考虑多目标优化的有序用电智能决策研究

王　岩，刘建喜，何德卫

（广东电网公司 佛山供电局，广东 佛山　528000）

考虑多目标优化的有序用电智能决策研究

王岩，刘建喜，何德卫

（广东电网公司 佛山供电局，广东 佛山528000）

有序用电的定义分为广义和狭义2种，广义的有序用电指科学合理的用电，是指通过法律、行政、经济、技术等手段加强用电管理，改变用户用电方式以达到节能降耗、保护环境，促进经济、社会、环境间协调、可持续发展的目的；狭义的有序用电是指在供电紧张的情况下，采取错峰、避峰、轮休、让电、负控限电等一系列行政措施，避免无计划拉闸限电，规范用电秩序，将季节性、时段性电力供需矛盾给社会和企业带来的不利影响降至最低程度。本文的有序用电指的是广义的有序用电「1」。

有序用电作为当前维持电力系统稳定高效运行的常用措施，国内学者已有大量的研究成果。在有序用电措施方面，对于避峰措施，文献「2」针对当前电力部门开展的有序用电预案编制工作，基于精细化管理理念，设计避峰预案的编制流程。对于错峰措施，文献「3」从预案角度出发，着眼于较长时间范围内的错峰方案，并考虑包含调整用户检修时间在内的多种错峰方式，同时讨论季节错峰和日错峰的优化安排。

在有序用电管理方面，文献「4」在原有的有序用电管理模式上进行优化，提出了“政府主导、供电部门参与、企业配合”的有序用电工作的新格局，对于用电负荷进行指标分配，引入属地化管理概念，并开发了有序用电管理系统，为优化模式提供技术支持。文献「5」阐述了有序用电工作精细化管理的内涵，给出从技术角度如何应用大客户负荷管理系统实现有序用电工作的精细化管理，建立了有序用电管理工作的精细化管理体系，以期从管理角度实现有序用电工作的精细化管理。文献「6」提出基于精细化管理的有序用电辅助决策，根据用户用电行为和评价指标，进行粗粒度的模式聚类和细粒度的模式分类，并结合用电设备和用电时段特性设置有序用电优化目标和约束条件，进而生成精细化的有序用电优化群组及方案，实现有序用电的精细化管理。文献「7」创新提出了基于用电权交易的有序用电新机制，对比分析有序用电和国外配额交易制，在此基础上，研究用电权交易的基本概念，分析用电权交易的合理性、优势和市场属性，提出适合我国有序用电的用电权交易方案，以“配额证”为载体，通过用户侧的市场调节，优化配置有限的电力资源，实现电网公司和电力用户的“多赢”局面。

但是，在实际操作层面，目前国内所实施的一系列有序用电的方案措施仍然存在一定的局限性，例如：夏季高温检修错峰、企业轮休错峰、负荷控制避峰、可中断负荷、安全控制限电等，一般都采用手工来完成，响应速度慢，编制工作量大，缺乏系统的管理，而且从信息自动发布、决策方案的执行监督等方面都比较薄弱，使得有序用电的管理工作变得复杂、麻烦，从管理力度上也受到各种各样的限制。即使引入信息化手段，也没有完善的有序用电决策算法来支撑用电秩序的公平性、科学性。

本文所探讨的有序用电智能决策系统主要从提高负荷率、提高能效和快速响应等多决策目标对有序用电进行智能化、精细化管理，以满足不同供电形式、经济环境和政策环境的需要，并结合佛山地区现状进行深入阐述。

1　有序用电的意义

在电力供应紧张的形势下，各地电力公司都将采取一定的限电措施，通过加强需求侧管理等手段减少拉路限电，力争做到限电不拉路。以佛山为例，作为一个以工业为主导的制造业城市，2011年，佛山市全社会用电量为485.62亿kWh，最高用电负荷为889万kW，当年，佛山市全年累计错峰天数213天，最大错峰负荷140万kW，占全市最高负荷16%，其中负荷缺口超过100万kW的有10天，大部分地区工业客户需执行“开四停三”及以上错峰级别，累计错峰电量约6.1亿kWh，给工业正常生产运转带来较大压力。

在电力供应充足的形势下，有序用电管理也有着重要意义，不但可以优化配置电能资源，提高电网负荷率，而且有利于提高客户端用电水平，提高电能和电网设备利用率，同时可以提高供电企业的精益化管理水平和优质服务水平，提高电能使用效率。法国通过应用电力负荷监控等管理措施，日负荷率由73%提高到85%左右，相应减少发电容量1 900万kW「8」。据有关部门测算，如果用电负荷2 000万kW时，在原有负荷率85%的基础上，负荷率每提高1%，每年可节省大约20亿元资金。佛山供电局目前年用电负荷接近1 000万kW，通过提高负荷率所能获得的效益提高也应相当可观。

