朱月堯, 祁 佟, 吳星辰, 劉 迪, 華昊辰

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司,江蘇 淮安 210000; 2. 山東科技大學(xué) 智能裝備學(xué)院,山東 泰安 271019; 3. 清華大學(xué) 自動(dòng)化系,北京 100084; 4. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院,南京 211100)

2021年9月,《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》(中發(fā)[2021]36號(hào),以下簡稱為36號(hào)文件)強(qiáng)調(diào)了能源綠色低碳發(fā)展在“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)上的關(guān)鍵作用[1].36號(hào)文件的出臺(tái)意味著電力體制改革不僅是電力行業(yè)的內(nèi)部要求,更是“雙碳”目標(biāo)背景下社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要舉措.電價(jià)改革是電力體制改革的核心內(nèi)容,考慮碳排放以完善電價(jià)機(jī)制是減少電力行業(yè)碳排放的有效途徑.

以電力市場和碳市場為手段的市場機(jī)制是電力行業(yè)低碳發(fā)展的保障.受到碳排放政策的制約,當(dāng)化石能源發(fā)電企業(yè)的實(shí)際碳排放量高于配額量時(shí),企業(yè)為了足額履約,需向富裕配額量的企業(yè)購買一部分配額,否則將面臨懲罰.在碳市場中,碳排放量過大的化石能源發(fā)電企業(yè)的成本(以下簡稱為碳成本)將會(huì)增加[2],碳配額富裕的部分發(fā)電企業(yè)則可通過售賣配額的方式獲得額外的收益.這種成本的增減可以促進(jìn)企業(yè)自發(fā)減排.在碳排放成本的影響下,市場中電力供給與電力需求的動(dòng)態(tài)平衡會(huì)受到碳交易的影響[3],進(jìn)而供需兩側(cè)的優(yōu)化決策也隨之變化.

由于可再生能源的調(diào)節(jié)靈活性較差,所以在高比例新能源的新型電力系統(tǒng)內(nèi),需求側(cè)管理在電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行中愈發(fā)重要[4-5].電力市場準(zhǔn)入機(jī)制的約束使得大量中小型用戶不能夠直接參與電力市場,需要通過售電商從市場中獲得所需電量[6].為了實(shí)施更加高效、經(jīng)濟(jì)的需求響應(yīng)計(jì)劃,文獻(xiàn)[7]提出構(gòu)建邊云協(xié)同框架實(shí)現(xiàn)住宅需求響應(yīng)的預(yù)測.文獻(xiàn)[8]綜合分布式負(fù)荷的需求響應(yīng)提出基于云邊緣計(jì)算架構(gòu)的能量管理算法.文獻(xiàn)[9]提出基于云邊協(xié)同的需求響應(yīng)調(diào)度策略用于優(yōu)化調(diào)度的時(shí)延問題.為了提升自身效益,售電商可以面向用戶實(shí)施需求響應(yīng)以引導(dǎo)用戶改變電力消費(fèi)行為.需求響應(yīng)可以分為價(jià)格型和激勵(lì)型,其中激勵(lì)型需求響應(yīng)更為靈活,而價(jià)格型需求響應(yīng)包括尖峰電價(jià)、分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)等[10-11],更加適合大范圍推廣.目前分時(shí)電價(jià)機(jī)制已經(jīng)在我國全面普及,因此本文關(guān)注價(jià)格型需求響應(yīng)機(jī)制.文獻(xiàn)[12]基于分時(shí)電價(jià)構(gòu)建售電決策模型來引導(dǎo)用戶用電.文獻(xiàn)[13]將分時(shí)電價(jià)的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為博弈問題,對(duì)用戶的功率求解到最優(yōu).文獻(xiàn)[14]根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)設(shè)計(jì)微網(wǎng)運(yùn)行模式,優(yōu)化微網(wǎng)內(nèi)功率分配.文獻(xiàn)[15]考慮到電力市場電價(jià)的隨機(jī)性,針對(duì)隨機(jī)電價(jià)利用模型預(yù)測確定最優(yōu)電力調(diào)度方案.文獻(xiàn)[16]提出基于折扣因子的需求響應(yīng)機(jī)制,考慮用戶間的差異性.但上述研究均未考慮需求側(cè)的碳減排問題.

針對(duì)能源系統(tǒng)中的碳排放問題,目前已有一些研究成果.文獻(xiàn)[17]對(duì)電力碳排放權(quán)交易市場進(jìn)行擴(kuò)展研究.文獻(xiàn)[18]從發(fā)電、輸電、配電等環(huán)節(jié)考慮電力行業(yè)中碳排放的變化.文獻(xiàn)[19]分析歐盟碳市場與電力市場之間的相互作用機(jī)理.文獻(xiàn)[20]從社會(huì)效益達(dá)到最優(yōu)角度出發(fā),提出電碳聯(lián)動(dòng)前提下的發(fā)電權(quán)交易模型,但所提出的模型難以從數(shù)值上準(zhǔn)確反映出電、碳二者的耦合關(guān)系.上述研究多是從發(fā)電側(cè)的角度針對(duì)能源系統(tǒng)的碳排放展開研究,但供給側(cè)的發(fā)電量會(huì)隨著電力消費(fèi)需求變化,因此能源系統(tǒng)碳排放實(shí)際上是由消費(fèi)者引起的,能源系統(tǒng)的碳排放成本最終也應(yīng)由需求側(cè)承擔(dān)[21].

