張碩，曾鳴，李英姿，劉敦楠

(1．華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市 102206；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206；3．北京科技大學(xué)東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京市 100083)

新能源電力系統(tǒng)用戶需求響應(yīng)復(fù)雜適應(yīng)行為研究

張碩1,2，曾鳴1,2，李英姿3，劉敦楠1,2

(1．華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市 102206；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206；3．北京科技大學(xué)東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京市 100083)

實(shí)施需求響應(yīng)(demand response，DR)可有效消納可再生能源，平衡新能源電力系統(tǒng)電量供應(yīng)和需求。首先，分析了需求響應(yīng)過程的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)特征，描述了需求響應(yīng)復(fù)雜交互過程；其次，構(gòu)建了包含主體對象和環(huán)境對象的需求響應(yīng)過程集成模型，定義了各構(gòu)成對象；最后，結(jié)合多主體系統(tǒng)建模方法構(gòu)建了用戶主體響應(yīng)行為模型，從主體行為的角度描述了需求響應(yīng)過程。通過文章的研究，可為實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)提供輔助決策，為用戶需求響應(yīng)的研究提供了新思路。

新能源電力系統(tǒng)；需求響應(yīng)(DR)；復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)；多主體建模

0 引 言

新能源電力系統(tǒng)涵蓋了大量的風(fēng)能、太陽能等可再生能源，可有效降低化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題。為此，我國出臺了多項(xiàng)政策推動(dòng)引導(dǎo)可再生能源的建設(shè)和發(fā)展，《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出2020年風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.1億kW以上，太陽能發(fā)電規(guī)模達(dá)到1.1億kW以上。與傳統(tǒng)能源相比，可再生能源受自然環(huán)境影響，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，難以準(zhǔn)確預(yù)測，其大量并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制帶來顯著影響[1]。這也導(dǎo)致我國出現(xiàn)了大量的棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象。此外，我國目前電力產(chǎn)能過剩，通過調(diào)整供給側(cè)拓展可再生能源消納的空間愈發(fā)困難。為有效消納可再生能源，提高電網(wǎng)的適應(yīng)性，降低污染排放，實(shí)現(xiàn)2030年左右碳排放達(dá)到峰值的目標(biāo)，通過用戶側(cè)實(shí)施需求響應(yīng)(demand response，DR)平衡電量供給和需求已成為一種有效手段[2]。

需求側(cè)(用戶側(cè)或負(fù)荷側(cè))對消納可再生能源及平衡新能源電力系統(tǒng)的重要作用已得到業(yè)界認(rèn)可與重視?！赌茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出堅(jiān)持需求側(cè)與供給側(cè)并重，完善市場機(jī)制及技術(shù)支撐體系，增強(qiáng)需求響應(yīng)能力；《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出多措并舉破解可再生能源消納問題，大力提高電力需求響應(yīng)能力。這些頂層規(guī)劃均明確了實(shí)施需求響應(yīng)的重要性，表明實(shí)施用戶需求響應(yīng)行為已成為新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃管理的重要手段。

需求響應(yīng)指終端用戶根據(jù)市場的價(jià)格信號、激勵(lì)政策或者系統(tǒng)運(yùn)營者的直接指令產(chǎn)生響應(yīng)，改變其短期電力消費(fèi)方式(消費(fèi)時(shí)間或消費(fèi)水平)和長期電力消費(fèi)模式的行為[3]。作為虛擬的可控資源，DR在不增加裝機(jī)容量的前提下，通過調(diào)整控制需求側(cè)資源，匹配當(dāng)前可用能源，可有效克服可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性及與用電活動(dòng)的時(shí)間不匹配性對電力系統(tǒng)造成的不利影響[4]。通過鼓勵(lì)用戶主動(dòng)改變自身用電行為，DR可達(dá)到與供給側(cè)資源相同的效果[5]。

本文結(jié)合新能源電力系統(tǒng)大量并網(wǎng)可再生能源發(fā)電后呈現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)特性，從用戶需求響應(yīng)的角度研究新能源電力系統(tǒng)演化特性，為用戶優(yōu)化需求響應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)可再生能源有效消納及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供輔助決策。

