基于家用電器特性的居民用電行為優(yōu)化研究

左 強(qiáng)，楊世海，陳銘明，方凱杰

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 營銷服務(wù)中心，南京 210000）

0 引言

從我國電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)看，隨著城市化的進(jìn)一步發(fā)展，城區(qū)用戶無論從用戶數(shù)量還是從用電消費(fèi)量上都有明顯增加，用電增速遠(yuǎn)高于工農(nóng)業(yè)用戶［1］。由于交叉補(bǔ)貼的存在，城區(qū)居民用戶電價(jià)一直處于低位，用戶節(jié)能意識(shí)和節(jié)能需求都不強(qiáng)，造成了一定的能源浪費(fèi)。另一方面，受商業(yè)用戶用電習(xí)慣的影響，城區(qū)商業(yè)用戶內(nèi)部用電設(shè)備常處于較低的能效水平狀態(tài)，具有極大的節(jié)能潛力［2—3］。此外，大量電動(dòng)汽車、分布式電源和儲(chǔ)能單元等接連不斷地接入主電網(wǎng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷增加［4］。

隨著我國售電側(cè)改革和對(duì)節(jié)能減排需求的增長，以及電力競爭市場的發(fā)展與完善，電力系統(tǒng)的利益主體逐漸出現(xiàn)多元化的趨勢，需求側(cè)資源在電力市場中發(fā)揮著越來越重要的作用，多元用戶主動(dòng)參與電網(wǎng)互動(dòng)的意愿越來越強(qiáng)烈。如何引導(dǎo)居民用戶改變自身用電行為，主動(dòng)參與電力市場交易，降低系統(tǒng)峰谷差，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)資源優(yōu)化配置，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率變得尤為關(guān)鍵。因此亟需研究城市用戶用電行為特性、分析用戶響應(yīng)特性和互動(dòng)特性等，掌握電網(wǎng)與用戶互動(dòng)機(jī)理，建立用戶與電網(wǎng)供需互動(dòng)模型與互動(dòng)策略［5］。

文獻(xiàn)［6］建立了改進(jìn)價(jià)格彈性矩陣模型，通過政策激勵(lì)居民用戶參與負(fù)荷削峰填谷。文獻(xiàn)［7］基于自適應(yīng)模糊c均值算法［8］。利用負(fù)荷分解技術(shù)實(shí)現(xiàn)了居民差異化用電行為特性分析。文獻(xiàn)［9］考慮不同用戶用電特性計(jì)算基線負(fù)荷。文獻(xiàn)［10］通過非侵入式負(fù)荷辨識(shí)方法對(duì)居民用電負(fù)荷分解，評(píng)估居民用電的需求響應(yīng)能力。文獻(xiàn)［11］采用改進(jìn)K-means與長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)居民負(fù)荷曲線分類。文獻(xiàn)［12］、文獻(xiàn)［13］建立了家庭用電管理模型，通過優(yōu)化居民用戶用電行為降低用電費(fèi)用。文獻(xiàn)［14］基于負(fù)荷分解技術(shù)實(shí)現(xiàn)小區(qū)替代。文獻(xiàn)［15］、文獻(xiàn)［16］考慮智能樓宇內(nèi)部電器的優(yōu)化。

雖然國內(nèi)外對(duì)城區(qū)用戶與電網(wǎng)供需互動(dòng)有一定的研究和應(yīng)用，但由于新的形勢下用戶側(cè)資源數(shù)量多、分布廣，針對(duì)市場競爭機(jī)制下的居民用戶用電特性的分析和動(dòng)態(tài)互動(dòng)化技術(shù)依然需要深入研究。當(dāng)前對(duì)于居民用電行為的優(yōu)化研究主要考慮用戶成本，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與居民負(fù)荷互動(dòng)的同時(shí)最小化居民用戶電費(fèi)，激勵(lì)用戶參與需求響應(yīng)，但沒有充分考慮用戶舒適度問題，缺少激勵(lì)措施。同時(shí)，對(duì)用戶多電器參與管理研究不夠深入。為此，本文通過對(duì)用戶用電設(shè)備的使用效用和可調(diào)度潛力等開展分析，居民家用電器的用電特性研究，并提出了一種計(jì)及用戶舒適度的居民家用電器綜合管理模型，在考慮舒適度影響下研究電價(jià)策略對(duì)用戶收益影響，考慮多種電器綜合管理，符合實(shí)際居民用戶用電習(xí)慣。

