張 爽，丁 麒，景偉強(qiáng)，何 韻，谷泓杰

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來，隨著分時(shí)電價(jià)在國(guó)內(nèi)外的推廣應(yīng)用，許多地區(qū)已經(jīng)開始實(shí)施分時(shí)電價(jià)政策。分時(shí)電價(jià)是一種靜態(tài)的定價(jià)方案，通常反映長(zhǎng)期的電力系統(tǒng)成本?？蛻艨梢愿鶕?jù)電價(jià)適當(dāng)安排家庭負(fù)荷的運(yùn)行情況和運(yùn)行時(shí)間，從而達(dá)到減少電費(fèi)成本的目的。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了分時(shí)電價(jià)，文獻(xiàn)[1]研究了分時(shí)電價(jià)下用戶的響應(yīng)行為，考慮了削峰填谷以及電能成本；文獻(xiàn)[2]基于消費(fèi)者心理學(xué)原理，建立了分時(shí)電價(jià)的用戶響應(yīng)模型；文獻(xiàn)[3-6]則主要在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上考慮了能耗的減少以及削峰填谷；文獻(xiàn)[7]建立了消費(fèi)者之間的合作博弈，降低了總的電費(fèi)成本和負(fù)荷峰均比；文獻(xiàn)[8-9]主要研究了用戶的用電優(yōu)化策略；文獻(xiàn)[10]討論了需求彈性和峰谷時(shí)段的改變對(duì)優(yōu)化結(jié)果以及需求響應(yīng)的影響；文獻(xiàn)[11]運(yùn)用逆向歸納法獲取博弈模型的納什均衡解，對(duì)比分析了不同電價(jià)策略下的最優(yōu)電價(jià)與最優(yōu)用電量。目前我國(guó)分時(shí)電價(jià)只有峰谷電價(jià)，將來分時(shí)電價(jià)的分段將更加豐富，以下采用峰平谷分時(shí)電價(jià)進(jìn)行研究。

從上述分析可以看出，文獻(xiàn)往往只考慮用電量最優(yōu)，沒有顧及家庭用電用戶最注重的用電舒適度。鑒于此，首先分析家庭負(fù)荷的可調(diào)節(jié)或不可調(diào)節(jié)特性，在考慮用戶用電舒適度的條件下對(duì)可削減負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，基于分時(shí)電價(jià)調(diào)整家庭負(fù)荷的工作時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到了減少電費(fèi)的目的。

1 家庭負(fù)荷用電調(diào)節(jié)特性

家庭用電負(fù)荷主要包含照明電燈、洗衣機(jī)、電動(dòng)汽車、熱水器以及空調(diào)等常用負(fù)荷，這些設(shè)備的用電特點(diǎn)包括用電時(shí)間和用電耗能不可改變或其中一項(xiàng)可以調(diào)整幾種情況，具體分析如下。

1.1 家庭負(fù)荷的公共特性

假設(shè)ω表示負(fù)荷，τ表示負(fù)荷ω處于運(yùn)行狀態(tài)，定義pω，t來表示負(fù)荷ω在t時(shí)刻的功率，則所有負(fù)荷在某段時(shí)間消耗的電能可以表示為：

式中：Δt表示負(fù)荷運(yùn)行的某一個(gè)時(shí)段。

依據(jù)分時(shí)電價(jià)，用戶可根據(jù)自身習(xí)慣或需求自主設(shè)定負(fù)荷ω的運(yùn)行時(shí)限為[tstart，tend]，定義Iω，t表示負(fù)荷ω在t時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)，Iω，t∈{0， 1}， 分別表示設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，則有：

