計(jì)及戶用分布式電源的合作博弈智能用電技術(shù)研究

米東風(fēng)，吳子璇

（國(guó)網(wǎng)天津城東供電公司，天津 300171）

為解決我國(guó)現(xiàn)階段能源總量下降、環(huán)境污染嚴(yán)重問題，電力企業(yè)須在保障負(fù)荷增長(zhǎng)需要的基礎(chǔ)上充分利用多種能源，如風(fēng)能、太陽能等分布式發(fā)電能源。在此過程中，智能電網(wǎng)的配置十分關(guān)鍵，要結(jié)合需求側(cè)管理進(jìn)行規(guī)劃，采取激勵(lì)、引導(dǎo)等形式，優(yōu)化居民的用電結(jié)構(gòu)。由此可見，對(duì)戶用分布式電源的合作博弈智能用電技術(shù)開展研究具有重要的意義。

1 當(dāng)前智能用電技術(shù)研究

電力企業(yè)作為我國(guó)能源供應(yīng)的重要企業(yè)，在日常生產(chǎn)的過程中，不僅需確保能源供應(yīng)的穩(wěn)定與安全，而且還要通過多種形式調(diào)控需求側(cè)，有效優(yōu)化能源使用結(jié)構(gòu)，在幫助用戶減少資源浪費(fèi)的基礎(chǔ)上，降低成本，減少能源損失。有關(guān)研究學(xué)者提出了在此基礎(chǔ)上優(yōu)化定價(jià)機(jī)制的理念，以期通過這種模式優(yōu)化能源供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。為進(jìn)一步確保電網(wǎng)激勵(lì)機(jī)制效果，企業(yè)通常會(huì)運(yùn)用智能定價(jià)機(jī)制，如分時(shí)定價(jià)的制度進(jìn)行管控和調(diào)整，會(huì)借助此類電價(jià)激勵(lì)、鼓勵(lì)用戶將電荷安排由高峰時(shí)期轉(zhuǎn)向到低谷時(shí)期，這樣不僅可幫助用戶減少費(fèi)用成本，而且還能夠緩解供電壓力。此外智能家居用電也是智能用電管理中非常關(guān)鍵的部分，尤其是在智能電表運(yùn)用的基礎(chǔ)上，為多主體進(jìn)行合作博弈提供了更多的可能性?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已有很多研究人員對(duì)此問題進(jìn)行研究，如對(duì)分時(shí)電價(jià)政策提出函數(shù)模型，并基于博弈論制訂定價(jià)策略，或根據(jù)電力企業(yè)和用戶間的信息建立博弈模型，使電力企業(yè)作為主導(dǎo)者，用戶作為跟隨者進(jìn)行優(yōu)化。文章在智能電網(wǎng)基礎(chǔ)上，分析了戶用分布式電源，并設(shè)計(jì)了一種剩余電能回收的方式，在此理念下用戶可在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上更加高效進(jìn)行負(fù)荷安排，從而為用戶減少電費(fèi)，實(shí)現(xiàn)能源高效運(yùn)用提供可能。此外在博弈思想使用方面，建立了用電優(yōu)化模型，如圖1所示，以期借助該模型完成電力調(diào)整，使用戶作為博弈參與者減少能源損耗降低費(fèi)用[1]。

圖1 用電優(yōu)化模型

2 系統(tǒng)建模

系統(tǒng)建模環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，要求電力企業(yè)應(yīng)以微網(wǎng)為對(duì)象開展分析，具體建模工作如下：設(shè)立此微網(wǎng)居民用戶為N，該區(qū)域的電力公司為1個(gè)，主要負(fù)責(zé)信息收集和負(fù)荷調(diào)度，而居民則是以合作的關(guān)系參與到需求側(cè)調(diào)整中。在體系流程中，每一戶都使用智能電表技術(shù)安裝分布式電源，用戶可將自身剩余的電量重新售賣給電網(wǎng)，從而確保能源使用的科學(xué)性與合理性。此外電力企業(yè)還會(huì)適時(shí)地進(jìn)行電價(jià)調(diào)整，通過激勵(lì)機(jī)制的設(shè)定確保用戶能夠科學(xué)進(jìn)行負(fù)荷安排，其中用戶與企業(yè)間的信息和負(fù)荷交互便形成了博弈合作。圖2為需求側(cè)管理場(chǎng)景。

