CN114205381A - 一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统 - Google Patents

一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其设计主要包括：1）虚拟电厂负荷分类，通过研究典型虚拟电厂弹性负荷的用电特性指标和负荷分类方法，建立可调节负荷资源特征指标体系和相应的计算方法。2）虚拟电厂可控资源建模，采用UML建模方法将分布式资源建模为5类通用资源模型。3）虚拟电厂参与电力市场的交易模块设计，参与市场交易模块包括交易报价管理、接收交易结果、模拟执行、接收结算信息、结算争议处理等各个功能模块。4）以及虚拟电厂平台部署。本发明可用于在虚拟电厂灵活资源聚合调控、虚拟电厂云‑边‑端协同调度等领域，解决虚拟电厂负荷分类、可调控资源建模，以及虚拟电厂参与电力市场交易的组织与实施等。

Description

一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易 的系统
技术领域
本发明属于虚拟电厂技术领域，尤其涉及一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统。
背景技术
目前全国乃至全世界正处于电力能源战略转型的重要时期。新能源发展越来越快，规模也越来越大，风能、太阳能等清洁可再生能源，都具有随机性、间歇性、波动性特征，大规模、高比例接入电网，带来巨大调峰调频压力，导致系统转动惯量弱化，给电力系统平衡调节和电网安全稳定运行带来一系列新的挑战。虚拟电厂作为破解清洁能源消纳和绿色能源转型的一种解决方案，对中国乃至全球能源战略转型都具有重大意义。因此亟需破解能源战略转型过程中清洁能源消纳、电网安全稳定运行等问题，紧密结合国内外虚拟电厂发展现状开展前瞻性研究，积极设计符合当前要求的虚拟电厂运营建设方案。
虚拟电厂是互联网+源网荷储售服一体化(即电源、电网、负荷、储能、销售、服务的聚合体)的清洁智慧能源管理系统，能够在传统电网物理架构上，依托互联网和现代信息通讯技术，把分布式电源、储能、负荷等分散在电网的各类资源相聚合，进行协同优化运行控制和市场交易。
近年来，随着电力市场机制的不断完善，现有技术对于虚拟电厂参与市场交易也有不少研究。宋巍等基于随机规划理论，构建了虚拟电厂参与日前能量市场、日内需求响应市场和实时能量市场的多阶段竞价策略随机优化模型。杨甲甲等考虑了电动汽车的充放电成本和电池的损耗成本，构建了含电动汽车和风电机组的虚拟电厂参与日前能量市场和调节市场的联合竞价策略的鲁棒优化模型。胡殿刚等则从多个虚拟电厂参与市场交易的角度出发，基于不同虚拟电厂所集成单元的特性，构建了虚拟电厂联合调度参与多个市场的收益分摊模型。赵晋泉等设计了考虑虚拟电厂参与的调峰辅助服务市场机制，使虚拟电厂与火电机组同台平等参与深度调峰市场竞价，并分别给出了深度调峰市场日前出清和实时出清模型，通过算例分析验证了所提市场机制和模型的有效性。刘鑫等提出了市场环境下考虑需求响应的虚拟电厂经济调度方法，建立了虚拟电厂与用户侧的双层优化模型，该模型能够减少虚拟电厂在电力市场中的投标偏差,提高运营收益，并有效降低负荷的购电成本。
虚拟电厂调控需要研究环境、价格、用电行为等多因素对虚拟电厂可调负荷特性的影响。研究典型资源运行特性模式分析，建立虚拟电厂典型可调负荷运行特性模型，根据实际的负荷可调特性调研，如负荷的可中断特性、可转移特性、双向潮流特性，研究虚拟电厂典型可调负荷分类方法。形成虚拟电厂可调负荷特性库，统计不同电力用户的柔性负荷比重以及各负荷构成的虚拟电厂柔性负荷指标，从而评估适于参加虚拟电厂调控服务和项目的虚拟电厂分布式资源。
由于能源互联网环境下，分布式资源呈现总体数量多、单点容量小、特性各异和空间分散的特点。这些资源如果直接接受集中调控，会产生极高的信息接入成本，云端计算也将面临“维数灾难”难题，同时也不利于用户的隐私保护。因此需要设计基于云边端协同的虚拟电厂架构。在云边端协同的虚拟电厂架构下，对分布式资源的标准化建模是虚拟电厂模块各功能的基础。虚拟电厂用户侧资源大多具有离散性、随机性和异质性的特点，难以对其一一进行建模。国内外对虚拟电厂聚合及调度问题已有一些研究。