電力柔性負荷調度

電力高峰負荷持續增長以及間歇式能源的迅猛發展對電力系統調節能力提出新的重大挑戰，柔性負荷調度作為發電調度的補充，已成為國內外關注的熱點。從柔性負荷參與電網調度運行的視角綜述了近年來國內外在柔性負荷可調度潛力、調度模式、回響行為建模和調度架構等方面的研究成果，著重對比分析了不同調度模式和調度架構的適用場景和優缺點，從柔性負荷綜合回響建模、多時間尺度互動交易模式、多時間尺度協調調度、集中與分散式協調控制和互動效益評估5個方面探討了柔性負荷調度領域需進一步研究的方向。

基本介紹

• 中文名：電力柔性負荷調度
• 外文名：Power Flexible LoadDispatch
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：適應電動汽車等分散式電源接入
• 功能：作為發電調度補充，削峰填谷

背景介紹

電力高峰負荷持續增長以及間歇式能源的迅猛發展增加了電網調度運行的難度，對電力系統調節能力提出新的重大挑戰。近年來，具有與電網雙向互動能力的電動汽車、儲能等帶有“源”和“荷”雙重特徵的新型負荷的比重呈不斷上升趨勢；部分傳統負荷也能夠根據激勵或者電價調節自身的用電需求，具備“虛擬電廠”的特性，負荷特性的變化引起了國內外學者的共同關注。有文獻認為未來智慧型電網需要容納較大比例的主動負荷，以雙向性、不確定和可控性為特點。有研究將能夠改變用電時間或負荷大小以配合電力運行商的需求回響策略，從而獲得經濟效益的負荷定義為柔性回響。有文獻將負荷的柔性定義為負荷大小可在用戶指定的區間內“伸縮”。在邏輯學中，所謂“概念”包含內涵與外延兩個方面，將“柔性負荷”的內涵定義為用電量可在指定區間內變化或在不同時段間轉移的負荷，其外延包含具備需求彈性的可調節負荷或可轉移負荷、具備雙向調節能力的電動汽車、儲能、蓄能以及分散式電源、微網等。作為發電調度的補充，柔性負荷調度能夠削峰填谷、平衡間歇式能源波動和提供輔助服務，有利於豐富電網調度運行的調節手段。

傳統發電調度中，機組需按照調控指令完全回響，與之不同，負荷調度一方面要滿足電網調度指令的需求，另一方面還需對用戶的正常用電影響較小。柔性負荷調度在電力市場發展較為成熟的歐美國家表現為需求回響，重視對電力用戶的引導和用戶的參與滿意度。其中，美國需求回響起步較早，相關政策相對完備，組織機構也較為完善，其先後於2005年、2007年、2009年分別頒布了《能源政策法案》《能源獨立與安全法案》和《美國復甦與再投資法案》，明確規定對實施需求回響大力支持。美國賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭、新英格蘭、加州等均已陸續推出基於容量市場、能量市場（日前計畫、實時平衡、輸電權交易）、輔助服務市場的需求回響項目，售電側採用節點電價的定價方式並實行零售選擇權，取得了良好的效果。中國目前處於市場發展的初級階段，還缺乏完整的市場運營規則和電價形成機制，尚不能通過經濟手段及時有效地調節市場供需，負荷調度更多表現為以分時電價和有序用電為代表的需求側管理，強調集中調度體制下電網的安全性。

可調度潛力

在柔性負荷回響潛力方面，有文獻提出針對大型工商業用戶參與需求回響的潛力評估方法，主要步驟包括確定研究對象和需求回響項目類型、基於用電特性的用戶群聚類分析、分類需求回響項目參與率辨識、價格彈性計算和需求回響潛力評估，重點是適用於細分用戶群的價格彈性計算方法。基於上述評估方法，美國聯邦能源管理委員會從常規業務、擴展業務、可實現參與和全面參與4種場景評估了美國2010-2020年的需求回響潛力。一般來說，需求回響潛力評估可分為電力負荷調研、數據整理和分析、回歸模型建立及回響潛力預測等步驟。但現有研究還存在以下不足：①負荷可調度潛力與電網運行工況、外界環境變化、用戶用電消費心理、回響前用戶用電狀態等因素密切相關，針對負荷在某一具體運行工況下的回響潛力評估研究還較為少見；②多從挖掘電網柔性負荷削峰潛力的角度研究負荷的向下調節潛力，缺乏對向上調節潛力的相關研究。

