薛 雪,石文星，孫 天，袁宜峰

(1. 清華大學(xué) 建筑學(xué)院 建筑技術(shù)科學(xué)系，北京 100083；2. 深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

近年來(lái)，人們?cè)谥悄茈娋W(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，尤其在電氣設(shè)備及系統(tǒng)、傳感和測(cè)量技術(shù)、信息和通信技術(shù)、決策支持系統(tǒng)和自動(dòng)控制策略等方面做出了較大的貢獻(xiàn)[1-12]。但上述研究多數(shù)僅關(guān)注智能電網(wǎng)的電力供給側(cè)層面，少有關(guān)注電力需求側(cè)層面，例如,建筑作為用電大戶在電力供需失衡方面可發(fā)揮的正面作用及其與電力供給之間存在的博弈關(guān)系。實(shí)際上，建筑作為電力需求側(cè)的主要用戶，在幫助電網(wǎng)“移峰填谷”緩解電力失衡方面具有巨大潛力。

隨著智能電表的應(yīng)用和普及，如今住宅建筑也能參與智能電網(wǎng)的深度整合和優(yōu)化[13]。與住宅建筑相比，商業(yè)建筑在建筑類別總用電量占比較大，該比例在市區(qū)尤為明顯(例如，香港的商業(yè)建筑用電量占比超過(guò)建筑總電量的65%[14])。關(guān)于商業(yè)建筑與電網(wǎng)的大量研究目前主要仍是集中在各類主動(dòng)蓄能(如冰蓄冷)及被動(dòng)蓄能(如建筑熱質(zhì)蓄能[15-16])應(yīng)用等方面。

商業(yè)建筑的電力負(fù)荷管理通常主要關(guān)注其中央空調(diào)系統(tǒng)的電力負(fù)荷管理，原因有二：中央空調(diào)系統(tǒng)用電量在商業(yè)建筑總電量占比超過(guò)45%[17]；中央空調(diào)系統(tǒng)的電力負(fù)荷管理可通過(guò)樓宇自控系統(tǒng)BAS(Building Automation System)進(jìn)行靈活、有效的調(diào)控。以往關(guān)于中央空調(diào)系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)控制策略的研究多數(shù)是基于特定電價(jià)進(jìn)行的運(yùn)營(yíng)成本優(yōu)化[18]，但這類建筑電力負(fù)荷管理策略的研究是在一種單向、被動(dòng)的電價(jià)環(huán)境下進(jìn)行的，缺乏考慮電價(jià)及用戶響應(yīng)能力變化的互動(dòng)。商業(yè)建筑電力負(fù)荷管理與智能電網(wǎng)電價(jià)博弈方面的研究更加少見(jiàn)。電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)劃仍是依據(jù)終端電力用戶的歷史用電數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行電力預(yù)測(cè)，并加上一定比率的冗余備用電力進(jìn)行實(shí)際運(yùn)作，這種傳統(tǒng)方法很可能造成電網(wǎng)電力資源的極大浪費(fèi)。

為了實(shí)現(xiàn)建筑在電力需求側(cè)舒緩電網(wǎng)供需失衡，并協(xié)助電網(wǎng)提前了解終端用戶的用電需求及其在動(dòng)態(tài)電價(jià)下的用電“彈性”，本文通過(guò)電力動(dòng)態(tài)定價(jià)和建筑熱質(zhì)蓄能量化，提出了一種智能電網(wǎng)與建筑進(jìn)行信息交互的電力負(fù)荷管理框架及策略。利用建筑的用能信息(如單體建筑電力負(fù)荷的“移峰填谷”潛力、群體建筑電力負(fù)荷的集總曲線等數(shù)據(jù))為智能電網(wǎng)的發(fā)電安排、調(diào)度安排、降低冗余備用電力比率以及動(dòng)態(tài)定價(jià)提供參考。值得一提的是，建筑的用能信息可通過(guò)樓宇自控系統(tǒng)獲取，同時(shí)樓宇自控系統(tǒng)又能成為商業(yè)建筑融入智能電網(wǎng)的對(duì)接基礎(chǔ)平臺(tái)，該平臺(tái)為電網(wǎng)供需兩側(cè)的實(shí)時(shí)互動(dòng)提供了可行的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 建筑熱物理模型與負(fù)荷管理

