李培強(qiáng)，薛文琦，唐學(xué)賢，王繼飛，金言，范華

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽(yáng)供電公司，湖南邵陽(yáng) 422000；3.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口 075000）

隨著傳統(tǒng)化石能源急劇枯竭，全球環(huán)境危機(jī)不斷加重，可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)今主題.在具有清潔與可再生特點(diǎn)的新能源中，數(shù)量最大的是太陽(yáng)能[1].光伏發(fā)電能夠有效緩解能源緊缺和環(huán)境污染[2].在國(guó)家的提倡鼓勵(lì)下，光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展迅猛[3-6].

分布式光伏發(fā)電具有靠近用戶側(cè)、建設(shè)規(guī)模靈活、安裝簡(jiǎn)單、適用范圍廣的特點(diǎn)，是光伏發(fā)電重要的應(yīng)用形式.近些年隨著國(guó)家能源主管部門出臺(tái)了一系列政策和光伏發(fā)電成本的下降，分布式光伏得到了快速發(fā)展[7].未來(lái)，同一個(gè)配電網(wǎng)區(qū)域往往會(huì)存在著多個(gè)分布式光伏用戶，組建光伏用戶群是管理它們有效的方法之一.管理者通過(guò)制定合適的集群內(nèi)部電價(jià)，一方面能使集群內(nèi)的用戶獲得經(jīng)濟(jì)利益，另一方面可以減小向大電網(wǎng)倒送的功率[8].文獻(xiàn)[9]提出了一種基于光伏用戶群電能供需比的內(nèi)部電價(jià)模型，降低了群內(nèi)用戶的用電成本并提高群內(nèi)用戶光伏電能的共享量.文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于彈性電價(jià)的電力需求響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了配電側(cè)高比例光伏用戶群的電能高效消納，提高了光伏群的經(jīng)濟(jì)效益，降低了實(shí)時(shí)發(fā)、用電的不平衡電量.文獻(xiàn)[11]建立了與系統(tǒng)凈負(fù)荷相關(guān)聯(lián)的用電成本模型，再基于博弈論提出了針對(duì)光伏用戶群的需求側(cè)響應(yīng)模型，此方法能有效地節(jié)約用戶成本和優(yōu)化系統(tǒng)負(fù)荷特性.文獻(xiàn)[12-16]基于集群內(nèi)部電價(jià)與主從博弈設(shè)計(jì)了光伏用戶群的能量管理系統(tǒng)，提高了群體的用電效益，改善了光伏用戶群的凈負(fù)荷特性.現(xiàn)有關(guān)于光伏用戶群的文獻(xiàn)主要研究了用戶群的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，少有對(duì)群內(nèi)用戶重要性評(píng)估方面的研究.但是成立一個(gè)穩(wěn)定繁榮的光伏用戶群，需要解決技術(shù)上的難點(diǎn)，也需要解決用戶貢獻(xiàn)的評(píng)估等問(wèn)題[17].從用戶群管理者角度來(lái)說(shuō)，區(qū)分出重要的用戶并給予激勵(lì)（一般為經(jīng)濟(jì)上的獎(jiǎng)勵(lì)）有利于群體的穩(wěn)定；從用戶角度來(lái)說(shuō)，成為一個(gè)重要的用戶將會(huì)得到激勵(lì)，這會(huì)鼓勵(lì)用戶投資產(chǎn)生更多的電能，并且會(huì)在未來(lái)一段時(shí)間得到收益，這將會(huì)促進(jìn)光伏用戶群的發(fā)展與完善.光伏用戶群擁有合理的重要性評(píng)估和獎(jiǎng)勵(lì)制度，也會(huì)吸引其它的光伏用戶加入到群內(nèi)來(lái)，使得光伏用戶群發(fā)展壯大.

因此本文針對(duì)基于內(nèi)部電價(jià)優(yōu)化運(yùn)行的光伏用戶群，首先研究了群運(yùn)營(yíng)商的收益本質(zhì)，基于合作博弈論提出了計(jì)算群內(nèi)用戶對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益貢獻(xiàn)值的方法.其次從用戶、運(yùn)營(yíng)商和電網(wǎng)三個(gè)方面，定義了用戶的重要性評(píng)估指標(biāo)，再基于TOPSIS 法對(duì)光伏用戶群內(nèi)的用戶重要性進(jìn)行評(píng)估與排序.

