張 旭， 張鐵峰

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

當前，居民用戶用電負荷呈現(xiàn)增長快、變化大、多樣化的新趨勢，DG、儲能、電動汽車(Electric Vehicle, EV)也得到了較大發(fā)展[1-2]；與此同時，智能家庭作為能源使用的終端單元引起廣泛關(guān)注[3-4]。而智能小區(qū)支持DG接入，可為用戶提供個性化的用電服務。因此，通過引導和優(yōu)化居民用戶用電模式，調(diào)整用能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能量協(xié)同調(diào)度，促進DG就地消納是未來能源利用的趨勢之一[5]。

圖1 智能小區(qū)OpenADR2.0部署架構(gòu)

用戶依靠家庭能量管理系統(tǒng)(Home Energy Management System, HEMS)實時監(jiān)控家居設備，響應DR信息。從用戶角度看，能有效減少用電費用；從電網(wǎng)角度看，可平滑負荷曲線，使電網(wǎng)更加經(jīng)濟穩(wěn)定的運行[6]。文獻[7]針對家庭光伏(Photovoltaic, PV)消納，提出一種包含儲能和負荷的能量調(diào)度策略；文獻[8]建立了家居負荷決策模型，以負荷峰谷差最小為目標，優(yōu)化用戶能量管理；文獻[9]研究了設備DR優(yōu)先級，提出一種分時電價下家電管控策略；上述文獻只在用戶層面考慮優(yōu)化調(diào)度。文獻[10]提出了一種基于直接負荷控制的空調(diào)負荷雙層優(yōu)化調(diào)度模型，但只考慮供給側(cè)利益。

通過挖掘居民用戶側(cè)調(diào)荷能力，實施DR，利用市場化手段優(yōu)化電力資源配置，促進系統(tǒng)供需實時平衡，具有廣闊的市場空間和應用前景[11]。為了提高實施效率，更好地調(diào)動用戶參與DR的積極性，有必要在用戶側(cè)實現(xiàn)自動需求響應(Automated Demand Response，ADR)，既節(jié)省人力，帶給用戶便利，又能實現(xiàn)與電網(wǎng)自動交互、控制、反饋等功能[12]。

OpenADR2.0是一個開放的、互操作性的通信標準，采用面向服務的架構(gòu)，構(gòu)建了一種基于電價信號和DR事件的標準化通信架構(gòu)及業(yè)務交互邏輯。在現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設施上(互聯(lián)網(wǎng))，采用傳輸層安全協(xié)議建立虛擬頂端節(jié)點(Virtual Top Node, VTN)和虛擬終端節(jié)點(Virtual End Node, VEN)之間的通信安全通道[13]，可支持不同傳輸機制，包括HTTP和XMPP，滿足不同部署場景。OpenADR2.0提供更加全面的功能，應用于智能終端、DG、EV等運行管理，滿足了多樣化的市場需求。利用HEMS作為VEN端，控制家居設備運行狀態(tài)，智能電表提供電力遙測數(shù)據(jù)進行反饋，實現(xiàn)多樣化家居負荷參與ADR。

本文為實現(xiàn)居民用戶參與ADR，智能小區(qū)源荷協(xié)同調(diào)度，提出OpenADR2.0應用于智能小區(qū)的部署架構(gòu)，建立了DG及家居設備模型。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了智能小區(qū)能量優(yōu)化管理的雙層模型，挖掘用戶側(cè)DR潛力，最大化DG就地消納，實現(xiàn)供需側(cè)雙贏。

1 智能小區(qū)OpenADR2.0部署架構(gòu)

依照OpenADR2.0標準通信架構(gòu)[14]，本文所設計的部署架構(gòu)如圖1所示，分為：電網(wǎng)層、智能控制層和用戶層。其中，電力公司或獨立系統(tǒng)運營商為電網(wǎng)層VTN端，小區(qū)智能控制系統(tǒng)為電網(wǎng)層VEN端，同時也是用戶層VTN端，HEMS為用戶層VEN端。

1.1 電網(wǎng)層

獨立系統(tǒng)運營商(Independent System Operator, ISO)負責協(xié)調(diào)，控制和監(jiān)控電力系統(tǒng)運行，運營管理區(qū)域的電力批發(fā)市場，為各市場參與者提供可靠的規(guī)劃，保證電網(wǎng)安全高效運行。

