新型电力系统下电力用户的需求响应潜力评估.pdf
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1、第6 0 卷第8 期2023年8 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.8Aug.15,2023新型电力系统下电力用户的需求响应潜力评估王樊云,刘敏,李庆生,陈巨龙,李震(1.贵州大学电气工程学院,贵阳550 0 2 5;2.贵州电网有限责任公司电网规划研究中心,贵阳550 0 0 0)摘要:需求响应(Demand Response,DR)是在用户进行电力消费环节,通过价格信号或激励措施使得用户改变用电模式,对推动电力市场化改革、减少电网供电压力意义重大。文章分析总结了新型电力系统下需求响应的特点,在此基础上从用户负
2、荷、用户参与意愿度、智能化水平和经济性4个维度构建了DR潜力评估指标体系;利用层次分析法和CRITIC法来确定各指标的主观权重和客观权重,求取组合权重;建立改进物元可拓模型,并应用所建立指标体系和评估模型对实际调研的10 个用户响应潜力进行评估排名,证明了所提方法的科学性与有效性。采用简化后的模型对9 6 个用户进行潜力评估,并比较在不同补贴激励下的潜力大小。结果表明,对于价格敏感性用户,补贴激励越高,用户的响应潜力越大。关键词:DR;潜力评估;层次分析法;CRITIC方法;物元可拓模型D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.08.018中图分类号:TM73Eval
3、uation of demand response potential of power users in novel power system(1.School of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China.2.Power Grid Planning and Research Center,Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Guiyang 550000,China)Abstract:Demand response(DR)is to make users change their ele
4、ctricity consumption mode through price signal or in-centive measures in the electricity consumption link,which is of great significance in promoting the power market reformand reducing the power supply pressure of the power grid.Based on the analysis of the characteristics of demand responseunder t
5、he novel power system,the DR potential evaluation index system is constructed from four aspects of user load,userwillingness to participate,intelligent level and economy.The analytic hierarchy process(AHP)and CRITIC are used todetermine the subjective weight and objective weight of each index,and th
6、e combined weight is calculated.An improvedmatter-element extension model is established to evaluate the DR potential of each user.The established index system andevaluation model are used to evaluate and rank the DR potential of 10 users,which proves the scientificity and effective-ness of the prop
7、osed method.The simplified model is used to evaluate the potential of 96 users and compare the potentialunder different subsidy incentives.The results show that for price sensitive users,the higher the subsidy incentive,thegreater the response potential of users.Keywords:DR,potential assessment,AHP,
