高余奇，楊太華

(上海電力大學(xué)，上海 200000)

1 引言

電力是推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)鍵因素之一。然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源危機(jī)日漸嚴(yán)重。用電需求呈現(xiàn)出季節(jié)性與時(shí)段短缺趨勢(shì)，一些地區(qū)不得不通過拉閘限電方式調(diào)節(jié)用電量，這樣會(huì)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)與人們的生活造成不便。但是，若通過擴(kuò)大發(fā)電機(jī)容量的方式來滿足高峰時(shí)段用電需求，則會(huì)增加發(fā)電成本，為電力企業(yè)與用戶帶來負(fù)擔(dān)，在用電低谷時(shí)間段內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)資源浪費(fèi)現(xiàn)象，且電力供需矛盾也會(huì)嚴(yán)重危害到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

智能電網(wǎng)的發(fā)展有效解決了上述問題，但其在為用戶提供便利的同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)載控制問題。在智能電網(wǎng)中應(yīng)用通信技術(shù)，用戶信息可隨時(shí)反饋到供電端，因此促進(jìn)了需求響應(yīng)(Demand Response，DR)的誕生。需求響應(yīng)就是在不同時(shí)期電力價(jià)格與激勵(lì)政策影響下，用戶的日常用電模式發(fā)生變化，即為在電力價(jià)格高漲或電網(wǎng)運(yùn)行可靠性受到威脅時(shí)，通過積極響應(yīng)電網(wǎng)指令、改變用電時(shí)間來獲得利益。通過需求響應(yīng)，不但可以達(dá)到供需平衡目的，還能改善資源優(yōu)化配置，已經(jīng)發(fā)展為世界智能電網(wǎng)研究的熱門話題。

目前關(guān)于用電需求響應(yīng)的研究較多，例如孫毅[1]等人將深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用到需求響應(yīng)過程中，在梳理深化學(xué)習(xí)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)其在需求響應(yīng)中的可行性與方式進(jìn)行探究，構(gòu)建業(yè)務(wù)開展架構(gòu)，同時(shí)對(duì)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)流程做深入分析。郝然[2]等人在考慮全局不等約束基礎(chǔ)上對(duì)需求響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，建立多代理需求響應(yīng)架構(gòu)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的彈性特征提取方法，對(duì)目標(biāo)函數(shù)中全局變量與全局不等進(jìn)行約束，并對(duì)于分層優(yōu)化過程，提出離散奇異一致性方法。以上兩種方法雖然能夠?qū)㈦娏ω?fù)載降到理想值，但是沒有全面考慮用戶需求，大多站在企業(yè)角度實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)。此外，其需求響應(yīng)缺少一種科學(xué)的控制方式，難以滿足電網(wǎng)智能化的要求。

為克服已有方法的不足，本文在Stackelberg博弈基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種用電需求自動(dòng)響應(yīng)方法。Stackelberg博弈是一種動(dòng)態(tài)主從博弈模型，適用于我國電力企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。供電方做出的決策會(huì)對(duì)消費(fèi)者決策產(chǎn)生一定影響，促進(jìn)消費(fèi)者不斷優(yōu)化用電行為；同時(shí)消費(fèi)者行為也會(huì)為供電方提供決策依據(jù)。在多次決策過程中，電力的供需雙方實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，如果其中一方任意更改策略，只會(huì)造成自身損失，不會(huì)對(duì)博弈均衡產(chǎn)生影響。通過構(gòu)建博弈模型確定目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)需求響應(yīng)整體業(yè)務(wù)流程，使其滿足自動(dòng)響應(yīng)要求。

2 電網(wǎng)需求響應(yīng)的參與方及系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 主要參與方分析

需求響應(yīng)中包括許多參與方，具體如下：

1)電力企業(yè)：是需求響應(yīng)的發(fā)起者，也是政策激勵(lì)的提供方。企業(yè)需制定有關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)負(fù)責(zé)落實(shí)與跟蹤管理。

2)電力用戶：是需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)的最直接目標(biāo)，在有關(guān)價(jià)格、政策下使原有的消費(fèi)模式發(fā)生改變。

3)監(jiān)督部門：是需求響應(yīng)方法順利進(jìn)行的關(guān)鍵，主要工作是對(duì)用電價(jià)格、激勵(lì)政策進(jìn)行改進(jìn)與監(jiān)管，將有關(guān)措施歸入法規(guī)[3]。

4)提供商：主要工作是對(duì)需求側(cè)資源的整理，代替用戶參加需求響應(yīng)。具體工作包括：匯集用戶需求資源，實(shí)現(xiàn)該資源在電網(wǎng)中的注冊(cè)，并向電網(wǎng)傳輸需要消減的信息；參加電力企業(yè)補(bǔ)償行為，根據(jù)有關(guān)規(guī)定分配用戶補(bǔ)償[4]。

