电力需求侧参与缓解配电线路过载的方法

摘要

本发明公开了一种电力需求侧参与缓解配电线路过载的方法，对于实际配电线路中可能出现的线路过载的情况，通过对用户用电特征的分析，进行需求侧可调度容量预测，提出基于价格的需求侧作用手段，根据反映用户负荷变化与电力价格变化关联关系的需求弹性矩阵，运用峰谷电价对负荷曲线进行作用，实现移峰填谷，再对仍然存在一定的过载风险的高峰段使用基于激励的需求侧策略，以经济损失的最小作为可中断负荷切除的标准，最终使得线路过载的风险大幅度下降。本发明给出了不同行业的可调度容量的分析方法，提供了电价对负荷曲线的作用方法，给出了高峰时段内可中断负荷的切负荷方案的优化方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力需求参与缓解配电线路过载的方法，属电力系统负载 侧的优化调度技术领域。

背景技术

随着我国经济的增长以及电力市场的改革，电力系统负荷水平日益增长， 非线性负荷如空调负荷和恒温负荷等比例也迅速提高，远距离高电压等级输电 甚至超远距离特高压输电也越来越普及，但在电力系统网络拓扑一定的情况下， 这样的运行方式会给系统带来比较高的风险。一旦线路输送功率超过其承受能 力时，即发生线路过载，就很有可能造成系统解列乃至系统崩溃，带来严重的 经济损失。

现代电网有着自己极其复杂的网络结构，配电系统直接和用户相连，处于 电力系统给的最末端，也是最重要的一个环节。目前，数据统计出的停电事故， 不少都是由于配电线路过载导致的，传统的一些方法，如拉闸限电增加备用容 量等，收益投入比较低。考虑到电力系统关系着国计民生，电网构架愈发复杂， 在保证及提高供电可靠性及用户用电品质的基础上，利用信息技术与电网的结 合，引入需求侧技术，对解决电网中的一些传统的问题如配电线路过载，有着 很好的借鉴意义。

用户需求侧作为竞争开放市场的重要参与者之一，在保证系统安全可靠和 经济运行方面作用越发显著。广义上来说需求侧响应可以定义为：电力市场中 的用户针对市场价格信号或者激励机制做出响应，并改变正常电力消费模式的 市场参与行为。

在中国当前的情况下，因为电力市场尚未形成，浮动电价制度也还没有出 台（刚开始有阶梯电价的尝试），因此基于需求响应的动态供能调节机制及其方 案相比较输配电领域过去研究得较少，重视程度不够。有一些小范围的试点项 目，也仅限于实现和使用一些私有的控制协议，来对用电侧的负荷进行有限范 围内的切负荷和峰谷调节，离实用化、标准化、和智能化相差甚远。

发明内容

本发明的目的是，为了克服现有配电技术中存在的不足，本发明提供了一 种电力需求侧参与缓解配电线路过载的方法，对负荷高峰期可能存在过载危险 的线路运用需求侧手段进行削峰，改善了系统的负荷曲线，在保证经济损失较 小的情况下极大地提高了系统的安全可靠性。

实现本发明的技术方案是，本发明电力需求侧参与缓解配电线路过载的方 法，通过模糊均值C算法对同一负荷的不同日的负荷曲线以及不同负荷的曲线进 行聚类分析计算，挖掘其可调度容量，对日负荷曲线以1h为单位进行划分，划 分为24等分，记电价弹性系数矩阵为E，i时刻的电价为ρ_i；对目标日负荷曲线 运用弹性系数矩阵E进行削峰填谷，对价格作用后高峰时段的负荷进行可中断负 荷的切负荷寻优，制定损失最小的切负荷方案。

本发明为了聚集足够有效的需求侧资源，需求响应市场要针对用户的响应 特性细分类型。在需求常规分类中按电价分为农业、居民、工商业用电，按行 业分为冶金、轻工、制造、化工用电等，但仅研究这些传统售电对象容易造成 市场评价、电价制定、需求侧管理等方面决策偏差。用户的日负荷曲线含有反 映负荷构成特性的丰富信息，采用模糊均值C算法对负荷曲线进行分析，对于制 定合理的需求侧策略有着重要的指导意义。聚类算法计算时，使用的24个特征 值为日负荷24h的功率采样值，对同一负荷的不同日负荷曲线进行聚类比较， 配合对负荷基本性质的了解以深入挖掘负荷的可调度容量。聚类中心即为欧式 距离较近的负荷曲线的模型。

实际生产中，电网公司调度部门利用负荷预测工具评估出配电线路在未来 一天的负荷水平及过载程度后，可以根据各时段的负荷水平高低，利用电力需 求弹性，改变电价水平刺激用户在系统峰时段少用电，谷时段多用电，从而实 现对配电线路过载的预防和控制，降低整体过载程度，增加电网的安全性。

