（电力系统及其自动化专业论文）考虑风险因素的激励性可中断电力负荷管理.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑风险因素的激励性可中断电 力负荷管理，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 逡 日期：趔：! ! ! 兰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：醯 导师签名： 冬诵 日 期：塑堕：! ! ： e t 期：o o , , s 3 , t j - ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1问题的提出 第一章绪论 二十世纪七、八十年代先后爆发的世界能源危机，使得多数西方发达国家对能 源供应的安全性和稳定性产生了极大的忧虑。自上世纪七十年代，许多发达国家建 立了彼此磋商、相互协调的能源战略机制。在能源战略方面，各国将综合资源规划 ( i n t e g r a t e d r e s o u r c ep l a n n i n g ，i r p ) 作为能源规划和实施的重要内容，以便合理丌 发和提高能源使用效率。i r p 是一种集能源开发、节能、效益、市场运营的综合资 源规划方法，其研究对象涉及到与电有关的所有领域。随着全球实施综合资源规划 的浪潮，经济效益观念逐渐引入电力系统，系统对需求侧的观点也发生改变。d s m 的概念应运而生。 电力需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，d s m ) 又称需求方管理，是美国 学者c w g e u i n g e 在1 9 8 1 年首次提出的一种用于电力公司工作计划、执行和监督的 管理模式。它是指电力公司作为供应侧，采取有效的激励和引导措施以及适宜的运 作方式，与用户协力提高终端用电效率和改变用电方式，为减少电量消耗和电力需 求，实现最低成本电力服务所进行的运营管理活动。改变用电方式，是将负荷从电 网高峰时段削减或转移到电网低谷时段，改变电力需求是改变需求在时序上的分布 从而有效地降低峰荷；提高用电效率是通过鼓励用户采用先进的技术和设备来达到 节约电量的目的。d s m 所能取得的效益包括直接经济效益( 如减少燃料进口并抑制燃 料价格的波动等) 和间接效益( 如减少环境污染、促进节能产品市场的开发和发展、 确保国民经济持续稳定的发展等) 。 我国是能源生产和消费大国，但能源利用水平及人均资源占有量较低。因此， 为了保持国民经济快速发展，提高人民生活水平，就需要在电力发展中采用建设和 节约并举的指导思想。实现以最小的资源和资金投入，减轻环境污染压力，保证电 力供应能满足国民经济和社会发展的需要。从电力工业的长远发展战略看，d s m 所 产生的社会、经济效益与电站建设所增加的电力产生的效益同等重要。开展d s m 是 完善我国能源开发与使用状况的现实需要，也是实现可持续发展的重要手段之一。 通过在全社会开展需求侧的管理工作，固家可以从实现国民经济和社会发展的总体 目标出发，充分发挥市场经济体制在优化资源配置和合理使用中的基础性功能，合 理有效地利用有限的能源资源，达到保护资源和环境的目标，实现可持续发展；用 户可以在满足电力需求的同时，以较少的投入，实现降低电力消耗、减少电费支出、 降低生产成本的效果。与此同时，电力企业可以减少对电力建设的巨额投资，避免 新增电量成本和峰荷容量成本，实现对现有生产能力的高效、合理、充分利用，增 华北电力大学硕士学位论文 加电力的有效需求，提高电网的负荷率、发电设备的利用效率和企业竞争力【2 j 。 根据电能的生产和消费过程，结合国外实施电力d s m 的成功经验【3 】，可以看出， 开展d s m 必须考虑两个重要方面：一是要尽力降低电网的最大负荷，设法以较少 的新增装机容量达到系统不断发展的电力供需平衡，也即在不减缓经济发展和不降 低人们生活水平的条件下，力图实现电力需求的低速增长，甚至零增长。其根本措 篪就是改变用户用电需求在时段上的分布方式减少用户在电网峰荷时段的电力需 求；另一方面要从电力用户着手，提高用户对节电重要性的认识，普及节电知识， 并鼓励用户更有效地利用电能，以此减少系统的发电量，从而减少系统的发电燃料 消耗。 因此，实施d s m 所采用的技术措施可以归纳为两大类，一类是负荷管理，另 一类是节电技术措施。对于负荷管理，国外所凭借的主要手段，一是技术手段，如 电力负荷监控技术：另一个是经济手段，即分时电价和可中断电价。 我国相当长段时间对峰谷分时电价进行了深入的研究，近两年已经在不少地 区推行。一般而言，峰谷电价对于用户转移高峰负荷有促进作用，世界许多国家也 在采用它。但峰谷电价也有许多不完善之处，咧如灵活性差，对用电性质不同的各 类用户都采用峰谷电价可能会由于部分用户利益受损而遭到地方政府和用户抵制。 目前对工业用户不分行业普遍采用一种峰谷电价己出现上述问题。相反，如果当实 施峰谷电价后使电力企业在现在售电收入和利润基础上受到明显损失的话，电力企 业也会采用各种方式进行抵制，这种情况已在些地区发生。