一种基于需求响应的配电网供电可靠性评估方法
专利汇可以提供一种基于需求响应的配电网供电可靠性评估方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于需求响应的配 电网 供电可靠性评估方法。其方法步骤为：1建立基于分时电价的需求响应模型；2建立改进的基于需求响应的负荷优化模型；3对优化后的负荷曲线，利用二分法进行优化分级，求最佳分级数；4建立改进的基于二分法的聚类负荷分析可靠性评估 算法 ；为计算方便，将聚类负荷区间变为单调递增的形势。本发明有效的解决了基于需求响应的配电网供电可靠性评估问题。，下面是一种基于需求响应的配电网供电可靠性评估方法专利的具体信息内容。
1.一种基于需求响应的配电网供电可靠性评估方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：建立基于分时电价的需求响应模型；
(1) 时段划分
作为峰谷分时电价的定价基础，峰谷时段划分必须能够正确的反映出实际负荷曲线的峰谷特性，并有效的与电力需求相衔接；峰谷时段的划分大致分为三步：首先，按照运行状况运用模糊聚类方法将系统运行划分为峰时段Ton、谷时段Toff、平时段Tmid三个基础时段；
然后，通过对比各时段区间分界时刻点电力用户负荷曲线比重结构特征的变化情况，评估各时刻点的电力用户分时电价的响应程度；最后，融合各时刻点需求相应评估结果，修正调整基础时段划分区间；
(2) 价格弹性系数
电力价格弹性系数是电力需求量变动对价格变动的反应程度，即电力需求量的变化率与电力售价变化率的比值；如式(1)所示：
（1）
式中， 代表电力需求改变量， 代表电力需求量， 代表用户电价改变量， 代表用户电价;
执行峰谷分时电价后，用户在某一时段的电力需求不仅受当前电价水平的影响，而且还要受到其他时段的电价水平的影响；用户的电量在各时段之间是有替代效应的；因此根据峰、平、谷三时段的电量分配和电价设置，形成峰谷电力价格弹性矩阵，如下式(2)所示：
（2）
式中， 、 和 分别表示峰、平、谷三个时段的电力电量改变量；
、 和 分别表示峰、平、谷三个时段的用户电价改变量；
在峰谷电力弹性矩阵中，由于不同时段的电力商品之间为互补关系，因此，弹性矩阵中自弹性系数为正值，而交叉弹性系数为负值；各弹性系数数值的大小利用多元回归分析原理，通过统计大量历史数据值求得；
(3) 引入分时电价后的负荷修正量
分时电价的实施不仅使用户降低自身的用电量，最重要的还是将电力负荷从高电价时段转移到低电价时段，起到削峰填谷的作用，电力电量改变量如上式(2)所示，进而得到相应的负荷的改变量，如下式(3)所示：
（3）
式中， 为相应的小时数； 和 分别为实施峰谷分时电价
前后的第t个小时的负荷；
第二步：建立改进的基于需求响应的负荷优化模型；
(1) 优化目标
需建立一个考虑电价差的分时电价优化模型；
建立一个考虑峰负荷值最小及峰谷负电量荷差值最小的多目标优化函数：
峰负荷最小值为
（4）
峰谷负荷差最小值为
（5）
其中，Q是用户的用电量，t是该时段的持续时间， 代表谷时段电价和平时段电价的差值， 代表峰时段电价和平时段电价的差值；
(2) 约束条件
约束条件考虑电网及和电力市场的基本约束条件，主要包括供电方收益、用户侧受益、用电总量不变，谷成本低于边际成本；
供电方收益：
实施需求响应后，必将起到削峰填谷的作用，这会大大降低供电方的发电成本；实施需求响应前后供电方收益关系如下式所示：
（6）
