本发明涉及电力需求侧管理领域，具体涉及一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法。
背景技术：
随着经济和社会发展对电力需求的增长，电网在面临着电力供应紧张局面的同时，还存在间歇式可再生能源大量接入的问题，以及系统调峰调频的巨大压力。除了从电源侧寻求解决方案之外，更应该进一步发掘用户侧资源，特别是小容量用户资源整合。强劲的需求增长、有限的发电能力、薄弱的电网基础设施和高渗透率的可再生能源并网发电作为主要驱动力构成了在用户侧实施需求响应的有利条件。
需求响应项目(demandresponseprogram，drp)的开展对提高电力系统经济和安全运行有积极的作用。根据不同的激励措施以及用户响应特性的差异，需求侧资源既可以参与主能量市场的交易，也可以参与辅助服务市场的交易。在美国东北部的一个区域电力系统(pjm)的电力市场中，需求侧资源作为一种有效调度资源直接参与主能量市场交易。而美国的纽约与新英格兰市场则通过实施紧急需求响应项目(emergencydemandresponseprogram,edrp)，保证在系统运行备用容量不足时的实时安全调控。这类需求侧资源主要针对那些对供电可靠性要求不是很高的用户，它们在一定的经济补偿条件下，可以容忍小概率停电事故，在系统运行备用容量缺乏的时候，交易中心通过竞价或签订合同的方式使这类用户参与到备用服务市场，以应对小概率高风险的容量事故。但是，如何在提高系统运行裕度的同时获得充分需求响应的问题尚未得到完全解决。另外，如果要采用紧急需求响应程序，如何激活需求响应参与者的问题没得到解答。
我国引入电力需求响应主要源于多个方面的因素，首先是电力高峰或峰谷差的增长仍在持续，同时极端天气的频次增加，电网更需要具备柔性调节的能力；其次是政府职能逐步向服务型转变，作为电力高峰负荷时传统的强制性有序用电、拉闸限电的管理模式已不适应社会的发展。目前，我国已有一套完善的机制以应对突发电力故障，但如何将其市场化最大限度地满足用户的用电需求是当下亟待解决的问题。
技术实现要素：
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，在提高系统运行备用的同时获得充分需求响应，能够有效采用紧急需求响应程序激活需求响应参与者。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，其特征在于：包括步骤：
一、电网调度中心根据电力系统基本潮流和电力系统故障表对可能存在的不同电力故障事件进行评估，得到运行备用容量是否小于期望值，确定故障类型，结合需求响应用户信息考虑采取紧急需求响应方案；
二、由故障事件驱动，考虑相关约束条件后确定需求响应的参与用户以及每个用户所承担的需求响应量，结合需求响应用户动作时间和电力系统动态模型形成紧急需求响应方案；
三、利用时域仿真评估每个紧急需求响应方案对系统运行可能造成的影响；
四、根据设计的edrp模型时域仿真结果对每个紧急需求响应方案进行微调，形成需求响应动作表。
前述的一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，其特征是：所述步骤一，具体步骤包括：
电网调度中心根据一小时内电力系统的基本运行状态，利用标准功率电压曲线对比实际功率电压曲线，查找电力系统故障表确定电力系统故障事件类型及程度，即判断运行备用容量是否小于期望值，确定故障类型。
前述的一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，其特征是：所述步骤二，具体步骤包括：
1)建立紧急需求响应模型，紧急需求响应的目标函数是响应成本最小，需求响应后，运行备用容量应当大于期望值：
