羅洪飛，夏嬌妮，李春燕

（1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400030;2.重慶市電力公司 檢修分公司，重慶 400039）

智能用電是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的著力點和落腳點，直接面向社會、面向客戶，在堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)中具有十分重要的地位和作用。

智能用電，是指通過對電力的智能化掌控和支配，實現(xiàn)電力的優(yōu)化配置、節(jié)能環(huán)保。電網(wǎng)可以利用用戶參與智能用電計劃，結(jié)合其他需求響應(yīng)策略，調(diào)整用電負(fù)荷曲線，從而削峰填谷，減少負(fù)荷波動。用戶可以根據(jù)電網(wǎng)和服務(wù)商提供的智能用電策略，調(diào)整用電方式，主動參與市場競爭，獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。智能用電技術(shù)涵蓋了高速實時通信、智能電能表、智能采集、雙向交互和需方響應(yīng)等多方面的技術(shù)［1-3］。

歐美國家近幾年開展的智能用電服務(wù)的研究和實踐，主要是以用戶安裝智能設(shè)備為主，實現(xiàn)自動抄表和用電信息采集、用電設(shè)備自動控制，并開始進(jìn)行分布式能源接入研究實踐，通過建立節(jié)能服務(wù)子公司開展節(jié)能服務(wù)［4-6］。文獻(xiàn)［7］中提出通過第三方機(jī)構(gòu)管理一組負(fù)荷性質(zhì)相似的用戶，以用戶的負(fù)荷調(diào)度問題建立受限的多目標(biāo)規(guī)劃，并通過進(jìn)化算法進(jìn)行求解，優(yōu)化用戶用電計劃，在不影響正常生活的情況下繳納最少的電費。文獻(xiàn)［8］中利用雙向數(shù)字交互通信在用戶間構(gòu)建了一個自主的分布式需求側(cè)能源管理系統(tǒng)，通過減少電費支出調(diào)動管理系統(tǒng)中用戶的參與度，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的節(jié)能。文獻(xiàn)［9］中提出基于實時電價的動態(tài)需求響應(yīng)控制器，針對住宅用戶的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過優(yōu)化算法調(diào)整其工作時間，削峰填谷，并為參與調(diào)度的用戶帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［10］中提出基于實時電價的用戶最佳負(fù)荷控制，用戶通過響應(yīng)實時電價，減少電費支出。

我國開展智能用電服務(wù)的體系研究雖然比較晚，但在智能用電服務(wù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域己開展了大量的研究和實踐。文獻(xiàn)［11］中設(shè)計了依托于智能用電互動服務(wù)平臺的海量信息數(shù)據(jù)和多元化服務(wù)，完成面向電力用戶的智能家庭能效管理系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)電力用戶與電力公司雙向互動，滿足電力用戶多元化、互動化的用電服務(wù)需求。文獻(xiàn)［12］ 中提出了基于實時電價的智能用電系統(tǒng)框架。文獻(xiàn)［13］中從分析智能用電條件下需求響應(yīng)面臨的新環(huán)境出發(fā)，提出并設(shè)計了包括5個大模塊、20項子模塊的自動需求響應(yīng)框架流程。

國內(nèi)外的研究主要集中在智能用電交互式平臺構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集及智能電表研發(fā)，以及基于實時電價的需求響應(yīng)等方面。本文研究各種智能家電的用電特性，以達(dá)到較好的用戶用電方式滿意度以及電費交納滿意度為目標(biāo)，建立各智能家電在各時段運行的優(yōu)化模型，通過對用戶的智能家居的用電策略進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到智能用電的目的。

1 智能家居用電策略模型

1.1 假設(shè)前提

為了更簡單地建立和求解模型，我們需要做如下一些基本假設(shè)。

（1）已知各時段電價

智能電網(wǎng)的特點之一就是采用分時電價計費模式。在我國某些地區(qū)已經(jīng)實行了分時電價計費模式，例如廣州14∶00～17∶00，19∶00～22∶00，實行的是峰時電價，為98.75分/度；8∶00～14∶00，17∶00～19∶00，22∶00～24∶00實行的是平段電價，為61.00分/度；0∶00～8∶00實行的是谷時電價，為31.97分/度。