1 光伏用戶群的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏用戶群的運(yùn)營(yíng)框架簡(jiǎn)圖如圖1 所示，它由多個(gè)光伏用戶及集群運(yùn)營(yíng)商（cluster operator，CO）所構(gòu)成.所有光伏用戶以內(nèi)部電價(jià)與運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行交易，運(yùn)營(yíng)商再以電網(wǎng)電價(jià)（光伏用戶與電網(wǎng)直接交易的電價(jià)）與電網(wǎng)進(jìn)行電能交易.

圖1 用戶、集群運(yùn)營(yíng)商和大電網(wǎng)之間的交易關(guān)系和價(jià)格Fig.1 Relationship and prices of energy exchanges among prosumers，co and utility grid

作為集群電能交易的主導(dǎo)者，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)設(shè)定內(nèi)部的交易價(jià)格來(lái)引導(dǎo)用戶的用電行為，同時(shí)也是所有用戶收益與支出的結(jié)算中心[18].它制定集群電價(jià)ps與pb、λb與λs.并通過(guò)高級(jí)測(cè)量體系（AMI）[13]與用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)（user energy management system，UEMS）[19]進(jìn)行信息交互，完成電能交易.它以ps收購(gòu)余電用戶多余的電能，以pb向缺電用戶出售電能.若集群總體用電大于其光伏產(chǎn)能，運(yùn)營(yíng)商以λb收購(gòu)大電網(wǎng)電能，若集群整體余電，則以λs從大電網(wǎng)購(gòu)電.在此過(guò)程中通過(guò)差價(jià)最大化其自身收益.故ps不低于上網(wǎng)電價(jià)λs，且pb不大于電網(wǎng)電價(jià)λb.通過(guò)集群運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)的共享光伏電量越大，集群運(yùn)營(yíng)商的獲利就會(huì)越大.

而用戶跟隨主導(dǎo)者集群運(yùn)營(yíng)商，依照電價(jià)進(jìn)行需求響應(yīng)，最大化自身用電效益.通過(guò)UEMS，用戶能預(yù)測(cè)自身用電量與光伏發(fā)電量，與運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行信息交換并根據(jù)運(yùn)營(yíng)商制定的內(nèi)部?jī)r(jià)格對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行優(yōu)化決策.光伏用戶既可以成為售電用戶，也成為購(gòu)電用戶.當(dāng)光伏發(fā)電量大于用戶用電量，多余的電能按照內(nèi)部售電價(jià)格ps出售給集群運(yùn)營(yíng)商；當(dāng)光伏用戶發(fā)電量小于自身用電量時(shí)，用戶需要根據(jù)內(nèi)部購(gòu)電價(jià)格pb從運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買電量.集群內(nèi)所有電能交易均通過(guò)運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn).

2 光伏用戶的收益

把每天光伏用戶發(fā)電的時(shí)間T 平均分成m 段，每段的時(shí)間間隔為Δt=T/m，Ei（k）表示用戶i 在第k個(gè)時(shí)段的發(fā)電量；ui（k）表示用戶i 在第k 個(gè)時(shí)段的用電量.在第k 個(gè)時(shí)段，用戶i 的凈功率計(jì)算為

2.1 光伏用戶直接與電網(wǎng)交易的收益

當(dāng)用戶與電網(wǎng)直接交易時(shí)，余電用戶以電價(jià)λs將多余的電量出售給電網(wǎng)，缺電用戶以電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)λb從電網(wǎng)購(gòu)買電量.余電光伏用戶在第k 時(shí)間段的收益由兩部分組成：一部分為自發(fā)自用收益；另一部分為余電上網(wǎng)收益，可表示為：

缺電用戶i 的在第k 時(shí)間段的收益計(jì)算為：

用戶i 在計(jì)算周期T 內(nèi)的收益為：

式中：Pi表示計(jì)算周期T 內(nèi)光伏用戶i 的收益，當(dāng)光伏用戶i 為余電用戶時(shí)，收益為自用收益和上網(wǎng)收益；當(dāng)光伏用戶i 為缺電用戶時(shí)，收益為自用收益.

