智能電網(wǎng)需求響應(yīng)管理中的頻譜感知技術(shù)

吳 優(yōu)，陳釗淵，曾智翔，張駿飛

(海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息通信分公司，?？?570203)

0 引言

電力需求的大幅增加和通信設(shè)施的不斷老化，使得傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)面臨能源浪費(fèi)、環(huán)境污染、穩(wěn)定性差等一系列問題。智能電網(wǎng)作為下一代電網(wǎng)采用了大量的先進(jìn)信息和通信技術(shù)，如認(rèn)知無線電技術(shù)(cognitive radio，CR)、動態(tài)定價(jià)策略等，可有效解決頻譜資源緊張、電力分配效率低下、電價(jià)策略不合理等問題[1]。需求響應(yīng)管理(demand response management，DRM)作為智能電網(wǎng)的核心技術(shù)[2]，采用價(jià)格需求響應(yīng)方式和激勵(lì)需求響應(yīng)方式，實(shí)現(xiàn)尖峰電價(jià)、尖峰折扣、分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)的控制和市場激勵(lì)、計(jì)劃激勵(lì)以降低用電成本，提高用電效益[3]。實(shí)時(shí)電價(jià)(real-time pricing，PTR)被認(rèn)為是最有效的負(fù)載轉(zhuǎn)移技術(shù)，被廣泛用于智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)管理中[4]。

頻譜感知開銷和系統(tǒng)控制性能的權(quán)衡是需求響應(yīng)管理面臨的難題[5]。文獻(xiàn)[4]提出了一種用于智能電網(wǎng)中的頻譜感知控制的多目標(biāo)方法，在最大化電力供應(yīng)商和用戶的綜合利益的同時(shí)，最大限度地降低認(rèn)知無線電系統(tǒng)的成本，但需大量迭代計(jì)算確定最優(yōu)的感知時(shí)間。文獻(xiàn)[6]研究了智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)中的頻譜感知技術(shù)，提出頻譜感知技術(shù)可以有效減少系統(tǒng)中斷率、提高電力網(wǎng)絡(luò)效益，但忽略了頻譜感知帶來的系統(tǒng)開銷。文獻(xiàn)[7]提出頻譜感知與需求響應(yīng)管理控制性能的權(quán)衡問題，以檢測概率為約束條件建立全局最優(yōu)化問題，在保證最低檢測概率的同時(shí)盡可能提高電力用戶和供應(yīng)者的效益。與上述文獻(xiàn)不同，本文在考慮系統(tǒng)開銷、虛警概率、檢測概率等指標(biāo)的前提下，以主用戶允許的最大干擾概率值為約束，提出一種基于實(shí)時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)管理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)的供需平衡和電網(wǎng)社會效益的最大化。

1 需求響應(yīng)管理模型

設(shè)某智能電網(wǎng)具有一個(gè)電力供應(yīng)者、N個(gè)電力消費(fèi)者和一個(gè)控制單元；同時(shí)，設(shè)電力供應(yīng)量為s，電力需求量為di(i=1,2，…,N)，每個(gè)電力消費(fèi)者的電力需求量取決于電價(jià)和消費(fèi)者類型。不失一般性，假設(shè)電力供應(yīng)者的成本C(s)=as2+bs+c是一個(gè)遞增的凸函數(shù)，其中a,b,c均為常量。電力供應(yīng)者的效益函數(shù)為φ(s)=ps-C(s)，其中p為電價(jià)。電力供應(yīng)者的目標(biāo)是根據(jù)電價(jià)的變化實(shí)時(shí)調(diào)整供應(yīng)量實(shí)現(xiàn)自身效益最大化，即

(1)

對于每一個(gè)電力消費(fèi)者i，效用函數(shù)G(di)是電力消費(fèi)者在電力需求量為di時(shí)獲得的用電滿意度。G(di)是一個(gè)非遞減的凹函數(shù)[6]，可表示為

(2)

式中：wi為表征用戶行為的無單位變量，不同時(shí)間段、不同用戶的用戶行為可能不同；α為系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)，其值越大表明到達(dá)飽和點(diǎn)所需的功率消耗越低[6]。電力消費(fèi)者的效益函數(shù)為ψ(di)=G(di,wi)-pdi，其目標(biāo)是根據(jù)電價(jià)的變化調(diào)整需求量，實(shí)現(xiàn)自身效益最大化，即

(3)

智能電網(wǎng)需求響應(yīng)管理的核心目標(biāo)是根據(jù)電價(jià)調(diào)整電力供應(yīng)量與需求量以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)社會效益最大化。社會效益是需求響應(yīng)管理控制性能的評價(jià)指標(biāo)，在滿足電力供應(yīng)量和電力需求量的限制條件下，智能電網(wǎng)需求響應(yīng)管理的全局優(yōu)化問題為[8]

(4)

式(4)可用凸優(yōu)化理論實(shí)現(xiàn)求解的前提是，控制單元必須提前知道電力供應(yīng)者的成本函數(shù)和電力消費(fèi)者的效用函數(shù)，這些信息對于電力供應(yīng)者和消費(fèi)者均是私有的，信息獲取是控制單元難以解決的問題[9]。文獻(xiàn)[10]提出了一種分布式迭代算法可有效逼近式(4)的最優(yōu)解，無需電力供應(yīng)者和消費(fèi)者的私有信息，其具體步驟如下：