目前電力消費(fèi)的碳排放多基于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)的計(jì)量方法,采用固定系數(shù)計(jì)算單位電力消費(fèi)的碳排放.由于可再生能源出力占比不同,電力系統(tǒng)中不同時(shí)段單位發(fā)電量產(chǎn)生的碳排是變化的,目前基于固定系數(shù)的需求側(cè)電力消費(fèi)碳排放計(jì)量方法很難反映不同時(shí)段電力消費(fèi)引起碳排放的差別,所以無法引導(dǎo)用戶改變電力消費(fèi)行為實(shí)現(xiàn)碳減排.

綜上,為了充分挖掘需求側(cè)可調(diào)節(jié)資源的靈活性潛力,引導(dǎo)用戶改變電力消費(fèi)行為實(shí)現(xiàn)碳減排,需解決兩個(gè)關(guān)鍵問題:一是如何將碳排放量和發(fā)電量之間的耦合關(guān)系融合到電價(jià)機(jī)制中;二是如何在電價(jià)機(jī)制加入碳成本的情況下,將固定碳成本轉(zhuǎn)化為靈活碳成本.針對(duì)以上問題,本文在建立碳排放量與光伏發(fā)電量數(shù)值關(guān)系的前提下,將折扣因子(γ)的概念引入價(jià)格型需求響應(yīng)以及碳排放調(diào)節(jié)當(dāng)中,使產(chǎn)消者[22]通過積極響應(yīng)需求響應(yīng)機(jī)制在不同時(shí)段獲得更低的折扣價(jià)格.利用這種方法,在引導(dǎo)用戶積極響應(yīng)改變用電行為、加強(qiáng)分布式能源就地消納的同時(shí),還能達(dá)到更好的碳減排效果.

1 實(shí)施架構(gòu)及碳減排分析

目前越來越多用戶群體裝設(shè)分布式光伏,本文將這些用戶群體定義為產(chǎn)消者[22].假設(shè)每個(gè)用戶均裝設(shè)有智能終端,可以對(duì)用戶內(nèi)部的負(fù)荷優(yōu)化控制[23].售電商作為整個(gè)運(yùn)營系統(tǒng)的核心[24],當(dāng)產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量有剩余時(shí),會(huì)對(duì)其進(jìn)行回收,并將多余的電量出售給外電網(wǎng),以此來達(dá)到供需平衡.傳統(tǒng)電力行業(yè)的能源消耗主要來源于高污染煤炭.由化石能源發(fā)電作為主力電源的供應(yīng)側(cè),是電力行業(yè)碳排放的主要來源.而可再生能源發(fā)電過程中的碳排放可忽略不計(jì),因此利用可再生能源代替化石能源,可有效實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)的清潔化.針對(duì)我國以火電為主的現(xiàn)狀,假設(shè)從市場中購電需承擔(dān)碳排放責(zé)任,而本地分布式光伏所發(fā)電量的碳排放為0.為了引導(dǎo)能源系統(tǒng)碳減排,碳排放引起的環(huán)境污染成本需要發(fā)電企業(yè)承擔(dān),并通過碳配額和碳交易市場實(shí)現(xiàn),本文稱之為碳排放成本內(nèi)部化.不同于以往的碳配額分配[25]調(diào)節(jié),本文將傳統(tǒng)發(fā)電后形成的碳排放量內(nèi)部化后的碳成本直接歸算到電價(jià)中進(jìn)行傳導(dǎo).售電商的運(yùn)營架構(gòu)簡圖如圖1所示.