商業(yè)建筑的電力負(fù)荷通常由建筑中的各類機(jī)電系統(tǒng)及設(shè)備負(fù)荷(如空調(diào)、照明、電機(jī)、電梯等)組成。照明及其他電機(jī)設(shè)備的電力需求通常為即時(shí)性的“剛性需求”，其所需求的負(fù)荷不具有可變的“彈性”或“滯后性”特征。由于建筑熱質(zhì)(如建筑混凝土結(jié)構(gòu)及建筑材料等)具備一定的蓄冷蓄熱能力以及空調(diào)系統(tǒng)用能具有較大滯后性的運(yùn)行特點(diǎn)，相較其他機(jī)電系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的電力負(fù)荷則具有更多的非即時(shí)性的用電“彈性”，因此，建筑熱質(zhì)的熱物理特性(例如熱阻和熱容)對(duì)于熱能存儲(chǔ)和空調(diào)負(fù)荷曲線管理而言尤為重要[19]。由于建筑熱質(zhì)廣泛存在于既有建筑和新建建筑，本文針對(duì)建筑熱質(zhì)的蓄熱能力及其特性進(jìn)行研究。

例如在我國(guó)南方的夏季，商業(yè)建筑的冷負(fù)荷往往與電網(wǎng)的尖峰負(fù)荷重疊，因而加劇了夏季電網(wǎng)電力供需失衡，進(jìn)而造成需要“拉閘限電”的情況。針對(duì)電網(wǎng)區(qū)域級(jí)/城市級(jí)的應(yīng)用，商業(yè)建筑的冷負(fù)荷及負(fù)荷曲線的非即時(shí)性“彈性”特征可通過(guò)采用簡(jiǎn)化的建筑熱物理模型[20]，結(jié)合該建筑空調(diào)系統(tǒng)短期(如最近2周內(nèi))供冷運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)得到[16]。當(dāng)建筑及其空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)確定后，未來(lái)供冷期(如次日供冷周期)的冷負(fù)荷即可快速而準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)[21]。該建筑電力負(fù)荷響應(yīng)能力也可通過(guò)比較空調(diào)系統(tǒng)不同的控制策略計(jì)算得到。

1.1 簡(jiǎn)化的建筑熱物理模型

本文采用一種簡(jiǎn)化的建筑熱物理模型和空調(diào)系統(tǒng)短期供冷運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)建筑的冷負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文主要考慮我國(guó)南方地區(qū)夏季供冷季節(jié)中央空調(diào)系統(tǒng)在建筑電力負(fù)荷互動(dòng)的情形，暫未考慮建筑熱負(fù)荷的情形。事實(shí)上，建筑熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)及其相關(guān)應(yīng)用也可采用本文描述的建筑熱物理模型和對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行評(píng)估。簡(jiǎn)化的建筑熱物理模型如圖1所示，其主要由2個(gè)子模塊組成：由3個(gè)熱阻和2個(gè)熱容表征的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(如建筑外墻和屋頂)模塊(3R2C模塊)；由2個(gè)熱阻和2個(gè)熱容表征的建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料(如內(nèi)墻、樓板、隔板、家具等)模塊(2R2C模塊)。圖中,C和R分別為熱容和熱阻；T為溫度；Q為傳熱負(fù)荷；t為時(shí)間；下標(biāo)“i”為不同朝向墻體編號(hào)，“rf”表示屋頂，“e”表示外墻，“in”表示室內(nèi)空氣，“im”表示建筑內(nèi)部“熱質(zhì)”，“r”表示熱輻射，“conv”表示熱對(duì)流，“fr”表示新風(fēng)，“l(fā)a”表示潛熱得熱，“act”表示當(dāng)前冷負(fù)荷，“win”表示窗戶，“sol”表示太陽(yáng)輻射，“out”表示室外。

