一种基于家庭综合能源需求响应的电力削峰决策方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统与运筹领域，具体涉及一种基于家庭综合能源需求响应的电力削峰决策方法。

背景技术

随着国家在综合能源系统方面的推进，综合能源应用技术的相关研究也日趋成熟。综合能源系统在供方，包含电，热，气等多种能源形式，在传输部分，有多条通道能路，在负荷端，同样包含多种能源之间的协调利用，实现不同能源形式之间的优势互补，比如电能响应快，但不易储存，而热能具有热惯性，响应慢，但是储存技术成熟。另一方面，电能转热能，在同单位下，费用较高，而气转热，费用较低。

在综合能源系统中，供应能源包含多种能源形式，如图1中所示，目前常用有风，光，煤炭，天然气，这些一次能源需要转化加以利用。风能通过风电机组转化为电能，光能通过光伏系统转化为电能，煤炭通过火电机组转为电能，天然气通过燃气轮机转为热能和电能。在负荷侧，用户常用负荷有电负荷形式，热负荷和气负荷。在综合能源系统中，强调不同能源形式之间的互补特性，储能装置可以穿插在综合能源系统的各个环节。在初次能源中，煤炭和天然气就易于储存，在能源利用环节后，热能和天然气同样易于大容量储存，在用户侧，各种能源也有不同的储存形式和特点。

在综合能源系统中，用户在一个时段内不再是单一的增加或减少电能的使用，而是可以通过转换能源类型来配合响应，同样可以达到电力负荷削峰的目的，但是用户的生活便利和舒适度却影响不大。有部分文献进行了相关领域的研究。例如考虑智慧能源小区内的综合需求响应，打造智慧能源小区(胡泽升，陆俊，黄瑞等.计及需求响应的智慧能源小区热电耦合系统用能优化方法.电力系统自动化[J]，2020,44(12)：23-33)。也有考虑工业园区内的多能优化调度(陈瑜玮，王彬，潘昭光等.计及用户灵活性和热惯性的多能园区优化调度：研发及应用.电力系统自动化[J]，2020,44(18)：1-10)。还有在考虑用户舒适度的情况下，通过经济分析研究用户响应行为的数学建模方法(王志强，王珊，张馨月等.计及用户响应行为差异性的区域电采暖负荷特性建模.电力系统自动化[J]，2019,43 (7)：67-73)。

对于南方家庭用户来说，不存在冬天的暖气供应问题，其家庭的主要能源入口主要分为电网和天然气管道，因此可以对家庭的能源需求模型进行简化，从而方便进行削峰的调控。

现有技术中也有进行削峰的方法，中国专利文献CN 106950840A记载了一种面向电网削峰的综合能源系统分层分布式协调控制方法，将能源系统分为上层控制系统和下层控制系统，方法包括以下步骤：1)下层控制系统对用户进行自趋优化控制；2)上层控制系统采集关口的功率信息，判断能源系统整体峰值是否满足实际需求；3)上层园区增加直调储能出力和发电机出力；4)上层控制系统再次判断关口功率是否越限；5)上层控制系统对下层可调节用户下发指令，互动用户对自身负荷进行合理调整；6)上层控制系统继续判断关口功率是否越限；7)上层园控制系统对下层可中断用户下发指令，互动用户对自身负荷进行合理中断。能够解决多种能源相互耦合、协调互补困难的问题，削峰填谷，实现与电网的友好互动。

但目前研究综合能源系统的，大多集中在整体的经济成本优化以及新能源的消纳方面，有一部分研究用户侧的需求响应，但是研究的目的仍然是为了经济成本和新能源消纳，而且很少考虑家庭用户的用能特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于家庭综合能源需求响应的电力削峰决策方法，从家庭用户的用能特性出发，考虑家庭用能的经济支出和家庭用户的舒适度，以电能削峰调节为目的进行优化的决策方法，进一步可以推广应用到分时段精准调峰填谷，甚至可以提前为新能源消纳留下裕度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于家庭综合能源需求响应的电力削峰决策方法，包括以下步骤：

步骤一、根据家庭用户综合用能的实际情况，将多能系统按照家庭用能特性进行归简；

步骤二、家庭综合用能需求响应建模；

步骤三、家庭综合需求响应模型求解；

步骤四、家庭综合需求响应方法的应用与决策。

上述的步骤一中，根据家庭用能特性，将家庭用户的综合能源系统的多种能源形式归简为家庭用户的终端用能形式和能源能路入口，能源能路入口分为电网和天然气管道，家庭能源负荷规整为电负荷和热负荷。

