陳洋洋，陸 寧，侯 慧，屈守江

（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

近年來，隨著全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化和不可再生能源的日益枯竭，微網(wǎng)因能吸納并最大化利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電而得到了快速發(fā)展［1?2］。同時(shí)，隨著我國電力市場改革進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在售電側(cè)引入競爭機(jī)制后，電價(jià)體系亟需完善［3］。在競爭日益激烈的環(huán)境中，如何提升微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益、調(diào)動(dòng)和提升用戶參與的積極性以及擴(kuò)大在用戶商品市場中的占有率，已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

在提升微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益方面：文獻(xiàn)［4］從規(guī)劃和運(yùn)行2 個(gè)層面梳理影響微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的主要因素，并將各種影響因素的重要程度通過影響因子進(jìn)行量化，建立微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型；文獻(xiàn)［5］基于消費(fèi)者需求和供電成本異質(zhì)性，構(gòu)造負(fù)荷率分檔用戶的用電消費(fèi)細(xì)分市場，應(yīng)用邊際成本定價(jià)理論構(gòu)建計(jì)及負(fù)荷率分檔的峰谷分時(shí)電價(jià)模型，以提升微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)［6］致力于電價(jià)套餐的設(shè)計(jì)，針對(duì)各電力用戶因用電差異性而需要不同的電價(jià)套餐，采用K-means 算法對(duì)電力用戶日負(fù)荷曲線的負(fù)荷特征進(jìn)行聚類，通過嫡權(quán)法計(jì)算用戶效用，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用演化博弈理論計(jì)算用戶的套餐選擇比例，建立微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型；文獻(xiàn)［7］在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)考慮淡旺季用戶效用的居民用電套餐，通過對(duì)用戶淡旺季平均用電量建立效用函數(shù)，選擇效用最大的套餐，得到用戶選擇各種套餐的概率，實(shí)現(xiàn)零售商收益最大。雖然文獻(xiàn)［4?7］的商品售賣策略是基于大部分用戶在大部分時(shí)刻滿意，但仍有部分用戶不滿意某些時(shí)刻的定價(jià)，而不得不使用其商品，形成了一定程度的商品壟斷。

需求響應(yīng)DR（Demand Response）技術(shù)能夠充分調(diào)動(dòng)用戶側(cè)資源，引導(dǎo)用戶主動(dòng)參與電力市場的運(yùn)營與調(diào)控，且其能夠增加可再生能源的消納量［8?9］。文獻(xiàn)［10］對(duì)常見居民用戶負(fù)荷的DR 特性進(jìn)行分類，提出利用家庭能量管理系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時(shí)電價(jià)的方法。文獻(xiàn)［11］提出利用分段線性函數(shù)來表征削減負(fù)荷量所需的成本，根據(jù)特定時(shí)段內(nèi)各種能源用量對(duì)應(yīng)的邊際成本確定鼓勵(lì)用戶參與DR 的價(jià)格。文獻(xiàn)［12］使具有能耗高、工作時(shí)間靈活的工業(yè)用戶簽訂協(xié)議來參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，在可再生能源出力較大且系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)段，通過負(fù)荷控制中心向簽訂協(xié)議的工業(yè)用戶發(fā)出調(diào)度指令，調(diào)配用戶的負(fù)荷轉(zhuǎn)移量并向用戶提供相應(yīng)的補(bǔ)償，但其并未考慮用戶是否會(huì)參與DR 策略這個(gè)不確定性因素。文獻(xiàn)［13］針對(duì)DR 策略中用戶參與的不確定性因素，通過將用戶參與度和電網(wǎng)側(cè)激勵(lì)間的關(guān)系用不確定性模型來表征，構(gòu)建計(jì)及用戶參與不確定性的DR 策略優(yōu)化方法。文獻(xiàn)［10?13］均只考慮價(jià)格型DR 或激勵(lì)型DR單獨(dú)對(duì)優(yōu)化調(diào)度的影響，而未考慮兩者對(duì)調(diào)度產(chǎn)生的共同影響。文獻(xiàn)［14］在微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題中同時(shí)引入價(jià)格型DR 和激勵(lì)型DR，基于虛擬電廠成本函數(shù)的負(fù)荷削減量函數(shù)，建立價(jià)格型DR 和激勵(lì)型DR 的等效模型，在價(jià)格型DR 滿足削減量約束和削減爬坡約束，激勵(lì)型DR 滿足削減量約束、削減爬坡約束、削減次數(shù)約束和削減時(shí)間約束等約束條件下，構(gòu)建DR 參與的微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，以提升微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。然而，居民用戶的用能行為與其意愿和生活品質(zhì)緊密相連，DR通過聚合用戶負(fù)荷引導(dǎo)用戶參與微網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，會(huì)在很大程度上違背用戶意愿，使其生活品質(zhì)下降。

