一种计及需求响应灵活性和不确定性的负荷聚合商经济调度
方法
技术领域
[0001] 本
发明属于电
力系统需求响应调度领域，涉及一种计及需求响应灵活性的中小用户负荷聚合商非合作博弈多时段经济调度方法。
背景技术
[0002] 需求响应(Demand Response，DR)指电力用户对价格或者激励
信号做出响应，改变正常用电习惯和模式，最终实现用电优化和系统资源的综合优化配置的过程。由于新
能源发电普遍具有反调峰特性，在负荷低谷期往往发电量较多，随着
可再生能源发电量的增加，弃
风弃光量也显著增多。
[0003] 由于可再生能源的高比例渗透，提高系统的灵活性成为
电网面临的主要问题。需求响应由于其成本低、响应快的特点，越来越多地被用于可再生能源的消纳。在高比例可再生能源系统中引入需求响应，能有效提高系统调峰调频和消纳新能源的能力。
[0004] 然而，海量分散的负荷导致电网调度难度加大，需要研究新的调度模式。负荷聚合商(Load Aggregator，LA)，简称聚合商，作为整合用户需求响应潜力的实体，通过销售负荷灵活性获得奖励或降低能源
费用，来促进用户进入零售电力市场，使用户参与
智能电网成为可能。
[0005] 在智能电网环境下，电网、负荷聚合商、用户为三个独立的实体。电网负责提供用户所需的电力需求，以及设计合理的电价促使负荷聚合商参与需求响应。负荷聚合商通过价格响应或者合同奖励，帮助用户优化能源使用，即实现节能，节约运营成本，并满足用户对能源的服务
质量需求。用户则通过改变用电行为获得来自负荷聚合商的收入。这个是一个多目标优化问题，其中电网的目标是最小化为聚合商提供
削峰填谷奖励的操作成本。聚合商的目标是最大化利润或最小化调度偏差，为关联的最终用户提供补偿，以改变他们的用电模式。用户的目标是最大化从聚合器获得的收入与改变用电行为的不适之间的折衷。
[0006] 针对聚合商参与需求响应调度研究，目前主要集中于设计市场机制以及调度策略，通过与市场进行博弈或者设计优化目标的方式，使聚合商收益最大、成本最小，或调度偏差最小。然而，较少有文献站在消纳新能源的
角度，设计促进新能源消纳的机制，且较少考虑不同聚合商之间的交互。
发明内容
[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于非合作博弈的聚合商多时段优化调度的方法，让中小型用户参与调度，将多个中小用户作为一个整体的负荷聚合商进行调度，使其满足性能要求和容量
门槛，保证系统的安全运行和新能源消纳，从而最大化利用系统需求响应资源。
[0008] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0009]
一种计及需求响应灵活性和不确定性的负荷聚合商经济调度方法，利用新能源激励电价和自身灵活性进行调度安排，使自身收益最大；具体包括以下三部分：
[0010] 1)电网调度层：电网调度层主体为系统运营商，通过信息采集系统下达调度容量和任务；电网获得电力的方式有：区域内传统机组和分布式新能源发电，或通过与其互联的电网传输；
[0011] 2)聚合商决策层：聚合商通过制定调度协议实现电网和用户的互动，向电网调度层分配和上报满足电网要求的可调度容量，并向负荷响应层下达调度计划；
[0012] 3)负荷响应层：根据与聚合商签订的协议，结合自身习惯和需求，通过智能控制终端采集用电信息以及接受调度信号，执行聚合商的调度任务。
[0013] 进一步，所述调度方法采用的是多时段调度，包括日前调度和实时调度；
[0014] 所述日前调度采用日前出清，电网发布含新能源的发电计划和电价信号，聚合商作为新能源待消纳量和电价的接受者，通过与用户签订的合约安排调度计划，消纳新能源的同时获得来自电网的奖励，并下达负荷调度命令至负荷响应层；
[0015] 所述实时调度为每小时出清，聚合商在接收电网实时发电情况和实时电价的
基础上，考虑用户的违约情况，安排实时调度计划，通过向电网购售电实现电力平衡，并向用户收取电费获得收益。
[0016] 进一步，在日前调度中，聚合商根据自身灵活性，向电网上报可调度容量计划；聚合商日前调度的收益来源于扣除了不能消纳新能源的惩罚后，向电网出售负荷灵活性的获利；即聚合商收益函数由两部分组成：通过消纳新能源获得的收益以及上个调度时段未消纳新能源造成的惩罚，计算公式为：
