負荷聚合商參與調峰市場調度權綜合評價模型研究

秦少明,胡 凱,程 特,蔡博武,池 放

(1.國網湖北省電力有限公司調控中心,湖北 武漢 430071;2.武漢大學電氣與自動化學院,湖北 武漢 430072)

0 引言

近年來,隨著風電、光伏等新能源高比例增長,電力系統面臨源荷雙重不確定性的挑戰,呈現顯著的“雙峰雙高”等特性[1]。傳統的火電調峰已難以滿足系統調峰需求,亟需用戶側可調節負荷資源參與電網調控平衡[2]。我國各省市陸續發布了輔助服務市場相關政策文件[3],2021 年12 月21日,國家能源局公示《電力并網運行管理規定》和《電力輔助服務管理辦法》明確表明,大力倡導用戶側可調節負荷參與電力輔助服務市場。

目前國內外針對用戶側可調節負荷參與電力輔助服務市場方面開展大量研究。文獻[4-6]構建了負荷聚合商參與市場的雙層優化調度模型,實現了系統經濟利益最大化,驗證了負荷聚合商參與市場調峰的巨大潛力。文獻[7]考慮源荷協同互動,設計了負荷聚合商參與電力輔助服務的運營框架。文獻[8-9]基于電網與負荷聚合商的主從博弈關系,建立負荷聚合商參與的日前-日內分層優化模型調度。文獻[10]提出負荷聚合商調度優先權的定義,并基于此建立一種雙層實時調度模型。文獻[11-12]提出了一種基于電力用戶隨機性影響的用戶側調度模型,能夠有效提升電網調度的經濟性。文獻[13]考慮用戶的滿意度,建立了電動汽車雙層充放電模型,但未結合用戶誠信度對調度結果的影響。上述文獻雖然都表明了負荷聚合商并網的可行性、經濟性,但是未能具體提出負荷聚合商參與調峰市場的調度權排序方法。

針對上述問題,本文首先建立了用戶側可調節負荷調度權評價指標體系,采用熵權法計算評價指標體系中指標的權重;然后基于TOPSIS法建立綜合評價模型,根據評價結果對各類可調節負荷聚合商進行排序;最后對某地區負荷聚合商進行實例驗證,結果表明評價結果可以真實的反映負荷聚合商的表現情況及調峰性能,為動態調整調峰輔助服務市場最優準入條件提供理論基礎。

1 負荷聚合商調度權分級框架

電動汽車、儲能、電采暖等可調控負荷可以聚合參與電網調峰,而不同類型負荷調峰能力參差不齊,且各負荷聚合商用電特性不同,其可調度負荷容量以及違約風險存在較大差異。此外,可調度負荷容量和違約風險會影響電網調度結果能否滿足電網調峰和安全穩定的需求,因此需對負荷聚合商進行分析排序,確定負荷聚合商的調度。

對于某一時段而言,不同負荷聚合商只能實現充電或放電一種狀態。電網調度中心統計分析各類型負荷聚合商信息后,根據負荷聚合商的用電誠信度、可調度時段、可調度容量等評價指標確定各負荷聚合商的相對接近度,并據此將負荷聚合商分為優先調度、備用調度和不調度3類,如圖1所示。

圖1 負荷聚合商調度權分級方案

電網調度中心向優先調度類負荷聚合商發送調度指令,制定負荷聚合商最優充放電計劃,優先調度的聚合商容量不能滿足電網調峰需求時,繼續調用備用調度的負荷聚合商,而優先權較低的負荷聚合商暫不參與調度。

電網調度中心通過對負荷聚合商的實際情況進行綜合評價分析,不斷調整電力輔助服務市場的聚合商并網準入標準,同時根據各負荷聚合商的實時申報容量、申報價格以及歷史充放電曲線,確定各負荷聚合商的調度權,并將最終結果發送給各負荷聚合商,確定各負荷聚合商是否獲得調峰市場的參與資格。獲得參與調峰市場資格的負荷聚合商,經過電網調度出清后,確認自身的調度計劃,并及時向電網反饋,保證能夠滿足電網的調峰需求以及維持電網的安全穩定。

