用戶需求響應(yīng)行為的建模分析

白　蓉

(鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院， 鄭州 450001)

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用戶需求響應(yīng)行為的建模分析

白蓉

(鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院， 鄭州 450001)

摘要：對(duì)用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的用戶投資決策、用戶負(fù)荷響應(yīng)進(jìn)行了建模，給出了用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的參與決策流程，以及用戶的需求響應(yīng)方式、響應(yīng)策略及主要響應(yīng)時(shí)段。最后分析了用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的響應(yīng)效果，給出了用戶響應(yīng)收益、用戶響應(yīng)的負(fù)荷消峰填谷效果。仿真實(shí)例表明，用戶的需求響應(yīng)在降低尖峰負(fù)荷以及負(fù)荷移峰填谷方面效果顯著。

關(guān)鍵詞：需求響應(yīng)；峰谷分時(shí)電價(jià)；響應(yīng)特性；響應(yīng)模型

用戶的需求響應(yīng)是電力需求管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1]，它是指電力用戶根據(jù)供電部門制定的電價(jià)信息和激勵(lì)信息來調(diào)整自己的用電計(jì)劃，通過用電設(shè)備技術(shù)改進(jìn)或采用控制手段對(duì)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整以改變其用電負(fù)荷特性曲線，在用戶滿意度和用戶生產(chǎn)工藝約束條件下，使用戶電費(fèi)支出最小化。

電力用戶的需求響應(yīng)通過將一部分高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段使用，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的消峰填谷，從而實(shí)現(xiàn)均衡用電、均衡發(fā)電，減少滿足邊際容量需求的發(fā)電設(shè)備及輸電設(shè)備投資。不僅提高了終端的用電效率、優(yōu)化了用電方式、減少了電力資源的浪費(fèi)，同時(shí)使電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性得到提高[2]。

目前，對(duì)電力需求響應(yīng)的研究主要集中在對(duì)用戶錯(cuò)峰用電、基于多代理技術(shù)的互動(dòng)調(diào)度以及考慮用戶互動(dòng)的發(fā)電日前調(diào)度建模分析[3-5]，以及分時(shí)、實(shí)時(shí)及尖峰電價(jià)下的用戶需求響應(yīng)模型[6-9]等方面，而對(duì)于用戶的需求響應(yīng)如投資決策、響應(yīng)策略、響應(yīng)方式及手段等很少有文獻(xiàn)報(bào)道。本文將對(duì)后者進(jìn)行深入分析。

1用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的參與模型

1.1用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的投資決策模型

用戶需求響應(yīng)活動(dòng)工程及設(shè)備投資的收益可以用動(dòng)態(tài)投資回收期Pt′來表示：

(1)

式中：m為累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年份數(shù)；NCTm為用戶需求響應(yīng)工程每年收益的凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值；ANCTm-1為上一年累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值。

用戶參與需求響應(yīng)活動(dòng)每年減少的電費(fèi)支出的凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值NCTt的計(jì)算式為：

NCTt=(pfg+pjl)*(F/P，μ，t)*(P/F，i,t)

(2)

式中：(F/P，μ，t)為節(jié)電工程的年金終值系數(shù)；(P/F，i，t)為節(jié)電工程的復(fù)利現(xiàn)值系數(shù)；μ為能源價(jià)格增長率；i是折現(xiàn)率(累積的NPV開始出現(xiàn)正值的年份)；t為年份；pfg為用戶峰谷電價(jià)的收益；pjl為用戶激勵(lì)響應(yīng)的收益。

用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的上一年累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值A(chǔ)NCTt的表達(dá)式為：

(P/F，i，t)-γ*I0

(3)

式中：γ為經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的投資節(jié)電成本的折合系數(shù)；I0為需求響應(yīng)活動(dòng)的初期投資。

設(shè)用戶參與需求響應(yīng)活動(dòng)可以接受的動(dòng)態(tài)投資回收期年限的最小值和最大值分別為Nmin和Nmax，則用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的工程及設(shè)備投資決策模型為：

