电力柔性负荷调度基于用户自主响应的建模方法

从用户自主响应特性的角度，可将柔性负荷分为3类：①可转移负荷，即在一个调度周期内总用电量不变，但用电特性灵活，各时段用电量可灵活调节，如电动汽车换电站、冰蓄冷、储能以及工商业用户的部分负荷等；②可平移负荷，受生产流程约束，只能将用电曲线在不同时段间平移，如工业大用户；③可削减负荷，可根据需要对用电量进行一定削减，如空调、照明等。基于用户用电特性的方法能够计及各种因素对用户响应行为的影响，方便获取响应行为的时序特征，计及消费者心理和用户满意度。以响应电价为例，可转移负荷可概括为如下形式：用户响应电价模型多基于电力需求价格弹性矩阵，包括自弹性和互弹性，由于算法简单、直观，得到了广泛应用，但由于价格弹性系数多采用行业统计数据来求取，反映的是用户对电价变化响应的宏观表现，这在很大程度上限制了模型的准确性 。

电力柔性负荷调度基于电网优化调度的建模方法

对于可中断负荷，直接负荷控制和需求侧竞价等模式，一方面电网公司需要根据合同约定的激励费率或电力市场的出清价格对参与调度的柔性负荷（容量和电量）进行补偿，这涉及电网发用电统一优化决策的调度成本；另一方面电网公司需计及电网的安全性以及用户参与的满意度，因而通常在优化模型中将柔性负荷响应量作为决策变量，调度目标可为电网公司调度成本最小或调度收益最大、系统峰荷最小或峰谷差最小、用户负荷削减量最小或用户平均受控时间最小或用户满意度最大等，也有将上述多个目标综合起来进行多目标优化建模。

正常情况下，用户在接到电力公司经过优化计算得到的调节指令后，依据约定的控制周期和控制时序响应调度要求。值得注意的是，有些用户在响应电网调度削减用电量后还存在用电量反弹的现象 。

电力柔性负荷调度基于综合负荷整体响应的建模方法

电力系统分析计算常用综合负荷表示一定数量的各类用电设备及相关变配电设备的组合，可进行综合负荷的整体等效建模，主要描述其响应聚合后的外特性。有文献研究了以空调负荷为代表的大量热响应负荷聚合后的动态行为模型，计及室外、室内气温变化和设备参数的异质性，为计及负荷的综合响应特性提供了很好的思路。但从电网调度的角度，一方面要计及不同柔性负荷元件响应行为的多样性、不确定性甚至移动性，另一方面还需适当简化模型的复杂性，因而在综合负荷的整体响应建模方法方而还需进一步研究。

电力高峰负荷持续增长以及间歇式能源的迅猛发展增加了电网调度运行的难度，对电力系统调节能力提出新的重大挑战。近年来，具有与电网双向互动能力的电动汽车、储能等带有“源”和“荷”双重特征的新型负荷的比重呈不断上升趋势；部分传统负荷也能够根据激励或者电价调节自身的用电需求，具备“虚拟电厂”的特性，负荷特性的变化引起了国内外学者的共同关注。有文献认为未来智能电网需要容纳较大比例的主动负荷，以双向性、不确定和可控性为特点。有研究将能够改变用电时间或负荷大小以配合电力运行商的需求响应策略，从而获得经济效益的负荷定义为柔性响应。有文献将负荷的柔性定义为负荷大小可在用户指定的区间内“伸缩”。在逻辑学中，所谓“概念”包含内涵与外延两个方面，将“柔性负荷”的内涵定义为用电量可在指定区间内变化或在不同时段间转移的负荷，其外延包含具备需求弹性的可调节负荷或可转移负荷、具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及分布式电源、微网等。作为发电调度的补充，柔性负荷调度能够削峰填谷、平衡间歇式能源波动和提供辅助服务，有利于丰富电网调度运行的调节手段 。

传统发电调度中，机组需按照调控指令完全响应，与之不同，负荷调度一方面要满足电网调度指令的需求，另一方面还需对用户的正常用电影响较小。柔性负荷调度在电力市场发展较为成熟的欧美国家表现为需求响应，重视对电力用户的引导和用户的参与满意度。其中，美国需求响应起步较早，相关政策相对完备，组织机构也较为完善，其先后于2005年、2007年、2009年分别颁布了《能源政策法案》《能源独立与安全法案》和《美国复苏与再投资法案》，明确规定对实施需求响应大力支持 。美国宾夕法尼亚-新泽西-马里兰、新英格兰、加州等均已陆续推出基于容量市场、能量市场（日前计划、实时平衡、输电权交易）、辅助服务市场的需求响应项目，售电侧采用节点电价的定价方式并实行零售选择权，取得了良好的效果。中国目前处于市场发展的初级阶段，还缺乏完整的市场运营规则和电价形成机制，尚不能通过经济手段及时有效地调节市场供需，负荷调度更多表现为以分时电价和有序用电为代表的需求侧管理，强调集中调度体制下电网的安全性。

