CN106887843A - 一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，首先基于需求弹性估计出用户的缺电成本。系统备用成本由容量成本和实时调用电量成本两部分组成，分别根据容量成本和实时调用电量成本计算模型估计系统备用成本。再以用户缺电成本和系统备用成本之和最低为目标，考虑系统的功率平衡、备用容量最小值限制、发电机组出力及旋转备用的上下限和系统静态安全等约束条件，计算系统最优备用容量。本发明提供的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，将需求侧资源纳入备用资源考虑，可以有效降低发电侧的备用容量，提高系统设备利用率。

Description

一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法

技术领域

本发明涉及一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，属于电力系统规划技术领域。

背景技术

需求响应已经被证明可以通过价格信号、签订合同等措施引导用户调整用电方式，从而起到移峰填谷、提高负荷率的作用，有效提高电力系统运行效率和供电可靠性。而强健的电力系统还要求有充足的备用容量维持电力系统调峰、调频的顺利展开，同时保证紧急情况下系统安全稳定运行。随着电力工业改革进程的深人，引入价格竞争机制，组织发电厂商进行备用服务竞价，获取系统所需的备用容量，对备用机组支付容量费用，是电力市场建设的重要内容。

根据发电机组的响应速度，备用可分为调节备用、旋转备用、非旋转备用或替代备用等几类。在这几类备用中，调节备用用于瞬时响应系统运行状态轻微变化引起的频率波动，只有装有自动发电控制装置AGC的发电机组才能提供这种备用，在系统实时运行中调节备用将被频繁调用。系统中负荷发生较大变化或发电机故障造成的功率缺额则由旋转备用和非旋转备用或替代备用来承担。随着电力市场体制的不断深化，电力系统的各参与者在考虑电力系统的安全可靠性之外，越来越多地开始考虑自身的经济效益，在这一背景下，研究适应市场体制的电力系统备用容量机制已成为必需。

当系统处于十分紧急的态势时，强制切负荷是迫不得已的手段。但随着社会文明程度和电力市场的发展，过多使用强制切负荷手段可能会造成用户的过大损失，显然不能被电力用户所接受，同时也不利于电力市场的平稳运行。可中断负荷管理使用户的自我需求管理积极性得到一定程度的提高。对于具有一定负荷弹性和快速调节能力的电力用户，在系统负荷高峰期或紧急情况一下发电容量不足时，如果主动采用调控手段，在允许的时间内削减部分负荷，也就相当于向系统提供了旋转备用，可减少系统短时功率缺额，对保证安全运行具有重要作用。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，包括如下步骤：

步骤一：基于价格弹性理论计算用户的削负荷成本即缺电成本；

步骤二：计算系统的备用成本；

步骤三：建立系统最优备用容量决策模型的目标函数；

步骤四：确定系统最优备用容量决策模型的约束条件；

步骤五：根据目标函数与约束条件，求解出目标函数中备用容量，即为系统最优备用容量。

所述步骤一：包括如下步骤：

1a：假定第j个用户的电力需求为指数形式的曲线，即：

P_dj(p)＝kp^ε

式中，ε表示电力的需求弹性，由定义有：

若正常情况下，该用户的电力需求量为P_dj0，支付的电价为p₀，则：

1b：消费者剩余的损失为：

由上式可知，计算需求响应后，单位容量的缺电成本随市场平衡点(P_dj0,p₀)变动，所产生的总缺电成本可用消费者剩余的损失计算函数式计算得出C_Dj(ΔP_dj)。

所述步骤二包括如下步骤：

2a：系统的备用成本是容量成本和实时调用电量成本两部分组成；用下式表示：

C_G(G_stb,Q)＝G_stbp_c+Qp_e

式中，C_G(G_stb,Q)为备用成本，G_stb为备用容量，p_c和p_e分别为备用容量单位边际价格和电量单位边际价格；

2b：Q与系统中发电机的强迫停运率有关，用下式表示：

式中：N_i为节点i上发电机的集合,为该集合内发电机的个数；M_G为系统内所有发电机节点集合，为该集合内节点的个数；η_im为节点i上第m台发电机的强迫停运率，为已知常数；Q_im为当节点i上第m台发电机停运时投入的备用容量。

