可中断负荷研究综述

王晓文,毛煜杰

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.电力学院，辽宁 沈阳 110136)



可中断负荷研究综述

王晓文a,毛煜杰b

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.电力学院，辽宁 沈阳 110136)

可中断负荷(IL)是电力需求侧管理(DSM)中负荷管理的一项重要措施。介绍了IL的发展背景及意义、IL在国内外的开展实施情况、IL的主要内容及应用和IL建模领域研究的进展，并结合分布式发电(DG)阐述了可中断负荷新的研究方向。最后结合我国可中断负荷的发展情况，提出了下一步的研究重点。

可中断负荷(IL)；电力需求侧管理(DSM)；分布式发电(DG)

20世纪70年代,能源需求日趋紧张,引发了世界性的能源危机，各国学者纷纷开始研究如何科学合理地利用能源。美国在1973年率先提出了新的能源研究方向:能源需求侧管理，将供应方和需求方两种资源作为一个整体进行综合资源规划(IRP)。电能在越来越被人们需要的同时，其生产消耗了大量的一次能源，对环境和温室效应产生了严重的影响。面对如何科学合理地使用电能，克拉克.W.盖林斯(Clark W.Gellings)于1981年提出电力需求侧管理(Demand Side Management，DSM)的理念[1-2]。DSM是将用户电力需求作为一种电力资源，通过改变用户的用电方式，从电力需求侧对电力资源进行优化配置，从而达到节约成本、保护环境的目的[3]。DSM的主要内容有：负荷管理；战略节能；新用电服务项目；能源替代、余能回收及新能源发电。

在国际上，可中断负荷(Interruptible Load，IL)是DSM中负荷管理的重要手段，可以实现需求响应(Demand Response，DR)。从负荷的角度看，IL就是指那些以合约等方式允许有条件停电并得到适当补偿的负荷。从综合资源规划的角度来看，IL被视为一种重要的需求侧资源，通过需求侧响应实现电网供需两侧的双向互动，缓解电力短缺、保障电网安全稳定运行。

实施IL的意义主要有：①可以有效节约电力资源并实现社会资源的优化配置；②可以引导用户科学、合理用电，提升用户的用电水平；③可以有效缓解用电高峰期系统的压力，保障电网运行安全；④可以解决缺电问题，降低电力不足造成的经济损失，体现电力市场环境下电力体制的进步。

1 IL的实施情况

美国是实施IL最为成功的国家[4-5]。2003年，IL进入纽约电力市场的日前现货市场和运行备用市场，主要执行的中断计划有紧急负荷响应(EDRP)、特殊资源(SCR)和日前负荷响应(DADRP)计划[6]。美国最大的电力独立运营商PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland)于2000年开展试点项目，吸引用户参与其制定的可中断计划。2001年又针对大工业用户提出了2个试点计划[7]：紧急负荷响应和经济负荷响应。

加拿大、英格兰、爱尔兰[8-11]等国从20世纪80年代就开始实施一些可中断计划措施,加拿大Alberta电力库(Power Pool)的"自愿减负荷计划"、英国英格兰-威尔士的需求侧竞价(Demand Side Bidding，DSB)、爱尔兰的以频率为标准的负荷中断等都收到了很好的成效。韩国的IL主要有2类，分别是夏季负荷削减方案和紧急负荷削减方案，用户依据不同的方案得到不同程度的补偿[12]。

我国台湾省早在1987年就开始实施IL措施，目前有多种中断方式供用户选择[13]。江苏省在2002年开展《可中断负荷方案》试点工作，将IL应用于高能耗钢铁企业。河北省在2004年施行《可中断负荷补偿办法》，用电容量在2万kW及以上的企业按要求实施IL可以获得适当补偿。2004年，上海试行避峰补偿电价政策，鼓励实施负荷监控的用户参与签订可中断负荷的协议。

总体来看，IL的实施实现了资源的优化配置，在鼓励用户侧参与调度的同时，缓解了用电压力，保证了系统运行的安全性和稳定性。

2 IL的主要研究内容

2.1 实施IL成本效益的价值分析

实施IL成本效益的价值分析是IL研究的基础。成本效益分析是通过比较项目的全部成本和效益来评估其价值的一种方法，目标是寻求在投资决策上如何以最小的成本获得最大的收益。

用户提供IL付出的成本类似于缺电成本。缺电成本是指由于电力供应中断或不足，引起断电或限电时，用户受到的经济损失。实施IL的对象主要是大工业用户，其提供可中断负荷的成本较复杂。用户提供IL总成本有两部分：产量降低所造成的利润损失和生产调整成本。电力公司实施IL付出的成本包括对实施IL用户的补偿和相应的售电收入损失。在电力市场中，实施IL可大大增加需求侧弹性，带来短期和长期的经济效益，提升整个电力市场的稳定水平和运行效率[14]。文献[15]采用无中断负荷时切除的负荷容量与缺电成本的乘积对IL的可靠性效益做了定量分析，并以实例对其所提出的理论进行验证，为深入研究该问题作了有益的尝试。

