智能电网实时电价研究综述模型与优化方法

《工业控制计算机》2012年第25卷第2 ReviewonRealtimePricingforSmartGrid:ModelsandOptimization佳 温书 梁天 （浙江理工大学信息电子学院，浙江在智能电网中，实时电价（realtimepricing，RTP）是解决智能电网供需平衡的理想需求响应机制，具有节能环保、保障用户和电能提供者最大化效益等方面的优势。在分析实时电价机制优化模型国内外发展现状基础上，总结出了实时电价优化模型：从用户的总需求量水平出发建立优化模型。相应地，总结了解决这一模型的优化方法：对偶法、内点法、分布式迭代法（分步式法）以及博弈论等优化求解方法。最后，展望了智能电网中实时电价机制的进一步研究方向。：智能电网，实时电价，需求响应，优化模型，优化方法InSmartGrid,realtimepricingschemeisanidealdemandresponsemechanismtosolvethesupplyanddemandbalance,whichhasadvantagesinenergysavingandenvironmentalprotectionandumbenefitguaranteeforusersnismontheoptimizationmodelsandtheoptimizationmethods,onekindofmodelissummarized:anoptimizationmodelfromsmartgridisalsodiscussedinthispaper．:smartgrid,realtimepricing,demandresponse,optimizationmodels,optimization智能电网（SmartGrid）是将所有用户的行为集中起来，利用先进的、控制技术和通信技术来节省能量，降低成本及增加电力系统的稳定性和。它具有可靠、优质、高效、兼容、互动等特点，是现代电网的发展方向。在智能电网中基于价格的需求响应就是通过市场的价格来影响需求的时间和水平目前有三种形式的价格机制：分时电价（TOU）机制、关键峰荷电价(CPP)机制和实时电价（RTP）机制与分时电价机制和关键峰荷电价机制不同，实时电价不是提前设定的，而是每天持续波动的，直接反应了批发市场价格与日前或实时市场购电成本的关系，是一种理想的定价机制，它可以鼓励用户更明智更有效地消费因此，实时定价机制成为了当前研究的热点。国内外已有大量关于实时电价机制研究的文献：文献［5］以用户购电效用最大为目标建立了实时电价下不同风险喜好的用户购电风险决策模型；文献［6］以供购售电效用最大为目标，在实时电价下建立了不同喜好供的最优购电组合决策模型；文献［7］分析了电力市场中实时电价用户比例增加对电力市场经济效率的影响，建立了以社会福利最大为目标的优化模型文献［8］中用户通过实时电价信息来调整他的能耗水平，以用户的效用最大为目标建立优化模型，并给出了分布式求解方法；文献［9］建立了能耗调度模型，以系统所有用户的总效用最大为目标，给出了分布式算法，这个算法以公平有效的方式为每个用户寻找一个最优的能耗水平；文献［10］基于能耗调度模型，建立以供的生产成本最小为目标的优化模型，利用博弈方法以达到减少总

本文在分析实时电价机制国内外研究现状的基础上，总结出了实时电价优化模型从用户的总需求量水平出发来建立优化模型，并展望了智能电网中实时电价机制的发展方向。从用户的总能耗水平出发的优化模型考虑一个离散时隙系统，其中有N个用户共些能量资源，这些能源由一个供供应，在时隙t内，用户n都有一个txn，假设这个变量是连续的（如果每个时隙的长度是一小t时，xn表示用户n在第t小时内的能耗）图 有N个用户的简单智能电网系电价的基本形式在实时电价环境中，电价一般是电网中总需求量的函数因此，定义每个时隙中单位能量的价格为pt。其基本形式有两种能量成本和峰平比的目的；文献［11］提出了一种自治住宅能耗调

1）

xt 度框架，建立用户在所付电费最小和操作用电器的等待时间最 之间取得折中的模型。文献［12］为智能电网中的需求响应和用户pfΣn＝

N Σx Nf（Σx）s（n＝1N

适应提出了一种分布式框架，建立了借用网络拥塞价格的概念 n＝1 智能电网实时电价研究综述：模型与优化方法se是常数，Q是市场的容量2）用日乘子λ直接反应实时电价

（2）典型的求解方法式（8）是一个凸问题，可用集中式算法求解。由于约束条件效用函数的基本形 使得 和效用函数U(·)

对偶分解法。对于原问题（8），它的对偶问题是：t 典型的对数效用函数形式 U（xn）ωn 其中ωn是一个参数，在不同的式子中有不同的意义（如

t t （U（xn，ωn）λxn）＋λLCt（L 献［14］中，ωn表示用户n购电的意愿。二次效用函数式子中表示用户的能耗水平，ω是一个参数，在不同的用户之间和不同的时隙中是变化的。函数U（x，ω），除了变量x

其中λt是日乘子，也即时隙t内的电价。如果每个 户都有最小能耗mn和最大能耗Mnmn≤xn≤M。定义：tmin ttmax Σm ΣM，即 凹、非减的性质之外，对于ω，还要满足另外两个条件：

n∈N

n∈N鄣鄣U（x，ω）＞0鄣

（0，ω）0，坌ω＞0

上式可进一步化简为： t 形式为 D（λ Γ（x，L，λ）

Bn（λ）＋Sn（λ ，ωxθx2if ，

其中： tU（x，ω≤θ，ifx＞

m≤x t 其中θ是提前确定的 Sn（λ λLCtL≤L

对偶问题就是：在电网电价的优化模型中，成本函数最常用的形式是二次函数形式，即：

minλ

（λ C（L）al（L）2＋blL N> >al＞0bl，cl≥0L＝xnn具体的优化模型仅考虑需求端的模型，反应了需求端的利益；同时考虑需求端和供电端的模型，优化模型既考虑了需求端的效益又考虑了供应端的效益，这样达到了双方的共赢：需求端和供电端的效益都达到最大，同时还可以进行联动管理。仅考虑需求端用户的效益优化模型以用户的净为目标，即 t