这是当前推行峰谷电 价的困难之所在。另外，由于各地区在峰谷电价差的测算和制定时按原来总电价水 平保持不变的原则进行，所以定出的峰谷电价还没有形成合理的价格机制，这也是 各地区在执行中发生争议的原因之一。但是如果分行业制定不同的峰谷电价则很难 操作。 可中断电价是通过电力公司和不同用户签订合同来确定的( 现在电力法中 己明确供用电采用合同形式) ，因此灵活性好，能克服上述问题，也符合社会主义 市场经济下电力工业经营方式的转变要求。将峰谷分时电价和工业可中断电价有机 结合起来将会扬长避短，发挥出更好的效果1 。 虽然近1 0 多年来，可中断负荷管理( i n t e r r u p t i b l e l o a d m a n a g e m e n t ，i l m ) 和 可中断电价手段在许多国家已广泛吲于诸如冶金，水泥，造纸，纺织等工业用户， 并取得显著调荷节电效果，电力公司和用户都从中得益，但是在我国这项工作还远 远落后于国际先进水平。应该说，由于我国工业用电一直占7 0 以上( 发达国家仅 占4 0 左右) ，而且缺峰荷电力问题持续2 0 多年，所以我国研究和实施i l m 极为 迫切。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外相关课题的研究内容及现状 电力公司日益将用于用户负荷有效管理的电价优惠视作一种资源，其中最常见 的就是可中断电价。它作为一种途径借助于用户的参与以减少系统高峰时部分电力 需求。我们研究i l m 目的就是设计出一种使得电力公司和用户双方都可以接受、都 具有吸引力的电价结构，即既能使电力公司的发、供电成本最小化，又使得用户的 经济利益最大。 目前关于此领域的研究多集中在模型的建立上，并己取得了一定的进展。无论 是在完全解除管制的电力市场下还是电力市场过渡期，可中断负荷合同的内容基本 相同，只是中断条件有所区别。文献 4 】区分了供电公司通知用户实施可中断负荷合 同的时间先后，并用这个时间决定供电公司付给用户的补偿费用并把用户自身对 价格的反应特性也作为一个考虑因素：文献【5 】以期权的观点对可中断负荷补偿费用 进行了研究。可中断负荷还可以直接参与市场报价，并联合备用报价进行出清。文 献 6 7 提出可以采用最优潮流方法( o p t i m a lp o w e rf l o w ，o p f ) 计算可中断负荷 的选择、电价折扣和中断的效益，并给出计算框架；文献【8 】考虑了实施可中断负荷 对网损的影响，并采用双层模型求解。 但是，目前对于i l m 模型的建立还存在一些问题。为了实现电力资源的有效利 用，电力公司在确定中断负荷的分配时需要有关用户缺电成本的真实信息。然而， 市场环境下电力公司与用户之问存在信息不对称，用户知道自己的真实缺电成本特 性，但电力公司不知道，这会导致用户在参与i l m 时虚报其缺电成本信息。电力公 司只能依赖用户的上报信息决定中断负荷的分配，因而可能造成用电分配的低效。 因此，在确定中断负荷的补偿支付机制时，应充分考虑该机制对于用户自愿披露其 真实缺电成本信息的激励作用。假如用户披露其真实缺电成本信息会使之获得最大 的期望利润，则该中断补偿支付机制就具有激励相容( i n c e n t i v ec o m p a t i b i l i t y ，i c ) 特性。显然，满足激励相容特性的i l m 合同在电力市场环境下更具有现实的社会、 经济意义。 1 3 本文的主要工作 本文主要的工作是针对市场的特点，运用有关市场经济理论，包括风险理论、 信息经济理论、博弈理论等，对电力公司与用户之间的合约关系进行一系列的研究。 ( 1 ) 介绍了电力市场下，开展d s m 的意义以及d s m 中的负荷管理在市场环 境下被赋予的新的内涵；着重介绍了i l m 实施的研究现状和实现i l m 的条件。 ( 2 ) 对i l m 措施的成本效益进行了分析。 ( 3 ) 研究了考虑风险因素的激励性i l m 模型，并用算例分析了模型的有效性。 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 研究了考虑用户满意度的i l m 模型用来更好i t g n 激需求侧弹性，并讨论 了模型的算法。 ( 5 ) 对于一个未开展i l m 的地区，本文设计了一个规划过程，用来获得历史 数据并根据这个数据制定合理有效的可中断负荷合同。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 负荷管理 第二章d s m 中的负荷管理方法 2 1 1 负荷管理的概念 我国电力工业发展迅速，无论装机容量、发电量或是联网规模，从全球来看均 已名列前茅。但差距也很明显，除人均装机和用电量较低外，发电煤耗、输配电网 损和变电用电能耗均较先进国家为高，其中尤以用电能耗最为突出。据报道，我国 的能源消费强度为世界经合组织国家均值的4 6 倍。以单位g d p 产出能耗计，日本最 低，为1 ：美国为2 6 7 ；而我国为1 1 5 一j 。 随着国民经济的发展，现代化社会生产和生活用电需求量的日益增加，对负荷 的现代化管理和控制显得尤为严重，特别是随着电力生产的发、输、供、配电自动 化程度的提高，对负荷进行实时、有效、准确的管理和控制已经非常必要。