居民用戶(hù)智能用電策略建模

羅洪飛，夏嬌妮，李春燕

（1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030;2.重慶市電力公司 檢修分公司，重慶 400039）

智能用電是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的著力點(diǎn)和落腳點(diǎn)，直接面向社會(huì)、面向客戶(hù)，在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)中具有十分重要的地位和作用。

智能用電，是指通過(guò)對(duì)電力的智能化掌控和支配，實(shí)現(xiàn)電力的優(yōu)化配置、節(jié)能環(huán)保。電網(wǎng)可以利用用戶(hù)參與智能用電計(jì)劃，結(jié)合其他需求響應(yīng)策略，調(diào)整用電負(fù)荷曲線(xiàn)，從而削峰填谷，減少負(fù)荷波動(dòng)。用戶(hù)可以根據(jù)電網(wǎng)和服務(wù)商提供的智能用電策略，調(diào)整用電方式，主動(dòng)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。智能用電技術(shù)涵蓋了高速實(shí)時(shí)通信、智能電能表、智能采集、雙向交互和需方響應(yīng)等多方面的技術(shù)［1-3］。

歐美國(guó)家近幾年開(kāi)展的智能用電服務(wù)的研究和實(shí)踐，主要是以用戶(hù)安裝智能設(shè)備為主，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表和用電信息采集、用電設(shè)備自動(dòng)控制，并開(kāi)始進(jìn)行分布式能源接入研究實(shí)踐，通過(guò)建立節(jié)能服務(wù)子公司開(kāi)展節(jié)能服務(wù)［4-6］。文獻(xiàn)［7］中提出通過(guò)第三方機(jī)構(gòu)管理一組負(fù)荷性質(zhì)相似的用戶(hù)，以用戶(hù)的負(fù)荷調(diào)度問(wèn)題建立受限的多目標(biāo)規(guī)劃，并通過(guò)進(jìn)化算法進(jìn)行求解，優(yōu)化用戶(hù)用電計(jì)劃，在不影響正常生活的情況下繳納最少的電費(fèi)。文獻(xiàn)［8］中利用雙向數(shù)字交互通信在用戶(hù)間構(gòu)建了一個(gè)自主的分布式需求側(cè)能源管理系統(tǒng)，通過(guò)減少電費(fèi)支出調(diào)動(dòng)管理系統(tǒng)中用戶(hù)的參與度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能。文獻(xiàn)［9］中提出基于實(shí)時(shí)電價(jià)的動(dòng)態(tài)需求響應(yīng)控制器，針對(duì)住宅用戶(hù)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化算法調(diào)整其工作時(shí)間，削峰填谷，并為參與調(diào)度的用戶(hù)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［10］中提出基于實(shí)時(shí)電價(jià)的用戶(hù)最佳負(fù)荷控制，用戶(hù)通過(guò)響應(yīng)實(shí)時(shí)電價(jià)，減少電費(fèi)支出。

我國(guó)開(kāi)展智能用電服務(wù)的體系研究雖然比較晚，但在智能用電服務(wù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域己開(kāi)展了大量的研究和實(shí)踐。文獻(xiàn)［11］中設(shè)計(jì)了依托于智能用電互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)的海量信息數(shù)據(jù)和多元化服務(wù)，完成面向電力用戶(hù)的智能家庭能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電力用戶(hù)與電力公司雙向互動(dòng)，滿(mǎn)足電力用戶(hù)多元化、互動(dòng)化的用電服務(wù)需求。文獻(xiàn)［12］ 中提出了基于實(shí)時(shí)電價(jià)的智能用電系統(tǒng)框架。文獻(xiàn)［13］中從分析智能用電條件下需求響應(yīng)面臨的新環(huán)境出發(fā)，提出并設(shè)計(jì)了包括5個(gè)大模塊、20項(xiàng)子模塊的自動(dòng)需求響應(yīng)框架流程。

國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在智能用電交互式平臺(tái)構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集及智能電表研發(fā)，以及基于實(shí)時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)等方面。本文研究各種智能家電的用電特性，以達(dá)到較好的用戶(hù)用電方式滿(mǎn)意度以及電費(fèi)交納滿(mǎn)意度為目標(biāo)，建立各智能家電在各時(shí)段運(yùn)行的優(yōu)化模型，通過(guò)對(duì)用戶(hù)的智能家居的用電策略進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到智能用電的目的。

1 智能家居用電策略模型

1.1 假設(shè)前提

為了更簡(jiǎn)單地建立和求解模型，我們需要做如下一些基本假設(shè)。

（1）已知各時(shí)段電價(jià)