式中， 表示利益转让系数，表示因为削峰作用引起的供电减少而接受的利益转移百分比； 表示分时电价实施后的供电方收益； 表示实施分时电价前的供电收益；
用户侧受益：
由于需求响应的实施效果很大一部分取决于用户的参与情况，为此，需给予用户一定的补偿才能有效保证需求响应的效果，即用户参与需求响应后的平均价格是至少不能增加的：
（7）
式中， 表示用户参与需求响应后的用户平均价格； 表示未实施需求响应是的用户平均价格；
用电总量不变
为了方便计算，假设用户实行峰谷分时电价之后前后的用电量是保持不变的；
（8）
式中， ， 和 分别表示峰、平、谷时段的用电量； 表示实施需求响
应前的用户用电量；
边际成本约束：
在谷时段时，电价不应该低于谷时段供电的边际成本：
（9）
式中， 表示谷时段时的电价； 表示谷时段供电的边际成本；
价格序关系约束：
峰时段的电价应该高于平时段的电价，平时段的电价应该高于谷时段的电价，即：
（10）
式中， ， 和 分别表示峰、平、谷时段的电价；
该优化问题的求解是采用模糊优化理论对峰谷分时电价模型进行连续优化，综合考虑各个单目标最优解和多目标满意解之间的相互关系，寻求得到使各个目标都处于较优状态的最客观的峰谷分时电价；
第三步：对优化后的负荷曲线，利用二分法进行优化分级，求最佳分级数；
(1) 模型的显著性水平
最优的分级、聚类方案应该达到如下的效果：各个负荷级之间差值较大、同一负荷级内各负荷点之间的差值较小；
根据概率统计理论，用显著性水平来表征分级、聚类方案的好坏；
模型的显著性水平越高，说明分级、聚类的效果越好；
定义如下指标：
模型的显著性水平 ：
（11）
其中， 为负荷级间距离的最小值； 为同一负荷级内各个负荷点的标准差的最大值； 、 根据式（12）、（13）计算得到；
假设年负荷曲线的N个小时负荷点被分为 个负荷级，第i负荷级的负荷值为 ，负荷点数目 、负荷点集合为 ，则：
（12）
其中， ，它表示第 负荷级与第 负荷级之间的距离， 取其中的
最小值；
（13）
其中， ，它表示第 负荷级的级内标准差， 取其
中的最大值；
(2) 模型的最佳分级数
分级、聚类的效果用模型的显著性水平来评价，把模型显著性水平最高的分级、聚类方案作为最终负荷模型，对应的分级数为模型的最佳分级数；
为了快速地确定最佳分级数 ，本文采用二分法的原理进行查找：
假设年负荷曲线的N个小时负荷点的最小分级数为 ，最大分级数为 ；显然最佳分级数 ；假如N个小时负荷点各不相同，不难看出 和 的初始值
分别为1和N；当分级数取中间值 时，计算模型的显著性水平，如果
显著性水平 ，比较 、 和 之间的关系，若
且 则停止查找， ；若模型的显著性水平处于递增的趋势即
，表明最佳分级数 ，在 中
继续查找；若模型的显著性水平处于递减的趋势即 ，表明最
佳分级数 ，在 中继续查找，直到找到最佳分级数为止；
第四步：建立改进的基于二分法的聚类负荷分析可靠性评估算法；
对于考虑负荷变化的配电网供电可靠性评估算法常采用聚类分析法；其计算过程如下：
安排计及负荷曲线的可靠性评估算法中应按照每枚举一个故障时，就计算出其在不同负荷水平下的潮流约束；
在考虑利用聚类负荷曲线 情况下，共轭负荷矩的二次潮流估
算方法；
假设已在第k个负荷水平 下计算节点m的电压，按照共轭负荷矩定义，得如下式子：
（14）
式中， 表示在负荷水平 下，节点m在联络开关闭合前的共轭负荷矩；
当全网络的负荷水平按相同比例增加为 ( ，C为常数)时，有共
轭负荷矩可线性叠加的特点，这时的共轭负荷矩表示为 ；这时节点m的