(4)

1.2用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的負(fù)荷響應(yīng)模型

在考慮用戶能量儲(chǔ)存容量的情況下，用戶的負(fù)荷優(yōu)化響應(yīng)模型的目標(biāo)函數(shù)為：

(5)

式中：ΔCopt為通過優(yōu)化減少的電費(fèi)支出；k為電價(jià)變化期序列；N為電價(jià)變化期總數(shù)；pk為k時(shí)段的電價(jià)；ΔWk為k時(shí)段減少的電能消費(fèi)量。

用戶響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)需要滿足如下的約束條件：

工業(yè)用戶應(yīng)滿足企業(yè)生產(chǎn)的工序約束條件和生產(chǎn)時(shí)間約束條件。

工序約束條件：

TSijk≥TSi(j-1)k+pi(j-1)k

(6)

生產(chǎn)時(shí)間約束條件：

(7)

式中：TSijk為工序j在第k臺(tái)設(shè)備上的加工開始時(shí)間；pijk為工序j在第k臺(tái)設(shè)備上的加工時(shí)間；ΔT為企業(yè)每天的生產(chǎn)時(shí)間；TSk為每道生產(chǎn)工序的生產(chǎn)時(shí)間；N為每天的生產(chǎn)工序數(shù)。

居民、公共機(jī)構(gòu)、商業(yè)用戶的約束條件為感覺舒適度約束，可以用溫度和光照度兩個(gè)約束條件來表示：

(8)

式中：Tset為用戶的制冷或取暖設(shè)備的設(shè)定溫度；Tmax-cold、Tmin-hot分別為空調(diào)制冷和制熱時(shí)滿足客戶舒適度要求的室內(nèi)溫度最大值與最小值；Ebus為室內(nèi)的光照度；Emin為保證用戶滿意的光照度的最小值。

2用戶的需求響應(yīng)策略及響應(yīng)效果分析

2.1用戶的響應(yīng)方式及響應(yīng)策略

單純依靠對(duì)用戶斷電的方式來實(shí)施用戶的需求響應(yīng)，會(huì)對(duì)用戶的生產(chǎn)、舒適度、滿意度帶來不良影響，從而造成用戶參與需求響應(yīng)熱情不高。采用電價(jià)作為用戶需求響應(yīng)的激勵(lì)手段，可以大大提高用戶參與需求響應(yīng)的積極性，并能使用戶在參與需求響應(yīng)活動(dòng)中獲利。用戶在需求響應(yīng)活動(dòng)中可以根據(jù)自身的電能使用情況，依據(jù)電價(jià)信息作出以下幾類響應(yīng)：

(1) 中斷用電。當(dāng)電價(jià)過高時(shí)，直接中斷電能的使用，如在尖電價(jià)時(shí)段中斷使用電力設(shè)備，以減少過高的電費(fèi)支出，或者采用間歇式中斷用電方式來避免尖、峰電價(jià)時(shí)段過多耗電。

(2) 轉(zhuǎn)移用電。把大負(fù)荷用電設(shè)備從尖、峰電價(jià)時(shí)段向平、谷電價(jià)時(shí)段轉(zhuǎn)移，如企業(yè)通過改變工藝流程，將高耗電工藝轉(zhuǎn)到低電價(jià)時(shí)段進(jìn)行。

(3) 替代能源。使用煤、天然氣、石油等代替電能，或采用可再生能源代替電能，如一些大型企業(yè)的自備電廠以及一些機(jī)構(gòu)的光伏發(fā)電。

(4) 能量存儲(chǔ)。利用大容量、可儲(chǔ)能式用電設(shè)備如儲(chǔ)能式空調(diào)、大容量蓄電池等在用電低谷時(shí)儲(chǔ)存電能，在電價(jià)高時(shí)使用。

