基于用戶(hù)需求響應(yīng)評(píng)價(jià)機(jī)制的分布式電采暖日前優(yōu)化調(diào)度

金 榮，楊玉龍，王 淞，吳欣閣，張佳林

（東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

0 引言

當(dāng)前全球氣候變化是人類(lèi)亟待解決的重大問(wèn)題，全球氣候劇變已經(jīng)對(duì)人類(lèi)社會(huì)造成巨大的威脅。在此背景下，世界各國(guó)達(dá)成共識(shí)，簽訂節(jié)能減排協(xié)議，我國(guó)則提出“雙碳”目標(biāo)下多種舉措［1-4］。我國(guó)北方地區(qū)供暖方式普遍相同，通常采用集中供熱方式，在冬季會(huì)造成嚴(yán)重污染。近年來(lái)國(guó)家出臺(tái)的“煤改電”政策成為解決北方地區(qū)冬季供暖污染嚴(yán)重問(wèn)題的有效方法［5］，而電采暖作為該政策的主力軍被進(jìn)一步推廣，電采暖作為優(yōu)質(zhì)的柔性靈活資源，可以作為優(yōu)質(zhì)能源參與需求響應(yīng)。

當(dāng)前，諸多學(xué)者針對(duì)電采暖進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［6］提出一種適用于負(fù)荷聚合商的可削減柔性負(fù)荷實(shí)時(shí)需求響應(yīng)調(diào)度策略。文獻(xiàn)［7］運(yùn)用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法可以有效解決電采暖用戶(hù)不愿參與電網(wǎng)調(diào)控的問(wèn)題。文獻(xiàn)［8］提出一種考慮用戶(hù)響應(yīng)行為不確定性的階梯式需求響應(yīng)激勵(lì)機(jī)制，并建立隨機(jī)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［9］提出一種考慮用戶(hù)耐受度的自動(dòng)需求響應(yīng)調(diào)度策略。文獻(xiàn)［10］提出一種針對(duì)用電負(fù)荷“峰谷倒掛”現(xiàn)象的混合型電力需求響應(yīng)策略，該策略可以有效解決用電負(fù)荷“峰谷倒掛”現(xiàn)象，能夠使區(qū)域內(nèi)日負(fù)荷曲線明顯平穩(wěn)，總用電量波動(dòng)情況相較從前明顯下降，并可顯著提升電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［11］提出一種新型用戶(hù)響應(yīng)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以有效提高激勵(lì)補(bǔ)貼計(jì)算的公平性。文獻(xiàn)［12］提出綜合考慮電網(wǎng)激勵(lì)成本與用戶(hù)響應(yīng)成本的響應(yīng)能力梯度評(píng)估指標(biāo)，為電網(wǎng)激勵(lì)機(jī)制設(shè)計(jì)和用戶(hù)響應(yīng)方案決策提供指導(dǎo)依據(jù)。文獻(xiàn)［13］提出結(jié)合價(jià)格型和激勵(lì)型需求響應(yīng)的負(fù)荷聚集商調(diào)度策略，通過(guò)激勵(lì)協(xié)議充分挖掘電動(dòng)汽車(chē)的需求響應(yīng)潛力，而不愿參與激勵(lì)協(xié)議的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主可以通過(guò)價(jià)格型需求響應(yīng)完成充電。文獻(xiàn)［14］構(gòu)建了基于光熱電站和價(jià)格型需求響應(yīng)參與風(fēng)電消納的調(diào)度模型。

上述文獻(xiàn)針對(duì)用戶(hù)響應(yīng)行為多樣化的特點(diǎn)，根據(jù)用能偏好對(duì)不同用戶(hù)施加不同激勵(lì)方式可以達(dá)到規(guī)范用戶(hù)響應(yīng)行為的目的，但對(duì)于用戶(hù)響應(yīng)行為評(píng)判缺少統(tǒng)一的指標(biāo)。針對(duì)以上研究不足，本文提出了一種用戶(hù)需求響應(yīng)評(píng)價(jià)機(jī)制，并構(gòu)建需求響應(yīng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型，上層模型以用戶(hù)參與需求響應(yīng)收益最大化為目標(biāo)，下層以電網(wǎng)側(cè)綜合成本最小為目標(biāo)，最后，通過(guò)算例仿真驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

