CN112636336B - 一种电力负荷峰谷差控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力负荷峰谷差控制方法,包括以下步骤:(1)用户互动成本建模;(2)用户响应特性建模,得到用户的响应特性;求解用户类型和互动成本函数的系数;(3)互动效益建模,确定电网可避免容量成本、电网可避免运行成本、用户可靠性效益;(4)建立优化模型,确定优化目标函数和优化约束条件;(5)在优化模型的基础上,采用遗传算法优化出补贴电价、电网效益、用户效益、用户互动量、峰谷差降低值和峰谷差率;(6)根据用户互动量进行效益分摊,获取等效电价。本发明能够改善负荷曲线,减小峰谷差,缓解供电压力;本发明通过促进需求侧主动响应,达到控制峰谷差的目的,不但保证了供电质量,且减少了设备投资,节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统需求响应控制方法,尤其涉及一种电力负荷峰谷差控制方法。
背景技术
在供用电关系日益紧张的当下,为适应日负荷变化的需求,保证供电质量,广泛采用水电机组调峰,在以火电为主的电力系统则应装设调峰机组,如安装抽水蓄能机组,在低谷时抽水,高峰时发电,既增加高峰时发电出力又改善负荷曲线,可以减小峰谷差。但这样会增加设备投资,而且会造成环境污染。所以为减小负荷峰谷差,常采取负荷管理办法,如对参与互动的用户给予一定的补偿。
发明内容
发明目的:针对现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种能够改善负荷曲线,减小峰谷差,缓解供电压力的电力负荷峰谷差控制方法。
技术方案:本发明所述的一种电力负荷峰谷差控制方法,包括如下内容:
(1)用户互动成本建模;
(2)用户响应特性建模,得到用户的响应特性;求解用户类型和互动成本函数的系数;
(3)互动效益建模,确定电网可避免容量成本、电网可避免运行成本、用户可靠性效益;
(4)建立优化模型,确定优化目标函数和优化约束条件;
(5)在优化模型的基础上,采用遗传算法优化出补贴电价、电网效益、用户效益、用户互动量、峰谷差降低值和峰谷差率;
(6)根据用户互动量进行效益分摊,获取等效电价。
进一步的,步骤(1)所述的用户互动成本建模,具体包括如下内容:
用x表示用户互动量,同时引入参数θ来描述不同类型的用户,0≤θ≤1,用以表征用户参与互动的意愿程度,θ越大,表示用户越愿意参与互动,其提供的互动量也越大;
定义用户互动成本函数表示为c(θ,x),作出如下限定:
提出二次型互动成本函数,并采用泰勒级数二次展开式获得用户θ的互动成本函数:
其中,θ为描述用户类型的连续变量;c0、a、b、d0、e、f为常数,表征用户互动成本与互动量之间的关系;x为用户的互动量,且c(θ,0)=0,即当用户的互动量为零时,无论其用户类型为多少,其互动成本为零,因此常数c0=0,且:
c(θ,x)=K1x2+K2x-K2xθ;
进一步的,步骤(2)具体包括如下内容:
用户响应特性由用户的历史用电量数据初步拟合成三次函数:
F(p)=mp3+tp2+lp+k;
其中,p表示用户的统一补贴单价;m、t、l、k为常数,表示用户响应特性与补贴单价的关系;
当用户的统一补贴单价p确定时,由响应特性可知用户i的用户互动量xi,此时用户由于互动所分摊的效益为p*xi,由用户的互动成本模型得到用户各自的成本为ci;则各用户的收益为p*xi-ci,令其一阶导数为0,有:
p-2K1xi-K2+K2θ=0;
若有n个用户响应,则会产生n个方程和n+2个未知量,即K1、K2及所有的θ;由于θ∈[0,1],将互动量最大和最小的用户设为1和0;由n个方程求n个未知数,得到系数K1、K2和所有的用户类型θ。
步骤(3)中,电网可避免容量成本、电网可避免运行成本、用户可靠性效益的计算公式如下:
电网可避免容量成本B1:
B1=ΔPG×β1;
式中,β1为可避免容量成本的折算因子;
其中,ΔPi第i个用户降低的峰荷值;σ为用户同时率;λ为系统备用容量系数;α为电网配电损失系数;N为用户总数。
电网可避免运行成本B2:
B2=ΔEG×ω;
式中,ω为可避免电量的折算因子;
