秦超，劉傳清，陳龍，裴謙，盧雙

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

基于價(jià)格博弈的需求側(cè)管理智能控制系統(tǒng)研究

秦超，劉傳清，陳龍，裴謙，盧雙

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

在智能電網(wǎng)中，需求側(cè)管理是優(yōu)化資源利用的有效方法，供電公司可以通過采取合適的定價(jià)策略以改變用戶的消費(fèi)行為來調(diào)整負(fù)荷，從而使電力系統(tǒng)負(fù)荷峰均比最合理化，用戶可根據(jù)電價(jià)信息規(guī)劃自己的用電以降低用電費(fèi)用。設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)具有雙向通信功能，能夠及時(shí)收集電力公司電價(jià)信息并及時(shí)發(fā)布用電計(jì)劃，同時(shí)具有電力計(jì)量和智能用電分析功能，并分析了需求側(cè)管理算法模型。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明可以大大降低用戶消費(fèi)，改善電力系統(tǒng)峰均比。

需求側(cè)管理；智能控制系統(tǒng)；設(shè)備規(guī)劃；價(jià)格博弈；峰均比

Abstract: In smart grids, DSM is an effective method to optimize resource utilization. The power company may adjust the load by adopting a suitable pricing strategy to shape users’ consuming behavior, thus achieving a most reasonable PAR for the power system load. Each user may schedule its power consumption according to price information so as to reduce its electricity payment. This paper designs a smart control system with bidirectional communication function which can timely collect price information of the power company and publish power scheduling and has the functions of power measurement and intelligent power consumption analysis. Furthermore, this paper makes an analysis on a DSM algorithm model. Finally, it gives experimental results which show that this method can significantly reduce users’ consumption and improve PAR of the electric power system.

Keywords: demand side management (DSM); intelligent control system; equipment scheduling; price game; peak-to-average ratio (PAR)

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車、智能家居及樓宇的日益普及，使得參與主導(dǎo)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的決策主體趨于多樣化，在此情況下，如何確定各決策主體最佳策略從而平衡和優(yōu)化電力系統(tǒng)有關(guān)各方利益是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的課題，此種背景下，面向復(fù)雜主體多目標(biāo)優(yōu)化的博弈論完全有望成為攻克智能電網(wǎng)諸多關(guān)鍵難題的有力工具[1]。供電公司能控制和改變用戶的消費(fèi)，通過控制電價(jià)以減少峰均負(fù)荷率PAR(peak-to-average load ratio)。另一方面，輔助信息技術(shù)能使得消費(fèi)者監(jiān)視分時(shí)電量消費(fèi)，以及市場(chǎng)電價(jià)的變化來保存電能或減少電費(fèi)，將部分用電從峰值時(shí)間轉(zhuǎn)到非峰值時(shí)間。供電公司采用合理的定價(jià)模式是控制和改變用戶的消費(fèi)有效的方法，比如我國(guó)曾使用的階梯電價(jià)IBP(inclining block pricing)，使得電能被低收入者使用，以滿足基本需要如照明或冷藏。但當(dāng)要求消耗更高的電能時(shí)，例如空調(diào)或制熱時(shí)，就會(huì)切換到更高的電價(jià)。供電公司還可以采取其他定價(jià)策略控制需求響應(yīng)，如臨界峰值定價(jià)CPP(critical-peak pricing)，分時(shí)電價(jià)TUP(time of use pricing)，實(shí)時(shí)電價(jià)RTP(real-time pricing)，日前定價(jià)DAP(day-ahead pricing)等。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)(U-EMS)原型，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的功率采集、總用電量計(jì)算及用電設(shè)備的通斷等基礎(chǔ)功能。文獻(xiàn)[3]提出一種具有監(jiān)測(cè)設(shè)備用電狀態(tài)和自動(dòng)斷電的相對(duì)獨(dú)立的插座模型，并抽象出二元狀態(tài)控制模型，在該控制模型與人機(jī)交互的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了智能控制算法使其成為一種相對(duì)獨(dú)立的智能用電控制模塊。該插座可以進(jìn)行人機(jī)交互，能夠記憶設(shè)備用電狀態(tài)，并能夠判斷設(shè)備的用電狀態(tài)，從而決定、實(shí)施設(shè)備的通、斷功能，節(jié)約大量的待機(jī)功耗。文獻(xiàn)[4]介紹的基于WiFi構(gòu)建的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PC主機(jī)和智能手機(jī)作為基本硬件平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]提出可中斷負(fù)荷屬于需求側(cè)響應(yīng)中的激勵(lì)響應(yīng)，在文中的模型中，以最大化可中斷負(fù)荷綜合指標(biāo)來確定可中斷負(fù)荷用戶，最終達(dá)削減峰值負(fù)荷的目的。以上文獻(xiàn)都以用電控制為目的，并兼顧供電系統(tǒng)負(fù)荷均衡，由于缺乏交互，無法達(dá)到最優(yōu)化。

