计及需求侧响应的微网综合资源规划方法
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KEY WORDS: microgrid; integrated resources planning; demand response; direct load control; nonlinear programming
摘要：针对微网的特性及发展趋势，将需求侧处理成一种可 以主动参与微网规划与运行的电源(即负荷减少的等效作 用)，而不仅仅是被动接受电能的负荷，构建含需求侧响应 具体措施——直接负荷控制建模的微网综合资源规划模型。 以一个包含风机、光伏电池、蓄电池储能、柴油机及部分可 控负荷(空调负荷)的微网为例，运用非线性规划工具求解综 合资源规划模型，算例结果验证了该方法的有效性。通过需 求侧响应主动参与规划削减峰荷，可以实现微网系统规划总
2622
中国电机工程学报
第 34 卷
发展为该研究提供了较为便利的硬件条件。在微网 的规划中开展同时考虑供应侧和需求侧资源的研 究是合理而适时的。
这种计及需求侧资源的综合资源规划 (integrated resources planning，IRP)并不是新的概 念。随着 20 世纪 70 年代的能源危机爆发后，电力 部门逐渐意识到需求侧资源也可以作为同等的能 源 备 选 项 来 达 到 功 率 平 衡 的 目 的 ，“ 综 合 资 源 规 划”应运而生[10]。综合资源规划是指把电力供应侧 和需求侧的各种形式的资源综合成一个整体进行 电力规划，通过高效、经济、合理地利用供需侧资 源潜力，在保持能源服务水平的前提下，使整个规 划系统的社会总成本最小。目前国内外综合资源规 划研究侧重于大电网大容量的电源规划[11-13]。其方 法无法直接应用于容量较小的微网中，原因在于： 1）其负荷一般采用负荷持续曲线建模，未考虑时 序特性[14]；2）它的需求侧管理具体措施建模研究 较少，一般只是在约束条件中涉及。
t ≥ zd + 1；a1 = t − zd。
该等式右侧第 2 项求得了由于中断作用，在第
t 时段中断的负荷量；第 3 项求得了由于补偿作用，
在第 t 时段补偿的负荷量，f (t)叠加这 3 项则得到了
新的第 t 时段的负荷需求。
2 微网各微源模型
2.1 微网模型 本文算例研究的微网系统由风电机组，太阳能
电池，柴油机，储能蓄电池以及负荷构成。其中负 荷分为不可控负荷与可控负荷两类，可控负荷可在 高峰期被负荷控制装置主动切断，减少负荷需求， 起到虚拟微源的作用，故与电网交流母线的电能交 换采用了双向符号表示。微网系统结构见图 1。 2.2 风机模型
风力发电机的出力与风机转轴高度处该时刻 的平均风速与风机的输出特性有关，风机出力的数 学建模[21]如下：
第 16 期
朱兰等：计及需求侧响应的微网综合资源规划方法
2623
交流母线
风电机组 太阳能电池
蓄电池
逆变器 逆变器 变流器 柴油机
不可控负荷 可控负荷
图 1 本文微网结构图 Fig. 1 Structure of the studied microgrid
计及需求侧响应的微网综合资源规划方法
朱兰 1，严正 1，杨秀 2，符杨 2
(1．电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市 闵行区 200240； 2．上海电力学院电气工程学院，上海市 杨浦区 200090)
Integrated Resources Planning in Microgrid Based on Modeling Demand Response
本文将在微网中研究一种结合需求侧响应具 体措施建模的基于时序仿真的综合资源规划方法。 以国外实施较为成熟的直接负荷控制(direct load control，DLC)为例，将需求侧资源(直接负荷控制) 与供应侧资源同等对待，实现社会总成本最小的微 网规划目标。在我国，直接负荷控制一度因为硬件 方面缺乏先进计量、控制等技术支持而发展速度很 慢[15]，在智能电网建设的背景下，作为一种简单、 实用的负荷管理手段，正得到越来越多的重视和发 展。随着我国电力工业市场化程度的提升，需求侧 资源在市场中的作用正越来越重要，传统的将需求 侧作为被动接受的“负荷”的观念要逐步摒弃[16]， 本文所提的方法可为微网负荷主动参与电网规划 与运行提供借鉴。
2. School of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China)
ABSTRACT: According to the characteristics and development trend of microgrid, demand-side is treated as a kind of possible power supply (equivalent effect of reduction of the load) which can actively participate in the planning and operation in microgrid, instead of being pure load. An integrated resources planning model considering direct load control (one of demand responses) in microgrid was proposed. A typical microgrid consisting of a wind turbine, a photovoltaic, a storage battery, a diesel engine and controllable loads was selected as a case study in which a nonlinear programming tool was used for solving integrated resource planning model. The validity of the proposed model was proved. It can be achieved to minimize the total cost of system planning by using demand response to actively participate in the planning. Depth discussions for the case were done to give comparative analysis of different control strategies, parameters and costs and more planning proposals were given.