2.2 合作聯(lián)盟模式下光伏用戶的收益

光伏用戶群的合作聯(lián)盟模型[20]：多個(gè)光伏用戶形成合作聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)余電用戶與缺電用戶的電能共享，相對(duì)比光伏用戶與電網(wǎng)分別交易，聯(lián)盟整體的收益增加；再基于Shapley 值對(duì)聯(lián)盟收益進(jìn)行公正、效率分配.

n 個(gè)光伏用戶形成合作聯(lián)盟S 后，可以看做一個(gè)大微電網(wǎng)，整體與電網(wǎng)交易，參考式（4）計(jì)算合作聯(lián)盟S 在一個(gè)計(jì)算周期的收益為：

定義bk為

相對(duì)于各光伏用戶與電網(wǎng)直接交易模型，合作聯(lián)盟模型在計(jì)算周期T 內(nèi)增加的總收益Δv 為

式中：P、Q 分別代表余電用戶與缺電用戶的集合.

光伏用戶群共有n 個(gè)光伏用戶，基于Shapley 值對(duì)聯(lián)盟收益分配，對(duì)于任意一個(gè)光伏用戶i，它在一個(gè)周期T 內(nèi)的收益計(jì)算公式為：

式中：si是聯(lián)盟中包含微電網(wǎng)i 的所有子集，|s|是子集s 中的用戶個(gè)數(shù)；w（|s|）是加權(quán)因子；v（s）是集合s產(chǎn)生的收益；v（s/i）表示集合s 中除去微電網(wǎng)i 后，剩下的微電網(wǎng)形成合作聯(lián)盟所獲得的總收益.

2.3 內(nèi)部電價(jià)模式下光伏用戶和CO 的收益

當(dāng)光伏用戶是光伏用戶群的一員，光伏用戶在第k 時(shí)段以內(nèi)部售電電價(jià)ps（k）和購(gòu)電電價(jià)pb（k）與運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行交易.余電用戶收益為：

在內(nèi)部電價(jià)下，缺電用戶在第k 時(shí)間段的收益由兩部分組成，一部分是自發(fā)自用收益；另一部分為購(gòu)電節(jié)省的成本[21]，用戶收益為：

3 群內(nèi)用戶重要性評(píng)估與排序

本文評(píng)估群內(nèi)用戶重要性評(píng)估與排序分成3步：1）定義評(píng)估指標(biāo)；2）標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)排序與權(quán)重計(jì)算；3）對(duì)用戶進(jìn)行重要性評(píng)估與排序.

3.1 定義評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

從用戶角度看，光伏用戶的主要收益是自發(fā)自用而節(jié)省的用電費(fèi)用，當(dāng)用戶有余電分享給群內(nèi)用戶使用時(shí)，可以降低群內(nèi)購(gòu)電電價(jià)，節(jié)約缺電用戶用電成本，而且用戶更樂(lè)意加入余電相對(duì)充裕的光伏用戶群，所以分享電能越多的用戶會(huì)得到其他用戶的喜愛(ài).從運(yùn)營(yíng)商的角度來(lái)說(shuō)，運(yùn)營(yíng)商的收益跟用戶群中的互用電力有關(guān)，余電與缺電用戶對(duì)它的收益都有貢獻(xiàn)，用戶對(duì)它的收益貢獻(xiàn)值越大也就越重要.從電網(wǎng)角度來(lái)看，整個(gè)光伏用戶群的總裝機(jī)容量越大越會(huì)得到電網(wǎng)的重視，而且用戶裝機(jī)容量越大，提供電能的潛力也越大，因此用戶的裝機(jī)容量也是評(píng)估用戶重要性需考慮的因素.因此定義評(píng)估用戶重要性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如下：a）分享光伏電量；b）對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益的貢獻(xiàn)；c）用戶的裝機(jī)容量.

