左 強，楊世海，陳銘明，方凱杰

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 營銷服務(wù)中心，南京 210000）

0 引言

從我國電力消費結(jié)構(gòu)看，隨著城市化的進一步發(fā)展，城區(qū)用戶無論從用戶數(shù)量還是從用電消費量上都有明顯增加，用電增速遠高于工農(nóng)業(yè)用戶［1］。由于交叉補貼的存在，城區(qū)居民用戶電價一直處于低位，用戶節(jié)能意識和節(jié)能需求都不強，造成了一定的能源浪費。另一方面，受商業(yè)用戶用電習(xí)慣的影響，城區(qū)商業(yè)用戶內(nèi)部用電設(shè)備常處于較低的能效水平狀態(tài)，具有極大的節(jié)能潛力［2—3］。此外，大量電動汽車、分布式電源和儲能單元等接連不斷地接入主電網(wǎng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷增加［4］。

隨著我國售電側(cè)改革和對節(jié)能減排需求的增長，以及電力競爭市場的發(fā)展與完善，電力系統(tǒng)的利益主體逐漸出現(xiàn)多元化的趨勢，需求側(cè)資源在電力市場中發(fā)揮著越來越重要的作用，多元用戶主動參與電網(wǎng)互動的意愿越來越強烈。如何引導(dǎo)居民用戶改變自身用電行為，主動參與電力市場交易，降低系統(tǒng)峰谷差，對于實現(xiàn)電力系統(tǒng)資源優(yōu)化配置，提高電網(wǎng)的運行效率變得尤為關(guān)鍵。因此亟需研究城市用戶用電行為特性、分析用戶響應(yīng)特性和互動特性等，掌握電網(wǎng)與用戶互動機理，建立用戶與電網(wǎng)供需互動模型與互動策略［5］。

文獻［6］建立了改進價格彈性矩陣模型，通過政策激勵居民用戶參與負荷削峰填谷。文獻［7］基于自適應(yīng)模糊c均值算法［8］。利用負荷分解技術(shù)實現(xiàn)了居民差異化用電行為特性分析。文獻［9］考慮不同用戶用電特性計算基線負荷。文獻［10］通過非侵入式負荷辨識方法對居民用電負荷分解，評估居民用電的需求響應(yīng)能力。文獻［11］采用改進K-means與長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型結(jié)合的方法實現(xiàn)對居民負荷曲線分類。文獻［12］、文獻［13］建立了家庭用電管理模型，通過優(yōu)化居民用戶用電行為降低用電費用。文獻［14］基于負荷分解技術(shù)實現(xiàn)小區(qū)替代。文獻［15］、文獻［16］考慮智能樓宇內(nèi)部電器的優(yōu)化。

雖然國內(nèi)外對城區(qū)用戶與電網(wǎng)供需互動有一定的研究和應(yīng)用，但由于新的形勢下用戶側(cè)資源數(shù)量多、分布廣，針對市場競爭機制下的居民用戶用電特性的分析和動態(tài)互動化技術(shù)依然需要深入研究。當前對于居民用電行為的優(yōu)化研究主要考慮用戶成本，實現(xiàn)電網(wǎng)與居民負荷互動的同時最小化居民用戶電費，激勵用戶參與需求響應(yīng)，但沒有充分考慮用戶舒適度問題，缺少激勵措施。同時，對用戶多電器參與管理研究不夠深入。為此，本文通過對用戶用電設(shè)備的使用效用和可調(diào)度潛力等開展分析，居民家用電器的用電特性研究，并提出了一種計及用戶舒適度的居民家用電器綜合管理模型，在考慮舒適度影響下研究電價策略對用戶收益影響，考慮多種電器綜合管理，符合實際居民用戶用電習(xí)慣。

1 居民家用電器的用電特性

根據(jù)消費者行為理論，電力作為一種商品，電力用戶的將合理安排用電行為，實現(xiàn)用電滿足程度的最大化，或者也稱為效用最大化。電力用戶的用電效用可以分成2 個部分：用電行為給用戶的正效用以及支付電費給用戶的負效用。

對于具體的用電行為，例如空調(diào)負荷、照明負荷和電子設(shè)備負荷等，他們帶給用戶的效用存在很大差異，需要用不同的用電設(shè)備正效用函數(shù)進行刻畫。然而，支付電費產(chǎn)生的負效用卻是較為簡單的，只與電費數(shù)額有關(guān)。因此，市場要素對電力用戶的用電行為產(chǎn)生影響之前，先要對電力用戶用電設(shè)備的使用效用和可調(diào)度潛力進行了解。