（2）用戶總用電量不變

假設(shè)用戶每天的總用電量不變，只改變其用電計劃。用戶可以通過將可控智能家電的使用時間從用電峰時改變到用電谷時來規(guī)避高電價。

（3）用戶安裝有智能家電

假設(shè)用戶的電器都具有智能模式，用戶可以根據(jù)用電計劃預(yù)先設(shè)置電器起停時間及工作模式，且每個家電在某一種工作模式下相同時間段內(nèi)均以額定功率運行，即在每個時段內(nèi)的用電量一定。

（4）用戶按照自身情況給出合理參數(shù)

假設(shè)用戶均為理性的，能夠按照自身情況給出合理的參數(shù)，以便求解適合自己的用電策略。

（5）用戶使用各個智能家電的起停時刻均為整點

在實際生活中各個家電開始工作或結(jié)束工作的時間都是隨機(jī)的，這里假設(shè)各個智能家電的工作時間均為整小時數(shù)，且開始和結(jié)束時間均為整時刻。

以下模型建立和求解過程均以上述5個假設(shè)為前提而進(jìn)行。

1.2 參數(shù)說明

（1）可控家電集合，如洗衣機(jī)，熱水器，空調(diào)，消毒柜，電動汽車，蒸汽掛燙機(jī)等；

（2）具體單個可控家電；

（3）一天24個時段；

（4）時段內(nèi)的電價；

（5）可控家電在一個時段內(nèi)的用電量；

（6）可控家電的用電計劃，為0-1變量，當(dāng)在時段使用了可控家電，當(dāng)在時段沒有使用可控家電。

1.3 用戶電費繳納滿意度

用戶電費繳納滿意度即為用戶繳納電費的多少，在同等總用電量情況下，繳納電費越少的用電計劃用戶越滿意。根據(jù)上述原則建立了用戶電費繳納滿意度模型。

每天的電費等于各個可控家電與不可控家電的電費的總和，由于優(yōu)化前后不可控家電用電計劃不改變，其繳納的電費也不變，為了簡化分析，可以只考慮可控家電繳納的電費，則模型的目標(biāo)函數(shù)如下：

約束條件為：

式（2）表示可控家電i每天用電量。其中，Hi為定值。式（3）表示各時段所有可控家電總用w電功率上限。其中，Wmax表示用戶線路最大容量，cons tant表示該時段不可控家電功率。

1.4 用戶用電方式滿意度

用戶是電力營銷的對象，是電力市場的重要組成部分，在進(jìn)行用電計劃制定時，應(yīng)當(dāng)充分考慮用戶對用電方式滿意度的變化，從而定量評估其對用電計劃變化的反應(yīng)程度。本文給出了用戶滿意度的一種評估方法，用戶電力消費的滿意度包括充盈度和舒適度兩個方面。充盈度表征用戶總電量需求的滿足程度，而舒適度則反映用戶用電習(xí)慣改變的多少。由前面假設(shè)可知，用戶改變用電計劃，但其總用電量不變，即充盈度是不變的。這里可認(rèn)為用電舒適度即為用電方式的滿意度。

一般來講，考慮到用戶對電價的自適應(yīng)性，可以認(rèn)為，在相對穩(wěn)定的電價水平下，用戶將會自主選擇其舒適度最大的用電方式。因此，假定在不進(jìn)行智能用電的情況下，用戶選擇的用電方式滿意度最高，并以此確定用戶在不同的用電計劃中的滿意度大小。在同等條件下，用電計劃改變越多，用戶用電方式滿意度越低；用電計劃改變越少，用電方式滿意度越高。

由于不同電器的使用對生活的影響不同，用戶對不同智能家電的依賴程度也不同。有一些可控智能家電的使用時間可以隨意改變，而另一些可控智能家電的使用時間則不可以有太大變化。因此，引入?yún)?shù)αi，表示可控家電i的不可更改率，且 αi∈[0,1]。不可更改率αi=0，表示該可控智能家電的使用時段是可以隨意改變的；不可更改率 αi=1，表示該可控智能家電的使用時段盡量不要有太大變化。不可更改率αi由用戶根據(jù)自身情況而自行設(shè)置。

據(jù)此原則建立用戶用電方式滿意度模型：

約束條件為式（3）、（5）：

1.5 智能用電策略綜合目標(biāo)函數(shù)