为实现 2 0 2 0 年全面小康的宏伟目标，到2 0 2 0 年我困电力工业的装机容量将较2 0 0 0 年翻两番 而达到9 0 0 g w ，但用电能耗必须控制在仅翻一番的水平，否则将危及到全面小康的 实现。因此，这就使负荷管理问题上升到了一个新的高度。 负荷管理是指电力公司通过对负荷的控制达到想要的电力负荷曲线，同时也是 配电和d s m 中的一项基本工作。它面向用户，借助各种技术手段，在保证电力网络 的可靠性的同时，改变系统的负荷曲线形状而达到不同的负荷管理目标，从而为电 力系统更安全、经济地运行服务。同时，负荷管理还可以为电力负荷的预测提供一 定的调节参数，对其进行必要的修正，以及影响电力网络的规划等。 负荷管理技术就是负荷整形技术，它是根据电力系统的负荷特性，以各种方式 将用户的电力需求从电网负荷高峰期削减、转移成增加在电网负荷低谷期的用电， 以达到改变电力需求在时序上的分布，减少季节性的电网峰荷，以期提高系统运行 的可靠性和经济性。在规划中的电网，主要是减少新增装机容量和节省电力建设投 资，从而降低预期的供电成本。 通过有效的电力负荷管理，也就是通过经济、技术手段或行政措施，鼓励用户 自愿或电力部门强制进行电力负荷控制管理，可以降低负荷的峰谷差、改变负荷曲 线、改善电网运行状况，使有限的电力资源充分发挥其效益，减小由于电力供需矛 盾造成的损失，同时可以保护环境。它适合我国能源紧张、资金缺乏的国情，是缓 解我国电力供应中的供需矛盾、缩小峰谷差、提高负荷率的有效方法【1 0 】。 2 1 2 负荷管理的分类 s 华北电力大学硕士学位论文 根据管理的方法和手段不同，负荷管理可以分为三类，即直接负荷控制、可中 断负荷管理、间接负荷管理【i o 】。 ( 1 ) 直接负荷控制( d i r e c tl o a dc o n t r o l ，d l c ) ：电力部门在电力系统高峰 时段，在用户同意接受的约定下，利用电力监控装置对所需控制负荷( w a n t e dc o n t r o l l o a d ，w c l ) 直接进行周期性的中断控制。 ( 2 ) 可中断负荷管理( i l m ) ：根据合同要求，在系统负荷高峰时段或约定 的时段内，电力部门控制或用户自行停止一些设备的电能使用。一般商业和工业用 户多采用此种管理方式。 ( 3 ) 间接负荷管理( o t h e r l o a dm a n a g e m e n t ，o l m ) ：除直接负荷控制和可 中断负荷控制以外的各种负荷管理手段。一般指利用储能装置( 蓄冰空调、蓄热锅 炉等) 转移负荷以及在电价机制下，如分时电价( t i m eo fu s e ，t o u ) ，实时电价 ( r e a lt i m ep r i c i n g ) 的影响下，用户自动调节负荷的行为。 2 2 负荷管理与d s m 传统的电力规划以负荷预测为基础，根据系统的最大负荷，需电量和负荷曲线 的预测结果，选择电源种类，确定装机容量、地点、投运时间，建设输配电系统， 或采用购买其它电网的电力等方式，尽可能经济、合理、可靠地满足用电需求。这 种规划方法仅从供应侧被动地提出满足需求目标的规划方案，单纯依靠扩大供应能 力来满足电力需求的增长，这不仅加大了资金和能源资源的投入压力，而且加重了 环境污染和治理成本，它对于削减系统高峰负荷缺乏内在动力。电力d s m b j j 好克服 了传统电力规划的缺点，它考虑了如何调整电力需求，使电力公司的职能从单纯供 电扩展到引导用户改变用电方式、提高用电效率，这可以在保持能源服务水平的情 况下，有效降低能源消费量和负荷水平，从而减少新建电厂投资和一次能源消费， 取得良好的经济和环境效益。 因此，d s m 中的负荷管理的概念发生了一些变化，它区别于传统的负荷管理， 其区别主要是用户的有效参与和负荷管理领域的拓宽。 其实，市场环境下的负荷管理，包括供电侧的负荷管理和需求侧的用电管理， 都不仅是应对缺电的临时措施，而是具有降低能耗、平衡发电投资等战略目标的长 远措施。如美国较早实施的i l m 和推行的d s m 计划，效果显著：2 0 0 0 年人均g d p 比 1 9 7 3 年增力h 7 4 ，但能耗几乎相等。2 0 2 0 年原需新增发电容量4 0 0 g w ，但通过d s m 可望减少2 6 0 g w t “1 。 电力市场下，电力公司借助于各种经济、技术、行政手段，调动用户参与负荷 管理的积极性，实现了供需双方共同进行用电管理。在负荷管理领域方面，除了移 6 华北电力大学硕士学位论文 峰填谷等负荷管理的传统内容外，还增加了柔性负荷( f l e x i b l el o a d ) ，战略性节 电和战略性负荷增长等多项措施。柔性负荷即是指为了满足机组启停、爬坡、卸载、 事故处理等，而使负荷的上升速度及减少速度延缓而配合的一些负荷。电力公司有 时为了避免负荷增大超过预计值太多而支付昂贵的违约金，也可采取柔性负荷这一 手段，i l m 和需方发电均属于柔性负荷管理。战略性节电即是由战略节能引起的负 荷变化。战略性负荷增长是由于电气化而引起的负荷增长，当然这种增长最好都出 现在低谷时期。