LU(见Demandresponse for home energy management using reinforcement learning andartificial neural network.IEEE Transactions on Smart Grid,2019,10(6),6629-6639.)提出需求响应(DR)算法，用于加速电力系统效率和稳定性。YI(见A multi-time-scale economic scheduling strategy for virtual power plant based ondeferrable loads aggregation and disaggregation.IEEE Transactions onSustainable Energy,2020.)针对虚拟电厂经济调度，提出虚拟电厂参与电力市场交易的多时间尺度经济调度策略，该策略考虑了大量可延迟负荷(DLs)的聚集和分解。该研究基于谱聚类算法对可中断负荷进行了聚合及解聚合，保证了聚合模型的鲁棒可行性，但只考虑了可中断负荷这一种类型的分布式资源。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统的设计方案，其设计主要包括：1)虚拟电厂负荷分类，通过研究典型虚拟电厂弹性负荷的用电特性指标和负荷分类方法，建立可调节负荷资源特征指标体系和相应的计算方法。2)虚拟电厂可控资源建模，采用UML建模方法将分布式资源建模为5类通用资源模型。3)虚拟电厂参与电力市场的交易模块设计，参与市场交易模块包括交易报价管理、接收交易结果、模拟执行、接收结算信息、结算争议处理等各个功能模块。4)以及虚拟电厂平台部署。本发明可用于在虚拟电厂灵活资源聚合调控、虚拟电厂云-边-端协同调度等领域，解决虚拟电厂负荷分类、可调控资源建模，以及虚拟电厂参与电力市场交易的组织与实施等。
其具体采用以下技术方案：
一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：
采用基于模糊综合评价的可调节负荷资源评估方法对虚拟电厂负荷进行分类，建立可调节负荷资源特征指标体系；
采用UML建模方法将分布式资源建模为可中断资源、连续调节资源、分档调节资源、可平移资源和类储能资源，实现模型交互与数据结构的通用化；
参与市场交易模块部署在信息内外网混合环境中。
进一步地，所述调节负荷资源特征指标体系为可支撑虚拟电厂聚合调控需求的可调节负荷资源特征指标体系，其中负荷特性指标包括：日负荷率、日尖峰负荷、日平均负荷、季单位面积耗电量、日峰谷差率、负荷集中时段、响应时间、负荷可调能力、需求响应速度指标、需求响应容量指标，用于虚拟电厂平台实现负荷综合管控。
进一步地，所述可中断资源，是描述运行过程中，可在一定时段内削减一定负荷量的资源；
所述可平移资源，是描述运行过程中，可将一部分负荷量移动到其他时间段的资源；
所述连续调节资源，是描述运行过程中，可在一定范围内调节其发出或吸收功率的资源；
所述分档调节资源，是描述运行过程中，可在若干负荷量档位之间选择的资源；
所述类储能资源，是描述特性类似储能的资源。
进一步地，模型的所有约束均可转化为混合整数线性约束，最终优化问题为混合整数线性规划或混合整数二次规划；其考虑各分布式资源在多个不同时间段的响应特性；
基于统一建模语言UML，通过各扩展类与电力系统拓扑模型中的Equipment类进行关联；通过虚拟电厂集群等值技术，将得到的标准化资源模型加入等值计算的约束条件中，获得包含用户侧分布式资源的集群的等值模型。
进一步地，所述参与市场交易模块具体包括：
交易报价管理模块：用于预测参与电力市场竞价的发电成本价格，分析多种电源类型的成本构成的具体项，分析在不同目标下的最低报价水平；
接收交易结果模块：用于接收电力交易中心发布的交易出清结果，并将结果拆分至终端用电客户；
模拟执行模块：用于根据交易出清结果，结合虚拟电厂用能单元数据，模拟执行交易出清结果；
接收结算信息模块：用于接收电力交易中心发布的交易结算信息，并将结果拆分至终端用电客户；
结算争议处理：虚拟电厂或用电客户对结算结果存在争议的情况，建立和电力交易中心的核对校正机制。
进一步地，在实现上分为：1)应用层：通过虚拟电厂平台实现负荷综合管控、终端设备运维的应用功能，并与外部系统进行交互，形成全业务流程；2)平台层：用于对虚拟电厂平台数据建模、采集以及处理的管理，用于支撑高级应用；3)网络层：通过4G/5G以及光纤的方式，实现感知层的数据上传；4)感知层：构成暖通空调、电动汽车、分布式光伏及储能和终端表计典型数据采集系统，通过多层设备感知用户信息。