由圖可見,將火力發(fā)電產(chǎn)生的碳排放內(nèi)部化為碳成本,外電網(wǎng)將由碳成本和基礎(chǔ)電價(jià)共同構(gòu)成的購電和售電價(jià)格發(fā)送給售電商.其中,市場的供求會(huì)決定電力市場下的電力價(jià)格,而其他環(huán)境下的電力價(jià)格將由政府政策決定.此外,在電價(jià)制定過程中,售電商除了與外電網(wǎng)進(jìn)行信息與能量交互以外,與周圍其他售電商之間也可以進(jìn)行交互.某個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)售電商之間可以相互傳遞購、售電量以及購電、售電價(jià)格信息,合作協(xié)商統(tǒng)一制定電價(jià)后向外電網(wǎng)進(jìn)行購電,由此可達(dá)到降低批發(fā)成本的目的.對(duì)發(fā)電商和售電商的相互作用進(jìn)行分析,將碳成本歸算到外部電價(jià)中,售電商在確定價(jià)格信號(hào)時(shí),統(tǒng)一考慮電力需求側(cè)貢獻(xiàn)以及碳減排的貢獻(xiàn).售電商根據(jù)所獲取的外部電網(wǎng)價(jià)格信息來設(shè)置產(chǎn)消者的價(jià)格信息,而后將價(jià)格信息傳送到智能終端.智能終端接收信息后對(duì)產(chǎn)消者進(jìn)行用電調(diào)節(jié),并將調(diào)節(jié)后的信號(hào)重新發(fā)送到售電商.這個(gè)過程中產(chǎn)消者本身不會(huì)產(chǎn)生碳排放,碳成本被引入價(jià)格中進(jìn)行傳導(dǎo),以形成減少碳排放條件下的價(jià)格型需求響應(yīng)機(jī)制.

不同類型負(fù)荷的產(chǎn)消者具有差異化的調(diào)節(jié)彈性[26].為體現(xiàn)用戶的差異,文獻(xiàn)[27-28]根據(jù)用戶參與需求響應(yīng)的貢獻(xiàn)給予不同激勵(lì).在價(jià)格型需求響應(yīng)中,每個(gè)用戶的單位電價(jià)相同,為體現(xiàn)用戶貢獻(xiàn)的差異,提出基于折扣因子的價(jià)格型需求響應(yīng)激勵(lì)機(jī)制.參考博弈論中Shapley值的計(jì)算方法,用戶在調(diào)節(jié)中對(duì)經(jīng)濟(jì)成本降低和碳減排的貢獻(xiàn)越大,獲得的折扣就越大,從而用電成本越低.產(chǎn)消者無論具有何種調(diào)節(jié)彈性,均能經(jīng)智能終端決策后在同一時(shí)段內(nèi)得到相同的購電、售電價(jià)格以及折扣系數(shù),以此來保證機(jī)制形式上的公平性.除此以外,整個(gè)系統(tǒng)的最終結(jié)果均應(yīng)呈現(xiàn)積極趨勢,即當(dāng)系統(tǒng)中的用戶終端參與調(diào)節(jié)的積極性越高,對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)越大時(shí),其所能得到的折扣也越大,以此保證結(jié)果的公平性.

不同于傳統(tǒng)的價(jià)格型需求響應(yīng),售電商除了需要決策產(chǎn)消者單位購電價(jià)格Pbuy外,還需要決策相對(duì)應(yīng)的折扣因子,即最終產(chǎn)消者要結(jié)算的電價(jià)為γPbuy,且γ=γ1(k,ΔN)γ2(k,ΔL),γ1為碳成本折扣因子,γ2為電價(jià)折扣因子,k為折扣因子中的折扣系數(shù),決定折扣力度的大小,ΔN為產(chǎn)消者碳減排程度,ΔL為產(chǎn)消者的負(fù)荷改變量,γ1(k,ΔN)與產(chǎn)消者碳減排程度存在一定關(guān)系,產(chǎn)消者碳減排程度越高,碳排放成本越低,從而承擔(dān)的碳成本價(jià)格越低;γ2(k,ΔL)與產(chǎn)消者的負(fù)荷改變存在一定關(guān)系,當(dāng)產(chǎn)消者負(fù)荷的改變量往正方向變大時(shí),折扣因子減小,所需結(jié)算的基礎(chǔ)電價(jià)越低,從而實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)響應(yīng)與碳減排的共同激勵(lì)作用.

2 模型構(gòu)建

2.1 碳排放模型

以光伏發(fā)電為例,將某系統(tǒng)產(chǎn)消者所需的基礎(chǔ)電量看作由產(chǎn)消者光伏發(fā)電和外來發(fā)電組成的一個(gè)整體.即當(dāng)光伏發(fā)電量增加時(shí),可相應(yīng)減少外來發(fā)電量,使得碳排量減少.每日系統(tǒng)需要的總電量定義為Q,每日外來發(fā)電量定義為M,從需求側(cè)出發(fā)產(chǎn)消者每日所需光伏發(fā)電量定義為E,則Q=M+E.將年碳排放約束折合為每日碳排放約束N,求得滿足每日碳排放約束時(shí)外來發(fā)電量M的約束條件為M≤N/g,其中g(shù)為二氧化碳排放因子[29],表示每度電所產(chǎn)生的二氧化碳排放量,具體取值以算例所選取的區(qū)域?yàn)闇?zhǔn).產(chǎn)消者每日所需光伏發(fā)電量為E=1-M/Q.同時(shí),產(chǎn)消者每日實(shí)際光伏發(fā)電量e與每日所需光伏發(fā)電量E滿足e≥E.將每日實(shí)際光伏發(fā)電量多于每日所需光伏發(fā)電量的部分定義為碳減排程度,則其公式為ΔN=e-(1-M/Q).綜合上述得:

ΔN=e+N/gQ-1

(1)

由式(1)可得,若結(jié)果為正,則表示每日實(shí)際光伏發(fā)電量超出每日所需光伏發(fā)電量,所需外來發(fā)電量小于滿足約束條件時(shí)的外來發(fā)電量,此時(shí)碳減排程度增大;若結(jié)果為負(fù),則每日實(shí)際的光伏發(fā)電未達(dá)到每日所需光伏發(fā)電量,碳減排程度減小.同時(shí),將每日實(shí)際光伏發(fā)電量與每日碳排放量(n)建立關(guān)系[30],表示為n=(Q-e)g.