上述研究均是從微網(wǎng)角度進(jìn)行資源規(guī)劃及優(yōu)化調(diào)度，而本文則從用戶角度出發(fā)，針對(duì)如何給予用戶在任一時(shí)刻選擇任一能源商品運(yùn)營商的權(quán)力，并且在不改變用戶意愿和生活品質(zhì)的前提下提升微網(wǎng)的收益以及降低用戶的用能成本，提出充分給予用戶選擇權(quán)的開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型，基于用戶消費(fèi)心理研究其消費(fèi)行為，建立不同類型用戶響應(yīng)模型，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建以微網(wǎng)收益最大和用戶用能成本最小為目標(biāo)的開放微網(wǎng)多目標(biāo)資源規(guī)劃模型，并通過算例對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型

1.1 調(diào)度模型

微網(wǎng)以可再生能源為主，其終端輸出電力、氫氣、天然氣等多種形式能源，是實(shí)現(xiàn)多種能源利用、存儲(chǔ)及相互轉(zhuǎn)換的小型綜合能源互聯(lián)系統(tǒng)［15］。但傳統(tǒng)微網(wǎng)在售賣商品以及市場運(yùn)營與調(diào)控方面存在不足，為此，本文從用戶角度出發(fā)，考慮用戶自身的利益需求和選擇傾向，提出開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型，充分給予用戶在任一時(shí)刻選擇任一能源商品運(yùn)營商的權(quán)力，以完善市場競爭機(jī)制。模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型中，用戶根據(jù)不同能源商品運(yùn)營商的能源商品價(jià)格，考慮自身選擇傾向和價(jià)格敏感度，可在任一時(shí)刻選擇任一能源商品運(yùn)營商，在保證自身意愿和生活品質(zhì)的前提下，降低用能成本，滿足自身利益訴求。用戶自由選擇模型如式（1）所示。

圖1 開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型Fig.1 Energy scheduling model of open microgrid

式中：ui(t)表示t時(shí)刻用戶選擇的能源商品i的運(yùn)營商是開放微網(wǎng)還是上層能源系統(tǒng)，其值為1 時(shí)，表示選擇開放微網(wǎng)，其值為0 時(shí)，表示選擇上層能源系統(tǒng)。

開放微網(wǎng)在充分考慮用戶利益訴求和選擇傾向的前提下，通過制定分時(shí)電力、氫氣、天然氣價(jià)格調(diào)整用戶負(fù)荷，根據(jù)上層能源系統(tǒng)的分時(shí)電力、氫氣、天然氣價(jià)格，優(yōu)化與上層能源系統(tǒng)的能源交互，使得自身收益最大，同時(shí)，通過調(diào)整自身儲(chǔ)能狀態(tài)以及優(yōu)化各設(shè)備的容量和功率，使得自身成本最小，以滿足自身利益訴求。開放微網(wǎng)和用戶的利益訴求模型圖如附錄A圖A1所示。