进一步地，所述信息内外网混合环境中，内外网共用包括机房、网络、备份、信息安全的基础设施，在内网与外网之间架设有强隔离设备保障信息安全；外网系统负责虚拟电厂市场成员注册、市场交易公告发布、虚拟电厂市场申报、交易结果查看和结算结果查看的功能；内网系统负责虚拟电厂市场成员管理、市场交易组织、市场报价接收、市场出清、交易结果发布、结算信息发布以及和虚拟电厂运行管理与监控平台、虚拟电厂平台的数据交换功能；外网虚拟电厂数据通过数据加密、内外网隔离装置实现与虚拟电厂交易平台的数据安全交互、虚拟电厂运行管理与监控平台是通过内网与虚拟电厂交易平台进行数据交互。
与现有的技术相比，本发明及其优选方案可用于在虚拟电厂灵活资源聚合调控、虚拟电厂云-边-端协同调度等领域，解决虚拟电厂负荷分类、可调控资源建模，以及虚拟电厂参与电力市场交易的组织与实施等。
为了综合评估可调节负荷资源的调节潜力，提出表征调节容量、调节速度、调节精度、调节时间尺度、调节成本、调节灵活性等的可调节负荷资源特征指标体系和相应的计算方法。
针对虚拟电厂聚合及调度，综合提出了五种类型的虚拟电厂分布式资源，改善了以往方法只考虑一两种分布式资源类型的不足，保证了聚合模型的鲁棒可行性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例实施负荷分类、资源建模及参与电力市场交易组织方案总体设计流程示意图；
图2是本发明实施例所设计的虚拟电厂可控资源UML类图；
图3是本发明实施例虚拟电厂平台及其参与电力市场的交易模块示意图；
图4是本发明实施例虚拟电厂交易平台部署方案示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本发明所提出的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统设计方案，总体思路如图1所示，具体实施步骤如下：
步骤1，虚拟电厂负荷分类。
通过研究典型虚拟电厂弹性负荷的用电特性指标和负荷分类方法，建立表征调节容量、调节速度、调节精度、调节时间尺度、调节成本、调节灵活性等的可调节负荷资源特征指标体系和相应的计算方法，提出基于模糊综合评价的可调节负荷资源评估方法，综合评估可调节负荷资源的调节潜力。
建立可支撑虚拟电厂聚合调控需求的可调节负荷资源特征指标体系，其中负荷特性指标的建立包括日负荷率、日尖峰负荷、日平均负荷、季单位面积耗电量、日峰谷差率、负荷集中时段、响应时间、负荷可调能力、需求响应速度指标、需求响应容量指标。具体包括：
(1)日负荷率：用于描述日负荷曲线特性，表征一天中负荷的不均衡性，较高的负荷率有利于电力系统的经济运行，定义式如下：
Figure BDA0003379461890000061
Figure BDA0003379461890000062
日负荷率的数值大小，与用户的性质和类别、组成、生产班次及系统内的各类用电(生活用电、动力用电、工艺用电)所占的比重有关，还与调整负荷的措施有关。随着电力系统的发展，用户构成，用电方式及工艺特点可能发生变化，各类用户所占的比重也可能发生变化，日负荷率也会随之发生变化。
(2)日尖峰负荷：当日逐时负荷最大值。
(3)日平均负荷：当日逐时负荷平均值。
(4)季单位面积耗电量：季总耗电量与建筑面积比值。
(5)日峰谷差率：当日逐时负荷的最大值与最小值之差与最大值之比。
(6)负荷集中时段：当日负荷集中运行时段。
(7)响应时间：需求响应期间负荷可削减可中断的时段与最大时长。
(8)负荷可调能力：有些用户的弹性太小，不适合参与负荷调度；有些用户提供负荷侧资源的成本太高，不能获得预期的效益。所以建立负荷可调能力指标，有利于挖掘适于调度的负荷侧资源。
(9)需求响应速度指标——爬坡速率：负荷的爬坡速率为单位时间终端用电设备能够增加或削减的功率，单位为MW/min。
(10)需求响应容量指标：为某一时刻用电设备通过需求响应手段可以削减的功率，与时间、激励、智能控制设备的安装程度有关。
步骤2：虚拟电厂可控资源建模。
采用标准化建模方法将分布式资源建模为可中断资源、连续调节资源、分档调节资源、可平移资源和类储能资源这5类通用资源模型。这5类资源可基本涵盖绝大多数分布式资源，实现模型交互与数据结构的通用化。各资源特性如下：
1)可中断资源：描述运行过程中，可在一定时段内削减一定负荷量的资源。
