基于多智能体的居民用户参与自动需求响应的用电策略

摘要

本发明是一种基于多智能体的居民用户参与自动需求响应的用电策略，其特点是，根据居民用户参与自动需求响应的特点，设计了相应的多Agent模拟系统和交互机制。综合考虑用电惯满意度和用电成本满意度，以用户综合满意度最大为目标，建立用电计划决策模型；为实现削峰填谷，建立负荷集中商Agent的多目标优化模型，以平衡负荷曲线峰谷差最小和参加自动需求响应的所有用户平均满意度最大为目的，对用电方案进行修正；实时运行期间，电网Agent发布实时需求响应信号，对修正后的用电方案进行实时调整，最后提出了评估自动需求响应行为的指标变量。可指导注重用电成本的用户在不影响日常生活的前提下，显著降低用电成本。

主权项

一种基于多智能体的居民用户参与自动需求响应的用电策略，其特征是，它包括的内容有：1)建立居民用户多Agent系统交互机制(1)电网Agent通过负荷集中商Agent向用户Agent发送峰谷分时电价信号，用户Agent接收电价信号，根据目标函数确定用电方案；(2)用户Agent将用电数据传送到负荷集中商Agent中的综合用电数据库；中央协调控制Agent根据综合用电数据判定是否满足负荷集中商Agent的控制目标，若满足，用电方案不变；若不满足，负荷集中商Agent要求用户对用电方案进行修正，直至满足负荷集中商Agent的控制目标；(3)为了防止“反弹高峰”，在实时调整时，电网Agent向注重用电成本的终端用户提供最大用电功率的信号，向注重用电习惯的终端用户提供尖峰电价信号；(4)用户Agent接收实时需求响应信号，对已确定的用电方案进行实时调整，并将调整后的用电数据传送到负荷集中商Agent中的综合用电数据库；其中，(1)和(2)是用户日前用电计划的决策过程；(3)和(4)是用户在用电计划的基础上进行的实时调整；2)建立单用户多Agent系统交互机制(1)单用户Agent接收峰谷分时电价信号，可中断用电设备控制Agent和不可中断用电设备控制Agent根据各自的目标函数确定用电设备的运行状态和功率；根据综合用电控制Agent总的目标函数确定用电方案，将其保存至反应器中的用电数据库，并且传送到负荷集中商Agent；(2)用电方案不满足负荷集中商Agent控制目标时，负荷集中商Agent要求用户对用电方案进行修正，直至满足负荷集中商Agent的控制目标；(3)实际运行时，综合用电控制Agent接收实时需求响应信号，作用于反应器，调整规则库根据调整规则对修正后的用电方案进行实时调整；调整后的用电数据保存至用电数据库中，同时由综合用电控制Agent传送到负荷集中商Agent；3)不可中断用电设备控制Agent不可中断的用电设备，一旦运行必须完成整个运行周期，而且是以额定功率运行，假设在研究周期内一共分为I个时间点，每个时间点的时间尺度为Δt，主要参数包括：用电设备j的运行额定功率为P_j，第i个时间点用电设备j消耗的电能为完成整个运行过程所需要的时间为T_j，第i个时间点用电设备j的运行状态其数学模型表示为：$min\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{\rho }_i\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{Q}_j^i{u}_j^i---\left(1\right)$$E_j=\frac{T_j}{\Delta t}---\left(2\right)$$u_j^i=\left\{\begin{array}{cc}1& on\\ 0& off\end{array}\right.---\left(3\right)$$Q_j^i=\left\{\begin{array}{ccc}{P}_j\Delta t& u_j^i=1& i=i^{*},i^{*}+1,\mathrm{...}{i}^{*}+E_j-1\\ 0& u_j^i=0& i\ne i^{*},i^{*}+1,\mathrm{...}{i}^{*}+E_j-1\end{array}\right.