对目标日负荷曲线运用弹性系数矩阵E进行削峰填谷的通过下述方法实现：

（a1）根据经济学原理中的需求定理可以知道，典型的需求曲线中，电价与 用电量之间存在反向变动的关系，即用电量随电价的上升而减少，随着电价的 下降而增加。

电力需求弹性反映了用电量的相对变动对电价相对变动的反映程度。因此， 可定义某一时段t的电力需求价格弹性系数ε_t如式（1）所示：

${ϵ}_t=-\frac{\partial W_t/W_t}{\partial {\rho }_t/{\rho }_t}---\left(1\right)$

其中，W_t为时段t的用电量；ρ_t为时段t的电价；为W_t的相对增量；为 ρ_t的相对增量。在实际情况中，用户在时段t用电量不仅与当时的电价有关．还 将受到其他时段电价影响。式(1)中偏导符号的运用就是表示时段的电量t不仅是 时段t电价的函数，也是其他时段电价的函数。

因此，弹性系数矩阵的结构如式（2）所示：

（a2）对于各行业的特性不同，使用不同的价格弹性矩阵，工业负荷对价格 较敏感，商业负荷对价格较不敏感。

（a3）将日负荷分为24等分，即为1～24h，取每段时间i内的功率P_i进行计 算，可得公式（3）如下：

$\left(\begin{array}{c}{\partial P}_1/P_1\\ {\partial P}_2/P_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\partial P}_{24}/P_{24}\end{array}\right)=E\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{\partial \rho }_1/{\rho }_1\\ {\partial \rho }_2/{\rho }_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\partial \rho }_{24}/{\rho }_{24}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_{11}& ···& {ϵ}_{124}\\ ·& & ·\\ ·& & ·\\ ·& & ·\\ {ϵ}_{241}& ···& {ϵ}_{2424}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\partial \rho }_1/{\rho }_1\\ {\partial \rho }_2/{\rho }_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\partial \rho }_{24}/{\rho }_{24}\end{array}\right)---\left(3\right)\end{array}$

实现新的峰谷电价后的用电量为：

（a4）模型中用了峰谷电价作为控制变量参与缓解配电线路过载的优化计 算，峰谷电价将直接决定移峰效果，通过对目标日的峰时段负荷曲线与基准日 的峰时段负荷曲线的最小二乘拟合，确定适应本模型的最优峰谷电价。目标函 数如下：

$F_1=\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{({\mathrm{\Delta P}}_{t,i}-{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{overload},i})}^2---\left(5\right)$

式中，i表示各分类用户，ΔP_t,i表示各类用户的日负荷曲线基于价格响应所 产生的变化量，ΔP_overload,i表示各类用户实际每一时间段的过载量或者为主站下达 的各类用户各时段过载切除量。

（a5）为了保证寻优计算中的可选电价符合峰谷电价的制定原则，引入峰谷 电价比γ，γ＝ρ_f/ρ_g，约束条件如下：

A_min≤γ≤A_max    （6）

A_min和A_max分别为其下限和上限。目前峰谷电价比γ集中在1.96:1和5:1之间。

（a6）考虑到分时电价的实行可能会给供电方带来经营风险，假设谷时段的 电网边际成本为ρ_min，峰时段边际成本为ρ_max，电价服从以下约束：

ρ_min≤ρ≤ρ_max    （7）

价格对线路负荷曲线的调节具有一定的局限性，用户对价格的敏感程度有 差别，价格的作用只能作为软调节，不能直接地对过载时间段的功率进行直接 有效地削减。因此，采用可中断负荷的方式进行进一步的调节，综合考虑供电 公司和用户侧的利益，根据所要切除的负荷量ΔP制定损失最小的切负荷方案， 具体通过下述方法确定：

（b1）根据具体的负荷曲线的特性以及用电方的利益成分，供电公司和用电 单位制定合理的可中断负荷方案，确定其可中断负荷切除的时间段(t₁,t₂)（该时 间一般选取在负荷高峰，易发生过载的时间段），以及其切除量P_IL,i，供电方给 予的电价补偿为μ_i。

（b2）根据日负荷预测确定可能发生的过载时间段，确定这个时间段内可能 需要调用的可中断负荷，提前通知用电单位。

（b3）将可中断发生时间段以Δt为步长进行区间划分，每Δt检测一次线路是 否过载；

（b4）线路过载后，记单个用电方产生的损失为L_i，L_i＝μ_i×P_IL,i，其中P_IL,i为 第i个用户切除的负荷量，目标函数为：

$\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{L}_i---\left(8\right)$

其中根据实际情况，对P_IL,i有如下约束

$\mathrm{\Delta P}\le \underset{i}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{IL},i}---\left(9\right)$

