計(jì)及多粒度用電屬性的熱力負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化調(diào)控方法

龐思勉，鄭子萱，肖先勇，張 姝，羅 凡，李學(xué)軍

（1. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川省成都市 610065；2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司,甘肅省蘭州市 730030）

0 引言

在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)的背景下,電源側(cè)風(fēng)、光等清潔能源占比將持續(xù)增大,高比例清潔能源并網(wǎng)導(dǎo)致發(fā)電側(cè)靈活性降低、不確定性增加,電網(wǎng)整體處于緊平衡狀態(tài)［1］,提高系統(tǒng)靈活性是建立綠色低碳電力系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。熱力負(fù)荷是綜合能源系統(tǒng)中的一類(lèi)優(yōu)質(zhì)需求側(cè)響應(yīng)資源,表現(xiàn)出可調(diào)容量大、響應(yīng)速率快、調(diào)控時(shí)間靈活、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)［2-3］。部分具有調(diào)控潛力的熱力負(fù)荷表現(xiàn)出較強(qiáng)的響應(yīng)意愿,采用需求響應(yīng)的手段使這類(lèi)負(fù)荷主動(dòng)參與并維持電網(wǎng)電力電量平衡,平抑風(fēng)光發(fā)電波動(dòng),是提升電網(wǎng)清潔能源消納能力的關(guān)鍵［4-5］。

實(shí)現(xiàn)熱力負(fù)荷的精準(zhǔn)調(diào)控應(yīng)建立考慮多粒度用電屬性的負(fù)荷調(diào)控模型。當(dāng)前,相關(guān)研究多關(guān)注異構(gòu)負(fù)荷在用戶(hù)類(lèi)型、供熱設(shè)備、蓄熱裝置等方面的多樣性［6-8］,以及用電行為、響應(yīng)容量、調(diào)節(jié)速率、持續(xù)時(shí)間等負(fù)荷特征的差異性［9-11］,對(duì)粒度屬性的刻畫(huà)較少。熱力負(fù)荷優(yōu)化調(diào)控需要考慮粒度屬性是因?yàn)楫悩?gòu)熱力負(fù)荷離散功率變化的大小差異,以及連續(xù)功率控制的最小時(shí)間間隔差異特征的影響。為此,本文引入功率粒度屬性和時(shí)間粒度屬性,以刻畫(huà)熱力負(fù)荷的上述特征。若不考慮粒度屬性會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題:一方面,負(fù)荷調(diào)控與需求響應(yīng)對(duì)功率的連續(xù)變化有較高要求,電網(wǎng)調(diào)控指令與負(fù)荷跟蹤功率之間的偏差會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)懲罰［12］；另一方面,部分熱力負(fù)荷的時(shí)間粒度較粗,兩次功率控制的時(shí)延較長(zhǎng)［13］,考慮到中國(guó)各地電力調(diào)度和現(xiàn)貨市場(chǎng)的時(shí)間粒度基本在15 min 及以?xún)?nèi)［14］,導(dǎo)致時(shí)間粒度在15 min 以上的熱力負(fù)荷無(wú)法快速、準(zhǔn)確地跟蹤調(diào)控指令。為突破多粒度用電屬性對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)控的制約,文獻(xiàn)［15］引入粒計(jì)算理論,提出一種火電機(jī)組的時(shí)間粒度自適應(yīng)調(diào)度模式,以更好地適應(yīng)凈負(fù)荷變化。而文獻(xiàn)［16］在儲(chǔ)能系統(tǒng)的輔助下,采用模型預(yù)測(cè)控制方法實(shí)現(xiàn)工業(yè)負(fù)荷與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制,克服了功率粒度的限制。在上述研究中,仍存在考慮的粒度屬性類(lèi)別單一,以及占用火電、儲(chǔ)能等靈活性資源突破粒度屬性限制的綜合成本較高等問(wèn)題。