1 用戶需求響應(yīng)行為研究

電力需求響應(yīng)，也稱電力需求側(cè)響應(yīng)，是隨著電力工業(yè)市場化改革和電力市場建設(shè)，從電力需求側(cè)管理(demand side management，DSM)中演化而來，旨在以市場手段和價(jià)格工具為主要載體，影響和調(diào)節(jié)需求的時(shí)間和水平，挖掘需求響應(yīng)資源，提升需求側(cè)響應(yīng)彈性，提高電力系統(tǒng)和電力市場的運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行效率以及社會(huì)整體資源的利用效率[6]。根據(jù)不同的響應(yīng)信號，DR可分為2種類型：價(jià)格型DR和激勵(lì)型DR[7]。此外，通過虛擬電廠、系統(tǒng)規(guī)劃等方面，也可有效實(shí)施需求響應(yīng)行為。關(guān)于這些方面的研究為我國從用戶需求響應(yīng)的角度，促進(jìn)可再生能源消納，提升電力市場效率等方面的效益，提供了系統(tǒng)的理論依據(jù)。

(1)基于價(jià)格的DR。在基于價(jià)格的DR研究方面，文獻(xiàn)[8]研究了含風(fēng)力發(fā)電的情況下用戶側(cè)分時(shí)電價(jià)的制定方法，采用聚類分析方法優(yōu)化了不確定條件下的峰、谷、平時(shí)段劃分，建立了用戶側(cè)的分時(shí)電價(jià)定價(jià)模型。文獻(xiàn)[9]對實(shí)時(shí)電價(jià)(real-time price，RTP)下供電商在購售電市場的成本、收入與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合分析，以供電商購售電效用最大化為目標(biāo)，建立了不同風(fēng)險(xiǎn)喜好供電商的最優(yōu)購電組合決策模型。文獻(xiàn)[10]為應(yīng)對可再生能源的波動(dòng)性，構(gòu)建了考慮彈性響應(yīng)公式的集成優(yōu)化模型，從用戶需求響應(yīng)的角度實(shí)現(xiàn)短期供需平衡。針對風(fēng)電及其他可再生能源并網(wǎng)后產(chǎn)生的不確定性問題，文獻(xiàn)[11]將負(fù)荷視作附加資源，構(gòu)建了基于Agent的智能電網(wǎng)系統(tǒng)集成模型，保證供給側(cè)和需求側(cè)在實(shí)時(shí)電價(jià)市場中進(jìn)行競價(jià)，通過有效實(shí)施需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)間歇性可再生能源的消納。上述文獻(xiàn)研究了不同價(jià)格機(jī)制下的用戶需求響應(yīng)策略，且部分文獻(xiàn)考慮了可再生能源出力特性，這些對本文的研究具有重要參考價(jià)值。

(2)基于激勵(lì)的DR。DR通過主動(dòng)負(fù)荷的方式削減、中斷、轉(zhuǎn)移負(fù)荷，參與輔助服務(wù)，能夠有效地減少新增裝機(jī)容量，提高系統(tǒng)效益，并有力支撐分布式可再生能源的經(jīng)濟(jì)消納[12]。文獻(xiàn)[13]針對風(fēng)電場并網(wǎng)后處理的不確定性，提出了緊急需求側(cè)響應(yīng)策略，在風(fēng)電出力較小時(shí)削減負(fù)荷，并支付用戶部分補(bǔ)償費(fèi)用，以有效減少電網(wǎng)投資費(fèi)用及線路過負(fù)荷量。需求側(cè)可中斷負(fù)荷可作為系統(tǒng)的備用容量，引入到備用輔助服務(wù)體系中，可有效地提高系統(tǒng)可靠性和市場效率，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式[14]。文獻(xiàn)[15]從需求側(cè)響應(yīng)的角度，對居民的可控負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行建模，研究了微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[16]針對微電網(wǎng)調(diào)度存在的調(diào)峰能力不足以及間歇性電源的接入問題，建立了考慮需求側(cè)管理的微網(wǎng)調(diào)度模型，通過對可控負(fù)荷的有效控制以提高微網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力并提高接納間歇性電源的能力。

(3)虛擬電廠的DR。為有效利用分布式電源、儲能設(shè)施及需求側(cè)的可控負(fù)荷，虛擬電廠作為一種新興的能量管理系統(tǒng)被提出并應(yīng)用[17-18]。文獻(xiàn)[19]提出需求響應(yīng)虛擬電廠概念，分別建立基于激勵(lì)的和基于價(jià)格的需求響應(yīng)虛擬電廠模型，將需求側(cè)作為供給側(cè)電能的可替代資源加以利用，以促進(jìn)用戶提高自身響應(yīng)可靠性。文獻(xiàn)[20]提出了一種考慮用戶舒適約束的家居溫控負(fù)荷(如電熱泵設(shè)備)構(gòu)建能效電廠的方法，建立了含多個(gè)能效電機(jī)舒適約束的聚合能效電廠最優(yōu)分配模型，為負(fù)荷響應(yīng)控制在配用電集成領(lǐng)域提供了新的技術(shù)途徑。