其中,l为终端配电损失数;α为电网配电损失系数;ΔEi为用户i终端措施节约电量,通过减少用电的时间与电网侧可避免容量的乘积计算;
用户可靠性效益的计算公式为:
WLoss,d=wLoss,d·Lave,d;
其中,WLoss,d表示第d时段用户停电损失;wLoss,d表示第d时段不同用户单位负荷停电损失;Lave,d表示第d时段用户负荷功率;
由于各时段用户停电概率不同,设d时段用户停电概率为pd,则居民d时段单位负荷停电损失wLoss,d为:
wLoss,d=pd(0.014γ-0.0073);
γ为该用户停电时长。
进一步的,步骤(4)中,所述优化目标函数为:
其中,bi为用户i的可靠性效益;ci为用户i的互动成本;
所述约束条件包括用户互动量约束、电网峰谷差约束和用户的效益约束。
具体的,所述用户互动量约束为:用户的互动量不大于用户响应的最大值,即:
0≤xi≤xmax;
其中,xmax表示用户响应的最大值。
所述电网峰谷差约束为:用户互动量小于原来峰谷差的1/3,即:
其中,qi为用户i的响应功率;QH为曲线的峰值;QL为负荷曲线的谷时。
所述用户的效益约束为:互动用户获得的效益大于其互动成本,即:
p*xi+bi>ci。
有益效果:
和现有技术相比,本发明具有如下显著优点:1、能够改善负荷曲线,减小峰谷差,缓解供电压力;2、通过促进需求侧主动响应,达到控制峰谷差的目的,不但保证了供电质量,且减少了设备投资,节能环保。
附图说明
图1是本发明的一种电力负荷峰谷差控制方法;
图2是用户响应特性;
图3是互动前后的负荷曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明的技术方案。
实施例1:
如图1所示,一种电力负荷峰谷差控制方法,包括以下步骤:
步骤一、用户互动成本建模:
用户互动成本函数是关于用电功率削减量(互动量)和用户类型的函数,用x表示用户互动量,同时引入参数θ(0≤θ≤1)来描述不同类型的用户,用以刻画用户参与互动的意愿程度,θ越大,表示用户越愿意参与互动,其提供的互动量也越大。假设用户互动成本函数表示为c(θ,x),有:
为满足以上所有条件,提出一种二次型互动成本函数,并采用泰勒级数二次展开式获得用户θ的互动成本函数为:
其中,θ为描述用户类型的连续变量。由于c(θ,0)=0,即当用户的互动量为零时,无论其用户类型为多少,其互动成本为零,可以得到常数c0=0;且:
c(θ,x)=K1x2+K2x-K2xθ (1-4)
步骤二、用户响应特性建模以及用户类型和系数K1、K2的求解:
用户响应量大小与补贴电价的多少密切相关,这种响应量随电价的变化而变化的特性叫做用户响应特性。用户响应特性由用户的历史用电量数据初步拟合成三次函数:
F(p)=mp3+tp2+lp+k (1-5)
其中,p表示用户的统一补贴单价;m、t、l、k为常数,表示用户响应特性与补贴单价的关系;
当补贴电价小于用户的心理期望值pi0时,用户不响应,处于响应死区。当补贴电价开始大于用户的心理期望值pi0时,用户开始响应。随着补贴电价的增加,用户响应量逐渐增大。
当用户的统一补贴单价p确定时,由响应特性可知各个用户相应的互动量xi,此时用户由于互动所分摊的效益为p*xi,由用户的互动成本模型可得用户各自的成本为ci。各用户的收益:p*xi-ci最大,即一阶导数为0,有
p-2K1xi-K2+K2θ=0 (1-6)
这样,若有n个用户响应,则会产生n个方程和n+2个未知量,即K1、K2及所有的θ。由于θ∈[0,1],所以可将互动量最大和最小的用户设为1和0,这样就是n个方程求n个未知数,得到系数K1、K2和所有的用户类型θ。
步骤三、互动效益建模,包括电网可避免容量成本、电网可避免运行成本、用户可靠性效益:
电网可避免容量成本:
可避免容量与用户降低的峰荷、用户总数、用户同时率、系统备用容量系数、电网配电损失系数有关。计算公式为:
式中,ΔPi第i个用户降低的峰荷值;σ为用户同时率;λ为系统备用容量系数;α电网配电损失系数。
则电网可避免容量成本B1为:
B1=ΔPG×β1 (1-8)
式中,β1为可避免容量成本的折算因子。
以上各系数的值为σ=0.8,α=0.05,λ=0.1,β1=0.723元/kWh。
电网可避免运行成本:
可避免电量与终端措施节电量、终端配电损失系数、电网配电损失系数有关。计算公式为:
其中,ΔEi为用户i终端措施节约电量(通过减少用电的时间与电网侧可避免容量的乘积计算);l为终端配电损失数;α为电网配电损失系数。
则电网可避免容量成本B2为:
B2=ΔEG×ω (1-10)
式中,ω为可避免电量的折算因子。
以上各系数的值为l=0.05,α=0.05,ω=0.4元/kWh。
用户可靠性效益:
wLoss,d=wLoss,d·Lavd,d (1-11)
其中,WLoss,d表示第d时段用户停电损失;wLoss,d表示第d时段不同用户单位负荷停电损失;Lave,d表示第d时段用户负荷功率。
由于各时段用户停电概率不同,设d时段用户停电概率为pd,则居民d时段单位负荷停电损失wLoss,d:
wLoss,d=pd(0.014γ-0.0073) (1-12)
γ为该用户停电时长。
步骤四、根据步骤一、二、三建立优化模型,包括优化目标函数和优化约束条件:
优化目标函数为:
其中,B1-电网可避免容量成本;B2-电网可避免运行成本;bi-用户i的可靠性效益;ci-用户i的互动成本。
约束条件包括以下内容:
1)用户互动量约束:用户的互动量应该不大于用户响应的最大值。
0≤xi≤xmax (1-14)
2)电网峰谷差约束:用户互动量小于原来峰谷差的1/3。
其中qi为用户i的响应功率;QH为曲线的峰值;QL为负荷曲线的谷时。
3)用户的效益约束:互动的用户获得的效益大于其互动成本。
p*xi+bi>ci (1-16)
其中,p为补贴单价;xi为用户i的互动量;bi为用户i可靠性效益;ci为用户i的互动成本。
步骤五、利用遗传算法进行优化,得到的补贴电价和用户互动结果;
步骤六、按照各个用户的互动量进行效益分摊,确定等效电价。
由优化出的补贴电价p,按照用户互动量进行效益分摊。互动的用户由于获得了分摊的电价降低,未互动的用户需要将可靠性效益拿出来分摊给互动的用户,电价升高。
实施例2:
为验证本发明的可行性和正确性,作如下实例:
本实例选择了10个用户的2020年3月的96点用电量数据,表1为用户3月的部分用电量数据。
表1∶10个用户3月部分用电量数据
日期 | 用户 | Q1(kWh) | Q2(kWh) | Q3(kWh) | Q4(kWh) | Q5(kWh) | Q6(kWh) |
20200301 | 300008797417 | 0.0173 | 0.0112 | 0.0054 | 0.0113 | 0.0169 | 0.0054 |
20200301 | 150002590038 | 0.0224 | 0.0278 | 0.0253 | 0.0342 | 0.0401 | 0.0379 |
20200301 | 300008797416 | 0.0096 | 0.0118 | 0.015 | 0.0069 | 0.0156 | 0.0111 |
20200301 | 150005698411 | 0.6744 | 0.638 | 0.6404 | 0.4321 | 0.4776 | 0.363 |
20200301 | 140000470931 | 0.1024 | 0.132 | 0.1064 | 0.0809 | 0.0181 | 0.0231 |
20200301 | 300007083283 | 0.0231 | 0.0141 | 0.0379 | 0.0214 | 0.0204 | 0.0216 |
20200301 | 150005698409 | 0.0152 | 0.0418 | 0.0153 | 0.0333 | 0.0767 | 0.0312 |
20200301 | 300006939852 | 0.0236 | 0.0198 | 0.0343 | 0.0233 | 0.0277 | 0.0239 |
20200301 | 150003169885 | 0.0176 | 0.0143 | 0.0119 | 0.0114 | 0.0232 | 0.0233 |
20200301 | 140000470840 | 0.0024 | 0.0025 | 0.0024 | 0.0025 | 0.0024 | 0.0024 |
