電力柔性負荷調度基于用戶自主響應的建模方法

從用戶自主響應特性的角度，可將柔性負荷分為3類：①可轉移負荷，即在一個調度周期內總用電量不變，但用電特性靈活，各時段用電量可靈活調節，如電動汽車換電站、冰蓄冷、儲能以及工商業用戶的部分負荷等；②可平移負荷，受生產流程約束，只能將用電曲線在不同時段間平移，如工業大用戶；③可削減負荷，可根據需要對用電量進行一定削減，如空調、照明等。基于用戶用電特性的方法能夠計及各種因素對用戶響應行為的影響，方便獲取響應行為的時序特征，計及消費者心理和用戶滿意度。以響應電價為例，可轉移負荷可概括為如下形式：用戶響應電價模型多基于電力需求價格彈性矩陣，包括自彈性和互彈性，由于算法簡單、直觀，得到了廣泛應用，但由于價格彈性系數多采用行業統計數據來求取，反映的是用戶對電價變化響應的宏觀表現，這在很大程度上限制了模型的準確性 。

電力柔性負荷調度基于電網優化調度的建模方法

對于可中斷負荷，直接負荷控制和需求側競價等模式，一方面電網公司需要根據合同約定的激勵費率或電力市場的出清價格對參與調度的柔性負荷（容量和電量）進行補償，這涉及電網發用電統一優化決策的調度成本；另一方面電網公司需計及電網的安全性以及用戶參與的滿意度，因而通常在優化模型中將柔性負荷響應量作為決策變量，調度目標可為電網公司調度成本最小或調度收益最大、系統峰荷最小或峰谷差最小、用戶負荷削減量最小或用戶平均受控時間最小或用戶滿意度最大等，也有將上述多個目標綜合起來進行多目標優化建模。

正常情況下，用戶在接到電力公司經過優化計算得到的調節指令后，依據約定的控制周期和控制時序響應調度要求。值得注意的是，有些用戶在響應電網調度削減用電量后還存在用電量反彈的現象 。

電力柔性負荷調度基于綜合負荷整體響應的建模方法

電力系統分析計算常用綜合負荷表示一定數量的各類用電設備及相關變配電設備的組合，可進行綜合負荷的整體等效建模，主要描述其響應聚合后的外特性。有文獻研究了以空調負荷為代表的大量熱響應負荷聚合后的動態行為模型，計及室外、室內氣溫變化和設備參數的異質性，為計及負荷的綜合響應特性提供了很好的思路。但從電網調度的角度，一方面要計及不同柔性負荷元件響應行為的多樣性、不確定性甚至移動性，另一方面還需適當簡化模型的復雜性，因而在綜合負荷的整體響應建模方法方而還需進一步研究。

電力高峰負荷持續增長以及間歇式能源的迅猛發展增加了電網調度運行的難度，對電力系統調節能力提出新的重大挑戰。近年來，具有與電網雙向互動能力的電動汽車、儲能等帶有“源”和“荷”雙重特征的新型負荷的比重呈不斷上升趨勢；部分傳統負荷也能夠根據激勵或者電價調節自身的用電需求，具備“虛擬電廠”的特性，負荷特性的變化引起了國內外學者的共同關注。有文獻認為未來智能電網需要容納較大比例的主動負荷，以雙向性、不確定和可控性為特點。有研究將能夠改變用電時間或負荷大小以配合電力運行商的需求響應策略，從而獲得經濟效益的負荷定義為柔性響應。有文獻將負荷的柔性定義為負荷大小可在用戶指定的區間內“伸縮”。在邏輯學中，所謂“概念”包含內涵與外延兩個方面，將“柔性負荷”的內涵定義為用電量可在指定區間內變化或在不同時段間轉移的負荷，其外延包含具備需求彈性的可調節負荷或可轉移負荷、具備雙向調節能力的電動汽車、儲能、蓄能以及分布式電源、微網等。作為發電調度的補充，柔性負荷調度能夠削峰填谷、平衡間歇式能源波動和提供輔助服務，有利于豐富電網調度運行的調節手段 。