1.2 具體實(shí)施方法

隨著5G 移動(dòng)通信技術(shù)和智能計(jì)量設(shè)備的不斷完善，用戶主動(dòng)參與用電調(diào)度優(yōu)化對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行和發(fā)展意義重大。本文中開放微網(wǎng)收集用戶實(shí)時(shí)選擇的能源商品運(yùn)營商信息，集賣方和服務(wù)方為一體，方便用戶用能及降低用能成本。以電力商品為例，為節(jié)省鋪設(shè)線路的成本，同時(shí)為方便用戶使用，減少用戶操作步驟，在用戶與開放微網(wǎng)之間只需鋪設(shè)1 條線路，在線路末端安裝2 個(gè)開關(guān)端口，其中一個(gè)與開放微網(wǎng)連接，另一個(gè)與上層電力系統(tǒng)連接，用戶在任一時(shí)刻可通過手機(jī)APP對(duì)電力商品的運(yùn)營商進(jìn)行選擇，開放微網(wǎng)實(shí)時(shí)收集用戶選擇的電力商品運(yùn)營商信息，并根據(jù)信息實(shí)時(shí)切換供電端口，用戶用電線路實(shí)施示意圖如附錄A 圖A2所示。同時(shí)，為方便用戶繳費(fèi)，用戶可直接在開放微網(wǎng)處繳納使用開放微網(wǎng)能源商品的費(fèi)用和使用上層電力系統(tǒng)能源商品的費(fèi)用，開放微網(wǎng)通過收集用戶選擇的能源商品運(yùn)營商信息，分別計(jì)算用戶使用開放微網(wǎng)和上層電力系統(tǒng)能源商品的份額，每隔一定時(shí)間與上層電力系統(tǒng)結(jié)算用戶使用上層電力系統(tǒng)能源商品份額產(chǎn)生的費(fèi)用。

2 用戶分類和DR模型

電力、氫氣、天然氣是能源商品，能源商品交換依靠價(jià)格，要推進(jìn)能源市場健康發(fā)展須充分發(fā)揮能源商品價(jià)格的調(diào)控作用［16］，這就需要有一個(gè)科學(xué)的微網(wǎng)需求價(jià)格關(guān)系模型來研究用戶對(duì)能源商品價(jià)格的響應(yīng)，因此，研究一種準(zhǔn)確、精細(xì)的用戶類型及DR特征的計(jì)算方法是十分必要的［17］。

2.1 用戶分類

在開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型中給予用戶自由選擇能源商品運(yùn)營商的權(quán)利后，用戶的消費(fèi)心理將發(fā)生變化，用戶開始注重能源商品的運(yùn)營商及其價(jià)格。為了更好地分析用戶用能行為的改變，本文從用戶角度出發(fā)，根據(jù)用戶對(duì)能源商品運(yùn)營商的選擇偏向和對(duì)能源商品價(jià)格敏感度的不同，將用戶劃分為第Ⅰ類型、第Ⅱ類型、第Ⅲ類型和第Ⅳ類型這4 類，以滿足不同用戶的用能需求。用戶分類如表1所示。

表1 用戶分類Table 1 Classification of users

為了便于對(duì)選擇偏向、價(jià)格敏感度進(jìn)行模糊處理，本文先對(duì)選擇偏向、價(jià)格敏感度的模擬數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，如式（2）所示。

式中：fBias、fSens分別為選擇偏向、價(jià)格敏感度歸一化之后的相對(duì)值；b、s分別為選擇偏向、價(jià)格敏感度的模擬值；bmax、smax和bmin、smin分別為選擇偏向、價(jià)格敏感度模擬值的最大值和最小值。

模糊理論常用于解決不確定性問題，本文選取如圖2 所示的梯形模糊隸屬度函數(shù)作為選擇偏向、價(jià)格敏感度的模糊隸屬度函數(shù)。圖中：fBias1、fBias3分別為用戶中無偏向、偏向開放微網(wǎng)的最小相對(duì)值；fBias2、fBias4分別為用戶中偏向上層能源系統(tǒng)、無偏向的最大相對(duì)值；fSens1、fSens2分別為用戶中較高價(jià)格敏感度的最小相對(duì)值、較低價(jià)格敏感度的最大相對(duì)值。

圖2 選擇偏向、價(jià)格敏感度的模糊隸屬度函數(shù)Fig.2 Fuzzy membership function of selection bias and price sensitivity

