智能電網(wǎng)實時電價研究綜述模型與優(yōu)化方法

《工業(yè)控制計算機(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，實時電價（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。在分析實時電價機(jī)制優(yōu)化模型國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，總結(jié)出了實時電價優(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：對偶法、內(nèi)點法、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)中實時電價機(jī)制的進(jìn)一步研究方向。：智能電網(wǎng)，實時電價，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，利用先進(jìn)的、控制技術(shù)和通信技術(shù)來節(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、互動等特點，是現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展方向。在智能電網(wǎng)中基于價格的需求響應(yīng)就是通過市場的價格來影響需求的時間和水平目前有三種形式的價格機(jī)制：分時電價（TOU）機(jī)制、關(guān)鍵峰荷電價(CPP)機(jī)制和實時電價（RTP）機(jī)制與分時電價機(jī)制和關(guān)鍵峰荷電價機(jī)制不同，實時電價不是提前設(shè)定的，而是每天持續(xù)波動的，直接反應(yīng)了批發(fā)市場價格與日前或?qū)崟r市場購電成本的關(guān)系，是一種理想的定價機(jī)制，它可以鼓勵用戶更明智更有效地消費因此，實時定價機(jī)制成為了當(dāng)前研究的熱點。國內(nèi)外已有大量關(guān)于實時電價機(jī)制研究的文獻(xiàn)：文獻(xiàn)［5］以用戶購電效用最大為目標(biāo)建立了實時電價下不同風(fēng)險喜好的用戶購電風(fēng)險決策模型；文獻(xiàn)［6］以供購售電效用最大為目標(biāo)，在實時電價下建立了不同喜好供的最優(yōu)購電組合決策模型；文獻(xiàn)［7］分析了電力市場中實時電價用戶比例增加對電力市場經(jīng)濟(jì)效率的影響，建立了以社會福利最大為目標(biāo)的優(yōu)化模型文獻(xiàn)［8］中用戶通過實時電價信息來調(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，這個算法以公平有效的方式為每個用戶尋找一個最優(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

本文在分析實時電價機(jī)制國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了實時電價優(yōu)化模型從用戶的總需求量水平出發(fā)來建立優(yōu)化模型，并展望了智能電網(wǎng)中實時電價機(jī)制的發(fā)展方向。從用戶的總能耗水平出發(fā)的優(yōu)化模型考慮一個離散時隙系統(tǒng)，其中有N個用戶共些能量資源，這些能源由一個供供應(yīng)，在時隙t內(nèi)，用戶n都有一個txn，假設(shè)這個變量是連續(xù)的（如果每個時隙的長度是一小t時，xn表示用戶n在第t小時內(nèi)的能耗）圖 有N個用戶的簡單智能電網(wǎng)系電價的基本形式在實時電價環(huán)境中，電價一般是電網(wǎng)中總需求量的函數(shù)因此，定義每個時隙中單位能量的價格為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最小和操作用電器的等待時間最 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)擁塞價格的概念 n＝1 智能電網(wǎng)實時電價研究綜述：模型與優(yōu)化方法se是常數(shù)，Q是市場的容量2）用日乘子λ直接反應(yīng)實時電價

（2）典型的求解方法式（8）是一個凸問題，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(·)

對偶分解法。對于原問題（8），它的對偶問題是：t 典型的對數(shù)效用函數(shù)形式 U（xn）ωn 其中ωn是一個參數(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是一個參數(shù)，在不同的用戶之間和不同的時隙中是變化的。函數(shù)U（x，ω），除了變量x

其中λt是日乘子，也即時隙t內(nèi)的電價。如果每個 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，對于ω，還要滿足另外兩個條件：

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

對偶問題就是：在電網(wǎng)電價的優(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，同時還可以進(jìn)行聯(lián)動管理。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

通過次梯度法，對λt不斷地更新迭代，最終在時隙t一個最優(yōu)的價格，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)。本文基于價格的需求響應(yīng)，總結(jié)了智能電網(wǎng)實時電價的優(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)減去所付電費的值最大（2）

formationarchitectureforfuturepowersystemsanditsreliabilityysis[J]．IEEETransactiononPowerSystem，(3)：857在文獻(xiàn)［14］，引入了擁塞價格機(jī)制，根據(jù)這個機(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通過價格信息（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)實時電價下用戶購電風(fēng)險決,［J］．電力系統(tǒng)自動化，2008，32（13）：16,N

，．需求側(cè)實時電價下供購售電風(fēng)險決此優(yōu)化問題是：在滿足時隙t內(nèi)用戶的總需求量Σxt

［J］．電力系統(tǒng)自動化，2010，34（3）：22n1 智， ，等．實時電價用戶比例增加對電力市場經(jīng)濟(jì)于供在這個時隙的生產(chǎn)量Lt的約束下，同時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 自動化生產(chǎn)線故障快速定位與排除軟件的開發(fā)界面，五個單元的組態(tài)畫面如圖2所示圖2組態(tài)畫3）各個單元的組態(tài)界面建立完成后，返回到工覽器，并在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)詞典中，建立相應(yīng)的組變量，變量設(shè)置時應(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)置問題，如圖3所示。3數(shù)據(jù)庫變量設(shè)置4）數(shù)據(jù)庫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應(yīng)，變量對應(yīng)時應(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題，變量對應(yīng)與動畫連接設(shè)置情況，如圖4所示。聯(lián)機(jī)調(diào)試與穩(wěn)定性能測試自動化生產(chǎn)線設(shè)備PLC程序設(shè)計和組態(tài)界面設(shè)計完成后，要進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試和穩(wěn)定性能測試，應(yīng)主要考慮以下幾個方面：在進(jìn)行故障診斷時，一般先判斷軟硬件故障，是程序問題還是硬件問題，再判斷是哪個單元出現(xiàn)的問題，再具體到某一個地址，某一個設(shè)備上等等；組態(tài)界面的反應(yīng)速度一般要比實際設(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變量對應(yīng)與動畫連接設(shè)置當(dāng)組態(tài)界面彈出故障窗口時，應(yīng)在第一時間顯示故障現(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)致的誤動作提示；當(dāng)組態(tài)界面彈出故障窗口時，若是由于某些小的故障導(dǎo)致設(shè)備整體停機(jī)，比如某個傳感器損壞，可以通過延時檢測后，傳感器跳過的方式，及時進(jìn)入自動恢復(fù)程序。3利用PLC技術(shù)和組態(tài)軟件結(jié)合開發(fā)而成的自動化生產(chǎn)線故障快速定位與排除軟件系統(tǒng)，可以實時生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行情況，并能夠根據(jù)自動化生產(chǎn)線上突發(fā)的故障進(jìn)行快速定位與診斷，也能對某些故障進(jìn)行自動恢復(fù)。降低了自動化生產(chǎn)線設(shè)備的故障率，系統(tǒng)操作簡便，運(yùn)行可靠，穩(wěn)定性好，具有較好的推廣價值。［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 ［3］．柔性軟件自動化生產(chǎn)線研究［D］．：浙江大學(xué)［4］．基于PLC的柔性自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)研究與設(shè)計［D］．曲阜：曲阜師范大學(xué)，2010［5］吳軍民．基于現(xiàn)場總線的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［J］．現(xiàn)代計算機(jī)（專業(yè)版），2009（12）［收稿日期（上接第88頁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