CN107527297A - 基于用户满意度的两阶段负荷需求响应模型 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以用户满意度为优化目标的基于节点电价的需求响应策略。该需求响应策略分为两个阶段，第一阶段为以整个系统用户侧用电满意度最高为优化目标进行空间维度负荷需求响应，得到第一阶段需求响应后的负荷后，将其带入含风电场的最优潮流模型，求出其节点电价作为需求响应第一阶段的电价；第二阶段以每一个节点在不同时刻的用电满意度为优化目标进行时间维度的负荷需求响应，得到第二阶段需求响应负荷之后，将其带入最优潮流模型，求出其节点电价作为第二阶段的电价。本发明属于电力系统优化运行技术，新能源并网技术，电力市场技术，最优潮流技术，需求响应技术等多种技术交叉的理论模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种两阶段负荷需求响应模型，具体的，涉及一种基于用户满意度的两阶段负荷需求响应模型，其属于电力系统优化运行技术，新能源并网技术，电力市场技术，最优潮流技术，需求响应技术等多种技术交叉的理论模型。
背景技术
电力系统持续增大的负荷造成峰谷差增大以及大规模新能源并网给电力系统安全，稳定运行带来的一系列问题是电力系统优化运行领域的经典问题之一。新能源发电具有间歇性，随机性以及波动性等特点，这些特点使得新能源发电具有很差的可控性，即风能，太阳能等可再生能源发电入网时会产生响应的功率波动，如何平抑其对电网造成的功率波动并提高电网对其消纳能力是亟待解决的问题。与此同时，在环境恶化和能源危机的背景下，智能电网的概念被提出来了，智能电网提出的“智能互动”包括信息和电能的双向互动，鼓励用户改变传统用电方式，积极参与电网运行，根据实时电价调整用电模式。由此可见，需求侧管理技术是建设智能电网的关键技术之一。需求侧管理技术包括通信技术，负荷控制技术等。
需求侧管理在上世纪70年代能源危机时备受青睐，它的初始目标是终端节电，降低能耗，提高能源使用效率。随着世界电力工业的发展，需求侧管理逐渐被赋予了新的涵义，一直到今天，需求侧管理是指通过采取有效措施，引导电力用户优化用电方式，提高终端用电效率，优化资源配置，改善和保护环境，实现最小成本电力服务所进行的用电管理活动的总称。
除此之外，本发明还涉及到最优潮流技术。最优潮流问题指的是在满足特定的系统运行和安全约束的条件下，通过调节系统中可利用的控制手段实现预定目标的稳定运行状态。它把电力系统经济调度和潮流计算有机融合到一起，以潮流方程为基础，进行经济与安全的全面优化，最终达到优化资源配置，降低发电，输电成本，提高对用户的服务质量的目的。实时电价的概念是1988年由Schweppe等人引入电力系统的，它将经济学中达到全社会效益最优的边际成本定价理论应用到电能这一特殊商品，强调了电能随时间和空间的不同而不同。随着最优潮流技术的飞速发展和日趋实用化，基于最优潮流的实时电价理论和表达式被提出来了，有学者揭示了OPF模型中潮流方程对应的拉格朗日乘子与节点功率注入边际成本之间的关系，进一步证明了OPF是一种极具潜力的实时电价计算方法。
虽然很多文献在基于电价信息下用户参与需求响应课题取得一定成果，但是针对电网中各用户基于节点电价信息，以用户满意度为优化目标同时在时间和空间2种维度下进行需求响应的文献不多。特别是大规模新能源并网造成的系统功率波动仅仅靠追踪负荷来调节发电侧来保证系统安全，稳定，经济运行是远远不够的，因此，根据用户节点电价信息，通过优化其用电方式，来达到平缓电价波动并促使用户积极主动参与电网用户侧互动行为。
发明内容
为了解决以上诸多问题，本发明提出了一种基于用户满意度的两阶段负荷需求响应模型。