3.1.1 分享的光伏電量計(jì)算

余電用戶分享的電能行為是運(yùn)營(yíng)商和其他缺電用戶獲利的根本原因，分享電能越多的用戶越重要.用戶i 在一個(gè)計(jì)算周期T 內(nèi)分享的電量為：

3.1.2 用戶對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益的貢獻(xiàn)計(jì)算

在運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)下的光伏用戶群，實(shí)質(zhì)是運(yùn)營(yíng)商把光伏用戶聯(lián)盟起來(lái)再與電網(wǎng)交易，這等同于聯(lián)盟博弈，只是增加的聯(lián)盟收益大部分被運(yùn)營(yíng)商獲得，其他光伏用戶獲得了剩下了一部分增加的收益.用戶i 在聯(lián)盟博弈下的收益減去在集群中的收益就是用戶i 對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益的貢獻(xiàn)值，用戶i 在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)的貢獻(xiàn)值計(jì)算如下：

3.1.3 用戶的裝機(jī)容量

整個(gè)光伏群的裝機(jī)容量越大，電網(wǎng)對(duì)這個(gè)光伏用戶群就越重視，所以對(duì)群內(nèi)用戶重要性排序，用戶i 的裝機(jī)容量Fi也需得到考慮.

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級(jí)與權(quán)重計(jì)算

用戶分享的電能越多，對(duì)用戶和運(yùn)營(yíng)商都是有利，可以節(jié)約用戶購(gòu)電成本和通過(guò)降低CO 的購(gòu)電成本而增大它的收益，而且應(yīng)鼓勵(lì)用戶多分享電能，因此本文把評(píng)估指標(biāo)a 排在第1 位.指標(biāo)b 不但可以反映余電用戶對(duì)CO 的收益，而且可以表明缺電用戶對(duì)CO 的收益貢獻(xiàn)，所以把評(píng)估指標(biāo)b 排第2位，剩下的評(píng)估指標(biāo)c 排第3 位.所以排序結(jié)果如下：1）分享光伏電能；2）對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益的貢獻(xiàn)；3）用戶的裝機(jī)容量.

評(píng)估指標(biāo)的排名越靠前，權(quán)重系數(shù)越大.根據(jù)“排名權(quán)重”（weights from ranks）方法計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重系數(shù)[22].

式中：f 代表評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的總數(shù)目，λj表示第j 條評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重系數(shù).

3.3 基于TOPSIS 法的用戶重要性評(píng)估與排序

TOPSIS 評(píng)價(jià)法的基本原理（逼近于理想解的思路）：在基于歸一化后的原始矩陣中，找出有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案（分別用最優(yōu)向量和最劣向量表示），然后分別計(jì)算出評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案和最劣方案間的距離，獲得該評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的相對(duì)接近程度，以此作為評(píng)價(jià)優(yōu)劣的依據(jù)[23-24].

本文定義用戶i 在第j（j=1，2，3.）條標(biāo)準(zhǔn)下的取值為：

通過(guò)線性變換對(duì)用戶的數(shù)據(jù)yij進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到規(guī)范決策矩陣Z

規(guī)范決策矩陣Z 乘以權(quán)重系數(shù)得到加權(quán)規(guī)范陣X 為：

計(jì)算用戶i 到理想用戶與負(fù)理想用戶的距離：

計(jì)算用戶與光伏群內(nèi)理想用戶的接近程度.

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，5 個(gè)裝有光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶組成光伏用戶群，它們?cè)贑O 的主導(dǎo)下運(yùn)行.5 個(gè)用戶都安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)，它們典型日光伏輸出電量曲線、用戶的日負(fù)荷消耗曲線如圖2、圖3 所示.根據(jù)中國(guó)大部分地區(qū)的分布式光伏上網(wǎng)電價(jià)，參數(shù)λs取燃煤機(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)0.4 元/（kW·h），λs則采取商業(yè)電價(jià)，取1.0 元/（kW·h）.

圖2 各時(shí)間段用戶的發(fā)電量Fig.2 Prosumer′photovoltaic output power in each period

圖3 各時(shí)間段用戶的用電量Fig.3 Prosumer'power consumption in each period

光伏用戶群各用戶的裝機(jī)容量如表1 所示.

表1 光伏用戶的裝機(jī)容量Tab.1 PV user installed capacity

4.2 用戶重要性評(píng)估與排序

用戶計(jì)算周期T 內(nèi)分享的光伏電量如表2 所示.

表2 光伏用戶分享的電量Tab.2 The amount of electricity shared by PV users

用戶在合作聯(lián)盟模式下和內(nèi)部電價(jià)模式下計(jì)算周期T 內(nèi)的收益分別如表3 和表4 所示.