市场条件下的负荷管理的目标如图2 1 所示。 jaj 少可 l 而，+ 。l 一 鸯誊l 全。 f 瓜 f 一 图2 1d s m 对负荷曲线的基本影晌 由图可知，电力d s m 与传统的负荷管理不同，它不是由电力部门单方面管理负荷， 而是调动用户积极参与，并强调以优质服务满足用户用电需求。负荷管理是d s m 一个重 要的手段，主要是电力公司通过d s m 技术来改变用户的用电行为从而改变负荷曲线的形 状。 从经济学意义上讲，电力需求是指一定时间内、一定价格下，消费者愿意购买 的电量，d s m 即是通过一系列措施来影响人们的电力需求；而电力负荷是指在某一 段时间，系统内实际消耗的电力，以时间为横轴绘成的曲线即负荷曲线，负荷管理 即为改变负荷曲线的形状而采取的各种措施。 电力工业是从电力和电量两方面满足人们对电能的需求的。电力是指用户的用 电能力，也即用户的所有用电器的功率，或称用电负荷，一般用千e ( k w ) 表示；电 量指用户的用电数量，即用户的用电器所消耗的电能的数量，一般用千瓦时( k w h ) 表示。 用户对电力和电量的需求状况是随经济发展和人民生活状况的改变而改变的。 一般来说，随着社会发展，用户对电能的需求是不断增长的，电力系统必须具备相 应的供电能力和供电量，才能满足用户的用电需求。供电能力是由装机容量决定的， 而装机容量是根据系统的最大负荷确定的。最大负荷是指用电高峰时段用户所有在 7 华北电力大学硕士学位论文 用电电器的功率，最大负荷越大，负荷曲线峰谷差就越大，系统所需要的装机容量 就越大，电厂所需的后备机组也就越大，这增加了投资压力，并对电网的安全经济 运行带来隐患。供电量是由足够的燃料做后盾的，用户的电量需求越大，系统的供 电量就越大，消耗的燃料就越多，这就意味着要付出沉重的环保代价。 d s m 的目标是电力和电量的节省；负荷管理的目标则主要是电力的节省。d s m 中的负荷管理，必须以d s m 的思想为指导实现负荷管理，将用户的可减电力看作 是一种负荷调节资源，须采取各种措施加以挖掘，扩大管理的领域；另一方面，必 须调动用户的积极性，共同协力迸行负荷管理。 电力市 一供面面h 电艚蝴1 场下的 负荷管 理河题 1 至兰竺! ! ! 叫电力与电量的：1 ，约f 图2 - 2电力市场下的负荷管理问题 由图可知，i l m 是负荷管理一项重要措施，而且是电力市场环境下需求侧负荷 管理的重要组成部分。它是在市场经济下用经济手段调节负荷节电的有效措施。它 通过以电力公司和用户的合同协议形式确定下来，通过对用户进行电价刺激来达到 在系统峰值时或紧急状态下使用户按合同要求中断或削减负荷。本文将在下一节做 详细论述。 2 3 需求侧负荷管理中的i l m 长期以来，我国一直处于全国性的严重缺电局面。从八十年代末期开始，国家 部分放开发电市场，推出了集资办电政策，改革电力工业投融资体制。这种有限的 市场放开，促进了电力工业的迅速发展，在不到十年的时间星，就改变了电力紧缺 的状况，电力供给矛盾得到了根本性缓解，我国大部分地区还出现了供大于求的局 面。然而，随着电网峰谷差的不断增大，在系统用电高峰期，电力供应往往满足不 了要求，电力公司需要大量外购峰荷电力，成本较高。由于供电负荷率呈下降趋势， 在用户的用电高峰期、低谷期，负荷曲线波动很大，若对高峰、低谷的负荷管理不 好，将直接影响电力生产和电能质量，严重时引起设备的损坏。从电网安全和电力 负荷用户的安全角度出发，对负荷管理的好坏，将直接影响电力生产的稳定，除影 响到用户的用电设备外，还影响到发输电设备。严重时可能造成电网崩溃和人身设 备事故i l i 。面对上述情况，我们需要积极的削减负荷，改善负荷峰谷差。 i l m 措施是负荷管理的一项重要措施，而且是电力市场环境下d s m 的重要组成 8 华北电力大学硕士学位论文 部分。它是在市场条件下用经济和技术相结合的手段来调节需求侧用电量、削减负 荷高峰的有效措施。它以电力公司和用户签订合同的形式确定，通过对用户进行电 价刺激来达到在系统峰值时或紧急状态下使用户按合同要求中断或削减负荷的目 的( 如图2 3 所示) 。 臣亘 图2 - 3 可中断负荷合同 负荷管理是电力行业中一项长期性的系统工程，i l m 作为其中非常重要且经济 有效的负荷管理类型，很有必要深入研究。特别是国内基本还未真正刀：展i l m ，而 且随着电力工业的市场化改革的推进，i l m 对于电力系统安全、经济运行的作用将 更加突出。 2 4 本章小结 本章首先介绍了负荷管理的概念，以及d s m 中的负荷管理在市场环境下被赋予 的新的内涵，接着指出i l m 措施是负荷管理的一项重要措施，而且是电力市场环境 下d s m 的重要组成部分。它是在市场条件下用经济和技术相结合的手段来调节需求 侧用电量、削减负荷高峰的有效措施。它以电力公司和用户签订合同的形式确定， 通过对用户进行电价刺激来达到在系统峰值时或紧急状态下使用户按合同要求中 断或削减负荷的目的。 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1i l m 系统 第三章i l m 系统及成本效益分析 3 1 1i l m 系统实施的条件 我国过去在缺电时期“拉闸限电”所采用的负荷控制具有垄断经营的特点。