調度模式

參與調度計畫的模式

（1）基於電價的模式

通過價格信號引導用戶合理調節和改善用電結構和用電方式，已有大量文獻對此進行了研究，包括電價決策模型、電價對負荷曲線形狀以及電網可靠性等方面的影響。分時電價一般在日前或更早時間尺度上制定並發布，電力用戶有充分的時間合理安排用電計畫；實時電價是基於邊際成本理論的一種動態電價機制，反映的是各時刻供應與需求的變化關係，有利於市場風險在供電商與用戶之間進行合理分攤，但只會對具有快速回響能力或電價敏感型柔性負荷起到引導作用。尖峰電價是在分時電價基礎上疊加尖峰費率而形成的一種動態電價機制，可有效降低系統尖峰時段的負荷。總的來說，回響電價的用戶無需向電網調控部門申報自身的個體用電信息，因而適用於任意大、中、小型用戶，但用戶自主回響行為的不確定性較大；此外，用戶回響和動態電價的制定存在一定的相互影響關係，當大量用戶同時回響電價變化時可能導致用戶需求同時轉移到低電價時段，從而引起新的用電高峰，這是需要電價制定部門進一步關注的問題。

（2）基於契約約定的模式

電力公司與用戶簽訂協定，事先約定用戶的基本負荷消費量和削減負荷量的計算方法、激勵費率的確定方法以及違約的懲罰措施等，是電力公司引導柔性負荷參與電網調度運行的有效手段。若由用戶調整用電量稱為可中斷負荷，由電力公司或負荷聚合商的負控裝置削減負荷稱為直接負荷控制。目前作為調峰的一種重要手段已被美國幾乎所有電力公司採用，國內江蘇、河北等省也制定了管理方案。直接負荷控制通常針對居民或小型商業用戶，簡單實用、可靠性高。

（3）需求側競價的模式

電力負荷以競價形式與發電側資源共同參與市場競爭並獲得經濟利益，市場運行者通過全局最佳化取得市場出清。英格蘭和威爾斯電力市場在20世紀90年代開展了需求側競價的市場競價模式，賦予用戶通過申報削減負荷價格和發電側統一參與電力市場競爭的權利，實現了調度中心對機組和負荷資源的統一調配。近年來，相關研究主要集中於競價規則、負荷回響的多時段特性以及需求側資源與可再生能源的聯合最佳化等方面。

（4）有序用電的模式

國內需求側管理主要採取以行政引導為主、經濟手段為輔的有序用電模式，包括錯峰、避峰、限電、拉路等，本質上是在用電高峰期將電網各節點的負荷在時間、空間上重新安排，通過時間上的有序移動實現移峰填谷、平緩系統負荷曲線，通過空間上的協調配合實現消除阻塞、降低系統網損。

總的來說，電力公司通過制定合理的電價能夠引導大多數柔性負荷，但由於用戶自主回響的不確定性，難以對其進行精確調度，主要從用戶針對電價的回響行為並以此預測負荷曲線形狀的變化來體現對調度計畫的影響，可認為是一種引導型預調度；基於契約的模式可靠性較高，可作為“虛擬發電資源”直接參與調度計畫編制；需求側競價使得電力負荷作為虛擬發電資源能夠與發電商平等競價，但對電力市場發展程度要求較高；國內目前採取的有序用電模式對於保障電網的安全運行起到了良好的促進作用，但對用戶的利益還缺乏充分的考慮。此外，由於負荷回響的不確定性，如何從計及需求回響資源的多周期回響特性協調最佳化調度不同時間尺度上的柔性負荷資源，其調度模型及協調算法仍有待進一步研究。

參與備用計畫的模式

作為應對系統小機率高風險的容量事故的優質資源，柔性負荷參與備用計畫備受關注。特別開展了大量研究。有文獻巨討論了可中斷負荷的經濟補償模型及報價清算規則，將IL的市場引導方式分為低電價與高補償兩種，提出基於風險觀點對這兩種方式進行協調。有研究介紹了可中斷負荷參與系統備用的交易機制，提出基於帕累托最優的系統備用最佳化模型。電動汽車普及後，藉助V2U技術可調動電動汽車電能參與備用服務。

參與頻率控制的模式

為了補充機組快速調節能力的不足，安排快速回響負荷參與電網功率/頻率控制已引起國內外學者的關注。有文獻將動態需求控制器嵌入用戶用電設備以改進系統的頻率穩定性，控制器能夠監視系統頻率並開關用電設備，在用電需求和電網運行狀態間進行折中。

此外，自國際上提出自動需求回響概念後，作為需求回響的最新實現形式，為增強用戶參與可靠性、提升回響水平提供了新的發展理念，也為快速回響負荷參與頻率控制提供了更為有效的手段。

存在的問題

目前柔性負荷調度模式和控制策略研究中尚存在以下幾點比較突出的問題。

1）在負荷自主回響行為不確定性方而還需要進一步深化研究，特別是大量柔性負荷基於電價的聚合回響的不確定性對電網調度的影響，計及不確定後柔性負荷調度如何與常規發電調度相配合。

