基于SGM的用電需求自動響應方法仿真

高余奇，楊太華

(上海電力大學，上海 200000)

1 引言

電力是推動國民經(jīng)濟增長的關鍵因素之一。然而隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源危機日漸嚴重。用電需求呈現(xiàn)出季節(jié)性與時段短缺趨勢，一些地區(qū)不得不通過拉閘限電方式調(diào)節(jié)用電量，這樣會對社會生產(chǎn)與人們的生活造成不便。但是，若通過擴大發(fā)電機容量的方式來滿足高峰時段用電需求，則會增加發(fā)電成本，為電力企業(yè)與用戶帶來負擔，在用電低谷時間段內(nèi)也會出現(xiàn)資源浪費現(xiàn)象，且電力供需矛盾也會嚴重危害到電網(wǎng)的安全運行。

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也會出現(xiàn)負載控制問題。在智能電網(wǎng)中應用通信技術，用戶信息可隨時反饋到供電端，因此促進了需求響應(Demand Response，DR)的誕生。需求響應就是在不同時期電力價格與激勵政策影響下，用戶的日常用電模式發(fā)生變化，即為在電力價格高漲或電網(wǎng)運行可靠性受到威脅時，通過積極響應電網(wǎng)指令、改變用電時間來獲得利益。通過需求響應，不但可以達到供需平衡目的，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。

目前關于用電需求響應的研究較多，例如孫毅[1]等人將深度強化學習應用到需求響應過程中，在梳理深化學習發(fā)展歷程與現(xiàn)狀的基礎上，對其在需求響應中的可行性與方式進行探究，構建業(yè)務開展架構，同時對深度強化學習流程做深入分析。郝然[2]等人在考慮全局不等約束基礎上對需求響應進行優(yōu)化，建立多代理需求響應架構，利用數(shù)據(jù)驅動的彈性特征提取方法，對目標函數(shù)中全局變量與全局不等進行約束，并對于分層優(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將電力負載降到理想值，但是沒有全面考慮用戶需求，大多站在企業(yè)角度實現(xiàn)需求響應。此外，其需求響應缺少一種科學的控制方式，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博弈基礎上，設計一種用電需求自動響應方法。Stackelberg博弈是一種動態(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對消費者決策產(chǎn)生一定影響，促進消費者不斷優(yōu)化用電行為；同時消費者行為也會為供電方提供決策依據(jù)。在多次決策過程中，電力的供需雙方實現(xiàn)動態(tài)平衡，如果其中一方任意更改策略，只會造成自身損失，不會對博弈均衡產(chǎn)生影響。通過構建博弈模型確定目標函數(shù)，設計需求響應整體業(yè)務流程，使其滿足自動響應要求。

2 電網(wǎng)需求響應的參與方及系統(tǒng)架構

2.1 主要參與方分析

需求響應中包括許多參與方，具體如下：

1)電力企業(yè)：是需求響應的發(fā)起者，也是政策激勵的提供方。企業(yè)需制定有關項目，同時負責落實與跟蹤管理。

2)電力用戶：是需求響應實現(xiàn)的最直接目標，在有關價格、政策下使原有的消費模式發(fā)生改變。

3)監(jiān)督部門：是需求響應方法順利進行的關鍵，主要工作是對用電價格、激勵政策進行改進與監(jiān)管，將有關措施歸入法規(guī)[3]。

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

5)非參與用戶：其不能直接參加需求響應活動，但是其利益會受到影響，例如電價分攤以及其它電價活動，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：評估需求響應策略實施對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，確保通過需求響應實現(xiàn)節(jié)能減排[5]。

2.2 需求響應系統(tǒng)架構

通常使用無線傳感器等通信方式構建需求響應系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)用電數(shù)據(jù)獲取、智能家居調(diào)控、響應結構反饋等功能。需求響應系統(tǒng)的邏輯架構如圖1所示。

圖1 需求響應系統(tǒng)整體架構圖

1)感知層：由海量細小節(jié)點構成，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)點一般布置在監(jiān)測區(qū)，收集指定參數(shù)，同時將信息傳輸?shù)娇偣?jié)點。