公式（2）表示在用戶設(shè)定的時(shí)限外設(shè)備不工作，在該時(shí)限范圍內(nèi)設(shè)備可完成相應(yīng)的工作。

式中：Et表示t時(shí)刻家庭負(fù)荷的用電量。

設(shè)備的功率特性為：

1.2 負(fù)荷分類建模

根據(jù)負(fù)荷用電時(shí)間及用電耗能是否可改變的特征可將負(fù)荷分為3大類：

（1）剛性負(fù)荷，包含室內(nèi)照明設(shè)備、電腦、電視、冰箱等與生活習(xí)慣密切相關(guān)、具有強(qiáng)制性啟動(dòng)需求的負(fù)荷。

（2）可平移負(fù)荷，可分為可中斷負(fù)荷和不可中斷負(fù)荷2類。不可中斷負(fù)荷主要包含洗衣機(jī)、洗碗機(jī)，具有啟動(dòng)后不可中斷但可延遲啟動(dòng)，負(fù)荷的形狀和總量不可更改的特性；可中斷負(fù)荷主要有熱水器和電動(dòng)汽車等設(shè)備，具有可延遲、功率離散等屬性。

（3）可削減負(fù)荷，主要是指空調(diào)負(fù)荷，啟動(dòng)后可中斷但不可延遲，其負(fù)荷形狀和大小可削減，包含溫控型負(fù)荷或具備復(fù)合屬性的其他負(fù)荷，而且空調(diào)用電能耗大、電費(fèi)高。

1.2.1 剛性負(fù)荷模型

剛性負(fù)荷一般具有功率離散、不可中斷、不可延遲的屬性，可表示如下：

式中：Hω，t表示完成工作所需的時(shí)段數(shù)；λa表示為用戶提前設(shè)置的最大延誤時(shí)間，對(duì)于不可轉(zhuǎn)移的設(shè)備需設(shè)置λa為0。

1.2.2 可平移負(fù)荷模型

可平移負(fù)荷中的不可中斷類型具有功率離散、用電過程不可中斷、但可延遲用電的屬性，可用式（6）表示：

對(duì)于可平移可中斷負(fù)荷，其功率也具有離散變化的屬性，具體表示如下：

1.2.3 可削減負(fù)荷

可削減負(fù)荷主要是指空調(diào)，其具有間接儲(chǔ)能的特性，利用經(jīng)典的熱力學(xué)交換系統(tǒng)可以對(duì)電能與非電能之間轉(zhuǎn)化的物理過程進(jìn)行建模，進(jìn)而可得到設(shè)備的功率消耗。對(duì)于空調(diào)設(shè)備，若子時(shí)段定義較短，如Δt=1 min，則具有功率離散的屬性；但若定義子時(shí)段為1 h或0.5 h，則子時(shí)段消耗頻率與該時(shí)段的啟停頻率有關(guān)，此時(shí)可認(rèn)為電能消耗功率具有連續(xù)屬性，該設(shè)備運(yùn)行與環(huán)境溫度有關(guān)，直接影響用戶舒適度，認(rèn)為其不可中斷，不可轉(zhuǎn)移：

2 基于分時(shí)電價(jià)的負(fù)荷優(yōu)化建模

峰谷分時(shí)電價(jià)是我國(guó)當(dāng)前引入需求側(cè)管理的重要措施之一，其思想體現(xiàn)了電能在負(fù)荷高峰時(shí)作為短缺商品的價(jià)值，運(yùn)用價(jià)格引導(dǎo)用戶根據(jù)自身生產(chǎn)方式的可調(diào)節(jié)性和利益改變用電方式，進(jìn)而影響系統(tǒng)負(fù)荷。引入分時(shí)電價(jià)要考慮用戶的用電體驗(yàn)，即用電舒適度的問題，只有在滿足用戶舒適度的前提下，才能鼓勵(lì)用戶引入分時(shí)電價(jià)。

2.1 用電舒適度

用電舒適度是由多方面因素綜合決定的，在家庭負(fù)荷中最能影響感官舒適度的主要是指加熱通風(fēng)冷卻裝置，即空調(diào)負(fù)荷?？照{(diào)的溫度舒適程度是影響用戶滿意度的最大因素。

