基于用戶用能意愿及負(fù)荷特性的需求響應(yīng)用戶自動(dòng)篩選策略

楊 斌，陳振宇，黃奇峰，鄭愛霞，呂 帥，孫永輝

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京 210019；3.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 210098）

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展和風(fēng)電大量接入電網(wǎng)［1］，需求側(cè)管理（demand-side management,DSM）在電力系統(tǒng)運(yùn)行中越來越得到重視，已成為消納風(fēng)電的重要途徑之一［2］。需求響應(yīng)（demand response,DR）是需求側(cè)管理中的一個(gè)分支，通過價(jià)格信號(hào)和激勵(lì)措施引導(dǎo)用戶改變用電行為，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，抑制電價(jià)上升［3］。因此，需求響應(yīng)是一種有效優(yōu)化和調(diào)整電能消耗的方式，并且其實(shí)施成本遠(yuǎn)低于為了滿足用戶端的需求而增加更多的發(fā)電設(shè)備和改造電網(wǎng)的成本，在實(shí)踐中得到了日益廣泛的運(yùn)用［4—7］。

針對(duì)需求響應(yīng)問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究［8—15］。文獻(xiàn)［8］將智能電能表作為傳遞市場價(jià)格的媒介，設(shè)計(jì)了一種基于價(jià)格的用戶需求響應(yīng)策略。文獻(xiàn)［9］介紹了電動(dòng)汽車在需求響應(yīng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］的研究結(jié)果表明，隨著激勵(lì)水平的提高，價(jià)格因素會(huì)逐漸成為影響用戶用電方式的最主要因素，同時(shí)負(fù)荷響應(yīng)的不確定性隨之降低；反之，外界環(huán)境因素會(huì)成為影響負(fù)荷響應(yīng)率的主要因素，負(fù)荷響應(yīng)的不確定性隨之增加。文獻(xiàn)［12］和文獻(xiàn)［13］按照用戶擁有的負(fù)荷性質(zhì)對(duì)用戶進(jìn)行聚類。在用電高峰期，具有同一種負(fù)荷的用戶會(huì)被分配相同的負(fù)荷曲線。但是，這種聚類方法不能夠反映用戶的意愿對(duì)需求響應(yīng)結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［14］根據(jù)用戶參與需求響應(yīng)的意愿進(jìn)行聚類，結(jié)論表明用戶的意愿會(huì)影響其對(duì)價(jià)格信號(hào)的反應(yīng)。文獻(xiàn)［15］借助多智能體模擬方法，建立雙向互動(dòng)的改進(jìn)分時(shí)電價(jià)調(diào)價(jià)模型，分析了用戶響應(yīng)的不確定性對(duì)需求響應(yīng)的影響。值得注意的是，上述研究在建模時(shí)并未考慮如何自動(dòng)篩選合適的用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目。在需求響應(yīng)執(zhí)行過程中，能否合理有效地選擇合適的用戶參與項(xiàng)目，會(huì)直接影響需求響應(yīng)執(zhí)行的最終效果。除此之外，在面對(duì)同一個(gè)價(jià)格信號(hào)時(shí)，由于用戶的消費(fèi)習(xí)慣、用能意愿和價(jià)格敏感性的差異，不同用戶會(huì)做出不同的選擇。因此，自動(dòng)篩選合適的用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目就顯得至關(guān)重要。

基于以上分析，針對(duì)需求響應(yīng)項(xiàng)目中用戶選擇的問題，本文結(jié)合用戶滿意度以及用戶側(cè)不同負(fù)荷特性，提出一種用戶自動(dòng)篩選整數(shù)規(guī)劃模型，該方法可以克服單一考慮用戶用能意愿或用戶負(fù)荷的局限性，提高用戶自動(dòng)篩選的準(zhǔn)確度和效率。