需求響應服務提供商為ISO和電力公司管理和優(yōu)化DR計劃，包括響應客戶優(yōu)選、執(zhí)行結(jié)算、評估客戶響應效果、分析客戶滿意度，為調(diào)度計劃制定提供決策支持。

作為電力公司/ISO和小區(qū)智能控制系統(tǒng)之間的中介，需求響應自動化服務器(Demand Response Automation Server, DRAS)是智能小區(qū)OpenADR2.0部署架構(gòu)的核心部分，能自動生成、發(fā)布、跟蹤和管理電網(wǎng)層、智能控制層和用戶層之間的DR信號。將電網(wǎng)層調(diào)度需求信息和指令轉(zhuǎn)換成EiEvent服務消息通過互聯(lián)網(wǎng)安全、高效地發(fā)送到智能控制層。同時，智能電表實時采集數(shù)據(jù)發(fā)回DRAS，經(jīng)轉(zhuǎn)換發(fā)送給電力公司/ISO，從而實現(xiàn)了用戶層、智能控制層和電網(wǎng)層三者DR業(yè)務交互的自動化和智能化。

1.2 智能控制層

本文智能小區(qū)由同一電力公司負責供電，小區(qū)智能控制系統(tǒng)作為電網(wǎng)層VEN端，監(jiān)聽DR事件并進行如下響應：一是直接控制所管控的資源達到調(diào)控負荷目的；二是作為VTN端與任意數(shù)量的VEN端配對，進一步向下游傳播DR信號，同時接收從VEN端發(fā)送的反饋數(shù)據(jù)。根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度需求、DG預測數(shù)據(jù)、用戶側(cè)DR特性等數(shù)據(jù)，小區(qū)智能控制系統(tǒng)針對某一目標進行優(yōu)化計算，對其所管控的需求側(cè)資源和用戶層自有資源協(xié)同調(diào)度，實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)供需平衡。

1.3 用戶層

每個用戶安裝符合OpenADR2.0的HEMS作為VEN端，HEMS通過無線網(wǎng)絡(如WiFi、Zigbee)進行節(jié)點通信，根據(jù)用戶設置的用電需求信息、DR信息、分時電價及家居設備、DG等用電和發(fā)電信息，以用電成本最小或舒適度最高等為目標，制定次日家居設備運行方案。家庭能量管理如圖2所示。

圖2 家庭能量管理圖

利用OpenADR2.0的EiRegistration、EiReport服務將用戶資源詳細信息和報告能力注冊到VTN端，為雙向互動提供基礎(chǔ)。根據(jù)用戶簽訂的DR業(yè)務協(xié)議，VTN端發(fā)布相關(guān)DR事件至用戶VEN端，VEN端轉(zhuǎn)換為設備控制信號實現(xiàn)自動控制。另一方面，VEN端周期性地反饋遙測數(shù)據(jù)。

2 智能小區(qū)資源模型

本節(jié)描述智能小區(qū)資源模型，分為電源和居民負荷。電源模型包括儲能系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)、PV、燃料電池(Fuel Cell, FC)。

2.1 儲能系統(tǒng)模型

ESS能平抑DG出力波動性，智能小區(qū)采用蓄電池作為ESS。荷電狀態(tài)指當前剩余容量占總?cè)萘康谋壤浅浞烹娍刂茮Q策變量之一。模型表達式如下：

(1)

2.2 光伏發(fā)電模型

PV是智能小區(qū)的重要能量來源之一，其出力與太陽輻照度和溫度有關(guān)[15]。模型表達式如下：

(2)

2.3 燃料電池模型

FC具有能量轉(zhuǎn)化率高、潔凈、應用前景好、噪聲低等特點[16]，也會是智能小區(qū)的能量來源。其燃料成本與凈輸出功率的關(guān)系為：

(3)

2.4 居民負荷模型

居民負荷中按照設備工作特性和時間彈性大小可分為如下兩類[17]：

(1)剛性負荷。用于保障用戶基本需要，時間彈性不足，不參與調(diào)度，包括電視機、電腦等。

(2)柔性負荷。具有一定的工作時間彈性和可控性，典型的柔性負荷包括EV、溫控負荷(空調(diào)、熱水器)和不可中斷負荷。

2.4.1 電動汽車模型

EV具有負荷和儲能雙重特性，作為一種交通工具，必須滿足用戶次日行駛需求，而后考慮激勵其參與輔助服務，建立模型如下式：

(4)