尽 管其间也引进过些先进国家的负荷管理系统模式，但由于历史和技术等原因没能 吸收其先进的负荷管理理念，而形成了至今供需双方均普遍接受的按负荷重要程度 分轮、依次遥控切除有关负荷的管理机制。 负荷管理的先进理念，主要是通过降压减载或对用户的可中断负荷( 空调、热 水器等) 进行分批编组、按批短时轮控，使之成为不影响生产和基本生活、用户不 感觉停电的负荷管理。当然，其中也包括紧急状态下的直接负荷控制在内。主要分 成以下三种方法f 6 】： ( 1 ) 降压减载 电压和功率之间的平方关系使得电压的变化对功率影响很大。而电网正常运行 状态下的不等式约束条件，容许电压额定值在一定范围内变化，这就为实现降压减 载提供了可能。经验表明电压下降1 即可减少l 的负荷。 实施降压减载必须与馈线末端的电压遥测相结合，用以监视该点电压不低于容 许的最小值。运行时，线路电压调整器按控制中心发出的命令分步控制输入分接头 的动作。如设置分别为1 5 、3 0 、4 5 、6 o 、7 5 的5 步调整段，正常时复归 至o 。 这种负荷管理方式不涉及用户负荷的拉闸限电问题，但供方的投资较多。 ( 2 ) 用户可中断负荷的周期控制 用户可中断负荷的周期控制是对用户可控负荷( 空调、热水器、储热系统、冷 藏库等) 最灵活而有效的负荷控制方式。由主站和具有双向通信能力、寻址范围高 达2 0 0 万点以上的负控终端来实现。 负控终端除具有三个分时电能和一个总电能累加寄存器外，还有两套三分时的 电能累加寄存器，分别记录峰、平、谷不同时段内被控和未被控的电能数量，供负 荷控制使用。此外，还设有一定数量的( 如6 4 个) 组地址，用以成组接收工作日和 节假日的分时周期以及减负荷间隔( 如5 、1 0 、2 0 、3 0 r a i n 甚至6 0 m i n ) 等主站发出 的命令。 控制是按组进行的，当负荷超过预定的过负荷值时启动。至于主站每隔多久发 1 0 华北电力人学硕士学位论文 出一次命令，则由一个称之为执行周期( d u t yc y c l e ) 的百分数来决定。如间隔选 为5 m i n ，执行周期为2 0 ，控制周期即为2 5 m i n ，也就是说每隔2 5 m i n 发出一次控制 命令。终端接到命令后，事先设定好的负荷即行跳闸，减负荷间隔5 m i n 至0 了以后自 动恢复供电，过2 5 m i n 又将收到命令。周而复始，直到系统负荷降到预定的复归值 为止。 实际执行时，还可根据需要进一步细化，以使负荷尽可能均衡。如上述的负荷 组由5 个可控点组成，即可每隔5 m i n 每个可控点发出控制命令，而不是每隔2 5 r a i n 才同时向5 个可控点发出控制命令。 ( 3 ) 切除用户可中断负荷 这是最简单的一种减负荷措施，由单向通信的负控终端即可完成。该负控终端 一般具有几个( 如3 个) 可单独寻址的继电器和组地址，并可通过现场更换地址插 销的办法来实现各种地址组合，如同一地址控制两个继电器等。此外，这种终端还 可以带有由命令按地址设定的减负荷间隔计时器，以便满足不同负荷管理方案的需 要。 切除用户的可控负荷，既可用简单的“跳闸”、“合闸”命令来控制，也可采 用负荷周期控制的方式来实现。采用负荷周期控制方式对，可把切除负荷看成是用 户负荷控制方式的一种极端情况。即：选择最大的减负荷间隔( 一般为6 0 r a i n ) ， 并设定执行周期为1 0 0 。此时，每接近6 0 m i n 时即发出一次控制命令，保持减负荷 状态不变，直到系统负荷降至预定的复归值为止。 最有效的负荷管理手段就是根据电网和用户的实际情况将上述三种负荷控制 方式有机地组合起来，实现最佳的负荷管理任务l 。 首先，对可控负荷进行编组。负荷组是由用户定义的若干可控负荷点的集合。 这些负荷点具有相同的控制方式( 如降压减载或切除负荷) ，通过不同的现场负控 终端同时进行控制。 其次，制定一个或多个负荷管理方案。即指定哪些负荷组参加控制、每个控制 组采用哪些控制方式( 1 3 种) 、每种控制方式的优先级别为何、操作员可进行哪些 操作等。这里，一个方案包括多个控制组，而一个控制组可能被多个方案所采用。 可见，先进的负荷管理理念主要是根据电网和用户的实际情况，采取灵活多样 的负荷管理方案、来控制用户的可中断负荷。 3 1 2 面向d s m 的负荷管理系统 先进的负荷管理理念当前可与分时电价及可中断电价挂钩，还可进一步和需量 控制结合，以适应电力市场的发展、并有利于开展d s m 。但实施这一理念的前提是 用户需求侧应能将空调、热水器、储热系统、冷藏库等启停式可中断负荷和其他生 1 l 华北电力大学硕士学位论文 产生活用电分开配电。而这一点恰好是我国以往所未曾关注的事，以致只能将各类 负荷混在一起、形成按重要性分轮控制的局面。 为了控制能耗，保证我国国民经济可持续的发展。当前各大城市正在制定工业 开发能耗的控制指标，如北京市明确规定进入开发区的企业必须符合用地、耗水、 耗能标准。因此，可中断负荷的分开配电问题，如能在控制能耗的实施细则中有所 规定，将有利于今后负荷管理、d s m 和电力市场的开展。 