2 負荷聚合商調度權評價指標體系

2.1 評價指標體系建立原則及設計思路

建立負荷聚合商調度權評價指標體系的前提是確定評價體系的原則,從多個角度考慮影響評價體系的各種相關因素。建立指標體系的原則可以概括為以下幾個方面[14]。

1)科學性原則

用戶側可調節負荷調度權評價指標體系的建立應該有科學依據,選取的各評價指標必須具有一定的實際意義,能夠度量和反應用戶側可調節負荷的實際情況。

2)全面和系統性原則

在建立用戶側可調節負荷調度權評價指標體系時,必須充分全面的考慮用戶側可調節負荷的影響因素,這樣才能綜合、全面的反映負荷聚合商的能力。

3)合理性原則

合理性原則是指評價指標能夠表示所有評價對象的性質,而不是針對某一個評價對象的特殊性質,每個評價指標應該是公平公正公開,具有可比性,不具有指向性,要選擇具有代表性的指標。

4)可行性原則

優先權評價的最終目的是對用戶側可調節負荷進行排序,確定其參加電力市場的順序,減少電力公司的成本。

構建用戶側可調節負荷聚合商調度權評價指標體系的過程如圖2所示。

圖2 構建評價指標體系流程

首先確定評價體系的評價對象、評價目的、評價原則;然后分析相關影響因素,網羅反映目標特征的綜合指標,構成一套初始指標體系;最后對評價體系的指標逐層分解篩選,建立最終的評價指標體系。

2.2 初始評價指標體系的構建

明確評價的目標是調峰市場中負荷聚合商的調度權,不僅僅考慮負荷聚合商調峰能力的評價指標,還需要考慮聚合商對電網、自然環境等方面的影響,這樣多方位構建的評價指標體系,才能充分體現負荷聚合商的調峰潛力。通過研究我國電力調峰輔助服務市場的政策細則,并結合相關分析研究,本文從技術、經濟、社會和自然環境4個方面進行指標的選取和建立。

1)技術方面

技術方面主要考慮用戶側負荷聚合商在參加調峰輔助服務市場的過程中,能否保持電網的安全穩定運行,并且在保持電網穩定的條件下,負荷聚合商能夠提供調峰輔助服務的能力、時間長短等情況。

2)經濟方面

經濟成本問題也是用戶側負荷聚合商參加調峰服務市場需要考慮的關鍵內容。在負荷聚合商參與調峰市場過程中需要安裝各種各樣的電氣設備、通信設備及相關的系統等,例如儲能需要安裝控制系統便于調節、電動汽車充電樁需要安裝通信系統便于實時傳輸電量信息等,以及在日常運營過程中,需要對系統設備進行定期檢查、維護修理[14],以上均為不確定的成本。

3)社會方面

社會用戶參與調峰輔助服務市場的積極性對負荷聚合商的表現有直接影響,負荷聚合商的可調度容量與可調節負荷用戶的心理活動息息相關,用戶參與電網調度的意愿越強烈,則響應調度的確定性越高。

4)自然環境方面

用戶側可調節負荷的使用情況在某些時候受天氣影響較多,其能夠降低煤炭的使用量,帶來節能環保效益。

根據用戶側負荷聚合商調度權評價指標體系全面和系統性、合理性、科學性及可行性的基本原則,全方位對負荷聚合商的調度權進行考察,初步構建的指標體系如表1所示。

表1 負荷聚合商調度的優先權評價初選指標體系

2.3 評價指標體系的確定

調峰市場建立的初始評價指標體系集合共包含18個指標,其中存在一些不必要、重復、不合理、遺漏甚至錯誤的指標,因此需要對初始評價指標體系進行篩選和優化[15],合理組成負荷聚合商調度權綜合評價指標體系。

對初始評價指標體系進行調整,經過各方面考慮后,剔除冗余指標,篩選得到負荷聚合商調度的優先權評價指標體系,如表2所示。

表2 負荷聚合商調度的優先權評價指標體系

1)可調度容量指標

電動汽車、電采暖等設備在任意時段可以申報充電計劃,或者申報放電計劃,根據以上信息,可得到負荷聚合商在任意時段的調度容量?？烧{度容量指標是指在某調峰需求時段,負荷聚合商一天內的申報容量之和占申報總容量的比值,如式(1)所示。