考慮調(diào)控優(yōu)先級(jí)的熱力負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精準(zhǔn)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前,熱力負(fù)荷以聚合商或集中供熱站為主體參與需求響應(yīng)［17-18］,考慮到現(xiàn)貨市場(chǎng)和電力調(diào)度規(guī)則已趨于完善,難以通過(guò)修改現(xiàn)有規(guī)則的方式突破熱力負(fù)荷粒度屬性限制。文獻(xiàn)［19］提出電熱泵的分層需求響應(yīng)策略,文獻(xiàn)［20-21］通過(guò)對(duì)負(fù)荷聚合商的分層優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了熱力負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)度。本文通過(guò)熱控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)熱力負(fù)荷的分層優(yōu)化,基于熱控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多粒度用電屬性熱力負(fù)荷的協(xié)同優(yōu)化以及調(diào)控優(yōu)先級(jí)的評(píng)價(jià),是解決電力交易和調(diào)度向快速、精準(zhǔn)化發(fā)展與熱力負(fù)荷多粒度用電屬性不匹配問(wèn)題的關(guān)鍵。

為突破熱力負(fù)荷多粒度用電屬性制約,提高地區(qū)電網(wǎng)熱力負(fù)荷的靈活性潛力,本文主要貢獻(xiàn)如下:1）基于地區(qū)電網(wǎng)熱力負(fù)荷多粒度用電屬性,改進(jìn)了熱力負(fù)荷模型；2）通過(guò)對(duì)多粒度熱力負(fù)荷的協(xié)同調(diào)控突破了粒度屬性制約,提升了地區(qū)電網(wǎng)的靈活性；3）根據(jù)負(fù)荷粒度屬性評(píng)估優(yōu)先級(jí),按優(yōu)先級(jí)設(shè)定經(jīng)濟(jì)激勵(lì)以引導(dǎo)熱力負(fù)荷參與調(diào)控。

1 計(jì)及多粒度用電屬性的熱力負(fù)荷模型

1.1 熱控平臺(tái)協(xié)同調(diào)控的基本流程

熱控平臺(tái)整合各類(lèi)熱力負(fù)荷資源,以平臺(tái)為主體參與電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度和電力市場(chǎng)交易,其用戶(hù)群體包括集中供熱站和負(fù)荷聚合商。其中,集中供熱站是用于城市建筑集中供暖的蓄熱鍋爐、電熱泵、蒸汽鍋爐等熱力負(fù)荷；而暖通空調(diào)、熱水器等熱力負(fù)荷因其容量小、數(shù)量多等特點(diǎn),通常以聚合商形式參與平臺(tái)調(diào)控。結(jié)合圖1,用戶(hù)參與熱控平臺(tái)協(xié)同調(diào)控分以下步驟。

圖1 電網(wǎng)調(diào)控架構(gòu)與熱控平臺(tái)執(zhí)行流程Fig.1 Dispatch and control structure of power grid and execution process of thermal control platform

1）用戶(hù)向平臺(tái)申報(bào)次日各時(shí)段用戶(hù)的響應(yīng)功率。用戶(hù)響應(yīng)功率是指熱力負(fù)荷在綜合考慮自身響應(yīng)特征、用熱需求、用電成本等信息后得到的次日用電曲線(xiàn),用戶(hù)響應(yīng)功率和粒度屬性將提交到熱控平臺(tái)。

2）熱控平臺(tái)參與需求響應(yīng)或負(fù)荷調(diào)控以獲取次日調(diào)控計(jì)劃?？紤]各用戶(hù)響應(yīng)功率,結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)次日發(fā)電量和用電量預(yù)測(cè)結(jié)果,以降低地區(qū)電網(wǎng)凈交換功率、提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),計(jì)算次日平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃,同時(shí)平臺(tái)可通過(guò)交易中心參與電力現(xiàn)貨交易或輔助服務(wù)獲取平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃。

3）熱控平臺(tái)計(jì)算各用戶(hù)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。熱控平臺(tái)按照用戶(hù)信息,根據(jù)用戶(hù)粒度屬性差異計(jì)算調(diào)控優(yōu)先級(jí),根據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)整用戶(hù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼大?。?2］。

4）熱控平臺(tái)計(jì)算次日各用戶(hù)的調(diào)控指令。平臺(tái)在負(fù)荷用電特性、用熱特性、舒適度等約束下,以系統(tǒng)凈交換功率懲罰成本、單位碳排放社會(huì)成本、購(gòu)電成本、不同優(yōu)先級(jí)用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼成本以及用戶(hù)滿(mǎn)意度降低懲罰成本為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行熱力負(fù)荷的協(xié)同優(yōu)化,調(diào)整各調(diào)控時(shí)段用戶(hù)的需求響應(yīng)功率,根據(jù)不同粒度屬性熱力負(fù)荷的協(xié)同互補(bǔ)原則得到次日各用戶(hù)調(diào)控指令。