實際生活中，用戶選擇某種用電計劃時不僅是只考慮電費或者用電習(xí)慣，而是將二者結(jié)合起來綜合考慮。本文構(gòu)建一個同時追求用戶繳納電費最小化與用戶滿意度最大化的決策模型。通過引入目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)λ，轉(zhuǎn)化為如下單目標(biāo)問題：

式（6）即表示考慮了用戶繳納電費最少和用電方式改變最少的模型，它可以根據(jù)用戶對繳納電費滿意度和用電方式滿意度的不同要求要求設(shè)置權(quán)重系數(shù)。

約束條件為式（2）、（3）、（5）。

1.6 模型求解

模型是典型的0-1規(guī)劃問題，可以用matlab 或Lingo等相關(guān)軟件進(jìn)行求解。

2 算例分析

以廣州某用戶負(fù)荷為算例分析對象。該用戶擁有6種可控智能家電，分別為洗衣機(jī)、空調(diào)、吸塵器、消毒柜、蒸汽掛燙機(jī)和按摩椅。各個可控智能家電的用電功率、每天使用時長、每天使用總電量、用戶設(shè)置的家電不可更改率分別如表1所示。

表1 可控家電數(shù)據(jù)

查閱廣州供電局網(wǎng)上營業(yè)廳，其分時電價如表2所示。

表2 分時電價 分/千瓦時

可控家電各時段的總用電量上限如表3所示。

表3 各時段最大用量 瓦時

該用戶原來6種可控智能家電的使用習(xí)慣如表4所示，0表示不使用，1表示使用。

表4 各可控家電原來的用電計劃

根據(jù)以上用電計劃，用戶每天使用上述智能可控家電需要繳納的電費如表5所示。

表5 原用電計劃需繳納的電費 分

2.1 以電費繳納滿意度為目標(biāo)的用電策略優(yōu)化

只考慮繳納電費滿意度，不考慮用電方式滿意度，即1λ=時，根據(jù)上述模型，可得優(yōu)化結(jié)果如表6所示，需要繳納的電費如表7所示。

表6 1λ=時優(yōu)化后用電方案

表7 優(yōu)化后需要繳納的電費 分

由分析結(jié)果可知，為了繳納最少的電費，所有家電都調(diào)整到低電價時段使用。此時繳納電費比原計劃減少了54.81%，但用電方式改變卻很大。即電費滿意度最好，而用電方式滿意度卻最差。

2.2 以用電方式滿意度為目標(biāo)的用電策略

只考慮用電方式滿意度不考慮繳納電費滿意度，即0λ=時，根據(jù)上述模型，用電方式滿意度最好的情況即為用戶不改變其用電計劃的情形。此時，其用電計劃和繳納電費與原計劃相同，雖然用電方式滿意度最好，但繳納電費卻很高。

2.3 綜合考慮電費繳納滿意度和用電方式滿意度的用電策略

取權(quán)重系數(shù)λ為0.45，則用戶對電價繳納的滿意度占0.45，對用電方式的滿意度為0.55，根據(jù)上述模型，可得優(yōu)化結(jié)果如表8所示，需要繳納的電費如表9所示。

表8 0.45λ=優(yōu)化后用電方案

表9 優(yōu)化后需要繳納的電費 分

對比表4和表8，智能洗衣機(jī)只有第13這一個時段不變，其他兩個時段有了較大改變。而智能空調(diào)的兩種用電策略有4個時段完全相同，且另外兩個時段改變較少。這是由于用戶給出洗衣機(jī)和空調(diào)的不可更改率分別為0和0.8，即洗衣機(jī)工作時段可以任意改變，空調(diào)工作時段有較大限制而引起的，另外幾種家電工作時段變化原因也是如此。由此可見，不可更改率在用戶用電方式滿意度方面有較大的限制。

由表7可知，原用電方式中六種可控家電每天需繳納電費1 294.65分，而優(yōu)化后所需繳納的電費僅為967.7分，現(xiàn)用電方案比原用電方案節(jié)省了25.25%。

2.4 不可更改率對優(yōu)化結(jié)果的影響

不同用戶對智能家電的日常使用習(xí)慣、依賴程度也不同，下面取不同的不可更改率進(jìn)行驗證，如表10所示。

表10 可控家電數(shù)據(jù)

