CN110766335B - 一种计及需求侧响应的区域电力规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及需求侧响应的区域电力规划方法，包括以下步骤：确定区域电力规划相关数据；包括用户类型，需求响应类型，各用户年度用电量，发电技术经济参数；评估需求侧响应市场潜力；根据评估的需求侧响应市场潜力，以区域总成本最小为优化目标建立计及需求响应的区域电力规划模型；求解模型，确定规划水平年各类电源的投产规模。本发明首先对电力需求响应市场潜力进行评估，在此基础上，将需求响应成本引入区域电力规划中，提出一种计及需求侧响应的区域电力规划方法，有效地确定区域规划水平年各类电源的投产规模，促进电力系统运行效率提升。

Description

一种计及需求侧响应的区域电力规划方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析的技术领域，具体涉及一种计及需求侧响应的区域电力规划方法。

背景技术

电力工业是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中优先发展重点。电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到重要作用，近些年来，随着电力在国民经济发展中作用的日益突出，电网规划正扮演着越来越重要的角色，电网作为联系电能生产企业与用户的桥梁，对供电的可靠性与稳定性不言而喻，电网规划作为电网建设中的重要一环，必须给予高度的重视。

电力需求响应是指电力用户根据价格信号或激励措施，改变固有用电模式，减少(增加)用电。通过实施需求响应，可平抑尖峰负荷以及减缓电网投资，促进电力系统运行效率提升。因此，将其引入电力规划是十分必要的。目前，针对电力需求响应进行了大量研究工作，但是，如何结合电力需求响应潜力评估制定电力规划方案，尚缺少有效的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种计及需求侧响应的区域电力规划方法，包括以下步骤：

确定区域电力规划相关数据；包括用户类型，需求响应类型，各用户年度用电量，发电技术经济参数；

评估需求侧响应市场潜力；

根据评估的需求侧响应市场潜力，以区域总成本最小为优化目标建立计及需求响应的区域电力规划模型；

求解模型，确定区域规划水平年各类电源的投产规模。

在上述方法中，所述评估需求侧响应市场潜力具体包括以下步骤：

确定需求侧响应项目；

分析各类用户响应特性；

评估各类用户的可削减负荷量；

评估需求侧响应市场潜力。

在上述方法中，所述评估需求侧响应市场潜力具体包括以下步骤：

(1)确定需求侧响应项目包括：

约定需求侧响应：此类项目面向区域大中型工商业用户和单位用户执行容量大的用户，包括可中断负荷项目、紧急需求响应项目。

实时需求侧响应：此类项目面向区域居民用户和中小规模的工商业用户，调控对象主要为非生产性空调负荷；

(2)分析各类用户响应特性

部门i的高峰负荷需求计算为：

式中，L_i表示部门i的高峰负荷需求，α_i表示部门i的平均高峰负荷系数，

表示部门i的年度用电总量；

(3)评估各类用户的可削减负荷量

部门i参与约定需求侧响应可削减负荷量为

C_i，1＝L_iβ_i，1 (2)

式中，β_i，1表示部门i参与约定需求侧响应时负荷削减百分比，表示为

式中，ρ_i,l表示部门i中用户l实际参与约定需求侧响应时负荷削减百分比，n_i，1表示部门i实际参与约定需求侧响应的用户数。

部门i参与实时需求侧响应可削减负荷量为：

C_i，2＝L_iβ_i，2 (4)

式中，β_i，2表示部门i参与实时需求侧响应时负荷削减百分比，表示为

式中，δ_i,l表示部门i中用户l实际参与实时需求侧响应时负荷削减百分比，n_i，2表示部门i实际参与实时需求侧响应的用户数。

(4)评估需求侧响应市场潜力

综合上述的分析，可得部门i需求侧响应市场潜力表示为：

D_i＝C_i，1γ_i，1+C_i，2γ_i，2 (6)

式中，γ_i，1表示部门i参与约定需求侧响应的参与率，γ_i，2表示部门i参与实时需求侧响应的参与率。

在上述方法中，所述目标函数形式如下：

式中，下标t代表年，T为规划周期，r为折现率，I_t、F_t、M_t分别表示区域水平年t的新增装机成本、燃料成本和需求响应补偿成本；

约束条件如下：

包括电力平衡约束、机组出力约束、发电资源约束、系统备用约束、机组爬坡约束。

在上述方法中，所述

①区域水平年t的新增装机成本I_t

式中，M表示电源类型总数，m表示电源类型，

表示各电源新增装机单位成本，

表示各电源逐年新增装机；

②区域水平年t的燃料成本F_t

式中，cf_t,m表示逐年各电源单位发电燃料成本，

表示逐年各电源累积发电量，J表示典型日集合，π_j表示典型日j包含的天数，ρ_t,j,s表示水平年t典型日j典型新能源发电出力场景s出现的概率，S为新能源发电出力场景总数，