20200302 | 300008797417 | 0.0157 | 0.0053 | 0.0053 | 0.0053 | 0.0053 | 0.0206 |
20200302 | 150002590038 | 0.0738 | 0.0736 | 0.0731 | 0.0706 | 0.0702 | 0.0697 |
20200302 | 300008797416 | 0.0054 | 0.014 | 0.0118 | 0.0081 | 0.013 | 0.0115 |
20200302 | 150005698411 | 0.8425 | 0.4712 | 0.6496 | 0.5704 | 0.326 | 0.3139 |
20200302 | 140000470931 | 0.105 | 0.0214 | 0.0198 | 0.0275 | 0.0281 | 0.0356 |
20200302 | 300007083283 | 0.0175 | 0.0349 | 0.0165 | 0.017 | 0.0368 | 0.0269 |
20200302 | 150005698409 | 0.0117 | 0.0108 | 0.0391 | 0.0189 | 0.0094 | 0.0143 |
20200302 | 300006939852 | 0.0157 | 0.0145 | 0.0243 | 0.0234 | 0.0096 | 0.0098 |
20200302 | 150003169885 | 0.0229 | 0.0161 | 0.0122 | 0.0181 | 0.0234 | 0.017 |
图2为上述10个用户的响应特性。
在以上输入数据的基础上,利用遗传算法对建立的优化模型进行优化,优化出最优补贴电价。当用户响应一定量,减少用电量,峰谷差降低。图3为互动前后的负荷曲线,可以看到在高峰时负荷曲线有所下降,电网由此获得可避免运行成本和可避免容量成本,电网更加稳定,用户避免了停电的风险,不论是互动的用户还是未互动的用户都获得了一定的可靠性效益。优化后的补贴电价为0.186元/kWh,表2为在此补贴电价下的电网效益和用户的可靠性效益。表3为各个用户的互动结果。
表2:电网效益和用户可靠性效益
电网可避免容量成本(元) | 电网可避免运行成本(元) |
0.0031 | 0.0187 |
互动的用户可靠性效益之和(元) | 未互动的用户可靠性效益之和(元) |
0.0065 | 0.0136 |
表3:用户互动结果
用户 | 用户类型 | 互动量(kWh) | 可靠性效益(元) | 互动成本(元) |
300008797417 | 0.067 | 0.0233 | 0.0017 | 0.0045 |
150002590038 | -- | 0 | 0.0022 | 0 |
300008797416 | -- | 0 | 0.0008 | 0 |
150005698411 | -- | 0 | 0.0016 | 0 |
140000470931 | -- | 0 | 0.0018 | 0 |
300007083283 | -- | 0 | 0.0031 | 0 |
150005698409 | 0 | 0.013 | 0.0029 | 0.0026 |
300006939852 | -- | 0 | 0.003 | 0 |
150003169885 | 1 | 0.1662 | 0.0019 | 0.0172 |
140000470840 | -- | 0 | 0.0012 | 0 |
在优化结果中得到了补贴电价和用户的互动量之后,可以基于这两个量对用户进行效益分摊,将电网可避免运行成本、电网可避免容量成本、用户可靠性效益公平合理地分摊给互动的用户,最终体现在用户的等效电价上。互动的用户由于获得了分摊的电价降低,未互动的用户需要将可靠性效益拿出来分摊给互动的用户,所以电价升高,表4为用户分摊到的效益和等效电价。
表4:用户效益分摊及等效电价
用户 | 分摊到的效益(元) | 分摊前电价(元/kW h) | 分摊后的等效电价(元/kW h) |
300008797417 | 0.0048 | 0.54 | 0.538 |
150002590038 | 0 | 0.54 | 0.736 |