2)網(wǎng)絡層：負責將采集的用電信息發(fā)送至應用層。針對需求響應系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡層可以為通信提供信道基礎，主要包括：為家庭中不同終端和控制器的連接提供信道，并構建區(qū)域傳感網(wǎng)絡；為控制器和響應終端提供信道。

3)應用層：該層是需求響應實現(xiàn)的平臺，結合家庭用電數(shù)據(jù)與電網(wǎng)價格，定義需求響應方案，利用控制器進行決策，同時根據(jù)用戶行為分析需求響應效果。

3 基于Stackelberg博弈的用電需求自動響應

3.1 Stackelberg博弈模型構建

3.1.1 供應商層

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

(1)

(2)

3.1.2 用戶層

用戶層包括電費與用電滿意度，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)

在此基礎上，分析不同的電力負載：

1)能夠轉移的負載。如果電器a是能夠移動負載[9]，其符合如下限制條件

(5)

(6)

2)可削減負載。假設電器a屬于可消減負載，將一階放射微分方程當作限制條件

(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，將以上模型進行綜合處理，獲得體現(xiàn)雙方利益的目標函數(shù)

(8)

(9)

用電需求量與電價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代表供應商電價方式結合，X表示用戶用電量方式集合。

(15)

(16)

(17)

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

3.2 自動需求響應業(yè)務流程設計

基于需求響應系統(tǒng)架構，引入上述構建的目標函數(shù)，在智能電網(wǎng)環(huán)境下，設計自動需求響應的業(yè)務流程。該流程的主要特點為標準化交互[10]、智能化決策以及自動化執(zhí)行，具體過程如圖2所示。

1)標準交互。電力供需雙方的有效交互是自動需求響應的基礎與前提。綜合分析不同供應商之間技術策略的不同，實現(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，體現(xiàn)在響應事件規(guī)劃；在用戶側，則體現(xiàn)在當系統(tǒng)側傳輸信息后，結合用戶資源負載狀況，完成用戶的智能決策，提高需求響應的科學性。

3)自動執(zhí)行。自動執(zhí)行屬于需求響應的最直觀特性，通常體現(xiàn)在用戶側。在接收用戶的響應信號后，會自動生成響應方案，完成響應自動執(zhí)行，無需人工參與。

根據(jù)上述業(yè)務流程，即可實現(xiàn)自動需求響應，從而完成了對基于博弈模型的需求響應方法的設計。

圖2 需求響應業(yè)務過程

4 仿真分析與研究

為驗證基于Stackelberg博弈的用電需求自動響應方法的有效性，設計如下仿真。仿真主要是在智能電網(wǎng)環(huán)境下對需求響應效果進行評價。從不同參與方角度分析在應用本文方法后，不同電力參與方獲得的效益。

通過日負荷平均算法，獲取家庭用戶在參與需求響應和為參加情況下，不同時段用戶負載情況

(18)

利用上述公式計算的某家庭在應用和未應用需求響應情況下的日負載曲線，結果如圖3所示。分析圖3可知，應用本文設計的需求響應方法后，用戶用電負載量在高峰時期明顯比未應用的用戶要低。這是因為供應商通過價格調(diào)控等手段，避免用戶在相同時間段內(nèi)一同用電。例如在家庭用電中，電動汽車充電屬于高負載項目，沒參加需求響應的用戶通常在19點～21點之間為車輛充電，而參加需求響應的用戶將充電時間更改為22～24點之間。這樣在不影響用戶使用情況下，錯開用電高峰，達到削峰填谷的作用。

圖3 不同情況下用戶日負載曲線

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

圖4 企業(yè)用電負載圖

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

在此基礎上，對需求響應前后大用戶用電總金額進行對比，其結果如圖5所示。通過圖5能夠看出，在執(zhí)行需求響應后，購電價格降低，總體成交金額有所下滑，購電成本減少。但是市場中會引入獎懲機制，因為將成平衡，所以不會危害到電力企業(yè)利益。

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

圖5 用電交易總額圖

5 結語

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

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