综上所述，在原有负荷管理系统的基础上，增加需方比较关注、可监视、操作 和控制的d s m 有关功能，组成面向d s m 的负荷管理系统，就必然成为当前的一个发 展趋势。在此基础上，我们就可以实现i l m 1 。 面向d s m 的负荷管理系统一改传统的单纯由供方控制需方设备的单向行为，促 进供需双方协同执行d s m 计划，有利于融洽双方关系。对需方来说，安装在用户侧 具有当地监视、操作和控制功能的需求控制器，是促使用户主动参与执行d s m 计划 的一个有力工具。 图3 1 所示的面向d s m 的负荷管理系统与具有本地功能的变电站综合自动化系 统极为相似，由负荷管理主站、负控终端和具有本地功能的需求控制器组成。 图3 1面向d s m 的负荷管理系统示意图 ( 1 ) 负荷管理主站 面向d s m 的负荷管理系统的主站功能除了上节所述，根据电网和用户的实际情 况编制各种负荷管理方案、实现削峰填谷的任务外，还根据国家法规和当地政策、 通过电力市场运作对需求侧负荷执行监视、通报、告警、或控制，以保证d s m 计划 的实施。 可见，面向d s m 的负荷管理系统，突破了可中断负荷范畴，可利用d s m 行政措 施和财政措施，通过需量控制( 超量罚款或停电) 、抑制高能耗用户( 用电高峰季 节安排设备检修否则取消优惠或停电) 等电力市场运作，执行需求侧的负荷管理。 ( 2 ) 需求控制器 需求控制器是面向d s m 负荷管理系统、在需求侧增设的本地监控功能，用以支 l 华北电力火学硕士学位论文 持用户了解电网和本身的供用电情况，主动执行d s m 计划，寻求投a 产出比最佳的 用电方式。如在需求处于高峰负荷时自动进行减载，降低成本、免受罚款或停电。 为此，需求控制器除能监视或记录电网供电和本身用电情况、接收供方发出的 通告或告警外，还需设定需求功率、目标功率、预计功率、标准功率、需求时间以 及报警整定值等信息，以便对本身用电设备进行报警、调整或控制。 此外，还可安装或下载有关应用软件，对需求侧负荷主动进行控制和管理。如 每1 5 m i n 对用户用电历史数据和事件记录进行一次综合分析、根据用电计划或负荷 预计对各部分用电按需求进行控制和管理等。 对于某些大型企业来说，专注于负荷管理的需求控制器可能满足不了诸如安全 优质供电等其他方面的要求。此时，需求控制器将出功能较为强大的需方用电管理 系统、甚至需方配电管理系统所取代。 ( 3 ) 负控终端 面向d s m 的负荷控制终端既支持供电方的负荷管理对需求侧负荷进行远方监 视和控制，也支持用户在需求侧进行本地监视和控制。此外，还应提供与接收推行 d s m 计划、开展电力市场所需的有关信息。 因此，负荷控制终端在按可中断负荷、需量控制负荷以及其他按重要性分别配 电的基础上，除依次或分别执行负荷管理中心或本地需求控制所发出的控制命令 外，还需提供各个配线的遥测和遥信信息。 这些遥测和遥信信息包括：电压、电流、功率因数、有功、无功、视在功率、 频率、需求功率、负荷状态、时间同步、开关状态等。 3 2i l m 的成本效益分析 实施i l m 的费用相当大，一般电力用户难以支付，因此电力公司可采取一定的 经济激励措施与用户共同协作实施各项措施。同时，电力部门可从发电侧提取为此 而减少的发电侧固定成本和从输电公司提取减少的电力维护、运行费用等。电力用 户可从电力部门获取一定的经济激励以减少投资成本的回收期 i2 1 。实际上，采取 d s m 措施后可减少环境污染、减少政府投资，使电力公司、用户和社会三方受益。 3 2 1 用户的成本分析 用户在实施i l m 的时候是需要一定的费用的，包括实施i l m 的设备费用和为 了满足可中断负荷要求而对生产计划、工艺等的调整费用。这些费用最好用由于用 户实施i l m ，电力公司对其以电价折扣刺激而产生的电费节约来弥补。电费节约和 费用之间的差值为用户收益。电价折扣率越大，用户收益越大，通常用户的可中断 负荷也越大。很明显，电价折扣率有一个最小值，即此时用户实施可中断负荷措施 1 3 华北屯力大学硕士学位论文 的电费节约刚好弥补其实施费用。 3 2 2 电力公司的成本分析 对于电力公司而言，中断负荷的成本就是由于停电而付给用户的补偿，即停电 损失。影响i l m 成本的因素有：提前通知时间，停电持续时间，停电发生时问，缺 电比率以及用户侧的负荷特性，用电效益，停电意愿等。 简单概括如下：中断负荷成本与提前通知时间在时间较长时成线性关系：单位 时间中断负荷成本与停电持续时间成指数形式下降；中断负荷成本与缺电量通常可 以采用二次型来近似模拟；停电发生时间也对停电损失具有一定的影响。 a 提前通知时间对用户的停电损失影响很大，可中断负荷运营中常常将提前 通知时间作为一个重要参数加以规定。一般情况下，提前通知的时间越短，中断负 荷的补偿费用越高，实际产生的停电损失就比较大，相对于缺电成本来说减少的停 电损失就越少；而当提前通知时间较长时，所造成的停电损失相对较小，相应的损 失减小率就较大。表3 1 给出1 9 9 8 年希腊和1 9 9 3 年加拿大有关调查结果。1 9 9 6 年美国， 2 0 0 1 年印度，2 0 0 2 年我国西安地区的数据可以在文献 13 - 1 5 中找到。 