摘要

 

提出一種家庭柔性負(fù)荷管理和售電公司售電決策協(xié)同優(yōu)化模型。在居民用戶側(cè),利用洗衣機(jī)、熱水器、洗碗機(jī)和電動(dòng)汽車充電過(guò)程的可時(shí)移性和周期性,以及電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能特性,建立了以上述設(shè)備為對(duì)象的柔性負(fù)荷運(yùn)行模型,以家庭用電費(fèi)用最優(yōu)為目標(biāo),制定了動(dòng)態(tài)電價(jià)激勵(lì)下的家庭負(fù)荷優(yōu)化策略,用響應(yīng)程度衡量參與優(yōu)化調(diào)度的用戶比例,并將總用電需求信息傳遞給售電公司;在售電公司側(cè),以售電公司經(jīng)濟(jì)收益最大為目標(biāo),建立了售電決策模型,制定日前購(gòu)電方案和動(dòng)態(tài)電價(jià),并將價(jià)格信息傳遞給用戶,因此構(gòu)成了售用相互協(xié)同的雙層迭代模型。算例基于遺傳算法和yalmip優(yōu)化工具箱進(jìn)行仿真,采用情景分析法處理不同家庭用電需求預(yù)測(cè)的不確定性,調(diào)整響應(yīng)程度分析日前購(gòu)電問(wèn)題。千個(gè)家庭的仿真結(jié)果驗(yàn)證了本優(yōu)化策略能夠協(xié)調(diào)解決用售雙方利益,提高雙方經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)還有降低短時(shí)負(fù)荷峰值的能力。

 

（來(lái)源：電網(wǎng)技術(shù) 作者：賈雁冰, 楊陽(yáng)方, 劉繼春, 阮振, 饒華）

 

關(guān)鍵詞 :家庭能源管理系統(tǒng);需求響應(yīng);售電公司;柔性負(fù)荷;雙層優(yōu)化;

 

0 引言

 

如今,我國(guó)需求響應(yīng)(demand response,DR)項(xiàng)目在工業(yè)、商業(yè)用戶側(cè)已得到了廣泛的實(shí)施且逐漸成熟,手段包括：可中斷負(fù)荷、直接負(fù)荷控制、實(shí)時(shí)電價(jià)策略和分時(shí)電價(jià)策略等[1]。居民用戶用電需求靈活,可調(diào)節(jié)性強(qiáng),是現(xiàn)階段實(shí)施DR達(dá)到削峰效果的潛在主力,但同時(shí)居民用戶在用電行為和需求方面?zhèn)€體間差異性大,缺乏集中的管理方,DR信號(hào)若直接發(fā)布給居民用戶收效甚微。

 

家庭能源管理系統(tǒng)(home energy management system,HEMS)作為智能電網(wǎng)在居民用戶側(cè)的延伸,通過(guò)與供電方的信息交互,達(dá)到管理居民用戶執(zhí)行DR命令的作用。HEMS是以智能電網(wǎng)和智能家居為基礎(chǔ),將家庭中用電設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)等結(jié)合在一起的智能控制系統(tǒng)[2]。它可以根據(jù)DR信號(hào)為用戶制定家庭用電計(jì)劃,并且在滿足用戶舒適度和其他要求的前提下對(duì)家用設(shè)備智能管控,用戶根據(jù)自身情況決定是否接受并實(shí)施。因此,結(jié)合家庭能源管理系統(tǒng)能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)居民用戶的需求響應(yīng)潛力。由于HEMS管理下的家庭負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度能夠提升居民側(cè)的DR能力,提高居民側(cè)的用電效率,減少能源浪費(fèi)[3],引起了學(xué)術(shù)界的熱議。

 

在結(jié)合DR信息制定負(fù)荷管理策略方面,文獻(xiàn)[4]建立了動(dòng)態(tài)電價(jià)下的家庭用電優(yōu)化管理模型;文獻(xiàn)[5]提出了一種基于啟動(dòng)時(shí)間延遲的家庭負(fù)荷管理優(yōu)化策略;文獻(xiàn)[6]基于粒子校正優(yōu)化對(duì)包含智能用電負(fù)荷的多用戶提供了一種需求響應(yīng)調(diào)度策略;文獻(xiàn)[7]抽象出3種家電負(fù)荷類型并建立了對(duì)應(yīng)的控制模型和DR策略,來(lái)減少用電費(fèi)用和緩解電網(wǎng)負(fù)荷;文獻(xiàn)[8]中的家庭能源優(yōu)化算法考慮了電動(dòng)汽車EV(electric vehicle)在高電價(jià)時(shí)段利用V2H (vehicle to home)功能向負(fù)載供電的情況,并對(duì)各類預(yù)測(cè)值進(jìn)行不確定性分析。上述研究考慮的是家庭用戶與電網(wǎng)間的直接交互,并沒(méi)有考慮在售電公司代理用戶的情況下的信息互動(dòng)。