8、CRITIC method,matter-element extension model05引言双碳目标的提出,使得传统的电力系统向新型电力系统转变成为必然。在新型电力系统下,电网的调控模式变为“源荷互动 模式2 1。需求侧资源以其响应灵活、成本低廉的优点受到各学者的重视,对需求侧管理的研究也在逐步开展。DR作为需求侧管理的有效措施之一,日益受到学术界各学者的重视3 4。0目前,DR在我国得到大力推广,但对其潜力评估基金项目:贵州省科技计划资助项目(黔科合支撑2 0 2 1 一般40 9)文献标识码:AWang Fanyun,Liu Min,Li Qingsheng,Chen Julong,L
9、i Zhen?文章编号:10 0 1-13 9 0(2 0 2 3)0 8-0 10 5-0 9的研究尚且不足。文献5在对用户历史用电数据进行分析的基础上根据拓扑结构层层叠加计算,实现了对用户DR潜力的量化评估。文献6 则是基于用户的基本用电信息,结合经济学中的价格弹性系数来评估电力用户参与DR潜力的大小,但无法保证用户的价格弹性系数在缺少负荷级特征信息时是准确的。文献7-9则是通过非侵入式等技术来获取用能设备的用电数据,并针对不同的用能设备进行分类建模。但是在建模时,为了提高模型的精确度,需要对大量的历史用能数据进行拟合或者训练。上述文献所述的方法均一 10 5 一第6 0 卷第8 期202
10、3年8 月15日基于用户历史用电数据来评估用户DR潜力,对数据的完整性和可靠性有很高的要求。为克服数据缺失或者数据不足的情况,文献10 针对数据不足的温控负荷群提出了概率密度估计方法来评估其响应潜力。文献11 针对DR聚合商缺少用户历史用电数据情况,提出了基于深度子领域自适应的用户DR潜力评估方法。除了通过建立模型,计算用户可参与DR的负荷量来衡量DR潜力大小。还有少许学者通过建立评估指标体系,结合综合评价方法来评估用户的DR潜力。如文献12 提出了多元用户电/热综合DR模型及方法,定义了可削减量、可控度、用户接受度、经济敏感度等指标;文献13 从三个维度建立了评估指标体系,并提出基于模糊优化
11、集对分析理论的需求侧用户响应潜力评估方法。但以上研究中所建立的电力用户DR潜力评估指标体系不够完善,缺乏对用户自身意愿度以及自身响应能力的考虑。在评估时也缺乏对各类用户的综合评估对比,导致有效性评估不足,规划目标偏离实际情况等。因此,迫切需要开展DR的基本理论和对DR潜力评估的相关研究,建立一套完整DR潜力的评估指标体系,并提出有效评估潜力大小的方法模型。基于此,文中立足于对用户的实地调研,从用户负荷情况、用户参与意愿情况、智能化水平及经济性等方面建立评估指标体系,并提出一种组合赋权-改进物元可拓模型的DR潜力评估方法,通过所建立的模型,评估了用户在现行补贴激励与提高补贴激励下的响应潜力。不仅
12、能充分反映出需求侧主动参与DR的水平,而且能提升用户通过参与电网的互动获取经济效益的意愿,有利于电网选择参与DR的用户、制定DR方案。1新型电力系统下DR潜力评估指标体系构建1.1新型电力系统下的DR新型电力系统下,高比例新能源大量接人系统,导致系统的不稳定性增加14。传统火电机组作为电力调节主力军,在新型电力系统中的占比持续下降,已无法应对新能源与负荷双侧叠加的波动。而电力需求侧大量的柔性资源一直以来都没有很好的被利用,这方面的潜力还有待挖掘。其中,需求响应在政策的成熟度、用户准入门槛等方面的要求相对较低,并且随着新型电力系统中需求侧数字化、智能化水平的快速提升,需求响应必将得到快速发展。新
13、型电力系统下的需求响应特征可以概括为规模化、常态化、轻量化、趣味化15。目前,在不同类型的需求响应中能够全部满足这些特点的是文献16 中所提的准线型需求响应。准线型需求响应是指用户根据电力部门发布的负荷准线来调整自身的用电行为。其中负荷准线是根据调节需求制定的,一般而言,可在扣一10 6 一电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation除新能源出力后将净负荷曲线翻转,并取其轮廓线的形状作为准线。用户在准线的引导下来响应,可有效的调节自身用电行为使其负荷曲线尽量接近准线。目前,需求响应在我国还处于试行阶段,那么电力决策者如何准确快速的选择适合的用户参与响
14、应是需要考虑的。未来,处在新型电力系统中每个用户都可参与、皆参与需求响应,那么用户又该如何衡量自己是否有能力去参与响应。这两个问题都可通过对用户的潜力进行评估得到解决。1.2指标体系构建评价指标体系是指由表征评价对象各方面特性及其相互联系的多个指标所构成的具有内在结构的有机整体。根据上述分析,遵循指标构建原则,结合影响用户参与DR的因素。从“用户负荷情况、用户参与意愿情况、智能化水平、经济性”4个维度构建用户需求响应潜力评估指标体系,分为目标层、准则层和指标层。其中准则层包含4项一级指标,指标层包含13 项二级指标。该指标体系根据对现下需求响应的特点,从4个不同方面来表现用户潜力大小,指标间没