為了使用戶的結(jié)算電價(jià)在一個(gè)合理的范圍,折扣因子在滿足碳成本靈活性的同時(shí),應(yīng)始終保持在某一范圍內(nèi).因此引入一個(gè)虛擬函數(shù)F(x),能夠?qū)⑵溆成涞揭粋€(gè)連續(xù)單調(diào)的有界范圍內(nèi).基于此將產(chǎn)消者i的碳成本折扣因子γ1的表達(dá)式[31]設(shè)計(jì)為γi1=1-F(kΔNi),其中ΔNi為產(chǎn)消者i的碳減排程度.由于雙曲正切函數(shù)存在有界性,取值范圍始終保持在[-1, 1],能滿足折扣因子保持在某一范圍內(nèi)的特點(diǎn);且其單調(diào)性能夠保證在自變量正向或負(fù)向增長這兩種情況下折扣因子不會(huì)存在效果相同的情況.因此,在雙曲正切函數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)碳成本折扣因子.需要指出的是,任何滿足連續(xù)單調(diào)的有界函數(shù)都可作為虛擬函數(shù).以雙曲正切函數(shù)為例,則碳成本折扣因子γ1的表達(dá)式為

γi1=1-F(kΔNi)=1-tanh(kΔNi)

(2)

(3)

當(dāng)產(chǎn)消者的碳減排程度正向增大時(shí),折扣因子隨之減小,此時(shí)產(chǎn)消者所承擔(dān)的碳成本減少;當(dāng)碳減排程度減小,甚至為負(fù)減排時(shí),折扣因子增大,產(chǎn)消者不僅需要承擔(dān)已存在的碳成本,還需承擔(dān)由折扣因子增加帶來的額外碳成本.基于此,本文碳成本折扣因子可使得產(chǎn)消者對(duì)碳排放進(jìn)行控制,從而達(dá)到減排效果.同時(shí),由式(3)可知,無論k如何取值,折扣因子始終能穩(wěn)定到0～2.

2.2 售電商模型

售電商的最終目的是實(shí)現(xiàn)收入最大化.外部電網(wǎng)和產(chǎn)消者均可對(duì)售電商的收益產(chǎn)生影響,售電商可采取制定折扣因子來引導(dǎo)改變產(chǎn)消者的用電行為,使得自身收益得到優(yōu)化.定義售電商收益為I,其收益模型設(shè)置如下:

PinLin+PoutLout

(4)

產(chǎn)消者功率約束應(yīng)滿足如下要求:

(5)

同時(shí),傳輸功率約束為Lin≤Pmax,其中Pmax為售電商最大的傳輸功率.電價(jià)折扣因子γ2與碳成本折扣因子模型類似,同樣以雙曲正切函數(shù)為例,表示如下:

γi2=1-tanh(ksgn(∑Vi-∑Bi)Di)

(6)

式中:Vi為第i個(gè)產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量;sgn為符號(hào)函數(shù)[32],當(dāng)光伏發(fā)電量大于基線負(fù)荷時(shí)取值為1,表示負(fù)荷向正方向調(diào)整,當(dāng)光伏發(fā)電量小于基線負(fù)荷時(shí)取值為-1,表示負(fù)荷向正方向調(diào)整;Bi為第i個(gè)產(chǎn)消者的總基線負(fù)荷;Di為第i個(gè)產(chǎn)消者的負(fù)荷調(diào)節(jié)量,其值為Di=Ai-Bi,其中Ai為第i個(gè)產(chǎn)消者的實(shí)際用電量.

理想情況下,希望總體折扣因子具備以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1) 折扣因子可以體現(xiàn)碳減排程度和負(fù)荷調(diào)節(jié)量兩個(gè)方面對(duì)折扣力度調(diào)整的貢獻(xiàn),且具有公平性,即用戶最終享有折扣僅與其貢獻(xiàn)值有關(guān),總體上折扣因子應(yīng)做到引導(dǎo)用戶向降低負(fù)荷的不平衡、向增大碳減排程度方向調(diào)整.

(2) 折扣因子應(yīng)保證無論碳減排程度或負(fù)荷調(diào)節(jié)量如何,均能使折扣因子在某個(gè)范圍內(nèi),避免出現(xiàn)由于折扣或成本過多而產(chǎn)生價(jià)位不合理的問題.