1 用戶(hù)需求響應(yīng)評(píng)價(jià)機(jī)制

1.1 用戶(hù)需求響應(yīng)評(píng)價(jià)機(jī)制

為了解決用戶(hù)參與需求響應(yīng)缺乏統(tǒng)一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，引入一種用戶(hù)需求響應(yīng)評(píng)價(jià)機(jī)制，選擇虛擬電廠協(xié)調(diào)控制中心作為用戶(hù)側(cè)的控制主體，其本身不盈利，主要職能是在用戶(hù)參與響應(yīng)前整合用戶(hù)側(cè)資源，再上報(bào)電網(wǎng)公司，根據(jù)電網(wǎng)公司需求，為用戶(hù)合理分配任務(wù)，響應(yīng)結(jié)束后為用戶(hù)結(jié)算收益，發(fā)放補(bǔ)貼。對(duì)于未響應(yīng)量，從電網(wǎng)公司購(gòu)買(mǎi)電量，保證電網(wǎng)公司與用戶(hù)雙方收益。用戶(hù)參與需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納的步驟如下。

1）用戶(hù)響應(yīng)量上報(bào)。在用戶(hù)上報(bào)響應(yīng)量階段，根據(jù)歷史響應(yīng)補(bǔ)貼激勵(lì)價(jià)格，用戶(hù)多次取均值之后，算出預(yù)測(cè)補(bǔ)貼價(jià)格，結(jié)合自身情況以及用電習(xí)慣，以個(gè)人利益最大化為目標(biāo)，決策出最佳響應(yīng)量，并將響應(yīng)量上傳至虛擬電廠協(xié)調(diào)控制中心。

2）協(xié)調(diào)控制中心統(tǒng)計(jì)申報(bào)。協(xié)調(diào)控制中心接收到用戶(hù)上傳數(shù)據(jù)后，向用戶(hù)下達(dá)確認(rèn)指令與用戶(hù)達(dá)成一致，統(tǒng)計(jì)所有參與需求響應(yīng)用戶(hù)。

3）電網(wǎng)公司公布出清結(jié)果。電網(wǎng)公司根據(jù)協(xié)調(diào)控制中心上報(bào)情況進(jìn)行出清，并向各參與響應(yīng)主體公布出清結(jié)果。

4）發(fā)布響應(yīng)量及價(jià)格。協(xié)調(diào)控制中心根據(jù)電網(wǎng)公司發(fā)布的出清結(jié)果，對(duì)參與響應(yīng)的用戶(hù)下達(dá)響應(yīng)目標(biāo)量及對(duì)應(yīng)的補(bǔ)貼價(jià)格。

5）用戶(hù)決策。用戶(hù)根據(jù)收到的響應(yīng)價(jià)格，并滿足室內(nèi)溫度約束，以自身利益最大化為目標(biāo)參與需求響應(yīng)。

6）發(fā)放補(bǔ)貼。響應(yīng)結(jié)束后，協(xié)調(diào)控制中心根據(jù)用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量對(duì)用戶(hù)發(fā)放補(bǔ)貼。

7）信用更新。協(xié)調(diào)控制中心根據(jù)用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量及歷史信用情況，更新用戶(hù)信用分?jǐn)?shù)并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，以便下次使用。

1.2 用戶(hù)響應(yīng)信用值計(jì)算

在上述步驟7中，為了準(zhǔn)確評(píng)估用戶(hù)m參與第k次需求響應(yīng)的實(shí)際表現(xiàn)情況，引入用戶(hù)響應(yīng)信用計(jì)算公式。協(xié)調(diào)控制中心會(huì)綜合考慮用戶(hù)m的歷史信用值并合理分配任務(wù)，根據(jù)用戶(hù)m在第k次需求響應(yīng)事件的實(shí)際表現(xiàn)，計(jì)算出本次需求響應(yīng)評(píng)估系數(shù)βk，m，并根據(jù)k－1次需求響應(yīng)，計(jì)算用戶(hù)m的響應(yīng)信用值，根據(jù)信用等級(jí)劃分（見(jiàn)表1）換算其信用等級(jí)S（ck－1，m）所對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)分?jǐn)?shù)，然后計(jì)算出用戶(hù)m在第k次需求響應(yīng)事件中的信用分?jǐn)?shù)：

