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摘要：在柔性负荷和高比例可再生电源并网的背景下，需求响应在电力系统的构建中越来越重要。近年来，一些国家在电力市场监管的改革，让需求响应机制在电力系统得以有效结合。通过灵活的机制配置，自来水系统是节能机制的理想选择。而出于经济和运行考虑，这些系统往往独立于电力系统运行进行管理。自来水系统的灵活性纳入电力系统运行，就必须有足够的经济可行性和水需求风险管理。本文研究国外自来水系统参与电力现货市场的机制，对于优化水系统中的泵调度，同时在高峰时段在现货电力市场中进行交易，给国内正在进行的电力市场改革提供参考。
关键词：需求响应；自来水系统；电力现货市场
1. 引言
《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（中发〔2015〕9号文）为标志的新一轮电力体制改革提出了“三放开、一独立、三强化”的改革方向和实施路径，正式吹响了我国新一轮电力体制改革的号角。在进一步完善政企分开、厂网分开、主辅分开的基础上，按照管住中间、放开两头的体制架构，有序放开输配以外的竞争性环节电价，标志着我国电力市场建设进入了一个新阶段，电力现货市场改革不断深入，电力市场建设将不断完善。
面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，党的十八大后，习近平总书记提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略，为我国能源发展和战略转型指明了方向。预计到2050年，我国能源发展会出现“两个50%”，即在能源生产环节，非化石能源占一次能源的比重会超过50%；在终端消费环节，电能在终端能源消费中的比重会超过50%。
能源转型涉及输电和配电网络运行方式的重大变化。在供应方面，世界正在经历可再生分散式发电的大规模整合。在需求方面，世界正在经历电力消耗的快速增长[1]。
由于电力存储容量低，这些变化使得电力系统的平衡变得非常困难，并且意味着更需要开发有效的需求侧管理[2]，或者需求响应（DR）。这需要能源市场上的灵活消费者，使他们的电力需求适应电力市场的发用电平衡。
本文介绍法国自来水系统的灵活调峰潜力，以及DR直接交易到现货市场的模型，对国内正在改革的电力现货市场提供建议。
2. 自来水系统参与调峰模型
本节介绍了自来水系统灵活调峰潜力，然后介绍其中特定DR机制。
2.1. 水系统灵活性
自来水系统可占城市总用电量的5％，超过三分之二用于电泵[4]。电泵是高能耗的，它们连续运行以确保水箱和水库具有足够的水量。而储存器、储罐等存储单元和变速泵的存在，自来水系统具有相当大的电气灵活性，这种灵活性可以用于优化能源利用，通过不同时间用电优化水泵的使用。在过去几年中，智能电网技术取得了快速进展，使得自来水泵可以像灵活的消费者一样，通过调整他们的电力消耗来满足电力系统的需求。
2.2. 国外参与需求响应
在国外，比如法国，DR运营商与能源供应商竞争取得消费者用能的灵活调节。因此，未经供应商事先同意，他们可以在电力市场上DR交易[6]。出于这种激励机制，使得不同市场参与者参与金融交换和能源流动。
2014年，法国建立了一项名为“NEBEF”的机制，即允许在现货电力市场直接以资源的形式DR交易。在这种情况下，DR运营商在中午D-1销售，消费者不会在第D天消费电力，但在经济上补偿。NEBEF机制见图1。换句话说，DR运营商以规定的价格（称为补偿金）从供应商处购买能源，用以补偿他注入网络的能源。供应商则继续按计划进行注入，DR运营商在现货市场上销售消费者剩余的能量。
图2 负荷削减与参考时段示意图
2.3最优水管理系统
在本节中，介绍法国的系统评估有DR参与的最佳水系统管理，根据现货市场，分析投标策略。最后，介绍利用水系统灵活调节进行电力需求响应的好处。
以法国的一自来水系统为基准，其中包括一个生产工厂，11个泵站和14个分配水库。该系统的平均日供水量在冬季约为50000立方米。
获取该系统冬季32种情景的历史数据。这些情景用于建立预测的每小时的最大和最小需水量概况。极端需求下通过在一定比例的历史情景中采用上下封套来构建。选择计算包络的方案使得最大和最小包络之间的区域最小。如图3所示，每小时需水量曲线类似于电力负荷曲线。通过在固定数量的25个场景中采用上限和下限来构建极端需求，对应于80%的场景。选择80%的值是因为它对应于对不确定性的安全控制水平。
数值使用了2016年冬季的数据，对应于18：00到20：00之间的现货和补偿价格。现货价格则是在法国电力交易所（Epex Spot）网站公布历史价格。2016年冬季高峰时段的补偿价格为56.10欧元/兆瓦时。
图4 系统理论电能消耗量图