[0017]
[0018] 其中，pi_incentive为调度时段T内的新能源激励价格，ppenalty为惩罚价格， 为聚合商n的需求响应灵活性， 为聚合商上个调度时段产生的违约电量；
[0019] 消纳新能源的激励价格计算公式为：
[0020]
[0021] 其中，α为大于0的修正因子，β为常数项，为电网可接受的最高电价，本发明设置为最高实时电价的两倍；N表示聚合商个数；
[0022] 修正因子的更新策略为：
[0023]
[0024] 其中，qpv为新能源出力，本发明的新能源为光伏出力。
[0025] 进一步，聚合商上报的用电量不得超过用户上报的合同量，存在如下约束：
[0026] Pil_t≤Pilr_t
[0027] Pddl_t≤Pddlr_t
[0028] Pil_t,Pddl_t≥0
[0029] 其中，Pilr_t和Pddlr_t分别为用户上报的可中断负荷和可平移负荷用电量，Pil_t和Pddl_t分别为聚合商向电网上报的可中断负荷和可平移负荷量。
[0030] 进一步，面向聚合商的日前经济调度是一个非合作博弈问题，即完全信息静态有限博弈问题，其中所有参与博弈的局中人同时选择自己的行动策略；具体包括：
[0031] (1)聚合商日前容量上报博弈模型
[0032] 定义G＝{S1,...,SN；U1,...,UN}为一个面向聚合商的日前经济调度非合作博弈模型，由参与人N、策略S和支付函数U组成，其中：
[0033] ①参与人：区域内参与日前经济调度的N个聚合商视为参与人的集合，其中聚合商i∈Γ＝{1,2,...,N}；
[0034] ②策略：每个聚合商根据自己的需求上报可控负荷的用电量，即可中断负荷和可平移负荷量，
[0035] ③支付函数：
[0036]
[0037] 其中，q-n＝{q1,...,qn-1,qn+1,...,qN}表示除了聚合商n之外的所有聚合商在调度时段内上报电量的集合；
[0038] 对于每个聚合商而言，都希望自身的收益最大化。因此，聚合商通过在每个时间区间内改变上报的用电量来参与博弈，最后得到自身的最佳用电量上报策略；
[0039] (2)聚合商日前容量上报博弈的纳什均衡
[0040] 如果每个参与人i均选择了策略Si，任一参与人都不可能在其他参与人保持自身策略的情况下，通过改变策略获得更多收益，则称达到了博弈的纳什均衡，当前的策略集{S1*,...,SN*}为纳什均衡解；
[0041] 根据纳什均衡存在性定理2证明本发明博弈模型存在纳什均衡，对支付函数作等效变换如下：
[0042]
[0043] 对qn求二阶偏导数得：
[0044]
[0045] 因此，un(qn,q-n)是qn的凹函数，该非合作博弈存在纳什均衡。
[0046] 所有聚合商的最佳上报计划{q1*,q2*,...,qN*}，是日前容量上报博弈的纳什均衡解；此时，参与人中的任一聚合商采用最优策略时，其他聚合商n不能通过改变现有策略去建立新的策略来使其收益增加，即：
[0047]
[0048] 其中q-n*＝{q1*,...,qn-1*,qn+1*,...,qN*}表示除了聚合商n外，博弈中其他聚合商的最优策略组合；
[0049] 日前调度中聚合商上报的最优计划用电量将传递至实时调度中，考虑用户违约和新能源出力的不确定性，聚合商重新调整用电计划，实现实时调度收益最大化。
[0050] 进一步，在实时调度中，用户将按照事前约定的合同执行用电计划，将用电控制权上交给聚合商，聚合商则根据实时电价和用电量向用户收取电费，获得收入；但是，实时调度中存在由电网和用户两方面造成的不确定性。由于新能源发电具有不确定性，因此电网日前发布的计划发电量并不一定总等于实际新能源出力。电网计及新能源出力的不确定性，向聚合商发布实时新能源出力，根据电网实时调度时发布的新能源出力预测，聚合商需要对其用电计划进行调整；在用户侧，可能由于以下两方面原因造成违约：
[0051] ①为满足舒适度或节省电费等原因，主观造成违约。
[0052] ②由于实时调度是离散状态控制，且负荷具有特定物理属性，客观造成违约。
[0053] 综上，用户的计划用电量并不一定总等于实际用电量，对于超出计划的用户用电，聚合商需要向电网购买额外的电力以满足用户需求，故有必要考虑用户违约对实时调度造成的影响。