2　有序用电智能决策模型

有序用电的核心是决策模块，而决策模块的关键目标是实现有序用电社会效益和经济效益的最大化，因此其最核心的工作是建立起有序用电的价值评估体系和多目标的智能决策模型，通过对不同行业和企业的用电能效进行价值评估，并根据社会、电网和用户等不同利益主体的不同利益需求分别制定多目标的智能决策方案，从而满足不同情况下利益主体之间的利益平衡。

本文所提出的多目标的智能决策方案主要针对提高负荷率和提高能效这2个方面，确保在有序用电方案的实施下，能够起到提高系统负荷率以及保证区域企业能效的作用，从而提高电网的稳定性及高效性。此外，快速响应方面主要应用于紧急避峰，可通过统计响应时间前提下提高自动化管理水平来获得，同时通过合理编制预案确保公平性，从而进一步加强有序用电智能决策方案的实用性。

2.1基于提高负荷率的有序用电决策

电网负荷率主要与用户的用电行为有关，为了调整用户的用电行为习惯，理论上可以通过出台峰谷电价、尖峰电价、高可靠性电价等差别电价以及一些激励政策来削峰填谷，从而提高电网负荷率。而基于提高负荷率的决策模型的关键就在于用户负荷特性分析和现有政策的需求响应效果分析，即通过不同行业用户负荷特性的聚类分析，并参照各行业需求响应的特性，按负荷率最小进行微分求解，得出差别电价时段和参与有序用电企业名单，同时可以通过这个决策模型反推测算协助各种差别电价和激励政策的制定。

式中：L为实施有序用电后的系统负荷；L0为原始系统负荷；Li为企业可参与有序用电的负荷削减量；Lfactor为系统负荷率；Lav为系统平均负荷；Lmax为系统最大负荷；Ls为有序用电削减目标电量；ki为企业是否参加有序用电，其中ki=1表示不参加，电网对其供电，ki=0表示参加，电网对其不供电。

2.2基于提高能效的有序用电决策

用电能效主要关注企业的耗能和效益，为了提高整个社会的能源使用效率，希望对高耗能企业的用电进行必要限制，而这种限制主要发生在供电紧张的情况下。所以这个决策方案的核心就是要确认企业的能效水平，通过建立区域内用电企业价值评估体系对不同行业和企业进行分类定级，而企业价值评估的参照指标主要包括产品单耗、企业产值、产业扶持、污染限排等。当供电紧张时，首先限制最高级污染企业用电，无法满足则延伸到次级，以此类推，同一级别污染企业要轮流参与错峰限电。

式中：E是所有企业节点总能效；ei是第i个节点的企业每单位电量的能效；Li为企业可参与有序用电的负荷削减量；Ls为有序用电削减目标电量；ki为企业是否参加有序用电，其中ki=1表示不参加，电网对其供电，ki=0表示参加，电网对其不供电。

2.3基于提高负荷率和能效的综合有序用电决策

实际有序用电的决策，根据各地区实际情况的不同，需综合考虑提高负荷率和提高能效，从而得到实际运行中较为合理的有序用电决策方案，即为多目标规划问题，表示如公式（3）

式中：L为实施有序用电后的系统负荷；L0为原始系统负荷；Li为企业可参与有序用电的负荷量；Lfactor为系统负荷率；Lav为系统平均负荷；Lmax为系统最大负荷；Ls为有序用电削减目标电量；E为系统能效值；ei为各企业能效值；λ1和λ2为政策性权重因子；ki为企业是否参加有序用电，其中ki=1表示不参加，ki=0表示参加。

负荷率和能效值并非同一数量级，因此采用¯f1和¯f2进行规格化处理。n为企业个数，在n确定的情况下，参与有序用电的方案数确定，则f1（负荷率大小）、f2（能效大小）可以分别进行比较，f1max为负荷率最大值的方案，f1min为负荷率最小值的方案，f2max为能效最大的方案，f2min为能效最小的方案。

2.4基于快速响应的有序用电决策

这种智能有序用电决策主要针对电网故障等需要紧急避峰的情况，此时快速响应和可控性应当比企业性质和能效更具有优先权。首先选择可控区域和可控线路（即专线用户和专变用户以及准工业线路），根据负荷缺口的大小将避峰分成若干级，将相邻的企业分配成不同的组别，每级避峰预设都参与组别方案，参与组别采取轮换制，保证公平参与。如果有用户不能在规定的时间自觉错峰，还可以通过调度拉路和直控负荷开关等方式确保电网运行安全。