5）熱力負(fù)荷跟蹤調(diào)控指令。次日,熱控平臺(tái)用戶(hù)通過(guò)改變熱力設(shè)備的用電行為,跟蹤各自的調(diào)控指令,通過(guò)智能電表記錄用戶(hù)的實(shí)際運(yùn)行功率,同時(shí),根據(jù)智能電表數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)整體運(yùn)行功率。

6）熱控平臺(tái)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行偏差量考核,包括熱控平臺(tái)用戶(hù)的運(yùn)行功率偏差（operating power deviation,OPD）和用電量偏差（power consumption deviation,PCD）兩項(xiàng)指標(biāo)。其中,用戶(hù)OPD 是指用戶(hù)實(shí)際運(yùn)行功率與用戶(hù)調(diào)控指令之間的偏差量,用戶(hù)PCD 是指一天內(nèi)用戶(hù)OPD 的總和。除此之外,下文中的平臺(tái)OPD 是指平臺(tái)管控下全部用戶(hù)實(shí)際運(yùn)行功率與平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃之間的偏差量；平臺(tái)PCD是指一天內(nèi)平臺(tái)OPD 的總和。

1.2 熱力負(fù)荷的功率粒度模型

功率粒度是量化異構(gòu)熱力負(fù)荷離散功率變化程度的屬性。當(dāng)熱力負(fù)荷響應(yīng)功率的最小變化量大于調(diào)控指令功率的最小變化量時(shí),認(rèn)為負(fù)荷的功率粒度較粗,無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤調(diào)控指令,如附錄A 圖A1 所示；反之則負(fù)荷功率粒度較細(xì),可以精準(zhǔn)跟蹤調(diào)控指令。通常情況下,具有大功率可中斷設(shè)備的熱力負(fù)荷功率粒度較粗。對(duì)于1.1 節(jié)中連續(xù)變化的調(diào)控指令,當(dāng)熱力負(fù)荷的功率粒度大于調(diào)控指令粒度時(shí),熱力負(fù)荷無(wú)法精準(zhǔn)跟蹤指令變化。為實(shí)現(xiàn)不同功率粒度屬性熱力負(fù)荷的協(xié)同互補(bǔ)調(diào)控,應(yīng)首先對(duì)功率粒度進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模。建立熱力負(fù)荷的功率粒度模型,助力實(shí)現(xiàn)粗功率粒度熱力負(fù)荷與細(xì)功率粒度熱力負(fù)荷的協(xié)同互補(bǔ)響應(yīng),多功率粒度熱力負(fù)荷共同完成平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃的精準(zhǔn)跟蹤,進(jìn)一步達(dá)到提高負(fù)荷需求響應(yīng)收益、提升電網(wǎng)靈活性、降低發(fā)電碳排放等目的。

粒度化后的平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃與用戶(hù)響應(yīng)功率如下:

式中:Pi,t為熱控平臺(tái)用戶(hù)i的調(diào)控指令；yi,t為t時(shí)段用戶(hù)i調(diào)控指令與粒度的比值；PD,t為平臺(tái)在t時(shí)段的功率偏差；DPG為平臺(tái)的電量偏差。

當(dāng)平臺(tái)優(yōu)化調(diào)控不考慮用戶(hù)功率粒度屬性時(shí),部分熱力負(fù)荷的功率粒度大于調(diào)控指令粒度,熱控平臺(tái)用戶(hù)的實(shí)際運(yùn)行功率因無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤調(diào)控指令而出現(xiàn)功率偏差:

1.3 熱力負(fù)荷的時(shí)間粒度模型

時(shí)間粒度是刻畫(huà)異構(gòu)熱力負(fù)荷連續(xù)功率變化最小時(shí)間間隔的屬性。當(dāng)熱力負(fù)荷功率變化的時(shí)間間隔大于調(diào)控指令的時(shí)間粒度時(shí),認(rèn)為負(fù)荷的時(shí)間粒度較粗,無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤調(diào)控指令；反之則負(fù)荷功率粒度較細(xì),可以精準(zhǔn)跟蹤調(diào)控指令。當(dāng)前,各國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)的時(shí)間粒度基本在1 h 以?xún)?nèi),而中國(guó)電力實(shí)時(shí)調(diào)度的時(shí)間粒度基本為15 min,部分地區(qū)甚至達(dá)到了5 min?？紤]到是從電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)中獲取平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃,因此,平臺(tái)的時(shí)間粒度也在15 min 以?xún)?nèi)。部分熱控負(fù)荷受到設(shè)備控制時(shí)延、操作員工作時(shí)間等因素影響,時(shí)間粒度在15 min 以上,這些用戶(hù)無(wú)法適應(yīng)平臺(tái)指令的快速功率變化。