300008797416 | 0 | 0.54 | 0.612 |
150005698411 | 0 | 0.54 | 0.68 |
140000470931 | 0 | 0.54 | 0.7 |
300007083283 | 0 | 0.54 | 0.818 |
150005698409 | 0.0027 | 0.54 | 0.539 |
300006939852 | 0 | 0.54 | 0.813 |
150003169885 | 0.0344 | 0.54 | 0.523 |
140000470840 | 0 | 0.54 | 0.652 |
通过上述用户效益分摊及等效电价,促进用户主动响应,降低峰谷差,控制峰谷差。
Claims (5)
1.一种电力负荷峰谷差控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)用户互动成本建模,具体包括如下内容:
用x表示用户互动量,同时引入参数θ来描述不同类型的用户,0≤θ≤1,用以表征用户参与互动的意愿程度,θ越大,表示用户越愿意参与互动,其提供的互动量也越大;
定义用户互动成本函数表示为c(θ,x),作出如下限定:
提出二次型互动成本函数,并采用泰勒级数二次展开式获得用户θ的互动成本函数:
其中,θ为描述用户类型的连续变量;c0、a、b、d0、e、f为常数,表征用户互动成本与互动量之间的关系;x为用户的互动量,且c(θ,0)=0,即当用户的互动量为零时,无论其用户类型为多少,其互动成本为零,因此常数c0=0,且:
c(θ,x)=K1x2+K2x-K2xθ;
(2)用户响应特性建模,得到用户的响应特性;求解用户类型和互动成本函数的系数;
(3)互动效益建模,确定电网可避免容量成本、电网可避免运行成本、用户可靠性效益;
(4)建立优化模型,确定优化目标函数和优化约束条件;
优化目标函数为:
其中,B1-电网可避免容量成本;B2-电网可避免运行成本;bi-用户i的可靠性效益;ci-用户i的互动成本;
约束条件包括以下内容:
1)用户互动量约束:用户的互动量应该不大于用户响应的最大值;
0≤xi≤xmax;
2)电网峰谷差约束:用户互动量小于原来峰谷差的1/3,
其中qi为用户i的响应功率;QH为曲线的峰值;QL为负荷曲线的谷时;
3)用户的效益约束:互动的用户获得的效益大于其互动成本;
p*xi+bi>ci;
其中,p为补贴单价;xi为用户i的互动量;bi为用户i可靠性效益;ci为用户i的互动成本;
(5)在优化模型的基础上,采用遗传算法优化出补贴电价、电网效益、用户效益、用户互动量、峰谷差降低值和峰谷差率;
(6)根据用户互动量进行效益分摊,获取等效电价。
2.根据权利要求1所述的电力负荷峰谷差控制方法,其特征在于,步骤(2)具体包括如下内容:
用户响应特性由用户的历史用电量数据初步拟合成三次函数:
F(p)=mp3+tp2+lp+k;
其中,o表示用户的统一补贴单价;m、t、l、k为常数,表示用户响应特性与补贴单价的关系;
当用户的统一补贴单价p确定时,由响应特性可知用户i的用户互动量xi,此时用户由于互动所分摊的效益为p*xi,由用户的互动成本模型得到用户各自的成本为ci;则各用户的收益为p*xi-ci,令其一阶导数为0,有:
p-2K1xi-K2+K2θ=0;
若有n个用户响应,则会产生n个方程和n+2个未知量,即K1、K2及所有的θ;由于θ∈[0,1],将互动量最大和最小的用户设为1和0;由n个方程求n个未知数,得到系数K1、K2和所有的用户类型θ。
5.根据权利要求4所述的电力负荷峰谷差控制方法,其特征在于,步骤(3)中,所述用户可靠性效益的计算公式为:
WLoss,d=wLoss,d·Lave,d;
其中,WLoss,d表示第d时段用户停电损失;wLoss,d表示第d时段不同用户单位负荷停电损失;Lave,d表示第d时段用户负荷功率;
由于各时段用户停电概率不同,设d时段用户停电概率为pd,则居民d时段单位负荷停电损失wLoss,d为:
wLoss,d=pd(0.014γ-0.0073);
γ为该用户停电时长。
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