荷。直接负荷控制一般针对短时间停电对其供电服
务质量影响不大且具有热能储存能力的负荷(如空 调和电热水器)，由于空调负荷在上海地区峰荷的 40%左右，本文选取微网中的空调负荷作为可控负 荷，在系统高峰负荷时段可以对这类负荷进行控
制，从而改变负荷曲线，达到降低系统峰荷，实现
微网系统规划总成本最小的目标。
1 直接负荷控制
直接负荷控制是一种负荷整形的需求侧响应 措施，由电力公司在峰荷时段利用监控信号切断受 控负荷与系统的联系，从而降低峰荷，提高负荷率， 并尽可能降低对电力公司和用户的影响。
直接负荷控制数学模型已有较多研究[17-20]，本 文采用文献[17]的经典直接负荷控制模型，其原理 简单易操作，比较适合规划阶段。该文直接负荷控 制策略包含全时段控制策略、单时段控制策略和两 时段控制策略。全时段控制策略指受控负荷的中断
成本最小的目标。算例的深入探讨给出了不同直接负荷控制 策略、参数、成本下的对比分析，提出了规划建议。
关键词：微网；综合资源规划；需求侧响应；直接负荷控制； 非线性规划
0 引言
微网是由分布式电源、储能单元、负荷以及监 控、保护装置组成的自治系统，与大电网协调或独 立为负荷供电。微网在分布式能源的高效应用以及 灵活、智能控制方面表现出很大的潜力，已经成为 很多发达国家发展电力行业、解决能源问题的主要 战略之一。
段；b 为每一组受控负荷的功率；c(n)在 n ≤ d 时为 1，
否则为 0；p(n)为补偿策略系数；f (t)为 t 时段原始负
荷需求；P(t)为 t 时段受控后负荷需求；N 为分析的
时 段 总 长 度 ( 注 ： 以 15 min 为 一 个 时 段 ) ； a0 =
max{1, t − zd + 1} ； a1 = max{1, t − zd − p + 1} ， 对 于
微网建设前期的规划设计是微网研究中重要 的课题。通常根据可利用的能源情况和微网负荷要 求，以经济性或供电可靠性等最优为目标进行优 化，确定微网中分布式电源的类型、容量。目前微 网的规划研究主要包括以下几方面：微网规划模型 及算法[1-3]、微网储能优化配置[4-5]、含微网的配网 规划研究[6-7]、微网规划设计软件开发[8-9]等。上述 文献从不同角度开展微网规划的课题研究，对于供 应侧微源建模细致，需求侧的处理却相对简单，仅 依据负荷预测的结果或考虑一个能效系数等建模， 未 涉 及 运 行 阶 段 可 能 实 施 的 需 求 侧 响 应 (demand response，DR)具体措施对负荷时序曲线的影响。微 网中负荷较具体，特性数据可以调研获得，这为微 网规划中开展含需求侧响应建模的研究提供了物 理基础；另一方面，现今智能配电网中的高级量测 体系(advanced metering infrastructure，AMI)技术的
ZHU Lan1, YAN Zheng1, YANG Xiu2, FU Yang2
(1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Minhang District, Shanghai 200240, China;
时段为该类负荷最大允许中断时段；单时段控制策
略是指受控负荷的中断时段为最大允许中断时段
的一半；两时段控制策略是指分两次完成负荷中
断，每次中断时段为最大允许中断时段的一半，两
次中断时段之间有一个最小中断间隙的要求。负荷
在中断阶段与系统断开从而停止从电网获得电能，
随后将试图恢复到切断前的负荷水平，形成反弹负
采用全时段控制策略直接负荷控制后的负荷
表示为式(1)，其他控制策略可以以此类推。
t
a2
∑ ∑ P(t) = f (t) − bc(t+1−i)e(i) + bp(t−Zd +1−i)e(i) (1)
i = a0
i = a1
式中：t = 1,2,⋅⋅⋅, N；e(i)为第 i 个时段开始的受控负
荷组数；zd 为中断时段；p 为该控制对应的补偿时
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2011AA05A106)；上海市科 委重点科技攻关计划(11dz1210405)。
The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2011AA05A106); Key Technology R&D Program of Shanghai (11dz1210405).