表示各电源典型日j典型场景s对应的时段n出力，N_T为每天划分的时段数；

③区域水平年t的需求响应补偿成本可表示为：

式中，p_i为部门i进行需求侧响应的单位容量补偿成本，N为划分的部门数。

在上述方法中，所述求解模型包括直接调用GAMS、OPTI软件或开源数学规划包求解。

本发明首先对电力需求响应市场潜力进行评估，在此基础上，将污染物排放成本和需求响应成本引入区域电力规划中，提出一种计及需求侧响应的区域电力规划方法，有效地确定区域规划水平年各类电源的投产规模，促进电力系统运行效率提升。

附图说明

图1为本发明提供的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种计及需求侧响应的区域电力规划方法，包括以下步骤：

S1、确定区域电力规划相关数据；包括用户类型，需求响应类型，各各部门年度用电量，发电技术经济参数。

S2、评估需求侧响应市场潜力。

本实施例，为了便于说明，可以抽取行业典型用户负荷作为样本评估需求侧响应潜力；根据样本负荷容量占行业总负荷的比例，将评估结果作线性映射，进而得到该行业的需求侧响应潜力，整个区域的需求侧响应潜力由行业“自下而上”汇总得到。具体步骤如下。

(1)确定需求侧响应项目

分析需求侧响应潜力，首先要明确本实施例分析的需求响应项目类型，为便于说明，主要包括但不限于以下两类需求响应项目：

1)约定需求侧响应：此类项目面向大中型工商业用户和单位用户执行容量大的用户，包括可中断负荷项目、紧急需求响应项目等。

2)实时需求侧响应：此类项目面向居民用户和中小规模的工商业用户，调控对象主要为非生产性空调负荷。

(2)分析各类用户响应特性

本实施例将用户细分成了以下各类部门，如下表1所示。

表1各部门类型划分

序号(N)	各部门类型
		1	黑色金属冶炼和压延加工业
2	有色金属冶炼和压延加工业
		3	非金属矿物制品业
4	化学原料和化学制品制造业
		5	农副食品加工业
6	食品制造业
		7	酒、饮料及精制茶制造业
8	纺织业
		9	木材加工和木、竹、藤、棕、草制品业
10	造纸和纸制品业
		11	通用设备制造业
12	批发和零售业
		13	住宿和餐饮业
14	城乡居民生活

部门i的高峰负荷需求计算方法为：

式中，L_i表示部门i的高峰负荷需求，i＝1……N，α_i表示部门i的平均高峰负荷系数，可经统计得到，

表示部门i的年度用电总量。

(3)评估各类部门的可削减负荷量

部门i参与约定需求侧响应可削减负荷量为

C_i，1＝L_iβ_i，1 (2)

式中，β_i，1表示部门i参与约定需求侧响应时负荷削减百分比，表示为

式中，ρ_i,l表示部门i中用户l实际参与约定需求侧响应时负荷削减百分比，n_i，1表示部门i实际参与约定需求侧响应的用户数。

部门i参与实时需求侧响应可削减负荷量为：

C_i，2＝L_iβ_i，2 (4)

式中，β_i，2表示部门i参与实时需求侧响应时负荷削减百分比，表示为

式中，δ_i,l表示部门i中用户l实际参与实时需求侧响应时负荷削减百分比，n_i，2表示部门i实际参与实时需求侧响应的用户数。

(4)评估需求侧响应市场潜力

综合上述的分析，可得部门i需求侧响应市场潜力表示为：

D_i＝C_i，1γ_i，1+C_i，2γ_i，2 (6)

式中，γ_i，1表示部门i参与约定需求侧响应的参与率，γ_i，2表示部门i参与实时需求侧响应的参与率。

S3、根据评估的需求侧响应市场潜力，以区域总成本最小为优化目标建立计及需求响应的区域电力规划模型；具体包括以下计算步骤：

目标函数形式如下：

式中，下标t代表年，T为规划周期，r为折现率，I_t、F_t、M_t分别表示区域水平年t的新增装机投入成本、燃料成本和需求响应补偿成本，其中，

①区域水平年t的新增装机成本I_t

式中，M表示电源类型总数，下标m表示电源类型，

表示各电源新增装机单位投入成本，

表示各电源逐年新增装机。

②区域水平年t的燃料成本F_t

式中，cf_t,m表示逐年各电源单位发电燃料成本，

表示逐年各电源累积发电量，J表示典型日集合，π_j表示典型日j包含的天数，ρ_t,j,s表示水平年t典型日j典型新能源发电出力场景s出现的概率，S为新能源发电出力场景总数，