對(duì)于空調(diào)來說，用戶的舒適度指數(shù)通過溫度來進(jìn)行表征，此前有文獻(xiàn)將運(yùn)行溫度偏離目標(biāo)溫度的程度定義為用戶舒適度指數(shù)。

式中： Tw，t為空調(diào)負(fù)荷的當(dāng)前溫度；TTarget，t為用戶設(shè)置的空調(diào)負(fù)荷的目標(biāo)溫度；舒適度指數(shù)Ts，w，t為無量綱值。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

分時(shí)電價(jià)在一天內(nèi)把用電時(shí)段分為峰時(shí)段、谷時(shí)段以及平時(shí)段3個(gè)時(shí)段。實(shí)行分時(shí)電價(jià)有利于鼓勵(lì)用戶合理轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷，提高系統(tǒng)設(shè)備容量的利用效率和節(jié)約部分電費(fèi)。參考文獻(xiàn)[1]，峰平谷3個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的電價(jià)如表1所示。

表1 分時(shí)電價(jià)表

對(duì)于用戶來說，進(jìn)行負(fù)荷優(yōu)化的目標(biāo)就是減少用電費(fèi)用支出，以節(jié)約的電費(fèi)量以及舒適度指數(shù)最小為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)，兩者均為無量綱：

式中：RP（t）為t時(shí)刻的電價(jià)；A表示所有的家庭負(fù)荷；R為未實(shí)施分時(shí)電價(jià)之前的電價(jià)。

該目標(biāo)函數(shù)為無量綱，目標(biāo)函數(shù)越高，節(jié)約電費(fèi)越多，舒適度越高。

3 計(jì)算流程

以下針對(duì)各類負(fù)荷特性進(jìn)行用電優(yōu)化，以達(dá)到減少電費(fèi)成本的目的。用matlab軟件編程對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用PSO（粒子群優(yōu)化算法）求出目標(biāo)函數(shù)的最大值，最終得到優(yōu)化后的結(jié)果。圖1為優(yōu)化流程。

圖1 優(yōu)化流程

步驟1：輸入所有家庭負(fù)荷的參數(shù)并進(jìn)行判斷，若判斷為剛性負(fù)荷則結(jié)束算法；否則轉(zhuǎn)到步驟2。

步驟2：判斷是否為可削減負(fù)荷，若不是，則進(jìn)行用電優(yōu)化；否則轉(zhuǎn)向步驟3。

步驟3：判斷可削減負(fù)荷的溫度是否在設(shè)定的舒適度范圍，若不是，則調(diào)節(jié)溫度；若是，轉(zhuǎn)向步驟4。

步驟4：結(jié)束。

4 算例分析

實(shí)際中各地的分時(shí)電價(jià)區(qū)別較大，為驗(yàn)證家庭負(fù)荷在分時(shí)電價(jià)下的可調(diào)特性，假設(shè)在上午和下午2個(gè)時(shí)段分別給出較高的電價(jià)進(jìn)行分析。

4.1 負(fù)荷優(yōu)化

（1）剛性負(fù)荷。

剛性負(fù)荷在運(yùn)行時(shí)的功率及時(shí)段見圖2。設(shè)剛性負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間為早晨6∶00—7∶00以及晚上18∶00—23∶00。圖2可以清楚表明剛性負(fù)荷呈現(xiàn)出不可調(diào)節(jié)的運(yùn)行特性，即使引入分時(shí)電價(jià)，也不能改變其運(yùn)行時(shí)間，不能達(dá)到節(jié)約電費(fèi)的目的。

圖2 剛性負(fù)荷運(yùn)行特性

（2）可平移不可中斷負(fù)荷。

假設(shè)可平移不可中斷負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為下午12∶00—16∶00， 如指洗衣機(jī)和洗碗機(jī)等負(fù)荷， 其運(yùn)行特性如圖3所示。

