考慮負(fù)荷方差的智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型

楊國(guó)山 楊德州 楊昌海 徐慧慧 劉永成

摘? ?要：為調(diào)整用戶(hù)用電行為，提升智能微網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性，需構(gòu)建考慮負(fù)荷方差的智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型。通過(guò)需求價(jià)格彈性系數(shù)描述用戶(hù)對(duì)電價(jià)的反應(yīng)情況，依照智能微網(wǎng)中負(fù)荷恒定狀態(tài)和波動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算線(xiàn)路可變損耗，取樣采點(diǎn)一定周期內(nèi)負(fù)荷，計(jì)算負(fù)荷方差，探析負(fù)荷方差對(duì)線(xiàn)路損耗的影響。依照負(fù)荷方差和用戶(hù)負(fù)荷峰谷差構(gòu)建智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置峰平谷電價(jià)、用戶(hù)利益、峰谷倒置等五個(gè)約束條件，結(jié)合約束條件和目標(biāo)函數(shù)獲取最終的優(yōu)化模型。實(shí)驗(yàn)表明，該種方法構(gòu)建的用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型后，用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)最大峰段負(fù)荷為14109 kW，峰谷差是7963 kW，顯著增加售電側(cè)和發(fā)電側(cè)利潤(rùn)。

關(guān)鍵詞：負(fù)荷方差;智能;微電網(wǎng);用戶(hù)側(cè);分時(shí)電價(jià);優(yōu)化模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文件識(shí)別碼：A

文章編號(hào)：1003—6199（2020）02—0098—06

Abstract：In order to adjust the power consumption behavior of users and improve the security and stability of intelligent microgrid，it is necessary to construct an optimization model of time-sharing electricity price on the user side of intelligent microgrid considering load variance. The response of users to electricity price is described by demand price elasticity coefficient. According to the constant and fluctuating state of load in intelligent microgrid，the variable loss of line is calculated，the load within a certain period of sampling point is calculated，the load variance is calculated，and the influence of load variance on line loss is analyzed. According to the load variance and the peak and valley difference of user load，the objective function is constructed，and the five constraint conditions，such as peak flat valley electricity price，user interest and peak and valley inversion，are set up，and the final optimization is obtained by combining the constraint conditions and the objective function. Model。 Through the experimental analysis，it is found that after the optimization model of the time-sharing electricity price on the user side，the maximum peak load of the time-sharing electricity price on the user side is 16324kW，and the difference between the peak and valley is 8143kW，which significantly increases the profit of the selling side and the generating side.

Key words：load variance;intelligence;microgrid;user side;time-sharing electricity price;optimization model

智能微網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，更為注重與用戶(hù)之間的信息、電能和業(yè)務(wù)互動(dòng)[1]。用戶(hù)分布式能源利用和智能用電的有效載體是戶(hù)用型智能微網(wǎng)，智能微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)差異化供電和用戶(hù)個(gè)性化的重要手段是戶(hù)用型智能微網(wǎng)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)和智能家居技術(shù)的不斷發(fā)展，智能微網(wǎng)具有巨大潛力[2]。

目前隨著世界能源短缺現(xiàn)象的出現(xiàn)，社會(huì)正在廣泛關(guān)注電力的需求側(cè)管理。電力需求側(cè)管理的重要組成部分是用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)，是當(dāng)前學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容[3]。宋一航和于超等學(xué)者發(fā)現(xiàn)供電公司風(fēng)險(xiǎn)和用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)之間的關(guān)系，曾鳴和劉敏等學(xué)者主要從銷(xiāo)售側(cè)和上網(wǎng)側(cè)的角度出發(fā)，分析用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)聯(lián)動(dòng)理論，張蓉和譚忠富從供電側(cè)和發(fā)電側(cè)角度的分級(jí)優(yōu)化角度出發(fā)，探析用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)理論，湯玉東和胡福年等學(xué)者從雙邊價(jià)格聯(lián)動(dòng)角度與用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)之間關(guān)系，但是上述學(xué)者均未研究智能微網(wǎng)中負(fù)荷方差對(duì)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)的影響，忽略輸電線(xiàn)路可變損耗和負(fù)荷方差間的關(guān)聯(lián)性，且用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)制定合理性較差。