（b5）根据目标函数和约束条件，问题转化为一个线性优化问题，运用一定 的数学工具进行计算可以得到在(t₁,t₂)时段内各个区间的最优切负荷方案。

本发明的有益效果是，本发明提供的电力需求侧参与缓解配电线路过载的 方法，与现有的技术比较，有如下优势：（1）增容改造，投入较高，经济效益 低，采用需求侧方案，需要较小的投入，具有良好的经济效益；（2）转移负荷， 由于我国传统城市配电网络较多采用辐射供电模式，在线路过负荷时，往往无 法转移负荷，需求侧方案相对于转移负荷的方法更具有可操作性与实用性；（3） 拉闸限电，根据当地供电方式、负荷性质、建筑规模等确定拉闸限电地区及时 间，以求将经济损失降到最小。由于未能全面考虑用电方的有关因素，往往给 用户造成较大的损失，在保证正常的生产生活能够顺利进行的情况下，需求侧 方案相对于拉闸限电能够大幅度地减少经济损失。

本发明方法适用于电力需求侧参与缓解配电线路过载。

附图说明

图1为电力需求侧参与缓解配电线路过载实际使用时总的流程图；

图2为在算例中使用峰谷电价前后总的负荷曲线的变化；

图3为在使用峰谷电价的基础上，运行切负荷策略后，总的负荷曲线的变 化，其中P_t＝11500kw，在17:00～19:00之间以15min为步长进行切负荷。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

设定这样的实例场景，配电线路上有如下负荷：金属锻造企业一个，麻纺 织企业一个，金属加工企业一个，电子制造企业一个，水泥生产企业一个，陶 瓷制造企业一个，超市一个，家居城一个，实业一个，酒店一个，30个民用负 荷中包括5个大户。各个负荷取实际运行中标准日的负荷曲线。其中工业用户 原始谷时段电价为0.254元/kwh，平时段为0.528元/kwh，峰时段为0.792元/kwh， 由于大部分地区民用负荷和商业负荷尚未实行峰谷电价，所以商业负荷的初始 电价设为0.8元/kwh，民用负荷的初始电价设为0.5元/kwh。算例中对超出 P_t＝11500kw的部分进行切负荷操作。

对目标日负荷曲线运用弹性系数矩阵E进行削峰填谷的通过下述方法实现：

（a1）根据经济学原理中的需求定理可以知道，典型的需求曲线中，电价与 用电量之间存在反向变动的关系，即用电量随电价的上升而减少，随着电价的 下降而增加。

电力需求弹性反映了用电量的相对变动对电价相对变动的反映程度。因此， 可定义某一时段t的电力需求价格弹性系数ε_t如式（1）所示：

${ϵ}_t=-\frac{\partial W_t/W_t}{\partial {\rho }_t/{\rho }_t}---\left(1\right)$

其中，W_t为时段t的用电量；ρ_t为时段t的电价；为W_t的相对增量；为 ρ_t的相对增量。在实际情况中，用户在时段t用电量不仅与当时的电价有关．还 将受到其他时段电价影响。式(1)中偏导符号的运用就是表示时段的电量t不仅是 时段t电价的函数，也是其他时段电价的函数。

因此，弹性系数矩阵的结构如式（2）所示：

（a2）对于各行业的特性不同，使用不同的价格弹性矩阵，工业负荷对价格 较敏感，商业负荷对价格较不敏感，历史负荷曲线可以通过查阅相关企业的历 史数据得到，根据各个行业的历史负荷曲线运用多元回归算法可以拟合出各个 行业的弹性系数矩阵。

（a3）将日负荷分为24等分，即为1～24h，取每段时间i内的功率P_i进行计 算，可得公式（3）如下：

$\left(\begin{array}{c}{\partial P}_1/P_1\\ {\partial P}_2/P_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\partial P}_{24}/P_{24}\end{array}\right)=E\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{\partial \rho }_1/{\rho }_1\\ {\partial \rho }_2/{\rho }_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\partial \rho }_{24}/{\rho }_{24}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_{11}& ···& {ϵ}_{124}\\ ·& & ·\\ ·& & ·\\ ·& & ·\\ {ϵ}_{241}& ···& {ϵ}_{2424}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\partial \rho }_1/{\rho }_1\\ {\partial \rho }_2/{\rho }_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\partial \rho }_{24}/{\rho }_{24}\end{array}\right)---\left(3\right)\end{array}$