當(dāng)用戶(hù)運(yùn)行功率的時(shí)間粒度大于調(diào)控指令的時(shí)間粒度時(shí),認(rèn)為該用戶(hù)在時(shí)間尺度上的靈活性較低,不能獨(dú)立精確跟蹤指令,如附錄A 圖A1 所示。當(dāng)用戶(hù)實(shí)際運(yùn)行功率的時(shí)間粒度不大于調(diào)控指令的時(shí)間粒度時(shí),認(rèn)為該用戶(hù)在時(shí)間尺度上具有較高的靈活性,可以獨(dú)立精確跟蹤指令。為實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間粒度屬性熱力負(fù)荷的協(xié)同互補(bǔ)調(diào)控,應(yīng)首先對(duì)時(shí)間粒度進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模。建立熱力負(fù)荷的時(shí)間粒度模型,助力實(shí)現(xiàn)粗時(shí)間粒度熱力負(fù)荷與細(xì)時(shí)間粒度熱力負(fù)荷的協(xié)同互補(bǔ)響應(yīng),以使多時(shí)間粒度熱力負(fù)荷共同完成平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃的精準(zhǔn)跟蹤。用戶(hù)與平臺(tái)的時(shí)間粒度如下:

式中:Pi,tDR為平臺(tái)下發(fā)到用戶(hù)i的調(diào)控指令；δi,tDR為受時(shí)間粒度影響,用戶(hù)i在tDR時(shí)段的功率偏差；P'i,ti為用戶(hù)i的實(shí)際運(yùn)行功率；DTG為一天內(nèi)由多時(shí)間粒度引起的平臺(tái)電量偏差。

當(dāng)平臺(tái)優(yōu)化調(diào)控考慮用戶(hù)時(shí)間粒度屬性,即用戶(hù)調(diào)控指令粒度與各負(fù)荷粒度保持一致時(shí),由熱力負(fù)荷時(shí)間粒度屬性引起的功率偏差近似為0。

2 熱力負(fù)荷的協(xié)同優(yōu)化調(diào)控方法

2.1 計(jì)及多粒度用電屬性的調(diào)控優(yōu)先級(jí)與優(yōu)化目標(biāo)

本文所述協(xié)同優(yōu)化算法模型如圖2 所示。首先,結(jié)合分時(shí)電價(jià),以各熱控平臺(tái)用戶(hù)用電成本最低為目標(biāo)計(jì)算次日響應(yīng)功率,模擬熱力負(fù)荷的主動(dòng)響應(yīng)。其次,為消除多粒度用電屬性帶來(lái)的用戶(hù)OPD,實(shí)現(xiàn)多粒度熱力負(fù)荷的協(xié)同互補(bǔ),對(duì)不同粒度屬性的熱力負(fù)荷進(jìn)行分級(jí),粒度大的熱力負(fù)荷優(yōu)先級(jí)低,粒度小的熱力負(fù)荷優(yōu)先級(jí)高。用戶(hù)分級(jí)制度可以指導(dǎo)熱控平臺(tái)補(bǔ)貼價(jià)格設(shè)定和機(jī)制建設(shè),激勵(lì)更多熱力負(fù)荷參與熱控平臺(tái)業(yè)務(wù),增強(qiáng)平臺(tái)的整體響應(yīng)潛力。

圖2 考慮多粒度用電屬性的協(xié)同優(yōu)化模型Fig.2 Coordinated optimal model considering multigranularity attributes of power consumption

結(jié)合1.2 節(jié)的功率粒度屬性和1.3 節(jié)的時(shí)間粒度屬性,初步得到熱力負(fù)荷的調(diào)控優(yōu)先級(jí)計(jì)算如式（9）所示。熱力負(fù)荷的兩種粒度屬性越大,該負(fù)荷的調(diào)控優(yōu)先級(jí)越低,反之越高。