根據(jù)歐洲學(xué)者對于12 國居民的常見用電設(shè)備持有情況和使用情況研究調(diào)查［17］，結(jié)合2015 年《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告》［18］中北京各類型居民住宅的家用電器調(diào)查，所得結(jié)果如圖1所示［19］。

圖1 居民家用電器設(shè)備擁有率Fig.1 Household appliance equipment ownership rate

由上圖可知，居民用戶擁有率較高的用電設(shè)備主要有：空調(diào)、電冰箱、熱水器、洗衣機、電視、飲水機、計算機（臺式機和筆記本）和照明設(shè)備。居民用戶使用上述設(shè)備的一般習(xí)慣總結(jié)如下。

（1）照明設(shè)備：數(shù)量較多，用途較為分散（如廚房、臥室、書房等），使用時間多集中在清晨和晚間，使用時間段內(nèi)多開啟1 個或多個照明設(shè)備，額定功率通常為幾十瓦；

（2）空調(diào)：擁有數(shù)量與經(jīng)濟狀況密切相關(guān)，一般有1—4 臺，使用時間主要集中在夏季和冬季，夏季使用時間段為整晚，冬季使用時間段為晚間前期，單臺額定功率通常為1～3 kW；

（3）電冰箱：一般只有1臺，全天24 h不間斷使用，處于額定工作循環(huán)中，額定平均功率為100～200 W；

（4）熱水器：一般只有1 臺，使用時間較為隨機，可分為加熱和保溫兩種工作模式，加熱周期通常為幾十秒，剩余時間都處于保溫模式，加熱功率在1.5～5 kW之間；

（5）洗衣機：一般只有1 臺，多集中于晚上使用，工作周期通常為幾十秒，額定工作功率一般為50～200 W；

（6）電視機：一般擁有1—2 臺，使用時間較為隨機，額定功率為幾十瓦；

（7）飲水機：通常只有1 臺，一天不間斷使用，額定熱功率為幾百瓦，額定冷功率為幾十瓦；

（8）計算機（臺式機和筆記本）：一般擁有1—3臺，使用時間不確定，額定功率為幾十瓦。

根據(jù)上述對用戶家用電器的使用總結(jié)，可以看到，使用功率較大的家用電器主要有空調(diào)、熱水器、飲水機等，這些家用電器的電能使用量大，電費數(shù)量相對可觀，電力用戶使用行為會明顯受到電力價格和用電激勵的影響；對于洗衣機、照明設(shè)備，受電價和激勵的影響中等，電視機和計算機的使用基本不受影響。

當電力價格變化和電力公司給予用電激勵時，電力用戶的用電行為變化可以表現(xiàn)為3種情形：削減負荷、平移負荷、中斷負荷。此處定義電力用戶的響應(yīng)能力為可削減、可平移、可中斷負荷占原負荷的百分比，響應(yīng)能力極限為用戶受到一般電力價格波動和激勵政策影響下的響應(yīng)能力最大值，取值參考報告《居民家用電器負荷可調(diào)節(jié)潛力分析報告》和文獻［20］。響應(yīng)能力即為響應(yīng)能力極限，下文不作特殊說明。

對于上述家用電器，典型家庭的響應(yīng)能力的評估情況如表1 所示，其中決策權(quán)重為制定需求響應(yīng)決策時，某一家用電器提供響應(yīng)的比例，即家用電器響應(yīng)負荷與所有電器總響應(yīng)負荷之比?？梢愿鶕?jù)響應(yīng)負荷的大小計算。

表1 家用電器需求響應(yīng)潛力Table 1 Demand-side response potential of home appliances

2 居民家用電器綜合管理優(yōu)化模型

當電力用戶面臨電力價格變動和用電激勵政策時，電力用戶將根據(jù)響應(yīng)負荷的情況，設(shè)置考慮權(quán)重，做出決策，合理地調(diào)整電器設(shè)備的使用計劃。例如，用戶可以改變洗衣機的使用時間，關(guān)掉不必要的照明設(shè)備，使空調(diào)的設(shè)定溫度更接近于環(huán)境溫度等。這種用電計劃的調(diào)整，包括用電時間調(diào)整和用電量的改變會給用戶產(chǎn)生不舒適，可以折算成不舒適成本［21］。

