電力市場初期可中斷負荷管理優化模型

隨著能源市場的發展，需求側響應在能源市場中的作用變得越來越重要。可中斷負荷IL(interruptibleload)作為需求側響應的重要激勵方式之一,能夠充分利用用戶的用電彈性,緩解峰荷時段電力供應緊張狀況,對降低發電側電力市場的電價,提高電力系統經濟和安全運行有著積極作用。在電力市場改革過程中,一些國家和地區引入了IL措施。IL主要以簽訂合同或報價的形式參與市場。美國加州電力市場改革期間引入可中斷合同,由獨立系統運行員和用戶按月簽訂負荷中斷協議,以實際的中斷電量和合同價格結算。我國臺灣地區也較早實施了IL,采用直接負荷控制DLC(directloadcontrol)和IL相結合的調度方法。學者對IL特性,IL在電力系統中的作用,IL的建模都有研究。文獻考慮市場條件下的電價不確定因素以及負荷的隨機性,將機會約束規劃方法引入供電公司最優IL決策模型,為供電公司提供投資決策和風險管理的新途徑。文獻則研究了將IL作為系統備用所采用的方式,以及產生的積極效果。文獻研究了IL合同的內容和相關市場組織形式,提出一種以購買費用最小為目標的IL最優購買模型。文獻研究了在發電側市場中,基于最優潮流的主輔市場聯合優化及定價方法。文獻研究在發電側和用戶側開放的電力市場下,用戶主動參與備用容量服務對市場運營效益的影響,并提出了基于最優潮流的能量市場和備用容量市場聯合優化模型。文獻從IL的特性之一的提前通知時間著手,研究其對電網公司決策的影響,也有一定意義。我國正在逐漸推行“廠網分開、競價上網”的電力市場改革,建立包括電能和輔助服務的發電側電力市場是改革的初步目標。目前,我國電力市場尚處于初期階段,只開放了電能市場,還沒有開放輔助服務市場,備用僅僅作為一種安全約束,在電能市場出清時被考慮,并不直接參與市場競爭。盡管如此,電力公司仍然可以通過與用戶簽訂IL合同的方式,調動用戶參與市場的積極性,以發揮需求側資源的作用。面對系統中有限的裝機容量和一定的備用要求,電力公司通過中斷負荷減少容量需求,來緩解系統裝機容量不足的壓力,同時提高系統安全運行水平和電力市場運營效益。基于上述分析,本文根據電力市場初期市場運營具體情況,探討了市場初期實施IL的方式,并提出一種針對高峰期調度的IL優化模型。該模型考慮了提前通知時間、中斷負荷持續時間、用戶地理位置對網損的影響等因素。算例表明模型合理性,能適應電力市場初期對IL管理以及調動其積極作用的需要。1il合同用戶的中斷時間和預調度在電力市場初期,用戶與電網公司簽訂IL合同是電力市場實施IL的主要形式。IL合同的內容一般包括:合同有效期、提前通知時間、中斷持續時間、負荷中斷容量以及補償費用等。中斷負荷的補償費用可以看作是提前通知時間、中斷持續時間和中斷容量等相關因素的函數。文獻認為IL合同內容相關因素與中斷補償費用的關系主要由用戶的用電特性和所研究系統的特點決定,在實施IL管理過程中需要長期調查研究。各國電力市場的運作模式和發展狀況不同,實施IL的運作流程也存在著一定差異。我國電力市場尚處于初期,備用交易市場還未開放,這就需要結合其特點,充分利用IL這一特殊資源,緩解短期內系統裝機不足的壓力。這就要求IL的實施必須與系統調度,特別是系統負荷高峰期的調度緊密相結合,以使這種極其寶貴的備用資源能夠在系統運行最為關鍵的時候發揮作用。在理論上,IL的容量可視作等效機組容量參與系統有功調度,但由于用戶生產特性不同,中斷合同內容中提前通知時間、中斷持續時間等因素的限制,使得實際的優化調度不能將用戶的中斷容量直接當作機組容量來處理。