可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用研究綜述

孔祥清，雷 霞，劉慶偉，柏小麗

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610039;2.瀘州電業(yè)局，四川瀘州 646000)

0 引言

市場(chǎng)環(huán)境下，各市場(chǎng)參與者以收益最大化為目標(biāo)，功率缺額事件具有高度的不確定性。在傳統(tǒng)管制的電力系統(tǒng)中，出現(xiàn)系統(tǒng)有功不足時(shí)，系統(tǒng)調(diào)度員往往強(qiáng)制無(wú)補(bǔ)償?shù)闹袛嗄承┯脩舻墓╇妬?lái)保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。但在電力市場(chǎng)環(huán)境中，對(duì)作為電力消費(fèi)者同時(shí)也是市場(chǎng)參與者的用戶，終止這樣的服務(wù)不能再是單純的拉閘限電，需要給予停電用戶一定的補(bǔ)償?？芍袛嘭?fù)荷(interruptible load，IL)即是指那些以合約等方式允許有條件停電的負(fù)荷［1］。實(shí)施可中斷負(fù)荷前需要電力公司與用戶先簽訂可中斷合同，在系統(tǒng)緊急情況下電力公司可以按照合同內(nèi)容中斷用戶的電力供應(yīng)，但給予這些用戶一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償［2］。

由于市場(chǎng)環(huán)境下實(shí)際可用發(fā)電容量、負(fù)荷需求和容量事故不確定性的增加，備用容量的配置問題更加地突出。作為電力系統(tǒng)需求側(cè)管理(DSM)的重要組成部分，可中斷負(fù)荷可以充分利用用戶的用電靈活性。因此，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時(shí)，既可以在發(fā)電側(cè)購(gòu)買機(jī)組備用容量，也可在需求側(cè)購(gòu)買IL，它們均可作為系統(tǒng)備用容量。并且IL響應(yīng)速度快相當(dāng)于發(fā)電側(cè)的旋轉(zhuǎn)備用，從IL參與系統(tǒng)備用的角度，可將IL視作一種需求側(cè)緊急備用容量資源。對(duì)于小概率的嚴(yán)重容量事故，僅僅依靠發(fā)電側(cè)備用不但不經(jīng)濟(jì)，技術(shù)上也不可行。為了防御互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性大停電，緊急控制和校正控制都必須配置足夠的切負(fù)荷措施，相應(yīng)地，就必須建立完善的IL市場(chǎng)參與系統(tǒng)備用［1］?？芍袛嘭?fù)荷可以看作一種虛擬的新型能量資源，只需要增加一些經(jīng)濟(jì)手段，改變電力系統(tǒng)中對(duì)用戶原來(lái)固有的運(yùn)營(yíng)模式，就可以在不消耗任何實(shí)際能源的情況下，增加系統(tǒng)的發(fā)電容量和備用容量充裕性，減少備用機(jī)組的啟停和運(yùn)行費(fèi)用;同時(shí)可以提高系統(tǒng)的可靠性，使用戶以同樣的電價(jià)享受更優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù);還可以增加用戶側(cè)的需求彈性和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性。只要IL能與其他備用形式合理協(xié)調(diào)，得到合理的補(bǔ)償，那么IL不僅能提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，還會(huì)促進(jìn)資源的優(yōu)化配置。

從IL參與系統(tǒng)備用的角度出發(fā)，概括了市場(chǎng)環(huán)境下的備用容量體系，分析了IL參與備用的成本效益。然后詳細(xì)論述比較了IL參與系統(tǒng)備用的建模思路，最后給出了以后的可能研究方向。

1 市場(chǎng)環(huán)境下備用容量體系的建立

市場(chǎng)環(huán)境下，電力系統(tǒng)不再是壟斷的，各市場(chǎng)參與者均有權(quán)參與系統(tǒng)備用容量市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)［3］。電網(wǎng)公司作為系統(tǒng)備用容量的購(gòu)買方，必須從可靠性與經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)的角度來(lái)合理選擇備用容量市場(chǎng)的參與者，合理配置各類備用容量。為防御互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性的大停電，以及避免因相繼開斷引起更大范圍的不受控停電，系統(tǒng)備用容量的配置應(yīng)是多方面的。一個(gè)好的系統(tǒng)備用容量體系需要多種備用容量及其交易市場(chǎng)的參與。對(duì)于頻繁發(fā)生的基礎(chǔ)備用需求，應(yīng)以發(fā)電側(cè)備用容量來(lái)應(yīng)對(duì)，而對(duì)于小概率的嚴(yán)重容量事故，則可以采用可中斷負(fù)荷容量的形式。文獻(xiàn)［4］按發(fā)電機(jī)組響應(yīng)時(shí)間及其與系統(tǒng)是否同步，將發(fā)電側(cè)備用容量分為瞬時(shí)備用、快速備用、慢速備用及冷態(tài)備用。按對(duì)用戶的補(bǔ)償方式，IL可分為低電價(jià)可中斷負(fù)荷(ILL)與高賠償可中斷負(fù)荷(ILH)，其中ILL是在事故前通過電價(jià)打折來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償［5－7］，ILH是在事故發(fā)生且中斷實(shí)施后才對(duì)其進(jìn)行事后的高額賠償［8］。文獻(xiàn)［9］從風(fēng)險(xiǎn)的角度建立了發(fā)電側(cè)備用與ILL、ILH共同參與的備用容量市場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電力市場(chǎng)下系統(tǒng)備用容量體系