5)非參與用戶：其不能直接參加需求響應(yīng)活動(dòng)，但是其利益會(huì)受到影響，例如電價(jià)分?jǐn)傄约捌渌妰r(jià)活動(dòng)，所以這些用戶的主要目的是確保自身利益不被損害。

6)環(huán)保組織：評(píng)估需求響應(yīng)策略實(shí)施對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，確保通過需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[5]。

2.2 需求響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)

通常使用無線傳感器等通信方式構(gòu)建需求響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用電數(shù)據(jù)獲取、智能家居調(diào)控、響應(yīng)結(jié)構(gòu)反饋等功能。需求響應(yīng)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 需求響應(yīng)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1)感知層：由海量細(xì)小節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，具備感知與無線通信性能，主要目的是獲取電力環(huán)境信息。其中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般布置在監(jiān)測(cè)區(qū)，收集指定參數(shù)，同時(shí)將信息傳輸?shù)娇偣?jié)點(diǎn)。

2)網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)將采集的用電信息發(fā)送至應(yīng)用層。針對(duì)需求響應(yīng)系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)層可以為通信提供信道基礎(chǔ)，主要包括：為家庭中不同終端和控制器的連接提供信道，并構(gòu)建區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)；為控制器和響應(yīng)終端提供信道。

3)應(yīng)用層：該層是需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，結(jié)合家庭用電數(shù)據(jù)與電網(wǎng)價(jià)格，定義需求響應(yīng)方案，利用控制器進(jìn)行決策，同時(shí)根據(jù)用戶行為分析需求響應(yīng)效果。

3 基于Stackelberg博弈的用電需求自動(dòng)響應(yīng)

3.1 Stackelberg博弈模型構(gòu)建

3.1.1 供應(yīng)商層

供應(yīng)商效用分為用戶上繳的電費(fèi)、邊際成本與電力供需不平衡生成的成本。表達(dá)式如下：

(1)

(2)

3.1.2 用戶層

用戶層包括電費(fèi)與用電滿意度，公式如下

(3)

用戶滿意度指需求量與用電量函數(shù)。電力也屬于商品，滿足邊際效用遞減原則。如果其它因素在相同時(shí)間段內(nèi)始終不變，由于用電增加，整體效用也隨之提高，而邊際效用[7]卻減少。

(4)

在此基礎(chǔ)上，分析不同的電力負(fù)載：

1)能夠轉(zhuǎn)移的負(fù)載。如果電器a是能夠移動(dòng)負(fù)載[9]，其符合如下限制條件

(5)

(6)

2)可削減負(fù)載。假設(shè)電器a屬于可消減負(fù)載，將一階放射微分方程當(dāng)作限制條件

(7)

3.1.3 雙層博弈模型

供電商與用戶層均想要使各自利益最大化，為全面考慮二者利益，將以上模型進(jìn)行綜合處理，獲得體現(xiàn)雙方利益的目標(biāo)函數(shù)

(8)

(9)

用電需求量與電價(jià)之間必須符合下述限制條件

(10)

ct≤pt|t=1，2，3…，24

(11)

(12)

(13)

(14)

式中，P代表供應(yīng)商電價(jià)方式結(jié)合，X表示用戶用電量方式集合。

(15)

(16)

(17)

上述即為構(gòu)建的完整雙層博弈模型，通過該模型確定了需求響應(yīng)的最佳目標(biāo)函數(shù)，并綜合分析了供應(yīng)商與用戶之間的利益，使雙方利益達(dá)到最大化。

3.2 自動(dòng)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

基于需求響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)，引入上述構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)，在智能電網(wǎng)環(huán)境下，設(shè)計(jì)自動(dòng)需求響應(yīng)的業(yè)務(wù)流程。該流程的主要特點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)化交互[10]、智能化決策以及自動(dòng)化執(zhí)行，具體過程如圖2所示。

1)標(biāo)準(zhǔn)交互。電力供需雙方的有效交互是自動(dòng)需求響應(yīng)的基礎(chǔ)與前提。綜合分析不同供應(yīng)商之間技術(shù)策略的不同，實(shí)現(xiàn)不同資源統(tǒng)一管理與配置，以此提高交互過程的自動(dòng)化程度。

2)智能決策。智能決策是確保方案有效性與合理性的必要條件。在系統(tǒng)側(cè)，體現(xiàn)在響應(yīng)事件規(guī)劃；在用戶側(cè)，則體現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)側(cè)傳輸信息后，結(jié)合用戶資源負(fù)載狀況，完成用戶的智能決策，提高需求響應(yīng)的科學(xué)性。