(4)規(guī)劃角度的DR。文獻(xiàn)[5]從規(guī)劃、運(yùn)行、控制、評價(jià)的維度對新能源電力系統(tǒng)中DR問題的研究情況進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為在新能源電力系統(tǒng)中考慮DR可有效克服可再生能源發(fā)電的間歇性問題，提高電網(wǎng)對可再生能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)源荷互動(dòng)與協(xié)同增效。文獻(xiàn)[21]通過直接負(fù)荷控制、分時(shí)電價(jià)等手段，將需求側(cè)視為與供應(yīng)側(cè)等價(jià)的資源，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的相對可控，構(gòu)建了“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，通過相對可控的發(fā)電出力來滿足用戶的用電需求，從而實(shí)現(xiàn)供需雙側(cè)協(xié)調(diào)可控。文獻(xiàn)[22]采用需求側(cè)響應(yīng)來應(yīng)對風(fēng)電出力波動(dòng)，在輸電系統(tǒng)規(guī)劃階段，提出了考慮需求側(cè)響應(yīng)的含風(fēng)電場的輸電系統(tǒng)兩層規(guī)劃模型，綜合考慮了輸電投資成本、需求側(cè)響應(yīng)成本和棄風(fēng)成本，以最大程度改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[23]提出了一種結(jié)合運(yùn)行需求側(cè)響應(yīng)建模的微網(wǎng)規(guī)劃方法，將需求側(cè)資源與供給側(cè)資源同等對待，達(dá)到削減峰荷、實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)社會(huì)總成本最優(yōu)的目的。

綜上所述，當(dāng)前針對用戶需求響應(yīng)的研究，多從某一個(gè)方面(如基于價(jià)格、激勵(lì)政策等方面)進(jìn)行短期響應(yīng)研究，導(dǎo)致研究具有一定局限性。因此，需從整體的角度研究用戶需求響應(yīng)行為對新能源電力系統(tǒng)的作用機(jī)理及對可再生能源消納的影響。然而，當(dāng)前在該方面針對用戶需求響應(yīng)的研究多集中于系統(tǒng)規(guī)劃階段，未有效描述用戶需求響應(yīng)的微觀行為。此外，除價(jià)格、政策激勵(lì)等外部因素[24]，用戶的主觀因素也是影響需求響應(yīng)決策的重要因素。用戶需求響應(yīng)是一種主觀意識較強(qiáng)的行為，其決策過程綜合了數(shù)學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科知識，需求響應(yīng)過程涉及需求側(cè)與供給側(cè)之間的復(fù)雜交互。因此，需從微觀和宏觀的角度雙向推進(jìn)，研究用戶需求響應(yīng)行為對新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及可再生能源電力消納的影響。

基于此，本文結(jié)合復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論(complex adaptive system，CAS)和多主體建模方法構(gòu)建用戶需求響應(yīng)過程集成模型，綜合微觀的需求響應(yīng)交互行為和宏觀的可再生能源消納這2個(gè)層面，系統(tǒng)地描述需求側(cè)在新能源電力系統(tǒng)的交互響應(yīng)過程及其對可再生能源消納的作用，從需求側(cè)的角度為新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及可再生能源的有效消納提供輔助決策支持。

2 用戶需求響應(yīng)過程的復(fù)雜適應(yīng)特性分析

2.1 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論概述

復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論將系統(tǒng)劃分為主體和環(huán)境這2個(gè)部分，通過主體與環(huán)境以及主體之間的交互作用，不斷更新主體和環(huán)境狀態(tài)，推動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜的演變與進(jìn)化過程，其核心在于適應(yīng)性造就復(fù)雜性[25]。CAS理論包括微觀和宏觀2個(gè)方面[26]。

(1)微觀方面。CAS理論最基本的概念是具有適應(yīng)能力的、主動(dòng)的個(gè)體，簡稱主體(agent)。主體的適應(yīng)性指系統(tǒng)中的主體能夠與環(huán)境以及其他主體進(jìn)行交互作用，并在這種持續(xù)不斷的交互作用的過程中，不斷地“學(xué)習(xí)”或“積累經(jīng)驗(yàn)”，并且根據(jù)學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)改變自身的結(jié)構(gòu)和行為方式。主體與環(huán)境(包括主體之間)的復(fù)雜交互作用是系統(tǒng)不斷演化的驅(qū)動(dòng)力。