由此,總折扣因子為

γi=γi1(k,ΔNi)γi2(k,ΔLi)

(7)

由式(7)得折扣因子和產(chǎn)消者負(fù)荷調(diào)節(jié)量、碳減排程度的關(guān)系如圖2所示.由圖2可得,綜合考慮碳減排程度、負(fù)荷調(diào)節(jié)量兩個(gè)因素,當(dāng)產(chǎn)消者的碳減排程度正向增大、負(fù)荷調(diào)節(jié)量增加時(shí),折扣因子隨之減小,此時(shí)產(chǎn)消者需承擔(dān)的電價(jià)減少;當(dāng)負(fù)荷調(diào)節(jié)量減少、碳減排程度減小,甚至為負(fù)減排時(shí),折扣因子增大,產(chǎn)消者不僅需要承擔(dān)原有電價(jià),還需承擔(dān)由額外碳成本和額外電價(jià)所增加的費(fèi)用.基于此,所提出的折扣因子在碳排放進(jìn)行控制的同時(shí),也可起到平衡負(fù)荷調(diào)節(jié)量的作用.當(dāng)折扣系數(shù)k取不同值時(shí),折扣因子的變化靈敏度隨折扣系數(shù)的增大而增大;同時(shí),折扣因子始終能穩(wěn)定到0～4.

圖2 折扣因子隨碳減排程度和負(fù)荷調(diào)節(jié)量變化

2.3 產(chǎn)消者模型

產(chǎn)消者自身用電也會(huì)產(chǎn)生收益,此收益與產(chǎn)消者的用電量呈正相關(guān).定義產(chǎn)消者收益為U,第i個(gè)產(chǎn)消者收益可表示為如下的分段函數(shù)[33]:

Ui(Ai,ωi)=

(8)

式中:ωi為第i個(gè)產(chǎn)消者的彈性系數(shù);υi為第i個(gè)產(chǎn)消者的設(shè)定參數(shù).

產(chǎn)消者除了獲得部分效益,還需支付一些成本.所要支付的成本由兩部分組成,一部分是產(chǎn)消者在向售電商購電時(shí)需支付的成本,另一部分是產(chǎn)消者隨實(shí)時(shí)電價(jià)調(diào)整自身的用電行為所造成的舒適度損失.其中購電經(jīng)濟(jì)成本又可分為兩部分,一部分是基礎(chǔ)購電成本,另一部分是額外碳成本.

當(dāng)產(chǎn)消者的使用電量偏離基線負(fù)荷時(shí),會(huì)導(dǎo)致舒適度損失,定義舒適度損失[31]為

(9)

式中:βi、αi為舒適度損失函數(shù)的設(shè)定參數(shù);|Di|為第i個(gè)產(chǎn)消者的負(fù)荷調(diào)節(jié)量的絕對(duì)值.

綜上,定義產(chǎn)消者效益為

Oi=Ui-Ci-YiPbuyγi+SiPsell

(10)

式中:YiPbuyγi為第i個(gè)產(chǎn)消者向售電商購電后損失的總收益;SiPsell為第i個(gè)產(chǎn)消者將光伏發(fā)電量賣給售電商后獲得的收益.

3 邊云協(xié)同模式下的迭代優(yōu)化策略

在低碳條件約束下,售電商為得到最優(yōu)電價(jià)及折扣系數(shù)從而達(dá)到效益最優(yōu),需要在考慮碳成本的情況下,了解每個(gè)時(shí)間段的產(chǎn)消者在不同需求響應(yīng)激勵(lì)時(shí)的響應(yīng)情況.邊云協(xié)同計(jì)算架構(gòu)能夠有效提高計(jì)算速度和計(jì)算靈活性[34].在主從博弈模型框架下,基于邊云協(xié)同架構(gòu),將售電商作為云端,利用折扣系數(shù)改變價(jià)格引導(dǎo)用戶的用電行為,以促進(jìn)可再生能源的就地消納以及碳減排行為.將智能終端經(jīng)過優(yōu)化從而決策出最優(yōu)結(jié)果視作一個(gè)“應(yīng)用實(shí)例”.為了解決電價(jià)及折扣系數(shù)組合過多造成的不經(jīng)濟(jì)性,本文通過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)售電商與產(chǎn)消者智能終端的互動(dòng)協(xié)同,決策得出每個(gè)時(shí)間段的最優(yōu)電價(jià)和折扣系數(shù).

圖3 邊云協(xié)同優(yōu)化時(shí)序圖

此次優(yōu)化都是對(duì)多變量求解最優(yōu)值的問題,并且求解過程中,售電商和產(chǎn)消者求解的最優(yōu)值之間存在耦合,二者相互影響.求解過程中,希望所選取的算法能夠高效準(zhǔn)確,保持多樣性的同時(shí)提高收斂性,因此選取粒子群算法(PSO)進(jìn)行求解[35].