 

售電公司代理用戶以后,應(yīng)綜合考慮用戶靈活需求和售電成本來(lái)制定購(gòu)電和定價(jià)策略[9]。合理的購(gòu)電量和價(jià)格信息能夠在保證自身利潤(rùn)最優(yōu)的同時(shí),達(dá)到引導(dǎo)用戶改變用電習(xí)慣,促使其積極完成DR的目的。售電公司代理用戶時(shí)考慮雙方信息互動(dòng)和經(jīng)濟(jì)效益的購(gòu)售電策略研究如下：文獻(xiàn)[10]建立了納入分布式電源和可調(diào)負(fù)荷的售電公司的優(yōu)化調(diào)度模型,較為全面地考慮各種經(jīng)濟(jì)性和安全性約束,實(shí)現(xiàn)了售電公司運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益最大化。此處對(duì)可調(diào)負(fù)荷的考慮是直接控制居民用戶熱儲(chǔ)能負(fù)荷以及大工業(yè)用戶的可中斷負(fù)荷,未對(duì)居民用戶的DR能力和經(jīng)濟(jì)效益作詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[11]基于心理學(xué)構(gòu)建了用戶選擇售電公司行為模型并計(jì)及可中斷負(fù)荷制定了售電公司營(yíng)銷策略。雖基于用戶的行為模型模擬了用戶對(duì)電價(jià)刺激的響應(yīng),但缺乏深入刻畫(huà)用戶行為下對(duì)負(fù)荷的運(yùn)行模型的影響,對(duì)用戶側(cè)的考慮分析不夠精細(xì)。文獻(xiàn)[12]以售電公司利潤(rùn)最大化和用戶用電效用最大為目標(biāo)建立了雙層優(yōu)化模型,提出了具有DR能力用戶的用電負(fù)荷模型,模型籠統(tǒng)地將用戶負(fù)荷分為了可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可削減負(fù)荷將其作為DR資源由售電公司代理參與市場(chǎng)交易,缺少對(duì)負(fù)荷運(yùn)行模型的深入刻畫(huà),未曾考慮EV進(jìn)入家庭后,家庭負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化;售電公司雖有購(gòu)電決策方案,但用戶側(cè)沒(méi)有提出具體用電優(yōu)化策略。文獻(xiàn)[13]用隨機(jī)規(guī)劃法模擬靈活多變的用戶行為和市場(chǎng)信息來(lái)確定售電公司日內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略,并未在日前制定面向用戶的動(dòng)態(tài)電價(jià)信息和居民用戶在DR響應(yīng)后應(yīng)作出的用電計(jì)劃安排。總體而言,現(xiàn)有研究少有將具有DR能力的居民用戶的家庭負(fù)荷管理和售電公司的營(yíng)銷決策協(xié)同優(yōu)化,并同時(shí)為兩者提供具體優(yōu)化策略。

 

本文研究以居民用戶和售電公司為對(duì)象的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化問(wèn)題。居民用戶和售電公司是2個(gè)獨(dú)立又具有一定聯(lián)系的主體,獨(dú)立是指雙方只能決策自身變量,聯(lián)系是指售電公司代理用戶購(gòu)電并為用戶供電,雙方必須滿足實(shí)時(shí)功率平衡。若以多目標(biāo)等方法讓其獨(dú)立決策變量往往會(huì)導(dǎo)致雙方利益不是最優(yōu)。在上述背景的前提下,本文建立了價(jià)格DR激勵(lì)下家庭柔性負(fù)荷管理和售電公司售電決策雙層優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)雙方協(xié)同優(yōu)化的目的。上層以居民用戶用電成本最優(yōu)為目標(biāo),建立了家庭設(shè)備中具有可時(shí)移性[14]、周期性和儲(chǔ)能性的柔性特征的負(fù)荷運(yùn)行模型,如洗衣機(jī),熱水器,洗碗機(jī)和電動(dòng)汽車;根據(jù)售電公司發(fā)布的動(dòng)態(tài)電價(jià)信息通過(guò)HEMS對(duì)柔性負(fù)荷用電時(shí)段進(jìn)行控制,在這過(guò)程中,為滿足用戶舒適度要求,增加日常用電約束,時(shí)間偏好約束,電動(dòng)汽車儲(chǔ)能約束等,制定用戶經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的用電計(jì)劃;下層以售電公司凈收益最大化為目標(biāo),建立了售電決策模型,其中售電成本包括售電公司根據(jù)往期負(fù)荷預(yù)測(cè)情況在日前市場(chǎng)的購(gòu)電費(fèi)用,實(shí)時(shí)用電誤差引起的在現(xiàn)貨市場(chǎng)購(gòu)電費(fèi)用,以及日前購(gòu)電與實(shí)時(shí)用電的不平衡量懲罰;考慮到售電公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)份額增添了電價(jià)約束,結(jié)合以上制定了動(dòng)態(tài)電價(jià),將價(jià)格回傳給上層。算例采用遺傳算法和yalmip工具箱對(duì)模型求解,得到了兼顧雙方利益的用電計(jì)劃和定價(jià)方案。本文建立了考慮EV引入后的家庭柔性負(fù)荷運(yùn)行模型,解決了售電公司代理用戶后動(dòng)態(tài)電價(jià)DR下用戶用電的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)了用戶用電費(fèi)用最優(yōu)與售電公司運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益最大化的問(wèn)題。

