智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)研究綜述模型與優(yōu)化方法

《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)》2012年第25卷第2 ReviewonRealtimePricingforSmartGrid:ModelsandOptimization佳 溫書 梁天 （浙江理工大學(xué)信息電子學(xué)院，浙江在智能電網(wǎng)中，實(shí)時(shí)電價(jià)（realtimepricing，RTP）是解決智能電網(wǎng)供需平衡的理想需求響應(yīng)機(jī)制，具有節(jié)能環(huán)保、保障用戶和電能提供者最大化效益等方面的優(yōu)勢(shì)。在分析實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制優(yōu)化模型國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，總結(jié)出了實(shí)時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型：從用戶的總需求量水平出發(fā)建立優(yōu)化模型。相應(yīng)地，總結(jié)了解決這一模型的優(yōu)化方法：對(duì)偶法、內(nèi)點(diǎn)法、分布式迭代法（分步式法）以及博弈論等優(yōu)化求解方法。最后，展望了智能電網(wǎng)中實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制的進(jìn)一步研究方向。：智能電網(wǎng)，實(shí)時(shí)電價(jià)，需求響應(yīng)，優(yōu)化模型，優(yōu)化方法InSmartGrid,realtimepricingschemeisanidealdemandresponsemechanismtosolvethesupplyanddemandbalance,whichhasadvantagesinenergysavingandenvironmentalprotectionandumbenefitguaranteeforusersnismontheoptimizationmodelsandtheoptimizationmethods,onekindofmodelissummarized:anoptimizationmodelfromsmartgridisalsodiscussedinthispaper．:smartgrid,realtimepricing,demandresponse,optimizationmodels,optimization智能電網(wǎng)（SmartGrid）是將所有用戶的行為集中起來(lái)，利用先進(jìn)的、控制技術(shù)和通信技術(shù)來(lái)節(jié)省能量，降低成本及增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和。它具有可靠、優(yōu)質(zhì)、高效、兼容、互動(dòng)等特點(diǎn)，是現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展方向。在智能電網(wǎng)中基于價(jià)格的需求響應(yīng)就是通過(guò)市場(chǎng)的價(jià)格來(lái)影響需求的時(shí)間和水平目前有三種形式的價(jià)格機(jī)制：分時(shí)電價(jià)（TOU）機(jī)制、關(guān)鍵峰荷電價(jià)(CPP)機(jī)制和實(shí)時(shí)電價(jià)（RTP）機(jī)制與分時(shí)電價(jià)機(jī)制和關(guān)鍵峰荷電價(jià)機(jī)制不同，實(shí)時(shí)電價(jià)不是提前設(shè)定的，而是每天持續(xù)波動(dòng)的，直接反應(yīng)了批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格與日前或?qū)崟r(shí)市場(chǎng)購(gòu)電成本的關(guān)系，是一種理想的定價(jià)機(jī)制，它可以鼓勵(lì)用戶更明智更有效地消費(fèi)因此，實(shí)時(shí)定價(jià)機(jī)制成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制研究的文獻(xiàn)：文獻(xiàn)［5］以用戶購(gòu)電效用最大為目標(biāo)建立了實(shí)時(shí)電價(jià)下不同風(fēng)險(xiǎn)喜好的用戶購(gòu)電風(fēng)險(xiǎn)決策模型；文獻(xiàn)［6］以供購(gòu)售電效用最大為目標(biāo)，在實(shí)時(shí)電價(jià)下建立了不同喜好供的最優(yōu)購(gòu)電組合決策模型；文獻(xiàn)［7］分析了電力市場(chǎng)中實(shí)時(shí)電價(jià)用戶比例增加對(duì)電力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效率的影響，建立了以社會(huì)福利最大為目標(biāo)的優(yōu)化模型文獻(xiàn)［8］中用戶通過(guò)實(shí)時(shí)電價(jià)信息來(lái)調(diào)整他的能耗水平，以用戶的效用最大為目標(biāo)建立優(yōu)化模型，并給出了分布式求解方法；文獻(xiàn)［9］建立了能耗調(diào)度模型，以系統(tǒng)所有用戶的總效用最大為目標(biāo)，給出了分布式算法，這個(gè)算法以公平有效的方式為每個(gè)用戶尋找一個(gè)最優(yōu)的能耗水平；文獻(xiàn)［10］基于能耗調(diào)度模型，建立以供的生產(chǎn)成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，利用博弈方法以達(dá)到減少總