式中:Li為熱控平臺(tái)用戶(hù)i的調(diào)控優(yōu)先級(jí)；Ri為熱控平臺(tái)用戶(hù)i兩種粒度屬性對(duì)優(yōu)先級(jí)的貢獻(xiàn)率；Ci為熱控平臺(tái)用戶(hù)i的信譽(yù)度；G為劃分的優(yōu)先級(jí)數(shù)量,取值范圍是正整數(shù)。

在式（9）中,兩種粒度屬性的大小差異對(duì)優(yōu)先級(jí)貢獻(xiàn)率Ri影響相同。結(jié)合附錄A 圖A1,考慮功率粒度屬性αi與時(shí)間粒度屬性βi對(duì)用戶(hù)OPD 的影響不同,當(dāng)熱力負(fù)荷功率和時(shí)間粒度大于調(diào)控指令粒度時(shí),保守情況下可能出現(xiàn)的最大功率偏差分別為L(zhǎng)Pgi和LTgi,由粒度屬性引起的功率偏差越大,熱力負(fù)荷的調(diào)控優(yōu)先級(jí)越低。因此,修改兩種粒度屬性對(duì)優(yōu)先級(jí)的貢獻(xiàn)率如下:

最后,根據(jù)式（3）或式（6）計(jì)算用戶(hù)OPD,結(jié)合各用戶(hù)OPD 大小和式（13）中的凈交換功率懲罰成本,分?jǐn)偛⒔Y(jié)算用戶(hù)的功率偏差懲罰。

2.2 熱力負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化的約束條件

熱力負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化中涉及的主要約束條件包括熱力負(fù)荷功率約束、熱力負(fù)荷響應(yīng)速率約束、蓄熱量約束以及溫度閾值約束。

3 算例分析

3.1 算例場(chǎng)景設(shè)置

本文第2 章的熱力負(fù)荷協(xié)同響應(yīng)優(yōu)化模型是一個(gè)混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題,通過(guò)MATLAB 調(diào)用Gurobi 求解器進(jìn)行求解。為驗(yàn)證熱控平臺(tái)參與地區(qū)電網(wǎng)需求響應(yīng)過(guò)程中,是否考慮熱力負(fù)荷粒度屬性對(duì)協(xié)同優(yōu)化調(diào)控的影響,本文場(chǎng)景設(shè)置如下:

場(chǎng)景1:熱控平臺(tái)用戶(hù)存在如表1 所示的功率粒度和時(shí)間粒度差異,但平臺(tái)的優(yōu)化調(diào)控不考慮用戶(hù)粒度屬性。

表1 熱力負(fù)荷的功率粒度與時(shí)間粒度Table 1 Power granularity and time granularity of thermal loads

場(chǎng)景2:熱力負(fù)荷存在粒度差異,結(jié)合1.2 節(jié)負(fù)荷的功率粒度模型,平臺(tái)采用考慮功率粒度屬性的調(diào)控方法,實(shí)現(xiàn)不同功率粒度熱力負(fù)荷的協(xié)同響應(yīng),同時(shí)忽略用戶(hù)的時(shí)間粒度屬性。

場(chǎng)景3:熱力負(fù)荷存在粒度差異,結(jié)合1.3 節(jié)負(fù)荷的時(shí)間粒度模型,平臺(tái)采用考慮時(shí)間粒度屬性的調(diào)控方法,實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間粒度熱力負(fù)荷的協(xié)同響應(yīng),同時(shí)忽略用戶(hù)的功率粒度屬性。

場(chǎng)景4:熱力負(fù)荷存在粒度差異,平臺(tái)采用考慮負(fù)荷多粒度用電屬性的優(yōu)化調(diào)控方法,實(shí)現(xiàn)不同功率粒度和時(shí)間粒度熱力負(fù)荷的互補(bǔ)協(xié)同響應(yīng)。

3.2 熱力負(fù)荷的協(xié)同優(yōu)化調(diào)控結(jié)果

圖3 和附錄B 圖B1 分別給出了協(xié)同優(yōu)化后得到的各用戶(hù)的調(diào)控指令和平臺(tái)調(diào)控指令。

圖3 不同場(chǎng)景下的協(xié)同優(yōu)化調(diào)控結(jié)果Fig.3 Dispatch and control results of coordinated optimization in different scenarios