2.2 用戶的DR模型

1）第Ⅰ類型用戶。

當(dāng)用戶對(duì)能源商品的價(jià)格敏感度較高時(shí)，為降低自身成本，其在選擇能源商品運(yùn)營商時(shí)會(huì)優(yōu)先使用價(jià)格低廉的能源商品，因此，第Ⅰ類型用戶在選擇能源商品運(yùn)營商時(shí)僅考慮能源商品價(jià)格的高低，而不考慮自身對(duì)能源商品運(yùn)營商的偏向。

t時(shí)刻第Ⅰ類型用戶選擇能源商品運(yùn)營商的模型為：

式中：uⅠ(t)表示t時(shí)刻第Ⅰ類型用戶選擇的能源商品運(yùn)營商是開放微網(wǎng)還是上層能源系統(tǒng)，其值為1時(shí)，表示選擇開放微網(wǎng)，其值為0 時(shí)，表示選擇上層能源系統(tǒng)；pOM(t)、pUES(t)分別為t時(shí)刻開放微網(wǎng)、上層能源系統(tǒng)給出的能源商品價(jià)格。

t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅰ類型用戶獲得的能源商品份額為：

式中：SOM?Ⅰ(t)為t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅰ類型用戶獲得的能源商品份額；p(fBias，fSens)為選擇偏向相對(duì)值為fBias、價(jià)格敏感度相對(duì)值為fSens時(shí)的概率；FSensH為較高價(jià)格敏感度的模糊隸屬度函數(shù)。

2）第Ⅱ類型用戶。

由于在多數(shù)情況下開放微網(wǎng)的能源商品價(jià)格低于上層能源系統(tǒng)，因此，部分用戶在選擇能源商品的運(yùn)營商時(shí)會(huì)偏向于開放微網(wǎng)。同時(shí)，由于電力、氫氣、天然氣是用戶生產(chǎn)生活的重要基礎(chǔ)性資源，第Ⅱ類型用戶僅能夠容忍一定程度的能源商品價(jià)格變動(dòng)，而不希望能源商品價(jià)格波動(dòng)過大以及變化過于頻繁。

t時(shí)刻第Ⅱ類型用戶選擇能源商品運(yùn)營商的模型為：

式中：uⅡ(t)表示t時(shí)刻第Ⅱ類型用戶選擇的能源商品運(yùn)營商是開放微網(wǎng)還是上層能源系統(tǒng)，其值為1時(shí)，表示在多數(shù)情況下開放微網(wǎng)的能源商品價(jià)格低于上層能源系統(tǒng)且其價(jià)格波動(dòng)低于第Ⅱ類型用戶可接受的價(jià)格波動(dòng)上限，用戶選擇開放微網(wǎng)，其值為0時(shí)，表示在多數(shù)情況下開放微網(wǎng)的能源商品價(jià)格不低于上層能源系統(tǒng)或其價(jià)格波動(dòng)高于第Ⅱ類型用戶可接受的價(jià)格波動(dòng)上限，用戶選擇上層能源系統(tǒng)；為1 d 內(nèi)開放微網(wǎng)能源商品價(jià)格的平均值；pˉUES為1 d 內(nèi)上層能源系統(tǒng)能源商品價(jià)格的平均值；dOM(t) 為t時(shí)刻開放微網(wǎng)能源商品價(jià)格的波動(dòng)；dOM?Uers(t)為t時(shí)刻第Ⅱ類型用戶可接受的能源商品價(jià)格波動(dòng)，是各時(shí)刻取值之和為1 的分布函數(shù)，其示意圖如附錄A圖A3所示。

t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅱ類型用戶獲得的能源商品份額為：

式中：SOM?Ⅱ(t)為在t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅱ類型用戶獲得的能源商品份額；dOMmin、dOMmax分別為1 d內(nèi)開放微網(wǎng)能源商品價(jià)格的最小、最大波動(dòng)，分別如式（11）、（12）所示；FSensL為較高價(jià)格敏感度的模糊隸屬度函數(shù)；FBiasOM為用戶中偏向開放微網(wǎng)的模糊隸屬度函數(shù)。