电力柔性负荷调度参与调度计划的模式

（1）基于电价的模式

通过价格信号引导用户合理调节和改善用电结构和用电方式，已有大量文献对此进行了研究，包括电价决策模型、电价对负荷曲线形状以及电网可靠性等方面的影响 。分时电价一般在日前或更早时间尺度上制定并发布，电力用户有充分的时间合理安排用电计划；实时电价是基于边际成本理论的一种动态电价机制，反映的是各时刻供应与需求的变化关系，有利于市场风险在供电商与用户之间进行合理分摊，但只会对具有快速响应能力或电价敏感型柔性负荷起到引导作用。尖峰电价是在分时电价基础上叠加尖峰费率而形成的一种动态电价机制，可有效降低系统尖峰时段的负荷。总的来说，响应电价的用户无需向电网调控部门申报自身的个体用电信息，因而适用于任意大、中、小型用户，但用户自主响应行为的不确定性较大；此外，用户响应和动态电价的制定存在一定的相互影响关系，当大量用户同时响应电价变化时可能导致用户需求同时转移到低电价时段，从而引起新的用电高峰，这是需要电价制定部门进一步关注的问题。

（2）基于合同约定的模式

电力公司与用户签订协议，事先约定用户的基本负荷消费量和削减负荷量的计算方法、激励费率的确定方法以及违约的惩罚措施等，是电力公司引导柔性负荷参与电网调度运行的有效手段。若由用户调整用电量称为可中断负荷，由电力公司或负荷聚合商的负控装置削减负荷称为直接负荷控制。目前作为调峰的一种重要手段已被美国几乎所有电力公司采用，国内江苏、河北等省也制定了管理方案。直接负荷控制通常针对居民或小型商业用户，简单实用、可靠性高 。

（3）需求侧竞价的模式

电力负荷以竞价形式与发电侧资源共同参与市场竞争并获得经济利益，市场运行者通过全局优化取得市场出清。英格兰和威尔士电力市场在20世纪90年代开展了需求侧竞价的市场竞价模式，赋予用户通过申报削减负荷价格和发电侧统一参与电力市场竞争的权利，实现了调度中心对机组和负荷资源的统一调配。近年来，相关研究主要集中于竞价规则、负荷响应的多时段特性以及需求侧资源与可再生能源的联合优化等方面 。

（4）有序用电的模式

国内需求侧管理主要采取以行政引导为主、经济手段为辅的有序用电模式，包括错峰、避峰、限电、拉路等，本质上是在用电高峰期将电网各节点的负荷在时间、空间上重新安排，通过时间上的有序移动实现移峰填谷、平缓系统负荷曲线，通过空间上的协调配合实现消除阻塞、降低系统网损。

总的来说，电力公司通过制定合理的电价能够引导大多数柔性负荷，但由于用户自主响应的不确定性，难以对其进行精确调度，主要从用户针对电价的响应行为并以此预测负荷曲线形状的变化来体现对调度计划的影响，可认为是一种引导型预调度；基于合同的模式可靠性较高，可作为“虚拟发电资源”直接参与调度计划编制；需求侧竞价使得电力负荷作为虚拟发电资源能够与发电商平等竞价，但对电力市场发展程度要求较高；国内目前采取的有序用电模式对于保障电网的安全运行起到了良好的促进作用，但对用户的利益还缺乏充分的考虑。此外，由于负荷响应的不确定性，如何从计及需求响应资源的多周期响应特性协调优化调度不同时间尺度上的柔性负荷资源，其调度模型及协调算法仍有待进一步研究。

电力柔性负荷调度参与备用计划的模式

作为应对系统小概率高风险的容量事故的优质资源，柔性负荷参与备用计划备受关注。特别开展了大量研究。有文献巨讨论了可中断负荷的经济补偿模型及报价清算规则，将IL的市场引导方式分为低电价与高补偿两种，提出基于风险观点对这两种方式进行协调。有研究介绍了可中断负荷参与系统备用的交易机制，提出基于帕累托最优的系统备用优化模型。电动汽车普及后，借助V2U技术可调动电动汽车电能参与备用服务 。

