约束方程：

$\begin{array}{c}{F}_{l,t,s}-({\mathrm{\θ}}_{b1,l,t,s}-{\mathrm{\θ}}_{b2,l,t,s})/X_l=0\\ \∀l\∈N_{LE},s\∈N_S\end{array}---\left(3\right)$

式中，X_l表示线路l的电抗，θ_b1,l,t,s、θ_b2,l,t,s表示场景s下线路l在t时刻首末端节点的相角，N_LE表示已建线路集合；

2-3)规划期内对于待选线路，若选择投运则应满足潮流方程约束，若不投运则潮流为0，其约束方程为：

$\begin{array}{c}{F}_{l,t,s}-U_l({\mathrm{\θ}}_{b1,l,t,s}-{\mathrm{\θ}}_{b2,l,t,s})=0\\ \∀l\∈N_{LC},s\∈N_S\end{array}---\left(4\right)$

式中，N_LC表示待建线路集合。显然，该约束为非线性约束，不便于求解。为了消除此非线性约束，本文采用分离不等式法将其转换为线性约束，如式(5)所示：

$\begin{array}{c}-M(1-U_l)\≤\frac{F_{l,t,s}-({\mathrm{\θ}}_{b1,l,t,s}-{\mathrm{\θ}}_{b2,l,t,s})}{X_l}\≤M(1-U_l)\\ \∀l\∈N_{LC},s\∈N_S\end{array}---\left(5\right)$

式中M为一个很大的正数。当线路l投建时，U_l＝1，此时约束变成直流潮流方程等式约束；当线路不投建时，U_l＝0，此时约束松弛。

2-4)已建线路潮流上下限约束：

$\begin{array}{c}-F_{l,\max }\≤F_{l,t,s}\≤F_{l,\max }\\ \∀l\∈N_L,s\∈N_S\end{array}---\left(6\right)$

2-5)待建线路潮流上下限约束：

$\begin{array}{c}-U_l{F}_{l,\max }\≤F_{l,t,s}\≤U_l{F}_{l,\max }\\ \∀l\∈N_{LC},s\∈N_S\end{array}---\left(7\right)$

2-6)需求侧管理手段调节能力约束：

$\begin{array}{c}{D}_{m,\min }{L}_{b,t,s}\≤D_{m,b,t,s}\≤D_{m,\max }{L}_{b,t,s}\\ \∀b\∈N_b,m\∈N_D\end{array}---\left(8\right)$

式中，D_m,min和D_m,max分别表示需求侧管理手段m所能调节负荷的最大最小能力；

2-7)对于错峰、移峰及轮休措施，仅仅是将高峰负荷进行转移，其日用电量仍保持不变，因此还需要引入电量不变的约束：

$\underset{t=1}{\overset{24}{\Σ}}{D}_{m,b,t,s}=0,\∀b\∈N_b,s\∈N_S---\left(9\right)$

2-8)发电机出力上下限约束：

$\begin{array}{c}{P}_{i,\min }\≤P_{i,t,s}\≤P_{i,\max }\\ \∀i\∈N_G,s\∈N_S\end{array}---\left(10\right)$

2-9)节点最大可调节负荷约束：

$\begin{array}{c}-T_{max,b}{L}_{b,t,s}\≤\underset{m}{\Σ}{D}_{m,b,t,s}\≤T_{max,b}{L}_{b,t,s}\\ \∀b\∈N_b,m\∈N_D\end{array}---\left(11\right)$

式中，T_max,b表示节点b负荷的最大可调节比例。该约束表明实际负荷最大可调节的比例，以避免出现峰谷倒置等非正常情况。

第三部分：本发明的应用实例

本文采用IEEE24节点系统，利用上文建立的需求侧管理的电网规划模型进行算例分析。IEEE24节点系统的原始网络参数可从MATPOWER软件包中获取，最大负荷为2850MW，将所有节点的负荷增加为原来的1.6倍。夏季大负荷、夏季小负荷、冬季大负荷、冬季小负荷等四个典型场景作为研究场景，每个场景的持续天数为一年365天的1/4。选取我国某省在四个场景下的典型负荷曲线作为各节点的负荷变化情况，并设定当前系统的碳排放价格为100元/tCO₂。为了说明低碳化发展对电网规划的影响，在7号节点配备装机容量为1000MW的水电机组。考虑需求侧管理的电网规划与常规电网规划结果对比如下表：