2.4.2 溫控負荷模型

本文中居民用戶溫控負荷主要包括空調(diào)和熱水器，模型表達式為(5)(6)。

(5)

(6)

2.4.3 不可中斷負荷模型

在工作周期內(nèi)，洗碗機、洗衣機等設備一旦開始直到完成才可停止，但實際工作時間可靈活、合理地改變。模型表達為式如下：

(7)

3 智能小區(qū)雙層優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 智能控制層調(diào)度目標函數(shù)及約束條件

3.1.1 目標函數(shù)

上層優(yōu)化決策目標是購電成本、FC燃料成本、FC、PV和ESS運行維護成本、EV充電成本之和最小，其數(shù)學表達式為：

(8)

3.1.2 約束條件

上層約束是式(1)～(4)及下列約束。

(1)區(qū)域功率平衡約束。

(9)

(2)聯(lián)絡線功率約束。

(10)

(3)FC功率約束。

(11)

3.2 用戶層調(diào)度目標函數(shù)及約束條件

3.2.1 目標函數(shù)

下層優(yōu)化決策目標是在保證用戶舒適度需求的前提下，使用電成本最小，其數(shù)學表達式為：

(12)

3.2.2 約束條件

下層約束是式(5)～(7)和下列約束。

(1)用戶舒適度需求約束。

該約束用溫控負荷溫度表示，保證調(diào)度不影響用戶正常需求。

(13)

(2)需求響應功率約束。

(14)

3.3 協(xié)同調(diào)度策略

模型求解分為兩步，首先求解下層問題得到最優(yōu)解，代入上層模型進行求解。求解過程：

(1)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度計劃、負荷歷史數(shù)據(jù)和預測值，電網(wǎng)層利用EiEvent服務向智能控制層發(fā)布DR計劃，并進一步傳播至各用戶HEMS。

(2)HEMS根據(jù)用戶設置信息，優(yōu)化設備運行，使調(diào)度結(jié)果滿足DR計劃，通過EiReport服務將各時段負荷值反饋給智能控制層。

(3)依據(jù)報告信息、分時電價、PV出力，智能控制層制定EV調(diào)度計劃、FC及ESS出力，生成最優(yōu)調(diào)度計劃，實現(xiàn)對電網(wǎng)層響應。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

ηFC=-0.002 3PFC+0.673 5 (15)

表2 調(diào)度負荷數(shù)據(jù)

圖3 洗衣機與洗碗機工作特性

圖4 熱水器工作特性

4.2 調(diào)度結(jié)果分析

4.2.1 用戶層負荷調(diào)度結(jié)果分析

為便于對比分析，將用戶側(cè)無優(yōu)化設為模式Ⅰ；用戶側(cè)基于電價的需求響應設為模式Ⅱ；用戶側(cè)基于電價和功率限制響應設為模式Ⅲ。圖5(a)為模式I中用戶負荷預測數(shù)據(jù)，峰值出現(xiàn)在20:00左右，為7.3 kW；圖5(b)為模式Ⅱ負荷優(yōu)化結(jié)果，高峰時段負荷明顯降低，降為5.28 kW。在滿足用戶舒適度需求約束和設備運行約束的前提下，洗衣機、洗碗機工作時間轉(zhuǎn)移到低電價時段，因為設備工作不能中斷，部分工作時間在峰值時段，20:00之后用戶使用熱水，水箱內(nèi)水溫降低，熱水器再次加熱維持水溫在設定區(qū)間內(nèi)，由于處于高電價時段，熱水器加熱時間縮短。

圖5 用戶層負荷調(diào)度結(jié)果

由圖5(c)可知，模式Ⅲ峰值負荷降為4.5 kW，比模式Ⅱ低0.78 kW，用戶層峰谷差減小，負荷曲線更加平滑，而為滿足DR約束，熱水器再次加熱時間提前，導致用電費用略有增加。因此，電網(wǎng)層或智能控制層應采取適當?shù)募钍侄窝a償用戶。