傳統發電調度中，機組需按照調控指令完全響應，與之不同，負荷調度一方面要滿足電網調度指令的需求，另一方面還需對用戶的正常用電影響較小。柔性負荷調度在電力市場發展較為成熟的歐美國家表現為需求響應，重視對電力用戶的引導和用戶的參與滿意度。其中，美國需求響應起步較早，相關政策相對完備，組織機構也較為完善，其先后于2005年、2007年、2009年分別頒布了《能源政策法案》《能源獨立與安全法案》和《美國復蘇與再投資法案》，明確規定對實施需求響應大力支持 。美國賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭、新英格蘭、加州等均已陸續推出基于容量市場、能量市場（日前計劃、實時平衡、輸電權交易）、輔助服務市場的需求響應項目，售電側采用節點電價的定價方式并實行零售選擇權，取得了良好的效果。中國目前處于市場發展的初級階段，還缺乏完整的市場運營規則和電價形成機制，尚不能通過經濟手段及時有效地調節市場供需，負荷調度更多表現為以分時電價和有序用電為代表的需求側管理，強調集中調度體制下電網的安全性。

電力柔性負荷調度參與調度計劃的模式

（1）基于電價的模式

通過價格信號引導用戶合理調節和改善用電結構和用電方式，已有大量文獻對此進行了研究，包括電價決策模型、電價對負荷曲線形狀以及電網可靠性等方面的影響 。分時電價一般在日前或更早時間尺度上制定并發布，電力用戶有充分的時間合理安排用電計劃；實時電價是基于邊際成本理論的一種動態電價機制，反映的是各時刻供應與需求的變化關系，有利于市場風險在供電商與用戶之間進行合理分攤，但只會對具有快速響應能力或電價敏感型柔性負荷起到引導作用。尖峰電價是在分時電價基礎上疊加尖峰費率而形成的一種動態電價機制，可有效降低系統尖峰時段的負荷。總的來說，響應電價的用戶無需向電網調控部門申報自身的個體用電信息，因而適用于任意大、中、小型用戶，但用戶自主響應行為的不確定性較大；此外，用戶響應和動態電價的制定存在一定的相互影響關系，當大量用戶同時響應電價變化時可能導致用戶需求同時轉移到低電價時段，從而引起新的用電高峰，這是需要電價制定部門進一步關注的問題。

（2）基于合同約定的模式

電力公司與用戶簽訂協議，事先約定用戶的基本負荷消費量和削減負荷量的計算方法、激勵費率的確定方法以及違約的懲罰措施等，是電力公司引導柔性負荷參與電網調度運行的有效手段。若由用戶調整用電量稱為可中斷負荷，由電力公司或負荷聚合商的負控裝置削減負荷稱為直接負荷控制。目前作為調峰的一種重要手段已被美國幾乎所有電力公司采用，國內江蘇、河北等省也制定了管理方案。直接負荷控制通常針對居民或小型商業用戶，簡單實用、可靠性高 。

（3）需求側競價的模式

電力負荷以競價形式與發電側資源共同參與市場競爭并獲得經濟利益，市場運行者通過全局優化取得市場出清。英格蘭和威爾士電力市場在20世紀90年代開展了需求側競價的市場競價模式，賦予用戶通過申報削減負荷價格和發電側統一參與電力市場競爭的權利，實現了調度中心對機組和負荷資源的統一調配。近年來，相關研究主要集中于競價規則、負荷響應的多時段特性以及需求側資源與可再生能源的聯合優化等方面 。

（4）有序用電的模式

國內需求側管理主要采取以行政引導為主、經濟手段為輔的有序用電模式，包括錯峰、避峰、限電、拉路等，本質上是在用電高峰期將電網各節點的負荷在時間、空間上重新安排，通過時間上的有序移動實現移峰填谷、平緩系統負荷曲線，通過空間上的協調配合實現消除阻塞、降低系統網損。