表1.考虑需求侧管理的电网规划与传统电网的结果对比

从上表结果可以看出，在电网规划中引入低碳发展目标，可以提升低碳电源的竞争力，促进电源结构的低碳化，促进系统的整体低碳水平，实现节能低碳发展。此外，在电网规划中考虑需求侧管理措施，可以减少输电线路的扩建，降低输变电设备投资，提升系统整体经济效益。

通过该应用实例可以验证本发明所提出的考虑需求侧管理的低碳电网规划方法的有效性。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑需求侧管理的低碳电网规划方法，其特征在于，所述规划方法包括：

(1)建立低碳电网规划模式；

(2)建立低碳电网规划模型。

2.如权利要求1所述的低碳电网规划方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：(1-1)基础数据收集增加低碳发展目标数据、碳排放数据和需求侧管理数据的收集；

(1-2)经济性评价增加碳排放成本、需求侧管理成本和电网损耗指标的评价。

3.如权利要求1所述的低碳电网规划方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述规划模型如下式所示：

式中，N_S表示规划期内考虑的典型场景数，N_LC表示待建线路总数，N_G表示发电机总数，N_D表示采取的需求侧管理手段数，N_b表示节点总数，η_s表示场景s的电量贡献率，为碳排放价格；

和分别表示线路的投资成本和全生命周期碳排放量，U_l表示线路l的投建状态决策变量，U_l＝1表示线路投建,U_l＝0表示线路不投建；表示发电机的发电成本，表示发电机的碳排放强度，P_i,t,s表示场景s下发电机_i在时刻t的优化出力；α_m表示需求侧管理手段m的实施成本，D_m,b,t,s表示场景s下节点b采取需求侧管理手段m在时刻t所调节的负荷功率，为优化模型的决策变量。

4.如权利要求3所述的低碳电网规划方法，其特征在于，所述规划模型的约束条件包括：规划期内各场景节点功率平衡约束、已存在线路潮流约束、待选线路潮流约束、已建线路潮流上下限约束、待建线路潮流上下限约束、需求侧管理手段调节能力约束、电量不变的约束、发电机出力上下限约束和节点最大可调节负荷约束。

5.如权利要求4所述的低碳电网规划方法，其特征在于，所述规划期内各场景节点功率平衡约束如下式所示：

$\underset{i\∈N_{Gb}}{\Σ}{P}_{i,t,s}+\underset{l\∈N_{Lb1}}{\Σ}{F}_{l,t,s}-\underset{l\∈N_{Lb2}}{\Σ}{F}_{l,t,s}+\underset{m=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{m,b,t,s}=L_{b,t,s}$

$\∀b\∈N_b,\∀s\∈N_S$

式中，N_Lb1表示以节点b为首端节点的线路集合，N_Lb2表示以节点b为末端节点的线路集合，N_Gb表示与节点b相连的节点集合，L_b,t,s表示场景s下节点b在t时刻的总负荷，F_l,t,s表示场景s下线路l在t时刻潮流，包括已建线路和待选线路；D_m,b,t,s表示场景s下节点b采取需求侧管理手段m在时刻t所调节的负荷功率。

6.如权利要求4所述的低碳电网规划方法，其特征在于，所述需求侧管理手段调节能力如下式所示：

D_m,minL_b,t,s≤D_m,b,t,s≤D_m,maxL_b,t,s

$\∀b\∈N_b,m\∈N_D$

式中，D_m,min和D_m,max分别表示需求侧管理手段m所能调节负荷的最大最小能力。

7.如权利要求4所述的低碳电网规划方法，其特征在于，对于错峰、移峰及轮休措施所述电量不变的约束如下式所示：

$\underset{t=1}{\overset{24}{\Σ}}{D}_{m,b,t,s}=0,\∀b\∈N_b,s\∈N_S.$

8.如权利要求4所述的低碳电网规划方法，其特征在于，所述节点最大可调节负荷如下式所示：

$-T_{max,b}{L}_{b,t,s}\≤\underset{m}{\Σ}{D}_{m,b,t,s}\≤T_{max,b}{L}_{b,t,s}$

$\∀b\∈N_b,m\∈N_D$

式中，T_max,b表示b节点负荷的最大可调节比例，L_b,t,s表示场景s下节点b在t时刻的总负荷。