智能電網(wǎng)配用電信息接入與負(fù)載調(diào)度研究

高華民

（大港油田電力公司）

0 引言

智能電網(wǎng)是在新時(shí)代中產(chǎn)生的一種新型電力網(wǎng)絡(luò)，可以將傳感與通信以及數(shù)據(jù)的控制相貫穿，實(shí)現(xiàn)電能的高效安全運(yùn)輸，使配電工作更加經(jīng)濟(jì)，與智能電網(wǎng)配用電信息的接入相關(guān)聯(lián)的信息有配電方的實(shí)時(shí)電價(jià)信息、用電方的負(fù)載信息以及配電線路的監(jiān)測(cè)信息和智能電表數(shù)據(jù)的讀取與處理控制等，其中，實(shí)時(shí)電價(jià)在實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)度的有效性和經(jīng)濟(jì)性方面具有顯著的作用，是其調(diào)度工作開展的重要手段，對(duì)于配電方來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)接收到的來(lái)自用戶的用電負(fù)載信息進(jìn)行電價(jià)的設(shè)置，對(duì)于用電方來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)配電方發(fā)布的電價(jià)選擇合適的負(fù)載?？偟膩?lái)說(shuō)，從電能的發(fā)送到消耗，配用電網(wǎng)在其中所起到的作用不容忽視，直接保障了配用電信息的接入以及負(fù)載調(diào)度的合理性，可見(jiàn)對(duì)于配用電網(wǎng)的研究具有重要的意義。

1 智能電網(wǎng)通信的研究現(xiàn)狀

智能電表的出現(xiàn)對(duì)于雙向通信的實(shí)施和開展具有重要的意義，使得雙向通信過(guò)程變?yōu)榭赡?，?jīng)過(guò)多年的發(fā)展與改進(jìn)，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息控制的集合體，促使用戶與配電方之間以緊密地交互為手段實(shí)現(xiàn)發(fā)電、配電以及用電之間的經(jīng)濟(jì)有效的目標(biāo)。

所謂的電力線通信就是指以電力載波作為數(shù)據(jù)傳輸媒介的電力線通信系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于可以在地理環(huán)境偏遠(yuǎn)且惡劣的地方進(jìn)行建設(shè)，不過(guò)電力線通信所存在的問(wèn)題是電力線載波的設(shè)計(jì)并不是專門針對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸來(lái)設(shè)計(jì)的，而且阻抗值不同以及頻變衰減等問(wèn)題都是其所面臨的比較難解決的問(wèn)題。不過(guò)與電力線通信相比較，無(wú)線通信具有比較低的安裝成本和比較高的靈活度，在智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的建設(shè)方面受到廣泛的關(guān)注和歡迎，在智能電網(wǎng)通信中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要包括三種，一是家域網(wǎng)，二是鄰域網(wǎng)，三是廣域網(wǎng)。

智能電網(wǎng)的一個(gè)主要特征就是負(fù)載調(diào)度，相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)于負(fù)載調(diào)度的定義是在用戶用電模式的改變方面，為了適應(yīng)用電價(jià)格改變的現(xiàn)狀而對(duì)用電高峰期或者用電比較緊急的情況進(jìn)行調(diào)整，在傳統(tǒng)的電網(wǎng)配電中，為了滿足日益增長(zhǎng)的用電需求往往通過(guò)額外發(fā)電系統(tǒng)的建立來(lái)保證用電量的匹配，而負(fù)載調(diào)度的采用有利于克服日益增長(zhǎng)的用電需求，并且在實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的前提下不需要建立額外的發(fā)電站，只要給用戶以一定的經(jīng)濟(jì)方面的刺激就可以把用電的高峰期進(jìn)行轉(zhuǎn)移，進(jìn)而填平用電的低谷期，起到削峰填谷的效果，一方面可以降低用戶的電量消耗和移機(jī)電費(fèi)消耗，另一方面還可以減少電網(wǎng)的供電壓力，由此，發(fā)電站就可以免去昂貴的發(fā)電機(jī)組的投入成本，而且可以從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度將發(fā)電量的需求時(shí)間推遲。常見(jiàn)的負(fù)載調(diào)度的手段主要是采取經(jīng)濟(jì)手段，比如用電費(fèi)用的激勵(lì)、電價(jià)的誘導(dǎo)等，促使用戶的用電模式加以改變，這類手段的使用可以在很大程度上起到調(diào)節(jié)用電負(fù)載的作用，進(jìn)而提高電網(wǎng)工作的有效性和可靠性。