表3 1 有提前通知的停电损失减少率 b 停电持续时间也是用户停电损失的一个重要参数。停电时间越长，用户的总 损失越大，但单位损失越小，频繁的短时间停电将给用户造成很大的损失。用户事 前不知道停电持续时间时，根据发达国家对数据的模拟可以得到单位时间停电损失 与停电持续时间成指数形式下降。而签订可中断负荷合同时，合同中常常规定的是 停电持续时间或持续时间的上限，所以己知持续时问的停电损失对合同制定有更直 接的指导意义。希腊的调查结果见表3 2 。 表3 - 2 已知持续时问的停电损失减少率 注：t 为持续时间；幽减少率( 单位) 因为可以根据已知的持续时间制定生产计划、营业安排等，所以知道持续时间 1 4 华北电力大学硕十学位论文 后可以进一步减少停电损失。 c 研究停电发生的时间对停电损失的影响也具有一定的指导意义。从统计结 果( 见表3 3 ) 看，每个国家由于经济结构和气候等因素不同，一年停电损失最大的 月份( 最坏月) 各不一样，但一周中用户最不愿意停电的天( 最坏天) 和一天中最 不愿意停电的时间( 最坏时段) 基本相同。 表3 3 发生停电的最糟糕时间 从表3 3 可以看出：一周中用户最不愿意停电的日期是周5 和周6 ；一天中最不愿 意停电的时间是正常工作时间。不幸的是，用户最不愿意停电的时间与系统最需要 中断负荷的峰荷时段重合，这将在一定程度上抬高可中断负荷的补偿费。 3 2 3i l m 的效益分析 通常电力公司的成本可分为装机成本、发电成本、输配电投资成本和运行成本， 以及向用户供电的成本。可中断负荷不仅可以直接节省运行费用，还可以减少发电 机组和输配电设备的容量投资，因此在实施可中断负荷规划时涉及到发电机组、输 配电系统的可免运行成本和可免设备投资成本。 图3 - 2 可避免运行成本估计 可避免运行成本和可避免投资成本1 6 】是设计可中断优惠电价、确定用户电价折 扣的基础和数量依据，其数学模型流程如上图所示。可中断负荷的实施还能削减系 统峰荷，相当于给系统增加备用机组，提高系统的稳定性，在电力市场下，该措施 还可以降低电力公司购买高价电能的风险，这些都可以视为潜在的资金节约。 华北电力大学硕士学位论文 f 无i l m 的if 负荷需求f 系统f f 电力供需h 预测h 规划f 【一i 一i 一 有i l m 的 电力供需 e 负荷需求ff 系统 预测r _ 叶规划 优惠屯价设计 无i l m 的 成本估算 有i l m 的 成本估算 可避免 投资成本 图3 - 3 可避免投资成本估算 3 3 实施i l m 的综合收益 实施i l m 可以调动需求侧参与市场的积极性，增加需求侧的弹性。对于电网独 立调度中心( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t i o n ，i s o ) ，实施1 l m 可以削弱价格尖峰， 减少市场中的投机行为：对于售电商，i l m 提供了在实时市场电价偏高时中断部分 负荷的机会，从而减少了市场风险，还可以减少与用户的法律纠纷和矛盾，避免因 中断负荷造成的经济赔偿损失和法律诉讼费用等；对于发电商，与某些大用户签订 可中断合同等效于新增装机容量，增加了在市场报价中的灵活性，并且有助于提高 系统稳定性，降低运行成本：对于用户，不仅可以得到在中断供电后的赔偿，而且 可以从i l m 实施后提高系统可靠性，削弱价格尖峰中受益。 因此，实施i l m 成为了未来电力市场的发展方向，其焦点落在了如何建立一个 合理可行的模型上，目标是通过这个模型而确定的中断电价能够使用户和供电公司 均达到效益最大化。 3 4 本章小结 实现i l m 需建立面向d s m 的负荷管理系统，这个系统由负荷管理主站、负控终 端和具有本地功能的需求限制器组成。影响i l m 成本的因素有：提前通知时间，停 电持续时间，停电发生时间，缺电比率以及用户侧的负荷特性，用电效益，停电意 愿等。实施i l m 可以削弱价格尖蜂、提高系统可靠性、增加系统备用，并有效的避 免一定的投资成本和运行成本。 华北电力大学硕士学位论文 第四章考虑风险因素的激励性i l m 模型 4 1风险理论 4 1 1 风险分类及定义 决策理论家把风险定义为损失的不确定性，这种不确定性又可分为客观的不确 定性和主观的不确定性。统计学家则把风险定义为实际结果与预期结果的离差度。 有的保险学者把风险定义为一个事件的实际结果偏离预期结果的客观概率 ”】。 风险可以简单地分为静态风险和动态风险。静态风险是自然力的不规则作用和 人们的错误判断和错误行为导致的风险；动态风险是由于人们欲望的变化、生产方 式和生产技术的变化，以及企业组织的变化导致的风险。风险的另外一类分法：可 以分为纯粹风险和投机风险。纯粹风险是当风险发生时，仅仅会造成损害的风险； 而投机风险是当风险发生时，既有损失可能性也有赢利可能性的风险。当然，他们 还可以进一步细分。现在，人们习惯上说的风险是指那些可能对项目产生负面影响 的风险源。如技术风险、质量风险、过程风险、管理风险、组织机构风险、市场风 险及法律法规变更等。项目的风险种类应能反映出项目所在行业以及应用领域特 征。 4 1 2 风险管理模型 风险可以表示为交易者收益的不确定性，即收益对于期望值的偏离，可以用数 理统计学中的方差加以量化。