本文采用博弈論策略設(shè)計(jì)一種智能控制系統(tǒng)以最優(yōu)化需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)供電和用電效益最大化。供電公司通過實(shí)時(shí)定價(jià)激勵(lì)消費(fèi)者調(diào)整他們的消費(fèi)行為，以使部分負(fù)荷從峰值時(shí)間轉(zhuǎn)移到非峰值時(shí)間，實(shí)現(xiàn)峰均比最合理化。

1 系統(tǒng)模型

不失一般地假定系統(tǒng)由一個(gè)供電公司和多個(gè)用戶構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1所示。電力公司首先依據(jù)已有的信息預(yù)算接下來幾個(gè)小時(shí)的電量需求，為不同時(shí)段設(shè)置了價(jià)格，并通過輔助數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，把價(jià)格發(fā)給用戶。每一個(gè)用戶根據(jù)電價(jià)信息調(diào)整自己的消費(fèi)，即調(diào)整家庭各電器的最佳使用計(jì)劃。

圖1 電力系統(tǒng)供需結(jié)構(gòu)圖

(1)

一天最大負(fù)荷為(日峰值)：

(2)

一天平均負(fù)荷為：

(3)

因此，電力系統(tǒng)的峰均比PAR表示為：

(4)

對(duì)于每個(gè)用戶n∈N，用An表示家用電器集合，如電燈、電視、洗衣機(jī)、PHEV等等。對(duì)于每個(gè)家用設(shè)備a∈An，定義能量消耗計(jì)劃矢量為：

(5)

(6)

實(shí)際上，對(duì)于所有家用電器在不同時(shí)間h的消耗是不一樣的。圖2給出了智能調(diào)度器結(jié)構(gòu)示意圖，智能儀表(smart meter)里的規(guī)劃任務(wù)(task of scheduler)決定了能耗矩陣Xn,a的最優(yōu)選擇(對(duì)設(shè)備a∈An)，以構(gòu)建用戶n的日負(fù)荷概況。

圖2 智能調(diào)度器結(jié)構(gòu)圖

圖3是智能控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖?？刂葡到y(tǒng)可以劃分為6個(gè)部分組成：電力載波雙向通信模塊負(fù)責(zé)信息的雙向傳輸；處理器和需求側(cè)管理模塊為單元的處理中心，是算法和管理中心，負(fù)責(zé)智能終端的控制與管理，以及電力計(jì)量存儲(chǔ)分析等任務(wù)；無線WIFI實(shí)現(xiàn)智能家居的互聯(lián)與無線管理；電力計(jì)量模塊完成用電單元的電力計(jì)量；輸出控制單元就是完成電器用電實(shí)時(shí)控制過程；開關(guān)電源為終端各模塊提供電源。

圖3 智能控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 價(jià)格博弈算法

對(duì)于每個(gè)用戶n∈N，以及每臺(tái)用電設(shè)備a∈An，先確定的日總消耗為En,a。注意這個(gè)規(guī)劃目的不是改變能耗總量，而是為了系統(tǒng)的管理和調(diào)整。比如為了減少峰均比PAR或最小化能源消費(fèi)。此例中，用戶需要確定設(shè)備a∈An被規(guī)劃的時(shí)間區(qū)間，設(shè)起始時(shí)間為αn,a∈H，結(jié)束時(shí)間為βn,a∈H，且αn,a≤βn,a。則：

(7)

其中Hn,a={αn,a,…,βn,a}。對(duì)于每個(gè)用電設(shè)備，用戶提供的時(shí)間區(qū)間需要大于等于需要結(jié)束操作的時(shí)間區(qū)間。在一天時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備總能耗等于所有設(shè)備的日能耗。即滿足如下公式：