表3 合作聯(lián)盟模式下的收益Tab.3 Benefits in the cooperative alliance model

表4 內(nèi)部電價(jià)模式下的收益Tab.4 Benefits in the internal electricity price model

基于表3 和表4 的數(shù)據(jù)，根據(jù)式（16）計(jì)算得到用戶對(duì)運(yùn)營(yíng)商的收益如表5 所示.

表5 光伏用戶對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益的貢獻(xiàn)Tab.5 PV users'contribution to CO revenue

實(shí)行內(nèi)部電價(jià)時(shí)，CO 在計(jì)算周期T 內(nèi)的收益I=473.07 元，用戶對(duì)CO 收益貢獻(xiàn)之和與CO 收益值相等，驗(yàn)證了貢獻(xiàn)值計(jì)算的正確性.

根據(jù)表1 表3 的數(shù)據(jù)和式（18）（19）計(jì)算得到規(guī)范決策矩陣Z：

根據(jù)式（17）計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重系數(shù)分別為λ1=0.5，λ2=0.333 3，λ3=0.166 7.根據(jù)式（20）計(jì)算得到加權(quán)規(guī)范矩陣X.

通過(guò)式（21）～（25）計(jì)算得到用戶與光伏群內(nèi)理想用戶的接近程度的值如表6 所示.

表6 用戶與光伏群內(nèi)理想用戶的接近程度Tab.6 User proximity to ideal users in the PV cluster

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)表1、表2 和表5 可知，用戶1 的裝機(jī)容量最大，用戶4 的裝機(jī)容量最小.用戶5 對(duì)運(yùn)營(yíng)商的收益貢獻(xiàn)值最大，用戶4 對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益的貢獻(xiàn)最小.用戶2 分享的電能最多，用戶5 分享電能最少且為0，它在每個(gè)時(shí)刻都需要向CO 購(gòu)買電量.現(xiàn)有文獻(xiàn)沒(méi)有對(duì)光伏用戶群中用戶重要性評(píng)估與排序進(jìn)行研究，因此本文假設(shè)根據(jù)用戶的單一屬性進(jìn)行重要性評(píng)估與排序.光伏用戶群是在運(yùn)營(yíng)商的管理下進(jìn)行運(yùn)行，假設(shè)運(yùn)營(yíng)商從自身的收益出發(fā)，根據(jù)用戶對(duì)自己收益的貢獻(xiàn)值大小來(lái)進(jìn)行排名.利用本文所提綜合評(píng)估方法與它進(jìn)行對(duì)比，用戶排名結(jié)果對(duì)比如圖4 所示.

圖4 用戶重要性排名Fig.4 User importance ranking

從圖4 可知，用戶4 在兩種評(píng)估方法下排名結(jié)果相同.其它用戶在兩種評(píng)估方法下排名不同，用戶5 在根據(jù)貢獻(xiàn)值評(píng)估方法下排名第一，但是在綜合評(píng)估方法中排名第四，兩種評(píng)估方法下的排名結(jié)果相差很大.對(duì)用戶5 用電行為進(jìn)行分析，它在光伏用戶群一天的運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有分享電能給其它用戶能量，從成立光伏用戶群的初衷來(lái)看，鼓勵(lì)用戶電能共享，它的表現(xiàn)較差.在綜合評(píng)估方法中，鼓勵(lì)用戶分享電能，也考慮用戶消納多余光伏電能的能力和裝機(jī)容量，因此綜合評(píng)估下的排名更加合理和公平.

5 結(jié)論

本文針對(duì)基于內(nèi)部電價(jià)優(yōu)化運(yùn)行的光伏用戶群，分析了光伏用戶群的運(yùn)營(yíng)商獲利本質(zhì)，基于合作博弈論提出了計(jì)算群內(nèi)用戶對(duì)運(yùn)營(yíng)商收益貢獻(xiàn)值的方法.從用戶、運(yùn)營(yíng)商和電網(wǎng)三個(gè)方面，定義了用戶的重要性評(píng)估指標(biāo).然后基于多準(zhǔn)則決策中TOPSIS法提出了適用于基于內(nèi)部電價(jià)優(yōu)化運(yùn)行的光伏用群群內(nèi)用戶重要性評(píng)估與排序方法，利用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)包含5 個(gè)光伏用戶的光伏用戶群進(jìn)行重要性評(píng)估與排序.通過(guò)案例分析，驗(yàn)證了所提方法的有效性和合理性.