一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法及系统

1.本发明属于电力系统电源规划技术领域，具体涉及一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法及系统。


背景技术：

2.近年来，可再生能源以其丰富的资源和环保的优势在世界范围内得到了迅速的发展。许多国家也制定了可再生能源的开发目标。然而，新能源的大规模装机导致电力系统不确定性的显著增加。在这种情况下，与传统的发电规划与输电规划分离的形式相比，协调发电与输电扩展规划具有更多的优势，越来越受到关注。此外，由于许多国家实施了碳减排政策，火电机组的发展受到了限制。因此，应更加重视可再生发电与输电扩张规划的协调。然而，电力系统的可调度性不强，使得电力系统的灵活调节能力不足。
3.为了满足高峰负荷需求，通常需要建设大容量的火电机组和配套的输电线路，但这类尖峰负荷持续的时间往往是短时的，且投入过多的火电机组和输电线路不仅使投资成本增加。需求响应(demand response,dr)资源被视为一种虚拟电源，不仅可以降低峰值负荷外，还具有平滑新能源输出的波动性和释放网络潜在容量以提高现有机组的效率的功能。因此，在火电-新能源发电与输电规划中实施需求侧响应可以提高电力系统的灵活性，并在一定程度上减少发电和输电投资。
4.目前，投入过多的火电机组往往是不现实的，因为这类机组的运行和启停都会造成碳排放的增加。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法及系统，引入负荷弹性的相关模型，用于解决系统短时尖峰负荷的技术问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法，其特征在于，利用电力系统基本技术数据构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型目标函数；分别构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型规划阶段约束条件、模型典型场景运行模拟约束条件，结合构建的目标函数建立考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型；基于考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型的输出实现源网协调规划。
8.具体的，电力系统基本技术数据包括：电力系统中各类型电源的技术参数，已有输电网架及网络参数，负荷信息及新能源发电的历史信息。
9.具体的，考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型目标函数为：
[0010][0011]
其中，k为折算系数；ωs为规划场景集；ps为场景概率；c
line,inv
为线路投资成本；cthermal,inv
为火电投资成本；c
ne,inv
为新能源投资成本；为场景运行成本。
[0012]
进一步的，输电线路投资成本c
line,inv
：
[0013][0014]
其中，ω
line
为输电走廊集合；为输电走廊线路数/最大线路数；为输电线路投资成本；为线路投建状态。
[0015]
进一步的，火电投建成本c
thermal,inv
：
[0016][0017]
其中，ω
′
thermal
为火电待选集合；为火电机组单位投建成本；为火电机组投建状态。
[0018]
进一步的，新能源投建成本c
ne,inv
：
[0019][0020]
其中，ω
ne
为新能源集合；为新能源机组单位投建成本；为新能源扩建容量。
[0021]
进一步的，场景运行成本
[0022][0023]
其中，ω
t
为时段集合；ω
thermal
为所有火电机组集合；ω
load
为负荷集合；为火电机组单位启停成本；fi(
·
)为火电机组燃料成本函数；为火电机组出力；为火电机组启动和停机状态；为单位需求响应成本；为负荷响应功率。
[0024]
具体的，需求响应替代效益的源网协调规划模型规划阶段约束条件包括：
[0025]
输电线路扩建顺序约束、新能源扩建容量约束、新能源配额制消纳约束；
[0026]
模型典型场景运行模拟约束条件包括：
[0027]
火电机组状态逻辑约束、火电机组出力约束、火电机组爬坡约束、火电机组最短开停机时间约束、新能源机组出力约束、负荷响应电量约束、可中断负荷约束、可转移负荷约束、输电线路直流潮流约束、输电线路传输容量约束、节点功率平衡约束以及系统备用约束。
[0028]
进一步的，输电线路扩建顺序约束：
[0029][0030]
其中，其中，为输电走廊i的第j+1条线路扩建的二元决策变量，为输电走廊i的第j条线路扩建的二元决策变量，ω
line
为所有输电走廊的集合；
[0031]
新能源扩建容量约束：
[0032][0033]
其中，为新能源投建容量上限，为新能源投建容量，ω
ne
为新能源机组的集合；
[0034]
新能源配额制消纳约束：
[0035][0036]
其中，为新能源机组资源功率系数；为负荷预测功率；γ
ne
为新能源配额制消纳比例，ps为场景s的权重，ω
load
为负荷集合，ωs为场景集合，ω
t
为每个场景的时间段集合；
[0037]
火电机组状态逻辑约束：
[0038][0039][0040][0041]
其中，为火电厂运行数量，为火电厂开机数量，为火电厂停机数量，为火电厂服役台数，ω
thermal
为所有火电机组集合；
[0042]
火电机组出力约束：
[0043][0044][0045]
其中，为火电机组实际出力；为火电机组最大/最小出力；为火电机组上下可调整容量；
[0046]
火电机组爬坡约束：
[0047][0048][0049]
其中，为火电机组上下爬坡速率；
[0050]
火电机组最短开停机时间约束：