电力柔性负荷调度参与频率控制的模式

为了补充机组快速调节能力的不足，安排快速响应负荷参与电网功率/频率控制已引起国内外学者的关注。有文献将动态需求控制器嵌入用户用电设备以改进系统的频率稳定性，控制器能够监视系统频率并开关用电设备，在用电需求和电网运行状态间进行折中。

此外，自国际上提出自动需求响应概念后，作为需求响应的最新实现形式，为增强用户参与可靠性、提升响应水平提供了新的发展理念，也为快速响应负荷参与频率控制提供了更为有效的手段。

电力柔性负荷调度存在的问题

目前柔性负荷调度模式和控制策略研究中尚存在以下几点比较突出的问题。

1）在负荷自主响应行为不确定性方而还需要进一步深化研究，特别是大量柔性负荷基于电价的聚合响应的不确定性对电网调度的影响，计及不确定后柔性负荷调度如何与常规发电调度相配合。

2）传统发电调度包括日前、日内、实时调度计划和自动发电控制等多个时间尺度，柔性负荷如何从预测误差、响应特性、调节能力、调节范围、调度成本等角度协调参与不同时间尺度的调度还有待进一步分析和研究。

3）未深入探讨不同类型柔性负荷的分解协调问题。柔性负荷类型多，既有接入110kV以上电压等级的大用户，也有数量多、分布广、响应特性各异的中小负荷，在区域电力系统调度层面，往往只能给出参与调度的配电网、专变用户、大用户、负荷聚合商的调度计划、备用容量安排，尚不能将其分解到每一个负荷上。

4）研究成果集中于维持系统有功平衡方而，对柔性负荷作为控制手段支撑系统安全可靠运行方面的研究还十分有限。

柔性负荷调度技术改变了传统的发电跟踪负荷变化”的运行模式，通过引导柔性负荷主动参与电网的运行控制，可有效解决电力系统调节能力不足等问题，提高电网运行的安全性和经济性。考虑到中国目前的电价政策、营销模式、发展需求等现状，在柔性负荷调度方面提出以下几点建议与设想。

1）从安全经济、节能减排等角度对电力公司和电力用户加强引导，使其认识到柔性负荷能够和发电机组一样参与电网的调度运行并具有充分的优越。

2）根据各地发电资源享赋和柔性负荷构成，制定合理的调度模式。如在“三北”地区，风力资源和太阳能资源非常丰富，弃风弃光现象严重，而其高耗能负荷容量大且多数具备一定调节能力，可考虑采用动态电价、签订合同等方式引导高耗能负荷消纳可再生能源；在华东、华南负荷中心，大中型商业、公共设施以及居民负荷比重普遍较高，可采用直接负荷控制或自动需求响应模式进行负荷控制，以实现削峰填谷。

3）在发电机组调节能力不足的区域电网，尽快完善柔性负荷参与电网调度的激励补偿机制，并建设柔性负荷调度示范工程。2100433B

电力柔性负荷调度柔性负荷综合响应建模技术

电力系统中存在物理形态、用电特性迥异的多种负荷类型，同一类型柔性负荷可能会对应多种不同的响应，而多个响应之间存在一定的约束。对于输电网调度中心来讲，更为关心的是以配电网、专变用户、负荷聚合商为单位的整体负荷的综合响应潜力，如何建立有效的柔性负荷多形态多响应综合预测模型是柔性负荷调度技术推广的基础。

这种方法通常需利用历史需求响应事件信息并进行回归分析，受制于历史数据的完整性和对历史事件样本数量的要求，其响应模型的准确度以及响应行为的不确定性如何表征还需进一步研究。

电力柔性负荷调度多时间尺度互动交易模式设计

不同类型柔性负荷的用电方式、调度模式、提前通知时间、可调节量、对电价和激励信号的敏感程度都有很大差异，合理的互动交易模式是直接影响柔性负荷参与电网调度可操作性、运转效率和效益的关键影响因素。一般情况下，在中长期时间尺度内，无法知晓电网的确切运行状态，互动机制设计应当以价格引导作用为主；短期及实时时间尺度内，电网运行状态已能够准确获知，不确定因素较少，需要深入调研、分析、整理不同类型柔性负荷的特点并将其适当分类，制定更加精细化的互动交易机制。

电力柔性负荷调度多时间尺度负荷协调控制技术

日前系统负荷预测存在一定误差，网络拓扑结构、系统实际运行状况也可能发生变化，特别是间歇式能源大规模接入的地区，日前调度计划的准确性和实用性更加难以保证。此外，柔性负荷响应电网调度本身也具有一定的不确定性，且随着参与调度的负荷数量的增加，其响应不确定性对系统运行产生的潜在影响将日渐凸显。因此，有必要在日内、实时时间尺度上根据滚动刷新的负荷和风电预测数据进行调度计划的滚动修正，建立计及需求响应资源多周期响应特性的日内调度模型和实时调度模型，这是柔性负荷调度技术研究的重点。