3)自動(dòng)執(zhí)行。自動(dòng)執(zhí)行屬于需求響應(yīng)的最直觀特性，通常體現(xiàn)在用戶側(cè)。在接收用戶的響應(yīng)信號(hào)后，會(huì)自動(dòng)生成響應(yīng)方案，完成響應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行，無需人工參與。

根據(jù)上述業(yè)務(wù)流程，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)需求響應(yīng)，從而完成了對(duì)基于博弈模型的需求響應(yīng)方法的設(shè)計(jì)。

圖2 需求響應(yīng)業(yè)務(wù)過程

4 仿真分析與研究

為驗(yàn)證基于Stackelberg博弈的用電需求自動(dòng)響應(yīng)方法的有效性，設(shè)計(jì)如下仿真。仿真主要是在智能電網(wǎng)環(huán)境下對(duì)需求響應(yīng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。從不同參與方角度分析在應(yīng)用本文方法后，不同電力參與方獲得的效益。

通過日負(fù)荷平均算法，獲取家庭用戶在參與需求響應(yīng)和為參加情況下，不同時(shí)段用戶負(fù)載情況

(18)

利用上述公式計(jì)算的某家庭在應(yīng)用和未應(yīng)用需求響應(yīng)情況下的日負(fù)載曲線，結(jié)果如圖3所示。分析圖3可知，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的需求響應(yīng)方法后，用戶用電負(fù)載量在高峰時(shí)期明顯比未應(yīng)用的用戶要低。這是因?yàn)楣?yīng)商通過價(jià)格調(diào)控等手段，避免用戶在相同時(shí)間段內(nèi)一同用電。例如在家庭用電中，電動(dòng)汽車充電屬于高負(fù)載項(xiàng)目，沒參加需求響應(yīng)的用戶通常在19點(diǎn)～21點(diǎn)之間為車輛充電，而參加需求響應(yīng)的用戶將充電時(shí)間更改為22～24點(diǎn)之間。這樣在不影響用戶使用情況下，錯(cuò)開用電高峰，達(dá)到削峰填谷的作用。

圖3 不同情況下用戶日負(fù)載曲線

上述分析了普通家庭用戶的需求響應(yīng)效果，下面對(duì)大型工廠企業(yè)的實(shí)施效果進(jìn)行分析。以某黃磷生產(chǎn)企業(yè)為例，該企業(yè)的電力需求響應(yīng)實(shí)施效果如圖4所示。

圖4 企業(yè)用電負(fù)載圖

分析圖4可知，在沒有應(yīng)用需求響應(yīng)時(shí)，該企業(yè)的主要用電時(shí)間集中在9～18時(shí)，該時(shí)段是大部分企業(yè)的上班時(shí)間，因此用電情況較為緊張。通過執(zhí)行相關(guān)需求響應(yīng)策略，該企業(yè)采取了倒班制度，延長企業(yè)工作時(shí)間，制定下班時(shí)間為21時(shí)，這樣不但分散生產(chǎn)任務(wù)，緩解供電壓力，還不影響工廠周圍居民休息。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)需求響應(yīng)前后大用戶用電總金額進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖5所示。通過圖5能夠看出，在執(zhí)行需求響應(yīng)后，購電價(jià)格降低，總體成交金額有所下滑，購電成本減少。但是市場(chǎng)中會(huì)引入獎(jiǎng)懲機(jī)制，因?yàn)閷⒊善胶?，所以不?huì)危害到電力企業(yè)利益。

綜上分析，Stackelberg博弈模型的應(yīng)用能夠使用戶以相同價(jià)格購買到更多電量，還能減少電網(wǎng)沖擊，起到削峰填谷作用，減少供電成本，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商與用戶的共贏。

圖5 用電交易總額圖

5 結(jié)語

需求響應(yīng)為電網(wǎng)中最能反映靈活性與自動(dòng)化的主要業(yè)務(wù)。本文通過構(gòu)建Stackelberg雙層博弈模型，綜合分析供應(yīng)商與用戶利益最大化，從而確定需求響應(yīng)業(yè)務(wù)流程，以此實(shí)現(xiàn)電力供需平衡，提高資源利用率與電網(wǎng)可靠性。

目前，在電力需求響應(yīng)中的某些措施還處于發(fā)展階段，尚未成熟。例如，針對(duì)電力需求較高的大型商場(chǎng)或辦公樓，負(fù)載比重較高，特別是在冬夏兩個(gè)空調(diào)使用率較高季節(jié)，尚未出現(xiàn)有效的管理策略。為此，本文認(rèn)為應(yīng)將大型城市作為需求響應(yīng)試點(diǎn)，其次再針對(duì)居民用戶開展。