圖1 簡(jiǎn)化的建筑熱物理模型Fig.1 Simplified thermal physical model of building

根據(jù)熱平衡原理，建筑的空調(diào)負(fù)荷可由下列公式計(jì)算得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中，Qest為預(yù)測(cè)冷負(fù)荷；Rrf,s為建筑樓頂屋面的熱阻；n為建筑墻體朝向的總數(shù)量，本文中n=4(建筑的4個(gè)朝向面)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱容與熱阻通過(guò)建筑材料理論頻率響應(yīng)特性曲線的比較來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，并由遺傳算法擬合得出。而建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料的熱容與熱阻則通過(guò)訓(xùn)練及最小化預(yù)測(cè)冷負(fù)荷與實(shí)際冷負(fù)荷的方差擬合回歸得出。

1.2 簡(jiǎn)化的建筑蓄熱模型

由于建筑熱力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及室內(nèi)外條件，中央空調(diào)系統(tǒng)的電力需求側(cè)響應(yīng)能力主要來(lái)自制冷及供冷過(guò)程(供熱過(guò)程同樣如此)。為了測(cè)算建筑蓄熱材料轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷的能力，本文提出了一種簡(jiǎn)化的建筑蓄熱模型以進(jìn)一步量化建筑熱質(zhì)蓄能能力。

簡(jiǎn)化的建筑蓄熱模型如圖2所示，假設(shè)建筑材料為勻質(zhì)等溫的蓄熱材料。本文研究采用等效溫度Tbui來(lái)表征建筑材料的熱力初始狀態(tài)。在該建筑蓄熱模型中，假設(shè)熱輻射換熱量、對(duì)流換熱量、顯熱量和潛熱量在采用不同控制策略前后不變。建筑材料的熱力特性也可用熱容和熱阻表征。根據(jù)該建筑蓄熱模型建立了如式(8)所示的能量平衡方程，對(duì)其進(jìn)行求解可得到建筑蓄熱材料的能量狀態(tài)方程，如式(9)所示。

(8)

(9)

圖2 簡(jiǎn)化的建筑蓄熱模型Fig.2 Simplified thermal storage model of building

(10)

其中，Cbui為建筑的熱容；Abui為建筑的有效換熱面積；Tbui(0)為建筑蓄熱材料的初始溫度；Text為外部熱源溫度(如室內(nèi)外空氣、室內(nèi)外熱輻射等)；Qrad為建筑內(nèi)外表面所能吸收的熱輻射得熱量;Rbui為建筑的熱阻，其定義為Rbui=Rbui,oRbui,i/(Rbui,o+Rbui,i)；τ為建筑蓄熱材料的時(shí)間常數(shù)，其定義為τ=RbuiCbui。

盡管不同類型的商業(yè)建筑(如輕型建筑、中型建筑和重型建筑)有不同的蓄熱能力和能效表現(xiàn)，該儲(chǔ)熱模型都可以較好地表征它們的熱物理特性和潛在供冷減少量。在該蓄熱模型中，建筑的熱容Cbui和熱阻Rbui,i、Rbui,o都可通過(guò)建筑空調(diào)系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定。

圖3 簡(jiǎn)化的建筑蓄熱模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Validation results of simplified thermal storage model of building

1.3 空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷管理

商業(yè)建筑空調(diào)負(fù)荷管理的基本原理是其中央空調(diào)系統(tǒng)在非辦公時(shí)間段通過(guò)預(yù)冷控制提前將冷量存儲(chǔ)在建筑熱質(zhì)中，在辦公時(shí)間段則通過(guò)設(shè)定室內(nèi)溫度的控制策略將存儲(chǔ)在建筑熱質(zhì)中的冷量再次釋放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷在時(shí)間維度上的轉(zhuǎn)移。中央空調(diào)系統(tǒng)的電力負(fù)荷因而也伴隨著空調(diào)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了建筑總用電維度的“移峰填谷”。