 

 

雙層規(guī)劃一般定義為上層的決策能影響下層的行為,而下層的反應(yīng)能部分影響上層的決定[15]。一般考慮需求響應(yīng)計(jì)及用戶效益的研究將用戶放于下層,但本文著重于研究售電公司代理后,HEMS如何通過(guò)增強(qiáng)家庭負(fù)荷管理,開(kāi)發(fā)DR在居民側(cè)的能力。以凈收益最大化為目標(biāo)的售電公司需要綜合依據(jù)用戶用能、用電舒適度及需求響應(yīng)情況進(jìn)行購(gòu)售電決策,實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)電價(jià)的定價(jià),促使用戶積極響應(yīng);而以用電成本最優(yōu)為目標(biāo)的用戶需要根據(jù)售電公司發(fā)布的動(dòng)態(tài)電價(jià)信息進(jìn)行柔性負(fù)荷用電時(shí)段的調(diào)整,利用需求響應(yīng)能力制定達(dá)到一定舒適度的用電計(jì)劃,售電公司和用戶屬于互相制約與影響的關(guān)系,本文上層基于用戶建模,下層基于售電公司建模。

 

雙層優(yōu)化決策為日前優(yōu)化,由于HEMS對(duì)家庭負(fù)荷的控制需要由用戶根據(jù)自身情況決定是否接受并實(shí)施,為模擬這一決定造成的實(shí)時(shí)影響,把研究的居民用戶群分為2大群組：一類為響應(yīng)組,用戶按照HEMS在電價(jià)激勵(lì)下以用電費(fèi)用最小為目標(biāo)做出的用電計(jì)劃進(jìn)行用電操作;另一類為非響應(yīng)組,用戶不接受HEMS的計(jì)劃安排,按照自行需求用電。雙層優(yōu)化結(jié)構(gòu)主要如圖1所示。

 

 

上層考慮居民用戶用電費(fèi)用最省,下層考慮售電公司凈收益最大,以用電需求作為上下層溝通的橋梁。上層以參與調(diào)度洗衣機(jī),熱水器,洗碗機(jī)和電動(dòng)汽車這類柔性負(fù)荷的啟動(dòng)狀態(tài)為決策變量,根據(jù)電價(jià)制定的用電計(jì)劃,結(jié)合非響應(yīng)群組將總體各時(shí)段用電需求傳遞給下層。下層根據(jù)該信息制定次日實(shí)時(shí)銷售電價(jià),再將動(dòng)態(tài)電價(jià)發(fā)布給居民用戶再次制定用電計(jì)劃,重復(fù)迭代,直至居民用戶用電費(fèi)用最優(yōu)且售電公司凈收益達(dá)到最大時(shí)停止,最終得到兼顧居民用戶和售電公司利益的最優(yōu)規(guī)劃。此處不考慮日前優(yōu)化中對(duì)實(shí)時(shí)市場(chǎng)信息和實(shí)時(shí)用電需求的預(yù)測(cè)造成的誤差。

 

2 家庭柔性負(fù)荷管理模型

 

2.1 負(fù)荷運(yùn)行模型

 

2.1.1 剛性負(fù)荷運(yùn)行模型

 

正常家庭電器中具有不可時(shí)移、離散運(yùn)行特性稱為剛性負(fù)荷,如照明,娛樂(lè),烹飪等相關(guān)設(shè)備。剛性負(fù)荷在家庭用戶中屬于不可調(diào)節(jié)的必須用電需求,無(wú)論何時(shí)都需要優(yōu)先被滿足。