2.2 IL合同

实施IL需要签订合同,合同主要内容有：合同有效期、停电发生时间、提前通知时间、中断持续时间、最小中断容量、补偿费用、违约惩罚等。

表1总结了美国加州、纽约、加拿大、台湾电力市场中IL合同的具体内容。从表1中可以看出，IL的实施对象主要是一些大用户，合同主要内容在不同国家的电力市场中基本一致，但具体实施细节稍有不同。

表1 现行电力市场中的可中断负荷合同

2.3 IL的应用

可中断负荷作为一种需求侧管理中负荷管理的一项重要措施，用来缓解负荷高峰时段供电紧张的状况，主要应用在削峰填谷、系统备用服务和缓解系统阻塞等方面。

1)削峰填谷

在一年四季中，人们在夏季和冬季时的生活用电要大于其他季节，系统的负荷曲线会出现峰谷交替。同时在一天之中也会出现峰谷交替的现象。但发电厂为此配备的备用容量通常得不到有效利用。实施IL，弹性负荷在系统峰荷时段中断负荷并获得补偿，低谷时段消耗电能受惠于低电价，在节省用户用电成本的同时实现了资源的优化配置。

2)备用服务

在电力市场环境下，IL作为系统备用容量从安全稳定性和经济性等方面对电力系统起到了重要作用[16-17]。文献[18]提出调度中心在系统峰荷时段选择IL作为系统的备用容量可确保系统的稳定运行。文献[19]构建了IL参与高峰时段市场备用的选择评估模型和电网企业效益测算模型，提高了系统在高峰时段运行的安全可靠性和经济性。文献[20]在电力市场中将IL作为一种备用容量，与发电机组的旋转备用联合优化运行，在考虑系统的可靠性与IL成本之间关系情况下，使运行备用费用最小。

3)阻塞管理

电力市场的逐步开放导致电能跨区交易日益增多，系统输电阻塞的问题日渐突出。文献[21]提出一种计及电压水平的IL阻塞管理多目标模型。以电压水平、社会效益、可中断负荷量和中断负荷用户数4个因素为阻塞管理目标进行优化。文献[22]在实时电力市场的阻塞管理问题中，把IL作为系统处理实时紧急情况的手段，并考虑调整报价，建立可中断负荷的阻塞管理模型，达到调整费用最小，使实时阻塞管理更加灵活。

3 IL建模的研究

3.1 基于动态潮流优化的IL优化模型

这类模型是在潮流优化问题中考虑IL的介入，实现优化调度。电力系统潮流优化Optimal Power Flow(OPF)是典型的非线性优化问题，实施IL加大了传统非线性优化问题的维数和求解难度。文献[22]为解决实时电价和IL的选择，较早地运用了动态潮流优化方法。文献[23]在最优潮流的框架下提出了一种基于影子电价的IL优化调度模型。

此类模型的本质还是潮流优化问题，鉴于动态潮流优化的研究起步早，发展也相对成熟，因此有关IL优化的模型可以潮流优化作为实现可中断负荷管理的一种工具，通过加入有关IL特性的等式约束和不等式约束来实现。

3.2 基于可避免成本理论的IL优化模型

这类模型一般认为实施IL的收益主要来自于可避免运行成本(AOC)和可避免投资成本(ACCC)，最优可中断补偿价格或优惠电价就以此为基础确定。文献[24]率先提出了此类模型，但该方法需要以大量的用户调查统计数据为基础。

由于IL的成本效益价值分析是IL研究的基础，因此在IL建模时考虑可避免成本理论是非常有必要的。但是，由于可避免运行成本和可避免投资成本需要考虑短期、长期、用户等多方面的因素，同时还需要对大量用户进行数据统计，因此实施起来较为复杂。如何在考虑可避免成本的同时降低其复杂性是今后的研究重点。

3.3 基于激励相容机制的IL优化模型

激励相容机制是由哈维茨(Hurwiez)提出的。其创立的机制设计理论认为，市场经济中每个理性经济人都会遵从自利的规则，如果存在一种机制，使每个人实现自利的同时实现集体价值最大化，这一制度安排就是激励相容。

贯彻激励相容机制，能够有效地解决用户利益与电力公司利益之间的矛盾冲突，使用户的行为方式、结果符合电力公司价值最大化的目标，从而实现用户价值与电力公司价值两个目标函数的一致化。但同时这种方法需要对大量的用户进行调查和数据统计，实施起来较为困难。