1 用戶用能滿意度模型構(gòu)建

用戶的用能滿意度是指用戶在參與需求響應(yīng)一段時(shí)間后對(duì)該項(xiàng)目的整體評(píng)價(jià)。用戶的態(tài)度和行為之間存在正相關(guān)的關(guān)系。如果滿意度過低，會(huì)導(dǎo)致用戶不滿，不利于需求響應(yīng)項(xiàng)目的持續(xù)開展［16］。因此，在制定需求響應(yīng)策略的時(shí)候，應(yīng)該充分考慮用戶的用能滿意度。

在評(píng)估用戶的用能滿意度時(shí)，本文從用戶的用電方式滿意度和電費(fèi)支出滿意度2個(gè)方面進(jìn)行考慮。

1.1 用戶用電方式的滿意度

用戶用電方式的滿意度是用來評(píng)估用戶參與需求響應(yīng)前后的用電方式變化程度的指標(biāo)。用戶在參與需求響應(yīng)前，按照其最喜歡的方式使用電能，此時(shí)用戶對(duì)用電方式的滿意度最大。參與需求響應(yīng)項(xiàng)目后，用戶需要在某個(gè)時(shí)間段調(diào)整負(fù)荷的使用，甚至關(guān)閉某些設(shè)備的運(yùn)行。原來的用電負(fù)荷曲線會(huì)發(fā)生改變，形成新的負(fù)荷曲線。在其它條件不變的情況下，用戶的用電方式滿意度可以用戶新的用電負(fù)荷曲線與原來用電負(fù)荷曲線的差值來進(jìn)行表示。

用戶在參與需求響應(yīng)項(xiàng)目后，各個(gè)時(shí)間段變化的用電量越大，說明新的用電方式的改變程度越大，其滿意度越低；在極端情況下，其滿意度為0；反之，如果用戶的用電方式不發(fā)生改變，則用戶的用電方式滿意度最高為1。

1.2 用戶電費(fèi)支出的滿意度

用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的動(dòng)機(jī)之一是因?yàn)槠淇梢越档腿粘Ｊ褂秒娔艿馁M(fèi)用，因此在選擇用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)充分考慮用戶對(duì)價(jià)格的敏感度。用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的電價(jià)主要由3部分組成：在用戶的舒適度之內(nèi)參與調(diào)節(jié)的電價(jià)為Pp，在用戶的舒適度之外參與調(diào)節(jié)的電價(jià)為Ps，不參與調(diào)節(jié)的電價(jià)為Pv。用戶電費(fèi)支出滿意度是用來衡量用戶電費(fèi)支出的變化量，具體表示為

式中：θ為用戶電費(fèi)支出的滿意度；c( Po)為用戶未參與需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)候的電費(fèi)支出，是原電價(jià)Po的函數(shù)；c( Pp,Ps,Pv)為用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目之后的電費(fèi)支出，是用戶不同參與調(diào)節(jié)程度的電價(jià)函數(shù)。

1.3 用戶的用能滿意度測量

用戶的用能滿意度是用戶的用電方式滿意度和用戶電費(fèi)支出滿意度的加權(quán)平均數(shù)。其用戶綜合滿意度模型可以描述為

式中：R為用戶用能滿意度；γ1為用戶用電方式滿意度的權(quán)值；γ2為用戶電費(fèi)支出滿意度的權(quán)值。

由于不同用戶的用能偏好有所差別，因此，其對(duì)于γ1、γ2的偏重也不一樣。如對(duì)于電費(fèi)支出很大的用戶，其γ1的值就比較大；對(duì)于對(duì)供電可靠性要求比較嚴(yán)格的用戶，其γ2的值比較大。

用戶的用能滿意度含有的主觀因素比較多，在計(jì)算時(shí)可以考慮根據(jù)不同用戶的用能偏好進(jìn)行賦值。由于缺乏歷史數(shù)據(jù)及相關(guān)用戶的數(shù)據(jù)信息，本文采用如表1所示的賦值方法［17］，其大小隨著用戶參與項(xiàng)目時(shí)間的增加得到修正和優(yōu)化。

