CN112510683A - 考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法，属于电力***技术领域。包括步骤：考虑用户中断负荷响应曲线构建增量配电网可中断负荷补偿模型；考虑储能安全运行约束构建增量配电网储能配置模型；以多场景表征增量配电网中分布式电源和负荷的不确定性，构建增量配电网灵活性资源联合配置模型，并对模型进行求解。本发明对增量配电网的需求侧响应和储能配置进行建模，提出了增量配电网中可中断负荷和储能联合配置方法。

Description

考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法

技术领域

本发明涉及电力***的技术领域，更具体地，涉及一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法。

背景技术

放开增量配电与售电侧业务是我国新一轮电力体制改革的重要任务，也是构建竞争有序的售电侧市场、提高配电网投资与运营效率的一项重要举措。2016年10月，国家***、能源局印发了《有序放开配电网业务管理办法》和《售电公司准入与退出管理办法》，首次向社会资本放开配电网投资业务。截至2019年底，全国各地先后启动了4批共计404个增量配电业务改革试点。

增量配电网区域内存在大量分布式电源，由于DG与负荷的双重不确定性，增量配电网的稳定运行存在一定压力。随着智能控制与双向通讯技术在用户侧大量应用，储能与需求侧响应成为增量配电网平抑源荷波动、提高运行稳定性的有效方式。如何合理配置储能与需求侧响应资源，在保证成本最低的情况下尽量提高增量配电网运行稳定性是亟待研究的问题。

发明内容

本发明提出一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法。该方法考虑用户中断负荷响应曲线构建了增量配电网可中断负荷补偿模型；考虑储能安全运行约束构建了增量配电网储能配置模型；以多场景表征增量配电网中分布式电源和负荷的不确定性，构建增量配电网灵活性资源联合配置模型。求解该规划模型，得到增量配电网可中断负荷和储能的配置和调度方案，为增量配电网的规划和调度提供了技术指导。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法，包括以下步骤：

步骤1：考虑用户中断负荷响应曲线构建增量配电网可中断负荷补偿模型；

步骤2：考虑储能安全运行约束构建了增量配电网储能配置模型；

步骤3：以多场景表征增量配电网中分布式电源和负荷的不确定性，构建增量配电网灵活性资源联合配置模型，并对模型进行求解。

上述技术方案中，进一步地，所述的步骤1考虑用户中断负荷响应曲线构建增量配电网可中断负荷补偿模型，具体实现方法如下：

可中断负荷是增量配电网平抑源荷随机波动、提高运行稳定性的有效方式。增量配电网需提前配置一定容量的可中断负荷，并在用户侧装设通讯设备与控制设备，以实现对可中断负荷的实时控制，在电力紧缺时直接中断负荷。增量配电网配置可中断负荷的成本包括容量成本和电量成本，容量成本用于购买一年内可中断的负荷容量，电量成本是指运行中调用可中断负荷后付给用户的补偿。增量配电网配置可中断负荷的总成本C_IL为

式中，

为可中断负荷的容量购买单价；

为增量配电网配置的可中断负荷容量；

为时段t内可中断负荷的电量补偿单价；

为场景s下时段t内中断的负荷量。ω_s为场景s的概率；S为总的场景数；T为总的调度时段数；Δt为调度时段的时长；

通常，电量补偿单价会影响到用户响应中断的负荷量。如图2所示，用户的响应曲线分为死区、线性区和饱和区。当补偿单价低于死区阈值时，用户不愿意中断负荷；超过该阈值，用户开始响应中断，且在一定范围内，随着补偿单价的提高，用户中断的负荷量线性上升；超过某一上限时，用户中断负荷的能力趋于饱和，不再有更多的可中断容量。