其差別主要體現在:①在其他因素確定的條件下,負荷中斷容量對應的補償費用函數,是一組離散的點或平行于負荷軸的水平線段;②中斷時間一旦確定,在中斷持續時間內用戶的中斷容量不變;③提前通知時間不僅影響用戶的補償費用,還直接關系到負荷中斷的確切時間,從而決定該中斷負荷參與何種時間級別的優化調度。本文按照IL提前通知時間的不同將IL合同用戶歸為兩類:一類參與日前調度,提前通知時間一般大于一天,中斷持續時間也較長,為4h或8h;另一類參與高峰調度,提前通知時間較短,中斷持續時間也相對較短。便于后文論述,這里假定后一類IL用戶的中斷持續時間為2h。電力市場初期,電網公司為鼓勵用戶參與IL項目,要向參與IL的用戶支付一定的中斷容量費用。在確定購買中斷容量的數量時,將會對購買中斷負荷的費用與不購買中斷負荷可能對用戶缺電支付的賠償金進行比較,以經濟效益最大化為購買IL容量的標準。而IL合同中所規定的中斷補償費用需在其被調用時才進行支付。電網公司根據合同規范的提前通知時間,決定其參與不同時間級別的調度。一般負荷高峰持續時間為4～5h,預調度的時間間隔為30min。本文側重研究提前通知時間為小時級的IL用戶參與高峰調度的情況。結合電力市場初期高峰調度特點,本文給出實施IL的具體流程:①依據高峰負荷預報,形成不考慮機組功率爬坡速率約束的高峰調度初始方案;②考慮機組爬坡速率約束和各時段備用要求,計算高峰期系統容量缺額;③若容量無缺額,則在①的基礎上考慮備用和機組爬坡速率約束進行高峰調度,否則,執行流程④;④與有功調度模型相結合,計算IL合同的最優購買方案,修正負荷曲線,并最終確定高峰調度計劃。形成高峰調度初始方案的優化模型為minWloss=Τp∑t=1Ρloss(t)Δt(1)s.t.Νg∑i=1Ρg(i?t)=Ρd(t)+Ρloss(t)?t=1-Τp(2)Ρgmin(i)≤Ρg(i?t)≤Ρgmax(i)?i=1~Νg(3)-Ρ1min(m)≤Ρ1(m?t)≤Ρ1max(m)?l=1~L(4)式中:Pg(i,t)為第i臺機組第t時段的有功功率;Ng和Tp分別為機組總數和高峰期時段總數;Pd(t)和Ploss(t)分別為第t時段系統總負荷和網損功率;式(4)中:P1(m,t)為第t時段、第m條支路的有功功率,L為系統支路總數;式(2)為功率平衡公式;式(3)為發電機輸出功率約束;式(4)為輸電線路傳輸功率約束。該模型沒有考慮機組爬坡速率約束,所形成的調度結果只是一個初始方案。若再加上備用和機組爬坡速率約束,則就是③中所述的高峰優化調度模型。2電網公司購買了一個優化模型，以中斷負載2.1負荷中斷判定電力市場初期,輔助服務市場尚未建立或還很不成熟,造成電價信息未知或其不能真實反映成本,故IL合同的運作一般不能基于電價進行。此時,可依據可靠性指標、采用2種方式進行中斷條件判定:負荷高于某一門檻值;備用小于一定數值。后者不僅初步考慮了系統可靠性,而且與傳統的調度規程相符,故更為合理些。因此,本文采用第2種方式進行負荷中斷判定,并由此確定峰荷時段系統容量缺額水平。考慮到機組爬坡速率的限制,高峰時段系統容量缺額為Ps(t0+t)=Pd(t0+t)-Pd(t0)+Rd(t0+t)-Rd(t0)-RR(t0+t)(5)式中:t0表示峰荷前沿時段;Ps(t0+t)為峰荷期第t時段的系統容量缺額;Pd(t0+t)和Pd(t0)分別為t0+t和t0時段的系統負荷;Rd(t0+t)和Rd(t0)分別為在t0+t和t0時段的系統備用容量;PR(t0+t)為系統中所有機組從t0時段到t0+t時段的響應能力之和,即ΡR(t0+t)=Ν∑j=1ΡR(j?t0+t)(6)式中:PR(j,t0+t)為機組j從t0時段到t0+t時段的響應能力,它滿足如下關系:PR(j,t0+t)=min{(PmaxG(j)-PG(j,t0)),t·Δt·ru(j)}(7)式中:PmaxG(j)為機組j的最大輸出有功;PG(j,t0)為機組j在t0時段的輸出有功;Δt為時段間隔;ru(j)為機組j的爬坡速率。