3）第Ⅲ類型用戶。

第Ⅲ類型用戶選擇的能源商品運(yùn)營商較為固定，不會(huì)頻繁更改，此時(shí)，決定開放微網(wǎng)能源商品份額的因素是其能源商品對(duì)用戶的吸引力，吸引力越大則其能源商品份額越大。

t時(shí)刻第Ⅲ類型用戶選擇能源商品運(yùn)營商的模型為：

式中：uⅢ( )t表示t時(shí)刻第Ⅲ類型用戶選擇的能源商品運(yùn)營商是開放微網(wǎng)還是上層能源系統(tǒng)，其值為1時(shí)，表示t時(shí)刻開放微網(wǎng)能源商品的吸引力高于上層能源系統(tǒng)能源商品的吸引力，用戶選擇開放微網(wǎng)，其值為0 時(shí)，表示在t時(shí)刻開放微網(wǎng)能源商品的吸引力低于上層能源系統(tǒng)能源商品的吸引力，用戶選擇上層能源系統(tǒng)；AOM(t)、AUES(t)分別為t時(shí)刻開放微網(wǎng)、上層能源系統(tǒng)同類能源商品的吸引力。

根據(jù)吸引力模型，t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅲ類型用戶獲得的能源商品份額為：

式中：SOM?Ⅲ(t)為t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅲ類型用戶獲得的能源商品份額；FBiasUn為用戶中無偏向的模糊隸屬度函數(shù)。

在滿足邏輯一致性的多種能源商品份額模型中，乘法競爭互動(dòng)模型相對(duì)比較合理［16］，如式（16）所示。

式中，A(t)為t時(shí)刻能源商品對(duì)用戶的吸引力；ε(t)、ε0分別為t時(shí)刻能源商品對(duì)用戶吸引力的影響系數(shù)、固定影響系數(shù)；p(t)、μ(t)分別為t時(shí)刻能源商品的價(jià)格、價(jià)格誤差項(xiàng)。將式（16）代入式（14）可得附錄A式（A1）。

在現(xiàn)實(shí)生活中，t時(shí)刻能源商品對(duì)于用戶的吸引力不僅與該時(shí)刻能源商品價(jià)格有關(guān)，還與相鄰時(shí)刻t-Δt（Δt為2個(gè)調(diào)度時(shí)刻之間的時(shí)間間隔）能源商品的價(jià)格有關(guān)，因此，t時(shí)刻能源商品對(duì)用戶的吸引力可表示為：

式中：α、β分別為能源商品的價(jià)格權(quán)重、價(jià)格變動(dòng)權(quán)重。

4）第Ⅳ類型用戶。

可再生能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性及不確定性，可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)和閃變、頻率偏差、諧波、供應(yīng)不足等問題，這導(dǎo)致第Ⅳ類型用戶對(duì)開放微網(wǎng)的能源商品質(zhì)量信任度較低，其在選擇能源商品運(yùn)營商時(shí)偏向于上層能源系統(tǒng)，但第Ⅳ類型用戶也會(huì)在能源商品的低廉價(jià)格和質(zhì)量之間權(quán)衡，若要爭取該類型用戶的能源商品份額，則開放微網(wǎng)需給出更低的價(jià)格。

t時(shí)刻第Ⅳ類型用戶選擇能源商品運(yùn)營商的模型為：

式中：uⅣ(t)表示t時(shí)刻第Ⅳ類型用戶選擇的能源商品運(yùn)營商是開放微網(wǎng)還是上層能源系統(tǒng)，其值為1時(shí)，表示t時(shí)刻開放微網(wǎng)的能源商品價(jià)格低于第Ⅳ類型用戶可接受的價(jià)格上限，用戶選擇開放微網(wǎng)，其值為0 時(shí)，表示t時(shí)刻開放微網(wǎng)的能源商品價(jià)格高于第Ⅳ類型用戶可接受的價(jià)格上限，用戶選擇上層能源系統(tǒng)；pUers(t)為t時(shí)刻第Ⅳ類型用戶可接受的能源商品價(jià)格上限，是各時(shí)刻取值之和為1 的分布函數(shù)，其示意圖如附錄A圖A4所示。

t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅳ類型用戶獲得的能源商品份額為：

式中：SOM?Ⅳ(t)為t時(shí)刻開放微網(wǎng)從第Ⅳ類型用戶獲得的能源商品份額；κⅣ(t)為t時(shí)刻開放微網(wǎng)的價(jià)格能夠吸引第Ⅳ類型用戶的占比；pⅣ為第Ⅳ類型用戶選擇開放微網(wǎng)時(shí)能源商品的價(jià)格；FBiasUES為用戶中偏向上層能源系統(tǒng)的模糊隸屬度函數(shù)。