1 居民家用電器的用電特性

根據(jù)消費(fèi)者行為理論，電力作為一種商品，電力用戶的將合理安排用電行為，實(shí)現(xiàn)用電滿足程度的最大化，或者也稱為效用最大化。電力用戶的用電效用可以分成2 個(gè)部分：用電行為給用戶的正效用以及支付電費(fèi)給用戶的負(fù)效用。

對(duì)于具體的用電行為，例如空調(diào)負(fù)荷、照明負(fù)荷和電子設(shè)備負(fù)荷等，他們帶給用戶的效用存在很大差異，需要用不同的用電設(shè)備正效用函數(shù)進(jìn)行刻畫。然而，支付電費(fèi)產(chǎn)生的負(fù)效用卻是較為簡單的，只與電費(fèi)數(shù)額有關(guān)。因此，市場要素對(duì)電力用戶的用電行為產(chǎn)生影響之前，先要對(duì)電力用戶用電設(shè)備的使用效用和可調(diào)度潛力進(jìn)行了解。

根據(jù)歐洲學(xué)者對(duì)于12 國居民的常見用電設(shè)備持有情況和使用情況研究調(diào)查［17］，結(jié)合2015 年《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》［18］中北京各類型居民住宅的家用電器調(diào)查，所得結(jié)果如圖1所示［19］。

圖1 居民家用電器設(shè)備擁有率Fig.1 Household appliance equipment ownership rate

由上圖可知，居民用戶擁有率較高的用電設(shè)備主要有：空調(diào)、電冰箱、熱水器、洗衣機(jī)、電視、飲水機(jī)、計(jì)算機(jī)（臺(tái)式機(jī)和筆記本）和照明設(shè)備。居民用戶使用上述設(shè)備的一般習(xí)慣總結(jié)如下。

（1）照明設(shè)備：數(shù)量較多，用途較為分散（如廚房、臥室、書房等），使用時(shí)間多集中在清晨和晚間，使用時(shí)間段內(nèi)多開啟1 個(gè)或多個(gè)照明設(shè)備，額定功率通常為幾十瓦；

（2）空調(diào)：擁有數(shù)量與經(jīng)濟(jì)狀況密切相關(guān)，一般有1—4 臺(tái)，使用時(shí)間主要集中在夏季和冬季，夏季使用時(shí)間段為整晚，冬季使用時(shí)間段為晚間前期，單臺(tái)額定功率通常為1～3 kW；

（3）電冰箱：一般只有1臺(tái)，全天24 h不間斷使用，處于額定工作循環(huán)中，額定平均功率為100～200 W；

（4）熱水器：一般只有1 臺(tái)，使用時(shí)間較為隨機(jī)，可分為加熱和保溫兩種工作模式，加熱周期通常為幾十秒，剩余時(shí)間都處于保溫模式，加熱功率在1.5～5 kW之間；

（5）洗衣機(jī)：一般只有1 臺(tái)，多集中于晚上使用，工作周期通常為幾十秒，額定工作功率一般為50～200 W；

（6）電視機(jī)：一般擁有1—2 臺(tái)，使用時(shí)間較為隨機(jī)，額定功率為幾十瓦；

（7）飲水機(jī)：通常只有1 臺(tái)，一天不間斷使用，額定熱功率為幾百瓦，額定冷功率為幾十瓦；

（8）計(jì)算機(jī)（臺(tái)式機(jī)和筆記本）：一般擁有1—3臺(tái)，使用時(shí)間不確定，額定功率為幾十瓦。

根據(jù)上述對(duì)用戶家用電器的使用總結(jié)，可以看到，使用功率較大的家用電器主要有空調(diào)、熱水器、飲水機(jī)等，這些家用電器的電能使用量大，電費(fèi)數(shù)量相對(duì)可觀，電力用戶使用行為會(huì)明顯受到電力價(jià)格和用電激勵(lì)的影響；對(duì)于洗衣機(jī)、照明設(shè)備，受電價(jià)和激勵(lì)的影響中等，電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的使用基本不受影響。