(2)宏觀方面。主體組成的系統(tǒng)，將在主體之間以及主體與環(huán)境的相互作用中發(fā)展，使整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出復(fù)雜的演變與進(jìn)化過程。

CAS理論將微觀和宏觀有機(jī)地聯(lián)系起來，通過主體和環(huán)境的相互作用，使得個(gè)體的變化成為整個(gè)系統(tǒng)變化的基礎(chǔ)，從而表現(xiàn)出宏觀系統(tǒng)中的分化、涌現(xiàn)(系統(tǒng)在演化過程中呈現(xiàn)新的特性或模式)等復(fù)雜的演化過程。CAS理論的這些特點(diǎn)，使得其能夠運(yùn)用于個(gè)體本身屬性極不相同，但是相互關(guān)系卻有許多共同點(diǎn)的不同領(lǐng)域，有效地應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等其他方法難以應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)[27-28]。

2.2 用戶需求響應(yīng)過程復(fù)雜適應(yīng)特性

新能源電力系統(tǒng)并入了大量風(fēng)電、光伏等具有隨機(jī)性、間歇性等特征的可再生能源電源，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；用戶側(cè)加入分布式電源及儲能設(shè)備后，系統(tǒng)供需兩側(cè)的能量呈現(xiàn)雙向流動(dòng)特性；電力市場改革背景下，供給側(cè)與用戶之間的交互頻繁且復(fù)雜。新能源電力系統(tǒng)的上述特征具有典型的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)特征，用戶需求響應(yīng)過程的該特征則更加明顯。結(jié)合CAS理論，新能源電力系統(tǒng)用戶需求響應(yīng)過程具有如下復(fù)雜適應(yīng)特性。

(1)不確定性。用戶需求響應(yīng)過程的不確定性主要源于可再生能源電力供給的隨機(jī)性和間歇性，這一自然屬性導(dǎo)致需求側(cè)無法精準(zhǔn)響應(yīng)；此外，由于生產(chǎn)訂單、氣候等因素的影響，用戶負(fù)荷曲線也呈現(xiàn)不確定性。這些均會(huì)造成用戶實(shí)施負(fù)荷削減、中斷、轉(zhuǎn)移等行為的不確定性，導(dǎo)致系統(tǒng)的需求響應(yīng)過程具有未知性。

(2)多樣性。用戶需求響應(yīng)過程的多樣性主要表現(xiàn)為需求側(cè)用戶多種多樣(如工業(yè)用戶、商業(yè)用戶、居民用戶)，需求側(cè)資源的負(fù)荷特性也各不相同(如基本負(fù)荷、可平移負(fù)荷)，因此其響應(yīng)過程呈現(xiàn)不同特性。此外，可再生能源因季節(jié)、地域等時(shí)空特性不同，其供給曲線也呈現(xiàn)多樣性特征，同樣增加了用戶需求響應(yīng)過程的復(fù)雜特性。

(3)交互性。用戶需求響應(yīng)過程的交互性主要表現(xiàn)為需求側(cè)與供給側(cè)之間以及需求側(cè)用戶之間的交互適應(yīng)性。針對可再生能源電源間歇性的特點(diǎn)以及電價(jià)等因素(如峰谷平電價(jià)、尖峰電價(jià)、輔助服務(wù)電價(jià))，需求側(cè)用戶與供給側(cè)通過長、短期電量交易等互動(dòng)形式，主動(dòng)調(diào)整其負(fù)荷曲線，實(shí)施需求響應(yīng)行為。此外，用戶之間基于需求互動(dòng)，以能效電廠等形式集成實(shí)施需求響應(yīng)行為。用戶需求響應(yīng)過程的交互性直接驅(qū)動(dòng)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化過程。

(4)自適應(yīng)性。用戶需求響應(yīng)過程的自適應(yīng)性主要表現(xiàn)為用戶為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營、消費(fèi)等目標(biāo)，針對新能源電力系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、物理等約束條件的動(dòng)態(tài)變化，主動(dòng)調(diào)整決策方案，實(shí)施相應(yīng)的需求響應(yīng)行為，從而適應(yīng)系統(tǒng)持續(xù)、動(dòng)態(tài)的演化過程。如用戶主動(dòng)調(diào)整負(fù)荷曲線，將部分負(fù)荷平移到晚上消納風(fēng)電，獲得可再生能源政策及電價(jià)的優(yōu)惠。