3.4 基于需求侧直接报价的可中断负荷管理模型

需求侧直接报价其实质类似于DSB(Demand Side Bidding)。DSB是DR的一项重要措施，在电力市场环境下，用户也可通过IL主动参与市场竞争，并获得相应的补偿。文献[25]提出了一种经典的基于用户需求侧报价方式的IL优化调度模型。

需求侧直接报价在提高了系统可靠性和备用资源灵活性的同时，还实现了社会效益的最大化。但该模型的使用也存在调查和数据统计的问题，同基于可避免成本的模型和基于激励相容的模型一样，实施起来较为复杂和困难。

通过上述研究可以看出：对可中断负荷的建模研究还需要紧密结合电力市场的规律，进一步提高系统运行的可靠性和经济性；相关模型的讨论和研究还需要进一步应用于实际当中，用实际的算例来验证和论证；通过对IL相关模型的分析，考虑对用户数据的调查和统计并建立负荷的完整信息库是十分必要的。

4 结合分布式电源的IL研究

分布式电源(Distributed Generation，DG)是指分散在电网中的各种非常规能源，主要包括风力、光伏、微型燃气轮机等发电形式，其发电容量小的一般是千瓦级，大的可达到兆瓦级[26-27]。美国能源部的《智能电网系统报告》显示，分布式电源作为智能电网建设的重要部分，其发电投资比重将占整个智能电网投资的20%左右[28]。有关分布式能源参与的研究主要有两个方面：分布式能源不存在，首先必须要研究分布式能源的定容与选址；分布式能源已存在，则研究分布式能源与电网协调规划的问题。

4.1 分布式能源的定容与选址

分布式能源的定容与选址是一个大规模多目标优化问题，其复杂性在于优化过程中子目标之间存在相互制约、相互矛盾。文献[28]假设负荷在馈线上的分布存在规律，讨论了分布式电源在单条馈线上的最佳安装位置，但实际上负荷在馈线上的分布一般不存在规律。文献[29]以寻找分布式电源最优位置为目标，在系统平均功率损耗最小的前提下研究了分布式电源的安装位置，但对分布式电源的容量缺乏考虑。文献[30]对比分析了不同分布式电源的并网价值，从经济性和环保性方面进行了研究，但没有分析其固定成本与运行成本。

文献[31-32]综合上述研究，根据新增负荷的总量确定待建的分布式电源总量，以年投资运行费用最小为目标，通过经济可靠运行的各项约束条件建立最优规划模型，考虑较为全面，对研究分布式能源的定容与选址有指导性意义。

4.2 风电和IL在配电网中的协调规划

由于应用在风电中的双馈感应电机调峰调频速度较慢[33]，出现反调峰的概率比较大，将IL作为调峰的备用手段加入风电调峰中是目前市场化的新方向[34]，其优点有：减少了发电侧投资的成本；在引导用户科学合理用电的同时获得理想的调峰效果。因此，研究将IL作为调峰的备用手段参与风电调峰，实现经济调度就显得极为重要。

目前，确定性备用是风电规划调度中的主要方法，但这种方法不够经济科学，对风电功率的物理实质反映不清晰。因此，文献[35]针对此问题建立了机组、线路停运率的场景概率模型，结合风电出力预测误差及旋转备用和IL的竞价进行仿真，结论认为随机备用模型优于确定性模型。文献[36]则主要针对系统实际运行的风险水平，基于风险约束理论，提出了计及大规模风电和IL的电力系统供需侧联合随机调度模型。该模型既反映了IL的调峰潜力，又体现出系统运行的风险水平。

经济性服务于可靠性即使在市场环境下也是必须遵守的原则。因此，在风电随机模拟中加入IL进行计算时，要在考虑可靠性效益问题基础上建立综合的评估指标体系。文献[37]就在考虑将IL对系统消纳风电正负波动的效用的前提下，建立了风电系统中考虑IL的日前调度计划和运行模拟模型。

由于风力发电的日趋成熟，目前对结合分布式电源和IL的研究主要集中在风力发电上。考虑到近几年我国太阳能光伏发电的迅猛发展，可同时考虑风力发电和光伏发电对可中断负荷进行较为深入的研究。

4.3移动式可中断负荷

移动式可中断负荷是指利用分布式储能技术，接受可再生能源电力的可控负荷。它属于一类新兴的负荷概念，入网的电动汽车(vehicle-to-grid，V2G)可看作一种典型的移动式可中断负荷。

文献[38]对电动汽车普及后，电力公司借助V2G技术调用电动汽车电能参与系统备用服务的交易模式进行了研究。从可靠性和经济性角度，提出了一种计及V2G备用服务的备用交易新模式，为未来含V2G的备用服务交易模式提供了一种新思路。由于目前电动汽车在我国的发展尚处于起步阶段，所以对这种移动式的可中断负荷的研究仅仅停留在理论上。