如前所述，建筑冷負(fù)荷是評(píng)估電力需求側(cè)響應(yīng)潛力的前提，因此非常有必要找出影響建筑冷負(fù)荷的關(guān)鍵因素。除建筑熱物理特性外，建筑冷負(fù)荷還受室外天氣和室內(nèi)潛熱、顯熱、輻射得熱等因素影響。簡(jiǎn)化的建筑熱物理模型中參數(shù)可通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)短期供冷運(yùn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到。室外天氣信息通常從當(dāng)?shù)貧庀缶?臺(tái))獲取，室內(nèi)得熱情況則由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取。為保證室內(nèi)人員的熱舒適性，在辦公時(shí)間段室內(nèi)的溫濕度將嚴(yán)格控制在一定的舒適區(qū)間內(nèi)；但在非辦公時(shí)間(如夜間)則可不考慮人體熱舒適性，室內(nèi)溫度下調(diào)至低于舒適性空調(diào)規(guī)定值，從而使得空氣中的冷量?jī)?chǔ)存進(jìn)建筑熱質(zhì)中。中央空調(diào)系統(tǒng)的電力負(fù)荷峰值時(shí)段便可通過(guò)冷量存儲(chǔ)和釋放的過(guò)程轉(zhuǎn)移到非峰值時(shí)段。

表1 冷負(fù)荷管理的溫度控制策略Table 1 Temperature control strategies for cooling load management

建筑中央空調(diào)系統(tǒng)不同的預(yù)冷控制策略對(duì)應(yīng)不同的冷負(fù)荷曲線，將它們與控制策略參考基準(zhǔn)的冷負(fù)荷曲線進(jìn)行對(duì)比，即可評(píng)估該建筑的冷負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力。下文給出了建筑的冷負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力的例子。在典型夏日，通過(guò)當(dāng)?shù)?香港)氣象局(臺(tái))獲取當(dāng)天的天氣信息(如室外干球溫度和太陽(yáng)輻射量等)，同時(shí)考慮建筑室內(nèi)得熱情況(包括人員、設(shè)備、照明、新風(fēng)等的顯熱和潛熱)，該建筑熱物理模型參數(shù)已通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)短期供冷運(yùn)行數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和驗(yàn)證得到：建筑熱質(zhì)的熱阻分別為Rei,1=0.083 5 m2·K /W、Rei,3=0.132 2 m2·K /W、Rei,5=0.164 4 m2·K /W、Rim,1=0.299 42 m2·K /W、Rim,2=0.028 18 m2·K /W，建筑熱質(zhì)的熱容分別為Cei,2=253 820 J/(m2·K)、Cei,4=352 850 J/(m2·K)、Cim,1=1 648 729 J/(m2·K)、Cim,2=73 793 J/(m2·K)。

不同控制策略對(duì)應(yīng)的建筑冷負(fù)荷曲線因而可提前預(yù)估(通常提前一天)，假設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng)的整體性能系數(shù)COP(Coefficient Of Performance)為固定值(本文取為2)，中央空調(diào)系統(tǒng)的電力負(fù)荷也可作對(duì)應(yīng)預(yù)估。對(duì)比基準(zhǔn)線，表2列出了建筑在不同預(yù)冷情形下的能效情況。

表2 建筑熱質(zhì)的熱物理特性Table 2 Thermal physical characteristics of building thermal mass

與常規(guī)控制策略相比，中央空調(diào)系統(tǒng)能耗雖在預(yù)冷階段增加了，但在辦公時(shí)間段卻相應(yīng)減少了。測(cè)試結(jié)果表明，建筑實(shí)現(xiàn)了辦公時(shí)間段(09∶00—18∶00) 的電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移。在上述算例中，輕度預(yù)冷模式的蓄能效率最高；在延長(zhǎng)預(yù)冷時(shí)間及降低預(yù)冷設(shè)定溫度的情況下，負(fù)荷轉(zhuǎn)移比例隨之增高?？刂撇呗詫?duì)應(yīng)的蓄能效率越低，則表明其額外能耗增加比例越高。蓄能效率、平均能量?jī)?chǔ)存效率、能耗增加比例、負(fù)荷轉(zhuǎn)移比例的定義分別如式(11)—(14)所示。