下面本文將建立基于電價激勵下，計及用戶舒適度的用電優(yōu)化模型，優(yōu)化目標為用戶對家用電器使用效用的評估，具體可以分為3個方面：使用時間期待、使用效果期待以及電費變動期待。

2.1 使用時間期待

從使用時間期待考慮，用戶用電的不舒適性為實際用電時間和期待用電時間的差值，對于同一電器設(shè)備，用戶可以有多個期待用電時間，實際的時間不舒適性是實際時間Timeactual,j和最接近的期待用電時間Timeexp,j的差值，則用戶的時間不舒適性成本Uc,1為

由式（1）可知，當時間差不斷增大時，用戶的不舒適程度顯著上升。

2.2 使用效果期待

從使用效果期待考慮，用戶用電的不舒適性為實際設(shè)定模式產(chǎn)生的用電效用Modeactual,j與最佳用電模式效用Modeexp,j的差值，用戶的效果不舒適性Uc,2為

2.3 電費變動期待

電費變動期待是指電價變動引起的用戶效用感知的差異，則用戶的電價不舒適性Uc,3為

式中：k1、k2、k3分別為對應(yīng)分量的統(tǒng)一折算系數(shù)。

對于上述電器設(shè)備進行分析，總結(jié)得出用戶對于這些電力設(shè)備的使用決策情況如下表。響應(yīng)意愿強，響應(yīng)系數(shù)大，其他條件一定時，用戶響應(yīng)電量較大，計入彈性系數(shù)，對其進行修正。由于用戶使用這些電器相互之間不存在明顯關(guān)聯(lián)。因此，對于每個電器，可以獨立地進行優(yōu)化。

表2 總結(jié)了上述電器的使用目標、響應(yīng)方式和響應(yīng)意愿情況。其中響應(yīng)意愿由用戶綜合考慮舒適度和電價因素后自定義［22］。

表2 家用電器參與需求側(cè)響應(yīng)的情況分析Table 2 Analysis of home appliances participating in demand side response

因此，對于照明設(shè)備、空調(diào)、電冰箱，主要考慮改變使用效用，也就是負荷的削減，而在使用時間上很難做調(diào)整，對于熱水器、洗衣機、飲水機，主要考慮調(diào)整其使用時間，也就是平移負荷。

關(guān)于負荷的削減，可以通過電量價格彈性系數(shù)，建立負荷削減量和價格變動的聯(lián)系。然而，對于不同的電器，用戶的用電量削減意愿是不同的，為了分析更準確，選取不同的彈性系數(shù)進行分析，計算出對應(yīng)的削減量，在根據(jù)實際可削減的情況進行選擇，實際的可削減量通常是一組離散值，用戶在使用中，根據(jù)整體的價格感知，調(diào)整電器使用模式，各時段內(nèi)的負荷有相近比率的減少；關(guān)于負荷的平移，為了簡化分析，假定在用戶的可接受的時間范圍，負荷只能進行步長為1 h的平移。

約束條件主要包括對以上所提及的家用電器的使用和調(diào)控存在時間約束。

檢驗方法論者對《提綱》第二條的內(nèi)容或明或暗地做出了如下三個判斷：第一，它的論域是認識論或曰知識論，而非存有論、價值論或其他；第二，人的認識確實可以具有客觀的真理性；第三，具體的認識是否為真要通過實踐的方法或途徑來檢驗。我們可以將它們分別稱之為論域判斷、可知論判斷和方法判斷。

2.3.1 負荷削減量的約束

負荷削減量Loadcurtail,j與電價的變動和對應(yīng)電器的響應(yīng)意愿有關(guān)，反應(yīng)在電量電力價格彈性系數(shù)上，但不能超過該電器的響應(yīng)能力，其計算公式為

式中：ej為用戶的電價彈性系數(shù)；Loadactual,j為負荷的實際值。

2.3.2 負荷平移的時間約束

時間約束主要有兩個方面：用戶只有在家的時間段內(nèi)才能使用家用電器，且每個家用電器的使用時間段，受到用戶自身使用規(guī)律的約束，也存在各自限制。

用戶將根據(jù)不同的電價信息，綜合效用最大化，對原有電器的使用行為進行調(diào)整，調(diào)整的模式可以用上述數(shù)學(xué)模型進行描述。