當(dāng)電力價(jià)格變化和電力公司給予用電激勵(lì)時(shí)，電力用戶的用電行為變化可以表現(xiàn)為3種情形：削減負(fù)荷、平移負(fù)荷、中斷負(fù)荷。此處定義電力用戶的響應(yīng)能力為可削減、可平移、可中斷負(fù)荷占原負(fù)荷的百分比，響應(yīng)能力極限為用戶受到一般電力價(jià)格波動(dòng)和激勵(lì)政策影響下的響應(yīng)能力最大值，取值參考報(bào)告《居民家用電器負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力分析報(bào)告》和文獻(xiàn)［20］。響應(yīng)能力即為響應(yīng)能力極限，下文不作特殊說明。

對(duì)于上述家用電器，典型家庭的響應(yīng)能力的評(píng)估情況如表1 所示，其中決策權(quán)重為制定需求響應(yīng)決策時(shí)，某一家用電器提供響應(yīng)的比例，即家用電器響應(yīng)負(fù)荷與所有電器總響應(yīng)負(fù)荷之比?？梢愿鶕?jù)響應(yīng)負(fù)荷的大小計(jì)算。

表1 家用電器需求響應(yīng)潛力Table 1 Demand-side response potential of home appliances

2 居民家用電器綜合管理優(yōu)化模型

當(dāng)電力用戶面臨電力價(jià)格變動(dòng)和用電激勵(lì)政策時(shí)，電力用戶將根據(jù)響應(yīng)負(fù)荷的情況，設(shè)置考慮權(quán)重，做出決策，合理地調(diào)整電器設(shè)備的使用計(jì)劃。例如，用戶可以改變洗衣機(jī)的使用時(shí)間，關(guān)掉不必要的照明設(shè)備，使空調(diào)的設(shè)定溫度更接近于環(huán)境溫度等。這種用電計(jì)劃的調(diào)整，包括用電時(shí)間調(diào)整和用電量的改變會(huì)給用戶產(chǎn)生不舒適，可以折算成不舒適成本［21］。

下面本文將建立基于電價(jià)激勵(lì)下，計(jì)及用戶舒適度的用電優(yōu)化模型，優(yōu)化目標(biāo)為用戶對(duì)家用電器使用效用的評(píng)估，具體可以分為3個(gè)方面：使用時(shí)間期待、使用效果期待以及電費(fèi)變動(dòng)期待。

2.1 使用時(shí)間期待

從使用時(shí)間期待考慮，用戶用電的不舒適性為實(shí)際用電時(shí)間和期待用電時(shí)間的差值，對(duì)于同一電器設(shè)備，用戶可以有多個(gè)期待用電時(shí)間，實(shí)際的時(shí)間不舒適性是實(shí)際時(shí)間Timeactual,j和最接近的期待用電時(shí)間Timeexp,j的差值，則用戶的時(shí)間不舒適性成本Uc,1為

由式（1）可知，當(dāng)時(shí)間差不斷增大時(shí)，用戶的不舒適程度顯著上升。

2.2 使用效果期待

從使用效果期待考慮，用戶用電的不舒適性為實(shí)際設(shè)定模式產(chǎn)生的用電效用Modeactual,j與最佳用電模式效用Modeexp,j的差值，用戶的效果不舒適性Uc,2為

2.3 電費(fèi)變動(dòng)期待

電費(fèi)變動(dòng)期待是指電價(jià)變動(dòng)引起的用戶效用感知的差異，則用戶的電價(jià)不舒適性Uc,3為

式中：k1、k2、k3分別為對(duì)應(yīng)分量的統(tǒng)一折算系數(shù)。

對(duì)于上述電器設(shè)備進(jìn)行分析，總結(jié)得出用戶對(duì)于這些電力設(shè)備的使用決策情況如下表。響應(yīng)意愿強(qiáng)，響應(yīng)系數(shù)大，其他條件一定時(shí)，用戶響應(yīng)電量較大，計(jì)入彈性系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行修正。由于用戶使用這些電器相互之間不存在明顯關(guān)聯(lián)。因此，對(duì)于每個(gè)電器，可以獨(dú)立地進(jìn)行優(yōu)化。