[0054] 进一步，所述考虑用户违约对实时调度造成的影响，具体为：视用户违约电量ξ服从截断正态分布，则ξ在[ξl,ξu]内的概率
密度函数如下式所示：
[0055]
[0056] 其中， Φ分别表示标准正态分布的概率密度函数及其
累积分布函数，ξ、μξ、σξ分别表示密度函数的自变量、均值和标准差；
[0057] 用户的违约电量期望为：
[0058]
[0059] 设置截断分布的上限ξu＝Q′和下限ξl＝0，则用户的违约电量Q在[0,Q’]范围内；通过改变截断分布的均值和方差，可研究不同的用户违约分布对调度的差异影响。由于这不是本发明的主要研究内容，将问题简化为μξ＝0，σξ＝κQ′，取值范围[0,1]。由此得到简化的违约电量期望为：
[0060]
[0061] 其中κ为体现不同用户差异的系数；
[0062] 根据用户违约期望，得聚合商的违约率为：
[0063]
[0064] 在计及用户违约的基础上，聚合商以收益最大为目标进行调度；聚合商的收益目标函数如下式所示：
[0065]
[0066] 其中， 是决策变量，为属于聚合商i的用户在t时刻的实时用电量，pr_t为实时电价， 为属于聚合商i的用户在t时刻违约造成的聚合商需向电网购买电量，且有qp_t＞0，pp_t为与电网协议的购售电电价；该目标函数表示，聚合商实时调度的收益来源于用户缴纳电费获得的收入，扣除向电网购电的支出后剩余的部分。
[0067] 进一步，在实时调度中需考虑以下约束：用户用电量上下限约束、供需平衡约束、
节点潮流方程约束、节点
电压约束、节点相角约束以及家庭负荷建模约束。
[0068] 本发明的有益效果在于：本发明构建了计及需求响应灵活性和不确定性的负荷聚合商经济调度模型。基于灵活性负荷的建模，设计了日前和实时调度的多时段调度策略。在日前调度中，利用新能源激励电价消纳新能源，聚合商考虑自身灵活性与其它聚合商间进行博弈，实现聚合商收益最大化；在实时调度中，以截断分布模拟为满足舒适度或节省电费而造成的用户违约量，建立计及用户违约的聚合商调度策略，实现其实时调度收益最大。最终实现了中小型用户进入市场参与需求响应，使系统灵活性进一步增强。
[0069] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的
说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0070] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0071] 图1为含分布式新能源的聚合商调度
框架图；
[0072] 图2为面向聚合商的多时段经济调度
流程图；
[0073] 图3为聚合商下属节点及电网拓扑结构；
[0074] 图4为系统发用电数据图；
[0075] 图5为电价对比图；
[0076] 图6为各聚合商原始用电情况仿真图；
[0077] 图7为各聚合商调度后用电情况仿真图。
具体实施方式
[0078] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下
实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0079] 本发明将用户侧的需求响应灵活性定义为：“用户因响应电网的价格或者
激励信号，根据自身情况改变正常用电模式的能力”。需求响应灵活性是对电力系统灵活性的补充，准确衡量用户侧的灵活性，能有效提高系统的调频调峰和新能源消纳能力，有助于最终实现用电优化和系统资源的综合优化配置。
[0080] 影响用户需求响应能力的主要因素有用电
水平、负荷变动情况、用电倾向、用电
稳定性、其他因素等，而这些因素可以通过提取负荷曲线的相应特性指标进行刻画，如表1所示。
[0081] 表1需求响应特征集分类
[0082]
[0083] 基于上述需求响应特征指标可得用户的需求响应灵活性为：
[0084]
[0085] 其中，DPc为聚合商需求响应灵活性，Fi和τi分别为第i个特性指标和对应权重。
[0086] 聚合商的需求响应灵活性为：
[0087]
[0088] 其中，DPca为聚合商需求响应灵活性，nci为第i个类别用户数量，DPci为第i类用户的需求响应灵活性，nLA为聚合商下属的总用户数。相比价格型需求响应，激励型需求响应事先建立了合同，用户响应意愿和时效性较强，因此本发明考虑的调度策略基于激励型需求响应。