2 可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用的成本效益分析

2.1 IL成本估計(jì)及補(bǔ)償方法

可中斷負(fù)荷參與備用的成本(簡(jiǎn)稱IL成本)即負(fù)荷停電損失，通常指直接損失，目前普遍以用戶因停電而實(shí)際減少的利潤(rùn)來(lái)評(píng)估［10］。影響IL成本的因素有:提前通知時(shí)間、停電持續(xù)時(shí)間、停電發(fā)生時(shí)間、停電次數(shù)、停電頻率、缺電比率、用電收益、缺電量等。文獻(xiàn)［11］綜合考慮了用戶類型、提前通知時(shí)間、停電持續(xù)時(shí)間和缺電量等因素，建立了綜合缺電成本模型，但是各因素的影響程度難以確定。文獻(xiàn)［12－13］分別基于用戶用電需求曲線為線性和指數(shù)形式建立起IL成本模型，可看出模型與用戶需求價(jià)格彈性以及市場(chǎng)平衡點(diǎn)有關(guān)，即使缺電量相同，消費(fèi)者剩余損失也可能不同，因而該模型能夠動(dòng)態(tài)評(píng)估IL成本的大小。文獻(xiàn)［14］利用機(jī)制設(shè)計(jì)理論考慮供電公司的風(fēng)險(xiǎn)偏好，提出激勵(lì)性可中斷負(fù)荷合同模型，引導(dǎo)用戶自愿參與可中斷負(fù)荷管理，自愿披露真實(shí)缺電成本信息。文獻(xiàn)［15－17］將期權(quán)的方法引入IL合同的中斷價(jià)格制定中，分別以用戶或電網(wǎng)單位電量期望收益最大為目標(biāo)，推導(dǎo)出可中斷合同的最優(yōu)履約價(jià)。

2.2 IL參與系統(tǒng)備用的效益分析

可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用，將供電可靠性也作為商品，不但有利于能源的合理利用和備用容量的優(yōu)化配置，也增加了應(yīng)對(duì)功率缺額的手段，有利于遏制發(fā)電商在備用緊張情況下濫用市場(chǎng)力［18－19］。IL參與系統(tǒng)備用的效益主要體現(xiàn)在提高系統(tǒng)可靠性及供電充裕性，增強(qiáng)電力市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性等方面。

可靠性的提高相當(dāng)于系統(tǒng)向用戶提供了更優(yōu)質(zhì)的電能，使用戶以不高于原來(lái)的電價(jià)享受更好的服務(wù)。文獻(xiàn)［20］對(duì)此做了定量分析，指出可中斷負(fù)荷的可靠性效益等于無(wú)中斷負(fù)荷時(shí)切除的負(fù)荷容量與缺電成本的乘積，并進(jìn)行了實(shí)例分析。文獻(xiàn)［21］提出一種將直接負(fù)荷控制與可中斷負(fù)荷管理相結(jié)合的自適應(yīng)方案，該方案可以獲取瞬時(shí)運(yùn)行備用容量，同時(shí)對(duì)于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)具有一定的魯棒性。文獻(xiàn)［22］依據(jù)微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的效用無(wú)差異理論，建立了市場(chǎng)環(huán)境下最優(yōu)備用容量?jī)?yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型。

從市場(chǎng)參與者方面考慮，可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用可以調(diào)動(dòng)需求側(cè)參與市場(chǎng)的積極性，增強(qiáng)市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性，對(duì)各參與者都有益。

1)對(duì)獨(dú)立調(diào)度員ISO(independent system operator)、電能交易中心PX(power exchange):IL的參與可以削弱價(jià)格尖峰、平穩(wěn)電價(jià)，還可以抑制市場(chǎng)中的投機(jī)行為。