總的來說，電力公司通過制定合理的電價能夠引導大多數柔性負荷，但由于用戶自主響應的不確定性，難以對其進行精確調度，主要從用戶針對電價的響應行為并以此預測負荷曲線形狀的變化來體現對調度計劃的影響，可認為是一種引導型預調度；基于合同的模式可靠性較高，可作為“虛擬發電資源”直接參與調度計劃編制；需求側競價使得電力負荷作為虛擬發電資源能夠與發電商平等競價，但對電力市場發展程度要求較高；國內目前采取的有序用電模式對于保障電網的安全運行起到了良好的促進作用，但對用戶的利益還缺乏充分的考慮。此外，由于負荷響應的不確定性，如何從計及需求響應資源的多周期響應特性協調優化調度不同時間尺度上的柔性負荷資源，其調度模型及協調算法仍有待進一步研究。

電力柔性負荷調度參與備用計劃的模式

作為應對系統小概率高風險的容量事故的優質資源，柔性負荷參與備用計劃備受關注。特別開展了大量研究。有文獻巨討論了可中斷負荷的經濟補償模型及報價清算規則，將IL的市場引導方式分為低電價與高補償兩種，提出基于風險觀點對這兩種方式進行協調。有研究介紹了可中斷負荷參與系統備用的交易機制，提出基于帕累托最優的系統備用優化模型。電動汽車普及后，借助V2U技術可調動電動汽車電能參與備用服務 。

電力柔性負荷調度參與頻率控制的模式

為了補充機組快速調節能力的不足，安排快速響應負荷參與電網功率/頻率控制已引起國內外學者的關注。有文獻將動態需求控制器嵌入用戶用電設備以改進系統的頻率穩定性，控制器能夠監視系統頻率并開關用電設備，在用電需求和電網運行狀態間進行折中。

此外，自國際上提出自動需求響應概念后，作為需求響應的最新實現形式，為增強用戶參與可靠性、提升響應水平提供了新的發展理念，也為快速響應負荷參與頻率控制提供了更為有效的手段。

電力柔性負荷調度存在的問題

目前柔性負荷調度模式和控制策略研究中尚存在以下幾點比較突出的問題。

1）在負荷自主響應行為不確定性方而還需要進一步深化研究，特別是大量柔性負荷基于電價的聚合響應的不確定性對電網調度的影響，計及不確定后柔性負荷調度如何與常規發電調度相配合。

2）傳統發電調度包括日前、日內、實時調度計劃和自動發電控制等多個時間尺度，柔性負荷如何從預測誤差、響應特性、調節能力、調節范圍、調度成本等角度協調參與不同時間尺度的調度還有待進一步分析和研究。

3）未深入探討不同類型柔性負荷的分解協調問題。柔性負荷類型多，既有接入110kV以上電壓等級的大用戶，也有數量多、分布廣、響應特性各異的中小負荷，在區域電力系統調度層面，往往只能給出參與調度的配電網、專變用戶、大用戶、負荷聚合商的調度計劃、備用容量安排，尚不能將其分解到每一個負荷上。

4）研究成果集中于維持系統有功平衡方而，對柔性負荷作為控制手段支撐系統安全可靠運行方面的研究還十分有限。

柔性負荷調度技術改變了傳統的發電跟蹤負荷變化”的運行模式，通過引導柔性負荷主動參與電網的運行控制，可有效解決電力系統調節能力不足等問題，提高電網運行的安全性和經濟性。考慮到中國目前的電價政策、營銷模式、發展需求等現狀，在柔性負荷調度方面提出以下幾點建議與設想。

1）從安全經濟、節能減排等角度對電力公司和電力用戶加強引導，使其認識到柔性負荷能夠和發電機組一樣參與電網的調度運行并具有充分的優越。

2）根據各地發電資源享賦和柔性負荷構成，制定合理的調度模式。如在“三北”地區，風力資源和太陽能資源非常豐富，棄風棄光現象嚴重，而其高耗能負荷容量大且多數具備一定調節能力，可考慮采用動態電價、簽訂合同等方式引導高耗能負荷消納可再生能源；在華東、華南負荷中心，大中型商業、公共設施以及居民負荷比重普遍較高，可采用直接負荷控制或自動需求響應模式進行負荷控制，以實現削峰填谷。