电压表示为：
（15）
对于配电网有： 〈〈 ，且 ，若 ( )时，认 为
，有：
（16）
用式(16)计算在联络开关闭合前，与联络线直接相连的各节点在下一个负荷水平的电压，并用 实现送端馈线潮流估计和受端馈线实现下一个负荷水平的潮流估计和负荷削减策略的确定；为计算方便，将聚类负荷区间变为单调递增的形势。
一种基于需求响应的配电网供电可靠性评估方法
技术领域
发明内容
(1) 时段划分
作为峰谷分时电价的定价基础，峰谷时段划分必须能够正确的反映出实际负荷曲线的峰谷特性，并可以有效的与电力需求相衔接。峰谷时段的划分大致可分为三步：首先，按照运行状况运用模糊聚类方法将系统运行划分为峰时段Ton、谷时段Toff、平时段Tmid三个基础时段；然后，通过对比各时段区间分界时刻点电力用户负荷曲线比重结构特征的变化情况，评估各时刻点的电力用户分时电价的响应程度；最后，融合各时刻点需求相应评估结果，修正调整基础时段划分区间。
(1)
式中， 代表电力需求改变量， 代表电力需求量， 代表用户电价改变量，代表用户电价。
式中， 、 和 分别表示峰、平、谷三个时段的电力电量改变量；
、 和 分别表示峰、平、谷三个时段的用户电价改变量；
在峰谷电力弹性矩阵中，由于不同时段的电力商品之间为互补关系，因此，弹性矩阵中自弹性系数为正值，而交叉弹性系数为负值。各弹性系数数值的大小可利用多元回归分析原理，通过统计大量历史数据值求得。
(3)
式中， 为相应的小时数； 和 分别为实施峰谷分时电价
前后的第t个小时的负荷。
传统的分时电价优化模型一般以峰谷负荷差最小、供电方收益最大、用户受益最大等为优化目标函数。而现有的目标函数中决策变量一般只考虑时间，而电价差的大小最直接的体现就是用户对分时电价的响应程度，差值过大会降低供电方的收益，差值过小又会降低用户的参与度，为此需建立一个考虑电价差的分时电价优化模型。
(4)
峰谷负荷差最小值为
(5)
其中，Q是用户的用电量，t是该时段的持续时间， 代表谷时段电价和平时段电价的差值， 代表峰时段电价和平时段电价的差值。
(6)
式中， 表示利益转让系数，表示因为削峰作用引起的供电减少而可以接受的利益转移百分比； 表示分时电价实施后的供电方收益； 表示实施分时电价前的供电收益。
(7)
式中， 表示用户参与需求响应后的用户平均价格； 表示未实施需求响应是的用户平均价格。
(9)
式中， 表示谷时段时的电价； 表示谷时段供电的边际成本
价格序关系约束：
峰时段的电价应该高于平时段的电价，平时段的电价应该高于谷时段的电价，即：
(10)
式中， ， 和 分别表示峰、平、谷时段的电价。
最优的分级、聚类方案应该达到如下的效果：各个负荷级之间差值较大、同一负荷级内各负荷点之间的差值较小。根据概率统计理论，可以用显著性水平来表征分级、聚类方案的好坏。模型的显著性水平越高，说明分级、聚类的效果越好。因此本文定义如下指标：
模型的显著性水平 ：
(11)
其中， 为负荷级间距离的最小值； 为同一负荷级内各个负荷点的标准差的最大值。 、 可根据式（12）、（13）计算得到。
其中， ，它表示第 负荷级与第 负荷级之间的距离， 取其中的最
小值。
中的最大值。
的初始值分别为1和N。当分级数取中间值 时，计算模型的
显著性水平，如果显著性水平 ，比较 、 和 之间的关
系，若 且 则停止查找， ；若模型的
显著性水平处于递增的趋势即 ，表明最佳分级数
，在 中继续查找；若模型的显著性水平处于递减的趋势即
，表明最佳分级数 ，在 中继续
查找,直到找到最佳分级数为止。