表1 模糊描述的賦值方法

2 用戶可參與需求響應(yīng)的負(fù)荷能力統(tǒng)計(jì)

每一個(gè)居民用戶家中的負(fù)荷可以分為3類［18］：可中斷負(fù)荷、溫控負(fù)荷和不受控制的負(fù)荷。對(duì)用戶來說，可以參與需求響應(yīng)的負(fù)荷主要有2種：可中斷負(fù)荷和溫控負(fù)荷。

（1）可中斷負(fù)荷指可以調(diào)整用電時(shí)間的負(fù)荷。這種負(fù)荷可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷從電價(jià)高峰期到低谷期的轉(zhuǎn)移，但是需要注意的是這類負(fù)荷在安排的時(shí)候需要設(shè)置一個(gè)截止時(shí)間，以免影響用戶的正常生活。常見的可中斷負(fù)荷包括洗衣機(jī)和洗碗機(jī)。

（2）溫控負(fù)荷主要是指用來控制某一個(gè)區(qū)域的溫度的負(fù)荷。通過改變電器的設(shè)定溫度和設(shè)備的運(yùn)行功率，來達(dá)到調(diào)整電能消耗的目的。定義負(fù)荷在最大功率運(yùn)行狀態(tài)下，每個(gè)小時(shí)消耗的電能為單位小時(shí)最大消耗電量；負(fù)荷在最小功率運(yùn)行狀態(tài)下，每個(gè)小時(shí)消耗的電能為單位小時(shí)最小消耗電量。常見的溫控負(fù)荷包括冰箱、空調(diào)和電熱水器。

（3）不受控制的負(fù)荷指用戶負(fù)荷不受控制，在運(yùn)行時(shí)不能退出。常見的不受控制負(fù)荷有電腦、監(jiān)控設(shè)備和電燈。本文把這種負(fù)荷定義為用戶的基本負(fù)荷，在運(yùn)行過程中必須滿足這部分的負(fù)荷需要。

用戶的可參與負(fù)荷能力是指用戶在需求響應(yīng)項(xiàng)目中所能夠提供的電能削減范圍。根據(jù)用戶在一次需求響應(yīng)項(xiàng)目中參與程度的不同，可以把用戶的負(fù)荷參與程度分為高中低3個(gè)等級(jí)。低等級(jí)指關(guān)閉或調(diào)節(jié)某些設(shè)備，例如在用戶的空調(diào)舒適度區(qū)間內(nèi)調(diào)整空調(diào)溫度設(shè)定，不影響用戶的舒適度；中等級(jí)指關(guān)閉或者調(diào)整某些設(shè)備可能會(huì)影響到用戶的舒適度，例如在用戶的空調(diào)舒適度區(qū)間范圍之外進(jìn)行調(diào)整；高等級(jí)指只保證用戶的基本負(fù)荷需求，一般只有在系統(tǒng)發(fā)生緊急狀況的時(shí)候才會(huì)需要，并且持續(xù)時(shí)間不會(huì)太長，對(duì)用戶造成的影響也是可控的。隨著用戶的增加與可調(diào)整范圍的擴(kuò)大，用戶的高等級(jí)削減尺度請(qǐng)求也會(huì)隨之減少。

由于不同用戶的設(shè)備負(fù)荷以及可接受的溫度調(diào)整范圍都不相同，用戶的各個(gè)等級(jí)的電量需要提前確定。用戶的可參與負(fù)荷能力與對(duì)應(yīng)的等級(jí)關(guān)系如表2所示。

表2 用戶對(duì)應(yīng)的可參與需求響應(yīng)的不同等級(jí)負(fù)荷kW

用戶側(cè)的負(fù)荷都裝有用戶能源管理系統(tǒng)，通過通信網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷聚類商可以實(shí)時(shí)接收用戶側(cè)的負(fù)荷運(yùn)行信息。當(dāng)需求響應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)到達(dá)以后，居民負(fù)荷聚類商選擇合適的優(yōu)化控制策略，再通過用戶側(cè)的用戶能源管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)用戶側(cè)的負(fù)荷，完成需求響應(yīng)的調(diào)節(jié)。