1)控制單元將初始電價(jià)p1≥0播報(bào)給電力供應(yīng)者和每一個(gè)電力消費(fèi)者；

4)重復(fù)2)、3)直至電價(jià)不再改變。

2 基于頻譜感知的需求響應(yīng)管理技術(shù)

2.1 認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)

頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對周圍電磁環(huán)境的智能感知，監(jiān)測頻譜使用狀況，實(shí)現(xiàn)空閑頻譜的搜索[11]。將認(rèn)知無線電技術(shù)引入電力需求響應(yīng)管理中，以緩解通信需求增加、頻譜利用率低引起的頻譜資源緊缺問題。頻譜感知技術(shù)檢測到的空閑頻譜可用于電力消費(fèi)者和控制單元的雙向數(shù)據(jù)傳輸，提高通信質(zhì)量和頻譜利用率。

假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸可由兩個(gè)不同的信道完成，一個(gè)信道是非授權(quán)信道，記作Ch1，另一個(gè)信道是授權(quán)信道，記作Ch2。授權(quán)用戶隨機(jī)地占用Ch2，即電力消費(fèi)者的智能電表可機(jī)會式地接入該頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與文獻(xiàn)[12]一致，分別用H0或H1表示信道Ch2空閑和忙碌的情況，同時(shí)，定義信道Ch2空閑和忙碌的概率分別為P0和P1，顯然P0+P1=1。

常見的頻譜感知算法有循環(huán)平穩(wěn)特征檢測、匹配濾波器檢測和能量檢測[13]。能量檢測算法憑借其無需任何先驗(yàn)信息、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，在頻譜感知技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。假設(shè)各個(gè)電力消費(fèi)者的智能電表均配備有能量檢測器，且均以采樣頻率fs實(shí)現(xiàn)對信號的采樣，采樣點(diǎn)數(shù)均為N，則感知時(shí)間滿足τ=N/fs。在智能電表傳輸數(shù)據(jù)之前，利用特定的時(shí)隙以λ為判決門限實(shí)現(xiàn)對頻譜占用狀態(tài)的感知，選擇合適的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。頻譜感知性能的衡量指標(biāo)主要有檢測概率Pd和虛警概率Pf：Pd為頻譜被占用時(shí)的正確檢測概率，Pf為頻譜空閑時(shí)檢測結(jié)果為頻譜被占用的概率，兩者的表達(dá)式為

(5)

(6)

需求響應(yīng)管理的本質(zhì)是根據(jù)電價(jià)的實(shí)時(shí)變化調(diào)整電力供應(yīng)量、需求量，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置以使社會效益最大化。同時(shí)，控制單元將收集電力供求信息作為電價(jià)更新的依據(jù)。通信性能的好壞將直接影響需求響應(yīng)管理的控制性能。設(shè)Ch1與Ch2的中斷率分別為ζ1和ζ2，且ζ1>ζ2。當(dāng)系統(tǒng)在特定的感知時(shí)隙內(nèi)檢測到Ch2空閑，則將信道切換至Ch2，以更低的中斷率實(shí)現(xiàn)電力消費(fèi)者和控制單元的雙向通信；若檢測到Ch2被授權(quán)用戶占用，則在Ch1上完成數(shù)據(jù)傳輸。用Psw表示Ch1切換至Ch2的概率，則有

Psw=P0(1-Pf)+P1(1-Pd)=

1-P0Pf-P1Pd

(7)

相應(yīng)地，系統(tǒng)內(nèi)電力消費(fèi)者的平均中斷率ζ可表示為

ζ=(1-Psw)ζ1+Pswζ2<ζ1

(8)

由ζ-ζ1=(1-Psw)ζ1+Pswζ2-ζ1=Psw(ζ2-ζ1)且切換概率Psw≥0，不難得知ζ<ζ1，即頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用可有效降低系統(tǒng)中斷率。

在需求響應(yīng)管理中存在大量的數(shù)據(jù)交互過程。無線通信的不可靠性(如丟包、時(shí)延等)可能會導(dǎo)致電力消費(fèi)者與控制單元的雙向通信出現(xiàn)中斷[14]?？紤]系統(tǒng)中斷率后的電價(jià)迭代表達(dá)式為

pk+1=

(9)

2.2 需求響應(yīng)管理性能權(quán)衡問題

認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的運(yùn)用可以降低中斷率，提高通信性能，但也會為系統(tǒng)帶來額外的開銷。對于需求響應(yīng)管理中的頻譜感知問題，以對授權(quán)用戶的干擾概率PI、頻譜損失率PL作為主要衡量指標(biāo)，則有

PI=P1(1-Pd)

(10)

PL=P0Pf

(11)