电力柔性负荷调度集中式和分布式协调控制技术

现阶段电网调度的模式主要是集中调控的模式，而柔性负荷更多地以配电网、专变用户、负荷聚合商等分布式调度单元的形式出现，如何实现各控制单元分布自治与电网控制中心整体决策的协调是柔性负荷调度技术研究的关键，主要需要研究分布式控制单元的在线动态等效建模与参数拟合技术、支持分布式单元与输电网调度中心交互的快速分布式计算技术、分布式控制单元与调度中心协调优化决策模型和方法。

电力柔性负荷调度互动效益评估技术

柔性负荷调度具有优化用户负荷曲线、改善电网峰谷差、减少新增装机容量及备用容量、支撑可再生能源消纳等多方而效果，如何合理设计评估指标并对其参与电网调度的效果进行量化评估是重要研究方向之一。需要从时间、空间、考核对象等多层次对评估指标进行分解；从响应特性、响应过程、响应效果、响应履约度等方面构建多维度量化指标，最终形成适合于柔性负荷调度的综合评估指标体系 。

在柔性负荷响应潜力方面，有文献提出针对大型工商业用户参与需求响应的潜力评估方法，主要步骤包括确定研究对象和需求响应项目类型、基于用电特性的用户群聚类分析、分类需求响应项目参与率辨识、价格弹性计算和需求响应潜力评估，重点是适用于细分用户群的价格弹性计算方法 。基于上述评估方法，美国联邦能源管理委员会从常规业务、扩展业务、可实现参与和全面参与4种场景评估了美国2010-2020年的需求响应潜力。一般来说，需求响应潜力评估可分为电力负荷调研、数据整理和分析、回归模型建立及响应潜力预测等步骤。但现有研究还存在以下不足：①负荷可调度潜力与电网运行工况、外界环境变化、用户用电消费心理、响应前用户用电状态等因素密切相关，针对负荷在某一具体运行工况下的响应潜力评估研究还较为少见；②多从挖掘电网柔性负荷削峰潜力的角度研究负荷的向下调节潜力，缺乏对向上调节潜力的相关研究。

电力柔性负荷调度集中式架构

集中式负荷控制类似于目前发电机组的控制模式，由输电网调度中心集中调度和控制，电力系统运行人员直接给每个负荷发布调控命令。显而易见，大系统中负荷数目众多，集中式架构需要针对大量用电设备产生控制信号，这在实际系统调度中是不可行的。

电力柔性负荷调度分布式架构

有文献利用智能电表实时监视系统频率并相应地调节用电设备都是一种典型的分布式控制模式，图《以智能家居为代表的分布式控制》给出了以智能家居为代表的分布式控制架构示意图。

基于不同地理位置或负荷类型的分布式架构具有投资小、通信和控制灵活等优点，但完全分散的分布式架构也面临着如下挑战：①由于只反馈本地可观测量，可能出现过度控制或控制量不足的情况，难以实现电网调度的系统级控制目标；②各局部控制器为达到自身的预期目标，可能使得不同控制器间相互冲突，恶化控制的整体效果。

电力柔性负荷调度基于负荷聚合商的分层架构

负荷聚合商作为协调大量中小规模用户和电网控制中心的中间机构，可以是传统意义上的配电公司、政府实体或电网公司自身的负荷管理中心，也可是代表单一类型或多种类型负荷的第三方机构，其共同点是将大量电力终端用户聚合在一起参与电网调度，并努力实现电网公司、负荷聚合商和电力终端用户各方的既定目标。基于负荷聚合商的分层负荷控制分为控制层、协调层和本地响应层。

从柔性负荷综述中不难发现柔性负荷种类繁多，并很难得到具有普适性或通用型的柔性负荷模型和控制策略。为了更深入的挖掘柔性负荷，抓住重点柔性负荷特征，论文选取中央空调作为典型柔性负荷代表，并开展其参与电力系统运行的模型和控制策略研究 。

(1)中央空调负荷具有柔性负荷典型特征。柔性负荷的主要特征是负荷在一定时间内灵活可变，因为人体有一定舒适度范围，中央空调负荷的功率在舒适度范围有了调节的空间。以夏季为例，当用户对电价做出响应时，在电网高峰时可通过调高设定温度、降低风机转速等方式降低中央空调负荷，以获得效益回报;在电网低谷时期，利用中央空调所属房间储热能力，增加空调负荷，提前储存一部分冷量，使电力系统利用率增高。