Figure BDA0003379461890000063
Figure BDA0003379461890000071
其中，SDR为可中断资源集合，yi,t为可中断资源i的使用状态，zi,t为该资源的启动变量。
2)可平移资源：描述运行过程中，可将一部分负荷量移动到其他时间段的资源。
Figure BDA0003379461890000072
Figure BDA0003379461890000073
其中，STR为可平移资源集合，yi,OUT,t为可平移资源i的使用状态，zi,OUT,t为该资源的启动变量。
3)连续调节资源：描述运行过程中，可在一定范围内调节其发出或吸收功率的资源。
Figure BDA0003379461890000074
Figure BDA0003379461890000075
其中，Pi,CR-和Pi,CR+分别是连续可调资源的向下和向上调节能力。
4)分档调节资源：描述运行过程中，可在若干负荷量档位之间选择的资源。
Figure BDA0003379461890000076
Figure BDA0003379461890000077
5)类储能资源：描述特性类似储能的资源。
Figure BDA0003379461890000078
Figure BDA0003379461890000079
模型的所有约束均可转化为混合整数线性约束，最终优化问题为混合整数线性规划或混合整数二次规划。本专利提出的通用建模方法可考虑各分布式资源在多个不同时间段的响应特性。
借鉴电力系统标准化建模经验，建立了虚拟电厂可控资源的标准化模型。图2是电力系统拓扑模型和可控资源扩展类关系的统一建模语言(unified modeling language，UML)类图，各扩展类的说明如表1所示。通过各扩展类与电力系统拓扑模型中的Equipment类进行关联，可实现对资源集群内可控资源的标准化建模，并具有很好的可扩展性。通过虚拟电厂集群等值技术，将得到的标准化资源模型加入等值计算的约束条件中，即可获得包含用户侧分布式资源的集群的等值模型。
表1虚拟电厂可控资源扩展类描述
Figure BDA0003379461890000081
步骤3，虚拟电厂参与电力市场的交易模块设计。
本实施例提供的虚拟电厂平台如图3所示，其中参与市场交易模块包括以下功能：
(1)交易报价管理：预测参与电力市场竞价的发电成本价格，分析多种电源类型的成本构成(固定成本与变动成本)的具体项，分析在不同目标下的最低报价水平。为市场交易提供数据支撑。
(2)接收交易结果：接收电力交易中心发布的交易出清结果，并将结果拆分至终端用电客户，各客户可登陆系统进行查看核对。
(3)模拟执行：根据交易出清结果，结合虚拟电厂用能单元数据，模拟执行交易出清结果，为直接交易执行提供实际效果依据。
(4)接收结算信息：接收电力交易中心发布的交易结算信息，并将结果拆分至终端用电客户，各客户可登陆系统进行查看核对、确认。
(5)结算争议处理：虚拟电厂或用电客户对结算结果存在争议的情况，建立和电力交易中心的核对校正机制。
步骤4，虚拟电厂交易平台部署。
虚拟电厂平台总体结构如图4所示，可以分为1)应用层：虚拟电厂平台实现负荷综合管控、终端设备运维等应用功能，并与外部系统进行交互，形成全业务流程；2)平台层：虚拟电厂平台数据建模、采集以及处理等管理，支撑高级应用；3)网络层：通过4G/5G以及光纤等方式，实现感知层的数据上传；4)感知层：构成暖通空调、电动汽车、分布式光伏及储能和终端表计典型数据采集系统，通过多层设备感知用户信息。
虚拟电厂交易平台需要部署在信息内外网混合环境中，共用机房、网络、备份、信息安全等基础设施，在内网与外网之间架设强隔离设备保障信息安全。外网系统负责虚拟电厂市场成员注册、市场交易公告发布、虚拟电厂市场申报、交易结果查看和结算结果查看等功能；内网系统主要负责虚拟电厂市场成员管理、市场交易组织、市场报价接收、市场出清、交易结果发布、结算信息发布以及和虚拟电厂运行管理与监控平台、虚拟电厂平台的数据交换功能。外网虚拟电厂数据将通过数据加密、内外网隔离装置实现与虚拟电厂交易平台的数据安全交互、虚拟电厂运行管理与监控平台通过内网与虚拟电厂交易平台进行数据交互。虚拟电厂平台部署在公网，需要部署应用服务器、前置服务器、网关服务器、数据库服务器、交换机等设备。由于是新建系统，所列设备均为新增。与需求响应管理中心专网外网存在信息交互，通过防火墙进行边界防护，采用TLS通道、PKI加密机数据指纹身份鉴定等安全措施。与虚拟电厂交易平台信息外网也存在信息交互，通过加密方式进行安全防护。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：