(11)

(12)

經(jīng)由智能終端決策后的值才可以計(jì)算出It的值,故優(yōu)化時(shí)需要進(jìn)行多次迭代.

智能終端在運(yùn)行過程中,需要判斷在滿足傳輸功率約束的前提下是否保證經(jīng)外電網(wǎng)和產(chǎn)消者購入的電量與售出電量的實(shí)時(shí)平衡.若不滿足條件,為避免不能滿足功率約束條件的值成為最優(yōu)值,適應(yīng)度將被設(shè)置成負(fù)無窮.

求得每次經(jīng)迭代后的個(gè)體和粒子種群最優(yōu)位置后,需要更新各個(gè)粒子的速度和位置,更新公式[36]如下:

(13)

(14)

式中:c1、c2為加速常數(shù),一般取值范圍為0～4;ρ為約束因子,其作用是控制速度Vi的權(quán)重;r1、r2為區(qū)間[0, 1]的隨機(jī)數(shù).

以粒子群算法為基礎(chǔ)的邊云協(xié)同模式下的迭代優(yōu)化策略流程如圖4所示,詳細(xì)運(yùn)算過程如下:

圖4 以粒子群算法為基礎(chǔ)的邊云協(xié)同模式下的迭代優(yōu)化策略

(1) 隨機(jī)初始化每個(gè)粒子,設(shè)置粒子群大小,以及售出電價(jià)、購買電價(jià)和折扣系數(shù)的初始值.

(2) 產(chǎn)消者智能終端收到價(jià)格信號(hào)并進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)在本地計(jì)算購買電量、售出電量的期望值后將信息反饋到云端售電商.

(3) 云端售電商根據(jù)反饋信息計(jì)算各個(gè)粒子的目標(biāo)函數(shù),找到各粒子當(dāng)前個(gè)體極值以及整個(gè)粒子群的全局最優(yōu)解.

(4) 利用式(13)和式(14)更新各個(gè)粒子的速度和位置.

(5) 判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù),若達(dá)到,則將最優(yōu)解信息傳送到智能終端,算法結(jié)束;若未達(dá)到,重復(fù)步驟(3).

4 仿真分析

為了檢驗(yàn)添加碳成本折扣因子機(jī)制在產(chǎn)消者光伏發(fā)電量滿足或不滿足自身需要前提下引導(dǎo)用戶積極參與決策的激勵(lì)有效性,同時(shí),為了達(dá)到檢驗(yàn)碳成本參與系統(tǒng)運(yùn)營的機(jī)制作用效果是否優(yōu)于無碳成本參與系統(tǒng)運(yùn)營的機(jī)制作用效果的目的,設(shè)計(jì)兩種不同的情況,分別為產(chǎn)消者光伏發(fā)電量大于需求量和產(chǎn)消者光伏發(fā)電量無法滿足需求量.二者本質(zhì)區(qū)別是產(chǎn)消者基礎(chǔ)光伏發(fā)電量的多少.情況1中,設(shè)置光伏發(fā)電量取值范圍為[0, 2],基線負(fù)荷為[4, 10],售電商從外電網(wǎng)購進(jìn)電價(jià)為1,售電價(jià)格為0.6;情況2中,設(shè)置光伏發(fā)電量取值范圍為[6, 10],基線負(fù)荷為[2, 4],售電商從外電網(wǎng)購進(jìn)電價(jià)為0.5,售電價(jià)格為1.2.其中,當(dāng)模擬過程為情況1時(shí),產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量遠(yuǎn)小于其負(fù)荷;當(dāng)模擬過程為情況2時(shí),產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量大于其負(fù)荷.

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的穩(wěn)定性,進(jìn)行多次仿真,定義迭代次數(shù)為n,適應(yīng)度為F,每次迭代結(jié)果如圖5所示.由圖可見,同樣參數(shù)下的多次仿真結(jié)果收斂于某一值附近,最優(yōu)適應(yīng)度處于132上下,最大適應(yīng)度和最小適應(yīng)度的結(jié)果存在較小的誤差,且小于2%,證明算法具有較好的穩(wěn)定性.同時(shí),考慮到粒子群算法中的通信延遲問題,在算法程序中增加一項(xiàng)時(shí)延函數(shù)用于模擬仿真過程中的通信延遲,文獻(xiàn)[37]將每次迭代通信延時(shí)設(shè)置為0.25 s,本文保守設(shè)計(jì)為0.7 s.經(jīng)模擬后算法總計(jì)算時(shí)間為557 s,迭代的延時(shí)時(shí)間對(duì)求解速度影響可忽略.