2）傳統發電調度包括日前、日內、實時調度計畫和自動發電控制等多個時間尺度，柔性負荷如何從預測誤差、回響特性、調節能力、調節範圍、調度成本等角度協調參與不同時間尺度的調度還有待進一步分析和研究。

3）未深入探討不同類型柔性負荷的分解協調問題。柔性負荷類型多，既有接入110kV以上電壓等級的大用戶，也有數量多、分布廣、回響特性各異的中小負荷，在區域電力系統調度層面，往往只能給出參與調度的配電網、專變用戶、大用戶、負荷聚合商的調度計畫、備用容量安排，尚不能將其分解到每一個負荷上。

4）研究成果集中於維持系統有功平衡方而，對柔性負荷作為控制手段支撐系統安全可靠運行方面的研究還十分有限。

回響行為建模方法

基於用戶自主回響的建模方法

從用戶自主回響特性的角度，可將柔性負荷分為3類：①可轉移負荷，即在一個調度周期內總用電量不變，但用電特性靈活，各時段用電量可靈活調節，如電動汽車換電站、冰蓄冷、儲能以及工商業用戶的部分負荷等；②可平移負荷，受生產流程約束，只能將用電曲線在不同時段間平移，如工業大用戶；③可削減負荷，可根據需要對用電量進行一定削減，如空調、照明等。基於用戶用電特性的方法能夠計及各種因素對用戶回響行為的影響，方便獲取回響行為的時序特徵，計及消費者心理和用戶滿意度。以回響電價為例，可轉移負荷可概括為如下形式：用戶回響電價模型多基於電力需求價格彈性矩陣，包括自彈性和互彈性，由於算法簡單、直觀，得到了廣泛套用，但由於價格彈性係數多採用行業統計數據來求取，反映的是用戶對電價變化回響的巨觀表現，這在很大程度上限制了模型的準確性。

基於電網最佳化調度的建模方法

對於可中斷負荷，直接負荷控制和需求側競價等模式，一方面電網公司需要根據契約約定的激勵費率或電力市場的出清價格對參與調度的柔性負荷（容量和電量）進行補償，這涉及電網發用電統一最佳化決策的調度成本；另一方面電網公司需計及電網的安全性以及用戶參與的滿意度，因而通常在最佳化模型中將柔性負荷回響量作為決策變數，調度目標可為電網公司調度成本最小或調度收益最大、系統峰荷最小或峰谷差最小、用戶負荷削減量最小或用戶平均受控時間最小或用戶滿意度最大等，也有將上述多個目標綜合起來進行多目標最佳化建模。

正常情況下，用戶在接到電力公司經過最佳化計算得到的調節指令後，依據約定的控制周期和控制時序回響調度要求。值得注意的是，有些用戶在回響電網調度削減用電量後還存在用電量反彈的現象。

基於綜合負荷整體回響的建模方法

電力系統分析計算常用綜合負荷表示一定數量的各類用電設備及相關變配電設備的組合，可進行綜合負荷的整體等效建模，主要描述其回響聚合後的外特性。有文獻研究了以空調負荷為代表的大量熱回響負荷聚合後的動態行為模型，計及室外、室內氣溫變化和設備參數的異質性，為計及負荷的綜合回響特性提供了很好的思路。但從電網調度的角度，一方面要計及不同柔性負荷元件回響行為的多樣性、不確定性甚至移動性，另一方面還需適當簡化模型的複雜性，因而在綜合負荷的整體回響建模方法方而還需進一步研究。

調度架構

集中式架構

集中式負荷控制類似於目前發電機組的控制模式，由輸電網調度中心集中調度和控制，電力系統運行人員直接給每個負荷發布調控命令。顯而易見，大系統中負荷數目眾多，集中式架構需要針對大量用電設備產生控制信號，這在實際系統調度中是不可行的。

分散式架構

有文獻利用智慧型電錶實時監視系統頻率並相應地調節用電設備都是一種典型的分散式控制模式，圖《以智慧型家居為代表的分散式控制》給出了以智慧型家居為代表的分散式控制架構示意圖。

基於不同地理位置或負荷類型的分散式架構具有投資小、通信和控制靈活等優點，但完全分散的分散式架構也面臨著如下挑戰：①由於只反饋本地可觀測量，可能出現過度控制或控制量不足的情況，難以實現電網調度的系統級控制目標；②各局部控制器為達到自身的預期目標，可能使得不同控制器間相互衝突，惡化控制的整體效果。