4.4 分布式能源的优化规划

分布式能源规划建模中常用的目标函数主要有：1)从投资的角度，以配电网和分布式电源投资运行成本最小为优化目标；2)从网损的角度，以配电网网损最小为优化目标；3)从可再生能源利用的角度，以接入的分布式能源容量最大为优化目标。

文献[39-41]在不改变已有电网的基础上考虑分布式电源的接入，提出了以配电网网损最小为目标函数的分布式电源规划模型，并分别采用不同的优化算法进行求解。文献[42]综合考虑分布式电源的投资总费用、网络损耗及分布式电源有功功率最大等因素，在分布式电源单个容量、个数、位置不确定的情况下，将多目标归一化，采用加权方法得到最终优化结果。

广义概念上讲，分布式能源相当于从用户侧接入系统的电源，IL作为另一种用户侧电源形式与其联合应用，能够更有效地实现资源优化配置。配电网中同时含有分布式电源和IL，通常将IL视为多目标优化中的一个目标进行整体优化。文献[43]建立了配电网模式下能量最优模型，从分布式电源和IL电源选择性获取能量，寻找最优的市场结构。当节点电价高于设定阈值时启动IL，IL和发电公司共同参与日常市场竞价，确定节点电价信息，配电公司则根据利润最大化安排分布式能源以获得能量最优。文献[44]针对电力用户停电意愿不尽相同，将IL视为离散的随机变量，建立了分布式发电与不完全信息可中断负荷的选择性配电网能量获取模型，同时又综合考虑发电公司的竞价行为，提出相应的电力市场模型。两者在综合考虑发电侧竞价和电力市场的前提下对各自模型进行了验证。

5 结 语

可中断负荷(IL)是电力需求侧管理(DSM)的重要组成部分。IL实施可实现需求响应，缓解电力短缺，节约综合资源，保障电网安全。简要介绍了IL的产生背景及意义、IL在国内外的实施情况，从IL的成本效益的价值分析、IL合同、IL的应用3个方面分析了IL的主要研究内容。在总结国内外研究与实践的基础上从IL建模的研究和IL结合分布式电源2个方面，分析了有关IL的研究现状。综上可得以下结论：

1)将需求侧管理的理念引入配电网规划，把不同互动意愿的可中断负荷作为调峰的备用手段，以减少发电侧投资成本，引导用户科学合理用电，这是当今综合资源规划在电力系统应用即负荷管理的一项重要研究课题。

2)可中断负荷在研究内容和应用上形成了一定的方向。国外许多国家开展了可中断负荷项目研究和实践，取得了一定理论成果和应用效益。我国科研人员已经启动该类项目研究，部分省市电力部门已在尝试推行与可中断负荷相关的运行管理方案。

3)以提高系统运行的可靠性和经济性为目的可中断负荷配电网优化规划模型尚不成熟。所建立的考虑电源建设和运行成本、网络损耗成本、中断负荷补偿成本、供电可靠性等因素的多目标优化模型各有局限性。对可中断负荷模型的讨论和研究多停留在理论上和机制上，还需要进一步用实际的算例来验证。

4)建立IL相关模型直接依赖于对负荷信息的分析，通过用户的调查和统计建立完整的负荷数据信息库是十分必要的。

5)在大力发展新能源的背景下，分布式电源接入配电网是新能源方向主流的研究内容。在充分考虑电力市场重要性的前提下，将可中断负荷与分布式电源等需求侧资源联合进行配电网优化，实现需求侧与供应侧的综合资源优化，具有重要的现实意义，但有关研究尚不成熟。

6)可中断负荷研究与电网运行经济性密切相关，有必要借助经济、风险、金融等理论拓展IL的研究方法，以期获得更有效的可中断负荷管理方案。

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(责任编辑 佟金锴 校对 张 凯)

Research Summary on Interruptible Load

WANG Xiao-wena,MAO Yu-jieb

(a.School of Renewable Energy; b.School of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Interruptible Load (IL) is an important measure of load management in Demand Side Management (DSM).This paper comprehensively describes the background and significance of IL,the implementation of IL in the domestic and overseas,the current research progress in main content and application of IL and modeling research of IL.Combining with distributed generation,this paper also expounds the new research direction of interruptible load.Finally it proposes the next research focus combining with the development of interruptible load situation in China.

Interruptible Load(IL);Demand Side Management(DSM);Distributed generation(DG)

2015-04-12

王晓文(1966-)，女，辽宁锦州人，教授，硕士生导师，主要从事电力系统运行与控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.001

TM744

A

1673-1603(2015)03-0193-06