1 研究背景

源荷互動作為“源-網(wǎng)-荷”互動體系的重要組成部分，旨在借助多類電源、負(fù)荷時空分布的廣泛性，促進(jìn)電力資源的合理利用。國內(nèi)外學(xué)者在發(fā)用電聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化方面開展了大量研究，隨著負(fù)荷調(diào)度研究和應(yīng)用的深入，部分學(xué)者已考慮到需求響應(yīng)(DR)不確定性及其對調(diào)度計(jì)劃的影響，初步總結(jié)并驗(yàn)證了用戶響應(yīng)偏差的變化規(guī)律，但尚未從多時間尺度決策的視角對DR不確定性的應(yīng)用展開研究。借助于源、荷兩側(cè)資源隨時間尺度變化表現(xiàn)的不同調(diào)節(jié)特性，能進(jìn)一步挖掘互動潛力。

本文將用戶響應(yīng)偏差的規(guī)律，應(yīng)用于價格型DR的分析建模與激勵型DR的機(jī)制設(shè)計(jì)；然后，將價格型和激勵型DR與常規(guī)機(jī)組、風(fēng)電、緊急調(diào)峰資源進(jìn)行綜合配置，提出了“日前-日內(nèi)”時間尺度的源荷互動決策方法。通過算例驗(yàn)證源荷互動的效果，并進(jìn)一步討論了DR不確定性條件下多時間尺度源荷互動決策應(yīng)關(guān)注的問題。

2 需求響應(yīng)不確定性的應(yīng)用

2.1 需求響應(yīng)偏差規(guī)律的表述

通過負(fù)荷響應(yīng)率的大小和偏差來綜合表述DR行為，有助于全面反映用戶對電力需求的主觀性、隨機(jī)性。已有研究表明，負(fù)荷響應(yīng)率的偏差與負(fù)荷響應(yīng)量呈正相關(guān)、與彈性系數(shù)呈正相關(guān)、與經(jīng)濟(jì)激勵呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。因此，DR的偏差區(qū)間隨著負(fù)荷響應(yīng)率和經(jīng)濟(jì)激勵強(qiáng)度的增大，具有“先增大、后減小”的規(guī)律特征。

2.2 考慮不確定性的價格型DR分析建模

基于消費(fèi)者心理學(xué)原理的價格型DR行為建模，將用戶對分時電價(TOU)的響應(yīng)情況劃分為死區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)，利用分段線性函數(shù)表述不同時段之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率。將負(fù)荷轉(zhuǎn)移率解構(gòu)為固定分量和偏差分量，固定分量與傳統(tǒng)模型相同，偏差分量根據(jù)DR響應(yīng)的偏差規(guī)律表述。綜合考慮“峰谷”、“峰平”和“平谷”負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況，可模擬得到響應(yīng)后的時段負(fù)荷，并基于此進(jìn)行調(diào)度決策。

2.3 考慮不確定性的激勵型DR機(jī)制設(shè)計(jì)

考慮到DR合同條款的約束，已有研究通常將激勵型DR作為確定量處理。然而，激勵型DR實(shí)際響應(yīng)與預(yù)期也可能存在偏差，主要受到基線負(fù)荷的估算、用戶的響應(yīng)執(zhí)行等因素影響。為保證實(shí)際效果滿足合同的要求，通常將約定的響應(yīng)容量限定在一個較為保守的范圍內(nèi)。將激勵型DR作為確定量的處理方式，并不利于挖掘響應(yīng)潛力。

本文基于不同時間尺度決策的視角，設(shè)計(jì)了一種剛性約束和彈性約束相結(jié)合的激勵機(jī)制，其基本原理如下。

1)將可中斷負(fù)荷(IL)分為基準(zhǔn)響應(yīng)檔和彈性響應(yīng)檔，基準(zhǔn)響應(yīng)檔設(shè)定為剛性約束，其實(shí)際響應(yīng)容量應(yīng)等于計(jì)劃響應(yīng)容量；彈性響應(yīng)檔設(shè)定為彈性約束，實(shí)際響應(yīng)容量允許在計(jì)劃響應(yīng)容量的某一范圍內(nèi)波動。

2)對用戶而言，滿足剛性約束的中斷負(fù)荷容量有限，在系統(tǒng)運(yùn)行對中斷負(fù)荷需求較大的時期，可通過提高激勵水平、松弛響應(yīng)容量的約束條件，進(jìn)一步挖掘響應(yīng)潛力。

3)基準(zhǔn)響應(yīng)檔的IL對應(yīng)基準(zhǔn)補(bǔ)貼，在此基礎(chǔ)上的響應(yīng)增量屬于彈性響應(yīng)檔的IL，分別對應(yīng)不同的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)；各彈性響應(yīng)檔的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和允許的實(shí)際響應(yīng)容量偏差范圍，可參考前述DR偏差規(guī)律進(jìn)行設(shè)置。

4)實(shí)際執(zhí)行中，在前一時間尺度內(nèi)將IL作為確定量參與決策優(yōu)化，確定并下達(dá)用戶各檔IL的計(jì)劃響應(yīng)容量，且不應(yīng)超過合同約定的響應(yīng)容量上限；隨著運(yùn)行時間點(diǎn)的迫近，考慮實(shí)際響應(yīng)容量與計(jì)劃響應(yīng)容量存在偏差的可能，在后一時間尺度上將IL作為不確定參量進(jìn)行決策優(yōu)化，并通過源、荷資源的配合，在滿足系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求的前提下，增強(qiáng)決策的經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述，考慮響應(yīng)不確定性的IL合同應(yīng)約定：①用戶的基準(zhǔn)檔的響應(yīng)容量上限及補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)；②用戶各彈性檔的響應(yīng)容量上限、實(shí)際執(zhí)行允許的偏差比例以及補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。