以智慧型家居為代表的分散式控制

基於負荷聚合商的分層架構

負荷聚合商作為協調大量中小規模用戶和電網控制中心的中間機構，可以是傳統意義上的配電公司、政府實體或電網公司自身的負荷管理中心，也可是代表單一類型或多種類型負荷的第三方機構，其共同點是將大量電力終端用戶聚合在一起參與電網調度，並努力實現電網公司、負荷聚合商和電力終端用戶各方的既定目標。基於負荷聚合商的分層負荷控制分為控制層、協調層和本地回響層。

進一步研究方向

柔性負荷綜合回響建模技術

電力系統中存在物理形態、用電特性迥異的多種負荷類型，同一類型柔性負荷可能會對應多種不同的回響，而多個回響之間存在一定的約束。對於輸電網調度中心來講，更為關心的是以配電網、專變用戶、負荷聚合商為單位的整體負荷的綜合回響潛力，如何建立有效的柔性負荷多形態多回響綜合預測模型是柔性負荷調度技術推廣的基礎。

這種方法通常需利用歷史需求回響事件信息並進行回歸分析，受制於歷史數據的完整性和對歷史事件樣本數量的要求，其回響模型的準確度以及回響行為的不確定性如何表征還需進一步研究。

多時間尺度互動交易模式設計

不同類型柔性負荷的用電方式、調度模式、提前通知時間、可調節量、對電價和激勵信號的敏感程度都有很大差異，合理的互動交易模式是直接影響柔性負荷參與電網調度可操作性、運轉效率和效益的關鍵影響因素。一般情況下，在中長期時間尺度內，無法知曉電網的確切運行狀態，互動機制設計應當以價格引導作用為主；短期及實時時間尺度內，電網運行狀態已能夠準確獲知，不確定因素較少，需要深入調研、分析、整理不同類型柔性負荷的特點並將其適當分類，制定更加精細化的互動交易機制。

多時間尺度負荷協調控制技術

日前系統負荷預測存在一定誤差，網路拓撲結構、系統實際運行狀況也可能發生變化，特別是間歇式能源大規模接入的地區，日前調度計畫的準確性和實用性更加難以保證。此外，柔性負荷回響電網調度本身也具有一定的不確定性，且隨著參與調度的負荷數量的增加，其回響不確定性對系統運行產生的潛在影響將日漸凸顯。因此，有必要在日內、實時時間尺度上根據滾動刷新的負荷和風電預測數據進行調度計畫的滾動修正，建立計及需求回響資源多周期回響特性的日內調度模型和實時調度模型，這是柔性負荷調度技術研究的重點。

集中式和分散式協調控制技術

現階段電網調度的模式主要是集中調控的模式，而柔性負荷更多地以配電網、專變用戶、負荷聚合商等分散式調度單元的形式出現，如何實現各控制單元分布自治與電網控制中心整體決策的協調是柔性負荷調度技術研究的關鍵，主要需要研究分散式控制單元的線上動態等效建模與參數擬合技術、支持分散式單元與輸電網調度中心互動的快速分散式計算技術、分散式控制單元與調度中心協調最佳化決策模型和方法。

互動效益評估技術

柔性負荷調度具有最佳化用戶負荷曲線、改善電網峰谷差、減少新增裝機容量及備用容量、支撐可再生能源消納等多方而效果，如何合理設計評估指標並對其參與電網調度的效果進行量化評估是重要研究方向之一。需要從時間、空間、考核對象等多層次對評估指標進行分解；從回響特性、回響過程、回響效果、回響履約度等方面構建多維度量化指標，最終形成適合於柔性負荷調度的綜合評估指標體系。

結語

柔性負荷調度技術改變了傳統的發電跟蹤負荷變化”的運行模式，通過引導柔性負荷主動參與電網的運行控制，可有效解決電力系統調節能力不足等問題，提高電網運行的安全性和經濟性。考慮到中國目前的電價政策、行銷模式、發展需求等現狀，在柔性負荷調度方面提出以下幾點建議與構想。

1）從安全經濟、節能減排等角度對電力公司和電力用戶加強引導，使其認識到柔性負荷能夠和發電機組一樣參與電網的調度運行並具有充分的優越。

2）根據各地發電資源享賦和柔性負荷構成，制定合理的調度模式。如在“三北”地區，風力資源和太陽能資源非常豐富，棄風棄光現象嚴重，而其高耗能負荷容量大且多數具備一定調節能力，可考慮採用動態電價、簽訂契約等方式引導高耗能負荷消納可再生能源；在華東、華南負荷中心，大中型商業、公共設施以及居民負荷比重普遍較高，可採用直接負荷控制或自動需求回響模式進行負荷控制，以實現削峰填谷。

3）在發電機組調節能力不足的區域電網，儘快完善柔性負荷參與電網調度的激勵補償機制，並建設柔性負荷調度示範工程。