(11)

(12)

(13)

(14)

如上文所述，單體建筑的電力負(fù)荷曲線及電力需求側(cè)響應(yīng)能力可以提前預(yù)測(cè)和評(píng)估，因此凡是配備中央空調(diào)系統(tǒng)的建筑，都可以根據(jù)不同預(yù)冷控制策略及不同電價(jià)政策預(yù)先繪制一張有多個(gè)選項(xiàng)的電力負(fù)荷曲線圖，進(jìn)而用于實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)營(yíng)成本的優(yōu)化。與此同時(shí)，這些電力負(fù)荷曲線和電力需求側(cè)響應(yīng)能力對(duì)于智能電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度及決策也起著非常重要的作用。

2 博弈機(jī)制

本文針對(duì)動(dòng)態(tài)電價(jià)提出了一種建筑電力運(yùn)營(yíng)成本的優(yōu)化方法。同時(shí)，根據(jù)群體建筑電力負(fù)荷特征曲線提出了一種簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)電價(jià)博弈機(jī)制。依據(jù)該機(jī)制，電力供給側(cè)和需求側(cè)的最佳匹配結(jié)果最終可由動(dòng)態(tài)電價(jià)與動(dòng)態(tài)負(fù)荷管理博弈確定。

2.1 運(yùn)營(yíng)成本核算

相較于定價(jià)方式(如分時(shí)電價(jià))，動(dòng)態(tài)電價(jià)(又稱實(shí)時(shí)電價(jià))可更加合理地呈現(xiàn)電力的邊際成本，其已成為智能電網(wǎng)電力定價(jià)機(jī)制趨勢(shì)。本文提出了一種依據(jù)動(dòng)態(tài)電價(jià)的電力運(yùn)營(yíng)成本函數(shù)(僅考慮用電量費(fèi)用)，如式(15)所示。

(15)

其中，copn為建筑某天24 h的電力運(yùn)營(yíng)成本；αi為動(dòng)態(tài)電價(jià)第i時(shí)段的單價(jià)；qi為第i時(shí)段的用電量；N為一天24 h內(nèi)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)。在既定的電價(jià)下，可快速預(yù)估建筑在不同控制策略下的電力負(fù)荷曲線及相應(yīng)的電力運(yùn)營(yíng)成本，進(jìn)而便可確定最低電力運(yùn)營(yíng)成本的中央空調(diào)系統(tǒng)預(yù)冷控制策略。群體建筑的電力負(fù)荷曲線信息集總之后也可傳輸給智能電網(wǎng)作為電力動(dòng)態(tài)定價(jià)信息參考。

2.2 動(dòng)態(tài)定價(jià)機(jī)制

動(dòng)態(tài)電價(jià)機(jī)制的基本原理為：電力用戶在一定的時(shí)間間隔內(nèi)(如15 min或1 h),根據(jù)其所需的電力負(fù)荷比例分?jǐn)偪傠娏Τ杀?如式(16)、(17)所示。其中，電力負(fù)荷比例定義為某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的實(shí)際電力負(fù)荷值qi與全天平均電力負(fù)荷值qavg的比值。本文采用的動(dòng)態(tài)電價(jià)時(shí)間間隔為0.5 h(即每天48個(gè)時(shí)段)。動(dòng)態(tài)電價(jià)定價(jià)機(jī)制有一個(gè)前提條件，即最終的供電收入(含因“移峰填谷”帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省費(fèi)用)不低于最初的供電收入；另外一個(gè)重要的限制條件則是2個(gè)相鄰時(shí)間段的電價(jià)變化率。上述2個(gè)條件可分別用式(18)和式(19)表示。

(16)

(17)

(18)

(19)