因此從智能微網(wǎng)負(fù)荷方差角度出發(fā)，考慮了智能微網(wǎng)輸電線(xiàn)路可變損耗和負(fù)荷方差間的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型。經(jīng)過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)負(fù)荷高峰時(shí)期智能微網(wǎng)分時(shí)電價(jià)較高，負(fù)荷低谷時(shí)期智能微網(wǎng)分時(shí)電價(jià)價(jià)格較低，通過(guò)上述方法能有效引導(dǎo)智能電網(wǎng)用戶(hù)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，降低智能微網(wǎng)中電力系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)情況，提升智能微網(wǎng)電力系統(tǒng)負(fù)荷率[4]。

1? ?分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型

1.1? ?用戶(hù)需求價(jià)格彈性系數(shù)

用戶(hù)負(fù)荷影響因素較多，通常來(lái)說(shuō)用戶(hù)負(fù)荷影響因素包括電價(jià)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)方式等，其中電價(jià)是最為重要且操作性最強(qiáng)的一種影響因素[5]。電能中包含一般商品的共同屬性，電能的價(jià)格和需求量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，兩者之間關(guān)系如圖1所示。

圖1中可通過(guò)需求價(jià)格彈性系數(shù)描述用戶(hù)對(duì)電價(jià)的反應(yīng)情況，彈性系數(shù)描述公式如下所示：

式中，下標(biāo)q和h分別表示調(diào)整用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)前和調(diào)整用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)后數(shù)據(jù)，o表示用戶(hù)，ΔQ表示需求變化量，ΔG表示價(jià)格變化量，t1和t2表示不同時(shí)刻，當(dāng)t1 = t2時(shí)，δ表示自彈性系數(shù)，否則δ表示交叉彈性系數(shù)[6]。當(dāng)需求價(jià)格彈性系數(shù)已知時(shí)，可求調(diào)整用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)后的用戶(hù)用電量變化值，計(jì)算公式如下所示：

1.2? ?負(fù)荷方差特性對(duì)輸電線(xiàn)路可變損耗影響

智能微網(wǎng)電力系統(tǒng)中電力損耗主要由兩部分組成，一部分是可變損耗，一部分是不變損耗[7]，其中智能微網(wǎng)變壓器空載損耗和線(xiàn)路電暈損耗是不變損耗，不變損耗和線(xiàn)路上負(fù)荷之間沒(méi)有關(guān)系[8]。智能微網(wǎng)中可變損耗是智能微網(wǎng)電路中線(xiàn)路負(fù)荷傳輸過(guò)程中導(dǎo)致的電能損耗，可變損耗的表達(dá)式如下所示：

式中■σ2表示負(fù)荷波動(dòng)對(duì)智能微網(wǎng)輸電線(xiàn)路可變損耗的影響，當(dāng)用戶(hù)總負(fù)荷數(shù)值處于既定狀態(tài)時(shí)，σ2越小，負(fù)荷波動(dòng)對(duì)智能微網(wǎng)中線(xiàn)路可變損耗影響越小[11]。由于從實(shí)際智能微網(wǎng)中獲取完整的負(fù)荷曲線(xiàn)較為困難，需取樣采點(diǎn)一定周期內(nèi)的負(fù)荷，此時(shí)可計(jì)算負(fù)荷方差[12]，計(jì)算公式如下所示：

1.3? ?分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型

根據(jù)上述分析發(fā)現(xiàn)智能微網(wǎng)輸電線(xiàn)路可變損耗和負(fù)荷方差之間存在一定聯(lián)系，因此設(shè)計(jì)分時(shí)電價(jià)目標(biāo)函數(shù)時(shí)需考慮負(fù)荷方差[13]。由于負(fù)荷方差無(wú)法充分反映負(fù)荷局部大幅度變化情況，需將負(fù)荷方差和用戶(hù)負(fù)荷峰谷差有機(jī)結(jié)合，獲取智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)[14]，其中用戶(hù)負(fù)荷峰谷差最小和用戶(hù)負(fù)荷方差最小分別用下述公式表示：