(8)

一般說來，有些設(shè)備的操作并非時(shí)間可調(diào)性，他們有著嚴(yán)格的能耗規(guī)劃限制。如冰箱必須一直開著。此時(shí)αn,a=1，βn,a=24，如圖3所示, 智能儀表里的調(diào)度器對(duì)于非可調(diào)家用電器，沒有能耗規(guī)劃。

博弈優(yōu)化目標(biāo)有兩個(gè)：峰均比PAR最小化以及能耗成本最小化，基于目標(biāo)可以得出用戶的用電最佳調(diào)度計(jì)劃。

1)由式(4)得：

(9)

因此，最優(yōu)化問題即為解決下式最小化問題：

(10)

如果假設(shè)總能耗固定，那么問題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

(11)

2)用戶能源消費(fèi)最小化，即：

(12)

用bn表示用戶所要支付的費(fèi)用，其取決于用戶每天的用電量以及電價(jià)函數(shù)，假定用戶n的支付費(fèi)用為：

(13)

其中ph為電價(jià)函數(shù)，形式為：

(14)

其中ah，bh，ch為常數(shù)且不小于0。

在某時(shí)段h，用戶的費(fèi)用與他們的用電量是成正比的，則進(jìn)一步假定：

(15)

由上式可以得到用戶n的費(fèi)用的計(jì)算式如下：

(16)

由(17)可知，每個(gè)用戶的費(fèi)用不僅與自身的用電量有關(guān)，還與其他用戶的用電量有關(guān)，用戶n的效用函數(shù)為Pn(Xn；X-n)。

(17)

通過選取最優(yōu)的脈沖信號(hào)占空比,可利用電壓變換電路實(shí)現(xiàn)將在一定范圍變化的電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的12 V電壓源。對(duì)不同輸入電壓情況下,選取的最優(yōu)化脈沖信號(hào)占空比進(jìn)行分析,得到脈沖占空比隨輸入電壓變化關(guān)系,擬合曲線后如圖8所示。圖中D為脈沖信號(hào)占空比,U為整流電路輸入端輸入的交流電壓,可以看出最優(yōu)占空比隨輸入電壓成指數(shù)遞減。根據(jù)擬合曲線可以得到占空比與輸入電壓的關(guān)系,從而在控制電壓變換電路時(shí)參考該曲線就能得到理想的占空比數(shù)據(jù),當(dāng)電路檢測(cè)到輸入電壓,根據(jù)曲線設(shè)置脈沖占空比,輸出電壓即為12 V。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

假定有10個(gè)用戶參與智能控制系統(tǒng)模型仿真，每個(gè)用戶的家用電器分為不可調(diào)度負(fù)荷電器和可調(diào)度負(fù)荷電器兩類，如表1和表2所示。

表1 不可調(diào)度設(shè)備負(fù)荷

表2 可調(diào)度設(shè)備負(fù)荷

將式(18)效用函數(shù)改寫如下:

(18)

在本文模型中，各用戶均不改變自己的總用電量，式中Ω為常數(shù)，問題轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

(19)

表3 分時(shí)電價(jià)

使用MATLAB中的fmincon函數(shù)，求解此類多元非線性規(guī)劃問題。求解過程如下：

(1)初始化10個(gè)用戶分時(shí)總負(fù)荷；

(3)將用戶1新的用電規(guī)劃與其余9個(gè)用戶的分時(shí)負(fù)荷疊加，形成新的總負(fù)荷；

(4)在此負(fù)荷下用戶2放棄原用電計(jì)劃，重新規(guī)劃自己的分時(shí)負(fù)荷，以滿足式(20)；

(5)將用戶2新的用電規(guī)劃與其余9個(gè)用戶的分時(shí)負(fù)荷疊加，形成新的總負(fù)荷；

(6)更多用戶分別重新規(guī)劃自己的分時(shí)負(fù)荷，直到單用戶能耗花費(fèi)穩(wěn)定在均衡值。

圖4 規(guī)劃前單用戶負(fù)荷

圖5 規(guī)劃后單用戶負(fù)荷

在使用智能控制系統(tǒng)之前，如圖4所示住宅用戶的能耗峰值集中在20點(diǎn)以后，也就是高電費(fèi)時(shí)段，使得21點(diǎn)的總負(fù)荷達(dá)到峰值15.91 kW，峰均比PAR=1.73，并且負(fù)荷曲線與分時(shí)價(jià)格正相關(guān)，所有用戶總能耗支出為每天103.27元。