所述步骤三包括：建立起以系统同时调用备用成本和削减负荷成本投入为最小值的目标函数：

式中，ΔP_d为由ΔP_dj组成的向量；G_stb为备用容量是待定量；Q为实际被调用的备用容量，即备用的需求量；M_d为系统所有负荷节点集合；C_Dj(ΔP_dj)为用户j的削减负荷成本；C_G(G_stb,Q)为备用成本。

所述约束条件为：对有N个节点的系统，各节点上的发电机、负荷消耗必须满足有功功率、无功功率平衡方程：

式中，i＝1,2,…,N；P_Gi和Q_Gi分别表示节点i所有发电机发出的有功功率和无功功率；P_Di和Q_Di分别表示节点i所有负荷消耗的有功功率和无功功率；U_i和U_j分别表示节点i和节点j的电压幅值；G_ij和B_ij分别表示节点i和节点j之间的电导和电纳；θ_ij表示节点i和节点j之间的相位差；当负荷的功率因数为时，设为常数，负荷的无功功率

所述约束条件还包括：参与旋转备用容量和用户提供的备用容量之和必须满足系统对旋转备用容量P_SR的要求：

式中，P_SRi表示第i个参与旋转备用的发电机组提供的备用容量；N_SR表示参与旋转备用的发电机组数量；P_DRj表示第j个用户提供的备用容量；N_DR表示用户数量。

所述约束条件还包括：发电机出力和提供的旋转备用容量在额定范围内：

P _Gi≤P_Gi

式中，P_Gi表示第i台发电机的实际有功出力；P _Gi表示第i台发电机有功出力的最小值；

式中，P_SRi表示第i个发电机组提供的备用容量；表示第i台发电机有功出力的最大值；

式中，表示第i个发电机组提供的备用容量的最大值；

式中，Q_Gi表示第i台发电机的实际无功出力；Q _Gi和分别表示第i台发电机无功出力的最小值和最大值。

所述约束条件还包括：用户消耗的功率和通过主动切负荷提供的备用容量在用户所能承受的范围内：

式中，P_Di表示用户i的有功负荷，表示用户i有功负荷上限值；

P _Di≤P_Di-P_DRi

式中，P _Di表示用户i有功负荷的下限值，P_DRi表示用户i削减的有功负荷值；

式中，表示用户i削减有功负荷的上限值。

所述约束条件还包括：系统安全运行必须满足的节点电压U和支路f-t及t-f上的功率S_ft,S_tf静态安全约束：

式中，U_i表示节点i电压幅值，U _i和分别表示节点i电压幅值的下限和上限；

式中系统支路数为l，j＝1,2,…,l，S_ftj表示第j条支路的视在功率，表示第j条支路视在功率的上限值。

有益效果：本发明提供的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，为了保证系统供电稳定性，发电侧通常会有足够的备用容量，但是备用容量太大，会导致系统设备利用率较低。为了解决系统备用容量大的问题，本发明将需求侧资源纳入备用资源考虑，可以有效降低发电侧的备用容量，提高系统设备利用率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明电力需求弹性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，首先基于需求弹性估计出用户的缺电成本，然后，根据系统备用成本计算模型计算出系统备用成本。再以用户缺电成本和系统备用成本之和最低为目标，考虑系统的功率平衡、备用容量最小值限制、发电机组出力及旋转备用的上下限和系统静态安全等约束条件，计算系统最优备用容量。