[0051][0052][0053]
其中，为火电机组最短开停机时间，t为时间指数；
[0054]
新能源机组出力约束：
[0055][0056]
其中，为新能源机组实际功率；
[0057]
负荷响应电量约束：
[0058][0059]
其中，为负荷响应功率；为负荷允许响应的最大电量；
[0060]
可中断负荷约束：
[0061][0062][0063]
其中，为可中断负荷集合；为年最大负荷功率；为中断负荷向上可调整容量；为负荷响应能力；
[0064]
可转移负荷约束：
[0065][0066][0067][0068][0069]
其中，为负荷转移功率；为转移负荷向上可调整容量；为转移负荷向下可调整容量；
[0070]
输电线路直流潮流约束：
[0071]
[0072][0073]
其中，θ
p(i),s,t
/θ
q(i),s,t
为线路首末两端节点相角；x
i,j
为线路电抗值；为线路潮流；
[0074]
输电线路传输容量约束：
[0075][0076][0077]
其中，为线路传输容量；
[0078]
节点功率平衡约束：
[0079][0080]
其中，ω
node
为节点集合；ω
line,f(n)
/ω
line,t(n)
为与节点n相连的线路集合；
[0081]
系统备用约束：
[0082][0083][0084]
第二方面，本发明实施例提供了一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划系统，包括：
[0085]
函数模块，用于利用电力系统基本技术数据构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型目标函数；
[0086]
约束模块，用于分别构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型规划阶段结束条件、模型典型场景运行模拟约束条件，结合函数模块构建的目标函数建立考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型；
[0087]
规划模块，用于基于约束模块构建的考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型的输出实现源网协调规划。
[0088]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0089]
本发明一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法，构建考虑需求响应替代
效益的源网协调规划模型规划阶段约束条件、模型典型场景运行模拟约束条件，结合目标函数建立考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型，对源网协调规划模型进行求解，得到系统的总成本，发电投资成本，输电投资成本，dr成本，新能源弃电率，中断负荷量，转移负荷量，与不考虑需求侧响应的方案结果进行对比，从而得出dr的替代效益，在电力系统中评估需求响应对于新能源装机的替代效益，从而能够保证系统运行稳定的前提下，降低系统发电和输电的投资成本，从而提高机组的效率，采用的数学模型包含了负荷弹性需求，能够有效地反映系统实际情况，本发明充分考虑了灵活性，能获得更优的解，考虑电力系统负荷侧的灵活性，使得计算结果更符合当前电力系统建设发展需求，更具有参考性。
[0090]
进一步的，电力系统中各类型电源的技术参数，已有输电网架及网络参数，负荷信息及新能源发电的历史信息能够描述待规划电力系统的现状、规划目标与需求、电源技术经济参数及运行模拟边界，为后续电源规划方案的计算及运行模拟校验提供了基本数据。
[0091]
进一步的，目标函数涵盖了规划期电源投资与运行的所有成本项，具体包括火电机组投资成本，新能源机组投资成本，输电线路投资成本，火电燃料成本，火电启停成本，需求响应成本，新能源弃电成本，目标函数能够准确地反映规划成本，参考性强；同时引入了需求响应成本，充分考虑了负荷侧的灵活性。
[0092]
进一步的，通过设置输电线路投建成本，使得目标函数里能够比较准确的反映投建线路所需要的具体参数。
[0093]
进一步的，通过设置火电投建成本，使得目标函数里能够比较准确的反映投建火电所需要的具体参数。
[0094]
进一步的，通过设置新能源投建成本，使得目标函数里能够比较准确的反映投建新能源所需要的具体参数。
[0095]
进一步的，通过设置场景运行成本，使得目标函数里能够比较准确的反映当前场景下使电力系统保持电力电量平衡所需要的成本。
[0096]
进一步的，规划阶段约束条件，反映机组投产所受限制与基本要求，增强电源规划结果的合理性和可行性，能够比较准确的反映机组运行状态。
[0097]
进一步的，运行阶段约束条件，如火电机组逻辑为机组数量变化的基本逻辑变化，火电机组出力约束、火电机组爬坡约束、火电机组最短开停机时间约束描述了火电机组运行所需满足的物理条件限制；新能源机组出力约束描述了风电/光伏资源水平；负荷响应电量约束描述了弹性负荷中的最大可调度电量；可中断负荷约束和可转移负荷约束描述了不同类型的弹性负荷的响应能力；输电线路直流潮流约束、输电线路传输容量约束和节点功率平衡约束描述了系统正常运行需要满足的基本要求；系统备用约束以保证有足够的容量来保证功率平衡。
[0098]
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
[0099]
综上所述，本发明方法能够提升电力系统，全面考虑了负荷弹性对系统规划的影响，使结果更符合电力系统的实际情况，能够得到更灵活，更加经济的源网规划方案，为源网结构经济化建设提供了参考意见。
[0100]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0101]