(5)減少負(fù)荷。用戶采用高能效電氣設(shè)備來代替低能效電氣設(shè)備，如進(jìn)行變頻技術(shù)改造、生產(chǎn)工藝及設(shè)備改進(jìn)、使用高能效電機(jī)及LED照明等。

2.2峰谷分時(shí)電價(jià)下用戶收益及負(fù)荷消減效果分析

假設(shè)供電部門執(zhí)行的峰谷分時(shí)電價(jià)政策為：尖電價(jià)時(shí)段表示為tj，尖電價(jià)為pj元/kW·h；峰電價(jià)時(shí)段表示為tf，峰電價(jià)為pf元/kW·h；平電價(jià)時(shí)段表示為tp，平電價(jià)為pp元/kW·h；谷電價(jià)時(shí)段表示為tg，谷電價(jià)為pg元/kW·h。商業(yè)用戶與高耗能企業(yè)的用電價(jià)格按照目前的用電價(jià)格同比率進(jìn)行浮動(dòng)。

對(duì)于某一用戶，假定其能夠參與需求響應(yīng)活動(dòng)的設(shè)備數(shù)量為N臺(tái)，其第i臺(tái)設(shè)備的用電時(shí)間段有Ni個(gè)，該設(shè)備的能效提升手段可以利用情況為δi(δi=0表示不可用，δi=1表示可用)，能效提升潛力為αipi(0<αi<1)，用電時(shí)間段分別為t1，t2，…，tN。在該設(shè)備能夠參與需求響應(yīng)活動(dòng)的各個(gè)不同電價(jià)用電時(shí)間段，需求響應(yīng)活動(dòng)減少的電費(fèi)支出情況計(jì)算如下：

(1)在尖電價(jià)時(shí)段，用電時(shí)間為Δtj，可中斷負(fù)荷電量為ΔWj.zd，可轉(zhuǎn)移到峰、平、谷時(shí)段的負(fù)荷電量分別為ΔWj.zf、ΔWj.zp、ΔWj.zg，可以利用的儲(chǔ)能設(shè)備負(fù)荷為ΔWj.cn，可以使用的替代能源負(fù)荷電量為ΔWj.td(替代能源價(jià)格為ptd元/kW·h)，通過能效提升可以減少使用的負(fù)荷電量為ΔWj.nx，尖電價(jià)時(shí)段可減少的電費(fèi)支出及降峰比為：

ΔCj=pj*(ΔWj.zd+ΔWj.zf+ΔWj.zp+ΔWj.zg+ΔWj.cn+ΔWj.td+ΔWj.nxδi)-ptdΔWj.td

(9)

(10)

(2)在峰電價(jià)時(shí)段用電時(shí)間為Δtf，可中斷負(fù)荷電量為ΔWf.zd，可轉(zhuǎn)移到平、谷時(shí)段的負(fù)荷電量分別為ΔWf.zp、ΔWf.zg，可以利用的儲(chǔ)能設(shè)備負(fù)荷為ΔWf.cn，可以使用的替代能源負(fù)荷電量為ΔWf.td(替代能源價(jià)格為ptd元/kW·h)，通過能效提升可以減少使用的負(fù)荷電量為ΔWf.nx，峰時(shí)段可減少的電費(fèi)支出為：ΔCf=pf*(ΔWf.zd-ΔWj.zf+ΔWf.zp+ΔWf.zg+ΔWf.cn+ΔWf.td+ΔWf.nxδi)-ptdΔWf.td

(11)

(12)

(13)

(14)

(4)在谷電價(jià)時(shí)段，用電時(shí)間為Δtg，可中斷負(fù)荷電量為ΔWg.zd，需要進(jìn)行充電的儲(chǔ)能設(shè)備負(fù)荷為ΔWg.cn，可以使用的替代能源負(fù)荷電量為ΔWg.td(替代能源價(jià)格為ptd元/kW·h)，通過能效提升可以減少使用的負(fù)荷電量為ΔWg.nx，谷時(shí)段可減少的電費(fèi)支出及負(fù)荷變比為：