第 34 卷 第 16 期 2014 年 6 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Байду номын сангаас
Vol.34 No.16 Jun.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 2621
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.16.012 文章编号：0258-8013 (2014) 16-2621-08 中图分类号：TM 71
摘要：针对微网的特性及发展趋势，将需求侧处理成一种可 以主动参与微网规划与运行的电源(即负荷减少的等效作 用)，而不仅仅是被动接受电能的负荷，构建含需求侧响应 具体措施——直接负荷控制建模的微网综合资源规划模型。 以一个包含风机、光伏电池、蓄电池储能、柴油机及部分可 控负荷(空调负荷)的微网为例，运用非线性规划工具求解综 合资源规划模型，算例结果验证了该方法的有效性。通过需 求侧响应主动参与规划削减峰荷，可以实现微网系统规划总
2622
中国电机工程学报
第 34 卷
发展为该研究提供了较为便利的硬件条件。在微网 的规划中开展同时考虑供应侧和需求侧资源的研 究是合理而适时的。
这种计及需求侧资源的综合资源规划 (integrated resources planning，IRP)并不是新的概 念。随着 20 世纪 70 年代的能源危机爆发后，电力 部门逐渐意识到需求侧资源也可以作为同等的能 源 备 选 项 来 达 到 功 率 平 衡 的 目 的 ，“ 综 合 资 源 规 划”应运而生[10]。综合资源规划是指把电力供应侧 和需求侧的各种形式的资源综合成一个整体进行 电力规划，通过高效、经济、合理地利用供需侧资 源潜力，在保持能源服务水平的前提下，使整个规 划系统的社会总成本最小。目前国内外综合资源规 划研究侧重于大电网大容量的电源规划[11-13]。其方 法无法直接应用于容量较小的微网中，原因在于： 1）其负荷一般采用负荷持续曲线建模，未考虑时 序特性[14]；2）它的需求侧管理具体措施建模研究 较少，一般只是在约束条件中涉及。
t ≥ zd + 1；a1 = t − zd。
该等式右侧第 2 项求得了由于中断作用，在第
t 时段中断的负荷量；第 3 项求得了由于补偿作用，
在第 t 时段补偿的负荷量，f (t)叠加这 3 项则得到了
新的第 t 时段的负荷需求。
2 微网各微源模型
2.1 微网模型 本文算例研究的微网系统由风电机组，太阳能
电池，柴油机，储能蓄电池以及负荷构成。其中负 荷分为不可控负荷与可控负荷两类，可控负荷可在 高峰期被负荷控制装置主动切断，减少负荷需求， 起到虚拟微源的作用，故与电网交流母线的电能交 换采用了双向符号表示。微网系统结构见图 1。 2.2 风机模型
风力发电机的出力与风机转轴高度处该时刻 的平均风速与风机的输出特性有关，风机出力的数 学建模[21]如下：
第 16 期
朱兰等：计及需求侧响应的微网综合资源规划方法
2623
交流母线
风电机组 太阳能电池
蓄电池
逆变器 逆变器 变流器 柴油机
不可控负荷 可控负荷
图 1 本文微网结构图 Fig. 1 Structure of the studied microgrid
计及需求侧响应的微网综合资源规划方法
朱兰 1，严正 1，杨秀 2，符杨 2
(1．电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市 闵行区 200240； 2．上海电力学院电气工程学院，上海市 杨浦区 200090)
Integrated Resources Planning in Microgrid Based on Modeling Demand Response
本文将在微网中研究一种结合需求侧响应具 体措施建模的基于时序仿真的综合资源规划方法。 以国外实施较为成熟的直接负荷控制(direct load control，DLC)为例，将需求侧资源(直接负荷控制) 与供应侧资源同等对待，实现社会总成本最小的微 网规划目标。在我国，直接负荷控制一度因为硬件 方面缺乏先进计量、控制等技术支持而发展速度很 慢[15]，在智能电网建设的背景下，作为一种简单、 实用的负荷管理手段，正得到越来越多的重视和发 展。随着我国电力工业市场化程度的提升，需求侧 资源在市场中的作用正越来越重要，传统的将需求 侧作为被动接受的“负荷”的观念要逐步摒弃[16]， 本文所提的方法可为微网负荷主动参与电网规划 与运行提供借鉴。
2. School of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China)
ABSTRACT: According to the characteristics and development trend of microgrid, demand-side is treated as a kind of possible power supply (equivalent effect of reduction of the load) which can actively participate in the planning and operation in microgrid, instead of being pure load. An integrated resources planning model considering direct load control (one of demand responses) in microgrid was proposed. A typical microgrid consisting of a wind turbine, a photovoltaic, a storage battery, a diesel engine and controllable loads was selected as a case study in which a nonlinear programming tool was used for solving integrated resource planning model. The validity of the proposed model was proved. It can be achieved to minimize the total cost of system planning by using demand response to actively participate in the planning. Depth discussions for the case were done to give comparative analysis of different control strategies, parameters and costs and more planning proposals were given.