因此，新能源電力系統(tǒng)用戶需求響應(yīng)過程可描述為：首先，需求側(cè)用戶以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)直接與供給側(cè)對象交互，進(jìn)行電量交易，調(diào)整負(fù)荷曲線；用戶與用戶之間交互，集成協(xié)調(diào)負(fù)荷，以虛擬電廠或負(fù)荷集成商的形式與供給側(cè)對象交互，實(shí)施需求響應(yīng)行為。其次，用戶以生產(chǎn)或消費(fèi)為目的，與外界環(huán)境交互，實(shí)施多種復(fù)雜的用電行為，即用戶接收供給側(cè)資源的供電信息及價(jià)格、激勵(lì)信息，結(jié)合自身(需求側(cè))資源的用電負(fù)荷等特性，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)確定用電策略，實(shí)施復(fù)雜需求響應(yīng)行為，新能源電力系統(tǒng)的各構(gòu)成資源則遵循需求側(cè)用戶的響應(yīng)行為，以能量流動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)用戶與外界環(huán)境的交互。用戶之間以及用戶與資源之間的微觀交互過程，推進(jìn)了個(gè)體用戶的需求響應(yīng)過程，宏觀上實(shí)現(xiàn)了需求側(cè)對于可再生能源的消納及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在用戶需求響應(yīng)過程中，新能源電力系統(tǒng)的需求側(cè)用戶、供給側(cè)對象、需求側(cè)資源和供給側(cè)資源構(gòu)成了典型的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)。

3 用戶需求響應(yīng)復(fù)雜適應(yīng)過程集成模型

根據(jù)上述對新能源電力系統(tǒng)用戶需求響應(yīng)行為的CAS特征分析及過程描述，本文構(gòu)建了用戶需求響應(yīng)過程集成模型，如圖1所示。該模型由主體對象和環(huán)境對象2個(gè)部分構(gòu)成。其中，主體對象由供給側(cè)主體和用戶主體構(gòu)成；環(huán)境對象由供給側(cè)資源和需求側(cè)資源構(gòu)成。用戶主體接收環(huán)境對象的價(jià)格信息、激勵(lì)政策等信息(信息流)，結(jié)合自身需求及需求側(cè)資源特性，與供給側(cè)主體進(jìn)行交互，決策并實(shí)施購電及用電響應(yīng)行為，影響系統(tǒng)的潮流(能量流)，改變環(huán)境對象的運(yùn)行狀態(tài)(如供給側(cè)資源的出力及調(diào)度、用能設(shè)備的負(fù)荷、儲能設(shè)備的蓄能等)，進(jìn)而推動(dòng)用戶需求響應(yīng)行為有序?qū)嵤瑢?shí)現(xiàn)可再生能源消納、系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行等目標(biāo)。

圖1 用戶需求響應(yīng)過程集成模型Fig.1 Integration model of user’s DR process

模型中，用戶主體與供給側(cè)主體以及用戶主體之間通過簽訂電量合同的形式實(shí)現(xiàn)主體之間的交互，實(shí)施需求響應(yīng)行為。如用戶主體與供給側(cè)主體簽訂風(fēng)電消納合同，進(jìn)而按照合同的時(shí)限實(shí)施負(fù)荷平移的需求響應(yīng)行為，從而消納可再生能源電量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，電量合同是主體間交互的重要媒介。

3.1 主體對象

本文將參與新能源電力系統(tǒng)需求響應(yīng)過程的供給側(cè)對象和用戶定義為具有自治性、主動(dòng)性、協(xié)作性等動(dòng)態(tài)特性的智能主體，其模型定義如下詳述。

(1)供給側(cè)主體。

定義1供給側(cè)主體表示與用戶直接交互的供給側(cè)單位或個(gè)人，如發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)公司、售電公司等，定義為4元組集合，即AS()={SAt(),SS(),SC(),SU()}。

其中：SAt()表示供給側(cè)主體的基本屬性集合，包括主體編號、類型、出力曲線、供應(yīng)電量等變量，是需求響應(yīng)過程中關(guān)于供給側(cè)主體的約束條件；SS()表示該主體擁有的供給側(cè)資源集合，描述了供給側(cè)主體與供給側(cè)資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系；SC()表示供給側(cè)主體提供的電量合同信息；SU()表示供給側(cè)主體與用戶主體間的供需關(guān)系，通過電量合同體現(xiàn)。

(2)用戶主體。

定義2用戶主體表示參與需求響應(yīng)過程的用戶，如工業(yè)用戶、商業(yè)用戶、居民用戶，定義為6元組集合，即AU()={UAt(),UB(),UC(),UD(),US(),UU()}。

