塊調度模式下的智慧小區自動需求響應模型

李逸超,劉偉峰, 施泉生

(1.上海電力大學 經濟與管理學院,上海 201400;2.上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室,上海 200240)

0 引 言

智慧小區作為智能電網用電環節的重要形態,可在泛在物聯體系下實現以智賦能、以智增效,是電網與用戶友好互動的關鍵載體?！吨腔凵鐓^建設指南(試行)》[1]等政策文件的頒布催生了一大批智慧小區試點[2-4]。一般而言,智慧小區運營商(smart community operator, SCO)負責智慧小區的運維管理,是電網與用戶友好互動的能量流和信心流銜接者,需在保障所轄電力用戶正常受電的同時實現自身經濟效益的最大化。為此,引導所轄用戶進行需求響應(demand response, DR)是SCO逼近其期望目標的重要手段,有必要探究出在泛在物聯體系下站SCO立場的調控模式及策略,以解決現階段小時級邀約制DR模式的弊端:靈活但不實用,高度依賴用戶自主切合負荷。

區別于傳統人工邀約制DR,自動需求響應(automated demand response, ADR)建立在泛在物聯體系基礎上,不需人工投切負荷,通過可靠的通信和調控機制將調度指令下發至所轄用電設備,之后用電設備自動執行DR[5]指令。文獻[6]中的家庭控制器通過ADR機制調控所轄家用電器來高精度的跟蹤電價波動,以實現自身效益最大化;文獻[7]利用區塊鏈技術構建了點對點電力交易模式的ADR架構,以保障有序的電力供需平衡。文獻[6-7]均基于完備的物聯、調控和量測體系來達成決策者的期望目標,而智慧小區也具備這些物理基礎,故如何設計智慧小區ADR模式來提高SCO的DR可靠性、魯棒性和成本效益,顯得十分有必要。

常規設計ADR模式的方法視相鄰調度時段獨立,在滿足可控負荷經濟需求的基礎上,SCO可在DR物理約束下任意調整用戶的用電計劃來滿足自身期望[8-10]。這類模式具有高度靈活性,但對工業級可控負荷或居民用戶而言,往往與其用能計劃的時段連續性相悖。文獻[11]以北歐的電力現貨市場[12]為背景,對比了小時交易和塊交易之間的差異,提出了基于靈活塊交易的出清模型。文獻[11-12]均針對小時出清模式靈活但不實用問題提供了塊出清的解決思路,可作為常規ADR模式的借鑒,而智慧小區的物理基礎恰能支撐塊調度模式的ADR順利實施。

鑒于此,在智慧小區的物聯、調控和量測體系完備的前提下,參考北歐現貨市場塊出清模式,提出了常規塊ADR策略和可移動式塊ADR策略,用以解決時段連續型DR模式與居民用戶用電規律相悖的問題。所提模型以智慧小區經濟效益最大為目標,提出了以所轄燃氣輪機來平抑風電預測偏差的策略,并通過魯棒優化方法訂制的ADR模型確保了調度計劃的高度可執行性。

1 智慧小區基礎知識

1.1 智慧小區ADR模式

智慧小區ADR運營模式如圖1所示。設典型智慧小區包含電力用戶、風電機組、儲能裝置和燃氣輪機。其中:用戶負荷由剛性負荷和激勵型ADR負荷組成;SCO對ADR負荷、風機、儲能裝置和燃氣輪機具有完全調控權和所有權;構成居民用戶ADR負荷的智能設備由安置于用戶處的物聯網網關調控,智能設備則將電耗量測信息經物聯網網關上傳至智慧小區ADR系統;信息流包含量測信息和調控指令,信息流始末端均以合適的通信方式連接[13]。

圖1 智慧小區運營模式

從市場角度,SCO扮演著一個商業調節者的角色,主要體現在:(1)以經濟效益為驅動力、電力供需平衡為前提來合理訂制風機、儲能裝置、燃氣輪機和ADR負荷的發用電計劃;(2)區別于虛擬電廠、微電網與主網間的潮流雙向流動,智慧小區所轄的風機、儲能裝置側重用于經濟的平衡內部電能需求,以及所轄的燃氣輪機用于實時平抑源荷預測偏差電量[14];(3)區別于市場中的售電商或負荷聚合商,參考美國PJM市場,SCO所轄負荷為小區內的居民負荷,其規模較小的特性讓主網對其態度為發揮此類主體DR行為的聚沙成塔效用,主網往往訂制政策來鼓勵其在特定時段主動進行DR以降低主網上下調壓力[15],一般免于來自主網的偏差考核,也無需向電力交易中心上報購電計劃。