其中，αi,int、αi,fin分別為博弈前、后動(dòng)態(tài)電價(jià)第i時(shí)段的單價(jià)；qi,int、qi,fin分別為第i時(shí)段博弈前、后用電量；qavg為全天平均用電量；θ為控制參數(shù)，其值在0～1之間；cmar為單位電量的邊際成本；csav為博弈后與博弈前可節(jié)省的用電成本；a為一天中最高電價(jià)與最低電價(jià)差值的限制參數(shù)；r為電力用戶可接受的電價(jià)變化率;N為一天24小時(shí)內(nèi)的電力定價(jià)時(shí)間段數(shù)，本文中N=48。

2.3 動(dòng)態(tài)負(fù)荷管理

盡管許多國(guó)家已應(yīng)用動(dòng)態(tài)電價(jià)機(jī)制，但幾乎所有的電力定價(jià)方案都是由電力供給方單方面決定的，而電力用戶只能被動(dòng)接受電價(jià)并根據(jù)電價(jià)調(diào)整其用電策略。如果電力定價(jià)方案考慮電力用戶的動(dòng)態(tài)需求和負(fù)荷管理潛力，那么具備博弈機(jī)制的電力動(dòng)態(tài)定價(jià)就能更加合理。

圖4 建筑與智能電網(wǎng)博弈機(jī)制的示意圖Fig.4 Schematic diagram of game mechanism between buildings and smart grid

建筑的負(fù)荷曲線會(huì)隨著建筑的電力負(fù)荷控制策略(即電力負(fù)荷管理)和動(dòng)態(tài)電價(jià)變化而變化，并通過(guò)可變負(fù)荷預(yù)測(cè)器實(shí)現(xiàn)建筑負(fù)荷的在線預(yù)測(cè)。在多輪交互與博弈后，最終可達(dá)到智能電網(wǎng)電力供給與電力用戶之間電價(jià)和用電量的最佳平衡。

圖5展示了一個(gè)智能電網(wǎng)與商業(yè)建筑的信息交互框架。樓宇自控系統(tǒng)已經(jīng)具備將建筑融入智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)條件?，F(xiàn)今信息與通信技術(shù)(如標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放的通信協(xié)議TCP/IP)已經(jīng)在商業(yè)建筑中廣泛應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)因其較好的兼容性和靈活性，在未來(lái)智能電網(wǎng)信息化的進(jìn)程中將會(huì)成為最具潛力的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。中央空調(diào)系統(tǒng)及其他建筑機(jī)電系統(tǒng)的電力負(fù)荷曲線以及電力需求側(cè)響應(yīng)能力等建筑用能信息可快速?gòu)臉怯钭钥叵到y(tǒng)獲得。建筑電力負(fù)荷管理與智能電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電價(jià)的有效互動(dòng)和博弈也可通過(guò)樓宇自控系統(tǒng)集成到智能電網(wǎng)的先進(jìn)的計(jì)量架構(gòu)AMI(Advanced Metering Infrastructure)中實(shí)現(xiàn)。

圖5 智能電網(wǎng)集成樓宇自控系統(tǒng)的通信框架Fig.5 Communication framework of smart grid integrated with BAS

3 仿真結(jié)果

本文使用FORTRAN語(yǔ)言編寫程序,仿真了9種建筑類型(即不同類別建筑熱質(zhì)和不同窗墻面積比)共245座建筑的電力需求側(cè)響應(yīng)能力，以及電力動(dòng)態(tài)定價(jià)與動(dòng)態(tài)負(fù)荷管理的博弈過(guò)程。該仿真程序被模塊化成一個(gè)部件嵌入到瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序TRNSYS中，進(jìn)而用于較大規(guī)模的群體建筑和智能電網(wǎng)區(qū)域級(jí)/城市級(jí)的案例進(jìn)行仿真。