[0089] 请参阅图1～图7，以负荷聚合商为主要研究对象，利用新能源激励电价和自身灵活性进行调度安排，使自身收益最大。含分布式新能源的智能电网调度框架如图1所示，包含以下几个部分：
[0090] ①电网调度层：电网调度层主体为系统运营商，通过信息采集系统下达调度容量和任务。电网获得电力的方式有：区域内传统机组和分布式新能源发电，或通过与其互联的电网传输。
[0091] ②聚合商决策层：聚合商通过制定调度协议实现电网和用户的互动，向电网调度层分配和上报满足电网要求的可调度容量，并向负荷响应层下达调度计划。
[0092] ③负荷响应层：根据与聚合商签订的协议，结合自身习惯和需求，通过智能控制终端采集用电信息以及接受调度信号，执行聚合商的调度任务。
[0093] 如图2所示，本实施例的多时段调度包含日前调度和实时调度两个过程。日前调度采用日前出清，电网发布含新能源的发电计划和电价信号，聚合商作为新能源待消纳量和电价的接受者，通过与用户签订的合约安排调度计划，消纳新能源的同时获得来自电网的奖励，并下达负荷调度命令至负荷响应层；实时调度为每小时出清，聚合商在接收电网实时发电情况和实时电价的基础上，考虑用户的违约情况，安排实时调度计划，通过向电网购售电实现电力平衡，并向用户收取电费获得收益。
[0094] 用户通过对可控负荷的控制响应调度指令。可控负荷作为系统的备用资源，通过需求响应平衡新能源并网带来的系统功率
波动。不同的居民用户具有不同的
家用电器数量、类型和使用特性，聚合商难以对每个家电的使用情况一一分析。因此，聚合商有必要结合居民的用电习惯对不同电器进行分类，方便进行用户特性分析和调度指令传达。
[0095] 日前调度中，聚合商根据自身灵活性，向电网上报可调度容量计划。聚合商日前调度的收益来源于扣除了不能消纳新能源的惩罚后，向电网出售负荷灵活性的获利，如式(3)所示。聚合商收益函数由两部分组成：通过消纳新能源获得的收益以及上个调度时段未消纳新能源造成的惩罚：
[0096]
[0097] 其中，pi_incentive为调度时段T内的新能源激励价格，ppenalty为惩罚价格， 为聚合商n的需求响应灵活性， 为聚合商上个调度时段产生的违约电量。消纳新能源的激励电价如式(4)所示：
[0098]
[0099]
[0100] 其中，α为大于0的修正因子，β为常数项，为电网可接受的最高电价，本实施例设置为最高实时电价的两倍。式(5)为修正因子的更新策略，qpv为新能源出力，本实施例的新能源为光伏出力。
[0101] 同时，聚合商上报的用电量不得超过用户上报的合同量，故存在如下约束：
[0102] Pil_t≤Pilr_t (6)
[0103] Pddl_t≤Pddlr_t (7)
[0104] Pil_t,Pddl_t≥0 (8)
[0105] 其中，Pilr_t和Pddlr_t分别为用户上报的可中断负荷和可平移负荷用电量，Pil_t和Pddl_t分别为聚合商向电网上报的可中断负荷和可平移负荷量。
[0106] 面向聚合商的日前经济调度是一个非合作博弈问题，即完全信息静态有限博弈问题，其中所有参与博弈的局中人同时选择自己的行动策略。具体描述如下：
[0107] (1)聚合商日前容量上报博弈模型
[0108] 定义G＝{S1,...,SN；U1,...,UN}为一个面向聚合商的日前经济调度非合作博弈模型，由参与人N、策略S和支付函数U组成，其中：
[0109] ①参与人：区域内参与日前经济调度的N个聚合商可视为参与人的集合，其中聚合商i∈Γ＝{1,2,...,N}。
[0110] ②策略：每个聚合商根据自己的需求上报可控负荷的用电量，即可中断负荷和可平移负荷量，
[0111] ③支付函数：支付函数表示如下：
[0112]
[0113] 其中，q-n＝{q1,...,qn-1,qn+1,...,qN}表示除了聚合商n之外的所有聚合商在调度时段内上报电量的集合。
[0114] 对于每个聚合商而言，都希望自身的收益最大化。因此，聚合商通过在每个时间区间内改变上报的用电量来参与博弈，最后得到自身的最佳用电量上报策略。
[0115] (2)聚合商日前容量上报博弈的纳什均衡
[0116] 如果每个参与人i均选择了策略Si，任一参与人都不可能在其他参与人保持自身策略的情况下，通过改变策略获得更多收益，则称达到了博弈的纳什均衡，当前的策略集{S1*,...,SN*}为纳什均衡解。