3）在發電機組調節能力不足的區域電網，盡快完善柔性負荷參與電網調度的激勵補償機制，并建設柔性負荷調度示范工程。2100433B

電力柔性負荷調度柔性負荷綜合響應建模技術

電力系統中存在物理形態、用電特性迥異的多種負荷類型，同一類型柔性負荷可能會對應多種不同的響應，而多個響應之間存在一定的約束。對于輸電網調度中心來講，更為關心的是以配電網、專變用戶、負荷聚合商為單位的整體負荷的綜合響應潛力，如何建立有效的柔性負荷多形態多響應綜合預測模型是柔性負荷調度技術推廣的基礎。

這種方法通常需利用歷史需求響應事件信息并進行回歸分析，受制于歷史數據的完整性和對歷史事件樣本數量的要求，其響應模型的準確度以及響應行為的不確定性如何表征還需進一步研究。

電力柔性負荷調度多時間尺度互動交易模式設計

不同類型柔性負荷的用電方式、調度模式、提前通知時間、可調節量、對電價和激勵信號的敏感程度都有很大差異，合理的互動交易模式是直接影響柔性負荷參與電網調度可操作性、運轉效率和效益的關鍵影響因素。一般情況下，在中長期時間尺度內，無法知曉電網的確切運行狀態，互動機制設計應當以價格引導作用為主；短期及實時時間尺度內，電網運行狀態已能夠準確獲知，不確定因素較少，需要深入調研、分析、整理不同類型柔性負荷的特點并將其適當分類，制定更加精細化的互動交易機制。

電力柔性負荷調度多時間尺度負荷協調控制技術

日前系統負荷預測存在一定誤差，網絡拓撲結構、系統實際運行狀況也可能發生變化，特別是間歇式能源大規模接入的地區，日前調度計劃的準確性和實用性更加難以保證。此外，柔性負荷響應電網調度本身也具有一定的不確定性，且隨著參與調度的負荷數量的增加，其響應不確定性對系統運行產生的潛在影響將日漸凸顯。因此，有必要在日內、實時時間尺度上根據滾動刷新的負荷和風電預測數據進行調度計劃的滾動修正，建立計及需求響應資源多周期響應特性的日內調度模型和實時調度模型，這是柔性負荷調度技術研究的重點。

電力柔性負荷調度集中式和分布式協調控制技術

現階段電網調度的模式主要是集中調控的模式，而柔性負荷更多地以配電網、專變用戶、負荷聚合商等分布式調度單元的形式出現，如何實現各控制單元分布自治與電網控制中心整體決策的協調是柔性負荷調度技術研究的關鍵，主要需要研究分布式控制單元的在線動態等效建模與參數擬合技術、支持分布式單元與輸電網調度中心交互的快速分布式計算技術、分布式控制單元與調度中心協調優化決策模型和方法。

電力柔性負荷調度互動效益評估技術

柔性負荷調度具有優化用戶負荷曲線、改善電網峰谷差、減少新增裝機容量及備用容量、支撐可再生能源消納等多方而效果，如何合理設計評估指標并對其參與電網調度的效果進行量化評估是重要研究方向之一。需要從時間、空間、考核對象等多層次對評估指標進行分解；從響應特性、響應過程、響應效果、響應履約度等方面構建多維度量化指標，最終形成適合于柔性負荷調度的綜合評估指標體系 。