3 算例分析

以中國某地區(qū)的典型家庭為例進行分析，并假設(shè)擁有家用電器的情況如表1所示，響應(yīng)方式如表2所示，可以將該居民擁有的電器負荷分成以下2類。

可削減負荷：照明設(shè)備、空調(diào)、電冰箱、電視機、計算機；

可平移負荷：熱水器、洗衣機、飲水機。

該地區(qū)居民的電價情況如表3所示。通過合理管理控制現(xiàn)有的電器負荷，可以實現(xiàn)家用電器綜合效用最大化。均一電價下的用戶用電行為如圖2所示，分時電價下，用戶將重新調(diào)度現(xiàn)有負荷，實現(xiàn)綜合效用最優(yōu)。

圖2 均一電價下某居民家用電器日常使用習(xí)慣Fig.2 Daily usage habits of household appliances under uniform electricity price

表3 該地區(qū)居民的電價情況Table 3 Electricity price of residents in the area

由圖2 可知，該居民家用電器的日常使用主要有早晚2 個高峰，且使用負荷主要是空調(diào)和電熱水器?？照{(diào)和電熱水器屬于溫控負荷，占居民用電總負荷的比值非常高，且具有良好的特性。

設(shè)定各電器的響應(yīng)類型和約束如表4 所示［23］。應(yīng)用本文的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化居民的家用電器使用行為，結(jié)果如圖3所示。

圖3 居民家用電器用電優(yōu)化Fig.3 Optimization of electricity consumption of household appliances

表4 居民家用電器的基本使用情況Table 4 Basic usage of household appliances

生活電器用電效用概念為：電力用戶在有限的能耗和用電成本約束條件下，以獲得最大滿意度為目標進行電力消費［24］。我們采用效用這一概念和使用時間期待、使用效果期待和電費變動期待3 個指標結(jié)合，對3種效用函數(shù)進一步進行劃分，即在舒適度范圍內(nèi)，家用電器使用效用值取1，在舒適度范圍外效用值取0。即Uc,1，Uc,2，Uc,3為0-1 變量，Uc根據(jù)式（11）疊加0-1變量進行計算。

由圖3 可知，可轉(zhuǎn)移負荷中，用戶的熱水器負荷、飲水機負荷均發(fā)生了轉(zhuǎn)移，洗衣機仍保持原狀；可削減負荷中，由于分時電價下，各使用時間段內(nèi)，用戶的平均用電成本有所下降，照明負荷、空調(diào)負荷等均有所上升。

由圖4 可知，分時電價下峰時段19：00—20：00負荷有明顯的轉(zhuǎn)移和削減，而谷時段負荷有一定增長，既滿足用戶的用電舒適度，又減少用戶電費支出，促進用戶參與需求響應(yīng)。上述結(jié)果表明，本文所提優(yōu)化模型有助于引導(dǎo)用戶改變用電行為，節(jié)約能耗，同時實現(xiàn)電力系統(tǒng)資源優(yōu)化配置。

圖4 兩種電價下的用戶總負荷對比Fig.4 Comparison of total user load under two electricity prices

用戶成本對比如表5所示，電網(wǎng)電價措施改變，用戶用電習(xí)慣發(fā)生變化，對使用效果期待影響最大。而對于使用時間，可平移負荷對電器使用的初始時間不嚴格，因此影響較小，不舒適成本最低，由于采用分時電價，用戶電費降低。雖然會帶來不舒適度成本，但總成本仍降低，表明本文所提優(yōu)化模型可以減少用戶成本，激勵用戶參與需求響應(yīng)。

表5 用戶成本對比Table 5 User cost comparison

4 結(jié)束語

在國內(nèi)電力市場改革不斷深化的背景下，多元用戶主動參與電網(wǎng)互動的意愿越來越強烈，如何引導(dǎo)用戶主動參與電力市場交易，改變傳統(tǒng)高能耗的用電方式，降低系統(tǒng)峰谷差，實現(xiàn)電力系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置，提高電網(wǎng)的運行效率變得尤為關(guān)鍵。本文基于居民家用電器的用電特性分析，通過對家用電器負荷平移、削減，降低用戶成本。給出了計及用戶舒適度的居民家用電器綜合管理模型，充分考慮了舒適度對用戶參與需求響應(yīng)的影響。實際算例的測試驗證了本文方法的有效性，對引導(dǎo)用戶主動改變能耗用電方式、實現(xiàn)電力系統(tǒng)資源的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。D