式中:φS為可調度容量指標;P i為負荷聚合商i的申報容量;N為負荷聚合商數量。

2)可調度時間指標

通過負荷聚合商申報計劃,可以得到負荷聚合商可以參與調峰輔助服務時間范圍,可調度時間指標是指在調峰需求時段內,負荷聚合商總的調度時間占一天時間的比值,如式(2)所示。

式中:φT為可調度時間指標;T i為負荷聚合商i的申報時段。

3)調峰出力性能指數指標

調峰出力性能指數指標是指負荷聚合商在某時段申報容量占該時段所有負荷聚合商申報容量之和的比值,如式(3)所示。

式中:P i,t為負荷聚合商i在t時段的申報容量。

4)補償成本指標

補償成本指標是指負荷聚合商申報價格占所有負荷聚合商申報價格之和的比值,如式(4)所示。

式中:λi,t為負荷聚合商i在t時段的申報價格。

5)聚合商誠信度指標

調度中心應建立每個聚合商的歷史互動數據庫,包含每個聚合商的歷史申報可調度時段、可調度容量及歷史實際被調度情況。若聚合商按申報計劃接入和離開電網,則聚合商誠信隸屬度(簡稱“誠信度”)為1;若聚合商在計劃外突然接入或突然脫離電網,設定其誠信度函數為申報容量和計劃外容量(脫離電網缺失的可用容量)之差與其申報容量的比值。

聚合商誠信度指標是指負荷聚合商實際調節量與中標容量的比值,如式(5)所示。

式中:P i,s為負荷聚合商i在t時段實際電量調節值;P i,c為負荷聚合商i在t時段的中標容量。

6)節能環保效果

用戶側電力設備參加電力市場輔助服務的調度,減少了火電機組的使用,降低了煤炭的使用,有利于環境保護。

3 負荷聚合商調度權評價模型

3.1 基于熵權法確定指標權重

鑒于評價指標體系中不同指標的復雜性和多樣性,評估過程中不同原因造成的不確定性,以及量化過程中對指標重要性的主觀評估等問題,本文選擇熵權法來確定各個指標的權重。熵權法具體步驟如下。

1)建立評價指標矩陣

式中:m為評價對象的數量;n為評價指標的數量;x ij為第i個評價對象的第j個指標值[14]。

2)數據標準化

因為每個評價指標的單位不同,不存在通用的單位,所以在進行評價之前,應該對評價指標的數值標準化和絕對值通過標準化處理成相對值,這樣可以抵消單位對評價結果造成的影響。評價指標包括3種類型,即極大型指標、極小型指標和區間指標,指標的種類不同,所體現的意義也不同。極大型指標與評價對象的評價結果成正相關;極小型指標與評價對象的評價結果成負相關;區間類型指標數值距離某個固定值越近,則評價結果越高[16]。所以,不同屬性的指標標準化的計算公式也不同。

極大型指標標準化公式為

極小型指標標準化公式為

區間型指標標準化公式為

創造對應的評價指標數據矩陣,根據標準化指標,得到規范化矩陣A*。

3)數據歸一化

利用這一計算步驟,可消去每個指標的量綱,進而產生標準化矩陣F。

4)計算指標熵值

5)計算差異系數

6)確定指標權重

3.2 基于TOPSIS法的綜合評價模型

TOPSIS法的基本原理為:計算每個評價對象與正、負理想解之間的距離,再根據距離大小比較出每個評價對象的排序結果。其基本模型如式(16)所示。

在利用熵權法確定了各個評價指標的權重后,即可采取TOPSIS法對用戶側可調節負荷調度權進行評價,具體步驟如下。

1)標準化數據做加權運算

將指標權重與標準化矩陣進行加權運算,計算方法如式(17)所示。

2)正、負理想解的確定

正理想解是理想條件下假設的最優值,負理想解是最差值的假設解,其計算方法如式(18)所示。

式中:J1為正效應指標集合;J2為負效應指標集合。

3)與正、負理想解之間歐式距離的確定

歐式距離的計算方法如式(19)所示。

4)相對接近度的確定

通過上面的計算方法,可以求解得出每個評價對象的評價指標與正、負理想解之間的歐式距離,以及評價對象與最佳狀態的相對接近度,也可以代表各個評價對象表現的好壞情況,計算結果越大,表明評價對象表現越好,排名更高。