場(chǎng)景1 中,平臺(tái)優(yōu)化調(diào)控未考慮各用戶(hù)的功率粒度與時(shí)間粒度屬性。因此,圖3 中藍(lán)色階梯圖的粒度與熱控平臺(tái)粒度保持一致,為0.01 MW 和15 min,此時(shí)僅用戶(hù)1 因其功率和時(shí)間粒度較小而可以準(zhǔn)確跟蹤調(diào)控指令。

場(chǎng)景2 中,平臺(tái)優(yōu)化調(diào)控僅考慮各用戶(hù)的功率粒度屬性。因此,圖3 中橙色階梯圖的功率粒度與表1 中各用戶(hù)功率粒度保持一致,場(chǎng)景2 中功率粒度屬性是對(duì)各熱控平臺(tái)用戶(hù)功率離散化程度的量化,是各熱控平臺(tái)用戶(hù)的最小功率單位。然而,該場(chǎng)景未考慮時(shí)間粒度影響,故優(yōu)化后各用戶(hù)調(diào)控指令的時(shí)間粒度均為15 min,其中用戶(hù)1 的時(shí)間粒度為15 min,可以準(zhǔn)確跟蹤調(diào)控指令。

場(chǎng)景3 中,平臺(tái)優(yōu)化調(diào)控僅考慮各用戶(hù)的時(shí)間粒度屬性。因此,圖3 中黃色階梯圖的時(shí)間粒度與表1 中各用戶(hù)時(shí)間粒度保持一致,場(chǎng)景3 中時(shí)間粒度屬性是對(duì)各熱控平臺(tái)用戶(hù)調(diào)控時(shí)間分散程度的量化,是各熱控平臺(tái)用戶(hù)調(diào)控的最小時(shí)間單位。同時(shí),因未考慮功率粒度影響,優(yōu)化后各用戶(hù)調(diào)控指令的功率粒度均為0.01 MW,用戶(hù)3 和4 因功率粒度較大而無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤調(diào)控指令。

場(chǎng)景4 中,平臺(tái)優(yōu)化調(diào)控考慮了多粒度用電屬性。因此,圖3 中紫色階梯圖的時(shí)間、功率粒度與表1 中各用戶(hù)時(shí)間、功率粒度保持一致,全部用戶(hù)能夠準(zhǔn)確跟蹤調(diào)控指令,此時(shí)粒度屬性不會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)的OPD。

3.3 算例評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

圖4 給出了場(chǎng)景1～4 中熱控平臺(tái)的OPD,是各用戶(hù)受粒度屬性限制而無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤圖3 中調(diào)控指令的結(jié)果?？梢钥闯?場(chǎng)景1 和2 的平臺(tái)OPD 較大,偏差峰值分別為90 MW 和77 MW,場(chǎng)景1 的平臺(tái)OPD 略大于場(chǎng)景2,是因?yàn)閳?chǎng)景2 的平臺(tái)OPD 僅由時(shí)間粒度屬性導(dǎo)致,而場(chǎng)景1 的平臺(tái)OPD 是由功率粒度屬性和時(shí)間粒度屬性共同導(dǎo)致的。場(chǎng)景3 和4的平臺(tái)OPD 較小,其中場(chǎng)景3 的平臺(tái)OPD 峰值為2.5 MW,而場(chǎng)景4 的OPD 為0,因?yàn)閳?chǎng)景3 中存在用戶(hù)功率粒度屬性引起的偏差,而場(chǎng)景4 則消除全部粒度屬性的影響?？紤]實(shí)際調(diào)控中的不確定性,熱力負(fù)荷的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間和功率在小范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng),因此,不會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)景4 中偏差為0 的情況,本算例僅用于驗(yàn)證理想狀態(tài)下考慮多粒度用電屬性的優(yōu)化調(diào)控方法對(duì)平臺(tái)OPD 的影響。從圖4 中各場(chǎng)景的平臺(tái)OPD 變化可以初步得到以下結(jié)論:考慮時(shí)間粒度屬性的調(diào)控方法可以大幅降低平臺(tái)OPD；考慮功率粒度屬性的優(yōu)化調(diào)控方法可以小幅降低平臺(tái)OPD。