本发明的技术解决方案如下：一种以用户侧用户满意度为目标进行两阶段需求响应策略，主要分为两部分：第一阶段负荷需求响应模型和第二阶段需求响应模型。在进行两阶段需求响应模型之前，首先要建立一个含风电场的最优潮流模型。其中最优潮流模型包括目标函数和约束条件两部分，最优潮流目标函数为所有常规机组的燃料费用最小。最优潮流约束条件包括等式约束和不等式约束，等式约束为系统有功功率和无功功率平衡，不等式约束包括发电机有功出力约束，发电机无功出力约束，有载调压变压器变比约束，节点电压幅值平方，支路电流平方上下限约束。风电场由若干双馈感应风力发电机组成，将风机模型当做PQ节点加入到潮流方程中，其风机有功出力与风速呈现分段函数，其有功出力曲线图如图1。建立了上述含风电场最优潮流模型之后，采用跟踪中心轨迹内点法进行求解最优潮流模型，根据短期边际成本定价理论，各节点的有功无功实时电价等于系统成本对各节点有功无功负荷的微增率，本模型中的潮流方程前的朗格朗日乘子正具有此经济意义，它代表了系统成本对节点注入功率的微增率。因此以潮流方程前的朗格朗日乘子作为节点电价进行两阶段需求响应。
第一阶段需求响应模型为：设定各负荷节点参与需求响应容量为当前节点负荷的10％，不带负荷的节点参与需求响应容量为不超过当前系统总负荷的10％，然后根据各节点在当前时刻下的节点电价，以用户满意度为优化目标进行空间负荷响应。用户满意度为用户用电舒适度和电费支出满意度的加权值，其中用电舒适满意度表示用户在不同时刻用电量相对于原来的改变量之和的程度，改变程度越大，用电舒适度越低；电费支出满意度表示电费支出高低的程度，电费越低电费支出满意度越高。将两者进行加权，权值的不同体现不同用户对用电方式改变和电费支出重视程度的不同，比如对于生产时间和用电要求严格的公司，用电舒适度的权值应该设置较大，而对于用电要求不严格，电费支出占成本很大比重的公司，电费支出满意度的权值应该设置较大。其模型为：
maxS
S＝γ1ε+γ2θ
γ1+γ2＝1
式中：μ表示需求响应程度，ε表示用电舒适满意度，θ表示电费支出满意度，N表示系统节点数目，ΔPi,t表示经过第一阶段需求响应相对未经过需求响应之前的符合改变量，表示未进行需求响应时的原始负荷。γ1，γ2分别表示用电舒适度和电费支出满意度的权值。同时，将需求响应得到的改变量求出响应之后的负荷，并代入最优潮流进行求解，如果通过安全性校验，则得到第一阶段负荷响应之后系统各节点的电价以及响应之后的节点负荷如果未通过安全性校验，可以将负荷进行微调再代入潮流方程进行求解。
第二阶段需求响应根据第一阶段负荷在各个时刻下响应之后得到的电价进行第二阶段需求响应，使得负荷在时间维度上也可以参与需求响应，最大限度的发挥用户侧需求响应的能力，第二阶段负荷需求响应模型为：
maxS
S＝γ1ε+γ2θ
γ1+γ2＝1
式中：T为所研究时段的总数目，同样，将第二阶段响应之后的负荷再代入最优潮流进行求解，若通过安全性校验，则得到第二阶段需求响应之后的节点电价和节点负荷，若未通过安全性校验，则进行负荷微调，再将负荷代入最优潮流模型进行求解。
优选的，所述基于用户满意度的两阶段负荷需求响应模型操作流程如下：
步骤一，根据某一地区系统日负荷数据按照比例换算成30节点系统的负荷数据；
步骤二，根据某一地区不同风电场风速数据带入双馈感应风力发电机数学模型计算出4个风电场在不同时刻的风电功率；
步骤三，建立以发电机燃料费用最小为目标函数的最优潮流模型；
步骤四，将步骤二计算出的风电功率当做PQ节点加入到步骤三所建立的最优潮流模型中；
步骤五，采用内点法求解以上最优潮流，得到系统各节点未进行需求响应之前的有功电价；
步骤六，将步骤五得出的电价代入到以用户满意度最大为目标的第一阶段负荷需求响应模型，采用非线性规划求解模型得出第一阶段响应后的各节点负荷响应量；
步骤七，根据求出的各节点负荷响应量求出响应后的负荷，将其代入最优潮流算出节点电价，作为第一阶段需求响应后的节点电价；
