智能电网配用电信息接入与负载调度研究

高华民

（大港油田电力公司）

0 引言

智能电网是在新时代中产生的一种新型电力网络，可以将传感与通信以及数据的控制相贯穿，实现电能的高效安全运输，使配电工作更加经济，与智能电网配用电信息的接入相关联的信息有配电方的实时电价信息、用电方的负载信息以及配电线路的监测信息和智能电表数据的读取与处理控制等，其中，实时电价在实现负载调度的有效性和经济性方面具有显著的作用，是其调度工作开展的重要手段，对于配电方来说，需要根据接收到的来自用户的用电负载信息进行电价的设置，对于用电方来说，需要根据配电方发布的电价选择合适的负载。总的来说，从电能的发送到消耗，配用电网在其中所起到的作用不容忽视，直接保障了配用电信息的接入以及负载调度的合理性，可见对于配用电网的研究具有重要的意义。

1 智能电网通信的研究现状

智能电表的出现对于双向通信的实施和开展具有重要的意义，使得双向通信过程变为可能，经过多年的发展与改进，智能电网已经成为网络传输与信息控制的集合体，促使用户与配电方之间以紧密地交互为手段实现发电、配电以及用电之间的经济有效的目标。

所谓的电力线通信就是指以电力载波作为数据传输媒介的电力线通信系统，其最大的优势就在于可以在地理环境偏远且恶劣的地方进行建设，不过电力线通信所存在的问题是电力线载波的设计并不是专门针对数据的传输来设计的，而且阻抗值不同以及频变衰减等问题都是其所面临的比较难解决的问题。不过与电力线通信相比较，无线通信具有比较低的安装成本和比较高的灵活度，在智能电网通信系统的建设方面受到广泛的关注和欢迎，在智能电网通信中，无线网络主要包括三种，一是家域网，二是邻域网，三是广域网。

智能电网的一个主要特征就是负载调度，相关文献中对于负载调度的定义是在用户用电模式的改变方面，为了适应用电价格改变的现状而对用电高峰期或者用电比较紧急的情况进行调整，在传统的电网配电中，为了满足日益增长的用电需求往往通过额外发电系统的建立来保证用电量的匹配，而负载调度的采用有利于克服日益增长的用电需求，并且在实现此目标的前提下不需要建立额外的发电站，只要给用户以一定的经济方面的刺激就可以把用电的高峰期进行转移，进而填平用电的低谷期，起到削峰填谷的效果，一方面可以降低用户的电量消耗和移机电费消耗，另一方面还可以减少电网的供电压力，由此，发电站就可以免去昂贵的发电机组的投入成本，而且可以从长远的角度将发电量的需求时间推迟。常见的负载调度的手段主要是采取经济手段，比如用电费用的激励、电价的诱导等，促使用户的用电模式加以改变，这类手段的使用可以在很大程度上起到调节用电负载的作用，进而提高电网工作的有效性和可靠性。

虽然说目前国内外对于智能电网配用电信息接入和负载的调度研究的理论成果比较丰富和完善，但在关键技术的研究与应用方面并不是非常先进，仍然是配电网络中亟待解决的问题之一，智能配电网络作为电网研究的重要内容，直接决定了电网发展目标的实现水平。

2 电网配用电信息接入与配电性能研究

对于电网的发电、运输、变电、配电和用电等各个环节的工作进行全面升级将会对配电网络的灵活性、有效性以及环保性的提高具有重要的意义，需求与响应问题的管理被看做是智能电网控制的最基本的单元，在实时负载的平衡以及高峰负载的转移方面具有非常广泛的应用，而电网用电的通信对于需求响应的准确性判断是至关重要的，在智能电网性能的控制上处于核心地位，因此，为了最大限度地提高电网的通信质量，本文引入无线电，以信道切换和频谱感知技术来减少数据传输过程中的信号中断，目前已经有不少的文献有相关方面的记载，认为进行需求与响应管理的最终目标是实现对高峰期用电量的转移或者减少，实时电价控制在其中可以起到非常显著的作用，比如分布式迭代法和博弈论等，都是建立在双向通信通畅的基础之上的，但是这些假设在实际的应用过程要求太高。

通信在智能电网中的核心性地位已经得到了大众的认可，主要是因为其安装成本低和灵活性高，随着电网系统的不断完善，智能电网中加入了许多的智能电表，由于每日需要统计的智能电表的数据量非常大，因此就需要引入更多的频段对电网的无线通信系统进行支持，这种需要向原本就稀少的频谱资源提出了更大的挑战，为了提出更好的方案解决频谱资源的有限性问题，无线电成为症结得以解开的关键。

所谓的频谱感知就是使用户可以方便地检测出某一信道是否处于被占用状态进而对无线电进行认识的一种核心技术，其特点是与数据信号的传输需要分时进行，笔者在文中就频谱感知的可靠性水平及能量的消耗对通信控制性能的影响展开讨论。为了实现通信质量的提升，需要在智能电网中引入无线电，家域网中智能电表可以实现周期性的数据发送，电表数据的收发器集结形成了频谱感知功能，用以对授权信道的使用状态及性能检测，这样就能够方便进行机会借用，在所有的频谱感知技术中，能量检测器对于零值噪声环境中强度比较弱的信号的检测可以起到比较显著的作用，通过能量检测器完成频谱感知的方法是在带宽为W的信道和时间T之间进行信号的积分计算，智能电表就可以将收集到的能量信号和预定的能量检测器的阈值进行对比，然后根据二者的差别判断信号是否处于占用的状态。