表1 信用等級(jí)劃分

式中：Sk，m為第k次需求響應(yīng)事件中用戶(hù)m的信用分?jǐn)?shù)；Sk－1，m為第k－1次需求響應(yīng)事件中用戶(hù)m的信用分?jǐn)?shù)；K為第k次需求響應(yīng)事件總時(shí)間步長(zhǎng)；T1為用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量與目標(biāo)響應(yīng)量具有5%偏差時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，其對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)為1；T2為用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量與目標(biāo)響應(yīng)量具有10%的偏差時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，其對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)為0.9；T3為用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量與目標(biāo)響應(yīng)量具有15%～20%的偏差時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，其對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)為0.8。

實(shí)際情況中用戶(hù)都會(huì)存在未響應(yīng)情況，其對(duì)應(yīng)的信用分?jǐn)?shù)計(jì)為0，為了保障用戶(hù)信用的合理評(píng)估，引入均值公式，所有用戶(hù)初始信用分?jǐn)?shù)均為90。

2 分布式電采暖運(yùn)行特性建模

2.1 電采暖二階等效模型

分布式電采暖設(shè)備通常包含直熱式及蓄熱式，本文僅針對(duì)電直熱設(shè)備進(jìn)行分析。由于電直熱設(shè)備采暖情況主要受到房屋結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外溫度和墻體溫度影響，因此根據(jù)能量守恒原理，常采用二階熱參數(shù)模型［15］。圖1為分布式電采暖二階等效熱力學(xué)參數(shù)模型，其中Tin、Tout分別為室內(nèi)、室外溫度，R1為內(nèi)墻與室內(nèi)空氣熱阻，R2為外墻與室外空氣熱阻，C1、C2分別為空氣、墻體熱容，P為分布式電采暖設(shè)備功率。

圖1 分布式電采暖二階等效熱力學(xué)參數(shù)模型

簡(jiǎn)化后得到電采暖設(shè)備二階模型見(jiàn)公式（3）和公式（4）：

式中：Twall為墻體溫度；t為時(shí)間；Δt為仿真時(shí)間步長(zhǎng)。

由于室內(nèi)溫度須達(dá)到人體舒適標(biāo)準(zhǔn)，因此引入室內(nèi)溫度約束：

式中：和分別為用戶(hù)室內(nèi)溫度上、下限。

2.2 電采暖靈活調(diào)節(jié)功率

ΔP（t，m）為電采暖靈活調(diào)節(jié)功率，可以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納。其值等于電采暖實(shí)際功率與日前計(jì)劃功率的差值：

式中：P（t，m）為t時(shí)刻第m個(gè)用戶(hù)的實(shí)際出力；P0（t，m）為t時(shí)刻第m個(gè)用戶(hù)的日前計(jì)劃出力。

電采暖在風(fēng)電消納過(guò)程中，其靈活調(diào)節(jié)特性將受到風(fēng)電功率制約，因此文中引入風(fēng)電功率約束：

式中：N為電采暖用戶(hù)數(shù)量；Pt，wind為t時(shí)刻風(fēng)電功率。

3 需求響應(yīng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型

在參與需求響應(yīng)前，協(xié)調(diào)控制中心都會(huì)根據(jù)用戶(hù)意愿收集響應(yīng)電量，整合用戶(hù)側(cè)柔性靈活資源參與需求響應(yīng)，在國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布出清結(jié)果之后，協(xié)調(diào)控制中心都會(huì)綜合考慮用戶(hù)信用及用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)水平，為用戶(hù)合理分配響應(yīng)補(bǔ)貼。用戶(hù)響應(yīng)補(bǔ)貼為：

式中：Pb（k，m）為第k次需求響應(yīng)事件中第m個(gè)用戶(hù)參與響應(yīng)的補(bǔ)貼價(jià)格；P0為對(duì)用戶(hù)最低補(bǔ)貼價(jià)格；Cm為用戶(hù)m的補(bǔ)貼系數(shù)。