图1为本发明流程示意图；
[0102]
图2为是否考虑dr时的投资与运行结果示意图。
具体实施方式
[0103]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0104]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0105]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0106]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0107]
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
[0108]
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0109]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0110]
源网协调规划的基本方法是通过建立数学模型，模拟电力系统的实际情况与需求，进而求解模型以得到合理的电源和输电线路的投产方案。其数学模型通常以最小化系统的投资、运行成本为目标，以满足负荷需求为基本要求，其问题在于，已有的源网协同规划中的负荷需求是固定的，没有考虑到负荷的弹性，其规划结果往往会导致系统中发电和输电的过度投资。
[0111]
本发明提供了一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法，考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法全面考虑了负荷弹性对系统规划的影响，将负荷分为刚性负
荷、可中断负荷、可转移负荷，并分别建立了相应的约束，以提高系统的灵活性，用于在电力系统规划中分析需求响应资源对发电和输电能力的替代效益，从而能够保证系统运行稳定的前提下，降低系统发电和输电的投资成本，从而提高机组的效率。
[0112]
请参阅图1，本发明一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法，包括以下步骤：
[0113]
s1、应用本发明所提方法时，需要首先从电力系统规划部门获取系统基本技术数据；
[0114]
系统基本技术数据包括：电力系统中各类型电源的技术参数，已有输电网架及网络参数，负荷信息及新能源发电的历史信息；从相关部门获取上述信息后，进行考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法的计算。
[0115]
s2、利用步骤s1中获得的电力系统各类电源的技术参数，已有输电网架及网络参数，负荷信息和新能源发电的历史信息数据，构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型的目标函数；
[0116]
目标函数为最小化规划期内投资及运行总成本，成本具体包括：火电机组投资成本，新能源机组投资成本，输电线路投资成本，火电燃料成本，火电启停成本，需求响应成本。具体如下：
[0117][0118]
其中，k为折算系数；ωs为规划场景集；ps为场景概率；c
line,inv
为线路投资成本；c
thermal,inv
为火电投资成本；c
ne,inv
为新能源投资成本；为场景运行成本。
[0119]
输电线路投资成本c
line,inv
：
[0120][0121]
其中，ω
line
为输电走廊集合；为输电走廊线路数/最大线路数；为输电线路投资成本；为线路投建状态，为0～1变量。
[0122]
火电投建成本c
thermal,inv
：
[0123][0124]
其中，ω
′
thermal
为火电待选集合；为火电机组单位投建成本；为火电机组投建状态，为0-1变量。
[0125]
新能源投建成本c
ne,inv
：
[0126][0127]
其中，ω
ne
为新能源集合；为新能源机组单位投建成本；为新能源扩建容
量。
[0128]
场景运行成本
[0129][0130]
其中，ω
t
为时段集合；ω
thermal
为所有火电机组集合；ω
load
为负荷集合；为火电机组单位启停成本；fi(
·
)为火电机组燃料成本函数；为火电机组出力；为火电机组启动和停机状态；为单位需求响应成本；为负荷响应功率。
[0131]
s3、分别构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型规划阶段约束条件、模型典型场景运行模拟约束条件，根据约束条件和步骤s2构建的目标函数建立考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型；
[0132]
需求响应替代效益的源网协调规划模型规划阶段约束条件：
[0133]
1、输电线路扩建顺序约束：限制每个输电走廊中输电线路的施工顺序。
[0134][0135]
其中，其中，为输电走廊i的第j+1条线路扩建的二元决策变量，为输电走廊i的第j条线路扩建的二元决策变量，ω
line
为所有输电走廊的集合。
[0136]
2、新能源扩建容量约束：新能源的扩建容量有一个上限。
[0137][0138]
其中，为新能源投建容量上限，为新能源投建容量，ω
ne
为新能源机组的集合。
[0139]
3、新能源配额制消纳约束：根据当前政策设定，根据政策中的新能源消纳要求而进行限制。
[0140][0141]
其中，为新能源机组资源功率系数；为负荷预测功率；γ
ne
为新能源配额制消纳比例，ps为场景s的权重，ω
load
为负荷集合，ωs为场景集合，ω
t
为每个场景的时间段集合，从1到|t|。
[0142]
模型典型场景运行模拟约束条件包括：
[0143]
4、火电机组状态逻辑约束：该约束为机组数量变化的基本逻辑变化。