式中，潮流约束表征电力系统动态模型，需求响应用户约束是指需求响应用户优先级，需求响应用户动作时间和可响应容量约束，电力系统元件约束是指具体电路拓扑结构造成的网络约束，ci是在母线i削减负荷δsi的需求响应单位成本；δsi是需求响应后母线i的需求响应总量，δsi为母线i的需求响应变量，δsi范围为0～δsi，每条母线对应一个参与响应的用户，i表示母线或参与响应的用户，范围为1～m，m是需求响应参与用户数的总数；δλ*是需求响应后的运行备用容量，f(δs1,δs2,…δsm)表示δλ*是关于δs1,δs2,…δsm的函数，由具体电力系统网络确定，g(δsi)是关于δsi的成本函数，由需求响应用户具体信息确定，δλreq是运行备用容量期望值；z是电力系统的状态向量；s是负荷消耗的有功和无功向量；
2)为了满足δλ*≥δλreq，选择从敏感负荷开始响应，直到需求响应后的运行备用容量δλ*超过期望值δλreq，基于该策略，需求响应后的运行备用容量δλ*表示为：
式中，l是指从敏感负荷开始响应直到运行备用达到期望时的响应负荷数量，seni是运行备用相对于母线i需求响应容量的敏感度，假设敏感度与需求响应量无关，且保持恒定，seni可根据式(3)进行计算：
式中，λ是运行状态换算系数，λ(z,s)表示换算系数关于系统状态量z和负荷需求s的函数，senλs是运行状态换算系数λ相对于电力系统的状态向量z和负荷需求s的敏感度；
3)通过所述步骤2)求得的需求响应后的运行备用容量δλ*从而得到优化的紧急需求响应方案。
前述的一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，其特征是：
令：
式中，δλi是需求响应后母线i的运行备用增加量；δsi是母线i的需求响应总量；ci是在母线i实施紧急需求响应的单位成本；h和k都是常量；
根据式(4)，紧急需求响应模型(1)被分段线性化，需求响应线性模型表示为式(5)：
需求响应后的运行备用增加量δλ随着每一线性段的计算逐步调整，直到获得需求响应后的运行备用δλ*，需求响应线性模型(5)的解的集合为紧急响应模型edrp，如式(6)所示；
edrp＝{δsstage1,δsstage2,…,δsstagej}(6)
式(6)中，δsstagej是公式(5)在线性段j中的解，即δsstagej是δλi、ci、δsi、senλs,i的集合；在每一线性段中计算负荷的敏感度，具有高敏感度的负荷优先被选为需求响应用户，求解线性段的需求响应模型后，电力系统会达到一个新的运行状态，然后继续对下一线性段的需求响应模型进行求解，一直重复需求响应线性模型公式(5)求解过程，直到得到期望的运行备用容量，形成故障事件驱动的紧急需求响应方案。
前述的一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，其特征是：所述步骤三，具体步骤为：
每个紧急需求响应方案均是针对特定的已知电力故障事件而设计的，利用时域仿真测试来评估方案中需求响应用户的动作时间对系统运行的影响，得到基于紧急响应edrp模型的时域仿真结果。
前述的一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，其特征是：所述步骤四，具体步骤为：
如果时域仿真表明母线电压越限或者运行备用容量不足，排除需求响应用户的响应时间较长用户，对每个紧急需求响应方案进行参数调整和模型校正，重复步骤二和步骤三，直至满足所有约束条件，形成需求响应动作表，所述需求响应动作表指基于不同的电力故障形成的需求响应预案，生成指令存入数据库，发生故障时从数据库中找到对应的预案，下发动作指令。
本发明所达到的有益效果：
1)本发明优先考虑敏感度较高且需求响应成本低的负荷，兼顾了安全性和经济性，能够确保故障后通过紧急需求响应使运行备用保持在可靠水平；本发明能够在保证一定运行备用的条件下，实现需求响应成本最小，避免用户过度响应。