2.2中斷及中斷約束在優化可中斷負荷時,不僅要考慮中斷費用,還要顧及其對網損的影響,故本文采用如下形式的IL優化模型:minCΙL=Τp∑t=1Μ∑i=1S(i?t)ΡΙL(i?t)[ρΙL(i)+ρe(t)λL(i?t)]Δt(8)式中:i為IL合同編號(合同總數為M);t表示時段號;S(i,t)為第i個中斷合同在t時段的狀態,等于1表示中斷,等于0表示該時段沒有實施中斷;PIL(i,t)為第i個中斷合同在t時段的中斷容量;ρIL(i)為第i個IL的中斷補償價格;ρe(t)為高峰期t時段的電價;λL(i,t)為t時段第i個IL所在節點注入有功功率對網損的微增系數,可通過模型(1)～(4)求得。式(8)目標函數,表示在高峰時段Tp內電網公司購買IL的總費用和由其產生網損費用增加之和最小。考慮到IL要滿足容量缺額和其自身的特點,優化模型要滿足以下約束條件:Μ∑i=1S(i?t)ΡΙL(i?t)≥Ρs(t)(9)S(i?t+m)=1(S(i?t-1)=0∧S(i?t)=1)(m=1~nd(i)-1)(10)Τp∑t=1S(i?t)≤ns(i)(11)式(9)中Ps(t)為t時段系統容量缺額;式(10)中nd(i)為第i個IL合同的持續中斷時間;式(11)中ns(i)為第i個IL合同的中斷總時間。式(9)表示系統被中斷的負荷總量應該大于或等于系統容量缺額;式(10)為中斷持續時間約束;式(11)為中斷負荷的總時間應小于所研究時間內的中斷總時間。2.3求解問題的具體步驟參考文獻排隊法的基本思路,對該模型進行求解。按照將可中斷負荷優先安排在容量缺額最大的時段的原則進行,但由于考慮到網損費用的影響,可中斷負荷排序需要動態調整。下面給出求解該問題的具體步驟:①利用模型(1)～(4)計算高峰調度初始方案和λL(i,t);②用式(5)計算系統容量缺額曲線;③給出容量缺額最大的時段tp,以便優先安排該時段的可中斷負荷;④對尚未安排的可中斷負荷計算π(i?tp)=tp+nd(i)∑t=tpΡΙL(i)[ρe(t)λ(i?t)+ρΙL(i)]Δt(12)并排序,選擇數值最小者進行負荷中斷;⑤檢查各時段容量缺額是否得到滿足,如果滿足,則輸出結果,計算結束;否則,修改容量缺額曲線,轉到③。3系統初始調度方案以IEEE30節點系統為例,初始發電功率、輸電網絡參數和輸送功率極限值,以及各節點負荷的初始標幺值來源于文獻,并做部分調整:假設功率基準值為100MW,所有機組爬坡速率比原先數值減少一半,2～6號機組輸出有功上限增加一倍。按照各節點負荷初始值,每時段的負荷比前一時段增長一定百分比,備用要求為總負荷的10%。共仿真8個時段,每時段0.5h。表1給出各時段負荷增長率、備用占負荷的百分比和系統容量缺額。系統中參與IL的用戶、所在節點位置、中斷補償費用、中斷持續時間列于表2。根據模型(1)～(4)形成初始調度方案,并且計算出各時段各節點注入有功對網損的微增費用。算例計算時假定高峰期各時段電價相等,取ρe(t)=300元/(MW·h)。容量缺額時段,用戶所處地理位置對網損費用的影響列入表3中。采用本文方法,可以得到用戶IL的最優調度方案。表4給出被中斷負荷的用戶和與其對應的中斷時間、中斷補償費用以及增加的網損費用。從表1和表4可看出,用戶以IL方式參與系統調度,消減了高峰期系統容量缺額。本文所提的IL優化模型,考慮了中斷負荷對系統網損的影響,比較表2和表4的調度結果,雖然用戶10的中斷補償價格比用戶9的要低,中斷容量也都能滿足系統容量缺額,但由于它們所處網絡位置的差異,對系統網損的