---\left(4\right)$式中ρ_i为i时段的电价；元/kWh；M为不可中断用电设备的数量；E_j为用电设备j持续运行的时间点个数；i^*为用电设备初始运行的时间点，由式(2)确定用电设备的持续运行时间点个数；式(3)表明用电设备处于用电状态时，处于断电状态时，通过式(4)确定第i个时间点用电设备j消耗的电能，所建数学模型为0‑1整数规划模型，所以设定的优化方案为：通过求解0‑1整数规划问题，确定用电设备起始运行的时间点及终止运行的时间点，即在整个研究周期寻找连续的时间点i^*,i^*+1,...i^*+E_j‑1，使得该连续时间点内的电价之和最小；4)可中断用电设备控制Agent可中断用电设备，运行过程可以被中断，而且由于某些设备的储能特性，用电功率不再是额定运行功率，即每个时间点消耗的电能可能是变化的，主要参数包括：用电设备k的运行额定功率为P_k，第i个时间点用电设备k消耗的电能为用电设备在整个研究时段所需要的总的电能为E_k，第i个时间点用电设备k的运行状态其数学模型为：$min\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{\rho }_i\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{Q}_k^i{u}_k^i---\left(5\right)$$u_k^i=\{\begin{array}{cc}1& on\\ 0& off\end{array}---\left(6\right)$$\underset{i=1}{\overset{I}{\Sigma }}{Q}_k^i=E_k---\left(7\right)$$0\le \frac{Q_k^i}{P_k^{\prime }}\le \Delta t---\left(8\right)$0≤P′_k≤P_k       (9)$Q_k^i=\{\begin{array}{cc}{P}_k\Delta t& u_k^i=1\\ 0& u_k^i=0\end{array}---\left(10\right)$式中N为可中断用电设备的数量；P′_k为用电设备k在第i个时间点的运行功率，式(6)表明用电设备处于用电状态时，处于断电状态时，式(7)表明用电设备必须满足运行所需要的总的电能要求；式(8)表明在每个时间点用电设备的运行时长不能超过划分的单位时间尺度Δt；通过式(10)确定第i个时间点用电设备k消耗的电能，所建数学模型的决策变量为用电设备的运行状态和每个时间点用电设备的运行功率P′_k，设定的优化方案为：通过求解0‑1混合整数规划问题，实现用电设备每个时间点运行功率的优化调整；5)综合用电控制Agent(1)用电习惯满意度，通过电能调整的程度来表征，其表达式为：$\theta =1-\frac{\underset{1}{\overset{I}{\int }}|P_{DR}\left(i\right)-P_0\left(i\right)|di}{\underset{1}{\overset{I}{\int }}{P}_0\left(i\right)di}---\left(11\right)$式中，分子表示自动需求响应前后用户各时段用电量的变化值；若自动需求响应完全没有引起电能需求调整，则满意度为1；(2)用电成本满意度，通过自动需求响应前后电费成本比较来表示，利用正弦函数构造[0,1]区间表征用户用电成本满意度。其表达式为：$ϵ=sin\left(\frac{\pi }{2}\frac{C_0-C_{DR}}{C_0}\right)---\left(12\right)$式中，C₀、C_DR分别为自动需求响应前后的用电成本，若自动需求响应完全没有引起用电成本的降低，则其满意度为0；(3)用户综合满意度，用户综合满意度通过对用电习惯满意度和用电成本满意度设定权值来表示，其表达式为：U＝αθ+βε        (13)式中，α、β分别为为用电习惯满意度和用电成本满意度的权重(α+β＝1)，对于注重用电习惯的用户，α>β；对于注重用电成本的用户，β>α。