圖4 熱控平臺(tái)的OPD 變化Fig.4 OPD change of thermal control platform

圖4 的結(jié)果證明了考慮多粒度用電屬性協(xié)同優(yōu)化方法對(duì)熱控平臺(tái)管控下熱力負(fù)荷群體的有效性。附錄B 圖B2 則分別統(tǒng)計(jì)了場(chǎng)景1～4 中各用戶(hù)在一天內(nèi)的總用戶(hù)PCD,證明本文所提方法對(duì)各用戶(hù)PCD 均有效,不會(huì)損害個(gè)別用戶(hù)效益。用戶(hù)1 因其較小的功率粒度和時(shí)間粒度,在上述場(chǎng)景中基本不存在PCD,在任何場(chǎng)景均不會(huì)受到偏差懲罰；用戶(hù)2和5 在上述場(chǎng)景中的PCD 不超過(guò)50 MW·h,受到的偏差懲罰較??；用戶(hù)3 和4 作為工業(yè)熱力負(fù)荷,受到粒度屬性影響最為顯著,考慮時(shí)間粒度屬性前的PCD 基本在150 MW·h 左右,考慮時(shí)間粒度屬性后的PCD 得到明顯改善,也降低到了50 MW·h 以下。除用戶(hù)1 外,其余用戶(hù)在場(chǎng)景1～4 下的用戶(hù)PCD 基本呈遞減趨勢(shì)。

除粒度屬性引起的用戶(hù)OPD 外,為驗(yàn)證所提方法對(duì)用戶(hù)用電成本、用戶(hù)平均滿(mǎn)意度、碳排放社會(huì)成本以及凈交換電量4 項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn),將統(tǒng)計(jì)結(jié)果記錄于表2 中。從凈交換電量的角度看,場(chǎng)景1～4 的凈交換功率依次遞減,特別是考慮時(shí)間粒度的場(chǎng)景中,地區(qū)電網(wǎng)與外部電網(wǎng)在一天內(nèi)的凈交換功率有明顯降低,相對(duì)于不考慮時(shí)間粒度的場(chǎng)景平均降低300 MW·h；從用戶(hù)用電成本的角度看,考慮時(shí)間粒度屬性后的協(xié)同優(yōu)化方法對(duì)用戶(hù)用電成本的降低明顯,降低幅度在30%以上；從用戶(hù)用電滿(mǎn)意度的角度看,考慮時(shí)間粒度屬性的協(xié)同優(yōu)化方法略微提高了用戶(hù)的平均用電滿(mǎn)意度,而是否考慮功率粒度屬性對(duì)用戶(hù)的平均滿(mǎn)意度基本無(wú)影響；從碳排放社會(huì)成本的角度看,僅在考慮時(shí)間粒度屬性后降低了系統(tǒng)碳排放成本。綜上得到結(jié)論如下:考慮時(shí)間粒度屬性和功率粒度屬性均對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的凈交換功率有明顯改善；考慮時(shí)間粒度屬性對(duì)用戶(hù)平均滿(mǎn)意度、碳排放社會(huì)成本以及凈交換電量3 項(xiàng)指標(biāo)有所改善,但考慮功率粒度屬性后對(duì)上述3 項(xiàng)指標(biāo)影響不明顯。

表2 各場(chǎng)景指標(biāo)對(duì)比Table 2 Comparison of indices in each scenario

進(jìn)一步探究4 種場(chǎng)景下,用戶(hù)PCD 隨粒度屬性的變化趨勢(shì)。假設(shè)表1 中各用戶(hù)的粒度屬性均相等,使全部用戶(hù)功率粒度在0.01 W～8 MW 連續(xù)變化,時(shí)間粒度在15～90 min 連續(xù)變化,運(yùn)行場(chǎng)景1～4 的優(yōu)化調(diào)控方法。圖5（a）給出了用戶(hù)PCD 隨功率粒度和時(shí)間粒度變化的曲面圖。圖5（b）給出了用戶(hù)功率粒度限制為4 MW 時(shí),不同場(chǎng)景下的用戶(hù)PCD隨時(shí)間粒度的變化趨勢(shì)。圖5（c）給出了用戶(hù)時(shí)間粒度限制為1 h 時(shí),不同場(chǎng)景下用戶(hù)PCD 隨功率粒度的變化趨勢(shì)。驗(yàn)證優(yōu)化模型中僅考慮一種粒度屬性是否影響另一種粒度屬性引起的功率偏差大小,其中場(chǎng)景1 和2 均未考慮時(shí)間粒度屬性,結(jié)合圖5（b）結(jié)果得到上述場(chǎng)景受時(shí)間粒度影響的功率偏差,僅考慮功率粒度的優(yōu)化調(diào)控模型受時(shí)間粒度影響較大,其偏差增量在550 MW·h 以?xún)?nèi),而不考慮粒度屬性的優(yōu)化調(diào)控模型受時(shí)間粒度影響較小,其偏差增量在420 MW·h以?xún)?nèi)。同理,場(chǎng)景1和3均未考慮功率粒度屬性,結(jié)合圖5（c）結(jié)果得到上述場(chǎng)景受時(shí)間粒度影響的功率偏差,僅考慮時(shí)間粒度的優(yōu)化調(diào)控模型受功率粒度影響較小,其偏差增量小于50 MW·h,而不考慮粒度屬性的優(yōu)化調(diào)控模型受功率粒度影響較大,其偏差增量接近200 MW·h。