圖5 粒子群算法迭代結(jié)果圖

在光伏發(fā)電量分別大于和小于需求量的情況下,產(chǎn)消者及售電商的收益如圖6和圖7所示.由圖能夠分析出,本文粒子群算法在迭代60次后兩種情境下產(chǎn)消者和售電商的效益曲線基本達(dá)到平穩(wěn),在經(jīng)過100次迭代之后,產(chǎn)消者和售電商效益曲線得到最終穩(wěn)定.其中在光伏發(fā)電量大于需求量的情況下,從效益曲線中可得:產(chǎn)消者的綜合效益最終達(dá)到 2 259.26 元,售電商的綜合效益達(dá)到131.50元.在光伏發(fā)電量無法滿足需求量的情況下,產(chǎn)消者的收益為 2 452.93 元,售電商效益為113.60元.

圖6 情況1下產(chǎn)消者用戶及售電商效益

圖7 情況2下產(chǎn)消者用戶及售電商效益

結(jié)合兩種不同情況下所得出的優(yōu)化價(jià)格可以分析出,當(dāng)處于情況1時(shí),產(chǎn)消者優(yōu)化得出的光伏售出價(jià)格較低,購買價(jià)格較高,以此可以引導(dǎo)產(chǎn)消者降低購電需求,從而促進(jìn)碳減排;當(dāng)處于情況2時(shí),售電商優(yōu)化得出的光伏回收價(jià)格相較于電量不足的情況較高,以此可以引導(dǎo)產(chǎn)消者調(diào)節(jié)負(fù)荷的使用情況.同時(shí),因光伏過剩,無需購進(jìn)電量,售電商也可減少從外電網(wǎng)購買電量,也可以促進(jìn)碳減排.在這兩種情況下,從購電價(jià)格曲線可以看出,若產(chǎn)消者不積極參與調(diào)節(jié)決策,那么產(chǎn)消者的用電成本會(huì)較高.但當(dāng)結(jié)合本文所提的機(jī)制后,產(chǎn)消者可以通過調(diào)節(jié)負(fù)荷獲得不同的電價(jià)折扣.在兩種情況下將是否考慮碳成本進(jìn)行對(duì)比,將產(chǎn)消者用戶定義為US,在碳成本靈活化后對(duì)不同積極性參與決策調(diào)節(jié)的產(chǎn)消者可以獲得的電價(jià)折扣結(jié)果作圖,如圖8和圖9所示.

圖8 情況1下產(chǎn)消者的負(fù)荷改變量及結(jié)算折扣

圖9 情況2下產(chǎn)消者的負(fù)荷改變量及結(jié)算折扣

由圖可見,在光伏發(fā)電量大于需求量中,不考慮碳成本情況下,積極參與響應(yīng)的產(chǎn)消者能夠以小于0.1的折扣進(jìn)行購電;考慮碳成本情況下,積極參與響應(yīng)的產(chǎn)消者能以低于0.02的折扣進(jìn)行購電.因此在考慮碳成本情況下,產(chǎn)消者能夠獲得更低購電折扣.隨機(jī)以第98個(gè)產(chǎn)消者為例,其在不考慮碳成本情景下能夠以0.87作為折扣進(jìn)行購電,其原始負(fù)荷是9.41 kW,經(jīng)機(jī)制調(diào)節(jié)后原始用電負(fù)荷變?yōu)?.54 kW.在考慮碳成本情況下, 其能夠以為0.018作為折扣進(jìn)行購電,其基線負(fù)荷為9.41 kW,經(jīng)機(jī)制調(diào)節(jié)后原始用電負(fù)荷變?yōu)?.89 kW.因此,考慮碳成本情況下比不考慮碳成本情況下的負(fù)荷調(diào)整幅度更大,更能引導(dǎo)產(chǎn)消者的負(fù)荷調(diào)節(jié).

由圖9可見,在光伏發(fā)電量無法滿足需求量時(shí),考慮與不考慮碳成本均出現(xiàn)折扣值大于1的情況,此時(shí)產(chǎn)消者所需承擔(dān)的電價(jià)會(huì)高于原來的基礎(chǔ)電價(jià),產(chǎn)消者的經(jīng)濟(jì)成本增多,產(chǎn)消者負(fù)荷調(diào)節(jié)會(huì)往反方向進(jìn)行,減少用電量,通過這種調(diào)節(jié)使購電成本上升帶來的損失有所減小.綜上,在兩種情況下,對(duì)比考慮碳成本比不考慮碳成本兩種條件,可以看出考慮碳成本時(shí)產(chǎn)消者的負(fù)荷調(diào)整量幅度更大,降低產(chǎn)消者用電量也更為明顯.

同時(shí),從圖8和圖9中可以看出,考慮碳成本的機(jī)制對(duì)產(chǎn)消者負(fù)荷平衡所做出的貢獻(xiàn)會(huì)更多于不考慮碳成本時(shí)的機(jī)制.考慮碳成本時(shí)產(chǎn)消者可以用更低折扣進(jìn)行購電,負(fù)荷調(diào)整幅度也更大;反之,不考慮碳成本則需要支付更高的購電成本,負(fù)荷調(diào)整幅度也更小,更能突出在考慮碳成本時(shí)的優(yōu)越性.