3 用戶篩選模型

3.1 模型的構(gòu)建

根據(jù)用戶用能方式的滿意度和用戶的可參與負(fù)荷構(gòu)建基于用戶用能意愿和負(fù)荷統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)用戶篩選模型，如圖1所示。首先，居民負(fù)荷聚類商在接收到負(fù)荷提供商提供的電力缺口容量信息后，根據(jù)用戶的家庭負(fù)荷信息，篩選出所有能夠滿足這次調(diào)整容量信息的候選用戶；然后根據(jù)用戶的用能滿意度對(duì)用戶進(jìn)行排序，建立求解需求響應(yīng)用戶的自動(dòng)篩選模型；其次，對(duì)模型進(jìn)行求解，得到參與本輪時(shí)間段的用戶，并與用戶進(jìn)行互動(dòng)，根據(jù)用戶的反饋，最終確定參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的用戶；最后，負(fù)荷聚類商把相關(guān)的優(yōu)化控制策略，發(fā)送到用戶側(cè)的用戶能源管理系統(tǒng)，完成需求響應(yīng)。

圖1 用戶篩選模型

為了保證在需求響應(yīng)項(xiàng)目中用戶削減負(fù)荷達(dá)到負(fù)荷提供商的要求，同時(shí)盡可能提高用戶滿意度，將候選用戶定義如下：根據(jù)用戶在需求響應(yīng)項(xiàng)目中參與次數(shù)和用能滿意度以及參與需求響應(yīng)的時(shí)間，對(duì)剩余需求響應(yīng)用戶進(jìn)行從高到低排序，排序后選擇位于前Nc位的用戶作為此次篩選的候選用戶，表示為

式中：L為所有可以參與需求響應(yīng)的用戶總數(shù)；P為滿足電力負(fù)荷缺口要求的最少用戶數(shù)。

在用戶自動(dòng)篩選的過程中遵循如下原則：

（1）在某一次需求響應(yīng)目中，用戶只能在削減容量高等級(jí)、中等級(jí)和低等級(jí)中選擇一種進(jìn)行參與；

（2）在用戶篩選的過程中，應(yīng)該按照低、中、高的等級(jí)參與需求響應(yīng)。即先選擇一部分用戶參與低等級(jí)負(fù)荷的需求響應(yīng)，再選擇一部分用戶參與中等級(jí)負(fù)荷的需求響應(yīng)，最后根據(jù)還剩余的電力缺口容量，選擇合適的用戶參與高等級(jí)負(fù)荷的需求響應(yīng)，從而提高用戶的用能滿意度，同時(shí)減少居民負(fù)荷聚類商的支出；

（3）用戶參與需求響應(yīng)負(fù)荷削減累加值應(yīng)該不小于負(fù)荷提供商所要求的數(shù)值，以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；

（4）在保證完成負(fù)荷提供商電力負(fù)荷減少的基礎(chǔ)上，最大化用戶用能滿意度。

本文采用整數(shù)規(guī)劃模型，在已知負(fù)荷提供商電力缺口、用戶負(fù)荷削減能力以及用戶用能意愿的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮其滿足的約束條件，求解用戶參與項(xiàng)目等級(jí)，完成需求響應(yīng)調(diào)節(jié)，并盡可能提高用戶用能意愿。目標(biāo)函數(shù)為

式中：Z為經(jīng)過篩選參與需求響應(yīng)項(xiàng)目的用戶數(shù)；N為候選的用戶數(shù)量；M為候選用戶的負(fù)荷參與等級(jí)。X為決策矩陣，如果篩選后選擇了候選用戶i的第j等級(jí)，則記為xij=1，否則記為xij=0。