增大采樣點(diǎn)數(shù)N可以提高檢測概率，減少對授權(quán)用戶的干擾，但是N值過大會增大處理時(shí)延和系統(tǒng)開銷。設(shè)置恰當(dāng)?shù)腘值，在保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的同時(shí)，減小系統(tǒng)開銷是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵問題。因此，需求響應(yīng)管理的全局最優(yōu)問題可以被描述為

(12)

PI≤η

式中η為需求響應(yīng)管理系統(tǒng)中授權(quán)用戶所能承受的最大干擾率。系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)是在盡可能減小對授權(quán)用戶干擾、提高頻譜利用率、改善通信性能的同時(shí)，盡可能提高智能電網(wǎng)的社會效益。

3 仿真分析

圖1為切換概率Psw和中斷概率與感知時(shí)間τ的關(guān)系曲線。從圖中不難看出，隨著感知時(shí)間的增加，信道切換概率，即Ch1切換至Ch2的概率也越來越高，這也意味著頻譜利用率的提高和通信性能的改善。但當(dāng)感知時(shí)間足夠長時(shí)，切換概率的增長也越來越緩慢并逐漸趨于平穩(wěn)，此時(shí)感知時(shí)間已不再是限制切換概率的因素。感知時(shí)間的增加會帶來系統(tǒng)處理時(shí)延的增加，也會增大系統(tǒng)要處理的樣本數(shù)、增加系統(tǒng)開銷，因此合理設(shè)置感知時(shí)間對于系統(tǒng)整體性能至關(guān)重要。而隨著感知時(shí)間的增大，系統(tǒng)通信的中斷概率會逐漸降低。但與切換概率類似，感知時(shí)間足夠大時(shí)，即使再加大頻譜感知時(shí)間，也無法降低中斷概率、提高通信性能。

圖2為在系統(tǒng)對授權(quán)用戶的干擾率滿足PI=η時(shí)，頻譜損失率與感知時(shí)間的關(guān)系曲線。顯然，隨著感知時(shí)間的增加，頻譜損失率大幅降低。當(dāng)感知時(shí)間足夠大時(shí)，頻譜損失率甚至可以達(dá)到0，可見增加感知時(shí)長可進(jìn)一步提高頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)頻譜使用的最大效率。

圖3為不同中斷率下電力供應(yīng)量、電力需求量及電價(jià)的變化曲線,圖4為不同中斷率下電力供應(yīng)者、消費(fèi)者效益及社會效益變化曲線。從圖3可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中斷率為0時(shí)，電力需求量和供應(yīng)量相等，電價(jià)具有最大值，即完美通信下的需求響應(yīng)管理可以實(shí)現(xiàn)供需平衡，避免電力資源的浪費(fèi)。隨著中斷率的增加，電力需求量不斷增加，電價(jià)和電力供應(yīng)量卻不斷減小，且電力需求量和電力供應(yīng)量之差越來越大，即電力資源供求關(guān)系越發(fā)不平衡。從圖4可知，中斷率的增大在提高電力消費(fèi)者效益的同時(shí)，將會導(dǎo)致電力供應(yīng)者效益和社會效益的下降。中斷率直接影響需求響應(yīng)系統(tǒng)控制性能。因此，在保證系統(tǒng)開銷、系統(tǒng)時(shí)延的同時(shí)，盡可能改善通信性能、優(yōu)化電力資源配置是需求響應(yīng)管理系統(tǒng)的核心問題。

圖5為不同感知時(shí)間下電力供應(yīng)量、電力需求量及電價(jià)的變化曲線，圖6為不同中斷率下電力供應(yīng)者效益、消費(fèi)者效益及社會效益變化曲線?？梢钥闯?，隨著感知時(shí)間的增加，電價(jià)緩慢增加，電力供應(yīng)量和電力需求量之差在逐漸減小，社會效益也隨之增加，這意味著需求響應(yīng)管理性能的提高。

通過仿真分析系統(tǒng)中斷率、頻譜感知時(shí)間對需求響應(yīng)管理性能的影響，可知頻譜感知時(shí)間將直接影響系統(tǒng)的切換概率、中斷率、頻譜損失率、對授權(quán)用戶造成干擾的概率、電力供應(yīng)者和消費(fèi)者效益及社會效益?？梢姡O(shè)置合理的頻譜感知時(shí)間對于需求響應(yīng)管理的控制性能具有重要意義。

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)是下一代新型電力綜合網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，引入認(rèn)知無線電、需求響應(yīng)管理等新型技術(shù)會使得電力網(wǎng)絡(luò)具有安全、靈活、雙向互動性、穩(wěn)定等特點(diǎn)，其理論研究一直備受社會各界關(guān)注。智能電網(wǎng)的建設(shè)，對于電力系統(tǒng)各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)飛速發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。本文研究了頻譜感知技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，分析了基于實(shí)時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)管理技術(shù)，并分析了頻譜感知性能對需求響應(yīng)管理性能的影響。MATLAB仿真結(jié)果表明，在電力需求響應(yīng)管理系統(tǒng)中運(yùn)用頻譜感知技術(shù)可有效減少中斷率，提高通信性能，相對穩(wěn)定電價(jià)，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)可優(yōu)化系統(tǒng)整體控制性能。本文所提方案實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算量小，具有工程價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。