3 多時間尺度源荷互動決策方法

3.1 “日前-日內(nèi)”時間尺度的源荷互動決策框架

DR能促進(jìn)間歇性能源消納，緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力；也應(yīng)考慮到用戶響應(yīng)具有不確定性，通過不同時間尺度上的協(xié)調(diào)優(yōu)化增強(qiáng)源荷互動效果。基于此，本文提出了一種考慮DR不確定性的“日前-日內(nèi)”時間尺度的源荷互動決策方法，框架如表1所示。

表1 “日前-日內(nèi)”源荷互動決策框架

日前決策中，基于不確定性價格型DR模型擬合時段負(fù)荷，然后根據(jù)用戶申報的激勵型DR合同分檔信息，將激勵型DR與風(fēng)電、常規(guī)機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，確定常規(guī)機(jī)組組合、激勵型DR的調(diào)用狀態(tài)和計(jì)劃響應(yīng)容量。日前決策優(yōu)化得到的目標(biāo)值是預(yù)調(diào)度成本。

日內(nèi)決策中，根據(jù)日前決策確定的常規(guī)機(jī)組組合、激勵型DR調(diào)用狀態(tài)和計(jì)劃響應(yīng)量等信息，進(jìn)一步考慮日內(nèi)時間尺度上源、荷資源的不確定性，進(jìn)行風(fēng)電、常規(guī)機(jī)組、緊急調(diào)峰資源以及DR資源的優(yōu)化配置，由此確定實(shí)際調(diào)度總成本。

3.2 決策建模和求解

日前調(diào)度決策建模以常規(guī)機(jī)組發(fā)電、棄風(fēng)和IL的調(diào)度成本之和最小化為目標(biāo)，考慮系統(tǒng)有功平衡和備用約束、機(jī)組約束、激勵型DR約束，求解確定常規(guī)機(jī)組組合、激勵型DR的調(diào)用狀態(tài)和計(jì)劃響應(yīng)容量，并將上述結(jié)果作為確定量代入日內(nèi)決策模型。

日內(nèi)調(diào)度決策建模以常規(guī)機(jī)組發(fā)電、棄風(fēng)、緊急調(diào)峰和IL調(diào)度成本之和最小化為目標(biāo)，考慮響應(yīng)不確定性的影響，激勵型DR的實(shí)際響應(yīng)容量以計(jì)劃響應(yīng)容量為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)合同要求允許其在約定的范圍內(nèi)波動。

模型中，將風(fēng)電和負(fù)荷的不確定量采用三角隸屬度函數(shù)的模糊參量表示。根據(jù)不確定規(guī)劃理論將約束條件和目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為其清晰等價類，借助YALMIP調(diào)用優(yōu)化軟件ILOG CPLEX進(jìn)行求解。

4 算例分析與討論

4.1 源荷互動效果分析

選取四種場景對比分析(無DR，僅有TOU，僅有IL，含TOU和IL)，結(jié)果表明，價格型和激勵型DR與發(fā)電側(cè)資源的有效整合，能夠避免部分邊際成本較高的機(jī)組運(yùn)行，緩解機(jī)組的頻繁啟停，減少棄風(fēng)和降低調(diào)峰需求，具有突出的經(jīng)濟(jì)效益。

日前決策確定機(jī)組組合和IL計(jì)劃響應(yīng)容量的前提下，緊急調(diào)峰資源參與日內(nèi)決策發(fā)揮了其快速靈活的特點(diǎn)，有助于緩解短時間尺度上負(fù)荷變化引起的矛盾；此外，其與常規(guī)機(jī)組可調(diào)出力的配合，增強(qiáng)了發(fā)電資源的靈活性，有利于規(guī)避IL響應(yīng)不確定性對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，在保證調(diào)度決策滿足置信度要求的前提下，增強(qiáng)決策的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 不同時間尺度上置信度的選取

考慮源、荷不確定性的決策中，總成本與置信度呈正相關(guān)的關(guān)系；多時間尺度的決策還面臨不同時間尺度置信度配合選擇的問題。為滿足最終決策方案的置信度要求，日前決策并非一定要達(dá)到相同的置信度，可以在等于或低于該置信度的范圍內(nèi)選取。算例結(jié)果表明，日前決策置信度要求過高時，可能會過度調(diào)用單位補(bǔ)償成本不太高但日內(nèi)可調(diào)范圍相對較大的IL資源，實(shí)際運(yùn)行中需要部分邊際成本較高的發(fā)電側(cè)資源進(jìn)行彌補(bǔ)，導(dǎo)致最終成本略為上升。

系統(tǒng)有功和備用充足的條件下，可通過適當(dāng)降低日前決策的置信度，尋找經(jīng)濟(jì)最優(yōu)方案；反之，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的需要，不宜將置信水平設(shè)置過低。考慮不同時間尺度上決策置信度的配合，可以進(jìn)一步增強(qiáng)互動效果。

4.3 拉開電價差對決策效果的影響分析隨著電價差的逐步拉大，決策成本總體呈下降趨勢，尤其在起始階段，效應(yīng)顯著；出現(xiàn)決策成本低點(diǎn)后，隨著電價差繼續(xù)拉大，總成本小幅增加并趨于穩(wěn)定。因此，多種資源參與并考慮不確定性影響的條件下，不建議過度追求TOU的響應(yīng)強(qiáng)度，還應(yīng)關(guān)注如何在適度的電價差下，通過有效的源、荷資源整合達(dá)到良好的互動效果。