綜合第Ⅰ—Ⅳ類型用戶的DR 模型，t時(shí)刻開放微網(wǎng)獲得的市場份額為：

式中：SOM(t)為t時(shí)刻開放微網(wǎng)獲得的能源商品份額。

t時(shí)刻上層能源系統(tǒng)獲得的能源商品份額SUES(t)為：

3 開放微網(wǎng)多目標(biāo)資源規(guī)劃及效益模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型以開放微網(wǎng)的收益最大化以及用戶的用能成本最小化為目標(biāo)，如式（25）、（26）所示。

式中：Rt、Re、Rh、Rg分別為開放微網(wǎng)的總收益、售電力收益、售氫氣收益、售天然氣收益；COM為開放微網(wǎng)的總成本；CUers、Ce?Uers、Ch?Uers、Cg?Uers分別為用戶的總用能成本、購電力成本、購氫氣成本、購天然氣成本。

1）開放微網(wǎng)的收益。

開放微網(wǎng)售賣電力、氫氣、天然氣能源商品的收益R（R為Re、Rh、Rg的通用表達(dá)式）為開放微網(wǎng)售賣給用戶得到的收益RUser和售賣給上層能源系統(tǒng)得到的收益RUES之和，如式（27）所示。

式中：PL(t)為t時(shí)刻用戶使用能源商品的總量；pOM?UES(t)為t時(shí)刻開放微網(wǎng)的能源商品并網(wǎng)價(jià)格；PUES(t)為t時(shí)刻開放微網(wǎng)與上層能源系統(tǒng)能源商品的交互功率（或流量）。

2）開放微網(wǎng)的總成本。

開放微網(wǎng)的總成本COM包括設(shè)備成本CEqu和運(yùn)維成本COpe，如式（30）所示。

3）用戶的用能成本。

t時(shí)刻用戶可自由選擇電力、氫氣、天然氣能源商品的運(yùn)營商為開放微網(wǎng)或上層能源系統(tǒng)，Ce?Uers、Ch?Uers、Cg?Uers的通用表達(dá)式C如式（31）所示。

3.2 約束條件

在圖1 所示系統(tǒng)中，開放微網(wǎng)通過上層電力系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電設(shè)備（主要為風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電板）、蓄電池、燃料電池以及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電為用戶提供電負(fù)荷，通過上層氫氣系統(tǒng)、電力制氫以及儲(chǔ)氫罐等設(shè)備為用戶提供氫負(fù)荷，通過上層天然氣系統(tǒng)、甲烷化裝置、儲(chǔ)氣罐等設(shè)備為用戶提供氣負(fù)荷，電力、氫氣、天然氣的能量守恒約束如附錄A 式（A2）—（A4）所示。

3.3 求解過程

非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ）是一種建立在帕累托最優(yōu)解理論上的多目標(biāo)智能優(yōu)化算法，具有運(yùn)行速度快和解集收斂性好的優(yōu)點(diǎn)［17］，本文利用該算法實(shí)現(xiàn)從用戶角度出發(fā)的開放微網(wǎng)資源規(guī)劃及效益分析問題的求解，求解流程圖如附錄A圖A5所示。

在利用NSGA-Ⅱ獲得非劣解集之后，本文參考文獻(xiàn)［18］中的滿意度，幫助開放微網(wǎng)做出最終決策。開放微網(wǎng)對(duì)第i個(gè)非劣解xi中第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)的滿意度μi(j)為：

開放微網(wǎng)對(duì)第i個(gè)非劣解xi的綜合滿意度μi為：

式中：m、n分別為非劣解、目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)。μi的值越大，第i個(gè)非劣解xi越優(yōu)。

開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型、不同類型用戶DR 模型、開放微網(wǎng)多目標(biāo)資源規(guī)劃模型這3 種模型之間的傳遞關(guān)系如附錄A圖A6所示。