具体包括以下步骤：

1)基于价格弹性理论计算用户的削负荷成本即缺电成本。需求的价格弹性较好地反映了用户对于电量的需求和愿意支付的费用之间的关系，对于一个成熟的市场环境，由于一定量的负荷削减产生的缺电成本由需求弹性得出较为准确。图2为第j个用户的电力需求弹性曲线，横坐标P_d是电力用户需求量，纵坐标p是需求量为P_d时的电价。根据经济学理论，消费者剩余为需求曲线P_dj、直线Ap₀以及p轴围绕部分面积。当系统中有某台发电机组出现强迫停运时，该用户要求削减ΔP_dj的用电负荷，此时消费者剩余的损失即为图中ABC阴影部分面积。由图中很容易看出，消费者剩余损失的大小和市场的平衡点(P_dj0,p₀)有关，如果市场平衡点不同，即使用户削减的负荷量相同，消费者剩余的损失可能相差较大，如果根据固定缺电成本进行补偿可能造成与实际缺电成本的不一致，在过补偿和欠补偿时可能导致用户投机行为的产生或者遭受损失。

假定第j个用户的电力需求为指数形式的曲线，即：

P_dj(p)＝kp^ε (3)

式中，ε表示电力的需求弹性，由定义有：

若正常情况下，该用户的电力需求量为P_dj0，支付的电价为p₀，则：

因此，图2中阴影部分面积即消费者剩余的损失为：

由式(7)可知，计算需求响应后，单位容量的缺电成本随市场平衡点(P_dj0,p₀)变动，所产生的总缺电成本可用消费者剩余的损失计算函数式计算得出C_Dj(ΔP_dj)。

2)计算系统的备用成本。系统备用成本是容量成本和实时调用电量成本两部分组成。可以用下式表示：

C_G(G_stb,Q)＝G_stbp_c+Qp_e (8)

式中，C_G(G_stb,Q)为备用成本，G_stb为备用容量，p_c和p_e分别为备用容量单位边际价格和电量单位边际价格；Q与系统中发电机的强迫停运率有关，可以用下式表示：

式中:N_i为节点i上发电机的集合,为该集合内发电机的个数；M_G为系统内所有发电机节点集合，为该集合内节点的个数；η_im为节点i上第m台发电机的强迫停运率，为已知常数；Q_im为当节点i上第m台发电机停运时投入的备用容量。

3)建立系统最优备用容量决策模型的目标函数。为保证系统可靠性和备用投入经济性，建立起以系统同时调用备用成本和削减负荷成本投入为最小值的目标函数：

式中，ΔP_d为由ΔP_dj组成的向量；G_stb为备用容量是待定量；Q为实际被调用的备用容量，即备用的需求量；M_d为系统所有负荷节点集合；C_Dj(ΔP_dj)为用户j的削减负荷成本；C_G(G_stb,Q)为备用成本。

4)确定系统最优备用容量决策模型的约束条件。

(1)对有N个节点的系统，各节点上的发电机、负荷消耗必须满足有功功率、无功功率平衡方程：

式中，i＝1,2,…,N；P_Gi和Q_Gi分别表示节点i所有发电机发出的有功功率和无功功率；P_Di和Q_Di分别表示节点i所有负荷消耗的有功功率和无功功率；U_i和U_j分别表示节点i和节点j的电压幅值；G_ij和B_ij分别表示节点i和节点j之间的电导和电纳；θ_ij表示节点i和节点j之间的相位差。

当负荷的功率因数为时，设为常数，负荷的无功功率

(2)参与旋转备用容量和用户提供的备用容量之和必须满足系统对旋转备用容量P_SR的要求：

式中，P_SRi表示第i个参与旋转备用的发电机组提供的备用容量；N_SR表示参与旋转备用的发电机组数量；P_DRj表示第j个用户提供的备用容量；N_DR表示用户数量。

(3)发电机出力和提供的旋转备用容量在额定范围内：

P _Gi≤P_Gi (13)

式中，P_Gi表示第i台发电机的实际有功出力；P _Gi表示第i台发电机有功出力的最小值。

式中，P_SRi表示第i个发电机组提供的备用容量；表示第i台发电机有功出力的最大值。

式中，表示第i个发电机组提供的备用容量的最大值。

式中，Q_Gi表示第i台发电机的实际无功出力；Q _Gi和分别表示第i台发电机无功出力的最小值和最大值。

(4)用户消耗的功率和通过主动切负荷提供的备用容量在用户所能承受的范围内：

式中，P_Di表示用户i的有功负荷，表示用户i有功负荷上限值。

P _Di≤P_Di-P_DRi (18)