3　有序用电智能决策功能的实现

3.1有序用电系统数据源分析

为保证决策模型的科学性，需综合考虑电网和用户的全方位信息，建议有序用电管理数据充分调用电力营销系统、计量自动化系统、电网调度系统、配网GIS系统、负荷控制系统以及其他业务系统，主要数据包括：用户基本信息、用户用电信息、用户配网信息、用户负控信息、负控用户整点负荷信息、电网调度整点负荷信息等。具体如下：

·电力营销系统数据：采集电力营销系统中的市场相关信息数据及用户的基本信息，具体包括：总售电量、用户行业、用户用电类别、用户用电量等。

·计量自动化系统数据：采集关口信息、购电信息、资源构成信息、指标信息、地方电厂信息、客户并网信息、自备电厂信息、小火电基本信息以及上网电量、负荷指标等。

·电网调度系统数据：采集调度系统相关信息数据每日24点一次供整点负荷，日电量，每日24点一次受整点负荷，日电量），作为负荷分析的基础数据。

·负荷控制系统数据：采集装有负控装置的用户相关信息数据（每日24点整点负荷，日最大负荷、最小负荷、负荷率，用户的名称、户号、行业分类名、变压器容量、供电部门、上级主管单位）。

·电能量数据平台数据：采集用户的历史电量数据、实时电量数据及电量预测数据。

·配网生产和配网GIS系统数据：采集配网生产系统中的配网台账及配网GIS中拓扑关系数据。

·企业能效指标数据：采集政府对企业能效监控数据。

3.2决策的执行与效果评价

有序用电平台建成后，可通过智能决策模型自动生成错峰、避峰等有序用电方案，为了保证方案的执行力，平台还应具备有序用电关键指标管理、通知发布和综合统计分析等功能。

·有序用电通知发布：为保证有序用电信息及时可靠的发送给参与用户，在有序用电通知发布模块中应建立需发送有序用电通知的客户群组，并设定通知发送的优先级。对于要进行错峰的客户，系统根据每天的错峰预警信号，自动选取符合错峰条件的客户群，定时或实时发送错峰预警通知短信给客户；在电网出现紧急情况，需要实施紧急避峰或者限电时，通过系统对目标客户群发送紧急通知短信。

·关键指标管理：有序用电的主要指标包括计划电力电量指标、实际电力电量指标、实际与计划指标的差额、电力电量指标的完成率、超计划指标百分率等。平台应可以对电力电量的执行情况可进行多维分析、实时统计和在线监控，并以图表的形式展示分析和监控结果，全面、直观的反映企业有序用电执行情况。

·有序用电综合统计分析：不但能自动统计和查询区域内电力供需情况、地区有序用电执行情况、行业客户群体实施有序方案情况等，还可以按时间、区域、行业、主题等自动生成有序用电相关的统计报表，及时了解各单位错避峰的总负荷和电量，掌握错避峰情况，为政府和上级公司分析、考核及决策提供依据。

3.3有序用电智能决策与佛山有序用电业务模型

佛山有序用电平台对客户进行了精细化管理并建立客户停电评价模型，为电网企业提供负荷预测及用电趋势分析，为有序用电及错峰管理方案的制定提供支持。业务模型如图1所示，包括决策模块、支持模块和执行模块3个模块。

图1　佛山有序用电业务模型

其中决策模块是核心，主要通过智能决策模型的算法决定特定条件下有序用电方案，也即本文第2部分中所详细论述的决策模型。支持模块是通过行政、能效档案、合同约定等对有序用电执行进行支撑服务，包括政府管理、协议合同管理、用户等级管理和节能绩效管理等，而执行模块是将有序用电方案下发给用户，并监督执行效果，并对效果进行深度分析。

4　案例分析

本部分将以案例来说明本文所提出决策模型的应用。某区域24 h内系统负荷曲线如图2所示，可参与有序用电的企业负荷曲线如图3所示，其中图3所示即为行业均不相同的各样本企业参与有序用电的负荷削减量，不包含企业的安保容量。

各企业能效值如表1所示。

在本区域，假定政策方面同等看待提高负荷率和提高能效，则取λ1=λ2=1，同时设定有序用电最低负荷削减量Ls=200 MW。针对负荷率和能效的单一目标，经优化运算可得，f1max=0.850 9，f1min=0.796 7，f2max=3.6，f2min=0，具体各企业参与有序用电情况如表2所示，其中，0为该企业参与有序用电，1为不参与。