步骤八，将第一阶段响应后的电价代入到第二阶段需求响应模型进行求解，得出第二阶段响应后的各节点负荷响应量；
步骤九，根据求出的各节点负荷响应量求出响应后的负荷，将其代入最优潮流算出节点电价，作为第二阶段需求响应后的节点电价；
本发明与一般的两阶段负荷需求响应模型相比较，不是单纯地以电费最低作为优化目标，而是同时考虑了用电舒适度和电费支出满意度；其中电费支出是以节点电价来计算的，也不同于采用峰谷电价或者分时电价的计算方式。
附图说明
图1是双馈感应风力发电机有功出力曲线图。
图2是跟踪中心轨迹内点法求解最优潮流的程序框图。
图3是系统日负荷曲线图
图4是不同风电场的风速曲线图
图5是未经过需求响应各节点在不同时刻下的节点电价图
图6是经过第一阶段需求响应后的各节点在不同时刻下的节点电价图
图7是经过第二阶段需求响应后的各节点在不同时刻下的节点电价图
图8是第7时刻在三种不同阶段下各节点在不同时刻下的节点电价图
图9是模型一与模型二用电舒适度对比表格
图10是第13时刻在三种不同阶段下各节点在不同时刻下的节点电价图
图11是经过需求响应后在不同权值分配下在不同时刻下的满意度曲线
图12是整个算例求解流程图
图13是各节点在不同时刻的需求响应量分布
具体实施方式
本发明的优选实施例，但不作为本发明的限制，优选实施例结合附图详述如下：
将含有风电场的最优潮流模型用于IEEE-30节点测试系统，所有数据均以标幺值给出，功率基准值为100MWA，采用跟踪中心轨迹内点法进行求解，其求解流程如图2，其中，松弛变量设定为1.0，不等式约束下限和上限的拉格朗日乘子分别为10.0和-1.0，潮流方程的有功功率和无功功率的朗格朗日乘子分别为10-10和-10-10，需求响应容量设为10％。
选取某一地区日负荷曲线，如图3，并按照一定比例换算成IEEE-30节点系统的负荷变化曲线，换算过程始终保持系统各节点功率因素角不变，研究时段可以任意选取，比如1小时计算一次，2小时计算一次，本算例以3小时测测算一次，其他类似。然后选取某四个地区的风速数据，每个风电场由30台双馈感应风力发电机组成，每台双馈感应风力发电机的额定容量为600KW，然后将4个等值的风电场接入IEEE-30节点系统的13，20,26,30号节点，风速数据如图4所示。
本发明实现操作的流程如下：
步骤一，根据某一地区系统日负荷数据按照比例换算成IEEE-30节点系统的负荷数据；
步骤二，根据某一地区不同风电场风速数据带入双馈感应风力发电机数学模型计算出4个风电场在不同时刻的风电功率；
步骤三，建立以发电机燃料费用最小为目标函数的最优潮流模型；
步骤四，将步骤二计算出的风电功率当做PQ节点加入到步骤三所建立的最优潮流模型中；
步骤五，采用内点法求解以上最优潮流，得到系统各节点未进行需求响应之前的有功电价；
步骤六，将步骤五得出的电价代入到以用户满意度最大为目标的第一阶段负荷需求响应模型，采用非线性规划求解模型得出第一阶段响应后的各节点负荷响应量；
步骤七，根据求出的各节点负荷响应量求出响应后的负荷，将其代入最优潮流算出节点电价，作为第一阶段需求响应后的节点电价；
步骤八，将第一阶段响应后的电价代入到第二阶段需求响应模型进行求解，得出第二阶段响应后的各节点负荷响应量；
步骤九，根据求出的各节点负荷响应量求出响应后的负荷，将其代入最优潮流算出节点电价，作为第二阶段需求响应后的节点电价；
通过分析本发明中图5，图6和图7，分析以上三个阶段各个节点在不同时刻下的节点电价图可以发现，以用户满意度为优化目标的两阶段需求响应具有降低电价峰谷差的效果，且其中大部分电价都得到了降低，少部分节点和时刻电价有略微上升。
从图8可以看出，第7时刻各节点电价在经过需求响应之后电价略微有所抬升，这是因为相比与模型一只考虑电费支出，还考虑了用户用电舒适度，这样就会以牺牲电价上涨为代价来换取用户用电舒适度的上升，可以看出图9中，用电舒适度有了大幅度提升，是很合理的.