荷。直接负荷控制一般针对短时间停电对其供电服
务质量影响不大且具有热能储存能力的负荷(如空 调和电热水器)，由于空调负荷在上海地区峰荷的 40%左右，本文选取微网中的空调负荷作为可控负 荷，在系统高峰负荷时段可以对这类负荷进行控
制，从而改变负荷曲线，达到降低系统峰荷，实现
微网系统规划总成本最小的目标。
1 直接负荷控制
直接负荷控制是一种负荷整形的需求侧响应 措施，由电力公司在峰荷时段利用监控信号切断受 控负荷与系统的联系，从而降低峰荷，提高负荷率， 并尽可能降低对电力公司和用户的影响。
直接负荷控制数学模型已有较多研究[17-20]，本 文采用文献[17]的经典直接负荷控制模型，其原理 简单易操作，比较适合规划阶段。该文直接负荷控 制策略包含全时段控制策略、单时段控制策略和两 时段控制策略。全时段控制策略指受控负荷的中断
成本最小的目标。算例的深入探讨给出了不同直接负荷控制 策略、参数、成本下的对比分析，提出了规划建议。
关键词：微网；综合资源规划；需求侧响应；直接负荷控制； 非线性规划
0 引言
微网是由分布式电源、储能单元、负荷以及监 控、保护装置组成的自治系统，与大电网协调或独 立为负荷供电。微网在分布式能源的高效应用以及 灵活、智能控制方面表现出很大的潜力，已经成为 很多发达国家发展电力行业、解决能源问题的主要 战略之一。
段；b 为每一组受控负荷的功率；c(n)在 n ≤ d 时为 1，
否则为 0；p(n)为补偿策略系数；f (t)为 t 时段原始负
荷需求；P(t)为 t 时段受控后负荷需求；N 为分析的
时 段 总 长 度 ( 注 ： 以 15 min 为 一 个 时 段 ) ； a0 =
max{1, t − zd + 1} ； a1 = max{1, t − zd − p + 1} ， 对 于
微网建设前期的规划设计是微网研究中重要 的课题。通常根据可利用的能源情况和微网负荷要 求，以经济性或供电可靠性等最优为目标进行优 化，确定微网中分布式电源的类型、容量。目前微 网的规划研究主要包括以下几方面：微网规划模型 及算法[1-3]、微网储能优化配置[4-5]、含微网的配网 规划研究[6-7]、微网规划设计软件开发[8-9]等。上述 文献从不同角度开展微网规划的课题研究，对于供 应侧微源建模细致，需求侧的处理却相对简单，仅 依据负荷预测的结果或考虑一个能效系数等建模， 未 涉 及 运 行 阶 段 可 能 实 施 的 需 求 侧 响 应 (demand response，DR)具体措施对负荷时序曲线的影响。微 网中负荷较具体，特性数据可以调研获得，这为微 网规划中开展含需求侧响应建模的研究提供了物 理基础；另一方面，现今智能配电网中的高级量测 体系(advanced metering infrastructure，AMI)技术的
ZHU Lan1, YAN Zheng1, YANG Xiu2, FU Yang2
(1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Minhang District, Shanghai 200240, China;
时段为该类负荷最大允许中断时段；单时段控制策
略是指受控负荷的中断时段为最大允许中断时段
的一半；两时段控制策略是指分两次完成负荷中
断，每次中断时段为最大允许中断时段的一半，两
次中断时段之间有一个最小中断间隙的要求。负荷
在中断阶段与系统断开从而停止从电网获得电能，
随后将试图恢复到切断前的负荷水平，形成反弹负
采用全时段控制策略直接负荷控制后的负荷
表示为式(1)，其他控制策略可以以此类推。
t
a2
∑ ∑ P(t) = f (t) − bc(t+1−i)e(i) + bp(t−Zd +1−i)e(i) (1)
i = a0
i = a1
式中：t = 1,2,⋅⋅⋅, N；e(i)为第 i 个时段开始的受控负
荷组数；zd 为中断时段；p 为该控制对应的补偿时
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2011AA05A106)；上海市科 委重点科技攻关计划(11dz1210405)。
The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2011AA05A106); Key Technology R&D Program of Shanghai (11dz1210405).
第 34 卷 第 16 期 2014 年 6 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Байду номын сангаас
Vol.34 No.16 Jun.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 2621
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.16.012 文章编号：0258-8013 (2014) 16-2621-08 中图分类号：TM 71