智能電網(wǎng)的特點(diǎn)之一就是采用分時(shí)電價(jià)計(jì)費(fèi)模式。在我國(guó)某些地區(qū)已經(jīng)實(shí)行了分時(shí)電價(jià)計(jì)費(fèi)模式，例如廣州14∶00～17∶00，19∶00～22∶00，實(shí)行的是峰時(shí)電價(jià)，為98.75分/度；8∶00～14∶00，17∶00～19∶00，22∶00～24∶00實(shí)行的是平段電價(jià)，為61.00分/度；0∶00～8∶00實(shí)行的是谷時(shí)電價(jià)，為31.97分/度。

（2）用戶(hù)總用電量不變

假設(shè)用戶(hù)每天的總用電量不變，只改變其用電計(jì)劃。用戶(hù)可以通過(guò)將可控智能家電的使用時(shí)間從用電峰時(shí)改變到用電谷時(shí)來(lái)規(guī)避高電價(jià)。

（3）用戶(hù)安裝有智能家電

假設(shè)用戶(hù)的電器都具有智能模式，用戶(hù)可以根據(jù)用電計(jì)劃預(yù)先設(shè)置電器起停時(shí)間及工作模式，且每個(gè)家電在某一種工作模式下相同時(shí)間段內(nèi)均以額定功率運(yùn)行，即在每個(gè)時(shí)段內(nèi)的用電量一定。

（4）用戶(hù)按照自身情況給出合理參數(shù)

假設(shè)用戶(hù)均為理性的，能夠按照自身情況給出合理的參數(shù)，以便求解適合自己的用電策略。

（5）用戶(hù)使用各個(gè)智能家電的起停時(shí)刻均為整點(diǎn)

在實(shí)際生活中各個(gè)家電開(kāi)始工作或結(jié)束工作的時(shí)間都是隨機(jī)的，這里假設(shè)各個(gè)智能家電的工作時(shí)間均為整小時(shí)數(shù)，且開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間均為整時(shí)刻。

以下模型建立和求解過(guò)程均以上述5個(gè)假設(shè)為前提而進(jìn)行。

1.2 參數(shù)說(shuō)明

（1）可控家電集合，如洗衣機(jī)，熱水器，空調(diào)，消毒柜，電動(dòng)汽車(chē)，蒸汽掛燙機(jī)等；

（2）具體單個(gè)可控家電；

（3）一天24個(gè)時(shí)段；

（4）時(shí)段內(nèi)的電價(jià)；

（5）可控家電在一個(gè)時(shí)段內(nèi)的用電量；

（6）可控家電的用電計(jì)劃，為0-1變量，當(dāng)在時(shí)段使用了可控家電，當(dāng)在時(shí)段沒(méi)有使用可控家電。

1.3 用戶(hù)電費(fèi)繳納滿(mǎn)意度

用戶(hù)電費(fèi)繳納滿(mǎn)意度即為用戶(hù)繳納電費(fèi)的多少，在同等總用電量情況下，繳納電費(fèi)越少的用電計(jì)劃用戶(hù)越滿(mǎn)意。根據(jù)上述原則建立了用戶(hù)電費(fèi)繳納滿(mǎn)意度模型。

每天的電費(fèi)等于各個(gè)可控家電與不可控家電的電費(fèi)的總和，由于優(yōu)化前后不可控家電用電計(jì)劃不改變，其繳納的電費(fèi)也不變，為了簡(jiǎn)化分析，可以只考慮可控家電繳納的電費(fèi)，則模型的目標(biāo)函數(shù)如下：

約束條件為：

式（2）表示可控家電i每天用電量。其中，Hi為定值。式（3）表示各時(shí)段所有可控家電總用w電功率上限。其中，Wmax表示用戶(hù)線(xiàn)路最大容量，cons tant表示該時(shí)段不可控家電功率。

1.4 用戶(hù)用電方式滿(mǎn)意度

用戶(hù)是電力營(yíng)銷(xiāo)的對(duì)象，是電力市場(chǎng)的重要組成部分，在進(jìn)行用電計(jì)劃制定時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮用戶(hù)對(duì)用電方式滿(mǎn)意度的變化，從而定量評(píng)估其對(duì)用電計(jì)劃變化的反應(yīng)程度。本文給出了用戶(hù)滿(mǎn)意度的一種評(píng)估方法，用戶(hù)電力消費(fèi)的滿(mǎn)意度包括充盈度和舒適度兩個(gè)方面。充盈度表征用戶(hù)總電量需求的滿(mǎn)足程度，而舒適度則反映用戶(hù)用電習(xí)慣改變的多少。由前面假設(shè)可知，用戶(hù)改變用電計(jì)劃，但其總用電量不變，即充盈度是不變的。這里可認(rèn)為用電舒適度即為用電方式的滿(mǎn)意度。