在柔性負荷響應潛力方面，有文獻提出針對大型工商業用戶參與需求響應的潛力評估方法，主要步驟包括確定研究對象和需求響應項目類型、基于用電特性的用戶群聚類分析、分類需求響應項目參與率辨識、價格彈性計算和需求響應潛力評估，重點是適用于細分用戶群的價格彈性計算方法 。基于上述評估方法，美國聯邦能源管理委員會從常規業務、擴展業務、可實現參與和全面參與4種場景評估了美國2010-2020年的需求響應潛力。一般來說，需求響應潛力評估可分為電力負荷調研、數據整理和分析、回歸模型建立及響應潛力預測等步驟。但現有研究還存在以下不足：①負荷可調度潛力與電網運行工況、外界環境變化、用戶用電消費心理、響應前用戶用電狀態等因素密切相關，針對負荷在某一具體運行工況下的響應潛力評估研究還較為少見；②多從挖掘電網柔性負荷削峰潛力的角度研究負荷的向下調節潛力，缺乏對向上調節潛力的相關研究。

電力柔性負荷調度集中式架構

集中式負荷控制類似于目前發電機組的控制模式，由輸電網調度中心集中調度和控制，電力系統運行人員直接給每個負荷發布調控命令。顯而易見，大系統中負荷數目眾多，集中式架構需要針對大量用電設備產生控制信號，這在實際系統調度中是不可行的。

電力柔性負荷調度分布式架構

有文獻利用智能電表實時監視系統頻率并相應地調節用電設備都是一種典型的分布式控制模式，圖《以智能家居為代表的分布式控制》給出了以智能家居為代表的分布式控制架構示意圖。

基于不同地理位置或負荷類型的分布式架構具有投資小、通信和控制靈活等優點，但完全分散的分布式架構也面臨著如下挑戰：①由于只反饋本地可觀測量，可能出現過度控制或控制量不足的情況，難以實現電網調度的系統級控制目標；②各局部控制器為達到自身的預期目標，可能使得不同控制器間相互沖突，惡化控制的整體效果。

電力柔性負荷調度基于負荷聚合商的分層架構

負荷聚合商作為協調大量中小規模用戶和電網控制中心的中間機構，可以是傳統意義上的配電公司、政府實體或電網公司自身的負荷管理中心，也可是代表單一類型或多種類型負荷的第三方機構，其共同點是將大量電力終端用戶聚合在一起參與電網調度，并努力實現電網公司、負荷聚合商和電力終端用戶各方的既定目標。基于負荷聚合商的分層負荷控制分為控制層、協調層和本地響應層。

從柔性負荷綜述中不難發現柔性負荷種類繁多，并很難得到具有普適性或通用型的柔性負荷模型和控制策略。為了更深入的挖掘柔性負荷，抓住重點柔性負荷特征，論文選取中央空調作為典型柔性負荷代表，并開展其參與電力系統運行的模型和控制策略研究 。

(1)中央空調負荷具有柔性負荷典型特征。柔性負荷的主要特征是負荷在一定時間內靈活可變，因為人體有一定舒適度范圍，中央空調負荷的功率在舒適度范圍有了調節的空間。以夏季為例，當用戶對電價做出響應時，在電網高峰時可通過調高設定溫度、降低風機轉速等方式降低中央空調負荷，以獲得效益回報;在電網低谷時期，利用中央空調所屬房間儲熱能力，增加空調負荷，提前儲存一部分冷量，使電力系統利用率增高。

(2)中央空調負荷在尖峰負荷中占比大。在北京、上海等發達地區空調負荷在高峰時負荷占比接近一半。而中央空調在工商業用戶、居民用戶等其它用戶中己經廣泛應用，是空調集群中較常見的種類，而與分體式空調相比，中央空調的額定功率要大得多，另外相對于分體式空調，中央空調的負荷比較集中，更有利于集群控制，國內多地己開展了中央空調負荷調控的示范工程，積累了較為豐富運行經驗。

(3)中央空調負荷可控性強。與其他柔性負荷相比中央空調系統的可控量多，理論上包括:設定溫度、送風量、新風量、冷凍水泵流量、冷凍水進水溫度等幾十個特性參數。對任意決策變量的控制都能達到調節中央空調負荷的目標。另外在特定情況下，短時中央空調可通過關閉機組達到極限調節量，即使在不停機的前提下，中央空調的負荷調節能力也十分可觀。