雖然說(shuō)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于智能電網(wǎng)配用電信息接入和負(fù)載的調(diào)度研究的理論成果比較豐富和完善，但在關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用方面并不是非常先進(jìn)，仍然是配電網(wǎng)絡(luò)中亟待解決的問(wèn)題之一，智能配電網(wǎng)絡(luò)作為電網(wǎng)研究的重要內(nèi)容，直接決定了電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)水平。

2 電網(wǎng)配用電信息接入與配電性能研究

對(duì)于電網(wǎng)的發(fā)電、運(yùn)輸、變電、配電和用電等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作進(jìn)行全面升級(jí)將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的靈活性、有效性以及環(huán)保性的提高具有重要的意義，需求與響應(yīng)問(wèn)題的管理被看做是智能電網(wǎng)控制的最基本的單元，在實(shí)時(shí)負(fù)載的平衡以及高峰負(fù)載的轉(zhuǎn)移方面具有非常廣泛的應(yīng)用，而電網(wǎng)用電的通信對(duì)于需求響應(yīng)的準(zhǔn)確性判斷是至關(guān)重要的，在智能電網(wǎng)性能的控制上處于核心地位，因此，為了最大限度地提高電網(wǎng)的通信質(zhì)量，本文引入無(wú)線電，以信道切換和頻譜感知技術(shù)來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的信號(hào)中斷，目前已經(jīng)有不少的文獻(xiàn)有相關(guān)方面的記載，認(rèn)為進(jìn)行需求與響應(yīng)管理的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)高峰期用電量的轉(zhuǎn)移或者減少，實(shí)時(shí)電價(jià)控制在其中可以起到非常顯著的作用，比如分布式迭代法和博弈論等，都是建立在雙向通信通暢的基礎(chǔ)之上的，但是這些假設(shè)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程要求太高。

通信在智能電網(wǎng)中的核心性地位已經(jīng)得到了大眾的認(rèn)可，主要是因?yàn)槠浒惭b成本低和靈活性高，隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的不斷完善，智能電網(wǎng)中加入了許多的智能電表，由于每日需要統(tǒng)計(jì)的智能電表的數(shù)據(jù)量非常大，因此就需要引入更多的頻段對(duì)電網(wǎng)的無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行支持，這種需要向原本就稀少的頻譜資源提出了更大的挑戰(zhàn)，為了提出更好的方案解決頻譜資源的有限性問(wèn)題，無(wú)線電成為癥結(jié)得以解開的關(guān)鍵。

所謂的頻譜感知就是使用戶可以方便地檢測(cè)出某一信道是否處于被占用狀態(tài)進(jìn)而對(duì)無(wú)線電進(jìn)行認(rèn)識(shí)的一種核心技術(shù)，其特點(diǎn)是與數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸需要分時(shí)進(jìn)行，筆者在文中就頻譜感知的可靠性水平及能量的消耗對(duì)通信控制性能的影響展開討論。為了實(shí)現(xiàn)通信質(zhì)量的提升，需要在智能電網(wǎng)中引入無(wú)線電，家域網(wǎng)中智能電表可以實(shí)現(xiàn)周期性的數(shù)據(jù)發(fā)送，電表數(shù)據(jù)的收發(fā)器集結(jié)形成了頻譜感知功能，用以對(duì)授權(quán)信道的使用狀態(tài)及性能檢測(cè)，這樣就能夠方便進(jìn)行機(jī)會(huì)借用，在所有的頻譜感知技術(shù)中，能量檢測(cè)器對(duì)于零值噪聲環(huán)境中強(qiáng)度比較弱的信號(hào)的檢測(cè)可以起到比較顯著的作用，通過(guò)能量檢測(cè)器完成頻譜感知的方法是在帶寬為W的信道和時(shí)間T之間進(jìn)行信號(hào)的積分計(jì)算，智能電表就可以將收集到的能量信號(hào)和預(yù)定的能量檢測(cè)器的閾值進(jìn)行對(duì)比，然后根據(jù)二者的差別判斷信號(hào)是否處于占用的狀態(tài)。