在无线电认知的前提下，进行智能配电网络通信框架的建立时，为了实现信道的切换首先要进行频谱感知，但是由于频谱切换过程中也会产生一定的误差，所以信道切换的概率与频谱的感知频率并不是完全一致，因此在进行信道切换时应该注意两个问题，一是如果授权信道的状态是H1，那么在智能电表没有检测到主用户的情况下，也即是P1（1-Pd）；二是如果授权信道的状态为H0，而其可以证明智能电表处于正常工作状态，也即是P0（1-Pf），那么信道的切换概率就可以表示为P=1-P1Pd-P0Pf。如果信道切换概率与频谱感知频率不完全一致，那么Pd=1，Pf=0，则P=P0。

3 负载调度与带耦合约束

在研究居民用电过程中的调度问题时，应该同时考虑用户之间关于用电的博弈，以及在时间耦合上的约束力，共同构成用户负载调度与带耦合约束的博弈体系的研究与分析，由于每一个用户在时间方面都会受到一定的耦合约束，也就是说，为了保证每天任务的完成，给定的电量消耗阈值应该小于等于累积的用电总值，举例来说，对于电动自行车，前一天所充的电量应该满足第二天的出行需要，那么，用电问题就具有了时间耦合的约束性，大部分配电网络都是通过电价的改变来影响用户的用电量，再利用分布式迭代法保证供电与用电需求之间的平衡，但是他们没有考虑的是如果没有时间耦合约束，最终得到的结果不一定是最优解。总而言之，就是进行负载调度的过程中不应该忽略时间耦合约束的影响。

在进行系统模型的建立时，所取用的环境是供电站与用户之间构成的智能配电网络，将用户的个数设定为N，那么从历史统计数据中就可以得到用户的用电需求，然后再对可以进行控制的用户家电用电需求进行分析，对于家用电器的耗电问题，用户所关心的是家电是否能够在一定的时间内完成给定的任务，也就是说，在截至的时间段内，用电器的累计耗电量大于等于阈值，如果在每一个智能电表中嵌入一个负载调度器，那么每个用户家伙总的用电器的开关以及用电器的工作模式都可以被实时控制。

在实际的计算中，由于带耦合的博弈问题很难直接求得结果，因此如果考虑耦合约束进行相关的计算，可以解决对偶分解法解耦原始问题。

考虑到供电商往往是提前一个或者几个时隙进行电价信息的发布，因此，为了增强对负载的调度效率就需要具有比较高的电价预测水平，有关人员提出了滤波器，但是用户的用电调度是在离线的状态下进行的，若电价的预测误差太大就会降低解耦的性能，而要想降低电价预测误差带来的负面影响，促使系统性能的提升，可以采用在线调度的方法，每发布一个新的电价信息就可以对负载的调度重新调整。

4 负载调度与不确定的电价

由于近年来人们对于用电的需求量在不断增加，智能电网需要通过合理的负载调度实现用电需求的调整，也就是利用电价刺激的手段将用电高峰期的用电需要转移到用电低峰期，在实际的用电环境中，未来电价的变化是不确定的，负载调度的构建往往涉及到时间耦合约束，为了解决电价的不确定性问题，笔者提出了对偶分解分析法。

首先建立用电器的模型，家用电器的种类可以分为必须运行的用电器（例如照明、烹饪等在某一时间段必须进行电量消耗的用电器，表征的是最低的用电量的标准，这样的基准负载只与时间有关系而无关电价）和可以转移运行时间的用电器（例如电视、电脑，这类工具的使用状态在事先是不知道的，往往取决于用户的临时需要），对于可转移的用电器的用电预测取决于对其用电规律的把握，而在进行负载预测时就会引入需求方的不确定性。

对原始问题进行分析时发现，原始问题是带有时间耦合约束的，这种约束把用户的负载与时间尺度上的耦合联系在一起，因而无法在时隙上进行求解计算，通过对偶分解法可以将问题肢解为几个子问题，处于原始问题的对偶性，经过分解的子问题与原始问题是等价的。

子问题的分析中所面临的问题就是用户在每一个子问题的时隙中求解子问题，在计算的过程中就会发现，前一天预留的用电需求决定于未来电价的分布函数，而实际消耗的电能则决定于实时电价的发布，如果预留的电量不足，用户就需要在零售市场中以高于实时电价的价格购买额外用电量，但预留值也不能太大，否则就会造成用电容量的浪费。

5 结束语

我国的配电网络络系统在科学技术的支持下得到了极大的发展，在这一发展进程中，传统电量的分配模式已经无法与越来越高的用电需求相匹配了，并严重制约了我国电力产业的可持续性发展，智能配电系统成为进行电网研究的基础性问题，在实现用电配电高效性目标的过程中起着关键的作用，从配电到用电，都需要保证配电信息的接入与负载调度的可靠性，因此，对于信息的接入与负载调度的研究是目前电力行业的重要课题。

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