其中：UAt()表示用戶主體的基本屬性集合，包含主體編號、類型、負(fù)荷曲線、電量需求等信息；UB()表示用戶主體需求響應(yīng)行為集合，包含選擇供給側(cè)主體、選擇其他用戶主體作為合作伙伴、電量合同交易、參與輔助服務(wù)、主動(dòng)負(fù)荷追蹤、平移負(fù)荷、中斷負(fù)荷、儲能調(diào)度等行為；UC()表示用戶主體的電量合同集合；UD()表示用戶主體的需求側(cè)資源集合，描述了用戶主體與需求側(cè)資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系；US()表示用戶主體與供給側(cè)主體間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過電量合同描述；UU()表示用戶主體與其他用戶主體間的合作頻率集合。

3.2 環(huán)境對象

本文將用戶需求響應(yīng)過程中的資源統(tǒng)稱為環(huán)境對象，包含有形資源和無形資源2類。其中，有形資源包含供給側(cè)資源和需求側(cè)資源2個(gè)部分。供給側(cè)資源主要包含火電資源以及太陽能、風(fēng)能等可再生能源電源。需求側(cè)資源主要包含用能設(shè)備和儲能設(shè)備。用能設(shè)備為需求側(cè)響應(yīng)過程的負(fù)荷資源，如工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷等；儲能設(shè)備為需求側(cè)響應(yīng)過程的靈活資源，既可作為負(fù)荷蓄能，也可作為電源為負(fù)荷資源供應(yīng)能源。供給側(cè)資源與需求側(cè)資源以電能為媒介，實(shí)現(xiàn)能源流動(dòng)的交互過程。無形資源包含電量合同和政策制度2個(gè)部分。本模型中，電能以“電量合同”的形式，關(guān)聯(lián)兩側(cè)資源，同時(shí)作為連接用戶主體與供給側(cè)主體的媒介，實(shí)現(xiàn)二者的交互。政策制度則主要包含電量交易規(guī)則、電價(jià)及激勵(lì)政策等約束條件。本文對于供給側(cè)資源、需求側(cè)資源、電量合同3類模型的定義及描述如下詳述。

(1)供給側(cè)資源。

定義3供給側(cè)資源表示電源側(cè)資源，滿足需求側(cè)電量需求，定義為3元組集合，即RG()={GAt(),GS(),GC()}。

其中：GAt()表示供給側(cè)資源的基本屬性集合，包含資源編號、類型、裝機(jī)容量、出力曲線等信息，是用戶需求響應(yīng)過程的物理約束；GS()表示供給側(cè)資源與供給側(cè)主體間的隸屬關(guān)系；GC()表示供給側(cè)資源供應(yīng)的電量合同集合，描述SC()供應(yīng)的電量合同情況。

(2)需求側(cè)資源。

定義4需求側(cè)資源表示需求側(cè)用戶實(shí)施需求響應(yīng)行為的對象，是消納可再生能源的物理設(shè)備，由用能單元和儲能單元兩部分構(gòu)成，定義為2元組集合，即RD()={DL(),DES()}。

1)用能單元。

定義5用能單元表示需求側(cè)的負(fù)荷資源，如工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷，定義為3元組集合，即DL()={LAt(),LU(),LC()}。

其中：LAt()表示用能單元的基本屬性集合，包含單元編號、負(fù)荷類型、負(fù)荷曲線等信息；LU()表示用能單元與用戶主體間的隸屬關(guān)系；LC()表示用能單元的供能來源，即與電量合同的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2)儲能單元。

定義6儲能單元表示具有能源儲存功能的需求側(cè)資源，如儲能電池、電動(dòng)汽車，定義為3元組集合，即DES()={ESAt(),ESU(),ESC()}。

其中：ESAt()表示儲能單元的基本屬性集合，包含單元編號、類型、容量、耗損率等信息，為物理約束；ESU()表示儲能單元與用戶主體間的隸屬關(guān)系；ESC()表示儲能單元的供能來源，即與電量合同的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(3)電量合同。

定義7電量合同表示用戶主體向供給側(cè)主體購買的某時(shí)段電量，定義為7元組，即RC()= {CAt(),CT(),CU(),CS(),CG(),CD(),CC()}。