式中，P _Di表示用户i有功负荷的下限值，P_DRi表示用户i削减的有功负荷值。

式中，表示用户i削减有功负荷的上限值。

(5)系统安全运行必须满足的节点电压U和支路f-t及t-f上的功率S_ft,S_tf等静态安全约束：

式中，U_i表示节点i电压幅值，U _i和分别表示节点i电压幅值的下限和上限。

式中系统支路数为l，j＝1,2,…,l，S_ftj表示第j条支路的视在功率，表示第j条支路视在功率的上限值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：基于价格弹性理论计算用户的削负荷成本即缺电成本；

步骤二：计算系统的备用成本；

步骤三：建立系统最优备用容量决策模型的目标函数；

步骤四：确定系统最优备用容量决策模型的约束条件；

步骤五：根据目标函数与约束条件，求解出目标函数中备用容量，即为系统最优备用容量。

2.根据权利要求1所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述步骤一：包括如下步骤：

1a：假定第j个用户的电力需求为指数形式的曲线，即：

P_dj(p)＝kp^ε

式中，ε表示电力的需求弹性，由定义有：

$\mathrm{\ϵ}=e_D=\frac{{\mathrm{dP}}_{dj}}{dp}\frac{p}{P_{dj}}$

若正常情况下，该用户的电力需求量为P_dj0，支付的电价为p₀，则：

$k=\frac{P_{dj0}}{p_0^{\mathrm{\ϵ}}}$

1b：消费者剩余的损失为：

$C_{Dj}\left({\mathrm{\ΔP}}_{dj}\right)={\∫}_{P_{dj0}-{\mathrm{\ΔP}}_{dj}}^{P_{dj0}}\[{\left(\frac{P_{dj}}{k}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}}-p_0\]=\frac{p_0}{P_{dj0}^{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}}(1+\frac{1}{\mathrm{\ϵ}})}\[P_{dj0}^{(1+\frac{1}{\mathrm{\ϵ}})}-{(P_{dj0}-{\mathrm{\ΔP}}_{dj})}^{(1+\frac{1}{\mathrm{\ϵ}})}\]-p_0{\mathrm{\ΔP}}_{dj}$

$\frac{{\mathrm{dC}}_{Dj}\left({\mathrm{\ΔP}}_{dj}\right)}{{\mathrm{d\ΔP}}_{dj}}=\frac{p_0}{P_{dj0}^{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}}}{(P_{dj0}-{\mathrm{\ΔP}}_{dj})}^{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}}-p_0$

由上式可知，计算需求响应后，单位容量的缺电成本随市场平衡点(P_dj0,p₀)变动，所产生的总缺电成本可用消费者剩余的损失计算函数式计算得出C_Dj(ΔP_dj)。

3.根据权利要求1所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述步骤二包括如下步骤：

2a：系统的备用成本是容量成本和实时调用电量成本两部分组成；用下式表示：

C_G(G_stb,Q)＝G_stbp_c+Qp_e

式中，C_G(G_stb,Q)为备用成本，G_stb为备用容量，p_c和p_e分别为备用容量单位边际价格和电量单位边际价格；

2b：Q与系统中发电机的强迫停运率有关，用下式表示：

$Q=\underset{i\∈M_G}{\Σ}\underset{m\∈N_i}{\Σ}{\mathrm{\η}}_{im}{Q}_{im}$

式中：N_i为节点i上发电机的集合,为该集合内发电机的个数；M_G为系统内所有发电机节点集合，为该集合内节点的个数；η_im为节点i上第m台发电机的强迫停运率，为已知常数；Q_im为当节点i上第m台发电机停运时投入的备用容量。

4.根据权利要求1所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述步骤三包括：建立起以系统同时调用备用成本和削减负荷成本投入为最小值的目标函数：

$\min F(G_{stb},Q,{\mathrm{\ΔP}}_d)=C_G(G_{stb},Q)+\underset{j\∈M_d}{\Σ}{C}_{Dj}\left({\mathrm{\ΔP}}_{dj}\right)$