采用基于模糊综合评价的可调节负荷资源评估方法对虚拟电厂负荷进行分类，建立可调节负荷资源特征指标体系；
采用UML建模方法将分布式资源建模为可中断资源、连续调节资源、分档调节资源、可平移资源和类储能资源，实现模型交互与数据结构的通用化；
参与市场交易模块部署在信息内外网混合环境中。
2.根据权利要求1所述的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：所述调节负荷资源特征指标体系为可支撑虚拟电厂聚合调控需求的可调节负荷资源特征指标体系，其中负荷特性指标包括：日负荷率、日尖峰负荷、日平均负荷、季单位面积耗电量、日峰谷差率、负荷集中时段、响应时间、负荷可调能力、需求响应速度指标、需求响应容量指标，用于虚拟电厂平台实现负荷综合管控。
3.根据权利要求1所述的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：
所述可中断资源，是描述运行过程中，可在一定时段内削减一定负荷量的资源；
所述可平移资源，是描述运行过程中，可将一部分负荷量移动到其他时间段的资源；
所述连续调节资源，是描述运行过程中，可在一定范围内调节其发出或吸收功率的资源；
所述分档调节资源，是描述运行过程中，可在若干负荷量档位之间选择的资源；
所述类储能资源，是描述特性类似储能的资源。
4.根据权利要求3所述的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：
模型的所有约束均可转化为混合整数线性约束，最终优化问题为混合整数线性规划或混合整数二次规划；其考虑各分布式资源在多个不同时间段的响应特性；
基于统一建模语言UML，通过各扩展类与电力系统拓扑模型中的Equipment类进行关联；通过虚拟电厂集群等值技术，将得到的标准化资源模型加入等值计算的约束条件中，获得包含用户侧分布式资源的集群的等值模型。
5.根据权利要求1所述的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：所述参与市场交易模块具体包括：
交易报价管理模块：用于预测参与电力市场竞价的发电成本价格，分析多种电源类型的成本构成的具体项，分析在不同目标下的最低报价水平；
接收交易结果模块：用于接收电力交易中心发布的交易出清结果，并将结果拆分至终端用电客户；
模拟执行模块：用于根据交易出清结果，结合虚拟电厂用能单元数据，模拟执行交易出清结果；
接收结算信息模块：用于接收电力交易中心发布的交易结算信息，并将结果拆分至终端用电客户；
结算争议处理：虚拟电厂或用电客户对结算结果存在争议的情况，建立和电力交易中心的核对校正机制。
6.根据权利要求1所述的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：在实现上分为：1）应用层：通过虚拟电厂平台实现负荷综合管控、终端设备运维的应用功能，并与外部系统进行交互，形成全业务流程；2）平台层：用于对虚拟电厂平台数据建模、采集以及处理的管理，用于支撑高级应用；3）网络层：通过4G/5G以及光纤的方式，实现感知层的数据上传；4）感知层：构成暖通空调、电动汽车、分布式光伏及储能和终端表计典型数据采集系统，通过多层设备感知用户信息。
7.根据权利要求6所述的包含虚拟电厂负荷分类、资源建模及参与电力市场交易的系统，其特征在于：所述信息内外网混合环境中，内外网共用包括机房、网络、备份、信息安全的基础设施，在内网与外网之间架设有强隔离设备保障信息安全；外网系统负责虚拟电厂市场成员注册、市场交易公告发布、虚拟电厂市场申报、交易结果查看和结算结果查看的功能；内网系统负责虚拟电厂市场成员管理、市场交易组织、市场报价接收、市场出清、交易结果发布、结算信息发布以及和虚拟电厂运行管理与监控平台、虚拟电厂平台的数据交换功能；外网虚拟电厂数据通过数据加密、内外网隔离装置实现与虚拟电厂交易平台的数据安全交互、虚拟电厂运行管理与监控平台是通过内网与虚拟电厂交易平台进行数据交互。
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