圖2 需求側(cè)管理系統(tǒng)模型搭建

在系統(tǒng)建模的過程中，將1 d 設(shè)計(jì)為24 h，則系統(tǒng)內(nèi)n∈N，運(yùn)用lnh代表用戶n在h內(nèi)的用電情況，則總電荷耗費(fèi)量為：

與此同時(shí)，結(jié)合用戶的每日峰值負(fù)荷數(shù)據(jù)及平均負(fù)荷情況，還能夠得出峰值與平均數(shù)值間的關(guān)系，其為PAR數(shù)值，計(jì)算公式如下，其中，Lpeak為每日的最大電力負(fù)荷，Lavg為電荷平均值[2]。

電能成本模型也是模型搭建中非常重要的一點(diǎn)，其主要目的是能夠確保用戶科學(xué)運(yùn)用資源，借助激勵(lì)機(jī)制設(shè)置的方式完成電價(jià)設(shè)定。

3 合作博弈的能源消耗調(diào)度

3.1 能源成本最小化

結(jié)合電價(jià)設(shè)定需要，用戶可借助智能電表完成信息交互從而科學(xué)規(guī)劃能源的使用，最大程度減少此過程的成本消耗。從能源成本方面來看，用戶參與調(diào)度的核心是為減少成本支出，因此企業(yè)應(yīng)尋求最能夠滿足用戶需要的調(diào)度形式，以此確保成本。

3.2 電力消耗費(fèi)用

假設(shè)bn為用戶在1 d 內(nèi)所耗用的電費(fèi)，則用戶使用的總電費(fèi)計(jì)算為：

結(jié)合模型分析情況來看，在進(jìn)行電力需求管控的過程中，當(dāng)用戶參與到合作博弈時(shí)，用戶所支付的電費(fèi)情況不僅會(huì)受到用電量的影響，而且還會(huì)與周圍用戶的用電量息息相關(guān)。與此同時(shí)，若是用戶在購買電量后沒有完全使用，則可將剩余的電量回售給電力企業(yè)，此時(shí)按照單價(jià)，用戶所獲取到的收益總數(shù)為：

3.3 博弈模型

從博弈的角度來看，在智能用電合作博弈模型搭建的過程中，參與者為N，即所有的居民用戶群體。策略則是指用電調(diào)整與優(yōu)化，收益函數(shù)為Pn。結(jié)合博弈需要，按照收益及策略需要，全部的用戶都會(huì)直接參與到調(diào)整工作中，直至博弈過程能夠找到平衡點(diǎn)。其中，電荷控制方面在博弈模型建設(shè)的過程中主要是運(yùn)用An模型，其中主要針對(duì)對(duì)象包括冰箱、洗衣機(jī)等家用電器。對(duì)于分布式電源使用用戶來講，既可運(yùn)用購買的方式獲取電能，也可運(yùn)用電池板儲(chǔ)電的方式獲取電荷。其中電網(wǎng)購買獲取的調(diào)度電量公式為：

在模型設(shè)計(jì)的過程中，假設(shè)用戶1 d 所用的電量為恒定值，則說明對(duì)于不可轉(zhuǎn)移負(fù)荷來講，在使用方面被固定在某一時(shí)間區(qū)間內(nèi)，因此在進(jìn)行ECS 的過程中，只需進(jìn)行可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的處理就可以滿足需要。需注意的是，若是博弈的過程中找到均衡點(diǎn)，則任何用戶在優(yōu)化或調(diào)整用電情況時(shí)，都不會(huì)獲取更高的收益[3]。

4 算例仿真

電力能源供應(yīng)質(zhì)量與策略的制訂息息相關(guān)，為進(jìn)一步了解以上分析與模型設(shè)定的合理性與可行性，文章將對(duì)算例仿真等形式強(qiáng)化模型運(yùn)用效果進(jìn)行研究。為保障模型基本條件設(shè)定的合理性，在此分析過程中，假設(shè)用戶共有50名，電力企業(yè)為1個(gè)，所有居民所使用的均為智能電網(wǎng)，且用戶愿意參與到博弈中。其中，用戶使用的負(fù)荷分為兩種，分別為以家用電器為主的不可轉(zhuǎn)移負(fù)荷及電動(dòng)汽車等可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。由于每家每戶在電荷情況方面均有所差異，因此假設(shè)其存在一定的波動(dòng)范圍，則按照?qǐng)D3來看，隨機(jī)產(chǎn)生的不可轉(zhuǎn)移負(fù)荷公式為：