2)本发明得到的紧急需求响应动作表可以整合到电力系统能量管理系统中，通过从数据采集与监视控制系统(scada)和电源管理单元(pmu)读取系统数据，识别电力系统故障，下发需求响应指令，实施紧急需求响应预案。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为运行备用相对于需求响应容量的敏感度曲线图(情况1)；
图3为运行备用相对于需求响应成本的敏感度曲线图(情况2)；
图4为运行备用相对于需求响应成本的敏感度曲线图(情况3)；
图5为单位成本函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于事件驱动的电力系统需求响应方法，具体步骤包括：
1)电网调度中心根据电力系统基本潮流和电力系统故障表对可能存在的不同电力故障事件进行评估，得到运行备用容量是否小于期望值，确定故障类型，结合需求响应用户信息考虑采取紧急需求响应方案；
步骤1)中，电网调度中心根据一小时内电力系统的基本运行状态，利用标准功率电压(pv)曲线对比实际功率电压曲线，查找电力系统故障表确定电力系统故障事件类型及程度，即判断运行备用容量是否小于期望值及确定故障类型，运行备用容量缺少的大小表示了故障的严重程度；运行备用容量期望值一般按全网最大发电负荷的2％～5％配置，当运行备用容量小于上述比例，即运行备用容量不够时，结合需求响应用户信息考虑采取紧急需求响应方案，运行备用容量期望值一般由电力公司调度中心确定。
2)由故障事件驱动，考虑相关约束条件后确定需求响应的参与用户以及每个用户所承担的需求响应量，结合需求响应用户动作时间和电力系统动态模型建立需求响应模型，形成紧急需求响应方案；
步骤2)中，相关约束条件包括需求响应成本、用户优先级以及可响应容量等约束条件，所述约束条件不仅限于上述三个，电网公司可根据情况需要添加其他约束条件。
首先，建立紧急需求响应模型，紧急需求响应模型的目标函数是响应成本最小，需求响应后，运行备用容量应当大于期望值。本发明所建立的紧急需求响应模型还考虑了电力系统潮流约束、需求响应用户约束、电力系统元件约束，该非线性优化的紧急需求需求响应模型为：
式中，潮流约束表征电力系统动态模型，包括系统潮流分布、功角频率变化等，模型内容和公式取决于具体的电路拓扑和运行状态；需求响应用户约束是指需求响应用户优先级、需求响应用户动作时间和可响应容量约束，电力系统元件约束是指具体电路拓扑结构造成的网络约束，ci是在母线i削减负荷δsi的需求响应单位成本；δsi是需求响应后母线i的需求响应总量，δsi为母线i需求响应变量，即母线i的负荷削减量，因为故障发生后存在功率缺额，通过用户侧需求响应减少用电需求达到供电平衡，δsi范围为0～δsi，每条母线对应一个参与响应的用户，i表示母线或参与响应的用户，范围为1～m，m是需求响应参与用户数的总数；δλ*是需求响应后的运行备用容量，f(δs1,δs2,…δsm)表示δλ*是关于δs1,δs2,…δsm的函数，具体函数由具体电力系统网络确定，这里是一般化模型，g(δsi)是关于δsi的成本函数，由需求响应用户具体信息确定，d是积分符号，δλreq是运行备用容量期望值；st.是“使得”的意思；公式(1)上面四个公式是模型函数，下面三个是约束条件，是常用表达；z是电力系统的状态向量；s是负荷消耗的有功和无功向量，即负荷需求。
为了满足δλ*≥δλreq，常用的策略是从敏感负荷开始响应，直到需求响应后的运行备用容量δλ*超过期望值δλreq。基于该策略，需求响应后的运行备用容量δλ*表示为：
式中，l是指从敏感负荷开始响应直到运行备用达到期望时的响应负荷数量，seni是运行备用相对于母线i需求响应容量的敏感度，假设敏感度与需求响应量无关，且保持恒定，seni可根据式(3)进行计算：