4 仿真算例與結(jié)果分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

算例分析使用江蘇省大豐市的相關(guān)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證本文所提給予用戶選擇的開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型和基于用戶消費(fèi)心理的不同類型用戶DR 模型的有效性和優(yōu)越性。仿真中將1 d 劃分為24 個(gè)時(shí)段，即時(shí)間間隔Δt=1 h。該區(qū)域某日的風(fēng)速、光照強(qiáng)度以及基礎(chǔ)電力、氫氣、天然氣負(fù)荷數(shù)據(jù)分別如附錄B 圖B1、B2 所示。開放微網(wǎng)中各設(shè)備成本、壽命和運(yùn)維費(fèi)用如附錄B 表B1 所示［19］。上層能源系統(tǒng)的電力、氫氣、天然氣能源商品的分時(shí)價(jià)格機(jī)制如附錄B 圖B3 所示。用戶消費(fèi)心理（對(duì)能源商品運(yùn)營商的選擇偏向和對(duì)能源商品的價(jià)格敏感度）的概率密度二維熱圖如附錄B圖B4—B6所示。

4.2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所提模型的有效性和合理性，設(shè)置如下3 種方案進(jìn)行對(duì)比分析：方案1，用戶不能進(jìn)行電力、氫氣、天然氣能源商品運(yùn)營商的選擇，傳統(tǒng)微網(wǎng)獲得用戶的全部電力、氫氣、天然氣負(fù)荷；方案2，用戶能夠?qū)﹄娏?、氫氣、天然氣能源商品的運(yùn)營商進(jìn)行選擇，使用離散吸引力模型作為用戶DR 模型；方案3，用戶能夠?qū)﹄娏Α錃?、天然氣能源商品的運(yùn)營商進(jìn)行選擇，使用基于用戶消費(fèi)心理研究用戶消費(fèi)行為的不同類型用戶響應(yīng)模型作為用戶DR模型。

1）各方受益。

3 種方案下的各方受益結(jié)果如表2 所示。由表可知：相較于方案1，雖然方案2 和方案3 的開放微網(wǎng)收益要低，但用戶用能成本也要低，且滿意度要高，這驗(yàn)證了給予用戶選擇的開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型的優(yōu)越性；方案3 優(yōu)于方案2，這驗(yàn)證了基于用戶消費(fèi)心理研究用戶消費(fèi)行為的不同類型用戶DR 模型能夠提升開放微網(wǎng)收益以及降低用戶用能成本。

表2 3種方案下的各方受益結(jié)果Table 2 Benefit results of all parties under three schemes

2）能源商品價(jià)格及市場份額。

3 種方案下開放微網(wǎng)的能源商品價(jià)格優(yōu)化結(jié)果如圖3和附錄C圖C1、C2所示。

圖3 3種方案下開放微網(wǎng)的電價(jià)優(yōu)化結(jié)果Fig.3 Optimization results of electricity price for open microgrid under three schemes

結(jié)合表2、圖3和附錄C圖C1、C2可知，方案2和方案3下的能源商品價(jià)格低于方案1，從社會(huì)效益角度而言，開放微網(wǎng)能源調(diào)度和實(shí)施DR 市場機(jī)制可顯著增強(qiáng)消費(fèi)者的能源商品消費(fèi)權(quán)力和意識(shí)。給予用戶自由選擇能源商品運(yùn)營商的權(quán)利為用戶提供了選擇，進(jìn)一步完善了市場競爭機(jī)制，且為了獲得足夠的能源商品份額，開放微網(wǎng)必須以低廉的價(jià)格贏得更大的用戶市場，這大幅降低了用戶用能成本。

3 種方案下各運(yùn)營商獲得的各能源商品份額如圖4和附錄C圖C3、C4所示。

圖4 3種方案下各運(yùn)營商獲得的電力商品份額Fig.4 Share of electricity commodities obtained by each operator under three schemes

結(jié)合圖3、4 和附錄C 圖C3、C4 可知，方案3 下開放微網(wǎng)的各能源商品價(jià)格普遍低于方案2，且方案3下開放微網(wǎng)獲得的各能源商品份額均高于方案2，這表明不同類型用戶DR 模型不僅能夠使得開放微網(wǎng)給予用戶更多的優(yōu)惠，而且能夠更精確地描述不同用戶的消費(fèi)心理以及消費(fèi)行為，提高開放微網(wǎng)從用戶市場獲得的能源商品份額。