[0117] 根据纳什均衡存在性定理2证明本发明博弈模型存在纳什均衡，对支付函数作等效变换如下：
[0118]
[0119] 对qn求二阶偏导数得：
[0120]
[0121] 因此，un(qn,q-n)是qn的凹函数，该非合作博弈存在纳什均衡。
[0122] 所有聚合商的最佳上报计划{q1*,q2*,...,qN*}，就是日前容量上报博弈的纳什均衡解。此时，参与人中的任一聚合商采用最优策略时，其他聚合商n不能通过改变现有策略去建立新的策略来使其收益增加，即：
[0123]
[0124] 其中q-n*＝{q1*,...,qn-1*,qn+1*,...,qN*}表示除了聚合商n外，博弈中其他聚合商的最优策略组合。
[0125] 日前调度中聚合商上报的最优计划用电量将传递至实时调度中，考虑用户违约和新能源出力的不确定性，聚合商重新调整用电计划，实现实时调度收益最大化。
[0126] 在实时调度中，用户将按照事前约定的合同执行用电计划，将用电控制权上交给聚合商，聚合商则根据实时电价和用电量向用户收取电费，获得收入。但是，实时调度中存在由电网和用户两方面造成的不确定性。由于新能源发电具有不确定性，因此电网日前发布的计划发电量并不一定总等于实际新能源出力。电网计及新能源出力的不确定性，向聚合商发布实时新能源出力，根据电网实时调度时发布的新能源出力预测，聚合商需要对其用电计划进行调整。在用户侧，可能由于以下两方面原因造成违约：
[0127] ①为满足舒适度或节省电费等原因，主观造成违约。
[0128] ②由于实时调度是离散状态控制，且负荷具有特定物理属性，客观造成违约。
[0129] 综上，用户的计划用电量并不一定总等于实际用电量，对于超出计划的用户用电，聚合商需要向电网购买额外的电力以满足用户需求，故有必要考虑用户违约对实时调度造成的影响。视用户违约电量ξ服从截断正态分布，则ξ在[ξl,ξu]内的概率密度函数如下式所示：
[0130]
[0131] 其中，φ、Φ分别表示标准正态分布的概率密度函数及其累积分布函数，ξ、μξ、σξ分别表示密度函数的自变量、均值和标准差。
[0132] 可得用户的违约电量期望如下：
[0133]
[0134] 设置截断分布的上限ξu＝Q′和下限ξl＝0，则用户的违约电量Q在[0,Q’]范围内。通过改变截断分布的均值和方差，可研究不同的用户违约分布对调度的差异影响。由于这不是本发明的主要研究内容，将问题简化为μξ＝0，σξ＝κQ′，其中κ为体现不同用户差异的系数，取值范围[0,1]。由此得到简化的违约电量期望为：
[0135]
[0136] 根据用户违约期望，可得聚合商的违约率为：
[0137]
[0138] 在计及用户违约的基础上，聚合商以收益最大为目标进行调度。聚合商的收益如下式所示：
[0139]
[0140] 其中， 是决策变量，为属于聚合商i的用户在t时刻的实时用电量，pr_t为实时电价， 为属于聚合商i的用户在t时刻违约造成的聚合商需向电网购买电量，且有qp_t＞0，pp_t为与电网协议的购售电电价；该目标函数表示，聚合商实时调度的收益来源于用户缴纳电费获得的收入，扣除向电网购电的支出后剩余的部分。
[0141] 在实时调度中需考虑以下约束：用户用电量上下限约束、供需平衡约束、节点潮流方程约束、节点电压约束、节点相角约束以及家庭负荷建模约束。
[0142] 利用本实时例模型，在如图3的IEEE33节点配电系统基础上，加入四种不同灵活性的聚合商进行调度，聚合商灵活性如表2所示。各聚合商初始用电情况如图6。
[0143] 表2聚合商的灵活性
[0144]聚合商 1 2 3 4
灵活性 0.55 0.52 0.41 0.48
[0145] 节点3和节点5处接入分布式光伏，光伏日前预测出力、实时出力以及聚合商总用电情况如图4所示。结果表明，基于本调度模型，各聚合商竞争消纳新能源以得到自身利益最大化。由图5可知，由于不同聚合商根据其灵活性主动参与新能源消纳，博弈模型激励电价更高，聚合商收益更高。图7为调度后各聚合商用电情况，对比图6，各聚合商在新能源出力占比高的时段用电显著上升，增加了系统新能源消纳能力和稳定性。
[0146] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