表示各电源典型日j典型场景s对应的时段n出力，N_T为每天划分的时段数。

③区域水平年t的需求响应补偿成本可表示为：

式中，p_i为部门i进行需求侧响应项目的单位容量补偿成本，N为划分的部门数。

约束条件如下：

包括以下几类约束方程：

电力平衡约束、机组出力约束、系统备用约束、机组爬坡约束等。

(1)电力平衡约束

式中，DL_t,j,n表示水平年t典型日j时段n的负荷需求；

表示水平年t典型日j时段n的蓄能水平。

(2)机组出力约束

机组出力需要机组约定出力上下限范围内，即：

式中，

和

分别表示机组出力上限和下限系数，

表示机组m在水平年t时的规划装机规模。

(3)系统备用约束

为保障系统电力供应安全，引入系统备用约束，即：

式中，γ_t,m为各机组容量置信系数，β_t为系统备用系数，MDL_t为逐年最大负荷。

(4)机组爬坡约束

式中，式(14)为电源上爬坡约束，式(15)为电源下爬坡约束；

和

分别表示逐年各电源上爬坡率和下爬坡率。

S4、求解模型，确定规划水平年各类电源的投产规模；本实施例，由于模型是线性模型，对于该模型的求解，可以直接调用GAMS、OPTI等成熟的优化软件或开源数学规划包进行模型求解。

下面通过具体案例来说明上述实施例。

1、需求响应潜力评估

(1)确定需求侧响应项目

本发明重点考察两类激励型可调度需求响应项目：约定需求侧响应和实时需求侧响应。

(2)分析各类用户响应特性

本发明获得了某地区若干用户在一个工作日未做出需求响应情形下的负荷曲线。依据上述方法汇总了2025年和2035年主要部门的预计总高峰需求，见表2所示。

表2主要行业部门总高峰需求

(3)评估各类用户的可削减负荷量

各部门可削减负荷量为见表3所示。

表3各部门用户需求响应效果

序号	主要部门	需求响应效果(负荷削减百分比)
			1	黑色金属冶炼和压延加工业	15％
2	有色金属冶炼和压延加工业	26％
			3	非金属矿物制品业	25％
4	化学原料和化学制品制造业	8％
			5	农副食品加工业	30％
6	食品制造业	18％
			7	酒、饮料及精制茶制造业	5％
8	纺织业	50％
			9	木材加工和木、竹、藤、棕、草制品业	17％
10	造纸和纸制品业	15％
			11	通用设备制造业	21％
12	批发和零售业	35％
			13	住宿和餐饮业	33％
14	城乡居民生活	10％

(4)评估需求侧响应市场潜力

本发明以国内实际案例和国际基准对照相结合作为主要技术，对部门需求响应参与率进行了估算。在估算参与率时，假设项目参与率将逐渐从2020年的水平上升到2035年的假设水平。表4给出不同里程碑年份估算的参与率。

表4未来里程碑年份(2025年和2035年)的部门参与率

表5给出了未来两个主要年份(2025年和2035年)需求响应市场潜力的评估结果。分析显示，该地区需求响应资源的市场潜力到2025年可达到32.2万千瓦，占当年预测高峰需求的3.0％。而到2035年，需求响应资源的市场潜力可达到48.3万千瓦，占当年预测高峰需求的3.1％。

表5行业需求响应潜力(单位：万千瓦)

2、电力规划结果分析

基于构建的计及需求响应的区域电力规划模型，代入各种类型发电成本，计算2018-2035年某地区电源发展情况以及总成本。在分析完基准方案后，接着对不考虑需求响应的情况进行分析，分析结果为提高电力基础设施利用效率提供了重要参考。

(1)发电技术经济参数

本案例参考《中国电力行业年度发展报告》、《火电工程限额设计参考造价指标》、《中国风电建设统计评价报告》等资料，各类型电源技术经济参数2018年全国平均水平取值如下表所示。

表7优化模型各种新增电源成本参数

煤电、气电、水电、和生物质能发电参数取全国平均水平，并根据未来各发电技术的造价成本、燃料成本等发展趋势，对中长期各参数取值进行预判。风电、太阳能发电由于其地区资源条件的不同，各地区的投资造价存在较大差异。根据风电、太阳能发电单位千瓦造价的区域分布及变化趋势，推算模型风电和太阳能发电造价水平的变化趋势。

(2)电源发展

2025年，该地区电源总装机将达到1221万千瓦，其中煤电731万千瓦，占比60％；新能源发展迅速，风电、光伏机组装机将达到347万千瓦，占比28％。2035年，该地区电源总装机将达到1762万千瓦，其中煤电975万千瓦，占比55％；风电、光伏机组装机将达到537万千瓦，占比达30％。