基于此，以可削减容量系数λ^IL来描述可中断负荷对停电补偿价格的响应程度，其含义为某时段中断的负荷量占可中断负荷容量的比例，λ^IL的表达式为

式中，

和

分别为可中断负荷用户响应曲线死区阈值和饱和区阈值；η^IL为可中断负荷线性区的斜率。

更进一步地，所述的步骤2考虑储能安全运行的约束构建增量配电网储能配置模型，具体实现方法如下：

储能响应速度快，充放电转换迅速，可以有效平抑分布式电源和负荷的波动，此外，增量配电网可以在电量充裕时控制储能充电，在电量紧缺时控制储能放电，实现能量在时间轴上的转移。储能设备的几个重要参数分别为额定功率P_ess、额定容量E_ess、荷电状态S。额定功率是指储能设备充放电的最大功率，额定容量是指储能设备能存储的最大电量，荷电状态是指储能设备当前时刻的电量占额定容量的比例。储能在t时刻的荷电状态S_t与该时刻充放电功率及上一时刻的荷电状态S_t-1有关，其表达式为

式中，η^cha和η^dis分别表示储能的充放电效率。P_t ^cha和P_t ^dis分别为储能t时刻充、放电功率；

考虑到储能设备的使用寿命及安全性，储能在运行时需满足如下约束：

0≤P_t ^cha≤P_ess

0≤P_t ^dis≤P_ess

S_min≤S_t≤S_max

式中，S_min和S_max分别为储能荷电状态的上下限。

与可中断负荷相比，储能投资成本高于可中断负荷容量成本，但运营时的电量损失费用低于其电量成本。增量配电网配置储能的成本C_ess为

式中，c_ess、

分别为储能的固定投资成本、单位容量投资成本、单位功率投资成本；A_ess为储能投资成本的年等值系数。

更进一步地，所述的步骤3以多场景表征增量配电网中分布式电源和负荷的不确定性，构建增量配电网灵活性资源联合配置模型，并对模型进行求解，具体实现方法如下：

首先构建电力市场环境下增量配电网购电模型，自我国开展新一轮电力体制改革以来，绝大部分省区已建立起中长期电力市场，开展市场化交易。为推动中长期市场向现货市场的过渡，人们提出了一种以电力曲线为交易标的的市场交易方式，涉及三种常用曲线：峰谷平曲线、全天平均曲线和高峰时段曲线，如图3所示。峰谷平曲线将一天划分为峰段、平段和谷段，给定不同时段的电量比例；全天平均曲线各时段电量相同；高峰时段曲线9:00-17:00时段电量相等，其他时段电量为零。增量配电网需要根据区域负荷特征，合理安排三类曲线的购买比例，使得购电曲线尽可能拟合负荷曲线。增量配电网的购电成本C_con为

式中，I为增量配电网购买的曲线类型数；T为一天的调度时段数；c_i,t为第i类曲线t时段价格；β_i,t为第i类曲线t时段电量占该类曲线总电量的比例；

为增量配电网购买第i类曲线的总电量。

由于分布式电源和负荷的不确定性，增量配电网的购电曲线与负荷曲线难免存在偏差，当增量配电网出现电量缺额/富余时，需要使用电网正/负备用，并向电网公司支付费用：

式中，C_non为增量配电网向电网公司支付的费用；c^u和c^v分别为电网正/负备用的单价；

场景s下时段t内增量配电网的偏差电量。

f(x)为一分段函数，满足

为方便处理f(x)，引入2个非负松弛变量u_s,t、v_s,t，令

显然u_s,t/v_s,t实质即增量配电网在场景s下时段t内的缺额/富余电量，经过变换后C_non的表达式为

如何用最小的成本尽可能提高配电网运行稳定性，是增量配电网进行规划的关键。增量配电网灵活性资源配置模型的决策变量包括

E_ess和P_ess，其目标函数为

min C_con+C_IL+C_ess+C_non

除了储能安全运行的约束条件，模型的约束条件还包括：

1)电力平衡约束

式中，P_t ^buy为增量配电网时段t内的购电功率；

和

为风光在场景s下时段t内的出力；

和

分别为场景s下时段t内储能的充放电功率；

为场景s下时段t内的负荷。

2)可中断负荷约束，即每次中断的负荷量不超过购买的可中断负荷容量。

本发明的有益效果是：

其一、该方法考虑用户中断负荷响应曲线，构建了增量配电网可中断负荷补偿模型；

其二、该方法充分利用了可中断负荷和储能来平抑分布式电源和负荷的波动性，提高了增量配电网运行稳定水平；

其三、该方法易于操作，为增量配电网利用灵活性资源实现区域电力电量平衡提供了方案，具有一定的现实意义。

附图说明

图1为本发明的整体流程示意图。

图2为可中断负荷用户响应曲线。

图3为三类曲线示意图。

图4为增量配电网在某场景下的运行情况。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1为本发明的整体流程示意图。本发明的一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法，其实现流程包括以下步骤：