虛擬電廠協(xié)調(diào)控制中心與負(fù)荷聚合商相同，都是作為用戶(hù)側(cè)控制主體參與需求響應(yīng)。負(fù)荷聚合商參與需求響應(yīng)是以自身利益最大化為目標(biāo)，同樣協(xié)調(diào)控制中心作為控制主體模式下，也是以用戶(hù)參與需求響應(yīng)整體利益最大化為目標(biāo)。因此，提出的需求響應(yīng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型中上層模型以用戶(hù)參與需求響應(yīng)收益最大化為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：c1為全體用戶(hù)參與需求響應(yīng)獲得的收益；T為參與需求響應(yīng)事件總時(shí)間；ΔP（k，m）為第k次需求響應(yīng)事件中第m個(gè)用戶(hù)參與需求響應(yīng)的靈活調(diào)節(jié)功率。

以電采暖用戶(hù)為主，協(xié)調(diào)控制中心可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)的有效聚合，從而參與需求響應(yīng)。用戶(hù)參與需求響應(yīng)的補(bǔ)貼由用戶(hù)靈活調(diào)節(jié)功率和信用決定。下層模型則以電網(wǎng)綜合成本最小為目標(biāo)，同時(shí)保證用戶(hù)舒適性：

minc＝c2－c1－c3（10）

式中：c為電網(wǎng)綜合成本；c2為電網(wǎng)公司售電成本；c3為購(gòu)電成本。

4 算例分析

選取吉林省某電采暖住宅小區(qū)，測(cè)量采集多場(chǎng)景、全時(shí)段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該小區(qū)可運(yùn)行分布式電采暖設(shè)備共計(jì)1 000 臺(tái)，其中峰時(shí)段電價(jià)為0.672元／k Wh；谷時(shí)段電價(jià)為0.448元／k Wh；平時(shí)段電價(jià)為0.56元／k Wh，購(gòu)電價(jià)格為0.6元／k Wh，用戶(hù)最低補(bǔ)貼價(jià)格為0.448元／k Wh。

本文設(shè)計(jì)三類(lèi)典型電采暖用戶(hù)，改變初始信用，不同類(lèi)型用戶(hù)在多次參與需求響應(yīng)中信用以及激勵(lì)價(jià)格的變化見(jiàn)圖2，圖中M1、M2、M3分別為高、中、低信用用戶(hù)。綜合成本見(jiàn)表2。

圖2 初始信用分?jǐn)?shù)為90時(shí)信用和激勵(lì)價(jià)格變化情況

表2 綜合成本單位：元

由圖2可知，M1為高信用用戶(hù)，隨著初始信用分?jǐn)?shù)提高，M1不斷提升自己的信用分?jǐn)?shù)，而激勵(lì)價(jià)格也隨之提升，使得收益穩(wěn)中有升。而M2和M3分別為中、低信用用戶(hù)，隨著初始信用分?jǐn)?shù)的提升，也逐漸實(shí)現(xiàn)了信用的穩(wěn)步提升，但在初始信用較高時(shí)呈下降趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，高信用用戶(hù)始終將信用維持在較高水平，中、低信用用戶(hù)的信用也呈現(xiàn)了上升的趨勢(shì)，說(shuō)明在需求響應(yīng)事件中，用戶(hù)響應(yīng)情況較好，自身信用水平均得到提升。

而高信用用戶(hù)在大部分需求響應(yīng)事件中雖然表現(xiàn)較好，但信用提升幅度也逐步減小，最后穩(wěn)定在90分左右，而中、低信用用戶(hù)在大部分需求響應(yīng)事件中提升幅度緩慢，有時(shí)甚至呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最后將信用維持在了75～83分。

在初始信用70需求響應(yīng)事件10中，高信用用戶(hù)M1獲得的激勵(lì)價(jià)格為0.90元，低信用用戶(hù)M3獲得的激勵(lì)價(jià)格為0.82元，這說(shuō)明本文所提方法將用戶(hù)信用分?jǐn)?shù)和用戶(hù)激勵(lì)價(jià)格緊密聯(lián)系在一起，從而引導(dǎo)用戶(hù)主動(dòng)參與需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)整體收益最大化的目標(biāo)。但隨著需求響應(yīng)事件的推進(jìn)，用戶(hù)信用普遍提高，用戶(hù)信用差距也逐漸減少，激勵(lì)價(jià)格差距也隨之減少，初始信用為90分的需求響應(yīng)事件10中，高信用用戶(hù)M1的激勵(lì)價(jià)格僅比低信用用戶(hù)M3激勵(lì)價(jià)格高0.1%，說(shuō)明文中所提用戶(hù)信用等級(jí)機(jī)制可以有效根據(jù)用戶(hù)信用分?jǐn)?shù)合理分配激勵(lì)價(jià)格，最后獲得整體用戶(hù)收益最優(yōu)結(jié)果。