取權(quán)重系數(shù)λ為0.45，根據(jù)上述模型，可得優(yōu)化結(jié)果如表11所示，需要繳納的電費如表12所示。

表11 0.45λ=優(yōu)化后用電方案

表12 優(yōu)化后需要繳納的電費 分

對比表4、8和 11，很明顯，由于不可更改率的改變，用戶用電計劃也有很大的變化。特別是智能空調(diào)的不可更改率由0.8變?yōu)?.3，即限制其工作時段的約束變小，也就轉(zhuǎn)移到低電價時段運行；而按摩椅的不可更改率為0.8，限制較大，其工作時段的改變就較小。這說明不可更改率在綜合模型中影響較大，不同用戶可以根據(jù)自身要求設(shè)置不可更改率，實現(xiàn)用電的優(yōu)化。

綜上所述，采用本文優(yōu)化用電模型后，在保證滿足用戶用電方式滿意度的前提下，減少電費支出，達(dá)到了優(yōu)化目的。

3 結(jié)論

隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能家電的普及率會越來越高，電網(wǎng)公司也會擴(kuò)大執(zhí)行分時電價政策的范圍。在這種情況下，為了調(diào)動更多用戶參與智能用電，需要從用戶角度出發(fā)，制訂出讓用戶滿意的用電策略。本文建立的模型有如下特點。

（1）比較全面。本文從用戶的角度出發(fā)，綜合考慮了電費繳納滿意度和用電方式改變滿意度兩方面的因素。

（2）比較靈活?？梢愿鶕?jù)用戶的需求調(diào)整權(quán)重因數(shù)及每個可控家電的不可更改率，得到滿足要求的用電計劃。

需要指出的是，本文只是在用戶已經(jīng)響應(yīng)分時電價，總用電量不改變的情況下建立的模型。如何制訂總用電量發(fā)生改變時的智能用電策略，還需要進(jìn)一步研究。

［1］ 陳麗娟，許曉慧.智能用電技術(shù)［M］ .北京：中國電力出版社，2011：10-15.

［2］ 國家電網(wǎng)公司.智能用電服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則［M］ .北京：中國電力出版社，2012.

［3］ 張磊，王曉峰，李新家.電能信息采集系統(tǒng)運行及維護(hù)技術(shù)［M］ .北京：中國電力出版社，2010：35-37.

［4］ DOE. Smart Grid System Report［R］ . U. S. Department of Energy，2009 ：32-53.

［5］ The National Council on Electricity Policy. Demand response and smart metering policy actions since the Energy Policy Act of 2005：a summary for state officials ［M］ .NCSL,2008.

［6］ EC. Strategic deployment document for Europe’s electricity networks of the future［R］ . EC，NCSL 2008： 165-240.

［7］ Salinas S，Ming Li，Pan Li. Multi-objective optimal Energy consumption scheduling in smart grids ［J］ . IEEE Transactions on Smart Grid，2013，（1）： 341-348.

［8］ MohsenianRad AH，Wong VWS，Jatskevich J，etal Autonomous demand- side management based on game-theoretic energy consumption scheduling for the future smart Grid ［J］ . IEEE Transactions on Smart Grid，2010，（3）： 320-331.

［9］ Ji Hoon Yoon，Baldick R，Novoselac A. Dynamic demand response controller based on real-time retail price for residential buildings ［J］ . IEEE Transactions on Smart Grid，2014，（1）：121-129.

［10］ MohsenianRad A.H.，LeonGarcia A. Optimal residential load control with price prediction in real-time electricity pricing environments ［J］ . IEEE Transactions on Smart Grid，2010，（2）： 120-133.

［11］ 王繼業(yè)，李思維.基于智能用電互動服務(wù)平臺的智能家庭能效管理系統(tǒng)設(shè)計［J］ .電力信息化，2012，（12）：25-29.

［12］ 殷樹剛，張宇，拜克明.基于實時電價的智能用電系統(tǒng)［J］ .電網(wǎng)技術(shù)，2009，（19）：11-16.

［13］ 盛萬興，史常凱，孫軍平，張波，仉天舒.智能用電中自動需求響應(yīng)的特征及研究框架［J］ .電力系統(tǒng)自動化，2013，（23）：1-7