一般來(lái)講，考慮到用戶(hù)對(duì)電價(jià)的自適應(yīng)性，可以認(rèn)為，在相對(duì)穩(wěn)定的電價(jià)水平下，用戶(hù)將會(huì)自主選擇其舒適度最大的用電方式。因此，假定在不進(jìn)行智能用電的情況下，用戶(hù)選擇的用電方式滿(mǎn)意度最高，并以此確定用戶(hù)在不同的用電計(jì)劃中的滿(mǎn)意度大小。在同等條件下，用電計(jì)劃改變?cè)蕉?，用?hù)用電方式滿(mǎn)意度越低；用電計(jì)劃改變?cè)缴?，用電方式滿(mǎn)意度越高。

由于不同電器的使用對(duì)生活的影響不同，用戶(hù)對(duì)不同智能家電的依賴(lài)程度也不同。有一些可控智能家電的使用時(shí)間可以隨意改變，而另一些可控智能家電的使用時(shí)間則不可以有太大變化。因此，引入?yún)?shù)αi，表示可控家電i的不可更改率，且 αi∈[0,1]。不可更改率αi=0，表示該可控智能家電的使用時(shí)段是可以隨意改變的；不可更改率 αi=1，表示該可控智能家電的使用時(shí)段盡量不要有太大變化。不可更改率αi由用戶(hù)根據(jù)自身情況而自行設(shè)置。

據(jù)此原則建立用戶(hù)用電方式滿(mǎn)意度模型：

約束條件為式（3）、（5）：

1.5 智能用電策略綜合目標(biāo)函數(shù)

實(shí)際生活中，用戶(hù)選擇某種用電計(jì)劃時(shí)不僅是只考慮電費(fèi)或者用電習(xí)慣，而是將二者結(jié)合起來(lái)綜合考慮。本文構(gòu)建一個(gè)同時(shí)追求用戶(hù)繳納電費(fèi)最小化與用戶(hù)滿(mǎn)意度最大化的決策模型。通過(guò)引入目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)λ，轉(zhuǎn)化為如下單目標(biāo)問(wèn)題：

式（6）即表示考慮了用戶(hù)繳納電費(fèi)最少和用電方式改變最少的模型，它可以根據(jù)用戶(hù)對(duì)繳納電費(fèi)滿(mǎn)意度和用電方式滿(mǎn)意度的不同要求要求設(shè)置權(quán)重系數(shù)。

約束條件為式（2）、（3）、（5）。

1.6 模型求解

模型是典型的0-1規(guī)劃問(wèn)題，可以用matlab 或Lingo等相關(guān)軟件進(jìn)行求解。

2 算例分析

以廣州某用戶(hù)負(fù)荷為算例分析對(duì)象。該用戶(hù)擁有6種可控智能家電，分別為洗衣機(jī)、空調(diào)、吸塵器、消毒柜、蒸汽掛燙機(jī)和按摩椅。各個(gè)可控智能家電的用電功率、每天使用時(shí)長(zhǎng)、每天使用總電量、用戶(hù)設(shè)置的家電不可更改率分別如表1所示。

表1 可控家電數(shù)據(jù)

查閱廣州供電局網(wǎng)上營(yíng)業(yè)廳，其分時(shí)電價(jià)如表2所示。

表2 分時(shí)電價(jià) 分/千瓦時(shí)

可控家電各時(shí)段的總用電量上限如表3所示。

表3 各時(shí)段最大用量 瓦時(shí)

該用戶(hù)原來(lái)6種可控智能家電的使用習(xí)慣如表4所示，0表示不使用，1表示使用。

表4 各可控家電原來(lái)的用電計(jì)劃

根據(jù)以上用電計(jì)劃，用戶(hù)每天使用上述智能可控家電需要繳納的電費(fèi)如表5所示。

表5 原用電計(jì)劃需繳納的電費(fèi) 分

2.1 以電費(fèi)繳納滿(mǎn)意度為目標(biāo)的用電策略?xún)?yōu)化

只考慮繳納電費(fèi)滿(mǎn)意度，不考慮用電方式滿(mǎn)意度，即1λ=時(shí)，根據(jù)上述模型，可得優(yōu)化結(jié)果如表6所示，需要繳納的電費(fèi)如表7所示。

表6 1λ=時(shí)優(yōu)化后用電方案

表7 優(yōu)化后需要繳納的電費(fèi) 分

由分析結(jié)果可知，為了繳納最少的電費(fèi)，所有家電都調(diào)整到低電價(jià)時(shí)段使用。此時(shí)繳納電費(fèi)比原計(jì)劃減少了54.81%，但用電方式改變卻很大。即電費(fèi)滿(mǎn)意度最好，而用電方式滿(mǎn)意度卻最差。