表8某地区电源装机结构(单位：万千瓦)

表9某地区发电量结构(单位：亿千瓦时)

(3)模型比较

为比较实施需求侧管理和储能对电源规划的影响，在基准方案中不考虑需求侧管理对电源规划的影响，系统关键指标(各成本已折算为现值)如表10和11所示。

表10不同方案下的关键指标比较

表11不同方案下的成本比较

根据模型计算结果，可知：

(1)基准方案中，2025年、2035年全地区最大负荷利用小时分别为5062小时、6137小时，相比不考虑需求响应的方案有所增加，可见，考虑需求响应时，电力基础设施的利用效率有所提高。

(2)在不考虑需求侧管理项目时，为满足系统电力约束，不得不增加系统装机容量。虽然减少了需求响应成本0.78亿元，但其装机成本和燃料成本均有所增加，总成本增加了20.62亿元。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种计及需求侧响应的区域电力规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定区域电力规划相关数据；包括用户类型，需求响应类型，各用户年度用电量，发电技术经济参数；

评估需求侧响应市场潜力；

根据评估的需求侧响应市场潜力，以区域总成本最小为优化目标建立计及需求响应的区域电力规划模型；

求解模型，确定区域规划水平年各类电源的投产规模；

其中，

所述评估需求侧响应市场潜力具体包括以下步骤：

确定需求侧响应项目；

分析各类用户响应特性；

评估各类用户的可削减负荷量；

评估需求侧响应市场潜力；具体的，

所述评估需求侧响应市场潜力具体包括以下步骤：

(1)确定需求侧响应项目包括：

约定需求侧响应：此类项目面向区域大中型工商业用户和单位用户执行容量大的用户，包括可中断负荷项目、紧急需求响应项目；

实时需求侧响应：此类项目面向区域居民用户和中小规模的工商业用户，调控对象主要为非生产性空调负荷；

(2)分析各类用户响应特性

行业i的高峰负荷需求计算为：

式中，L_i表示行业i的高峰负荷需求，α_i表示行业i的平均高峰负荷系数，

表示行业i的年度用电总量；

(3)评估各类用户的可削减负荷量

行业i参与约定需求侧响应可削减负荷量为

C_i，1＝L_iβ_i，1 (2)

式中，β_i，1表示行业i参与约定需求侧响应时负荷削减百分比，表示为

式中，ρ_i,l表示行业i中用户l实际参与约定需求侧响应时负荷削减百分比，n_i，1表示行业i实际参与约定需求侧响应的用户数；

行业i参与实时需求侧响应可削减负荷量为：

C_i，2＝L_iβ_i，2 (4)

式中，β_i，2表示行业i参与实时需求侧响应时负荷削减百分比，表示为

式中，δ_i,l表示行业i中用户l实际参与实时需求侧响应时负荷削减百分比，n_i，2表示行业i实际参与实时需求侧响应的用户数；

(4)评估需求侧响应市场潜力

综合上述的分析，可得行业i需求侧响应市场潜力表示为：

D_i＝C_i，1γ_i，1+C_i，2γ_i，2 (6)

式中，γ_i，1表示行业i参与约定需求侧响应的参与率，γ_i，2表示行业i参与实时需求侧响应的参与率。

2.如权利要求1所述的计及需求侧响应的区域电力规划方法，其特征在于，目标函数形式如下：

式中，下标t代表年，T为规划周期，r为折现率，I_t、F_t、M_t分别表示区域水平年t的新增装机成本、燃料成本和需求响应补偿成本；

约束条件如下：

包括电力平衡约束、机组出力约束、发电资源约束、系统备用约束、机组爬坡约束。

3.如权利要求2所述的计及需求侧响应的区域电力规划方法，其特征在于，所述

①区域水平年t的新增装机成本I_t可表示为：

式中，M表示电源类型总数，m表示电源类型，

表示各电源新增装机单位成本，

表示各电源逐年新增装机；

②区域水平年t的燃料成本F_t可表示为：

式中，cf_t,m表示逐年各电源单位发电燃料成本，

表示逐年各电源累积发电量，J表示典型日集合，π_j表示典型日j包含的天数，ρ_t,j,s表示水平年t典型日j典型新能源发电出力场景s出现的概率，S为新能源发电出力场景总数，

表示各电源典型日j典型场景s对应的时段n出力，N_T为每天划分的时段数；

③区域水平年t的需求响应补偿成本M_t可表示为：

式中，p_i为行业i进行需求侧响应的单位容量补偿成本，N为划分的行业数。

4.如权利要求1所述的计及需求侧响应的区域电力规划方法，其特征在于，所述求解模型包括直接调用GAMS、OPTI软件或开源数学规划包求解。

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