[0144][0145]
[0146][0147]
其中，为火电厂运行数量，为火电厂开机数量，为火电厂停机数量，为火电厂服役台数，ω
thermal
为所有火电机组集合。
[0148]
5、火电机组出力约束：火电机组要满足最大和最小的出力约束。
[0149][0150][0151]
其中，为火电机组实际出力；为火电机组最大/最小出力；为火电机组上下可调整容量。
[0152]
6、火电机组爬坡约束：火电出力变化速率有一定的限制。
[0153][0154][0155]
其中，为火电机组上下爬坡速率。
[0156]
7、火电机组最短开停机时间约束：火电机组开机和关机需要一定的时间。
[0157][0158][0159]
其中，为火电机组最短开停机时间，t为时间指数。
[0160]
8、新能源机组出力约束：新能源最大出力取决于当前的风/光资源水平。
[0161][0162]
其中，为新能源机组实际功率。
[0163]
9、负荷响应电量约束：负荷响应的电量有一定的上限。
[0164][0165]
其中，为负荷响应功率；为负荷允许响应的最大电量。
[0166]
10、可中断负荷约束：可中断负荷类型在场景下的运行约束。
[0167]
[0168][0169]
其中，为可中断负荷集合；为年最大负荷功率；为中断负荷向上可调整容量；为负荷响应能力。
[0170]
11、可转移负荷约束：可转移负荷类型在场景下的运行约束。
[0171][0172][0173][0174][0175]
其中，为负荷转移功率；为转移负荷向上可调整容量；为转移负荷向下可调整容量。
[0176]
12、输电线路直流潮流约束：
[0177][0178][0179]
其中，θ
p(i),s,t
/θ
q(i),s,t
为线路首末两端节点相角；x
i,j
为线路电抗值；为线路潮流。
[0180]
13、输电线路传输容量约束：流过传输线路的功率上下限约束。
[0181][0182][0183]
其中，为线路传输容量。
[0184]
14、节点功率平衡约束：
[0185][0186]
其中，ω
node
为节点集合；ω
line,f(n)
/ω
line,t(n)
为与节点n相连的线路集合。
[0187]
15、系统备用约束：表明系统向上和向下的可调容量。
[0188][0189][0190]
s4、采用求解器求解步骤s3构建的考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型，得到电源和输电网的投产方案，发电投资成本，输电投资成本，dr成本，新能源弃电率，中断负荷量，转移负荷量。
[0191]
本发明再一个实施例中，提供一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划系统，该系统能够用于实现上述考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法，具体的，该考虑需求响应替代效益的源网协调规划系统包括函数模块、约束模块以及规划模块。
[0192]
其中，函数模块，用于利用电力系统基本技术数据构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型目标函数；
[0193]
约束模块，用于分别构建考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型规划阶段结束条件、模型典型场景运行模拟约束条件，结合函数模块构建的目标函数建立考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型；
[0194]
规划模块，用于基于约束模块构建的考虑需求响应替代效益的源网协调规划模型的输出实现源网协调规划。
[0195]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0196]
为验证本发明所提方法的有效性，选取rots2017测试系统进行计算分析。该系统网架结构设置总共包含30个负载、65条输电线路、35台火电机组，9台新能源机组。对于候选线路，允许所有现有传输线路进行线路扩展，最大线路数为3条。每个负载的响应能力系数被设置为20％，每个场景的最大允许响应能量设置如下式，意味着每个场景的最大响应功率可以响应两个小时。
[0197][0198]
对于成本参数，我们对每个新能源机组设置对每个可中断负荷设置对每个可转移负荷设置接下来分析dr资源在节约发电和输电建设成本方面的效益。
[0199]
表1是否考虑dr资源时的投资与运行结果对比
[0200][0201][0202]
请参阅图2和表1，当考虑dr资源时，能够采用更灵活的负载资源进行调节，总成本和新能源弃电率将会降低，在负荷高峰期，调用dr资源来降低负荷水平，从而节省发电投资成本，当某些输电线路阻塞时，调用dr资源来降低这些输电线路的负荷率，节约输电投资成本。因此，dr资源具有替代发电和输电的能力。
[0203]
综上所述，本发明一种考虑需求响应替代效益的源网协调规划方法及系统，适用于考虑负荷弹性下电力系统的源网规划方案制定，能得到更经济、环保、灵活可靠的源网规划方案，为其未来源网结构建设提供参考意见。
[0204]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0205]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0206]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0207]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0208]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。