如图4所示，在高峰时段（06：00至20：00），水系统的泵送操作最小化，以满足最低成本的需求。同时，为了预测可能的水需求预测误差，水箱水位逐渐降低，没有达到最低安全水平（见图5）。然而，在非高峰时段（20：00至06：00）观察到更高的泵活动，以利用便宜的电费。在DR期间，随着抽水作业最小化，水箱水位下降，但由于预期出现意外的水需求危害，水箱未达到最低安全水平。另一方面，一些高峰时段也有泵活动：
1）上午水高峰期08：00时对水的需求是非常高的；
2）中午13：00预测水需求障碍；
3）在DR前的基准期（16：00至18：00）为DR期（18：00至20：00）做水储备。
图6 电价影响下负荷峰值较少值
另一方面，DR峰值负载减小曲线与电力系统的需求相关。高价格时期对应于市场上最紧张的供需平衡期，在这期间，最需要高成本的高排放化石发电机组以及最有用的DR。
对于经济分析和2016年冬季考虑的所有市场价格情景，我们进行了比较：
1）不考虑DR的泵调度日的经济成本，与经典的泵调度问题相对应。
2）有DR参与的抽水调度日的经济成本，其中经济成本等于抽水成本减去DR经济效益，取决于考虑的市场价格情景。
这项比较研究的目的是强调通过NEBEF机制的DR可以为水务公司带来的经济利益。
3.总结
储水罐和水库等储水单元的存在使自来水系统具有灵活性，这种灵活性可以通过需求响应参与电力市场。本文介绍水系统操作员参与DR机制，例如NEBEF机制，降低负荷峰值和减少二氧化碳排放，并从电费中获得经济收益。这种模式使得正在进行电力市场改革在水务系统中制定规则提供一个参考范例。
参考文献：
[1] World Energy Council.（2018）.World energy resources 2018. https：//www.worldenergy.org/publications/2018/world-energy-resources-2018.
[2]“The benefits of customer participation in wholesale electricity markets，” R.N.Boisvert，P.A.Cappers，and B.Neenan，The Electricity Journal，vol. 15，no. 3，pp. 41-51，Apr. 2002，DOI：10.1016/S1040-6190（02）00277-4.
[3]“Optimal industrial load control in smart grid：A case study for oil refineries，” A.Gholian，H. Mohsenian-Rad，Y. B. Hua，and J. Qin，Proc. IEEE Power & Energy Society General Meeting，Vancouver，2013，pp. 1-5.
[4]“Closing the loop in water supply optimisation，”，S. Bunn，Proc，IET Water Event，2007，pp.71-82.
[5]Reducing the GHG footprint at water and wastewater utilities in the US and the UK. Derceto Inc. http：//www.derceto.com/pod-files/TheBunnReport/110301_Derceto_BunnReport_GHG_March2011.pdf.
[6]“Demand response and smart grids—a survey，”P. Siano，Renewable and Sustainable Energy Reviews，vol. 30，pp.461-478，Feb. 2014，DOI：10.1016/j.rser.2013.10.022.
[7]“Demonstrating demand response from water distribution system through pump scheduling，”R. Menke，E. Abraham，P. Parpas，and I. Stoianov，Applied Energy，vol. 170，pp. 377-387，May 2016，DOI：10.1016/j.apenergy.2016.02.136.
论文作者:张兴桥
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/25
标签：电力论文; 需求论文; 系统论文; 市场论文; 自来水论文; 现货论文; 能源论文; 《建筑细部》2019年第9期论文;