本文在分析實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了實(shí)時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型從用戶的總需求量水平出發(fā)來(lái)建立優(yōu)化模型，并展望了智能電網(wǎng)中實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制的發(fā)展方向。從用戶的總能耗水平出發(fā)的優(yōu)化模型考慮一個(gè)離散時(shí)隙系統(tǒng)，其中有N個(gè)用戶共些能量資源，這些能源由一個(gè)供供應(yīng)，在時(shí)隙t內(nèi)，用戶n都有一個(gè)txn，假設(shè)這個(gè)變量是連續(xù)的（如果每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度是一小t時(shí)，xn表示用戶n在第t小時(shí)內(nèi)的能耗）圖 有N個(gè)用戶的簡(jiǎn)單智能電網(wǎng)系電價(jià)的基本形式在實(shí)時(shí)電價(jià)環(huán)境中，電價(jià)一般是電網(wǎng)中總需求量的函數(shù)因此，定義每個(gè)時(shí)隙中單位能量的價(jià)格為pt。其基本形式有兩種能量成本和峰平比的目的；文獻(xiàn)［11］提出了一種自治住宅能耗調(diào)

1）

xt 度框架，建立用戶在所付電費(fèi)最小和操作用電器的等待時(shí)間最 之間取得折中的模型。文獻(xiàn)［12］為智能電網(wǎng)中的需求響應(yīng)和用戶pfΣn＝

N Σx Nf（Σx）s（n＝1N

適應(yīng)提出了一種分布式框架，建立了借用網(wǎng)絡(luò)擁塞價(jià)格的概念 n＝1 智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)研究綜述：模型與優(yōu)化方法se是常數(shù)，Q是市場(chǎng)的容量2）用日乘子λ直接反應(yīng)實(shí)時(shí)電價(jià)

（2）典型的求解方法式（8）是一個(gè)凸問(wèn)題，可用集中式算法求解。由于約束條件效用函數(shù)的基本形 使得 和效用函數(shù)U(·)

對(duì)偶分解法。對(duì)于原問(wèn)題（8），它的對(duì)偶問(wèn)題是：t 典型的對(duì)數(shù)效用函數(shù)形式 U（xn）ωn 其中ωn是一個(gè)參數(shù)，在不同的式子中有不同的意義（如

t t （U（xn，ωn）λxn）＋λLCt（L 獻(xiàn)［14］中，ωn表示用戶n購(gòu)電的意愿。二次效用函數(shù)式子中表示用戶的能耗水平，ω是一個(gè)參數(shù)，在不同的用戶之間和不同的時(shí)隙中是變化的。函數(shù)U（x，ω），除了變量x

其中λt是日乘子，也即時(shí)隙t內(nèi)的電價(jià)。如果每個(gè) 戶都有最小能耗mn和最大能耗Mnmn≤xn≤M。定義：tmin ttmax Σm ΣM，即 凹、非減的性質(zhì)之外，對(duì)于ω，還要滿足另外兩個(gè)條件：

n∈N

n∈N鄣鄣U（x，ω）＞0鄣

（0，ω）0，坌ω＞0

上式可進(jìn)一步化簡(jiǎn)為： t 形式為 D（λ Γ（x，L，λ）

Bn（λ）＋Sn（λ ，ωxθx2if ，

其中： tU（x，ω≤θ，ifx＞

m≤x t 其中θ是提前確定的 Sn（λ λLCtL≤L

對(duì)偶問(wèn)題就是：在電網(wǎng)電價(jià)的優(yōu)化模型中，成本函數(shù)最常用的形式是二次函數(shù)形式，即：

minλ

（λ C（L）al（L）2＋blL N> >al＞0bl，cl≥0L＝xnn具體的優(yōu)化模型僅考慮需求端的模型，反應(yīng)了需求端的利益；同時(shí)考慮需求端和供電端的模型，優(yōu)化模型既考慮了需求端的效益又考慮了供應(yīng)端的效益，這樣達(dá)到了雙方的共贏：需求端和供電端的效益都達(dá)到最大，同時(shí)還可以進(jìn)行聯(lián)動(dòng)管理。僅考慮需求端用戶的效益優(yōu)化模型以用戶的凈為目標(biāo)，即 t