4 算例分析

4.1 指標權重的確定

本文以某區域負荷聚合商為實例進行調度權分析。在負荷聚合商調度權評價指標體系的基礎上,對指標層的各項指標進一步分析,各項指標均為定量指標,且均為極大型指標。

收集整理該地區2021年1月份相關數據,對各個指標進行標準化處理消去量綱,可得到不同的負荷聚合商的數據處理結果,如表3所示,其中EVA、EHA、ESA分別表示電動汽車聚合商、電采暖聚合商和儲能聚合商。

表3 指標數據處理結果

按照本文方法確定各指標權重的步驟可得出各指標的熵值、差異系數和權重,結果如表4所示。

表4 指標權重確定

由表4可知,在負荷聚合商調度權評價指標體系中,負荷聚合商調峰出力性能指數的權重最大,表明負荷聚合商申報容量越大,越占據優勢;可調度容量、可調度時間、補償成本指標的權重值也相對較高,然而負荷聚合商的申報價格不宜過高,應保持合理的市場競爭環境;由于電動汽車、儲能、電采暖等可調節負荷參與了電網調峰,在一定程度上能夠減少火電機組的發電量,同時降低碳排放,因此節能減排指標的權重取0。

4.2 調度權評價結果

1)依據電網用戶側可調節資源調度的優先權評價指標體系,消去最初數據的量綱,得到規范化矩陣A*如下。

2)構建加權標準化矩陣。根據表4的標準化數據,計算得到加權標準化矩陣R。

3)計算正、負理想解。由加權標準化矩陣R可得出正理想解和負理想解,計算結果如表5所示。

表5 指標的正負理想解

4)計算歐式距離。運用公式可算出各類負荷聚合商與正、負理想解的歐式距離,結果如表6所示。

表6 歐式空間距離

5)確定相對接近度。根據公式可計算出每個負荷聚合商與最佳水平的相對接近度及各負荷聚合商的排序結果,如表7所示。

表7 相對接近度及排序

由表7 可知,負荷聚合商的調度權級別為ESA1＞EVA2 ＞EHA2 ＞ESA2 ＞EHA1 ＞EVA1。其中ESA1和EVA2相對接近度均大于0.45,所以其調度權最高,屬于優先調度級別,EHA1、EHA2和ESA2 相對接近度處于0.40～0.45,其調度權較高,屬于備用調度級別,EVA1相對接近度小于0.40,調度權最低,屬于不調度級別。因此在調峰市場調度中,選擇優先調度ESA1和EVA2參與市場,若優先調度的負荷聚合商容量不能滿足電網調峰需求,則依次將EHA1、EHA2和ESA2 參與市場調度,直至滿足調峰需求。

綜上,由于用戶側可調節負荷參與市場調度計劃的不斷推進,參與輔助服務的可調節負荷種類不斷增加,不同時段、不同種類的負荷聚合商能夠提供調峰輔助服務的能力不同。為了保持電網運行的安全可靠,需要對負荷聚合商進行評價排序,對負荷聚合商的調度權進行分級,且通過不斷更新排名,激勵負荷聚合商不斷優化自身條件,加快負荷聚合商的完善,推動負荷聚合商這一市場主體的蓬勃發展。

5 結論

本文建立了負荷聚合商參與調峰市場調度權的評價指標模型?？紤]評價指標體系構建的科學性、全面和系統性、合理性、可行性基本原則,針對不同負荷聚合商的響應調峰特性,基于負荷聚合商的申報信息以及歷史響應情況,從技術類、經濟類、社會類、自然環境類4個方面建立負荷聚合商的指標體系,并基于熵權法和TOPSIS法對負荷聚合商進行排序,仿真結果表明評價結果可以真實的反映負荷聚合商的表現情況及調峰性能,根據負荷聚合商的排序結果,能夠確定負荷聚合商參與調峰市場的調度權級別。

考慮到隨著新型電力系統的發展,未來負荷聚合商數量眾多,調峰能力參差不齊,且各靈活負荷聚合商用電特性不同,其可調度負荷容量以及違約風險存在較大差異,而可調度負荷容量和違約風險會影響電網調度結果能否滿足電網調峰需求和維持電網安全穩定,所以還需合理考慮負荷聚合商的自身特征。本文的綜合評價結果也能為動態調整調峰輔助服務市場最優準入條件提供理論基礎。