步骤1：考虑用户中断负荷响应曲线构建增量配电网可中断负荷补偿模型。本步骤的具体实现方法如下：

可中断负荷是增量配电网平抑源荷随机波动、提高运行稳定性的有效方式。增量配电网需提前配置一定容量的可中断负荷，并在用户侧装设通讯设备与控制设备，以实现对可中断负荷的实时控制，在电力紧缺时直接中断负荷。增量配电网配置可中断负荷的成本包括容量成本和电量成本，容量成本用于购买一年内可中断的负荷容量，电量成本是指运行中调用可中断负荷后付给用户的补偿。增量配电网配置可中断负荷的总成本C_IL为

式中，

为可中断负荷的容量购买单价；

为增量配电网配置的可中断负荷容量；

为时段t内可中断负荷的电量补偿单价；

为场景s下时段t内中断的负荷量。

通常，电量补偿单价影响到用户响应中断的负荷量。如图2所示，用户的响应曲线分为死区、线性区和饱和区。当补偿单价低于死区阈值时，用户不愿意中断负荷；超过该阈值，用户开始响应中断，且在一定范围内，随着补偿单价的提高，用户中断的负荷量线性上升；超过某一上限时，用户中断负荷的能力趋于饱和，不再有更多的可中断容量。

以可削减容量系数λ^IL来描述可中断负荷对停电补偿价格的响应程度，其含义为某时段中断的负荷量占可中断负荷容量的比例。λ^IL的表达式为

式中，

和

分别为可中断负荷用户响应曲线死区阈值和饱和区阈值；η^IL为可中断负荷线性区的斜率。

步骤2：考虑储能安全运行的约束构建增量配电网储能配置模型。本步骤的具体实现方法如下：

储能响应速度快，充放电转换迅速，可以有效平抑分布式电源和负荷的波动。此外，增量配电网可以在电量充裕时控制储能充电，在电量紧缺时控制储能放电，实现能量在时间轴上的转移。储能设备的几个重要参数分别为额定功率P_ess、额定容量E_ess、荷电状态S。额定功率是指储能设备充放电的最大功率，额定容量是指储能设备能存储的最大电量，荷电状态是指储能设备当前时刻的电量占额定容量的比例。储能在t时刻的荷电状态S_t与该时刻充放电功率及上一时刻的荷电状态S_t-1有关，其表达式为

式中，η^cha和η^dis分别表示储能的充放电效率。

考虑到储能设备的使用寿命及安全性，储能在运行时需满足如下约束：

0≤P_t ^cha≤P_ess

0≤P_t ^dis≤P_ess

S_min≤S_t≤S_max

式中，S_min和S_max分别为储能荷电状态的上下限。

与可中断负荷相比，储能投资成本高于可中断负荷容量成本，但运营时的电量损失费用低于其电量成本。增量配电网配置储能的成本C_ess为

式中，c_ess、

分别为储能的固定投资成本、单位容量投资成本、单位功率投资成本；A_ess为储能投资成本的年等值系数。

步骤3：采用多场景描述增量配电网中分布式电源和负荷的不确定性，构建增量配电网灵活性资源联合配置模型，并对模型进行求解。本步骤的具体实现方法如下：

首先构建电力市场环境下增量配电网购电模型，自我国开展新一轮电力体制改革以来，绝大部分省区已建立起中长期电力市场，开展市场化交易。为推动中长期市场向现货市场的过渡，人们提出了一种以电力曲线为交易标的的市场交易方式，涉及三种常用曲线：峰谷平曲线、全天平均曲线和高峰时段曲线，如图3所示。峰谷平曲线将一天划分为峰段、平段和谷段，给定不同时段的电量比例；全天平均曲线各时段电量相同；高峰时段曲线9:00-17:00时段电量相等，其他时段电量为零。增量配电网需要根据区域负荷特征，合理安排三类曲线的购买比例，使得购电曲线尽可能拟合负荷曲线。增量配电网的购电成本C_con为