进行计算时，根据用户对二者的注重程度进行赋值；(4)综合用电控制Agent的目标是充分考虑用电习惯满意度和用电成本满意度，使用户综合满意度最大，目标函数表示为：max U＝αθ+βε        (14)α+β＝1         (15)6)中央协调控制Agent中央协调控制Agent的目标是：使参加自动需求响应的所有用户平均满意度达到最大的同时尽可能降低负荷曲线的峰谷差，目标函数表示为：$\max R=\frac{\underset{l\in L}{\Sigma }{U}_l+\underset{h\in H}{\Sigma }{U}_h}{N_l+N_h}---\left(16\right)$min(max P′‑min P′)       (17)式中，R表示参加自动需求响应的所有用户平均满意度；U_l和U_h分别表示注重用电习惯和注重用电成本的单用户综合满意度；L和H分别表示注重用电习惯和注重用电成本的用户集合；N_l和N_h分别表示参加自动需求响应的注重用电习惯和注重用电成本的用户数量；max P′和min P′分别表示对用电方案进行修正后，负荷集中商Agent整合的负荷曲线功率最大值与最小值，由于该目标函数为多目标优化模型，通过设定权值的办法，将多目标函数转化为单目标函数：$\min ({\lambda }_1\frac{{\mathrm{maxP}}^{\prime }-{\mathrm{minP}}^{\prime }}{{\mathrm{maxP}}_0-{\mathrm{minP}}_0}-{\lambda }_{2}R)---\left(18\right)$λ₁+λ₂＝1(19)式中，max P₀和min P₀分别表示居民用户参与自动需求响应前，负荷集中商Agent整合的负荷曲线功率最大值与最小值；λ₁和λ₂分别表示目标函数的权重，采用(max P′‑min P′)/(max P₀‑min P₀)的目的是为了将其取值设定为[0,1]区间，便于和R在同一水平进行比较，为了体现电网和用户双方利益的双赢，计算时，设定λ₁＝λ₂＝0.5；7)负荷实时调整准则确定用电方案时，通过需求响应信号的激励，注重用电成本的用户灵活对用电设备进行调度，充分利用电价最低的时段，这样的调度有可能在原来的用电低谷时段出现“反弹高峰”；注重用电习惯的用户可能响应不足甚至不会参与响应，无法达到电网削峰填谷的预期效果，因此，在实际运行中电网Agent通过负荷集中商Agent向注重用电成本的用户提供最大用电功率的信号，向注重用电习惯用户提供尖峰电价信号，对用电方案进行实时调整，居民用户对实时需求响应信号的响应程度取决于当前时段运行中的用电设备是否可以中断；针对不同类型居民用户，制定了相应的调整规则：(1)注重用电成本的居民用户接收最大用电功率信号，调整规则为：(a)在“反弹高峰”时段，不可中断用电设备占比较大时，用户只能中断占比较小的的运行中的可中断用电设备；这样可能造成用户对实时需求响应信号响应不足；(b)在“反弹高峰”时段，可中断用电设备占比较大时，将这些用电设备在“反弹高峰”时段的运行状态由通电状态改为断电状态，“反弹高峰”以外的时段运行状态由断电状态改为通电状态；(2)注重用电习惯的居民用户接收尖峰电价信号。在尖峰电价的激励下，用户在一定程度上会改变原有的用电习惯，调整规则为：(c)当不可中断用电设备在尖峰电价时段占比较大时，由于用户注重用电习惯，而且用电不可中断，选择不予响应；(d)当可中断用电设备在尖峰电价时段占比较大时，由于注重用电习惯，用户只是将部分用电设备在尖峰电价时段的运行状态由通电状态改为断电状态，在尖峰电价以外的时段运行状态由断电状态改为通电状态；8)自动需求响应评估指标针对如何评价居民用户自动需求响应问题，构建了一些评价指标，对用户来说，主要包括上述提到的用户用电习惯满意度和用电成本满意度，对电网来说，自动需求响应的主要目的是为了削峰填谷，多用户参加自动需求响应后削峰填谷的调整比重也是评价指标之一，其表达式为：${\gamma }_{cut,peak}=\frac{\underset{i\in I_{peak}}{\int }|P_{DR}\left(i\right)-P_0\left(i\right)|di}{\underset{i\in I_{peak}}{\int }{P}_0\left(i\right)di}\times 100\%---\left(20\right)$${\gamma }_{add,vally}=\frac{\underset{i\in I_{vally}}{\int }|P_{DR}\left(i\right)-P_0\left(i\right)|di}{\underset{i\in I_{vally}}{\int }{P}_0\left(i\right)di}\times 100\%---\left(21\right)$式中两个指标的值越大，削峰填谷的效果越明显，通过对上述指标的分析，可以更好的反映不同类型用户占比条件下居民用户整体响应行为特性。