2.2 以用電方式滿(mǎn)意度為目標(biāo)的用電策略

只考慮用電方式滿(mǎn)意度不考慮繳納電費(fèi)滿(mǎn)意度，即0λ=時(shí)，根據(jù)上述模型，用電方式滿(mǎn)意度最好的情況即為用戶(hù)不改變其用電計(jì)劃的情形。此時(shí)，其用電計(jì)劃和繳納電費(fèi)與原計(jì)劃相同，雖然用電方式滿(mǎn)意度最好，但繳納電費(fèi)卻很高。

2.3 綜合考慮電費(fèi)繳納滿(mǎn)意度和用電方式滿(mǎn)意度的用電策略

取權(quán)重系數(shù)λ為0.45，則用戶(hù)對(duì)電價(jià)繳納的滿(mǎn)意度占0.45，對(duì)用電方式的滿(mǎn)意度為0.55，根據(jù)上述模型，可得優(yōu)化結(jié)果如表8所示，需要繳納的電費(fèi)如表9所示。

表8 0.45λ=優(yōu)化后用電方案

表9 優(yōu)化后需要繳納的電費(fèi) 分

對(duì)比表4和表8，智能洗衣機(jī)只有第13這一個(gè)時(shí)段不變，其他兩個(gè)時(shí)段有了較大改變。而智能空調(diào)的兩種用電策略有4個(gè)時(shí)段完全相同，且另外兩個(gè)時(shí)段改變較少。這是由于用戶(hù)給出洗衣機(jī)和空調(diào)的不可更改率分別為0和0.8，即洗衣機(jī)工作時(shí)段可以任意改變，空調(diào)工作時(shí)段有較大限制而引起的，另外幾種家電工作時(shí)段變化原因也是如此。由此可見(jiàn)，不可更改率在用戶(hù)用電方式滿(mǎn)意度方面有較大的限制。

由表7可知，原用電方式中六種可控家電每天需繳納電費(fèi)1 294.65分，而優(yōu)化后所需繳納的電費(fèi)僅為967.7分，現(xiàn)用電方案比原用電方案節(jié)省了25.25%。

2.4 不可更改率對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響

不同用戶(hù)對(duì)智能家電的日常使用習(xí)慣、依賴(lài)程度也不同，下面取不同的不可更改率進(jìn)行驗(yàn)證，如表10所示。

表10 可控家電數(shù)據(jù)

取權(quán)重系數(shù)λ為0.45，根據(jù)上述模型，可得優(yōu)化結(jié)果如表11所示，需要繳納的電費(fèi)如表12所示。

表11 0.45λ=優(yōu)化后用電方案

表12 優(yōu)化后需要繳納的電費(fèi) 分

對(duì)比表4、8和 11，很明顯，由于不可更改率的改變，用戶(hù)用電計(jì)劃也有很大的變化。特別是智能空調(diào)的不可更改率由0.8變?yōu)?.3，即限制其工作時(shí)段的約束變小，也就轉(zhuǎn)移到低電價(jià)時(shí)段運(yùn)行；而按摩椅的不可更改率為0.8，限制較大，其工作時(shí)段的改變就較小。這說(shuō)明不可更改率在綜合模型中影響較大，不同用戶(hù)可以根據(jù)自身要求設(shè)置不可更改率，實(shí)現(xiàn)用電的優(yōu)化。

綜上所述，采用本文優(yōu)化用電模型后，在保證滿(mǎn)足用戶(hù)用電方式滿(mǎn)意度的前提下，減少電費(fèi)支出，達(dá)到了優(yōu)化目的。

3 結(jié)論

隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能家電的普及率會(huì)越來(lái)越高，電網(wǎng)公司也會(huì)擴(kuò)大執(zhí)行分時(shí)電價(jià)政策的范圍。在這種情況下，為了調(diào)動(dòng)更多用戶(hù)參與智能用電，需要從用戶(hù)角度出發(fā)，制訂出讓用戶(hù)滿(mǎn)意的用電策略。本文建立的模型有如下特點(diǎn)。

（1）比較全面。本文從用戶(hù)的角度出發(fā)，綜合考慮了電費(fèi)繳納滿(mǎn)意度和用電方式改變滿(mǎn)意度兩方面的因素。

（2）比較靈活?？梢愿鶕?jù)用戶(hù)的需求調(diào)整權(quán)重因數(shù)及每個(gè)可控家電的不可更改率，得到滿(mǎn)足要求的用電計(jì)劃。

需要指出的是，本文只是在用戶(hù)已經(jīng)響應(yīng)分時(shí)電價(jià)，總用電量不改變的情況下建立的模型。如何制訂總用電量發(fā)生改變時(shí)的智能用電策略，還需要進(jìn)一步研究。

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