表2 總結(jié)了上述電器的使用目標(biāo)、響應(yīng)方式和響應(yīng)意愿情況。其中響應(yīng)意愿由用戶綜合考慮舒適度和電價(jià)因素后自定義［22］。

表2 家用電器參與需求側(cè)響應(yīng)的情況分析Table 2 Analysis of home appliances participating in demand side response

因此，對(duì)于照明設(shè)備、空調(diào)、電冰箱，主要考慮改變使用效用，也就是負(fù)荷的削減，而在使用時(shí)間上很難做調(diào)整，對(duì)于熱水器、洗衣機(jī)、飲水機(jī)，主要考慮調(diào)整其使用時(shí)間，也就是平移負(fù)荷。

關(guān)于負(fù)荷的削減，可以通過電量價(jià)格彈性系數(shù)，建立負(fù)荷削減量和價(jià)格變動(dòng)的聯(lián)系。然而，對(duì)于不同的電器，用戶的用電量削減意愿是不同的，為了分析更準(zhǔn)確，選取不同的彈性系數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的削減量，在根據(jù)實(shí)際可削減的情況進(jìn)行選擇，實(shí)際的可削減量通常是一組離散值，用戶在使用中，根據(jù)整體的價(jià)格感知，調(diào)整電器使用模式，各時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷有相近比率的減少；關(guān)于負(fù)荷的平移，為了簡化分析，假定在用戶的可接受的時(shí)間范圍，負(fù)荷只能進(jìn)行步長為1 h的平移。

約束條件主要包括對(duì)以上所提及的家用電器的使用和調(diào)控存在時(shí)間約束。

檢驗(yàn)方法論者對(duì)《提綱》第二條的內(nèi)容或明或暗地做出了如下三個(gè)判斷：第一，它的論域是認(rèn)識(shí)論或曰知識(shí)論，而非存有論、價(jià)值論或其他；第二，人的認(rèn)識(shí)確實(shí)可以具有客觀的真理性；第三，具體的認(rèn)識(shí)是否為真要通過實(shí)踐的方法或途徑來檢驗(yàn)。我們可以將它們分別稱之為論域判斷、可知論判斷和方法判斷。

2.3.1 負(fù)荷削減量的約束

負(fù)荷削減量Loadcurtail,j與電價(jià)的變動(dòng)和對(duì)應(yīng)電器的響應(yīng)意愿有關(guān)，反應(yīng)在電量電力價(jià)格彈性系數(shù)上，但不能超過該電器的響應(yīng)能力，其計(jì)算公式為

式中：ej為用戶的電價(jià)彈性系數(shù)；Loadactual,j為負(fù)荷的實(shí)際值。

2.3.2 負(fù)荷平移的時(shí)間約束

時(shí)間約束主要有兩個(gè)方面：用戶只有在家的時(shí)間段內(nèi)才能使用家用電器，且每個(gè)家用電器的使用時(shí)間段，受到用戶自身使用規(guī)律的約束，也存在各自限制。

用戶將根據(jù)不同的電價(jià)信息，綜合效用最大化，對(duì)原有電器的使用行為進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的模式可以用上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。

3 算例分析

以中國某地區(qū)的典型家庭為例進(jìn)行分析，并假設(shè)擁有家用電器的情況如表1所示，響應(yīng)方式如表2所示，可以將該居民擁有的電器負(fù)荷分成以下2類。

可削減負(fù)荷：照明設(shè)備、空調(diào)、電冰箱、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)；

可平移負(fù)荷：熱水器、洗衣機(jī)、飲水機(jī)。

該地區(qū)居民的電價(jià)情況如表3所示。通過合理管理控制現(xiàn)有的電器負(fù)荷，可以實(shí)現(xiàn)家用電器綜合效用最大化。均一電價(jià)下的用戶用電行為如圖2所示，分時(shí)電價(jià)下，用戶將重新調(diào)度現(xiàn)有負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)綜合效用最優(yōu)。