確定上述目標(biāo)函數(shù)后，需建立目標(biāo)約束，總共有五個(gè)目標(biāo)約束條件，如下所示：

（1）用戶(hù)利益約束：智能微網(wǎng)實(shí)行分時(shí)電價(jià)后，用戶(hù)的生活習(xí)慣和用電情況會(huì)受到一定影響，為獲取更多用戶(hù)的支持，需降低用戶(hù)平均用電價(jià)格，此時(shí)用戶(hù)利益約束為：

其中，Q表示不同時(shí)段用戶(hù)需求量，P表示不同時(shí)段用戶(hù)負(fù)荷有功功率。

（2）供電公司利益約束：為保障供電公司分時(shí)電價(jià)后的利益，需考慮供電公司運(yùn)行成本和總售電收入，此時(shí)可獲取供電公司利益約束：

式中，B表示供電公司允許減少收入的最大比例。

（3）峰平谷電價(jià)約束：當(dāng)峰平谷中電價(jià)之間相差較小時(shí)，不同時(shí)間段的電價(jià)對(duì)用戶(hù)激勵(lì)作用較小，相差較大時(shí)，會(huì)對(duì)用戶(hù)生活習(xí)慣和生茶習(xí)慣產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對(duì)供電公司經(jīng)濟(jì)利益產(chǎn)生一定影響，阻礙實(shí)時(shí)分時(shí)電價(jià)。因此應(yīng)將實(shí)施分時(shí)電價(jià)前后的電價(jià)比值控制在既定范圍內(nèi)[15]，即峰平谷約束條件如下所示：

式中y1max、y1min分別表示峰電價(jià)和原電價(jià)比值上、下限，y2max、y2min分別表示平電價(jià)和原電價(jià)比值上、下限，y3max、y3min分別表示谷電價(jià)和原電價(jià)比值上、下限，y4max、y4min分別表示峰谷電價(jià)比值上、下限。

（4）用戶(hù)總負(fù)荷約束：由于用戶(hù)平均用電發(fā)生變化，導(dǎo)致用戶(hù)總負(fù)荷產(chǎn)生變化，為保障職能微網(wǎng)的穩(wěn)定性，需約束用戶(hù)總負(fù)荷，約束方程如下所示：

式中β表示實(shí)施用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)后用戶(hù)總負(fù)荷變化最大比值。

（5）峰谷倒置約束：為降低智能微網(wǎng)中出現(xiàn)峰谷倒置現(xiàn)象的幾率，需設(shè)置條件約束峰谷倒置，約束條件如下所示：

經(jīng)過(guò)上述分析可知，分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型主要由目標(biāo)函數(shù)和約束條件兩部分構(gòu)成，在考慮負(fù)荷方差的基礎(chǔ)上，共同實(shí)現(xiàn)智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)的有效優(yōu)化。

2? ?實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)優(yōu)化模型的性能，需將設(shè)計(jì)模型應(yīng)用到實(shí)際中。以某地區(qū)智能微網(wǎng)為例，假設(shè)依照用戶(hù)價(jià)格彈性相似性可將該地區(qū)智能微網(wǎng)用戶(hù)分成Ⅰ、Ⅱ兩類(lèi)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)段不同用戶(hù)的負(fù)荷值如表1所示。

從表1中可以看出，與原負(fù)荷相比，Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)負(fù)荷變化范圍發(fā)生變化，是原負(fù)荷的[0.91，1.24]和[0.71，1.49]，依照上表可獲取Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)負(fù)荷各個(gè)時(shí)間段的平均需求價(jià)格彈性系數(shù)，各個(gè)時(shí)間段需求價(jià)格彈性系數(shù)如表2所示。

