智能电网需求响应管理中的频谱感知技术

吴 优，陈钊渊，曾智翔，张骏飞

(海南电网有限责任公司信息通信分公司，海口 570203)

0 引言

电力需求的大幅增加和通信设施的不断老化，使得传统电力网络面临能源浪费、环境污染、稳定性差等一系列问题。智能电网作为下一代电网采用了大量的先进信息和通信技术，如认知无线电技术(cognitive radio，CR)、动态定价策略等，可有效解决频谱资源紧张、电力分配效率低下、电价策略不合理等问题[1]。需求响应管理(demand response management，DRM)作为智能电网的核心技术[2]，采用价格需求响应方式和激励需求响应方式，实现尖峰电价、尖峰折扣、分时电价、实时电价的控制和市场激励、计划激励以降低用电成本，提高用电效益[3]。实时电价(real-time pricing，PTR)被认为是最有效的负载转移技术，被广泛用于智能电网的需求响应管理中[4]。

频谱感知开销和系统控制性能的权衡是需求响应管理面临的难题[5]。文献[4]提出了一种用于智能电网中的频谱感知控制的多目标方法，在最大化电力供应商和用户的综合利益的同时，最大限度地降低认知无线电系统的成本，但需大量迭代计算确定最优的感知时间。文献[6]研究了智能电网无线通信网中的频谱感知技术，提出频谱感知技术可以有效减少系统中断率、提高电力网络效益，但忽略了频谱感知带来的系统开销。文献[7]提出频谱感知与需求响应管理控制性能的权衡问题，以检测概率为约束条件建立全局最优化问题，在保证最低检测概率的同时尽可能提高电力用户和供应者的效益。与上述文献不同，本文在考虑系统开销、虚警概率、检测概率等指标的前提下，以主用户允许的最大干扰概率值为约束，提出一种基于实时电价的需求响应管理技术，以实现电网内的供需平衡和电网社会效益的最大化。

1 需求响应管理模型

设某智能电网具有一个电力供应者、N个电力消费者和一个控制单元；同时，设电力供应量为s，电力需求量为di(i=1,2，…,N)，每个电力消费者的电力需求量取决于电价和消费者类型。不失一般性，假设电力供应者的成本C(s)=as2+bs+c是一个递增的凸函数，其中a,b,c均为常量。电力供应者的效益函数为φ(s)=ps-C(s)，其中p为电价。电力供应者的目标是根据电价的变化实时调整供应量实现自身效益最大化，即

(1)

对于每一个电力消费者i，效用函数G(di)是电力消费者在电力需求量为di时获得的用电满意度。G(di)是一个非递减的凹函数[6]，可表示为

(2)

式中：wi为表征用户行为的无单位变量，不同时间段、不同用户的用户行为可能不同；α为系统预设的参数，其值越大表明到达饱和点所需的功率消耗越低[6]。电力消费者的效益函数为ψ(di)=G(di,wi)-pdi，其目标是根据电价的变化调整需求量，实现自身效益最大化，即

(3)

智能电网需求响应管理的核心目标是根据电价调整电力供应量与需求量以实现全网社会效益最大化。社会效益是需求响应管理控制性能的评价指标，在满足电力供应量和电力需求量的限制条件下，智能电网需求响应管理的全局优化问题为[8]

(4)

式(4)可用凸优化理论实现求解的前提是，控制单元必须提前知道电力供应者的成本函数和电力消费者的效用函数，这些信息对于电力供应者和消费者均是私有的，信息获取是控制单元难以解决的问题[9]。文献[10]提出了一种分布式迭代算法可有效逼近式(4)的最优解，无需电力供应者和消费者的私有信息，其具体步骤如下：

1)控制单元将初始电价p1≥0播报给电力供应者和每一个电力消费者；

4)重复2)、3)直至电价不再改变。

2 基于频谱感知的需求响应管理技术

2.1 认知无线电频谱感知技术

频谱感知技术是认知无线电的关键技术，其主要功能是实现对周围电磁环境的智能感知，监测频谱使用状况，实现空闲频谱的搜索[11]。将认知无线电技术引入电力需求响应管理中，以缓解通信需求增加、频谱利用率低引起的频谱资源紧缺问题。频谱感知技术检测到的空闲频谱可用于电力消费者和控制单元的双向数据传输，提高通信质量和频谱利用率。

假设系统内的数据传输可由两个不同的信道完成，一个信道是非授权信道，记作Ch1，另一个信道是授权信道，记作Ch2。授权用户随机地占用Ch2，即电力消费者的智能电表可机会式地接入该频段进行数据传输。与文献[12]一致，分别用H0或H1表示信道Ch2空闲和忙碌的情况，同时，定义信道Ch2空闲和忙碌的概率分别为P0和P1，显然P0+P1=1。

常见的频谱感知算法有循环平稳特征检测、匹配滤波器检测和能量检测[13]。能量检测算法凭借其无需任何先验信息、实现复杂度低等优点，在频谱感知技术中得到了广泛应用。假设各个电力消费者的智能电表均配备有能量检测器，且均以采样频率fs实现对信号的采样，采样点数均为N，则感知时间满足τ=N/fs。在智能电表传输数据之前，利用特定的时隙以λ为判决门限实现对频谱占用状态的感知，选择合适的信道进行数据传输。频谱感知性能的衡量指标主要有检测概率Pd和虚警概率Pf：Pd为频谱被占用时的正确检测概率，Pf为频谱空闲时检测结果为频谱被占用的概率，两者的表达式为

(5)

(6)