对于大规模网络而言，在每个负荷水平下都进行一遍故障枚举，并记录每个元件故障时对应的负荷削减序列都会消耗大量的存储空间，且增加了编程和调试的难度。由于，若一种类型故障的负荷削减策略不发生变化，其对应的负荷削减序列就不会发生变化，所以在安排计及负荷曲线的可靠性评估算法中应按照每枚举一个故障时，就计算出其在不同负荷水平下的潮流约束。
(15)
对于配电网有： 〈〈 ，且 ，若 ( )时，可认为
，因此有：
(16)
因此，可用式(16)计算在联络开关闭合前，与联络线直接相连的各节点在下一个负荷水平的电压，并用 实现送端馈线潮流估计和受端馈线实现下一个负荷水平的潮流估计和负荷削减策略的确定。为计算方便，将聚类负荷区间变为单调递增的形势，这样，在进行下一个负荷水平的负荷削减之前，上一个负荷水平中已被判断为削减的节点和用户仍旧保持在削减状态，这将大大减少计算的时间。
对K个小时负荷点进行快速排序，形成由小到大排列的数组L(L数组的长度为Length)。L中的各个元素应该互不相同，即在排序过程中将相同负荷值得负荷点合并。
然后，通过上述负荷曲线优化模型对十二个月的负荷曲线分别进行优化；最后，将优化后的十二个月的负荷曲线拟合成年负荷曲线，以方便后续可靠性评估运用方便。
(1) 快速排序
对K个小时负荷点进行快速排序，形成由小到大排列的数组L(L数组的长度为Length)。L中的各个元素应该互不相同，即在排序过程中将相同负荷值得负荷点合并。
然后，通过上述负荷曲线优化模型对十二个月的负荷曲线分别进行优化；最后，将优化后的十二个月的负荷曲线拟合成年负荷曲线，以方便后续可靠性评估运用方便。
具体实施方式
表1 分时电价时段划分
依据上文介绍的电力弹性相关知识，在本文中选取利益转让系数 ，实施分时电价前的电价为1.00元/度，谷时段边际成本为0.30元，弹性系数矩阵为：
再利用模糊优化理论对多目标优化方案进行连续优化，可得分时电价的优化结果如下表2所示：
表2 优化后的分时电价
峰时段电价(元/度)平时段电价(元/度)谷时段电价(元/度)
1.3451 1.1065 0.5084
第二步：通过分时电价的实施得到的优化负荷曲线结果如下：
当分时电价方案确定下来之后，就根据不采用分时电价及优化后的分时电价两种方案得到相应的负荷曲线，如下图2所示。从图上可以看出实施分时电价后的负荷曲线得到了很好的改善，起到了削峰填谷的效果。
速排序方法可知该负荷曲线共有4329个互不相同的负荷点，因此最大分级数为4329，在此基础上建立基于二分法的聚类负荷模型，并得到最佳分级数和显著性水平，如下表3所示：
表3 各负荷模型的显著性水平
由表3可知，该分级模型能够根据年负荷曲线特点去确定最佳分级数。通过上表分析可知，只有当采用二分法进行优化分级时，计算得到的模型显著性水平才能达到最大，分级、聚类效果才能达到最好。
方案2：采用分时电价但未采用二分法进行分级优化；
方案3：采用分时电价且采用二分法进行分级优化。
分析上述评估结果可得如下结论：
(1) 比较方案1和方案2的评估结果可知，分时电价的实施确实能提高配电网的供电可靠性。尤其是年缺电电量指标ENS，由上文可知，该指标的变化与负荷曲线的变化趋势相一致，分时电价的引入改善的原负荷曲线峰负荷值过大的问题，防止了ENS由于负荷骤然变大造成的突变。而SAIDI、CAIDI和ASAI也因年平均停电时间的降低得到了不同程度的改善。
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