在使用智能終端后，隨著更多用戶分別規(guī)劃自己的用電，總負(fù)荷峰值逐步轉(zhuǎn)移至凌晨低電價(jià)時(shí)段，峰谷逐漸顛倒，又因?yàn)樾в煤瘮?shù)為分時(shí)總負(fù)荷的二次凹函數(shù)，不會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷過度集中在低價(jià)時(shí)段，圖5為第10位用戶規(guī)劃用電后的總負(fù)

圖6 規(guī)劃前后單用戶負(fù)荷

圖7 用戶平均電費(fèi)與參與規(guī)劃用戶次數(shù)

荷圖，峰值出現(xiàn)在7點(diǎn)，為13.61 kW，峰均比降低為1.48。在第10位用戶規(guī)劃完自己的用電計(jì)劃后，所有用戶能耗花費(fèi)之和達(dá)到均衡值，為63.33元。規(guī)劃前后分時(shí)能耗對(duì)比如圖6所示。

從圖7可以看出，每增加一個(gè)參與規(guī)劃的用戶，平均能源花費(fèi)就會(huì)降低，直到達(dá)到最低值6.33元，所用用戶的效用達(dá)到最大。規(guī)劃前后能耗消費(fèi)對(duì)比可得出所有用戶能源花費(fèi)從103.27元降至63.33元，這樣一天下來所有用戶共節(jié)省花費(fèi)39.94元，長(zhǎng)遠(yuǎn)看來經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的智能終端設(shè)備具備的電力計(jì)量和電力設(shè)備分時(shí)消費(fèi)功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能終端所具備的博弈論算法可以大大降低用戶消費(fèi)，改善電力系統(tǒng)負(fù)荷峰均比。在本文仿真中，為方便討論，對(duì)終端用戶的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，在實(shí)際生活中，不同用戶的用電情況會(huì)更加復(fù)雜，并且本文中的電價(jià)模型設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，以后的研究中會(huì)討論這些設(shè)置的合理性。

[1] 盧強(qiáng),陳來軍,梅生偉.博弈論在電力系統(tǒng)中典型應(yīng)用及若干展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(29):5009-5017.

[2] 楊文軒,何光宇,王偉,等.用戶側(cè)能量管理原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(20):74-79.

[3] 張伯泉,張旭紅,賈茂盈,等.基于狀態(tài)記憶的智能插座研究[J].測(cè)控技術(shù),2014,35(33):125-131.

[4] 董思喬,趙榮建,孫通.基于WiFi構(gòu)建的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015,39(4):89-91.

[5] 陳星鶯,陳璐,廖迎晨,等.考慮可中斷負(fù)荷和需求側(cè)競(jìng)價(jià)的供電電價(jià)模型研究[J].電力需求側(cè)管理,2010,12(5):114-118.

A Research on the Smart DSM Control System Based on Price Game

Qin Chao, Liu Chuanqing, Chen Long, Pei Qian, Lu Shuang

(College of Electrical Engineering, Nanjing Institute of Technology,Nanjing Jiangsu 210044, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.008

TM744

A

1000-3886(2017)03-0023-03

定稿日期: 2016-10-29

本文得到南京工程學(xué)院創(chuàng)新基金資助(CKJB201309)

秦超(1989-)，男，江蘇徐州人，碩士生，主要研究方向：電力經(jīng)濟(jì)，需求側(cè)管理。 劉傳清(1964-)，男，湖北鄂州人，博士，教授，主要研究方向：智能電網(wǎng)、電力通信。 陳龍(1990-)，男，江蘇宿遷人，碩士生，主要研究方向：電力系統(tǒng)中博弈論優(yōu)化。 裴謙(1990-)，男，江蘇宿遷人，碩士生，主要研究方向：配電網(wǎng)智能技術(shù)與協(xié)同裝備。 盧雙(1993-)，男，江蘇徐州人，碩士生，主要研究方向：新能源發(fā)電。