通过次梯度法，对λt不断地更新迭代，最终在时隙t一个最优的价格，进而得到最优的需求量和生产量使得目标函数值达到最优。本文基于价格的需求响应，总结了智能电网实时电价的优化模型和优化方法以及两大类优化模型优化模型Ⅰ从用户的总能耗水平建模及优化模型Ⅱ从用户的用电器能耗水平建模。又分别从需求端和供电端的效益出发，介绍了这两类优化模型中的四种模型的目标函数、约束条件及求解方法。［1］XIEZ，MANIMARANG，VITTALV，PHADKEAG，etal．AnmaxUn（xn）xn也即用户n的效用函数减去所付电费的值最大（2）

formationarchitectureforfuturepowersystemsanditsreliabilityysis[J]．IEEETransactiononPowerSystem，(3)：857在文献［14］，引入了拥塞价格机制，根据这个机制可得如下需求量的更新： xn（k＋1）xn（k）＋αn（ωnxn（k）p k为迭代次数，αn可以控制算法的收敛速度，用户n通过价格信息（pt）和意愿参数（ω）调整自己的需求量xt

［2］，容，．需求侧响应在电力批发市场中的应用［J］．电力需求侧管理，2009，11（1）：1316［3］BORENSTEINS．Thelongrunef芽ciencyofrealtimetricitypricing[J]．EnergyJournal，2005，26(3)：93［4］HOLLANDSP，MANSURET．Theshortruneffectsoftimevaryingpricesompetitiveelectricitymarkets[J]．Energy Journal，2006，27(4)：127同时考虑需求端和供电端的优化模型（1）

［5］，，王秀丽，等．需求侧实时电价下用户购电风险决,［J］．电力系统自动化，2008，32（13）：16,N

，．需求侧实时电价下供购售电风险决此优化问题是：在满足时隙t内用户的总需求量Σxt

［J］．电力系统自动化，2010，34（3）：22n1 智， ，等．实时电价用户比例增加对电力市场经济于供在这个时隙的生产量Lt的约束下，同时使用户的效用和供的效益最大。如下式所示

率的影响［J］．电网技术，2010，34（6）：82［8］CONEJOAJ，MORALESJM，BaringoL．Realtimeresponsemodel[J]．IEEETransactionsonSmart

> >U（xn，ωn）Ct（L） )：236242［9PAR,·Os．t．Σxn＝

（下转第90页 自动化生产线故障快速定位与排除软件的开发界面，五个单元的组态画面如图2所示图2组态画3）各个单元的组态界面建立完成后，返回到工览器，并在数据库的数据词典中，建立相应的组变量，变量设置时应注意考虑变量类型、变量范围；连接设备、寄存器、数据类型、读写属性和频率的参数设置问题，如图3所示。3数据库变量设置4）数据库中的变量全部建立完成后返回到画面开发系统中，将建立的组变量与画面中的图形元素做一一对应，变量对应时应考虑图形的大小、方式、变量范围、隐含属性和填充属性等问题，变量对应与动画连接设置情况，如图4所示。联机调试与稳定性能测试自动化生产线设备PLC程序设计和组态界面设计完成后，要进行联机调试和稳定性能测试，应主要考虑以下几个方面：在进行故障诊断时，一般先判断软硬件故障，是程序问题还是硬件问题，再判断是哪个单元出现的问题，再具体到某一个地址，某一个设备上等等；组态界面的反应速度一般要比实际设备速度慢，怎尽量做到减小这种滞后现象，可以考虑从通讯协议、波特率和组态软件运行参数设置等方面进行改进；

4变量对应与动画连接设置当组态界面弹出故障窗口时，应在第一时间显示故障现象、故障代码、以及可能导致本故障的，但此时应注意区别是真正故障还是由于缺料、卡住、气压不足等干扰因素导致的误动作提示；当组态界面弹出故障窗口时，若是由于某些小的故障导致设备整体停机，比如某个传感器损坏，可以通过延时检测后，传感器跳过的方式，及时进入自动恢复程序。3利用PLC技术和组态软件结合开发而成的自动化生产线故障快速定位与排除软件系统，可以实时生产线设备的运行情况，并能够根据自动化生产线上突发的故障进行快速定位与诊断，也能对某些故障进行自动恢复。降低了自动化生产线设备的故障率，系统操作简便，运行可靠，稳定性好，具有较好的推广价值。［1］亚控．组6．53培训［K］．：亚控科技发展有限［2］西门子．S7200可编程控制器系统手册 ［3］．柔性软件自动化生产线研究［D］．：浙江大学［4］．基于PLC的柔性自动化生产线系统研究与设计［D］．曲阜：曲阜师范大学，2010［5］吴军民．基于现场总线的PLC控制生产系统的系统［J］．机床与［6］娄建楼，张，．基于PLC与组态软件的热电厂循环水控制系统设计［J］．现代计算机（专业版），2009（12）［收稿日期（上接第88页smartgrid[C]／／2010firstIEEEInternationalConferenceon415［10］MOHSENIANRADAH，WONGVWS，JATSKEVICHSCHOBERR．Optimalandautonomousentivebasedenergyconsumptionschedulingalgorithmforsmartgrid[C]／／InnovationSmartGrid，January19 GaithersburgmMD：16［11］MOHSENIANRADAH，LEONTARCIAA．Optimalresidentialloadcontrolwithpricepredictioninrealtimeelectricity

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