15、有高度的相关性,并且指标涵义清晰、数据可以获得,各层级间指标的逻辑关系也清楚准确,满足指标构建合理性的要求。1.2.1 负荷情况在对用户进行负荷情况评估时,大多考虑用户参与响应带来的削峰填谷效果,直接将用户的峰谷负荷差作为表征用户负荷响应能力大小的依据5,17 ,缺乏对用户负荷不同角度响应能力的评估。文中所构建的负荷情况指标则包含了6 个二级指标,分别为可中断负荷比、可平移负荷比、可削减负荷比、负荷可中断时间、负荷可平移时间、负荷可削减时间。不区分时段,分别从负荷大小、响应容量、响应持续时间等方面来表现不同用户负荷参与DR的能力。1.2.2参与意愿度在以往的指标体系中,对用户参与意愿度,通常在
16、0-1之间随机取值以保证用户参与的不确定性3 18,而文中则是基于实地调研结果分析用户参与需求响应的影响因素,主要有电费支出占成本支出比例、用户舒适度要求、用户经济水平、用户对供电可靠性要求等,所以用户参与意愿度指标分别为电费支出占成本支出比例、用户舒适度要求、用户经济水平、用户对供电可靠性要求。1.2.3智能化水平目前,在需求响应潜力评估领域,还没有人考虑到用户智能化用电相关指标。但是随着科技的发展,用电设备自动化程度日益提高,具有开展智能化用电的良好基础。所以文中引人了智能化水平指标,分别为智能电表覆盖率、通信数据网覆盖率。表征用户在参与DR的过程中能否及时接受接收信号并判断自身用Vol.
17、60 No.8Aug.15,2023第6 0 卷第8 期2023年8 月15日能情况的能力,从而做到准确快速的接收DR信号。1.2.4 经济性对响应潜力的评估不能仅局限于对响应容量等直观效果的评价,还应考虑付出的经济代价。电网对参与响应的用户需要支付相应的经济补偿,而用户参与响应的成本则体现在调整用电行为上。经济性指标是Tab.1Evaluation index system目标层标准层负荷情况需求响应潜力评估2评估指标权重确定指标的权重大小反映了各指标对评估对象的影响程度。权重大小的确定作为评估流程中的关键环节,其计算方法直接影响到评估结果的合理性与准确性。文中采用组合赋权的方式,将层次分析
18、法确定的主观权重与CRIT-IC法确定的客观权重结合,既能满足电力用户的主观愿望,又能充分利用客观数据反映各指标的重要性19-12.1层次分析法确定主观权重文中所建立的DR潜力指标体系共三层。为了体现指标权重选取的主观性,采用层次分析法对各指标进行自下而上赋权,步骤如下:(1)构造判断矩阵。根据表2 所给出的19 标度对应表,结合专家意见,将指标进行两两比较,对比出各指标对上层指标的重要性,并用相应的比值表示判断结果,建立完整的判断矩阵。表2 判断矩阵1 9 标度对应表Tab.2 Judgment matrix 1 9 scale correspondence table取值135792,4,
19、6,8电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation指单位响应容量所获收益。文中取单位响应容量所获补偿与单位响应容量成本的差值。文中所构建需求响应潜力评估指标体系覆盖全面,既包含了需求响应潜力评估的部分经典指标,又采用了反映现代用电智能化水平的新颖指标,各指标具体说明如表1所示。表1评估指标体系指标层可中断负荷比A,(%)可平移负荷比A2(%)可削减负荷比A(%)负荷可中断时间A4(m i n)负荷可平移时间A,(mi n)负荷可削减时间A(m i n)电费支出占成本支出比例A(%)用户舒适度要求A:(%)参与意愿度用户经济水平A(%)供电可靠性要求Ai
20、o(%)智能电表覆盖率An(%)智能化水平通信数据网覆盖率A12(%)经济性单位响应容量所获收益A3(元/(Kwh)重要程度同等重要略微重要一般重要非常重要极端重要左边两相邻判断的中值Vol.60 No.8Aug.15,2023指标说明指标类型反映用户可以中断使用的设备容量情况正指标反映用户可以平移到另一个时段使用的设备容量情况正指标反映用户可以削减负荷的设备容量情况正指标反映用户在一天2 4h中可以将负荷切断的时间情况正指标反映用户在一天2 4h中可以将负荷平移的时间情况正指标反映用户在一天2 4h中可以将负荷削减的时间情况正指标反映用户生产经济情况负指标反映用户的用电行为情况负指标反映用户
21、生产经营的经济情况负指标反映用户对电网供电能力的要求负指标反映用户自动响应的能力正指标反映用户能否及时收DR信号的能力正指标反映用户参与DR所得到的收益正指标(2)一致性检验。根据步骤(1)中所得判断矩阵的最大特征根与唯一非零特征根求出一致性比率CR,如式(1)、式(2)所示。当CR0.1时,认为判断矩阵的不一致性在允许范围内,通过一致性检验。入-nCI:n-1CR=CIRI式中入为最大特征根;n为唯一非零特征根;CI为一致性指标;RI为随机一致性指标。(3)求解主观权重对步骤(2)通过一致性检验的矩阵进行特征向量求解,并将其特征向量进行归一化后作为权向量,即主观权重;(j=1,2,n)。2.