ΔCg=Pg*(ΔWg.zd-ΔWj.zg-ΔWf.zg-ΔWp.zg-ΔWg.cn+ΔWg.td+ΔWg.nxδi)-PtdΔWg.td

(15)

(16)

式中：Wj為尖電價(jià)時(shí)間段的用戶總用電量；Wf為峰電價(jià)時(shí)間段的用戶總用電量；Wp為平電價(jià)時(shí)間段的用戶總用電量；Wg為谷電價(jià)時(shí)間段的用戶總用電量。

3仿真分析結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出的典型用戶的需求響應(yīng)效果，利用本課題所開發(fā)的典型用戶需求響應(yīng)互動(dòng)節(jié)電仿真軟件對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)政策下的用戶響應(yīng)效果進(jìn)行仿真分析。仿真條件及仿真分析結(jié)果如下：

電價(jià)政策：將每年的7、8月兩個(gè)月份定義為實(shí)施尖電價(jià)的月份，尖電價(jià)時(shí)段為每日的14：00～15：00、18：00～20：00；其他月份實(shí)施峰、平、谷電價(jià)政策，對(duì)應(yīng)的電價(jià)分別為：尖電價(jià)1.50元/ kW·h，峰電價(jià)1.00元/kW·h，平電價(jià)0.60元/kW·h，谷電價(jià)0.30元/kW·h；將用電負(fù)荷特性劃分為峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)3個(gè)時(shí)段，每一時(shí)段為8 h；峰時(shí)段為7：00～11：00、17：00～21：00；平時(shí)段為11：00～17：00、21：00～23：00；谷時(shí)段為23：00～次日7：00。商業(yè)用戶或高耗能企業(yè)用戶的時(shí)段電價(jià)按照目前的電價(jià)比率同比例增長。

在該電價(jià)機(jī)制下的用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的仿真結(jié)果如表1所示。

表1　用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的仿真結(jié)果

從以上結(jié)果分析可以看出，實(shí)施需求響應(yīng)不但能減少電網(wǎng)尖、峰時(shí)段的用電負(fù)荷，而且可在很大程度上減少用戶的電費(fèi)開支。

4結(jié)語

針對(duì)需求響應(yīng)很少涉及對(duì)用戶響應(yīng)行為建模的問題，本文提出了用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的參與模型，對(duì)用戶的需求響應(yīng)策略及響應(yīng)效果進(jìn)行了研究。給出了用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的投資決策、負(fù)荷響應(yīng)模型，以及用戶的需求響應(yīng)方式、響應(yīng)策略，分析了用戶需求響應(yīng)活動(dòng)的響應(yīng)效果，并給出了各個(gè)時(shí)段的收益及負(fù)荷變化情況的表達(dá)式。仿真測(cè)試結(jié)果表明，用戶的需求響應(yīng)在降低尖峰負(fù)荷以及負(fù)荷移峰填谷方面效果顯著。

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(責(zé)任編輯：張同學(xué))

收稿日期：2016—03—26

作者簡介：白蓉(1967—)，女，河南鞏義人，實(shí)驗(yàn)師。

文章編號(hào)：1671-6906(2016)03-0034-04

中圖分類號(hào)：TM

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.008

Modeling of Demand Response Characteristics Considering Customer Behavior

BAI Rong

(Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract：The investment decision criteria and load responsive model as well as participate process of customer’s demand response active are presented in the paper firstly. Customer response mode and response strategies as well as response devices are given, the devices response time and period are given simultaneously. The response effect of customer response behavior are analyzed, the customer response revenue and load peak elimination effect as well as valley filling effect are presented. The simulation analysis results confirm the remarkable result in load peak elimination and peak load shifting in time-of -use prices.

Key words：demand response； time-of-use price； response characteristic； response model