(2)中央空调负荷在尖峰负荷中占比大。在北京、上海等发达地区空调负荷在高峰时负荷占比接近一半。而中央空调在工商业用户、居民用户等其它用户中己经广泛应用，是空调集群中较常见的种类，而与分体式空调相比，中央空调的额定功率要大得多，另外相对于分体式空调，中央空调的负荷比较集中，更有利于集群控制，国内多地己开展了中央空调负荷调控的示范工程，积累了较为丰富运行经验。

(3)中央空调负荷可控性强。与其他柔性负荷相比中央空调系统的可控量多，理论上包括:设定温度、送风量、新风量、冷冻水泵流量、冷冻水进水温度等几十个特性参数。对任意决策变量的控制都能达到调节中央空调负荷的目标。另外在特定情况下，短时中央空调可通过关闭机组达到极限调节量，即使在不停机的前提下，中央空调的负荷调节能力也十分可观。

在柔性负荷响应潜力方面，提出针对大型工商业用户参与需求响应的潜力评估方法，主要步骤包括确定研究对象和需求响应项目类型、基于用电特性的用户群聚类分析、分类需求响应项目参与率辨识、价格弹性计算和需求响应潜力评估，重点是适用于细分用户群的价格弹性计算方法。基于上述评估方法，美国联邦能源管理委员会从常规业务、扩展业务、可实现参与和全而参与4种场景评估了美国2010-2020年的需求响应潜力，一般来说，需求响应潜力评估可分为电力负荷调研、数据整理和分析、回归模型建立及响应潜力预测等步骤。表1给出了各国柔性负荷响应潜力分析结果。但现有研究还存在以下不足:①负荷可调度潜力与电网运行工况、外界环境变化、用户用电消费心理、响应前用户用电状态等因密切相关，针对负荷在某一具体运行工况下的响应潜力评估研究还较为少见;②多从挖掘电网柔性负荷削峰潜力的角度研究负荷的向下调节潜力，缺乏对向上调节潜力的相关研究。2100433B

从柔性负荷调控模式上来说，柔性负荷可参与电力系统多种调度计划模式:基于电价的模式、基于合同约定的模式、基于需求侧竞价的模式、基于有序用电的模式、基于参与备用计划的模式、基于参与频率控制的模式}。不同的模式对应不同的电力系统环境，则柔性负荷的控制方式和目标函数也有所区别。以节点际电价为求解对象，研究了柔性负荷参与备用的安全约束调度策略;将激励负荷的售电收益、可中断负荷的补偿成本纳入考虑，以调用利益最大化为目标函数，研究了柔性负荷参与负荷调峰的内容;以电力系统频率控制为目标，研究通过需求响应手段，控制柔性负荷的启停，平衡用电需求和电网运行状态;考虑分布式电源与单向型柔性负荷的联合调度，以提高电力系统运行效率 。

从柔性负荷调控方式上来说，柔性负荷可分为集中调控、分布式调控和基于负荷聚合商的分层调控。采用了类似发电机组的集中控制方式，柔性负荷由调度中心集中控制，电力系统向大用户直接发布调控命令。利用智能电表实现分布式控制，并分析了基于不同地理位置的分布式架构具有投资小、通信和控制灵活等优点，通过包含电动汽车、可控家用电器、分散式热电联产机组的柔性负荷聚合，参与电力系统二次调频，负荷聚合商使用模型预测控制策略来分配控制行为。

目前我国电力增长态势趋缓，很多地区出现电力富余的情况，但从长远来看，仍有可能出现局部性和阶段性的紧张状态。需求侧逐渐成为电力系统领域关注和研究的重点，通过需求侧的改变，可以改善供需矛盾，提高电力系统运行效率。我国建设和完善智能电网的整体思路也给用户侧的负荷创造新的发展契机 :

近年来，柔性负荷成为了学术研究的重点，柔性负荷的调度和调节是缓解供需侧矛盾的重要手段之一。柔性负荷的柔性调节能力改变了原本负荷单向、被动接受调节的历史，也使负荷参数的刚性、不确定性等特征发生了变化。另外电动汽车、分布式电源的接入使负荷具有了一定电源的作用。这些都对传统电力系统格局产生了影响。空调是典型的柔性荷，在夏季负荷高峰期时，空调负荷在电网中已占尖峰负荷的30%-40%，并呈现逐年上升的趋势.另一方面，空调具有两个重要特征:1)空调与所属的房间构成了具有热储存能力的系统，一定意义上相当于蓄电池等储能设备;2)人体有一定舒适度范围，在此范围内空调负荷的功率也随之有了调节的空间。这两点是空调负荷参与双向互动的前提条件。