馬爾科夫決策過程下含可再生能源的實時電價策略

許志宏， 高 巖， 程潘紅

（1. 上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093；2. 日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公共教學(xué)部，日照 276826）

智能電網(wǎng)是基于高度集成的雙向通信網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)的智能化電網(wǎng)系統(tǒng)，是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢[1-5]。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)靈活、系統(tǒng)性能優(yōu)良、質(zhì)量高、可靠、經(jīng)濟及環(huán)保等優(yōu)點，可以促進社會不斷發(fā)展。為了最大限度地減少輸配電過程中造成的電力損耗和溫室氣體的排放，可再生能源技術(shù)得到不斷發(fā)展，越來越多的用戶配備可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）設(shè)備。這樣，用戶能源調(diào)度變得越來越重要，成為最近幾年研究的熱點[6-8]。

基于實時定價的需求側(cè)管理機制能夠有效地激勵電力用戶調(diào)整其固有的用電模式，并通過跟蹤變化的電價信號參與到智能電網(wǎng)系統(tǒng)的活動中去[9-11]。例如，用戶可以根據(jù)實時電價系統(tǒng)，在不同的時間段調(diào)整空調(diào)溫度，改變家電的啟停時間，這樣就降低了需求側(cè)的峰值負荷，緩解了供電商的供電壓力。已有大量文獻研究基于智能家電的用戶最優(yōu)調(diào)度策略[12-18]，用戶可以根據(jù)自己的需求來配置和調(diào)度這些設(shè)備和智能家電。Carli等[12]提出了一種分散控制策略，允許用戶交換剩余的可再生能源，優(yōu)化規(guī)劃用戶的可控負荷，目的是減少電網(wǎng)的總能量供應(yīng)。Tushar等[13]在家電分類基礎(chǔ)上采用博弈方法研究了可再生能源和電動汽車對用戶日常電費的影響。Zhu等[14]考慮到智能家電的分類和用戶間的能耗相關(guān)性，提出了一種基于馬爾科夫決策過程的社會福利最大化模型。Liu等[15]針對網(wǎng)絡(luò)化的智能電網(wǎng)系統(tǒng)，對未來的發(fā)電量進行合理準(zhǔn)確的預(yù)測，利用馬爾科夫決策過程模型對消費者的行為進行規(guī)劃，優(yōu)化消費者的凈收益。但這些研究只考慮了用戶用電行為的不確定性，并沒有考慮可再生能源發(fā)電量的不確定性。

在一些研究中，最優(yōu)模型是以用戶端的成本最小化為目標(biāo)而提出的[19-21]。Chen等[20]設(shè)計了一種包含能耗適應(yīng)變量的隨機調(diào)度算法，該算法考慮了家電運行時間和可再生能源發(fā)電量的不確定性，對各種家電的隨機能耗模式進行建模，使用戶的貨幣支出最小化。針對如何靈活調(diào)度家電的運行時間，Chang[21]運用馬爾科夫決策過程（MDP）提出了家庭能源管理設(shè)計問題。

然而，上述文獻并沒有綜合考慮用戶側(cè)的整體利益。顯然，考慮用戶效用函數(shù)（表示用電滿意度的函數(shù)）最大化與支付成本函數(shù)最小化能夠很好地代表用戶的整體利益。在用戶福利最大化模型中引入各類家電的用電活動，通過給定的用電策略來引導(dǎo)用戶的合理消費，不但有利于減少用戶用電成本，而且還照顧到用戶用電的滿意度，從而保證用戶福利的最大化。同時，這也有助于削峰填谷、緩解電網(wǎng)供電壓力、提高能源利用效率。

結(jié)合實時電價和傾斜阻塞率電價，應(yīng)用馬爾科夫決策過程考慮用戶用電行為和可再生能源發(fā)電量的不確定性，探索一種新的用戶最優(yōu)能源調(diào)度方案，使得用戶總福利值最大化，指導(dǎo)用戶配備和調(diào)度各類家電和能源，保證了用戶側(cè)總體利益最大化。本文的創(chuàng)新點主要有如下幾點：

a. 結(jié)合不同類型家電，考慮用戶用電行為的不確定性，將家電分為必須運行、彈性和半彈性三類；引入權(quán)重因子作為未知變量來平衡用戶效用和支付成本之間的關(guān)系，建立期望用戶福利最大化模型。

b. 運用馬爾科夫決策過程表示可再生能源發(fā)電量的不確定性，研究可再生能源對用戶使用各類家電的影響，指導(dǎo)用戶進行能源優(yōu)化配置和調(diào)度各類家電。

c. 根據(jù)用戶用電行為特點和可再生能源發(fā)電量的不確定性，將問題離散為若干子問題，提出了一種用戶側(cè)模擬退火算法，解決了該優(yōu)化問題，實現(xiàn)了最優(yōu)調(diào)度策略。

1 問題闡述

本文系統(tǒng)討論一個供電商和多個住宅用戶的微電網(wǎng)。假設(shè)供電商和所有住宅用戶通過信息通信基礎(chǔ)設(shè)施相互連接。每個用戶的能源樞紐包括一個小型風(fēng)力發(fā)電機、一些智能家電和一個帶智能電表的電量控制器系統(tǒng)。這些設(shè)備與智能電表相連，智能電表不僅具有信息傳輸功能，還具有調(diào)節(jié)和控制家庭用電信息的功能，它將家庭用電設(shè)備的用電信息傳遞給用戶，以便用戶更好地控制用電量和成本，并將相關(guān)信息傳遞給供電商，實現(xiàn)負荷控制。電價由供電商給出，用戶可以調(diào)整智能電表的用電方式，實現(xiàn)自己的效益最大化。該模型假定用戶不能向電網(wǎng)或其他用戶出售多余的電能，從而丟棄可再生能源生產(chǎn)的多余電能。在模型范圍內(nèi)，沒有考慮設(shè)備的成本和無功功率，并且保證了電力系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定性[12]。此外，馬爾科夫決策過程將用于體現(xiàn)用戶用電行為和可再生能源發(fā)電的不確定性。最后給出了用戶的一般效用函數(shù)和支付成本函數(shù)，以期對用戶的福利期望值作出合理的估計。