具有较低风险和较高期望收益的交易策略是理想的选 择方案。但风险和期望收益成正比，期望收益越高，风险则越大。根据市场交易者 对风险的好恶态度不同，用期望收益一风险效用模型来衡量交易者的市场策略，定 义了最大化利润和最小化风险这两个目标间折衷的效用函数： u ( v ) = e ( 矿) 一2 d ( v )( 4 1 ) 式中，队n 为交易的效用值，e ( 叼表示交易收益的期望；i 9 ( 功表示交易收益的方差， 代表交易者的风险规避系数。 理想的交易策略就是使式( 4 1 ) 获得最大值，即目标函数为： m a x 【e ( 功一旯d ( 功( 4 - 2 ) 风险喜好者的风险规避系数2 = 0 ，其目标函数为期望收益的最大化： m a xe ( ( 4 - 3 ) 风险厌恶者其交易动机主要为降低电力交易风险，获得个较稳定的收益。因 此其目标函数可以表示为风险的摄小化： 一 1 7 华北电力大学硕士学位论文 m i nd ( ( 4 4 ) 如电力远期合同就是交易双方为规避现货价格风险采用的金融工具，其收益的 期望值确定为e ( 叼= p c ( j p 为合同价格，c 为合同电量) ，收益风险期望值为d ( = o 。 对于风险中立的交易者，其交易动机是以较低的风险获耿较高的期望收益。其目标 函数可以认为是在风险一定( 口) 的情况下使期望收益最大： m a x r 功( 4 5 ) s t d ( 叼口 在实际应用中，效用函数可能有多种形式，但都需满足下述基本要求：期望收 益越大，效用函数值越大：用方差表示的风险越大，效用函数值越小。其中风险规 避系数的确定通常很困难，一般根据具体的情况做适当的简化。 4 2 用户缺电成本函数 设计这个函数的前提假设是该函数可以使客户逐步的减低用电负荷。随着客户 消费电量的增加，消费给客户带来的边际效用是递减的【l 。图4 1 显示了电量消费 的边际收益情况。图中黑色部分显示了消费者因削减电量而损失的消费者剩余。这 种因为减低负荷而造成的剩余损失是消费者的缺电成本。如果边际收益被认为是线 性的，那么切除负荷所造成的消费者剩余减少的成本函数就是二次的。这个二次剩 余损失成本函数需要满足停电意愿的分类。根据消费者剩余的增加和减少而将消费 者分类，该分类被认为是用户类型r 。我们所求的缺电成本函数是关于切除负荷数量 x 和用户类型珀勺。 边 际 效 用 电能消费量 图4 - 1用户边际收益图 不同停电意愿的用户用参数沤别。每个客户的缺电成本函数用c ( x ，) 给出，如 果客户是从最小中断意愿到最大中断意愿，那么满足下述约束： _ 0 ( _ 0 c ) 0 ( 4 7 ) a f 、缸7 、。 用户的中断意愿的划分是线性无关的。若假设缺电成本函数c ( x ，力中的x $ d 提 非减的。缺电成本函数中x 的非减特性是因为假定每切除l k w 的负荷都会给客户造成 额外的损失。因为嘏是被用来分级客户，所以可以被认为是非连续的，g o r 1 。 根据经济原理，对于大部分的用户，缺电成本函数应该是凸性的。例如，随着切除 负荷的增加所造成的边际成本的变化率是增加的。( 注：中断负荷造成的客户的损 失变化率的增加还和通知时间有关，没有通知的中断会造成客户较大的损失。) 当 中断量为0 时，c ( o ，0 = o ，因为中断量为o 时缺电成本为o 。其情况的关于成本函数的 所有情况可以被归纳如下： 当x o 时，且0 r 1 ： 瓦a ( 瓦o c ) 0 ( 4 - 1 0 ) 缸2 c ( 0 ，) = 0 ( 4 - 1 1 ) 为了解释适合以上所有情况的成本函数的形成过程，设缺电成本函数是二次 的，将二次函数通式用泰勒级数展开如下( 用户类型为r ) ： c ( x ，力= c o + d 什6 x + l ，2 d x 2 + b x r + 1 z ，矿( 4 1 2 ) 将式( 4 11 ) 带入上式得到c o = 0 因为 宴：b + d x + e r ( 4 1 3 ) 由式( 4 - 1 0 ) 得，办o ；( 4 - 8 ) 得e o ，k 2 = 6 0 ，一岛= e ) 。式一k 2 x 褓证不同的植对 华北电力大学硕士学位论文 应不同的用户边际成本。随着珀勺增加边际成本递减，这就是说，碘际上标注了不 同用户的偏好，拥有小韵用户十分不愿意被中断供电，所以他们边际成本最大。r 确定的用户类型从最小意愿到最大意愿去切除负荷。这种形式的成本函数显示了拥 有最小稍用户的最大边际成本同时对应的最小边际收益。通过f ，本文提供了一种 很好的方式，能够建立一种合理的用户缺电成本函数。 根据同样的设计步骤，我们同样可以假定一个三次的成本函数 c ( x ，r ) = c i x 3 + c 2 x 2 + c 3 x c 3 x r ( 4 一1 6 ) 式中，c l ，c 2 ，c 3 非负。但是，因为公用信息的有限性，这些待定系数并不能使用 户缺电成本函数的评估更精确。在管理合同中，利用现有数据的二次函数就足够表 示用户的缺电成本信息。国外历史数据调查也表明用户的缺电成本和负荷中断量的 平方成正比。 为了使所确定的缺电成本函数更有效，我们也可以设定个幂函数来模拟消费 者的缺电成本