其中：CAt()表示電量合同的基本屬性集合，包含合同編號、類型、電量、電價(jià)等信息；CT()表示電量合同的供應(yīng)狀態(tài)集合，描述了SC()時(shí)間分布信息；CU()表示電量合同與用戶主體間的隸屬關(guān)系；CS()表示電量合同與供給側(cè)主體間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即合同的供應(yīng)方；CG()表示電量合同與供給側(cè)資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即供應(yīng)電量合同的物理資源；CD()表示電量合同與需求側(cè)資源間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即合同供應(yīng)的物理對象；CC()表示電量合同因電量供應(yīng)不足需要其他合同補(bǔ)給的關(guān)聯(lián)集合，描述了SC()與其他補(bǔ)給合同SC()間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4 用戶主體需求響應(yīng)行為模型

在復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)中，具有自治性、協(xié)同性、主動(dòng)性的主體是系統(tǒng)的核心，其自主交互的自適應(yīng)行為是系統(tǒng)演化的驅(qū)動(dòng)力，也是系統(tǒng)復(fù)雜性的原因所在[26]。同理，在用戶需求響應(yīng)過程中，用戶主體與供給側(cè)主體、環(huán)境對象以及用戶主體之間的需求響應(yīng)行為是推動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)過程自主演化，實(shí)現(xiàn)可再生能源消納的驅(qū)動(dòng)力。為客觀、清晰地描述用戶需求響應(yīng)行為的驅(qū)動(dòng)作用，本文基于用戶需求響應(yīng)過程集成模型，應(yīng)用多主體系統(tǒng)建模方法構(gòu)建了用戶主體響應(yīng)行為模型，從需求響應(yīng)行為的角度描述新能源電力系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)過程，進(jìn)而揭示需求側(cè)對可再生能源消納的響應(yīng)機(jī)理。

用戶主體需求響應(yīng)行為模型將需求側(cè)響應(yīng)過程劃分為信息接收、行為決策、行為觸發(fā)3個(gè)階段，分別由感應(yīng)器、處理器和驅(qū)動(dòng)器完成，如圖2所示。

圖2 用戶主體響應(yīng)行為模型Fig.2 User agent’s DR behavior model

(1)信息接收階段。用戶主體AUi通過感應(yīng)器接收外界信息Information()，Information()主要包含供給側(cè)主體、其他用戶主體和環(huán)境對象3類信息。其中，供給側(cè)主體信息主要包含企業(yè)類型、供電量、資源特性等信息；其他用戶主體信息主要包含電量需求、合作歷史等信息；環(huán)境對象信息則主要包含AUi自身的需求側(cè)資源信息，供給側(cè)資源的裝機(jī)容量、出力水平、電能質(zhì)量以及電量合同的合同電量、實(shí)時(shí)電量、電價(jià)水平等信息，見表1。由于信息量龐大，AUi需判斷是否接收信息，并過濾不相關(guān)信息，為后續(xù)的響應(yīng)行為決策提供有效數(shù)據(jù)。因此，針對接收的信息Information()，AUi首先調(diào)用函數(shù)Judge()判斷信息是否與自身需求及狀態(tài)沖突，是則拒絕，否則接收；然后調(diào)用函數(shù)Filter()過濾信息，判斷信息是否與自身屬性及需求關(guān)聯(lián)，是則接收，否則拒絕。通過函數(shù)Judge()判斷、Filter()過濾后接收的信息，將為后續(xù)的決策過程提供數(shù)據(jù)支撐。

表1外界環(huán)境信息
Table1Environmentinformation

(2)行為決策階段。用戶主體AUi通過處理器針對接收的信息進(jìn)行匹配計(jì)算及策略選擇。AUi調(diào)用函數(shù)Match()結(jié)合自身的需求側(cè)資源構(gòu)成、電量需求、負(fù)荷曲線等屬性，分別計(jì)算信息Info()與主體響應(yīng)策略集合RT_Set()中各策略的匹配度，并依據(jù)匹配度對響應(yīng)策略排序；AUi調(diào)用函數(shù)Select()從排序后的RT_Set()中，選擇匹配度最大的策略作為應(yīng)對Info()的響應(yīng)策略。選擇與Info()匹配的響應(yīng)策略后，AUi將在下一階段實(shí)施需求響應(yīng)行為。用戶主體主要的需求響應(yīng)行為類型、決策依據(jù)及適用的主體類型如表2所示。

(3)行為觸發(fā)階段。信息處理后，AUi通過驅(qū)動(dòng)器實(shí)施對應(yīng)信息的需求響應(yīng)行為。AUi調(diào)用函數(shù)Confirm()，結(jié)合主體響應(yīng)策略集合RT_Set()以及與之對應(yīng)的響應(yīng)行為集合Behavior_Set()，確定與響應(yīng)策略對應(yīng)的需求側(cè)響應(yīng)行為；確定針對Info()的響應(yīng)行為后，AUi調(diào)用函數(shù)Update()通過更新外界信息的方式，實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)行為，從而推動(dòng)系統(tǒng)的有序演化，實(shí)現(xiàn)可再生能源的有效消納。