為了進(jìn)一步探究本文考慮碳成本機(jī)制的優(yōu)越性,將在不考慮碳成本算法和機(jī)制下產(chǎn)消者、售電商的效益以及購電量和售電量與所提算法和機(jī)制下相應(yīng)方面進(jìn)行比較.在光伏發(fā)電量大于需求量和光伏發(fā)電量無法滿足需求量這兩種情況下不同機(jī)制的產(chǎn)消者、售電商的收益以及購電量和售電量如圖10和圖11所示.

圖10 情況1優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖11 情況2優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

從圖10和圖11中能夠看出,在光伏發(fā)電量大于需求量與光伏發(fā)電量無法滿足需求量情況下,無論是否考慮碳成本均能使得產(chǎn)消者用戶獲得較高的收益,并且考慮碳成本時(shí)的機(jī)制能夠更有效地提升售電商的收益,在光伏發(fā)電量大于需求量中售電商的收益達(dá)到了131元,比不考慮碳成本算法和機(jī)制下的優(yōu)化結(jié)果提高2.4倍.考慮碳成本的算法和機(jī)制下的購電量明顯低于不考慮碳成本下的購電量,將此信息反饋到售電商處,售電商也可減少從外電網(wǎng)的購買電量,從而起到減少外電網(wǎng)電量的作用,以此增大碳減排力度,更大地提高碳減排程度.

在光伏發(fā)電量無法滿足需求量時(shí),考慮碳成本的售電量明顯高于不考慮碳成本的售電量,且售電商收益在不考慮碳成本情況下可以提高0.9倍,側(cè)面反映出售電商從外電網(wǎng)的購電量在考慮碳成本情況下可以更低,仍然能夠起到減少外電網(wǎng)電量的作用,碳減排程度提高;同時(shí),考慮碳成本時(shí)產(chǎn)消者以及售電商的效益較不考慮碳成本時(shí)有大幅度提升.

5 結(jié)論

針對(duì)提升碳減排力度和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)消群功率平衡問題,從售電商的角度出發(fā),提出考慮添加折扣因子情況下的電價(jià)機(jī)制.售電商統(tǒng)一設(shè)定相同的基礎(chǔ)購買電價(jià)和售賣電價(jià)后將信號(hào)傳送到所有產(chǎn)消者.為了達(dá)到挖掘產(chǎn)消者不同調(diào)節(jié)彈性的同時(shí),將固定碳成本轉(zhuǎn)化為靈活碳成本,通過價(jià)格調(diào)節(jié)降低碳排放的目的,引入折扣因子這一概念,加強(qiáng)系統(tǒng)中產(chǎn)消者光伏發(fā)電與碳排放的耦合,使得積極響應(yīng)調(diào)節(jié)的產(chǎn)消者能夠用更低的折扣購電,同時(shí)在電價(jià)信號(hào)的返回過程中對(duì)碳排放進(jìn)行調(diào)節(jié),以達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)荷的同時(shí)減少碳排放的效果.進(jìn)而提出基于邊云協(xié)同模式的價(jià)格型需求響應(yīng)電價(jià)策略,以售電商的收益最大化作為目標(biāo),優(yōu)化不同時(shí)段的價(jià)格和折扣.

從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠看出,在產(chǎn)消者發(fā)電量少于和多于需求量兩種情況下,考慮碳成本折扣因子的機(jī)制均能使售電商和產(chǎn)消者收益提升.而且在兩種不同情況下,考慮碳成本時(shí)能夠有效引導(dǎo)用戶降低負(fù)荷高峰、填補(bǔ)負(fù)荷低谷,實(shí)現(xiàn)發(fā)用電平衡,并減少整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的碳排放.同時(shí),在仿真過程中發(fā)現(xiàn),折扣系數(shù)最優(yōu)取值介于0.3～0.6,過小會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷調(diào)節(jié)量較大時(shí)才能體現(xiàn)出折扣因子作用,而過大導(dǎo)致折扣對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的反應(yīng)過于靈敏.

在未來的研究工作中,將進(jìn)一步考慮激勵(lì)型需求響應(yīng).采用實(shí)時(shí)彈性獎(jiǎng)勵(lì)策略,更有效地激勵(lì)用戶改變用電行為.在此基礎(chǔ)上需要對(duì)本文提出的折扣進(jìn)一步優(yōu)化,解決取值問題.本文僅考慮售電商與產(chǎn)消者之間的交易,而產(chǎn)消者間的相互交易可能會(huì)進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行效率,因此未來將進(jìn)一步探索考慮用戶間交易的合作或非合作博弈問題.此外,多售電商共存環(huán)境下如何解決售電商與用戶間的多對(duì)多博弈問題,達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài),也將進(jìn)一步探索.