在無(wú)線電認(rèn)知的前提下，進(jìn)行智能配電網(wǎng)絡(luò)通信框架的建立時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)信道的切換首先要進(jìn)行頻譜感知，但是由于頻譜切換過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，所以信道切換的概率與頻譜的感知頻率并不是完全一致，因此在進(jìn)行信道切換時(shí)應(yīng)該注意兩個(gè)問(wèn)題，一是如果授權(quán)信道的狀態(tài)是H1，那么在智能電表沒(méi)有檢測(cè)到主用戶的情況下，也即是P1（1-Pd）；二是如果授權(quán)信道的狀態(tài)為H0，而其可以證明智能電表處于正常工作狀態(tài)，也即是P0（1-Pf），那么信道的切換概率就可以表示為P=1-P1Pd-P0Pf。如果信道切換概率與頻譜感知頻率不完全一致，那么Pd=1，Pf=0，則P=P0。

3 負(fù)載調(diào)度與帶耦合約束

在研究居民用電過(guò)程中的調(diào)度問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮用戶之間關(guān)于用電的博弈，以及在時(shí)間耦合上的約束力，共同構(gòu)成用戶負(fù)載調(diào)度與帶耦合約束的博弈體系的研究與分析，由于每一個(gè)用戶在時(shí)間方面都會(huì)受到一定的耦合約束，也就是說(shuō)，為了保證每天任務(wù)的完成，給定的電量消耗閾值應(yīng)該小于等于累積的用電總值，舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于電動(dòng)自行車，前一天所充的電量應(yīng)該滿足第二天的出行需要，那么，用電問(wèn)題就具有了時(shí)間耦合的約束性，大部分配電網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)電價(jià)的改變來(lái)影響用戶的用電量，再利用分布式迭代法保證供電與用電需求之間的平衡，但是他們沒(méi)有考慮的是如果沒(méi)有時(shí)間耦合約束，最終得到的結(jié)果不一定是最優(yōu)解。總而言之，就是進(jìn)行負(fù)載調(diào)度的過(guò)程中不應(yīng)該忽略時(shí)間耦合約束的影響。

在進(jìn)行系統(tǒng)模型的建立時(shí)，所取用的環(huán)境是供電站與用戶之間構(gòu)成的智能配電網(wǎng)絡(luò)，將用戶的個(gè)數(shù)設(shè)定為N，那么從歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中就可以得到用戶的用電需求，然后再對(duì)可以進(jìn)行控制的用戶家電用電需求進(jìn)行分析，對(duì)于家用電器的耗電問(wèn)題，用戶所關(guān)心的是家電是否能夠在一定的時(shí)間內(nèi)完成給定的任務(wù)，也就是說(shuō)，在截至的時(shí)間段內(nèi)，用電器的累計(jì)耗電量大于等于閾值，如果在每一個(gè)智能電表中嵌入一個(gè)負(fù)載調(diào)度器，那么每個(gè)用戶家伙總的用電器的開關(guān)以及用電器的工作模式都可以被實(shí)時(shí)控制。

在實(shí)際的計(jì)算中，由于帶耦合的博弈問(wèn)題很難直接求得結(jié)果，因此如果考慮耦合約束進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，可以解決對(duì)偶分解法解耦原始問(wèn)題。