实现新的峰谷电价后的用电量为：

（a4）模型中用了峰谷电价作为控制变量参与缓解配电线路过载的优化计 算，峰谷电价将直接决定移峰效果，通过对目标日的峰时段负荷曲线与基准日 的峰时段负荷曲线的最小二乘拟合，确定适应本模型的最优峰谷电价。目标函 数如下：

$F_1=\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{({\mathrm{\Delta P}}_{t,i}-{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{overload},i})}^2---\left(5\right)$

式中，i表示各分类用户，ΔP_t,i表示各类用户的日负荷曲线基于价格响应所产 生的变化量，ΔP_overload,i表示各类用户实际每一时间段的过载量或者为主站下达的 各类用户各时段过载切除量，以算例中的工业负荷为例，在9点、10点、15点、 16点、17点、18点、19点的切除量分别取400kw、300kw、300kw、100kw、 400kw、300kw、250kw。在表达式中ΔP_overload,i为一个1×24的矩阵。

（a5）为了保证寻优计算中的可选电价符合峰谷电价的制定原则,引入峰谷电 价比γ，γ＝ρ_f/ρ_g，约束条件如下：

A_min≤γ≤A_max    （6）

A_min和A_max分别为其下限和上限。目前峰谷电价比γ集中在1.96:1和5:1之间。

（a6）考虑到分时电价的实行可能会给供电方带来经营风险，假设谷时段的 电网边际成本为ρ_min，峰时段边际成本为ρ_max，电价服从以下约束：

ρ_min≤ρ≤ρ_max    （7）

其中ρ_min取0.3元/kwh，ρ_max取1.4元/kwh。计算前后总的负荷曲线如图2所示。

可以看出，价格响应对于削峰填谷有一定的效果，并且，价格响应带来的 直接经济几乎可以忽略不计，但是根据实际情况，由于消费者对于价格的响应 有限，峰谷电价在合理范围内，负荷高峰期的值下降有限。并且从图中可以看 出在15:00-20:00之间仍然有一部分超出过载的临界值。为了解决这样的问题， 必须采用更加直接地切负荷方式，在算例中，假定已经根据聚类分析得到负荷 的可调度容量，制定了以下几种可中断负荷方案，并且用户已经选择了合适的 可中断合同。

合同1：中断持续时间2小时，中断发生时间为17:00-19:00，中断切除负荷 200kW，电网公司资金计划允许的单位中断补偿为2元/kWh。

合同2：中断持续时间2小时，中断发生时间为17:00-19:00，中断切除负荷 100kW，电网公司资金计划允许的单位中断补偿为3元/kWh。

合同3：中断持续时间2小时，中断发生时间为17:00-19:00，中断切除负荷 100kW，电网公司资金计划允许的单位中断补偿为2.5元/kWh。

合同4：中断持续时间2小时，中断发生时间为17:00-19:00，中断切除负荷 100kW，电网公司资金计划允许的单位中断补偿为2元/kWh。

合同5：中断持续时间2小时，中断发生时间为17:00-19:00，中断切除负荷 400kW，电网公司资金计划允许的单位中断补偿为3元/kWh。

可中断负荷对缓解线路过载的作用过程如下：

（b1）根据具体的负荷曲线的特性以及用电方的利益成分，供电公司和用电 单位制定合理的可中断负荷方案，确定其可中断负荷切除的时间段为 17:00～19:00，以及其切除量P_IL,i，供电方给予的电价补偿为μ_i。

（b2）根据日负荷预测确定可能发生的过载时间段，确定这个时间段内可能 需要调用的可中断负荷，提前通知用电单位。

（b3）将可中断发生时间段以15min为步长进行区间划分，每15min检测一次 线路是否过载；

（b4）线路过载后，记单个用电方产生的损失为L_i，L_i＝μ_i×P_IL,i，其中P_IL,i为 第i个用户切除的负荷量，目标函数为：

$\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{L}_i---\left(8\right)$

其中根据实际情况，对P_IL,i有如下约束

$\mathrm{\Delta P}\le \underset{i}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{IL},i}---\left(9\right)$

其中ΔP＝P-P_t，ΔP的值每15min变化一次。

（b5）根据目标函数和约束条件，问题转化为一个线性优化问题，运用一定 的数学工具进行计算可以得到在17:00～19:00时段内各个区间的最优切负荷方 案，其结果如下表所示。

表1可中断负荷切负荷策略求解结果

表中显示出9个时间段，打勾号的表示需要切除该可中断负荷，在 17:00～19:00之间以15min为步长进行采样，使用合适的策略进行切负荷，达到经 济损失最小化。

在价格响应之后采用可中断负荷总的效果如图3所示，可以清晰的看到在 以经济损失最小为目标后，负荷高峰有明显的下降效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。