通過(guò)次梯度法，對(duì)λt不斷地更新迭代，最終在時(shí)隙t一個(gè)最優(yōu)的價(jià)格，進(jìn)而得到最優(yōu)的需求量和生產(chǎn)量使得目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最優(yōu)。本文基于價(jià)格的需求響應(yīng)，總結(jié)了智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的優(yōu)化模型和優(yōu)化方法以及兩大類優(yōu)化模型優(yōu)化模型Ⅰ從用戶的總能耗水平建模及優(yōu)化模型Ⅱ從用戶的用電器能耗水平建模。又分別從需求端和供電端的效益出發(fā)，介紹了這兩類優(yōu)化模型中的四種模型的目標(biāo)函數(shù)、約束條件及求解方法。［1］XIEZ，MANIMARANG，VITTALV，PHADKEAG，etal．AnmaxUn（xn）xn也即用戶n的效用函數(shù)減去所付電費(fèi)的值最大（2）

formationarchitectureforfuturepowersystemsanditsreliabilityysis[J]．IEEETransactiononPowerSystem，(3)：857在文獻(xiàn)［14］，引入了擁塞價(jià)格機(jī)制，根據(jù)這個(gè)機(jī)制可得如下需求量的更新： xn（k＋1）xn（k）＋αn（ωnxn（k）p k為迭代次數(shù)，αn可以控制算法的收斂速度，用戶n通過(guò)價(jià)格信息（pt）和意愿參數(shù)（ω）調(diào)整自己的需求量xt

［2］，容，．需求側(cè)響應(yīng)在電力批發(fā)市場(chǎng)中的應(yīng)用［J］．電力需求側(cè)管理，2009，11（1）：1316［3］BORENSTEINS．Thelongrunef芽ciencyofrealtimetricitypricing[J]．EnergyJournal，2005，26(3)：93［4］HOLLANDSP，MANSURET．Theshortruneffectsoftimevaryingpricesompetitiveelectricitymarkets[J]．Energy Journal，2006，27(4)：127同時(shí)考慮需求端和供電端的優(yōu)化模型（1）

［5］，，王秀麗，等．需求側(cè)實(shí)時(shí)電價(jià)下用戶購(gòu)電風(fēng)險(xiǎn)決,［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（13）：16,N

，．需求側(cè)實(shí)時(shí)電價(jià)下供購(gòu)售電風(fēng)險(xiǎn)決此優(yōu)化問(wèn)題是：在滿足時(shí)隙t內(nèi)用戶的總需求量Σxt

［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（3）：22n1 智， ，等．實(shí)時(shí)電價(jià)用戶比例增加對(duì)電力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)于供在這個(gè)時(shí)隙的生產(chǎn)量Lt的約束下，同時(shí)使用戶的效用和供的效益最大。如下式所示

率的影響［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（6）：82［8］CONEJOAJ，MORALESJM，BaringoL．Realtimeresponsemodel[J]．IEEETransactionsonSmart