圖3 不可轉(zhuǎn)移電荷

式中，Xu及X1分別為用戶不可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的峰值，rand為隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

在此過程中假設(shè)每戶均設(shè)置了光伏電池板，即用戶可直接使用其完成電荷獲取，并將剩余的電荷售出給電網(wǎng)[4]。

工作人員發(fā)現(xiàn)在模型優(yōu)化后費(fèi)用成本進(jìn)一步下降。此外在ECS 方面，在總負(fù)荷分布中，存在大量的負(fù)值，該數(shù)是指用戶售出給電網(wǎng)的電量數(shù)值。在沒有進(jìn)行該模式優(yōu)化前，用戶負(fù)荷使用一般在17：00—0：00，而凌晨階段的負(fù)荷使用則整體較少。而在優(yōu)化完成后，6：00—17：00的負(fù)荷主要被轉(zhuǎn)移到了10：00—0：00，這是因?yàn)榇藭r(shí)間段的光伏能力最大，用戶可運(yùn)用電池板發(fā)電的方式獲取電能。而在剩余的時(shí)間段內(nèi)則負(fù)荷主要轉(zhuǎn)移到了凌晨0：00—6：00，這是因?yàn)榇穗A段的電價(jià)整體較低，使用耗電數(shù)量整體較少。根據(jù)數(shù)據(jù)分析顯示，在優(yōu)化完成后用戶借助光伏售出的電荷量明顯要更多。與此同時(shí)結(jié)合PAR 計(jì)算公式來看，在沒有進(jìn)行ECS 時(shí)，數(shù)值約為2.51，而在加入后，則變?yōu)?.1，這也進(jìn)一步說明，用戶在參與后不僅可減少費(fèi)用支出，而且能夠降低PAR 數(shù)值，有效確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。

在負(fù)荷運(yùn)用量不斷優(yōu)化的過程中，電力企業(yè)工作人員可明確掌握用戶可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的用電時(shí)間段。以用戶A 為例，當(dāng)處于負(fù)荷關(guān)閉情況下，用戶用電情況存在負(fù)值，負(fù)值是指剩余電量再次售出給電網(wǎng)。結(jié)合分析來看，該用戶的使用電量峰值恰好處于費(fèi)用最高的階段，而在10：00—15：00由于電量在使用完成后依舊存在大量的剩余電量，因此可借助出售的方式獲取收益?？傊瑢?duì)于電力企業(yè)發(fā)展來講，在制訂電價(jià)、能源工藝、負(fù)荷調(diào)節(jié)及電荷回售的過程中，須在保障經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，最大程度減少資源及成本浪費(fèi)，有效提升供電穩(wěn)定性與安全性。在具體工作中可結(jié)合合作博弈理念的使用，使用戶參與到優(yōu)化調(diào)整工作中，從而結(jié)合優(yōu)化模型調(diào)整用戶的用電結(jié)構(gòu)，幫助用戶減少資源浪費(fèi)，強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)效益。在后續(xù)工作中企業(yè)要積極借鑒行業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，不斷強(qiáng)化知識(shí)理論，提升工作團(tuán)隊(duì)的整體工作水準(zhǔn)，從而針對(duì)不同情況科學(xué)設(shè)定模型，優(yōu)化能源供應(yīng)，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造良好的條件[5]。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章基于用戶用電情況的需求側(cè)分析提出了合作博弈理念，并搭建了相應(yīng)的模型，以期通過博弈模型的搭建驗(yàn)證該理念的落實(shí)情況。結(jié)果表明，在用戶參與到能源消耗調(diào)度后，不僅能夠降低成本，而且可確保負(fù)荷的平衡，甚至可通過回售等方式進(jìn)一步減少費(fèi)用支出。因此在后續(xù)工作中，要求企業(yè)加強(qiáng)對(duì)此種形式的關(guān)注，科學(xué)使用智能技術(shù)優(yōu)化需求和供給，為我國(guó)能源高效利用創(chuàng)造良好的條件。