高耗能工业负荷参与电网调峰辅助服务的探索

陈玉伟，吴夕纯，周 林

(国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

为支撑国家“双碳”战略目标，推动能源结构转型，以风电、光伏等新能源为主导的新型电力系统已成为我国电力能源转型的发展趋势。新能源的高比例接入加剧了电网的随机性波动，仅依靠发电侧常规电源有限的灵活性资源已难以满足电网稳定运行的需求，加快挖掘响应速度快、成本低的负荷侧灵活性资源，为电网功率平衡提供辅助服务，已是电网转型发展的必然要求[1-2]。工业用户作为最大的电力消费主体，其负荷灵活性资源的价值开始引起广泛关注。工业和信息化部出台的《工业领域电力需求侧管理工作指南》指出，要大力鼓励工业用能单位积极参与需求侧响应。随着电力辅助服务的不断推进，工业用户负荷的灵活性价值将被优先挖掘和应用，为电网调峰调频提供常态化服务。

因此，以高耗能工业负荷为例，对其需求侧响应的适应性和负荷灵活性进行分析，在此基础上，选取纺织企业为研究对象，建立以用电成本最小化为目标函数的柔性作业调度数学模型，对其在需求侧响应方面的策略进行探索，并结合湖州电网2022 年迎峰度夏期间移峰填谷的实践情况，对高耗能工业负荷参与需求侧响应的有效性进行验证。

1 高耗能工业负荷适应性及灵活性分析

1.1 适应性分析

工业负荷是国内最大的电能用户，其中仅高耗能企业用电量就约占全社会用电量近50 %。在传统运行控制模式下，高耗能工业(如钢铁、水泥、纺织、化工等)日负荷率平稳集中，基本不向电网提供灵活性响应[3]。与其他用电负荷相比，新型电力系统下高耗能工业负荷的灵活性资源价值具有多重优势，更适应参与电网调峰辅助服务：一是单体容量大、物理集中，单个用户即可提供较大的灵活性响应容量；二是气候敏感度低，灵活性响应资源基本不受季节性影响；三是企业数字化、智能化水平高，各类用电设备可自动灵活控制，响应迅速，直接改造成本低；四是工业电价峰谷差大，用户参与需求侧响应积极性高；五是法人资格明确，资产归属清晰，以大用户身份参与市场门槛低，软环境相对宽松。

1.2 灵活性分析

根据高耗能企业用电设备类型和生产流程特点，各典型高耗能负荷的灵活性响应模式和潜力分析如下。

1) 温度控制模式，如电解、制冷等流程，涉及生产环境温度控制。在确保一定时段内输入输出热平衡的前提下，该类工业用户可通过调节生产设备内外部温度，实现用电负荷在一定范围内灵活调节，其温度调节范围的大小决定了该类负荷灵活调节的潜力。

2) 生产节奏模式，如钢铁企业轧钢等环节。其生产设备虽多为连续运转，但各类产品的生产过程却是间断的，该类工业用户可通过对生产节奏的灵活控制实现负荷动态调整，其生产节奏的快慢直接决定负荷灵活调节的潜力。

3) 仓储容量模式，如水泥、纺织等生产，为保证生产过程连续性，会根据生产特点备有一定的仓储容量。当生产过程中某一中间环节突发故障时，可对上一环节半成品进行暂时保存，并调用仓储库内的其他中间产品以维持后续生产过程的连续性。该类工业用户可通过在一定时长内关停某些生产设备的方式，实现企业负荷的柔性调节，其仓储容量的大小决定了企业负荷灵活调节的潜力。

2 纺织企业参与调峰辅助服务的策略分析

纺织企业是一种常见的高耗能工业用户，为全天连续生产模式，其生产过程可以简化为如图1 所示的一条线性生产网络[4]。在生产网络内，上下游机器之间引入有缓存仓储，以保障某一中间环节突发故障时后续生产过程的连续性。通过调节上下游机器的启停组合，以实现生产负荷灵活调节，同时形成纺织企业参与调峰辅助服务的策略。

图1 纺织企业生产过程

工业生产中将求解各机器之间最优启停组合，实现企业生产效益最高的资源规划分配问题称为柔性作业调度问题(flexible job-shop scheduling problem，FJSP)[5-6]。纺织企业的负荷调节行为即可归属到柔性作业调度问题。因此，以下采用柔性作业调度方法对纺织企业参与调峰辅助服务的策略进行分析。

2.1 柔性作业调度数学描述

首先建立纺织企业柔性作业调度的数学模型。在柔性作业调度下，纺织企业参与调峰辅助服务，企业设备用电成本最小化的目标函数可表示如下。

式中：FM，t、FC，t分别表示时段t内机器与缓存仓储的用电成本函数，可近似认为与每台机器的生产对象个数和仓储对象个数成正比；ΔP为企业移峰电量；w为激励补偿系数，这是将其设置为0.65元/kWh。