> >U（xn，ωn）Ct（L） )：236242［9PAR,·Os．t．Σxn＝

（下轉(zhuǎn)第90頁(yè) 自動(dòng)化生產(chǎn)線故障快速定位與排除軟件的開發(fā)界面，五個(gè)單元的組態(tài)畫面如圖2所示圖2組態(tài)畫3）各個(gè)單元的組態(tài)界面建立完成后，返回到工覽器，并在數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)詞典中，建立相應(yīng)的組變量，變量設(shè)置時(shí)應(yīng)注意考慮變量類型、變量范圍；連接設(shè)備、寄存器、數(shù)據(jù)類型、讀寫屬性和頻率的參數(shù)設(shè)置問(wèn)題，如圖3所示。3數(shù)據(jù)庫(kù)變量設(shè)置4）數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量全部建立完成后返回到畫面開發(fā)系統(tǒng)中，將建立的組變量與畫面中的圖形元素做一一對(duì)應(yīng)，變量對(duì)應(yīng)時(shí)應(yīng)考慮圖形的大小、方式、變量范圍、隱含屬性和填充屬性等問(wèn)題，變量對(duì)應(yīng)與動(dòng)畫連接設(shè)置情況，如圖4所示。聯(lián)機(jī)調(diào)試與穩(wěn)定性能測(cè)試自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備PLC程序設(shè)計(jì)和組態(tài)界面設(shè)計(jì)完成后，要進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試和穩(wěn)定性能測(cè)試，應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面：在進(jìn)行故障診斷時(shí)，一般先判斷軟硬件故障，是程序問(wèn)題還是硬件問(wèn)題，再判斷是哪個(gè)單元出現(xiàn)的問(wèn)題，再具體到某一個(gè)地址，某一個(gè)設(shè)備上等等；組態(tài)界面的反應(yīng)速度一般要比實(shí)際設(shè)備速度慢，怎盡量做到減小這種滯后現(xiàn)象，可以考慮從通訊協(xié)議、波特率和組態(tài)軟件運(yùn)行參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行改進(jìn)；

4變量對(duì)應(yīng)與動(dòng)畫連接設(shè)置當(dāng)組態(tài)界面彈出故障窗口時(shí)，應(yīng)在第一時(shí)間顯示故障現(xiàn)象、故障代碼、以及可能導(dǎo)致本故障的，但此時(shí)應(yīng)注意區(qū)別是真正故障還是由于缺料、卡住、氣壓不足等干擾因素導(dǎo)致的誤動(dòng)作提示；當(dāng)組態(tài)界面彈出故障窗口時(shí)，若是由于某些小的故障導(dǎo)致設(shè)備整體停機(jī)，比如某個(gè)傳感器損壞，可以通過(guò)延時(shí)檢測(cè)后，傳感器跳過(guò)的方式，及時(shí)進(jìn)入自動(dòng)恢復(fù)程序。3利用PLC技術(shù)和組態(tài)軟件結(jié)合開發(fā)而成的自動(dòng)化生產(chǎn)線故障快速定位與排除軟件系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行情況，并能夠根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)線上突發(fā)的故障進(jìn)行快速定位與診斷，也能對(duì)某些故障進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)。降低了自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備的故障率，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠，穩(wěn)定性好，具有較好的推廣價(jià)值。［1］亞控．組6．53培訓(xùn)［K］．：亞控科技發(fā)展有限［2］西門子．S7200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè) ［3］．柔性軟件自動(dòng)化生產(chǎn)線研究［D］．：浙江大學(xué)［4］．基于PLC的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］．曲阜：曲阜師范大學(xué)，2010［5］吳軍民．基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC控制生產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)［J］．機(jī)床與［6］婁建樓，張，．基于PLC與組態(tài)軟件的熱電廠循環(huán)水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2009（12）［收稿日期（上接第88頁(yè)smartgrid[C]／／2010firstIEEEInternationalConferenceon415［10］MOHSENIANRADAH，WONGVWS，JATSKEVICHSCHOBERR．Optimalandautonomousentivebasedenergyconsumptionschedulingalgorithmforsmartgrid[C]／／InnovationSmartGrid，January19 GaithersburgmMD：16［11］MOHSENIANRADAH，LEONTARCIAA．Optimalresidentialloadcontrolwithpricepredictioninrealtimeelectricity

1(2)：120133［12］ZhongFan．Distributeddemandresponseanduseradaptationinsmartgrids．http:／／adsabs．harvard．edu／abs／2010arX［13］KELLYF,MAULLOOA,TanV．Ratecontrolforcommuni works：shadowpr