4.2.2 智能控制層調(diào)度結(jié)果分析

將用戶層3種模式負荷調(diào)度結(jié)果作為輸入進行優(yōu)化，結(jié)果如圖6所示。

圖6 智能控制層調(diào)度結(jié)果

由圖可知，由于用戶層負荷優(yōu)化，電網(wǎng)峰值分別為237 kW、202 kW、178 kW，明顯下降；夜間峰電價時段，ESS、EV放電，F(xiàn)C出力共同維持負荷運行。優(yōu)化后，ESS放電深度減小，延長其使用壽命；由于EV首先要滿足用戶出行需求，同時為避免過度放電，在不同的放電電價下，限制了放電功率；FC出力減小，成本降低；夜間谷電價時段，F(xiàn)C單位發(fā)電成本高于谷電價，不發(fā)電，從電網(wǎng)買電。為不產(chǎn)生負荷高峰，首先對EV充電，充電完成之后，對ESS充電。PV出力較大時，由PV和ESS提供電能，幾乎不從電網(wǎng)買電，達到PV本地消納最大化，模式Ⅱ、Ⅲ中，ESS出力減小。調(diào)度周期內(nèi)，在谷電價時段，EV、ESS依次充電，在峰電價時段放電，利用電價差減少系統(tǒng)費用，為降低放電損耗，在平電價時段ESS不出力。模式Ⅱ、Ⅲ相比，后者電網(wǎng)峰值進一步降低，整個周期內(nèi)負荷波動更加平緩，有益于電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行。

表3、4、5為不同模式下ESS、FC以及用戶和系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果。從表3可以看出，模式I中，ESS費用最高，為99.25元，并且優(yōu)化結(jié)束時為0.22，接近容量下限，與初始值相差0.28，不能實現(xiàn)連續(xù)性優(yōu)化；模式Ⅱ、Ⅲ中，費用均為91.07元，減少了8.18元，同時，優(yōu)化結(jié)束時為0.48，與初始值相差0.02，能夠進行次日優(yōu)化調(diào)度。

根據(jù)表4分析，F(xiàn)C的單位發(fā)電成本分別為0.465 元/(kW·h)、0.449元/(kW·h)、0.451元/(kW·h)，低于平時段電價0.6元/(kW·h)，因此，F(xiàn)C盡量出力滿足用電需求，符合調(diào)度結(jié)果。相比于Ⅰ中，模式Ⅱ、Ⅲ中，平均效率均有提升。

表5為費用對比情況，相對于模式Ⅰ，模式Ⅱ、Ⅲ費用減少了308.06元、299.34元；模式Ⅲ比模式Ⅱ費用增加了8.72元。從經(jīng)濟性角度分析，模式Ⅱ優(yōu)于模式Ⅰ、Ⅲ。然而，模式Ⅲ既能有效降低用電費用，又可控制負荷峰谷差，得到更加平滑的負荷曲線，兼顧經(jīng)濟與安全兩方面。電網(wǎng)層應給予一定補償激勵用戶以實現(xiàn)DR計劃，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶雙贏。

表3 不同模式下ESS運行結(jié)果

表4 不同模式下FC運行結(jié)果

表5 不同模式下用戶和系統(tǒng)費用對比

5 結(jié)論

本文研究了智能小區(qū)能量雙層優(yōu)化模型，提出一種能夠用于DG、ESS、居民負荷協(xié)同調(diào)度的優(yōu)化策略。在滿足用戶舒適度約束及上層DR計劃的前提下，用戶層以用電費用最小為目標優(yōu)化設備運行；智能控制層以調(diào)度運行總成本最小為目標并實現(xiàn)PV本地消納最大化，提高能源利用率。可得如下結(jié)論：

(1)智能小區(qū)OpenADR2.0的部署架構(gòu)，可促進ADR發(fā)展和實現(xiàn)，具有一定參考價值；提出的雙層優(yōu)化模型與OpenADR2.0的部署架構(gòu)層次對應，能實現(xiàn)電網(wǎng)和用戶共贏。

(2)用戶層根據(jù)分時電價和DR計劃優(yōu)化設備運行，有效地降低了峰荷，減少了用電費用；智能控制層根據(jù)用戶層調(diào)度結(jié)果，調(diào)度DG出力，合理安排EV充放電，可提高能源利用率和經(jīng)濟效益。

(3)電網(wǎng)在實施DR時應采取合理措施保證參與者的利益，確保其參與的積極性，以更好地促進DR發(fā)展。

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