以图1 所示的线性生产网络为例，假定纺织企业所有待生产对象必须依次经过每一台机器加工直至最后一台机器，才能最终加工为成品，则图1 所示生产网络过程约束可按公式(2)～(5)进行描述。

式中：Mt，i、Ct，j分别表示时段t中第i台机器与第j个仓储中生产对象的个数；为第i台机器与第j个仓储对应时段的最大生产个数和最大缓存个数；式(4)为机器的行为约束，表示时段t中第i台机器的加工数量不大于上一时段上一级机器和仓储中的产品数量之和；式(5)则为仓储中缓存对象流入、流出之间的平衡约束。

进一步假定在每一个调度周期开始(t=1)和结束(t=T)时，所有缓存仓储中均没有半成品，则有如下约束。

最后，生产网络除满足上述约束外，还应满足一个调度周期内最小目标生产数，记NTAR为一个调度周期内最小目标生产数，则：

2.2 决策分析

结合图1，构建一条共由5 台生产机器和4 个缓存仓储组成的纺织企业生产网络，生产机器和缓存仓储的参数如表1 所示。

表1 生产机器和缓存仓储的参数

假设电力市场为工业用户调峰辅助服务提供的价格型激励分时电价表如表2 所示。

表2 分时电价

将企业一天生产过程均分为T=24 个生产调度时段，规定一条生产网络在一个调度周期的生产任务为25 个生产对象，每个生产对象代表纺织工业中的1 000 m 机织染整布。基于表2 所示的需求侧响应分时电价表，对目标函数式(1)在式(2)～(8)约束下进行模拟求解，得到纺织企业用电成本最小化生产调度甘特图(见图2)。

图2 用电成本最小化生产调度甘特图

由图2 可知，基于电力市场为纺织企业调峰辅助服务提供的价格激励，纺织企业在满足生产约束的条件下，以柔性调度作业的方式，在尖峰供电时段，将部分机器关停，并将中间产品放入缓存仓储，暂停生产任务；而在低谷供电时段，则启动全部机器，从缓存仓储中取出中间产品，继续后续生产。由此，纺织企业可实现生产负荷的动态调节，主动避开电网尖峰供电时段，通过主动参与电网调峰辅助服务，保障了电网安全经济运行。

3 运行实践

近年来，湖州电网负荷增长迅速，在电网发用电平衡和柔性保供方面时刻面临着较大压力。为此，国网浙江省电力有限公司湖州供电公司以电力辅助服务市场建设为契机，对高耗能工业用电负荷的灵活性进行挖掘分析。针对纺织工业、金属制品业等具备较高灵活性资源潜力的高耗能工业大户，以政企联动为模式，全力推动其进行负荷需求侧响应改造，建立起电网运行所需的灵活性资源常态化响应机制，为电网提供安全、可靠的辅助服务，不仅实现了企业自身用电成本的最小化，还通过削峰填谷等方式高效应对了负荷高峰时段电网电力供应紧张的挑战。

在2022 年迎峰度夏期间，以纺织业、金属制品业为代表等工业用户在电网供电高峰时段主动参与需求响应，通过柔性作业方式将6 万kW 左右的工业负荷调整到夜间低谷供电时段(见图3)。在保证企业正常生产的同时，有效缓解了电网供需矛盾及超重载断面越限的情况，实现了电网安全运行和企业用电成本最小化的双赢目标。

图3 工业负荷参与需求侧响应情况

4 结束语

在新型电力系统下，为抵消电源侧新能源出力的随机波动，负荷侧亟待更多的灵活性资源参与电网的功率平衡调节。因此，具有高灵活性资源价值的负荷将更优先受到电网欢迎。与其他用户负荷相比，高耗能工业负荷具有单体容量大、气候敏感度低、设备智能化水平高、准入门槛低等优势，更适应于参与电网调峰辅助服务。

根据高耗能企业用户电设备类型和生产流程特点，以纺织企业为例，在分析其负荷灵活性的基础上，以柔性作业调度为手段，对其参与电网调峰辅助服务的策略进行探索。结果表明在调峰辅助服务提供的价格激励下，纺织企业用户可通过柔性调度作业，实现生产负荷曲线的动态调节，降低用电尖峰时段负荷，完成电网负荷移峰填谷，增强电网运行的安全性。湖州电网2022 年迎峰度夏期间移峰填谷实践情况显示出高耗能工业负荷灵活性资源的价值。随着电网转型发展，应进一步对高耗能工业负荷灵活性资源价值进行挖掘和应用，多措并举引导高耗能工业用户参与电网辅助服务，使高耗能工业负荷在维护电网安全和促进新能源消纳中发挥更为重要的角色，助力推动工业用能从能耗双控到碳排放双控转变。