圖5 考慮多粒度屬性影響的用戶(hù)PCD 變化趨勢(shì)Fig.5 Changing trend of PCD of thermal users considering influence of multi-granularity attributes

需要注意的是,場(chǎng)景2 在用戶(hù)功率粒度大于3 MW 后,其PCD 隨功率粒度增大而減小,這是因?yàn)橄鄬?duì)于調(diào)控粒度大、靈活性低的用戶(hù),此時(shí)電力系統(tǒng)逐漸傾向于通過(guò)火力發(fā)電降低系統(tǒng)凈交換功率。因此,隨著用戶(hù)功率粒度的增大,平臺(tái)對(duì)用戶(hù)的調(diào)控功率降低,由粒度屬性引起的用戶(hù)PCD 降低。結(jié)合圖5（a）至（c）得到以下結(jié)論:時(shí)間粒度屬性對(duì)用戶(hù)PCD 的影響較大且考慮時(shí)間粒度屬性的優(yōu)化調(diào)控模型可以有效降低用戶(hù)PCD；功率粒度屬性對(duì)用戶(hù)PCD 影響較小,但同時(shí)考慮時(shí)間粒度屬性和功率粒度屬性后的調(diào)控模型可以使得PCD 進(jìn)一步降低,突破熱力負(fù)荷的粒度屬性限制,實(shí)現(xiàn)熱力負(fù)荷的精準(zhǔn)調(diào)控；但是,當(dāng)某些熱力負(fù)荷的粒度屬性大于其余熱力負(fù)荷可以協(xié)同優(yōu)化的能力上限后,平臺(tái)隨即減少對(duì)此類(lèi)負(fù)荷的調(diào)控。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)海量熱力負(fù)荷資源中不同用戶(hù)的功率粒度和時(shí)間粒度差異,提出了面向用戶(hù)多粒度用電屬性的熱力負(fù)荷優(yōu)化調(diào)控方法,得到如下結(jié)論:

1）對(duì)于存在多種不同功率和時(shí)間粒度熱力負(fù)荷的地區(qū)電網(wǎng),通過(guò)多粒度負(fù)荷模型有效提高了熱控平臺(tái)管控下海量熱力負(fù)荷群的靈活性。

2）在不額外占用火電、儲(chǔ)能等靈活性資源的前提下,僅通過(guò)熱力負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化完成平臺(tái)調(diào)控計(jì)劃的精準(zhǔn)跟蹤,實(shí)現(xiàn)靈活性資源的合理配置,提升了地區(qū)電網(wǎng)的靈活性。

3）將用戶(hù)主動(dòng)響應(yīng)與平臺(tái)優(yōu)化調(diào)控相結(jié)合,按優(yōu)先級(jí)設(shè)定經(jīng)濟(jì)激勵(lì)以引導(dǎo)熱力負(fù)荷主動(dòng)參與平臺(tái)負(fù)荷調(diào)整,調(diào)動(dòng)了熱力負(fù)荷參與調(diào)控的積極性。

本文旨在針對(duì)中國(guó)高比例新能源并網(wǎng)面臨的困難,為需求響應(yīng)的發(fā)展提供有益借鑒。對(duì)電、氣、冷、熱等多能用戶(hù)耦合關(guān)系的刻畫(huà),以及考慮用戶(hù)多粒度用電屬性的綜合能源協(xié)同互補(bǔ)利用,將是下一步工作的研究重點(diǎn)。

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