決策矩陣可以描述為

約束條件為

（1）用戶參與約束

（2）順序篩選約束

（3）完成電力負(fù)荷缺口約束

式中：cij為候選用戶i第j響應(yīng)等級(jí)的負(fù)荷削減能力；Egap為本輪用戶篩選的電力負(fù)荷缺口；C為候選用戶的負(fù)荷削減能力矩陣，可以表示為

（4）用戶削減總量滿足所需要的電力負(fù)荷削減約束

式中：Eexceed為循環(huán)求解因子，保證最大滿足電力負(fù)荷缺口Egap，求解目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。

3.2 模型的求解

采用分支定界法求解［19］，具體步驟如下：

步驟1：初始化循環(huán)求解因子Eexceed，利用分支定界法求解整數(shù)規(guī)劃模型的最優(yōu)解，得出本輪篩選的用戶及其響應(yīng)等級(jí)。其中對(duì)于Eexceed，居民負(fù)荷聚類商可以根據(jù)響應(yīng)精度進(jìn)行調(diào)整，初始值在本文中設(shè)置為5‰，即等于Egap×5‰；

步驟2：如果在步驟1沒有求出可行解，則調(diào)整循環(huán)求解因子Eexceed，如果設(shè)定每次增加本輪電力負(fù)荷缺口的5‰，則Eexceed=Eexceed+Egap×5‰，返回步驟1繼續(xù)求解；反之，結(jié)束本輪篩選，得出篩選結(jié)果；

步驟3：發(fā)送相應(yīng)的優(yōu)化策略到用戶側(cè)的用戶能源管理系統(tǒng)，調(diào)節(jié)用戶側(cè)的負(fù)荷，等待用戶反饋；

步驟4：得到用戶反饋后，負(fù)荷聚類商根據(jù)用戶的反饋情況，判斷其是否滿足需求響應(yīng)負(fù)荷削減要求。如果不滿足，則更新用戶信息，進(jìn)入下一輪篩選，重復(fù)步驟1；如果滿足，則根據(jù)用戶反饋調(diào)節(jié)用戶側(cè)的負(fù)荷，此次篩選結(jié)束。

4 算例分析

本文以某公共樓宇某次削峰項(xiàng)目的模擬調(diào)峰為例，在一天內(nèi)負(fù)荷提供商需要減少的總電力負(fù)荷為8 000 kW，共20位用戶可以參與需求響應(yīng)，其各個(gè)響應(yīng)等級(jí)的負(fù)荷削減能力見表3。

表3 用戶可響應(yīng)等級(jí)及對(duì)應(yīng)負(fù)荷削減kW

首先進(jìn)行第一輪用戶篩選：按照用戶用電方式滿意度選擇N個(gè)用戶的高等級(jí)負(fù)荷削減能力累加值大于本輪所需要的電力負(fù)荷缺口值。在本文中，前10位用戶的高等級(jí)負(fù)荷削減能力累加值為13 800 kW，大于本輪所需要的電力負(fù)荷缺口8 000 kW。因此選擇前10位用戶（即編號(hào)為601至610）作為本輪的篩選用戶?？梢缘玫狡淇蓞⑴c負(fù)荷削減能力矩陣為

根據(jù)式（6）—式（13）建立整數(shù)規(guī)劃模型，初始化循環(huán)求解因子為8 000×0.005=40。根據(jù)分支定界法求最優(yōu)解，但結(jié)果顯示無可行解。再繼續(xù)更新求解因子為8 000×0.01=80，再次求解可行解，得到?jīng)Q策矩陣為

即第一輪的篩選結(jié)果是選擇編號(hào)為601到610的用戶，其中606、607、609、610號(hào)負(fù)荷響應(yīng)低等級(jí)負(fù)荷的削減，在用戶的舒適度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不會(huì)對(duì)用戶的舒適度產(chǎn)生影響；601、602、603、605、608號(hào)負(fù)荷響應(yīng)中等級(jí)的削減，在用戶的舒適度之外進(jìn)行調(diào)節(jié)。604號(hào)負(fù)荷響應(yīng)高等級(jí)的削減，會(huì)影響用戶的舒適度。用戶總共能提供的響應(yīng)容量為8 100 kW。