式中，λ是运行状态换算系数(基本运行状态时λ＝1)，λ(z,s)表示运行状态换算系数关于系统状态向量z和负荷需求s的函数，与电网拓扑、电网运行状态等多种因素有关；senλs是运行状态换算系数λ相对于电力系统的状态向量z和负荷需求s的敏感度；
由于运行备用相对于需求响应容量的敏感度存在着巨大的波动性，很难利用式(2)直接得到期望的需求响应后的运行备用容量δλ*从而得到优化的紧急需求响应方案，而用户的需求响应量与运行备用容量、需求响应成本之间存在着内在的非线性关系，因此本发明提出了一种多阶优化方法来求解模型(1)，针对每一个电力故障事件形成紧急需求响应预案。该方法的实质是利用分段线性化将最初的非线性优化问题转化为一系列的线性优化问题，也就是对需求响应后母线i的运行备用增加量δλi和母线i削减负荷δsi的需求响应单位成本ci进行线性化，然后在每个线性化区间内对模型(1)进行求解，通过逐步求解这些线性问题，最终得到理想的运行备用容量δλ*。为了使线性化模型的求解结果尽可能地接近原始模型，需要对模型加以约束：
1)在同一线性段中只对某一母线上的负荷实施紧急需求响应；
2)敏感度及需求响应单位成本可视为常量，在同一时刻用户的需求响应量不超过负荷的10％。
上述两个约束条件可写成：
式中，δλi是需求响应后母线i的运行备用增加量；δsi是母线i的需求响应总量，δsi不超过总负荷的大小×10％；ci是在母线i实施紧急需求响应的单位成本；h和k都是常量，表明函数f和g均已被分段线性化。
根据式(4)，原始非线性优化的需求响应模型(1)可以被分段线性化，需求响应线性模型可表示为式(5)：
需求响应后的运行备用增量δλ会随着每一线性段的计算逐步调整，直到获得需求响应后的运行备用容量δλ*。所以，原始需求响应模型(1)的解就是所有线性化模型(5)的解的集合，得到紧急响应模型edrp，如式(6)所示；
edrp＝{δsstage1,δsstage2,…,δsstagej}(6)
式(6)中，δsstagej是公式(5)在线性段j中的解，即δsstagej是δλi、ci、δsi、senλs,i的集合，通过需求响应线性模型(5)，在pss/e(面向工程实际的电力系统机电暂态过程仿真分析软件)中计算得到。
在每一线性段中都需要计算负荷的敏感度，具有高敏感度的负荷将优先被选为需求响应用户。求解该线性段的需求响应模型后，电力系统会达到一个新的运行状态，然后继续对下一线性段的需求响应模型进行求解，一直重复需求响应线性模型公式(5)求解过程，直到得到期望的运行备用容量。最终的紧急需求响应方案将是满足相关约束的多阶模型的解的集合，所述“多阶”是指在求解过程中将模型线性化后逐步求解，在实施紧急需求响应时，所有需求响应用户将按确认承担的需求响应量同时动作，以确保电网得到期望的运行备用容量，由此初步形成故障事件驱动的紧急需求响应方案。
3)利用时域仿真评估每个紧急需求响应方案对系统运行可能造成的影响；
步骤3)中，每个紧急需求响应方案均是针对特定的已知电力故障事件而设计的，利用时域仿真测试来评估方案中需求响应用户的动作时间对系统运行的影响，得到基于紧急响应edrp模型的时域仿真结果，确保故障下的紧急需求响应措施能够有效缓解故障危害，且不会产生二次危害。
4)根据设计的edrp模型时域仿真结果对每个紧急需求响应方案进行微调，形成需求响应动作表。
步骤4)中，如果时域仿真表明母线电压越限或者运行备用容量不足，这通常是由于部分需求响应用户的响应时间较长，因此在进行需求响应方案调整时，需要排除这些用户的影响，对每个紧急需求响应方案进行参数调整和模型校正，重复步骤2)和3)，直至满足直到满足所有约束条件，最终得到满足优化模型的用户紧急需求响应时间和容量，形成需求响应动作表。得到需求响应动作表的过程就是在优化模型求解软件中求解edrp模型的过程，最终得到的优化结果就是紧急响应用户参与时间、顺序和容量，这些构成了需求响应动作表。需求响应动作表指基于不同的电力故障形成的需求响应预案，生成指令存入数据库，发生故障时从数据库中找到对应的预案，下发动作指令，这样可以大幅减少响应时间。