圖2 均一電價(jià)下某居民家用電器日常使用習(xí)慣Fig.2 Daily usage habits of household appliances under uniform electricity price

表3 該地區(qū)居民的電價(jià)情況Table 3 Electricity price of residents in the area

由圖2 可知，該居民家用電器的日常使用主要有早晚2 個(gè)高峰，且使用負(fù)荷主要是空調(diào)和電熱水器?？照{(diào)和電熱水器屬于溫控負(fù)荷，占居民用電總負(fù)荷的比值非常高，且具有良好的特性。

設(shè)定各電器的響應(yīng)類型和約束如表4 所示［23］。應(yīng)用本文的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化居民的家用電器使用行為，結(jié)果如圖3所示。

圖3 居民家用電器用電優(yōu)化Fig.3 Optimization of electricity consumption of household appliances

表4 居民家用電器的基本使用情況Table 4 Basic usage of household appliances

生活電器用電效用概念為：電力用戶在有限的能耗和用電成本約束條件下，以獲得最大滿意度為目標(biāo)進(jìn)行電力消費(fèi)［24］。我們采用效用這一概念和使用時(shí)間期待、使用效果期待和電費(fèi)變動(dòng)期待3 個(gè)指標(biāo)結(jié)合，對(duì)3種效用函數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行劃分，即在舒適度范圍內(nèi)，家用電器使用效用值取1，在舒適度范圍外效用值取0。即Uc,1，Uc,2，Uc,3為0-1 變量，Uc根據(jù)式（11）疊加0-1變量進(jìn)行計(jì)算。

由圖3 可知，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷中，用戶的熱水器負(fù)荷、飲水機(jī)負(fù)荷均發(fā)生了轉(zhuǎn)移，洗衣機(jī)仍保持原狀；可削減負(fù)荷中，由于分時(shí)電價(jià)下，各使用時(shí)間段內(nèi)，用戶的平均用電成本有所下降，照明負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷等均有所上升。

由圖4 可知，分時(shí)電價(jià)下峰時(shí)段19：00—20：00負(fù)荷有明顯的轉(zhuǎn)移和削減，而谷時(shí)段負(fù)荷有一定增長，既滿足用戶的用電舒適度，又減少用戶電費(fèi)支出，促進(jìn)用戶參與需求響應(yīng)。上述結(jié)果表明，本文所提優(yōu)化模型有助于引導(dǎo)用戶改變用電行為，節(jié)約能耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)資源優(yōu)化配置。

圖4 兩種電價(jià)下的用戶總負(fù)荷對(duì)比Fig.4 Comparison of total user load under two electricity prices

用戶成本對(duì)比如表5所示，電網(wǎng)電價(jià)措施改變，用戶用電習(xí)慣發(fā)生變化，對(duì)使用效果期待影響最大。而對(duì)于使用時(shí)間，可平移負(fù)荷對(duì)電器使用的初始時(shí)間不嚴(yán)格，因此影響較小，不舒適成本最低，由于采用分時(shí)電價(jià)，用戶電費(fèi)降低。雖然會(huì)帶來不舒適度成本，但總成本仍降低，表明本文所提優(yōu)化模型可以減少用戶成本，激勵(lì)用戶參與需求響應(yīng)。

表5 用戶成本對(duì)比Table 5 User cost comparison

4 結(jié)束語

在國內(nèi)電力市場改革不斷深化的背景下，多元用戶主動(dòng)參與電網(wǎng)互動(dòng)的意愿越來越強(qiáng)烈，如何引導(dǎo)用戶主動(dòng)參與電力市場交易，改變傳統(tǒng)高能耗的用電方式，降低系統(tǒng)峰谷差，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率變得尤為關(guān)鍵。本文基于居民家用電器的用電特性分析，通過對(duì)家用電器負(fù)荷平移、削減，降低用戶成本。給出了計(jì)及用戶舒適度的居民家用電器綜合管理模型，充分考慮了舒適度對(duì)用戶參與需求響應(yīng)的影響。實(shí)際算例的測試驗(yàn)證了本文方法的有效性，對(duì)引導(dǎo)用戶主動(dòng)改變能耗用電方式、實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)資源的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。D