由表2可知，隨著初始信用的提升，用戶(hù)整體收益普遍提升，電網(wǎng)綜合成本逐漸減少，但此過(guò)程中存在售電成本減少、購(gòu)電成本增加的問(wèn)題，說(shuō)明為了維護(hù)用戶(hù)和公司整體利益，雙方均做出了讓步，但隨著用戶(hù)初始信用進(jìn)一步提升，用戶(hù)和公司整體利益均得到了保障。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的優(yōu)越性，對(duì)未使用該機(jī)制前用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量與使用后用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量進(jìn)行比對(duì)，未使用該機(jī)制前用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量為8 050 k Wh；初始信用為70分時(shí)用戶(hù)整體響應(yīng)量為8 361 k Wh；初始信用為80分時(shí)用戶(hù)整體響應(yīng)量為8 621 k Wh；初始信用為90分時(shí)用戶(hù)整體響應(yīng)量為8 981 k Wh；可以發(fā)現(xiàn)在使用該機(jī)制后用戶(hù)整體響應(yīng)量提升了3.8%～11.2%，用戶(hù)實(shí)際響應(yīng)量穩(wěn)步提升，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)側(cè)負(fù)荷的有效聚集。

綜上所述，在實(shí)際響應(yīng)中，協(xié)調(diào)控制中心給用戶(hù)下達(dá)需求響應(yīng)任務(wù)，高信用用戶(hù)逐步提升自身響應(yīng)量，從而提升信用分?jǐn)?shù)，激勵(lì)價(jià)格也會(huì)隨之增加，但隨著需求響應(yīng)事件的推進(jìn)，其信用分?jǐn)?shù)會(huì)趨于平穩(wěn)，對(duì)于中低信用用戶(hù)，協(xié)調(diào)控制中心會(huì)根據(jù)其當(dāng)前響應(yīng)量及信用分?jǐn)?shù)合理下達(dá)需求響應(yīng)任務(wù)，隨著實(shí)際響應(yīng)量增加，其信用分?jǐn)?shù)也逐步提升，最后實(shí)現(xiàn)用戶(hù)整體收益最大化和電網(wǎng)公司綜合成本最小的目標(biāo)。

5 結(jié)論

基于用戶(hù)參與需求響應(yīng)中存在的問(wèn)題，提出了一種用戶(hù)需求響應(yīng)評(píng)價(jià)機(jī)制，以虛擬電廠協(xié)調(diào)控制中心為用戶(hù)側(cè)控制主體，參與電網(wǎng)公司需求響應(yīng)，對(duì)用戶(hù)響應(yīng)行為合理發(fā)放補(bǔ)貼，同時(shí)規(guī)范用戶(hù)行為。

算例仿真結(jié)果表明，隨著初始信用的提高，高、中、低信用用戶(hù)信用逐步提升，但其表現(xiàn)卻略有差異，高信用用戶(hù)將信用一直保持在較高水平，而中、低信用用戶(hù)雖然信用逐步提升，但在初始信用為90分時(shí)卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。用戶(hù)補(bǔ)貼價(jià)格也隨著初始信用的提升而增加，高、中、低信用用戶(hù)補(bǔ)貼差價(jià)也逐漸減少，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)補(bǔ)貼價(jià)格的合理分配。高、中、低信用用戶(hù)在大部分需求響應(yīng)事件中都提升了信用，雖然有時(shí)也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但最后將信用維持在了較高水平。

用戶(hù)整體收益也隨初始信用的提升而增加，綜合成本逐漸減少，但此過(guò)程存在用戶(hù)和電網(wǎng)相互讓步的過(guò)程，但在初始信用為90分時(shí)此問(wèn)題已被解決，因此在工程實(shí)踐中，應(yīng)該合理設(shè)定初始信用分?jǐn)?shù)。為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性，將使用需求響應(yīng)評(píng)價(jià)機(jī)制前后用戶(hù)整體響應(yīng)量進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)使用該機(jī)制后用戶(hù)整體響應(yīng)量提升了3.8%～11.2%。