22、2CRITIC法确定客观权重CRITIC法由熵权法改进而来,同样也是通过指标数据包含信息量的大小来确定权重。信息量的大小则是由指标间的相关系数和标准差来表示,充分表现出了各指标间的关联性与差异性。利用CRITIC法确定客观权重的步骤如下:(1)指标无量纲化处理。将指标矩阵X(维数为mn,m为样本数,n为指标数)进行无量纲化处理后得到标准化矩阵X。其中,正向指标和逆向指标得无量纲化处理式分别为:一 10 7 一(1)(2)(13)第6 0 卷第8 期2023年8 月15日x;-min(x,)max(x,)-min(x,)max(x,)-Xijx=max(x,)-min(x,)式中i,j为指标矩阵
23、中的第i行,第i列。(2)相关系数及标准差的确定。标准化矩阵X中各指标的标准差与相关系数计算式分别如下:m1(xf-x)2;j=1,2,nin台Ti=cov(X,X)/(St,S,);l,j=1,2,n式中S,、S,分别为第li个指标的标准差;x为经过无量纲化处理后的指标矩阵中第j列值的平均值;Ti为第l个指标与第j个指标间的相关系数;X,X,分别为标准化矩阵X的第li列。(3)求解客观权重。第j个指标所包含信息量大小C,计算式为:C,=s,Z(1-rs)C,越大,第j个评价指标对目标层的影响越大,就应该给其分配更多的权重。所以第i个指标的客观权重;计算式如下:n9,=C/C,=2.3 组合权
24、重由于单一采用主观赋权或客观赋权的方式来确定权重会存在偏向性和主观性的问题。为解决该问题,选择组合赋权的方法来确定最终权重。为了尽量降低主观权重、客观权重与组合权重之间的差异,采取式(10)来确定组合权重:W,=;中;最终得到组合权重为:WT=(W,W,W,)T3基于改进物元可拓模型评估方法物元可拓模型是以物元理论及扩展理论为理论依据,确定节域、经典域及评价等级,根据待评价对象的实测数据计算待评价对象与各等级的关联度,从而确定评价对象的等级大小。但是,当评价对象的实测数据不在节域范围时,无法计算其与各等级的关联度。为了解决该问题,文中采用改进的物元可拓模型2 ,步骤如下:一10 8 一电测与仪
25、表Electrical Measurement&Instrumentation(1)待评物元的确定。(3)完成电力用户DR潜力评估指标体系的建立后,计算出各项指标对应的数值,完成对DR潜力子指标及对(4)应量值的确认,确定待评估物元,具体表示方式如下:NciUC2U2R=:Un式中N为待评价用户;Ci,C2,,c n 为用户意愿度(5)水平,用户响应配合度,,单位响应容量成本等指标;U1,U2,,U,为待评价用户N关于每项指标c,的量值。(6)(2)经典域及节域的确定。(7)对于每个用户来说,每个评价等级i关于评价特点c,的量值范围为X,=(a m,b m),即为经典域。对每一个评价特点cn,
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