实施例1：
以ieee14节点模型数据构建测试算例。假设该ieee14节点测试系统的负载为标准情况的0.85倍，在发生n-2故障或者两条输电线路断路后，实施本发明的基于事件驱动的紧急需求响应方法，确保运行备用容量不低于限值，这里假设备用容量为全网最大发电负荷的5％。
对运行备用相对于母线i需求响应容量的敏感度seni进行实验，并分以下三种情况展开讨论。
①情况1：不考虑负荷响应成本及其他非线性因素。通过公式(4)得到需求响应后母线i运行备用增加量δλi与母线i上的需求响应量δsi之间的关系图，如图2所示，图2中的曲线近似于线性，即对于每个用户来说，敏感度δλi/δsi几乎保持不变，符合上文对敏感度seni保持恒定的假设，此时，seni即为对应曲线的斜率。
②情况2：考虑需求响应成本ci，不考虑其他非线性因素。通常，用户的响应成本与响应容量相关，可用下式表示：
si是母线i上的负荷。当考虑需求响应成本时，通过公式(2)(3)(7)得到运行备用和响应成本之间的关系，如图3所示。图3的纵坐标为运行备用增加量，横坐标为每条母线上的负荷需求响应成本ciδsi。正如图3中所示，曲线的非线性更加明显，即δλi/(ciδsi)不能再视为定值。因此，当考虑响应成本时，敏感度seni就会受到影响，不再保持恒定。
③情况3：考虑需求响应成本ci和系统中的非线性因素。通过公式(3)得到运行备用相对于需求响应成本的敏感度曲线图，如图4所示，从图4中可以看出，运行备用增加量与需求响应成本不是线性关系，且不遵循任何规律。所以这种情况下的敏感度更难预测。所以，直接将负荷敏感度视为恒定值是不符合实际情况的。
紧急需求响应分若干阶段进行，每一阶段响应的容量为其负荷的10％，相应成本见式(8)，以10％为区间对需求响应成本进行线性化，在每一区间内，单位响应成本保持不变，如图5所示。
式中，cn是区间n上的单位响应成本，xn是区间n上需求响应容量占该用户负荷总量的比值，n是线性区间。
根据式(3)，在第一阶段(对应于图5上0～10％的区间)母线14上的负荷被选为参与紧急需求响应的用户，响应负荷占该用户总负荷的10％。负荷的敏感度随着紧急需求响应而变化，在第二阶段(对应于图5上10～20％的区间)，母线10上的负荷成为高敏感度负荷，选取该负荷进行响应；第三阶段(对应于图5上20～30％的区间)，母线14上的负荷再次成为高敏感度负荷，选取该负荷进行响应；重复上述选择高敏感度负荷进行紧急需求响应的过程，直到运行备用满足要求。
传统方法是将所有响应容量安排在同一母线，即不采取分段线性化的求解策略。而本专利采取分段线性化的策略之后，在每一阶段选取高敏感度负荷进行响应，响应地点不局限在一个母线上，这样避免了同一母线上负荷的过度响应。
表1分别展示了根据本发明所提策略和传统方法将所有响应容量安排在同一母线所得到的紧急需求响应结果。从表中可以看出，5％和6％分别为本发明和传统方法所需的运行备用容量，本专利所提策略仅需要分7个阶段共使用70％的响应容量就使得运行备用满足要求，仅花费响应成本$822.0/h，不到传统策略的六分之一，并且所需要的运行备用(5％)比传统备用(6％)更小，所需要参加紧急需求响应的总容量(14.22mw，7.06mvar)仅为传统策略(29.79mw，14.12mvar)的一半。
表1ieee14节点测试结果
本发明优先考虑敏感度较高且需求响应成本低的负荷，兼顾了安全性和经济性，能够确保故障后通过紧急需求响应使运行备用保持在可靠水平；根据需求响应预案行成的紧急需求响应动作表可以整合到电力系统能量管理系统中，通过从数据采集与监视控制系统(scada)和电源管理单元(pmu)读取系统数据，识别电力系统故障，下发需求响应指令，实施紧急需求响应预案。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。