式中，I为增量配电网购买的曲线类型数；T为一天的调度时段数；β_i,t为第i类曲线t时段电量占该类曲线总电量的比例；

为增量配电网购买第i类曲线的总电量。

由于分布式电源和负荷的不确定性，增量配电网的购电曲线与负荷曲线难免存在偏差，当增量配电网出现电量缺额/富余时，需要使用电网正/负备用，并向电网公司支付费用：

式中，C_non为增量配电网向电网公司支付的费用；c^u和c^v分别为电网正/负备用的单价；

场景s下时段t内增量配电网的偏差电量。

f(x)为一分段函数，满足

为方便处理f(x)，引入2个非负松弛变量u_s,t、v_s,t，令

显然u_s,t/v_s,t实质即增量配电网在场景s下时段t内的缺额/富余电量，经过变换后C_non的表达式为

如何用最小的成本尽可能提高配电网运行稳定性，是增量配电网进行规划的关键。增量配电网灵活性资源配置模型的决策变量包括

E_ess和P_ess，其目标函数为

min C_con+C_IL+C_ess+C_non

除了储能安全运行的约束条件，模型的约束条件还包括：

1)电力平衡约束

式中，P_t ^buy为增量配电网时段t内的购电功率；

和

为风光在场景s下时段t内的出力；

和

分别为场景s下时段t内储能的充放电功率；

为场景s下时段t内的负荷。

2)可中断负荷约束，即每次中断的负荷量不超过购买的可中断负荷容量。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

选取某区域增量配电网的风电、光伏、负荷等相关数据对模型进行仿真分析，该区域负荷总量为60MW，其中可中断的容量为5MW，风电装机容量10MW，光伏装机容量15MW，调度时段T＝24。可中断负荷容量购买单价

用户响应曲线的死区阈值和饱和区阈值分别为300元/MWh和800元/MWh。储能充放电效率为0.9，荷电状态上下限分别为0.1和0.9，年等值系数A_ess＝0.149。

求解上述增量配电网灵活性资源联合配置模型，得到增量配电网应配置的可中断负荷容量为2.29MW，应配置的储能容量为3.98MWh，储能功率为1.37MW。增量配电网一年内对三类曲线的购买量分别为65807MWh、99412MWh、7845MWh。附图4为增量配电网在某场景下的运行情况，其中，原始负荷扣减风光出力后得到实际负荷。夜间负荷较低，1:00-4:00储能一直处于充电状态，在4:00达到容量上限。5:00-7:00增量配电网无法消纳多余的购电量，产生了负偏差。8:00和18:00-19:00虽然为平时段，但负荷较高，增量配电网在这两个时段调用了可中断负荷。9:00-17:00负荷的波动基本由储能充放电来解决，在12:00和17:00产生了负偏差。21:00-24:00负荷较低，储能受最大充电功率1.37MW的限制无法吸收所有负偏差，增量配电网使用了电网负备用。增量配电网通过调度可中断负荷及储能，减小了购电曲线与负荷曲线的偏差，提高了配网运行稳定性。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明本发明而所作的举例，并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：考虑用户中断负荷响应曲线构建增量配电网可中断负荷补偿模型；

步骤2：考虑储能安全运行约束构建增量配电网储能配置模型；

步骤3：以多场景表征增量配电网中分布式电源和负荷的不确定性，构建增量配电网灵活性资源联合配置模型，并对模型进行求解。

2.根据权利要求1所述的一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法，其特征在于：所述的步骤1中考虑用户中断负荷响应曲线构建增量配电网可中断负荷补偿模型的具体方法如下：