式中，ΔP_d为由ΔP_dj组成的向量；G_stb为备用容量是待定量；Q为实际被调用的备用容量，即备用的需求量；M_d为系统所有负荷节点集合；C_Dj(ΔP_dj)为用户j的削减负荷成本；C_G(G_stb,Q)为备用成本。

5.根据权利要求1所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述约束条件为：对有N个节点的系统，各节点上的发电机、负荷消耗必须满足有功功率、无功功率平衡方程：

$\left\{\begin{array}{c}{g}_{pi}({\mathrm{\θ}}_i,U_i,P_{Gi},P_{Di})=P_{Gi}-P_{Di}-\\ U_i\underset{j\∈i}{\Σ}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})=0\\ g_{qi}({\mathrm{\θ}}_i,U_i,Q_{Gi},Q_{Di})=Q_{Gi}-Q_{Di}-\\ U_i\underset{j\∈i}{\Σ}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})=0\end{array}\right.$

式中，i＝1,2,…,N；P_Gi和Q_Gi分别表示节点i所有发电机发出的有功功率和无功功率；P_Di和Q_Di分别表示节点i所有负荷消耗的有功功率和无功功率；U_i和U_j分别表示节点i和节点j的电压幅值；G_ij和B_ij分别表示节点i和节点j之间的电导和电纳；θ_ij表示节点i和节点j之间的相位差；当负荷的功率因数为时，设为常数，负荷的无功功率

6.根据权利要求5所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述约束条件还包括：参与旋转备用容量和用户提供的备用容量之和必须满足系统对旋转备用容量P_SR的要求：

$P_{SR}\≤\underset{i=1}{\overset{N_{SR}}{\Σ}}{P}_{SRi}+\underset{i=1}{\overset{N_{DR}}{\Σ}}{P}_{DRi}$

式中，P_SRi表示第i个参与旋转备用的发电机组提供的备用容量；N_SR表示参与旋转备用的发电机组数量；P_DRj表示第j个用户提供的备用容量；N_DR表示用户数量。

7.根据权利要求6所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述约束条件还包括：发电机出力和提供的旋转备用容量在额定范围内：

P _Gi≤P_Gi

式中，P_Gi表示第i台发电机的实际有功出力；P _Gi表示第i台发电机有功出力的最小值；

$P_{Gi}+P_{SRi}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{Gi}$

式中，P_SRi表示第i个发电机组提供的备用容量；表示第i台发电机有功出力的最大值；

$0\≤P_{SRi}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{SRi}$

式中，表示第i个发电机组提供的备用容量的最大值；

${\underset{\‾}{Q}}_{Gi}\≤Q_{Gi}\≤{\stackrel{\‾}{Q}}_{Gi}$

式中，Q_Gi表示第i台发电机的实际无功出力；Q _Gi和分别表示第i台发电机无功出力的最小值和最大值。

8.根据权利要求7所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述约束条件还包括：用户消耗的功率和通过主动切负荷提供的备用容量在用户所能承受的范围内：

$P_{Di}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{Di}$

式中，P_Di表示用户i的有功负荷，表示用户i有功负荷上限值；

P _Di≤P_Di-P_DRi

式中，P _Di表示用户i有功负荷的下限值，P_DRi表示用户i削减的有功负荷值；

$0\≤P_{DRi}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{DRi}$

式中，表示用户i削减有功负荷的上限值。

9.根据权利要求8所述的一种考虑需求响应的系统备用容量决策方法，其特征在于：所述约束条件还包括：系统安全运行必须满足的节点电压U和支路f-t及t-f上的功率S_ft,S_tf静态安全约束：

${\underset{\‾}{U}}_i\≤U_i\≤{\stackrel{\‾}{U}}_i$

式中，U_i表示节点i电压幅值，U _i和分别表示节点i电压幅值的下限和上限；

$S_{ftj}\≤{\stackrel{\‾}{S}}_{ftj},S_{tfj}\≤{\stackrel{\‾}{S}}_{tfj}$

式中系统支路数为l，j＝1,2,…,l，S_ftj表示第j条支路的视在功率，表示第j条支路视在功率的上限值。