表2用戶主體需求響應(yīng)行為分類
Table2Useragent’sDRbehaviors

綜上所述，用戶主體響應(yīng)行為模型分3個(gè)階段描述了電力系統(tǒng)需求響應(yīng)過程，從微觀的角度刻畫了新能源電力系統(tǒng)用戶的自適應(yīng)響應(yīng)行為，剖析了用戶需求響應(yīng)行為對系統(tǒng)各主體有序運(yùn)行及系統(tǒng)演化的驅(qū)動(dòng)作用，揭示了需求響應(yīng)行為和可再生能源消納的關(guān)聯(lián)作用。

5 結(jié) 論

本文針對新能源電力系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，結(jié)合復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論和多主體系統(tǒng)建模方法從用戶行為的角度構(gòu)建了用戶需求響應(yīng)過程集成模型以及用戶主體需求響應(yīng)行為模型，主要研究特點(diǎn)為：(1)將參與需求側(cè)響應(yīng)過程的對象劃分為主體對象和環(huán)境對象2個(gè)部分，描述了二者在需求側(cè)響應(yīng)過程的交互機(jī)理；(2)分別定義了主體對象和環(huán)境對象模型，描述了需求側(cè)響應(yīng)過程；(3)構(gòu)建了需求側(cè)主體響應(yīng)行為模型，從用戶行為的微觀角度描述需求側(cè)響應(yīng)過程。

本文構(gòu)建的新能源電力系統(tǒng)用戶需求響應(yīng)過程集成模型和用戶主體需求響應(yīng)行為模型，形成了新能源電力系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)復(fù)雜適應(yīng)過程的理論框架。其中，集成模型從宏觀的角度描述了系統(tǒng)構(gòu)成對象的復(fù)雜適應(yīng)交互關(guān)系，響應(yīng)行為模型從用戶行為的微觀角度描述了系統(tǒng)的需求響應(yīng)過程。本研究是需求側(cè)響應(yīng)復(fù)雜適應(yīng)過程的階段成果，后續(xù)仍需深入展開如下工作：(1)基于上述模型，開發(fā)新能源電力系統(tǒng)用戶需求響應(yīng)過程仿真系統(tǒng)，仿真研究需求側(cè)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)交互過程；(2)基于用戶主體需求響應(yīng)行為模型，系統(tǒng)構(gòu)建主體響應(yīng)行為策略集合，通過仿真的方法提煉需求側(cè)響應(yīng)過程優(yōu)化策略組合。

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2017-07-06

張碩(1985)，男，博士，講師，主要從事需求側(cè)管理、能源互聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作；

曾鳴(1957)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事需求側(cè)管理、電力市場與技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究等方面的研究工作；

李英姿(1985)，女，博士，講師，通信作者，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)建模及仿真等；

劉敦楠(1979)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌黾半娏ο到y(tǒng)調(diào)度等。

(編輯 景賀峰)

ComplexAdaptiveBehaviorsofUser’sDemandResponseinRenewableEnergyPowerSystem

ZHANG Shuo1,2，ZENG Ming1,2，LI Yingzi3，LIU Dunnan1,2

(1. School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China; 3. Donlinks School of Economics and Management, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Demand response (DR) can effectively improve the renewable energy accommodation and balance the supply and demand of renewable energy power system. Firstly, this paper analyzes the characteristics of the complex adaptive system druring DR process and then describes its complex interactive process. Secondly, this paper constructes the integrated model of DR including agent object and environment object, and defines each constituent object. Finally, combined with the multi-agent system modeling method, this paper constructs the response behavior model of user agent and describes the DR process from the aspect of subject behavior. The research can provide assistant decision-making support for implementing DR and present innovative idea for the DR research of users.

renewable energy power system; demand response (DR); complex adaptive system; multi-agent modeling

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71601078)；北京市社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(16GLC070)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2016MS72)；教育部人文社科基金(16YJC630060)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(71601078); the Social Science Foundation of Beijing (16GLC070) ; Fundamental Research Funds for the Central Universities (2016MS72);the Foundation of Humanities and Social Sciences of Education Ministry in China (16YJC630060)

TM73

A

1000-7229(2017)11-0136-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.11.018