1.2 智慧小區組成部分建模

1.2.1 風電機組

風速的隨機性導致了風電預測偏差,影響SCO訂制調度計劃的實際可執行性。文中視為風機實際出力等于預測出力及其預測偏差之和,預測偏差為服從盒式不確定集的隨機數[16]。

(1)

此外,為避免風電大幅度波動造成網絡阻塞等問題,SCO需根據系統安全需求適當棄風限電,且規定風電場在調度周期內的最高棄風率以確保風電盡可能被消納。

(2)

1.2.2 儲能裝置

儲能裝置在智慧小區中的作用為平滑負荷曲線。因頻繁充放電對其使用壽命有負面影響,故不用于實時平抑風電預測偏差,其包含充放電模式約束(3)、充放電功率約束(4)、儲能充放電速率約束(5)和儲能容量約束(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2.3 燃氣輪機

為避免SCO訂制的調度計劃被風電預測誤差影響其經濟性和安全性,將燃氣輪機實際出力劃分為應對預測出力的基點功率和應對風電預測偏差的有偏調整值,以此保障調度計劃的高可執行性。為此,在燃氣輪機技術出力約束(7)的基礎上,施加調節裕度約束(8),即使其擁有應對預測偏差的備用容量,以便于平衡因風電的預測誤差所需的電力電量。

(7)

(8)

(9)

式(8)可理解為燃氣輪機提供的上、下調節量需大于燃氣輪機的有偏調整值,當有偏調整值為正值時需小于上調節量,當有偏調整值為負值時需小于下調節量,從而保障風電預測偏差可全由燃氣輪機補充。

1.2.4 負荷

用戶負荷可分為剛性負荷、可中斷負荷和可轉移負荷[17]。為突出重點,文中僅對可中斷負荷進行建模分析,其機理也適用于可轉移負荷。

1)剛性負荷。

剛性負荷為不能進行ADR的負荷,可表示為:

(10)

2)可中斷負荷。

可中斷負荷為可部分或全部中斷的負荷,可表示為:

(11)

2 智慧小區調度策略

2.1 塊ADR策略

北歐現貨市場[11]的塊交易機制針對連續的獨立時段交易可能不適用于市場主體的效益述求,以時段耦合、電量耦合和價格耦合的分時競價機制來促進廣泛主體參與現貨市場。同理,連續的獨立時段DR模式也不適用于小區居民負荷,為使SCO訂制的ADR計劃更加自主、公平,參照塊交易機制提出了常規塊ADR策略和可移動式塊ADR策略,給予小區用戶充分的自主選擇權來提升供需匹配效果。小區用戶可自主選擇與之相適應的ADR策略上報至SCO,SCO則尊重用戶的主觀意愿來訂制調度計劃。

2.1.1 常規塊ADR策略

常規塊ADR策略需用戶事前申報可中斷負荷允許被連續調度時段,一整塊時段要么都被調度,要么都不被調度。對于用戶而言,在被調度的塊ADR時段內,可避免物聯網網關頻繁向智能設備發送啟?；蛘{整能耗狀態的指令,從而增加用戶用電的舒適度和滿意度。

參考火電機組最小連續啟停時段約束[18],將上述描述轉譯為以下數學表達:

(12)

2.1.2 可移動式塊ADR策略

可移動式塊ADR策略在式(12)的基礎上,設定塊ADR電量在一定范圍內,但限定其被調度次數。其數學表達為:

(13)

2.2 燃氣輪機平抑風電預測偏差策略

風電預測偏差直接影響調度計劃的可執行性,為此需預留靈活性可調資源以實時平抑預測偏差,文中以燃氣輪機預留的應對風電預測偏差的有偏調整值來實現。具體而言,燃氣輪機需能靈活的調整出力以跟蹤風電的預測誤差在連續兩時段內的波動,需建立如下兩類約束:

1)線性再分配策略應對風電預測偏差。

當風電在某時段內存在預測偏差時,燃氣輪機進行有偏調整,以保證其在魯棒運行域內時可以補償風電預測偏差。由于風電預測偏差全部由燃氣輪機分擔,故需建立風電預測偏差與燃氣輪機的有偏調整量之間的關系。本節應用一種線性再分配策略[19],用以指導燃氣輪機按照該策略進行有偏調整,即讓燃氣輪機按照線性分配策略全額消納風電預測偏差。

(14)

式(14)可理解為在各個時間段,燃氣輪機按照一定的線性關系系數分擔一定的風電預測偏差,所有燃氣輪機的有偏調整值應等于該時刻的總風電預測偏差。

2)燃氣輪機追蹤風電預測偏差變化率。

為了讓燃氣輪機能夠追蹤風電預測偏差的變化率,需對其線性關系系數施加約束,避免燃氣輪機的有偏調整量對某一風電預測偏差分配過大權重,如下式所示:

(15)

表1 風電場有功功率變化最大限制

2.3 智慧小區魯棒優化模型

魯棒優化模型的邊界是剛性的,即取最壞情況,它不允許因意外的出現破壞其解,故適用于訂制調度計劃來避免風電預測偏差的負面影響。

SCO以分時電價從主網購電,售至用戶的電價通常固定。不考慮風電成本時,以SCO的經濟效益最大為目標,經濟效益包含售電收入、購電費用、燃氣輪機費用和DR費用:

(16)

1)售電收入。

(17)

式中psell為售至用戶的電價。

2)主網購電費用。

(18)

3)燃氣輪機費用。

(19)

式中cT為燃氣輪機發電成本。

4)需求響應費用。

對于SCO而言,DR費用為補償給用戶的DR費用與調整負荷帶來的電費變動之和:

(20)

2.4 約束條件

除以下兩類約束條件外,約束條件還包含式(1)～式(13)。

1)網架傳輸容量約束。

(21)

2)功率平衡約束。

智慧小區需在各個時段需滿足電力供需平衡,且直流潮流模型可不計網耗。

(22)

3 模型轉換與求解

3.1 模型轉換

1)式(2)的轉換。

聯立式(1)和式(2)可得式(23),對式(23)經魯棒對等模型轉換方法,可得式(24)所示的魯棒對等模型。

(23)

(24)

式中JT是含風電隨機參數的時間集合;zwi和pwi,t為對偶轉換中新引入的決策量,無實際物理意義。

2)式(7)右端不等式的轉換。

聯立式(7)、式(8)、式(14)可得式(25),對式(25)經魯棒對等模型轉換方法,可得式(26)所示的魯棒對等模型。

(25)

(26)

式中zt和pk,t為對偶轉換中新引入的決策量,無實際物理意義。

這樣就以SCK魯棒線性模型[22]將模型轉換為相應的確定性約束。

3.2 模型求解

嵌套分割算法可用于求解混合整數線性和非線性規模模型,其解可在全局逼近全局最優解,用其求解所提模型的流程如圖2所示[23]。

圖2 嵌套分割算法的流程

4 算例分析

4.1 算例背景

智慧小區節點數較少,以修改后的Garver-6節點系統[23]進行分析,如圖3所示。在節點1、節點3和節點6處增加風機,各風機配置小型分布式儲能以提升SCO的調節能力;為突出重點和簡化程序編譯,設圖3中的負荷節點只有兩類,如圖4所示,同一類負荷節點在各時段的預測值相同,兩類負荷節點的集合為{2,3}和{1,5},分別代表智慧小區內商業型負荷(24 h便利店)和家庭用戶(工薪家庭);魯棒性參數均取最大值以極端場景進行分析;智慧小區以峰谷分時電價由4節點向電網購入電量,設峰時段18:00—23:00的電價為1.2元/(kW·h),谷時段1:00—6:00的電價為0.4元/(kW·h),其余時段為平時段的電價為0.6元/(kW·h);儲能裝置參數如表2所示,燃氣輪機參數和風電預測值及其預測偏差如圖5所示。

表2 儲能裝置參數

圖3 修改后的Garver-6節點系統

圖4 智慧小區的兩類負荷曲線

圖5 風機的有功功率

4.2 塊ADR模式分析

以時段連續型ADR,即不考慮塊調度策略的ADR模式,與所提兩類塊調度策略進行對比。其中,設置常規塊調度策略的最低連續被調度時間為3 h;設置可移動式塊調度策略最多被調度1次,且ADR總電量上下限為0.45 kW·h和0.3 kW·h。經嵌套分割算法求解得到的一類負荷和二類負荷的ADR情況分別如圖6和圖7所示,以及其經濟效益如表3和表4所示。