2)對(duì)電網(wǎng)公司:IL參與系統(tǒng)備用，極大地降低了系統(tǒng)邊際電價(jià)［19］，使電網(wǎng)公司有可能通過降低RCGS的購(gòu)買量及價(jià)格，來(lái)降低購(gòu)電成本，進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性。

3)對(duì)發(fā)電商:與某些大用戶簽訂可中斷合同等效于新增裝機(jī)容量，增加了在市場(chǎng)報(bào)價(jià)中的靈活性。另外，IL參與到備用中，還可以延緩甚至減少新增機(jī)組的容量投資成本。

4)對(duì)用戶側(cè):參與備用市場(chǎng)提供備用容量的IL用戶，不被中斷時(shí)可以通過享受低電價(jià)來(lái)獲得額外利潤(rùn)，被中斷時(shí)又可以獲得中斷賠償。不參與中斷的用戶也可以由備用容量?jī)r(jià)格的降低，供電可靠性的提高中受益。

3 可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用建模

可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用建模的最基本條件就是要滿足系統(tǒng)備用需求平衡，然后才是分別從不同的角度來(lái)列目標(biāo)函數(shù)，考慮不同的約束條件最后建立起IL參與系統(tǒng)備用的模型。

3.1 從電網(wǎng)公司的角度考慮IL參與備用的優(yōu)化

以電網(wǎng)公司購(gòu)買備用輔助服務(wù)的總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，在滿足系統(tǒng)可靠性等備用約束條件下建立數(shù)學(xué)模型，通過各種算法(如基于蒙特卡羅隨機(jī)模擬的遺傳算法、非線性互補(bǔ)法、帕累托優(yōu)化理論等等)求解得到IL與發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)組合情況。文獻(xiàn)［23］以電網(wǎng)公司購(gòu)買IL的總費(fèi)用和由其產(chǎn)生的網(wǎng)損增加之和最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮了不同地理位置的可中斷用戶對(duì)網(wǎng)損的影響，采用排隊(duì)法求解。文獻(xiàn)［24］從電網(wǎng)公司的角度，基于層次分析法建立IL參與備用的模型，綜合考慮了可中斷負(fù)荷的報(bào)價(jià)、容量大小、響應(yīng)時(shí)間、中斷持續(xù)時(shí)間等因素。文獻(xiàn)［25］考慮備用容量和電價(jià)波動(dòng)對(duì)電力公司的影響，以購(gòu)買備用成本最小為目標(biāo)函數(shù)建立了基于風(fēng)險(xiǎn)的最優(yōu)事故備用容量購(gòu)買模型。文獻(xiàn)［26］考慮分布式電源(DG)和可中斷負(fù)荷的基礎(chǔ)上建立了配電公司利潤(rùn)最大化和總購(gòu)電費(fèi)用最小的雙目標(biāo)優(yōu)化模型，驗(yàn)證了DG和IL在規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和降低節(jié)點(diǎn)電價(jià)波動(dòng)方面的作用。此方向研究的比較多，數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)空間很小，只有在算法上優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 從用戶的角度考慮IL參與備用優(yōu)化

有些學(xué)者將用戶側(cè)的停電損失和獲得的停電賠償效益等因素考慮到模型中，建立雙側(cè)開放的備用市場(chǎng)聯(lián)合優(yōu)化模型，得到最優(yōu)備用容量組合。文獻(xiàn)［27］把用戶參與系統(tǒng)備用也引入競(jìng)爭(zhēng)，以用戶效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，提出了一種基于潮流的主備用容量市場(chǎng)聯(lián)合優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［28］在考慮停電持續(xù)時(shí)間等可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了新的缺電成本函數(shù)，建立了考慮用戶可靠性的可中斷負(fù)荷管理模型。文獻(xiàn)［29］提出了停電損失費(fèi)用(EENS)的概念，即由備用不足(包括發(fā)電機(jī)組和ILs兩側(cè))引起用戶停電造成的損失，以系統(tǒng)總備用成本及EENS之和最小為目標(biāo)函數(shù)，求取參與備用的發(fā)電機(jī)組和IL的最優(yōu)分配組合情況。單獨(dú)以用戶側(cè)效益最大為目標(biāo)函數(shù)建模的比較少，大部分文獻(xiàn)都是將用戶側(cè)成本效益因素作為一種約束條件加以考慮的。