考慮到供電商往往是提前一個(gè)或者幾個(gè)時(shí)隙進(jìn)行電價(jià)信息的發(fā)布，因此，為了增強(qiáng)對(duì)負(fù)載的調(diào)度效率就需要具有比較高的電價(jià)預(yù)測(cè)水平，有關(guān)人員提出了濾波器，但是用戶的用電調(diào)度是在離線的狀態(tài)下進(jìn)行的，若電價(jià)的預(yù)測(cè)誤差太大就會(huì)降低解耦的性能，而要想降低電價(jià)預(yù)測(cè)誤差帶來(lái)的負(fù)面影響，促使系統(tǒng)性能的提升，可以采用在線調(diào)度的方法，每發(fā)布一個(gè)新的電價(jià)信息就可以對(duì)負(fù)載的調(diào)度重新調(diào)整。

4 負(fù)載調(diào)度與不確定的電價(jià)

由于近年來(lái)人們對(duì)于用電的需求量在不斷增加，智能電網(wǎng)需要通過(guò)合理的負(fù)載調(diào)度實(shí)現(xiàn)用電需求的調(diào)整，也就是利用電價(jià)刺激的手段將用電高峰期的用電需要轉(zhuǎn)移到用電低峰期，在實(shí)際的用電環(huán)境中，未來(lái)電價(jià)的變化是不確定的，負(fù)載調(diào)度的構(gòu)建往往涉及到時(shí)間耦合約束，為了解決電價(jià)的不確定性問(wèn)題，筆者提出了對(duì)偶分解分析法。

首先建立用電器的模型，家用電器的種類可以分為必須運(yùn)行的用電器（例如照明、烹飪等在某一時(shí)間段必須進(jìn)行電量消耗的用電器，表征的是最低的用電量的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的基準(zhǔn)負(fù)載只與時(shí)間有關(guān)系而無(wú)關(guān)電價(jià)）和可以轉(zhuǎn)移運(yùn)行時(shí)間的用電器（例如電視、電腦，這類工具的使用狀態(tài)在事先是不知道的，往往取決于用戶的臨時(shí)需要），對(duì)于可轉(zhuǎn)移的用電器的用電預(yù)測(cè)取決于對(duì)其用電規(guī)律的把握，而在進(jìn)行負(fù)載預(yù)測(cè)時(shí)就會(huì)引入需求方的不確定性。

對(duì)原始問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，原始問(wèn)題是帶有時(shí)間耦合約束的，這種約束把用戶的負(fù)載與時(shí)間尺度上的耦合聯(lián)系在一起，因而無(wú)法在時(shí)隙上進(jìn)行求解計(jì)算，通過(guò)對(duì)偶分解法可以將問(wèn)題肢解為幾個(gè)子問(wèn)題，處于原始問(wèn)題的對(duì)偶性，經(jīng)過(guò)分解的子問(wèn)題與原始問(wèn)題是等價(jià)的。

子問(wèn)題的分析中所面臨的問(wèn)題就是用戶在每一個(gè)子問(wèn)題的時(shí)隙中求解子問(wèn)題，在計(jì)算的過(guò)程中就會(huì)發(fā)現(xiàn)，前一天預(yù)留的用電需求決定于未來(lái)電價(jià)的分布函數(shù)，而實(shí)際消耗的電能則決定于實(shí)時(shí)電價(jià)的發(fā)布，如果預(yù)留的電量不足，用戶就需要在零售市場(chǎng)中以高于實(shí)時(shí)電價(jià)的價(jià)格購(gòu)買額外用電量，但預(yù)留值也不能太大，否則就會(huì)造成用電容量的浪費(fèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的配電網(wǎng)絡(luò)絡(luò)系統(tǒng)在科學(xué)技術(shù)的支持下得到了極大的發(fā)展，在這一發(fā)展進(jìn)程中，傳統(tǒng)電量的分配模式已經(jīng)無(wú)法與越來(lái)越高的用電需求相匹配了，并嚴(yán)重制約了我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，智能配電系統(tǒng)成為進(jìn)行電網(wǎng)研究的基礎(chǔ)性問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)用電配電高效性目標(biāo)的過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，從配電到用電，都需要保證配電信息的接入與負(fù)載調(diào)度的可靠性，因此，對(duì)于信息的接入與負(fù)載調(diào)度的研究是目前電力行業(yè)的重要課題。

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