需求响应管理的本质是根据电价的实时变化调整电力供应量、需求量，实现资源的合理配置以使社会效益最大化。同时，控制单元将收集电力供求信息作为电价更新的依据。通信性能的好坏将直接影响需求响应管理的控制性能。设Ch1与Ch2的中断率分别为ζ1和ζ2，且ζ1>ζ2。当系统在特定的感知时隙内检测到Ch2空闲，则将信道切换至Ch2，以更低的中断率实现电力消费者和控制单元的双向通信；若检测到Ch2被授权用户占用，则在Ch1上完成数据传输。用Psw表示Ch1切换至Ch2的概率，则有

Psw=P0(1-Pf)+P1(1-Pd)=

1-P0Pf-P1Pd

(7)

相应地，系统内电力消费者的平均中断率ζ可表示为

ζ=(1-Psw)ζ1+Pswζ2<ζ1

(8)

由ζ-ζ1=(1-Psw)ζ1+Pswζ2-ζ1=Psw(ζ2-ζ1)且切换概率Psw≥0，不难得知ζ<ζ1，即频谱感知技术的应用可有效降低系统中断率。

在需求响应管理中存在大量的数据交互过程。无线通信的不可靠性(如丢包、时延等)可能会导致电力消费者与控制单元的双向通信出现中断[14]。考虑系统中断率后的电价迭代表达式为

pk+1=

(9)

2.2 需求响应管理性能权衡问题

认知无线电频谱感知技术的运用可以降低中断率，提高通信性能，但也会为系统带来额外的开销。对于需求响应管理中的频谱感知问题，以对授权用户的干扰概率PI、频谱损失率PL作为主要衡量指标，则有

PI=P1(1-Pd)

(10)

PL=P0Pf

(11)

增大采样点数N可以提高检测概率，减少对授权用户的干扰，但是N值过大会增大处理时延和系统开销。设置恰当的N值，在保证系统性能指标的同时，减小系统开销是智能电网的关键问题。因此，需求响应管理的全局最优问题可以被描述为

(12)

PI≤η

式中η为需求响应管理系统中授权用户所能承受的最大干扰率。系统的优化目标是在尽可能减小对授权用户干扰、提高频谱利用率、改善通信性能的同时，尽可能提高智能电网的社会效益。

3 仿真分析

图1为切换概率Psw和中断概率与感知时间τ的关系曲线。从图中不难看出，随着感知时间的增加，信道切换概率，即Ch1切换至Ch2的概率也越来越高，这也意味着频谱利用率的提高和通信性能的改善。但当感知时间足够长时，切换概率的增长也越来越缓慢并逐渐趋于平稳，此时感知时间已不再是限制切换概率的因素。感知时间的增加会带来系统处理时延的增加，也会增大系统要处理的样本数、增加系统开销，因此合理设置感知时间对于系统整体性能至关重要。而随着感知时间的增大，系统通信的中断概率会逐渐降低。但与切换概率类似，感知时间足够大时，即使再加大频谱感知时间，也无法降低中断概率、提高通信性能。

图2为在系统对授权用户的干扰率满足PI=η时，频谱损失率与感知时间的关系曲线。显然，随着感知时间的增加，频谱损失率大幅降低。当感知时间足够大时，频谱损失率甚至可以达到0，可见增加感知时长可进一步提高频谱利用率，实现频谱使用的最大效率。

图3为不同中断率下电力供应量、电力需求量及电价的变化曲线,图4为不同中断率下电力供应者、消费者效益及社会效益变化曲线。从图3可以看出，当系统中断率为0时，电力需求量和供应量相等，电价具有最大值，即完美通信下的需求响应管理可以实现供需平衡，避免电力资源的浪费。随着中断率的增加，电力需求量不断增加，电价和电力供应量却不断减小，且电力需求量和电力供应量之差越来越大，即电力资源供求关系越发不平衡。从图4可知，中断率的增大在提高电力消费者效益的同时，将会导致电力供应者效益和社会效益的下降。中断率直接影响需求响应系统控制性能。因此，在保证系统开销、系统时延的同时，尽可能改善通信性能、优化电力资源配置是需求响应管理系统的核心问题。

图5为不同感知时间下电力供应量、电力需求量及电价的变化曲线，图6为不同中断率下电力供应者效益、消费者效益及社会效益变化曲线。可以看出，随着感知时间的增加，电价缓慢增加，电力供应量和电力需求量之差在逐渐减小，社会效益也随之增加，这意味着需求响应管理性能的提高。

通过仿真分析系统中断率、频谱感知时间对需求响应管理性能的影响，可知频谱感知时间将直接影响系统的切换概率、中断率、频谱损失率、对授权用户造成干扰的概率、电力供应者和消费者效益及社会效益。可见，设置合理的频谱感知时间对于需求响应管理的控制性能具有重要意义。

4 结束语

智能电网是下一代新型电力综合网络。与传统电网相比，引入认知无线电、需求响应管理等新型技术会使得电力网络具有安全、灵活、双向互动性、稳定等特点，其理论研究一直备受社会各界关注。智能电网的建设，对于电力系统各领域实现飞速发展具有战略意义。本文研究了频谱感知技术在智能电网中的应用，分析了基于实时电价的需求响应管理技术，并分析了频谱感知性能对需求响应管理性能的影响。MATLAB仿真结果表明，在电力需求响应管理系统中运用频谱感知技术可有效减少中断率，提高通信性能，相对稳定电价，在提高系统稳定性的同时可优化系统整体控制性能。本文所提方案实现简单，计算量小，具有工程价值和实用价值。