3.3 考慮社會(huì)效益最大化情況下的IL參與備用的優(yōu)化

以社會(huì)效益最大為目標(biāo)函數(shù)，引入發(fā)電側(cè)的成本效益因素，綜合考慮IL參與備用后，電網(wǎng)公司、發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)的成本效益，應(yīng)用博弈論或其他算法來(lái)求得此時(shí)的備用容量配置和各參與方的成本效益。此種方法需要政府或其他獨(dú)立機(jī)構(gòu)(如美國(guó)電力市場(chǎng)中的ISO)來(lái)組織協(xié)調(diào)各參與方的競(jìng)價(jià)和利潤(rùn)分配。文獻(xiàn)［29］應(yīng)用雙方叫價(jià)拍賣和納什討價(jià)還價(jià)理論設(shè)計(jì)了可中斷負(fù)荷實(shí)施的利益分享機(jī)制，以社會(huì)效益最大為目標(biāo)函數(shù)，兼顧發(fā)電側(cè)和電力公司的利益。以社會(huì)效益最大化為目標(biāo)函數(shù)可以綜合考慮資源的優(yōu)化配置，減少單位能耗和對(duì)環(huán)境的影響，比單純的以利潤(rùn)或成本等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)做目標(biāo)函數(shù)更有意義。

3.4 IL 的電價(jià)設(shè)計(jì)及合同管理模型的優(yōu)化

電價(jià)的設(shè)計(jì)是IL合同管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，因?yàn)闊o(wú)論對(duì)參與IL的用戶激勵(lì)還是電網(wǎng)公司的成本收益都要通過電價(jià)的杠桿作用來(lái)調(diào)節(jié)。研究者已經(jīng)分別從激勵(lì)機(jī)制［14］、期權(quán)定價(jià)［30］、最優(yōu)潮流［31］和直接參與報(bào)價(jià)［32］等方面對(duì)IL的定價(jià)進(jìn)行了研究。IL合同內(nèi)容主要包括合同有效期、中斷提前通知時(shí)間、負(fù)荷中斷量、中斷持續(xù)時(shí)間、中斷補(bǔ)償費(fèi)用等。文獻(xiàn)［33］從IL補(bǔ)償來(lái)源、用戶中斷成本角度應(yīng)用機(jī)制設(shè)計(jì)理論思想建立了基于用戶意愿的IL合同模型。文獻(xiàn)［14］考慮供電公司的風(fēng)險(xiǎn)偏好，同樣利用機(jī)制設(shè)計(jì)理論建立了一種用戶類型離散的激勵(lì)型IL合同模型。文章表明對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)取的供電公司，IL合同將成為其進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和風(fēng)險(xiǎn)管理的有力工具。

3.5 其他方面的優(yōu)化

還有些學(xué)者從其他角度研究IL參與系統(tǒng)備用的問題，如用風(fēng)險(xiǎn)的觀點(diǎn)研究系統(tǒng)備用容量中低電價(jià)可中斷負(fù)荷(ILL)、高賠償可中斷負(fù)荷(ILH)與發(fā)電側(cè)備用容量(RCGS)的優(yōu)化協(xié)調(diào)問題［34］。用IL替代發(fā)電機(jī)組做系統(tǒng)備用對(duì)發(fā)電公司檢修決策的影響［35］。IL參與系統(tǒng)調(diào)頻［36］和秒級(jí)可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用［37］等。當(dāng)然，各研究方向間難免存在一些交叉的內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

在概括介紹市場(chǎng)環(huán)境下備用容量體系和可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用成本效益的基礎(chǔ)上，詳細(xì)總結(jié)了IL參與系統(tǒng)備用的建模思路和方法。目前文獻(xiàn)基本都只從市場(chǎng)的角度用經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法考慮IL參與備用的優(yōu)化建模問題。但是IL與系統(tǒng)備用都是電力系統(tǒng)中很重要的部分，它是實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，目前的模型還不能完全反應(yīng)其特點(diǎn)。所以可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用優(yōu)化還有以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步的研究。

1)在滿足系統(tǒng)安全可靠性的前提下設(shè)計(jì)更加能綜合反映各參與方意愿的模型，運(yùn)用更精確合適的算法尋求更加優(yōu)化的IL與發(fā)電機(jī)組的組合結(jié)果，能夠更加準(zhǔn)確地量化各參與方成本效益情況。

2)考慮可中斷負(fù)荷參與備用后，系統(tǒng)在潮流、線損、輸電阻塞、電壓等方面的改變。建立考慮系統(tǒng)反饋的可中斷負(fù)荷參與系統(tǒng)備用的優(yōu)化模型。

3)結(jié)合地方實(shí)際情況設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用可操作性強(qiáng)的模型和算法，將IL參與備用應(yīng)用到目前中國(guó)實(shí)際的電力系統(tǒng)中，逐步推進(jìn)中國(guó)電力需求側(cè)市場(chǎng)的開放。

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