通过图11我们发现，将情形(1)和情形(4)对比，发现电费支出满意度权值越高，整个用户侧用电满意度越高，而且电费支出满意度相比用电舒适满意度占有相对较高的地位，它的权值大小直接影响最后用户用电满意度的高低，两者成正相关。
从图13可以看出，需求响应改变量以1号节点和5号节点最多。1号节点需求响应量改变多是因为1号节点为不带负荷的节点，需求响应量为整个系统负荷的10％，所以其他价格较高的节点会将负荷转移到1号节点。5号节点需求响应量多是因为5号节点原始负荷占整个系统总负荷的比例较高，故需求响应容量也比其他节点要高，故此需求响应改变量较多。
Claims (2)
1.基于用户满意度的两阶段负荷需求响应模型，主要分为两部分：第一阶段负荷需求响应模型和第二阶段需求响应模型。在进行两阶段需求响应模型之前，首先要建立一个含风电场的最优潮流模型。其中最优潮流模型包括目标函数和约束条件两部分，最优潮流目标函数为所有常规机组的燃料费用最小。最优潮流约束条件包括等式约束和不等式约束，等式约束为系统有功功率和无功功率平衡，不等式约束包括发电机有功出力约束，发电机无功出力约束，有载调压变压器变比约束，节点电压幅值平方，支路电流平方上下限约束。风电场由若干双馈感应风力发电机组成，将风机模型当做PQ节点加入到潮流方程中，其风机有功出力与风速呈现分段函数，其有功出力曲线图如图1。建立了上述含风电场最优潮流模型之后，采用跟踪中心轨迹内点法进行求解最优潮流模型，根据短期边际成本定价理论，各节点的有功无功实时电价等于系统成本对各节点有功无功负荷的微增率，本模型中的潮流方程前的朗格朗日乘子正具有此经济意义，它代表了系统成本对节点注入功率的微增率。因此以潮流方程前的朗格朗日乘子作为节点电价进行两阶段需求响应。
第一阶段需求响应模型为：设定各负荷节点参与需求响应容量为当前节点负荷的10％，不带负荷的节点参与需求响应容量为不超过当前系统总负荷的10％，然后根据各节点在当前时刻下的节点电价，以用户满意度为优化目标进行空间负荷响应。用户满意度为用户用电舒适度和电费支出满意度的加权值，其中用电舒适满意度表示用户在不同时刻用电量相对于原来的改变量之和的程度，改变程度越大，用电舒适度越低；电费支出满意度表示电费支出高低的程度，电费越低电费支出满意度越高。将两者进行加权，权值的不同体现不同用户对用电方式改变和电费支出重视程度的不同，比如对于生产时间和用电要求严格的公司，用电舒适度的权值应该设置较大，而对于用电要求不严格，电费支出占成本很大比重的公司，电费支出满意度的权值应该设置较大。其模型为：
max S
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式中：μ表示需求响应程度，ε表示用电舒适满意度，θ表示电费支出满意度，N表示系统节点数目，ΔPi,t表示经过第一阶段需求响应相对未经过需求响应之前的符合改变量，表示未进行需求响应时的原始负荷。γ1，γ2分别表示用电舒适度和电费支出满意度的权值。同时，将需求响应得到的改变量求出响应之后的负荷，并代入最优潮流进行求解，如果通过安全性校验，则得到第一阶段负荷响应之后系统各节点的电价以及响应之后的节点负荷如果未通过安全性校验，可以将负荷进行微调再代入潮流方程进行求解。
第二阶段需求响应根据第一阶段负荷在各个时刻下响应之后得到的电价进行第二阶段需求响应，使得负荷在时间维度上也可以参与需求响应，最大限度的发挥用户侧需求响应的能力，第二阶段负荷需求响应模型为：
max S
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式中：T为所研究时段的总数目，同样，将第二阶段响应之后的负荷再代入最优潮流进行求解，若通过安全性校验，则得到第二阶段需求响应之后的节点电价和节点负荷，若未通过安全性校验，则进行负荷微调，再将负荷代入最优潮流模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的基于用户满意度的两阶段负荷需求响应模型，其特征在于，其算例流程如下：
步骤一，根据某一地区系统日负荷数据按照比例换算成IEEE-30节点系统的负荷数据；
步骤二，根据某一地区不同风电场风速数据带入双馈感应风力发电机数学模型计算出4个风电场在不同时刻的风电功率；
步骤三，建立以发电机燃料费用最小为目标函数的最优潮流模型；
步骤四，将步骤二计算出的风电功率当做PQ节点加入到步骤三所建立的最优潮流模型中；
步骤五，采用内点法求解以上最优潮流，得到系统各节点未进行需求响应之前的有功电价；
步骤六，将步骤五得出的电价代入到以用户满意度最大为目标的第一阶段负荷需求响应模型，采用非线性规划求解模型得出第一阶段响应后的各节点负荷响应量；
步骤七，根据求出的各节点负荷响应量求出响应后的负荷，将其代入最优潮流算出节点电价，作为第一阶段需求响应后的节点电价；
步骤八，将第一阶段响应后的电价代入到第二阶段需求响应模型进行求解，得出第二阶段响应后的各节点负荷响应量；
步骤九，根据求出的各节点负荷响应量求出响应后的负荷，将其代入最优潮流算出节点电价，作为第二阶段需求响应后的节点电价。
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| CN201710637062.7A Pending CN107527297A (zh) | 2017-07-28 | 2017-07-28 | 基于用户满意度的两阶段负荷需求响应模型 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107527297A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108629501A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-10-09 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 基于用能意愿及负荷特性的需求响应用户自动筛选方法 |
| CN113054687A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-29 | 华北电力大学 | 一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法 |
-
2017
- 2017-07-28 CN CN201710637062.7A patent/CN107527297A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108629501A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-10-09 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 基于用能意愿及负荷特性的需求响应用户自动筛选方法 |
| CN113054687A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-29 | 华北电力大学 | 一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法 |
| CN113054687B (zh) * | 2021-03-19 | 2023-11-03 | 华北电力大学 | 一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法 |
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