居民負(fù)荷聚類商下發(fā)相關(guān)的優(yōu)化控制策略給相應(yīng)的用戶。用戶有一定的時(shí)間來反應(yīng)是否參與響應(yīng)，并把相關(guān)的反饋發(fā)送給居民負(fù)荷聚類商。在本輪篩選中，601號(hào)到603號(hào)選擇參與響應(yīng)中等級(jí)；604號(hào)選擇不參與這次響應(yīng)；605號(hào)選擇不參與這次響應(yīng)；606號(hào)和607號(hào)選擇響應(yīng)低等級(jí)的負(fù)荷削減；608號(hào)選擇響應(yīng)中等級(jí)的負(fù)荷削減；609和610用戶選擇響應(yīng)低等級(jí)的負(fù)荷削減。可以得到本輪篩選用戶總的參與削減容量為4 500 kW，還剩余3 600 kW的電力負(fù)荷等待響應(yīng)。進(jìn)入第二輪篩選。

更新用戶的相關(guān)信息，此時(shí)還剩下611到620號(hào)的用戶可以參與需求響應(yīng)，需要響應(yīng)的負(fù)荷為3 600 kW。選擇611到617號(hào)用戶作為本輪的待篩選用戶，可以得到其負(fù)荷削減能力矩陣為

重復(fù)第一輪篩選的步驟，初始化循環(huán)求解因子為3 600×0.005=18，通過分支定界法求解，出現(xiàn)可行解為

即本輪的篩選結(jié)果為選擇611—617號(hào)的用戶參與響應(yīng)低等級(jí)的負(fù)荷削減，在用戶的舒適度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不會(huì)影響用戶的舒適度。其總的負(fù)荷削減為3 600 kW，把相關(guān)的調(diào)節(jié)策略發(fā)送給用戶后，在用戶舒適度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，第二輪篩選結(jié)束。由于參與需求響應(yīng)可以減少其價(jià)格的支出，將會(huì)提高用戶的用電方式滿意度，在下一輪用電方式滿意度的重新排序中會(huì)進(jìn)入到前列。

經(jīng)過2輪的篩選，最終篩選出15名用戶參與此次需求響應(yīng)項(xiàng)目，總的削減容量為8 100 kW，用戶篩選結(jié)果如圖2所示。

圖2 用戶篩選結(jié)果

5 結(jié)論

本文結(jié)合用戶用能意愿及用戶負(fù)荷特性，提出了一種用戶自動(dòng)篩選策略。首先，構(gòu)建了用戶用電方式滿意度的評(píng)估策略，用戶可以根據(jù)自己的偏好對(duì)用電方式滿意度和電費(fèi)支出滿意度進(jìn)行選擇。然后結(jié)合用戶擁有的不同負(fù)荷的特性，構(gòu)建在用戶的舒適度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)、在用戶的舒適度范圍外進(jìn)行調(diào)節(jié)以及在緊急狀況下進(jìn)行調(diào)節(jié)的多層次調(diào)節(jié)模型。最后構(gòu)建自動(dòng)篩選參與需求響應(yīng)用戶的模型。在對(duì)用戶排序的過程中，將對(duì)用電方式滿意度高的用戶排在前面，一方面可以提高用戶的響應(yīng)效率，確保負(fù)荷的順利削減；另一方面，如果在用戶的舒適度以外進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以減少用戶的抵抗情緒。為了保證用戶參與的公平性，用戶的滿意度會(huì)重新進(jìn)行排序。算例驗(yàn)證了模型的有效性。

由于缺乏用戶的數(shù)據(jù)，本文對(duì)用戶的用電方式滿意度集中在用戶參與需求響應(yīng)前后用電方式的變化以及費(fèi)用支出的改變?？紤]結(jié)合深度學(xué)習(xí)構(gòu)建用戶對(duì)價(jià)格激勵(lì)的反應(yīng)程度［20—22］是下一步的研究方向。D