圖3 可平移不可中斷負(fù)荷的運(yùn)行特性

由圖3可以看出，該類負(fù)荷運(yùn)行特性可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，選擇在電價(jià)較低的平時(shí)段運(yùn)行，實(shí)施分時(shí)電價(jià)前，這類負(fù)荷的用電費(fèi)用是0.84元，在分時(shí)電價(jià)下通過調(diào)節(jié)負(fù)荷用電時(shí)段電費(fèi)變?yōu)?.7元，節(jié)約了0.14元。

（3）可平移可中斷負(fù)荷。

設(shè)置可平移可中斷負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為晚上20∶00—23∶00 以及凌晨 0∶00—7∶00， 如熱水器和電動(dòng)汽車等負(fù)荷，其運(yùn)行特性如圖4所示。

由圖4可以看出，電動(dòng)汽車的充電時(shí)間可由用戶自己調(diào)節(jié)，選擇電動(dòng)汽車在電價(jià)谷時(shí)段的夜間進(jìn)行充電，在分時(shí)電價(jià)下通過調(diào)整用電時(shí)間可節(jié)約6.6元，節(jié)省的費(fèi)用非?？捎^。

圖4 可平移可中斷負(fù)荷的運(yùn)行特性

（4）可削減負(fù)荷。

可削減負(fù)荷主要是指空調(diào)，空調(diào)的負(fù)荷特性是只要室內(nèi)溫度保持在設(shè)定的溫度范圍即可，不必設(shè)置恒定的溫度讓其運(yùn)行，故將運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為除了凌晨0∶00—6∶00以外的所有時(shí)間。

空調(diào)的可調(diào)節(jié)特性強(qiáng)，室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定夏季空調(diào)房間市內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)溫度為22℃～28℃，經(jīng)過調(diào)節(jié)優(yōu)化，節(jié)約了2.5元電費(fèi)，且滿足用戶用電舒適度要求[13]。圖5為優(yōu)化后空調(diào)功率消耗，圖6為空調(diào)優(yōu)化后室內(nèi)、外溫度的對(duì)比。

圖5 優(yōu)化后空調(diào)功耗

由圖6可以看出，室內(nèi)溫度起伏較為平緩，但溫度均處于27℃以下，符合用戶對(duì)于溫度的條件舒適度要求。

4.2 舒適度指數(shù)

圖7為舒適度指數(shù)的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，舒適度指數(shù)是一直處于0以下的數(shù)值。舒適度指數(shù)越低，說明用戶用電滿意度越高，舒適度指數(shù)恰為0時(shí)，表示為用戶恰好可以接受的最高室內(nèi)溫度，也就是說，實(shí)施分時(shí)電價(jià)后并未影響居民的正常生活。

圖6 室內(nèi)外溫度對(duì)比

圖7 舒適度指數(shù)變化趨勢(shì)

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)用電時(shí)間的可轉(zhuǎn)移性和用電耗能的可調(diào)節(jié)特性對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行了分類建模，建立了用電負(fù)荷的優(yōu)化運(yùn)行模型，分析了在引入分時(shí)電價(jià)后各種負(fù)荷的運(yùn)行特性，并在分析空調(diào)特性時(shí)考慮了用戶的舒適度體驗(yàn)。結(jié)果表明，在考慮用戶用電舒適度的情況下，對(duì)用戶實(shí)施分時(shí)電價(jià)，相比在普通用電情況下一天可以節(jié)約9.24元，且用戶的舒適度指數(shù)一直處于0以下，滿足人們正常生活的溫度需求?？紤]到用戶用電特征的多樣性以及全國(guó)用電量是一個(gè)龐大的數(shù)字，無論是對(duì)于電能的節(jié)約還是居民用電費(fèi)用的節(jié)約，都是非?？捎^的，對(duì)于家庭用戶來說，應(yīng)充分利用各種可調(diào)節(jié)的設(shè)備并配合電價(jià)機(jī)制優(yōu)化用電曲線。