3）方案3下的能源商品份額。

方案3 下開放微網(wǎng)從各類型用戶獲得的能源商品份額如圖5和附錄C圖C5、C6所示。

圖5 開放微網(wǎng)從各類型用戶獲得的電力商品份額Fig.5 Share of electricity commodities obtained by open microgrid from each type of users

結(jié)合圖3—5 和附錄C 圖C1—C6 可知：開放微網(wǎng)通過實(shí)時(shí)改變價(jià)格來改變從用戶市場獲得的能源商品份額，并且控制來自用戶的負(fù)荷，以配合可再生能源的波動(dòng)性、隨機(jī)性；開放微網(wǎng)主要獲得來自第Ⅰ、Ⅱ類型用戶的能源商品份額，這是由于開放微網(wǎng)的能源商品價(jià)格普遍低于上層能源系統(tǒng)的能源商品價(jià)格。

4）設(shè)備容量和功率。

3 種方案下開放微網(wǎng)的設(shè)備容量和功率優(yōu)化結(jié)果如附錄C 表C1 所示，3 種方案下可再生能源的出力曲線如附錄C圖C7所示。

結(jié)合表2 和附錄C 圖C7—C14 可知，方案1 下傳統(tǒng)微網(wǎng)主要通過儲(chǔ)存氫氣、天然氣能源商品，并將其轉(zhuǎn)換成電力商品以增加發(fā)電規(guī)模來獲得收益，而方案2 和方案3 下開放微網(wǎng)則是通過增加自身的能源轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)能設(shè)備規(guī)模來調(diào)整各設(shè)備的功率和儲(chǔ)能狀態(tài)，而非單純地增加發(fā)電規(guī)模。

5）與上層能源系統(tǒng)的交互。

根據(jù)電力、氫氣、天然氣負(fù)荷的平衡約束，可得到微網(wǎng)與上層電力系統(tǒng)、上層氫氣系統(tǒng)、上層天然氣系統(tǒng)的交互，分別如附錄C 圖C15—C17 所示。方案2 和方案3 下開放微網(wǎng)與上層能源系統(tǒng)的交互力度低于方案1 下傳統(tǒng)微網(wǎng)與上層能源系統(tǒng)的交互力度，這說明開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型能夠減少微網(wǎng)對(duì)上層能源系統(tǒng)的依賴和影響，有利于上層能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文提出一種從用戶角度出發(fā)的開放微網(wǎng)多目標(biāo)資源規(guī)劃模型，該模型提高了開放微網(wǎng)收益并降低了用戶用能成本，實(shí)現(xiàn)了雙方受益。通過算例分析可以得出如下結(jié)論。

1）本文所提開放微網(wǎng)能源調(diào)度模型和基于用戶消費(fèi)心理研究用戶消費(fèi)行為的不同類型用戶DR 模型可顯著增強(qiáng)消費(fèi)者的能源商品消費(fèi)權(quán)力和意識(shí)，打破傳統(tǒng)微網(wǎng)的商品壟斷。為獲得足夠的能源商品份額，微網(wǎng)必須以低廉的價(jià)格贏得更多的用戶市場，這大幅降低了用戶用能成本。

2）開放微網(wǎng)中通過不同類型用戶DR 模型，更精確地描述了不同用戶的消費(fèi)心理以及消費(fèi)行為，提高了開放微網(wǎng)從用戶市場獲得的能源商品份額。開放微網(wǎng)通過調(diào)整來自用戶的負(fù)荷來配合可再生能源的波動(dòng)性、隨機(jī)性。同時(shí)，開放微網(wǎng)應(yīng)把握第Ⅰ、Ⅱ類型用戶的負(fù)荷，以獲得基本利潤。

3）開放微網(wǎng)通過增加自身的能源轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)能設(shè)備規(guī)模來調(diào)整各設(shè)備的功率和儲(chǔ)能狀態(tài)，而非單純地增加其發(fā)電規(guī)模，在滿足用戶用能需求的同時(shí)，降低了與上層能源系統(tǒng)的交互力度，有利于上層能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

需要指出的是，本文未考慮多微網(wǎng)，如何綜合考慮多微網(wǎng)帶來的影響，將是下一步的研究重點(diǎn)。

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