增量配电网需提前配置一定容量的可中断负荷，并在用户侧装设通讯设备与控制设备，以实现对可中断负荷的实时控制，在电力紧缺时直接中断负荷；增量配电网配置可中断负荷的总成本C_IL为

式中，

为可中断负荷的容量购买单价；

为增量配电网配置的可中断负荷容量；

为时段t内可中断负荷的电量补偿单价；

为场景s下时段t内中断的负荷量；ω_s为场景s的概率；S为总的场景数；T为总的调度时段数；Δt为调度时段的时长；

根据用户中断负荷响应曲线的死区、线性区和饱和区，以可削减容量系数λ^IL表征可中断负荷对停电补偿价格的响应程度，其含义为某时段中断的负荷量占可中断负荷容量的比例，λ^IL的表达式为

式中，

和

分别为可中断负荷用户响应曲线死区阈值和饱和区阈值；η^IL为可中断负荷线性区的斜率。

3.根据权利要求2所述的考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法，其特征在于：所述的步骤2中考虑储能安全运行的约束构建增量配电网储能配置模型的具体方法如下：

储能响应速度快，充放电转换迅速，可有效平抑分布式电源和负荷的波动，增量配电网在电量充裕时控制储能充电，在电量紧缺时控制储能放电，实现能量在时间轴上的转移；储能在t时刻的荷电状态S_t与该时刻充放电功率及上一时刻的荷电状态S_t-1有关，其表达式为

式中，η^cha和η^dis分别表示储能的充放电效率；E_ess为储能设备的额定容量；P_t ^cha和P_t ^dis分别为储能t时刻充、放电功率；

考虑到储能设备的使用寿命及安全性，储能在运行时需满足如下约束：

0≤P_t ^cha≤P_ess

0≤P_t ^dis≤P_ess

S_min≤S_t≤S_max

式中，S_min和S_max分别为储能荷电状态的上下限，P_ess为储能设备额定功率。

增量配电网配置储能的成本C_ess为

式中，c_ess、

分别为储能的固定投资成本、单位容量投资成本、单位功率投资成本；A_ess为储能投资成本的年等值系数。

4.根据权利要求3所述的一种考虑源荷不确定性的增量配电网灵活性资源配置方法，其特征在于：所述的步骤3中以多场景表征增量配电网中分布式电源和负荷的不确定性，构建增量配电网灵活性资源联合配置模型，并对模型进行求解的具体方法如下：

增量配电网需要根据区域负荷特征，合理安排峰谷平曲线、全天平均曲线和高峰时段曲线三类曲线的购买比例，使得购电曲线尽可能拟合负荷曲线；增量配电网的购电成本C_con为

式中，I为增量配电网购买的曲线类型数；T为一天的调度时段数；c_i,t为第i类曲线t时段价格；β_i,t为第i类曲线t时段电量占该类曲线总电量的比例；

为增量配电网购买第i类曲线的总电量；

当增量配电网出现电量缺额/富余时，需要使用电网正/负备用，并向电网公司支付费用：

式中，C_non为增量配电网向电网公司支付的费用；c^u和c^v分别为电网正/负备用的单价；

场景s下时段t内增量配电网的偏差电量；

f(x)为一分段函数，满足

为方便处理f(x)，引入2个非负松弛变量u_s,t、v_s,t，令

显然u_s,t/v_s,t实质即增量配电网在场景s下时段t内的缺额/富余电量，经过变换后C_non的表达式为

增量配电网灵活性资源配置模型的决策变量包括

E_ess和P_ess，其目标函数为

min C_con+C_IL+C_ess+C_non

除了储能安全运行的约束条件，模型的约束条件还包括：

1)电力平衡约束

式中，P_t ^buy为增量配电网时段t内的购电功率；

和

为风光在场景s下时段t内的出力；

和

分别为场景s下时段t内储能的充、放电功率；

为场景s下时段t内的负荷；

2)可中断负荷约束，即每次中断的负荷量不超过购买的可中断负荷容量：

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