图2 系统负荷曲线

图3　企业可参与有序用电负荷曲线

表1 各企业能效值

表2　各样本企业参与有序用电情况

对f1和f2进行综合优化，实现综合目标最优，即max f，得max f=1.814 6，此时各企业参与有序用电情况如表3所示。

以上为设定有序用电最低负荷削减量Ls=200MW的情况。以此为出发点，根据区域设置的有序用电负荷削减量的不同，假定200 kW≤Ls≤1 500 kW，探究负荷率f1、能效f2和综合目标f、¯f1、¯f2与Ls的变化关系，如图4、图5、图6所示。

表3　综合优化条件下各企业参与有序用电情况

图4　负荷率随有序用电削减量Ls的变化趋势

图5　能效随有序用电削减量Ls的变化趋势

用电方案为离散量，因此形成的变化趋势不是光滑曲线，但整体变化趋势由图4—图6可知，随着Ls的增大，可供该区域电力公司选择的有序用电方案减少，整体的最优解呈现不断减小的趋势，符合实际情况。

经验证，该方案综合考虑了有序用电后系统负荷率和企业能效情况的综合最优，达到了多目标优化的要求。在实际应用的过程中，可以根据各区域实际情况以及当地政策要求的不同，针对系统负荷率和企业能效2方面，增加并修改政策性权重因子，并合理设定有序用电负荷削减量，与地方发展方向吻合，促进地方电网系统的稳定以及高效。

图6　综合目标优化随有序用电削减量Ls的变化趋势

5　结束语

有序用电是一个地区或国家电力发展和管理水平的重要标志之一，而有序用电的信息化建设则是实现有序用电现代化管理最重要的途径。互联网技术的进步，信息技术与有序用电和需求响应理论的融合，都加速了有序用电信息化的进程。有序用电智能决策及政策和信息诱导技术的综合运用，成为利用信息技术改善用电秩序、提高电网负荷率不可或缺的方法和手段。D

「1」徐志勇，曾鸣.有序用电的经济学分析及实施建议「J」.电力需求侧管理，2009（1）：35-37.

「2」陆婷婷，高赐威，苏卫华，等.有序用电避峰预案优化编制方法研究「J」.电网技术，2014，38（9）：2315-2321.

「3」陆婷婷，高赐威，苏卫华，等.有序用电管理下的最优错峰计划「J」.电力需求侧管理，2013（6）：15-22.

「4」王剑，胡浙莹.有序用电管理模式优化与应用「J」.电力需求侧管理，2012（3）：38-39.

「5」陈海燕，刘新才.有序用电工作的精细化管理过程「J」.电力需求侧管理，2010（3）：30-33.

「6」吴佳，张凯俊，王金跃，等.基于精细化管理的有序用电辅助决策「J」.浙江电力，2013，32（4）：59-63.

「7」高赐威，李倩玉，宋宏坤.基于用电权交易的有序用电新机制「J」.电力需求侧管理，2013（3）：5-10.

「8」王新宇，周瑞双，刘雨娜.有序用电系统的意义与研究现状「J」.黑龙江科技信息，2012（9）：39.

Research of the intelligent decision system for orderly electricity use with multi-objective optimization

WANG Yan，LIU Jian-xi，HE De-wei
（Foshan Power Supply Bureau，Foshan 528000，China）

在充分分析有序用电意义和目标的基础上，结合需求侧管理和需求响应理论，深入探讨有序用电智能决策的重要性，综合考虑提高负荷率和提高能效2个方面，研究智能决策的要素和实现手段，并阐述有序用电智能决策的相关辅助支撑，包括数据源分析、执行效果评价以及有序用电业务模型，同时结合具体案例对相关模型和方法进行了详细说明。

有序用电；需求响应；负荷率；能效

This paper analyzes the significance and the goal of orderly use of electricity，and combined with the theory of DSM and DR，discusses the importance of intelligent decision on the orderly use of electricity.This paper studies on the elements of intelligent decision-making and implementation method from improving the load rate and energy efficiency.In addition this paper introduces the auxiliary support of orderly power use management and assurance measures，including the analysis of data source，performance evaluation and the actual conditions of Foshan area.

orderly use of electricity；DR；load rate；energy efficiency

TM732；TK018

A

2014-12-05；

2015-01-21

王岩（1979），男，高级工程师，研究方向为电力需求侧管理及需求响应、节能技术及政策；刘建喜（1966），男，高级工程师，研究方向为电力需求侧管理及需求响应、节能技术及政策；何德卫（1984），男，助理经济师，主要从事电力需求侧管理、新能源管理工作。