表3 一類負荷ADR經濟效益

表4 二類負荷ADR經濟效益

圖6 一類負荷ADR輪廓圖

圖7 二類負荷ADR輪廓圖

結合圖6和圖7,可知:1)對于商業型負荷而言,時段性ADR模式會頻繁的改變用電規律性,結合表2和表3可看出其對用戶的生產經營構成一定的負面影響,而所提的兩類塊ADR模式可減小ADR的調度次數,該類負荷參與塊ADR模式的意愿更高。2)對于家庭用戶而言,鑒于其用電高峰與SCO從主網購電峰值時段相切合,故時段性ADR與常規塊ADR響應規律和電量大致相同。3)以原負荷曲線與ADR調度策略后曲線之間的曲線平滑度差值作為指標,可看出工商業負荷平滑度差值更小,表明了塊ADR調度策略的影響對工商業負荷的影響更小。4)受限于響應時段連續性,塊ADR模式的響應時間往往超前于時段性ADR,可有效延緩電網的上行壓力。

對比表3和表4,可知: 1)塊ADR策略的經濟性不如傳統的時段性ADR,且常規塊ADR策略的經濟性大于可移動塊ADR策略的經濟性,其原因為塊策略施加的剛性約束對調度計劃的經濟性造成負面影響。2)以時段性ADR與塊ADR之間的經濟效益差值作為評判指標,塊ADR調度策略更適合一類負荷,其對智慧小區運營商經濟效益的負面影響更小。3)對于一類負荷而言,兩種塊ADR調度策略對運營商經濟效益的負面影響均不大,犧牲調度計劃的經濟性來換取高度可執行性具有一定的可行性。4)但對二類負荷的可移動塊ADR模式,因其經濟效益的負面影響過大(近似于折半了),它更適合常規塊ADR模式,這可能與二類用戶(工薪家庭)在用電高峰期對用電滿意度有著較高的要求有關,此時智慧小區運營商有著較高的調控成本。

4.3 魯棒性分析

智慧小區運營商訂制調度計劃的魯棒性為調度計劃在極端場景下抵抗所轄風機出力不確定性帶來的負面影響的能力。鑒于此算例的魯棒系數均取最大,即調度計劃的最優解適用于極端場景,故可用燃氣輪機在實時階段可能運行上下限和基線之間的面積表征魯棒性能大小,該面積表示燃氣輪機在日前階段預留出的上下調容量(保障塊ADR可準確履約),面積越大則訂制的調度計劃在極限場景的適應性越強,即魯棒性越好。

此節以一類負荷的時段性ADR與常規塊ADR進行對比,以解釋所提塊ADR調度策略在魯棒性方面的優勢,如圖8和圖9所示。

圖8 時段性ADR的魯棒性

圖9 常規塊ADR的魯棒性

對比圖8和圖9,可知在一類負荷的非峰值區域,常規塊ADR和時段性ADR的魯棒性大致相等,而在一類負荷峰值區域,如12 h附近,常規塊ADR的魯棒性更高。結合圖6中各類ADR的響應情況,可判斷塊ADR模式的魯棒性優于傳統的時段性ADR模式。

5 結束語

智慧小區運營商在完備的物聯、調控和量測體系下可訂制高響應精度的ADR模式,但傳統連續的時段型DR模式與所轄居民用戶用電規律不是十分貼切。為此,文中參考北歐現貨市場塊出清模式,設計了常規塊ADR策略和可移動式塊ADR策略;同時,提出了以燃氣輪機平抑智慧小區所轄風電預測偏差,進一步確保了ADR模式的高度可執行性。以真實數據在修改后的Garver-6節點系統進行驗證,得出了以下結論:

1)常規塊ADR策略和可移動式塊ADR策略犧牲了一定的經濟性來換取調度計劃的高度可執行性,邊界剛性越強則負面作用越大。

2)塊ADR模式的響應時間往往超前于時段性ADR,可有效延緩電網的上行壓力。

3)所提常規塊ADR模式和可移動塊ADR模式都適用于智慧小區中的工商業負荷,常規塊ADR模式適用于工薪型家庭用戶。

4)塊ADR模式可讓智慧小區使用電力可調資源時的魯棒性更強。