從表2中可以看出，Ⅰ類(lèi)負(fù)荷屬于民用負(fù)荷，該負(fù)荷主要特點(diǎn)是休息時(shí)間彈性系數(shù)較高，工作時(shí)間彈性系數(shù)較低，Ⅱ類(lèi)負(fù)荷屬于工業(yè)負(fù)荷，各個(gè)時(shí)間段的彈性系數(shù)差距較小。應(yīng)詳細(xì)分析所選智能微網(wǎng)的用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)。

2.1? ?不同負(fù)荷比例下分時(shí)電價(jià)分析

按照月用電量劃分所選智能微網(wǎng)的用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)，將用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)劃分成三個(gè)檔次，假設(shè)第一梯度為0 kWh-180 kWh，第二梯度為181 kWh-270 kWh，第三梯度超過(guò)271 kWh，假設(shè)總負(fù)荷比例中第一梯度占有61%的比重，第二梯度占有31%的比重，第三梯度占有8%的比重，經(jīng)過(guò)分析后本文方法構(gòu)建優(yōu)化模型后得到的負(fù)荷曲線(xiàn)變化和原始負(fù)荷曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果如圖2（a）所示。如果第一梯度和第二梯度占有51%和36%的比重，第三梯度占有14%的比重，經(jīng)過(guò)分析后本文方法構(gòu)建優(yōu)化模型后得到的負(fù)荷曲線(xiàn)變化和原始負(fù)荷曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果如圖2（b）所示。

從圖2（a）中可以看出，未采用本方法構(gòu)建用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型后，用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)最大峰段負(fù)荷為16324 kW，峰谷差值為8143 kW，采用本方法優(yōu)化模型后分時(shí)電價(jià)最大峰負(fù)荷是14109 kW，峰谷差是7963 kW，相差180 kW，用戶(hù)總支出也發(fā)生變化，正在不斷增加，與為實(shí)施分時(shí)電價(jià)相比略微增加，整體上智能微網(wǎng)用戶(hù)舒適度可以得到提升，售電側(cè)和發(fā)電側(cè)利潤(rùn)都在不斷增加。從圖（b）中可以看出，經(jīng)過(guò)本方法優(yōu)化后最大負(fù)荷是14976 kW，峰谷差為6478 kW，與采用優(yōu)化模型前相比最大負(fù)荷降低1012 kW，峰谷差降低1612 kW，用戶(hù)支出降低，售電側(cè)利潤(rùn)和發(fā)電側(cè)利潤(rùn)逐漸增加。經(jīng)過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙荻群偷谌荻蓉?fù)荷比例逐漸增加時(shí)，能夠增加售電側(cè)和發(fā)電側(cè)的利潤(rùn)，但為保障居民用電狀況，應(yīng)保障第一梯度比例在一定范圍內(nèi)。

2.2? ?不同時(shí)段個(gè)數(shù)下凈負(fù)荷期望值分析

為研究本方法構(gòu)建智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型的優(yōu)化效果，需研究?jī)?yōu)化模型在不同時(shí)段個(gè)數(shù)下的凈負(fù)荷期望值，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，采用本方法優(yōu)化模型后，當(dāng)劃分時(shí)段個(gè)數(shù)為5時(shí)，用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)調(diào)整效果較好，經(jīng)過(guò)實(shí)際分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分段個(gè)數(shù)不斷增加時(shí)，峰谷平劃分更為明確，調(diào)節(jié)效果更好。因此在采用本方法構(gòu)建用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型時(shí)，應(yīng)合理劃分時(shí)段，提升分時(shí)電價(jià)優(yōu)化效果。

3? ?結(jié)? ?論

經(jīng)過(guò)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大部分智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型主要是依照峰谷差分析分時(shí)電價(jià)效果。從負(fù)荷方差和線(xiàn)路損耗之間的關(guān)系出發(fā)，發(fā)現(xiàn)智能微網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)整體波動(dòng)性可通過(guò)負(fù)荷方差表示。因此將智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為峰谷差和負(fù)荷方差，選取適宜的約束條件，實(shí)現(xiàn)智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)的有效優(yōu)化。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建智能微網(wǎng)用戶(hù)側(cè)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型優(yōu)化效果較好，能顯著降低智能微網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)。

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