上述的步骤二中，将模型调节条件设定为在家庭用户在响应方案执行前后，家庭对于能源支出的总费用不能增加，总使用成本为F＝F

其中F

在作出响应方案后，家庭用能成本表示为：

根据模型调节的设定条件，有：

F

将舒适度模型中以热能的消耗替代环境温湿度，即热能消费总量不变。

P

设定决策目标为削峰X％，则响应后的电力负荷与响应前电力负荷的(1-X％) 之差最小，即

其中β为削峰目标，以百分比计算。

上述的步骤三中，基于步骤二中建立的目标函数和约束条件，结合实际情况进行简化，进行线性规划优化求解，以削峰电力价格j

Q

j

0≤P

0≤P

上述的步骤四中，基于步骤二和步骤三所求解的分析结果，可以得到价格调整幅度：

从而得到价格幅度与削峰幅度的灵敏度，在应用中，计划削峰的数值乘以灵敏度，:可得到价格调整幅度：

将家庭综合能源日负荷历史数据累计数据，代入上述模型求解过程，重复上述步骤一、二、三、四，得到变化的负荷-价格灵敏度数值，不断校正结果。

上述的步骤三中，决策目标为削峰10％。

本发明提供的一种基于家庭综合能源需求响应的电力削峰决策方法，根据家庭用户的综合能源日负荷历史数据，进行家庭综合能源需求响应分析，在能源部门需要进行调峰平衡，或者预留负荷裕度进行新能源消纳时，能够准确通过电价的改变达到负荷调整的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明针对的综合能源系统结构框图；

图2是本发明适用的家庭综合综合能源简易图；

图3是实施例中家庭综合用能情况的特性简图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1-图2中所示，一种基于家庭综合能源需求响应的电力削峰决策方法，包括以下步骤：

步骤一、根据家庭用户综合用能的实际情况，将多能系统按照家庭用能特性进行归简；

步骤二、家庭综合用能需求响应建模；

步骤三、家庭综合需求响应模型求解；

步骤四、家庭综合需求响应方法的应用与决策。

上述的步骤一中，根据家庭用能特性，将综合能源系统的多种能源形式归简为家庭用户的终端用能形式和能源能路入口，在南方一般家庭用户中，因南方家庭集中供暖很少，故本方法未考虑直接有热能输入家庭，能源能路入口为两组，电网和天然气管道，家庭能源负荷也规整为电负荷和热负荷，如图2所示。

上述的步骤二中，考虑到家庭用户在综合能源响应中，家庭对于能源支出的总费用不能增加，甚至要减少，否则家庭用户不会响应相关能源部门的方案；

总使用成本为F＝F

在能源部门做出响应方案之前，家庭用能成本表示为：

其中F

在能源部门提出响应方案后，家庭用能成本表示为：

家庭用户能够需求响应的前提就是用能费用不能超出，否则不会做出响应：

F

家庭舒适度是家庭生活的主观感受，受到外部环境和自身主观意识的影响，国际标准组织(ISO)提出了ISO 7730热舒适模型，但是舒适度不仅仅是温度和湿度，这里提出了一种简化的舒适度模型，以热能的消耗来模糊替代环境温湿度，即热能消费总量不变：

P

决策目标为调峰目标的家庭需求响应尽量达到最优，如决策目标为削峰 10％，则响应后的电力负荷与响应前电力负荷的90％之差最小，即

β为削峰目标，以百分比计算。

上述的步骤三中，基于步骤二中建立的目标函数和约束条件，结合实际情况进行简化，再以线性规划优化求解，决策变量为削峰电力价格j

Q

j

0≤P

0≤P

上述的步骤四中，基于步骤二和步骤三所求解的分析结果，可以得到价格调整幅度，即

从而得到价格幅度与调峰幅度的灵敏度，在应用中，计划调峰的数值乘以灵敏度，我们即可得到价格调整幅度。

随着家庭综合能源日负荷历史数据的更新，重复上述步骤一、二、三、四，得到变化的负荷-价格灵敏度数值，不断校正结果，使灵敏度更加贴近实际，那么在后期调峰时，调整更为准确，更加接近调峰目标。在能源部门需要进行调峰平衡，或者预留负荷裕度进行新能源消纳时，能够准确通过电价的改变达到负荷调整的目的。

上述的步骤三中，决策目标为削峰10％，当决策目标为10％时，能够很好地执行削峰的同时，家庭用户能源调节。

下面以具体算例进行阐述：

根据一般家庭综合用能情况，按照图3所示，建立算例环境，按照一般家庭居民电价设置为0.6元/度，气价设置为3元/立方米。

p_tq＝[3 2 3 2 3 1 2 3 5 6 8 7 8 9 8 5 6 5 7 10 11 10 8 3]；

q_tq＝[0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.15 0.1 0.1 0.1 0.15 0.15 0.1 0.10.1 0.1 0.15 0.15 0.2 0.15 0.1 0.1 0.1]；

p_tqr＝[0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.15 0.15 0.1 0.1 0.1 0.15 0.15 0.1 0.10.1 0.1 0.15 0.15 0.2 0.2 0.15 0.15 0.1 0.1]；

根据目标函数和约束条件，求解:

j＝[0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.60.6 0.6 0.6 0.6329 0.6329 0.6329 0.6 0.6]；

p_th＝[3 2 3 2 3 1 2 3 5 6 8 7 8 9 8 5 6 5 7 9.3000 9.3000 9.3000 83]

ε＝0.548

这是在傍晚黄金时段削峰目标为10％的价格灵敏度，按照此类方法，可建立削峰目标为其他数值的灵敏度，也可建立其他峰值时段的灵敏度响应值，如下表1 所示。

表1削峰目标对应表。