圖6和圖7展示了電力負(fù)荷曲線與動(dòng)態(tài)電價(jià)之間的4個(gè)互動(dòng)過(guò)程。首先，收集初始的集總電力負(fù)荷曲線用來(lái)制定初始電價(jià)；其次，電力用戶根據(jù)初始電價(jià)信息進(jìn)行第一輪的電力需求側(cè)響應(yīng)，從而生成各自的新電力負(fù)荷曲線。在完成第一輪電力需求側(cè)響應(yīng)之后，各電力用戶的負(fù)荷曲線加總形成的集總電力負(fù)荷曲線會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。電力動(dòng)態(tài)電價(jià)接下來(lái)會(huì)進(jìn)一步依據(jù)更新的集總電力負(fù)荷曲線進(jìn)行重新定價(jià)直到集總電力負(fù)荷曲線最終趨于穩(wěn)定(即電力負(fù)荷曲線和動(dòng)態(tài)電價(jià)達(dá)至最優(yōu)的平衡)。盡管電力的邊際成本受到初始投資成本、能源成本、經(jīng)濟(jì)和利潤(rùn)等因素影響，本文仿真中暫不考慮上述因素，而僅采用電價(jià)比表征電價(jià)高低(即在實(shí)際的電力市場(chǎng)中，電價(jià)應(yīng)為電力的邊際成本乘以該電價(jià)比)，如圖6所示。

圖6 與集總電力負(fù)荷曲線博弈后的動(dòng)態(tài)電價(jià)定價(jià)過(guò)程Fig.6 Dynamic pricing process after game with aggregated load curve

圖7 與動(dòng)態(tài)電價(jià)博弈后的動(dòng)態(tài)電力負(fù)荷管理過(guò)程Fig.7 Dynamic load management process after game with dynamic price

與基準(zhǔn)集總電力負(fù)荷曲線(即初始的集總電力負(fù)荷曲線)相比，最終博弈平衡后所確定的集總電力負(fù)荷曲線總能耗僅上升3.14%，建筑熱質(zhì)的平均能量?jī)?chǔ)存效率為71.27%。通過(guò)應(yīng)用本文所提出的電力負(fù)荷管理策略，該建筑群可以協(xié)助智能電網(wǎng)將7.67% 的電力負(fù)荷從辦公時(shí)間段轉(zhuǎn)移至非辦公時(shí)間段?？紤]到電網(wǎng)在電力需求低谷期的發(fā)電量極有可能因缺乏高性價(jià)比的儲(chǔ)存介質(zhì)而造成能源浪費(fèi)，本文所提出的建筑電力負(fù)荷互動(dòng)管理策略在電網(wǎng)整體層面上是可實(shí)現(xiàn)能源的有效利用和節(jié)省的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)定智能電網(wǎng)電力供需兩側(cè)可進(jìn)行電力信息交互并實(shí)施電力負(fù)荷管理框架，采用示例模擬研究的方法驗(yàn)證了電力供需雙方互動(dòng)博弈最終達(dá)到平衡的可行性。此外，本文通過(guò)簡(jiǎn)化的建筑熱物理模型對(duì)建筑熱質(zhì)的蓄能特性進(jìn)行研究。考慮到未來(lái)建筑參與智能電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)的可能性，本文總結(jié)和建議如下。

建筑熱質(zhì)作為一種普遍且常見(jiàn)的蓄能介質(zhì)，可考慮將其用于緩解電力供需失衡。尤其是越來(lái)越多不穩(wěn)定的新能源電力接入智能電網(wǎng)，此時(shí)可將建筑熱質(zhì)視為一種“建筑熱能電池”加以利用。

樓宇自控系統(tǒng)已有成熟可靠的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議以及廣泛的應(yīng)用，使得商業(yè)建筑可提供較為全面的建筑信息和用電數(shù)據(jù)。這不僅可以幫助智能電網(wǎng)優(yōu)化電能使用效率，而且可以通過(guò)電力供給側(cè)和需求側(cè)的雙向交互最終將樓宇自控系統(tǒng)有機(jī)集成到智能電網(wǎng)中。而在未來(lái)智能電網(wǎng)的應(yīng)用中，通過(guò)需求側(cè)用電負(fù)荷預(yù)測(cè)的信息冗余有可能提高智能電網(wǎng)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。