在柔性負荷響應潛力方面，提出針對大型工商業用戶參與需求響應的潛力評估方法，主要步驟包括確定研究對象和需求響應項目類型、基于用電特性的用戶群聚類分析、分類需求響應項目參與率辨識、價格彈性計算和需求響應潛力評估，重點是適用于細分用戶群的價格彈性計算方法。基于上述評估方法，美國聯邦能源管理委員會從常規業務、擴展業務、可實現參與和全而參與4種場景評估了美國2010-2020年的需求響應潛力，一般來說，需求響應潛力評估可分為電力負荷調研、數據整理和分析、回歸模型建立及響應潛力預測等步驟。表1給出了各國柔性負荷響應潛力分析結果。但現有研究還存在以下不足:①負荷可調度潛力與電網運行工況、外界環境變化、用戶用電消費心理、響應前用戶用電狀態等因密切相關，針對負荷在某一具體運行工況下的響應潛力評估研究還較為少見;②多從挖掘電網柔性負荷削峰潛力的角度研究負荷的向下調節潛力，缺乏對向上調節潛力的相關研究。2100433B

從柔性負荷調控模式上來說，柔性負荷可參與電力系統多種調度計劃模式:基于電價的模式、基于合同約定的模式、基于需求側競價的模式、基于有序用電的模式、基于參與備用計劃的模式、基于參與頻率控制的模式}。不同的模式對應不同的電力系統環境，則柔性負荷的控制方式和目標函數也有所區別。以節點際電價為求解對象，研究了柔性負荷參與備用的安全約束調度策略;將激勵負荷的售電收益、可中斷負荷的補償成本納入考慮，以調用利益最大化為目標函數，研究了柔性負荷參與負荷調峰的內容;以電力系統頻率控制為目標，研究通過需求響應手段，控制柔性負荷的啟停，平衡用電需求和電網運行狀態;考慮分布式電源與單向型柔性負荷的聯合調度，以提高電力系統運行效率 。

從柔性負荷調控方式上來說，柔性負荷可分為集中調控、分布式調控和基于負荷聚合商的分層調控。采用了類似發電機組的集中控制方式，柔性負荷由調度中心集中控制，電力系統向大用戶直接發布調控命令。利用智能電表實現分布式控制，并分析了基于不同地理位置的分布式架構具有投資小、通信和控制靈活等優點，通過包含電動汽車、可控家用電器、分散式熱電聯產機組的柔性負荷聚合，參與電力系統二次調頻，負荷聚合商使用模型預測控制策略來分配控制行為。

目前我國電力增長態勢趨緩，很多地區出現電力富余的情況，但從長遠來看，仍有可能出現局部性和階段性的緊張狀態。需求側逐漸成為電力系統領域關注和研究的重點，通過需求側的改變，可以改善供需矛盾，提高電力系統運行效率。我國建設和完善智能電網的整體思路也給用戶側的負荷創造新的發展契機 :

近年來，柔性負荷成為了學術研究的重點，柔性負荷的調度和調節是緩解供需側矛盾的重要手段之一。柔性負荷的柔性調節能力改變了原本負荷單向、被動接受調節的歷史，也使負荷參數的剛性、不確定性等特征發生了變化。另外電動汽車、分布式電源的接入使負荷具有了一定電源的作用。這些都對傳統電力系統格局產生了影響。空調是典型的柔性荷，在夏季負荷高峰期時，空調負荷在電網中已占尖峰負荷的30%-40%，并呈現逐年上升的趨勢.另一方面，空調具有兩個重要特征:1)空調與所屬的房間構成了具有熱儲存能力的系統，一定意義上相當于蓄電池等儲能設備;2)人體有一定舒適度范圍，在此范圍內空調負荷的功率也隨之有了調節的空間。這兩點是空調負荷參與雙向互動的前提條件。