基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的居民家電負(fù)荷需求響應(yīng)潛力研究

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(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西 南昌 330001;2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077)

0 引言

當(dāng)下，各國對電力能源的需求逐年增長[1]，但電力需求的快速增長引起電網(wǎng)容量不足等矛盾逐漸增加。這些矛盾可導(dǎo)致需求高峰的功率限制和停電[2-3]。

一般應(yīng)對此矛盾的方法是限電或增加備用發(fā)電機(jī)，此方法給生活帶來不便。與傳統(tǒng)的一般方法比較，需求響應(yīng)具有保護(hù)環(huán)境、成本小及反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

近些年，國內(nèi)在此方面的研究發(fā)展速度迅猛，多數(shù)學(xué)者都在積極探索需求側(cè)響應(yīng)的理論實(shí)踐機(jī)制[7-11]。此外，部分學(xué)者也在探究用一些新的算法(如經(jīng)濟(jì)學(xué)方法和模式分類算法等)進(jìn)行需求響應(yīng)研究。尤其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[12-14]。

因此，本文進(jìn)行了基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的居民家電負(fù)荷需求響應(yīng)潛力研究。通過數(shù)據(jù)分析，計算可得空調(diào)和電熱水器可調(diào)負(fù)荷占居民用戶臺區(qū)總體負(fù)荷的15.7%～35.5%，具備很好的需求響應(yīng)潛力。佐證了“局部記憶性彈性類型家電(空調(diào)、電熱水器等)在緊急需求響應(yīng)中占主導(dǎo)地位”這一結(jié)論。

1 居民家電負(fù)荷的緊急需求響應(yīng)

1.1 家電負(fù)荷需求響應(yīng)潛力

局部記憶性彈性家電負(fù)荷(EPM)優(yōu)化模型為

FEPM=maxfincentEPM

(1)

fincentEPM為局部記憶性彈性家電負(fù)荷參與緊急需求響應(yīng)時的優(yōu)化目標(biāo)。

具體來講，可用向量X表示需求響應(yīng)潛力值向量。式(2)中xt表示在t時段用戶參與緊急需求響應(yīng)時可提供的最大功率削減值。

X=(x1,x2,…,xt,…,x24)

(2)

1.2 基于SOM的需求響應(yīng)用戶聚類

以向量X(需求響應(yīng)潛力值)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，則其結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]。

圖1 基于SOM的用戶聚類識別

基于SOM的用戶聚類識別步驟如下所述。

首先，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本文輸入量為24個。

其次，連接權(quán)wnj賦[0，1]區(qū)間的隨機(jī)值，n=1，2，…，24，j=1，2，…，25。進(jìn)而根據(jù)式(3)和式(4)作歸一化處理以及計算歐式距離。

(3)

(4)

對j*及其鄰域Nj*的連接權(quán)矢量進(jìn)行處理。最后重復(fù)上述過程，完成訓(xùn)練。

(5)

j=1,2,…,25

0<η(t)<1

1.3 居民家電負(fù)荷參與需求響應(yīng)的優(yōu)化

需求響應(yīng)前后用電量的改變?yōu)?/p>

(6)

ucost為用電量衡量指標(biāo)；C0、CDR為負(fù)荷響應(yīng)前后的用電量；P0為響應(yīng)前的用電量；Pt為響應(yīng)前的用電量；Pt為負(fù)荷實(shí)時功率。

對于局部記憶性彈性類型家電，用電舒適度指標(biāo)

uEPM=1-

(7)

maxfbetter=

(8)

(9)

fbetter為參與需求響應(yīng)時的優(yōu)化目標(biāo)；ωcost和ωcomfort分別為用電成本和舒適度的加權(quán)系數(shù)；ωEPM為舒適度的權(quán)重。舒適度的綜合優(yōu)化由局部記憶性彈性類型家電負(fù)荷的舒適度組成。

當(dāng)執(zhí)行緊急需求響應(yīng)時，局部記憶性彈性類型家電負(fù)荷優(yōu)化目標(biāo)為

maxfincent_EPM=

(10)

fincent_EPM為局部記憶性彈性家電負(fù)荷參與緊急需求響應(yīng)時的優(yōu)化目標(biāo)；ωEPM_cost和ωEPM_comfort分別為局部記憶性彈性類型家電負(fù)荷用電量和舒適度的權(quán)重；uEPM_cost和uEPM_comfort分別為局部記憶性彈性類型家電負(fù)荷用電量和舒適度的衡量指標(biāo)。

1.4 案例分析

本文以空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)潛力分析為例，對臺區(qū)空調(diào)需求響應(yīng)潛力進(jìn)行評估。

首先只考慮空調(diào)的設(shè)定溫度變化對空調(diào)功率影響時，空調(diào)負(fù)荷調(diào)節(jié)模型可簡化為

ΔP=fKΔT

(11)

ΔP為空調(diào)功率變化值；fK為考慮建筑物采暖面積、平均層高等因素的基礎(chǔ)參數(shù)；ΔT為設(shè)定溫度之差。根據(jù)式(11)，變頻空調(diào)(額定功率為1 000 W)在調(diào)節(jié)設(shè)定溫度時的可調(diào)負(fù)荷如表1所示。基于同樣的分析，可得定頻空調(diào)的可調(diào)負(fù)荷如表2所示。

表1 變頻空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度對應(yīng)可調(diào)負(fù)荷潛力

考慮到實(shí)際空調(diào)使用情況受房間保溫性能、空調(diào)實(shí)際能效、室內(nèi)人員流動、門窗開閉、室外溫度等多方面因素影響，其可調(diào)負(fù)荷會存在差異。

表2 定頻空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度對應(yīng)可調(diào)負(fù)荷潛力

根據(jù)前文所述算法，結(jié)合空調(diào)可調(diào)經(jīng)驗公式，可得夏季高峰空調(diào)需求響應(yīng)潛力，如表3所示。同理，根據(jù)此方法可以進(jìn)行電熱水器的需求響應(yīng)潛力測算，結(jié)果如表4所示。總體計算可得空調(diào)和電熱水器可調(diào)負(fù)荷占居民用戶臺區(qū)總體負(fù)荷的15.7%～35.5%，具備很好的需求響應(yīng)潛力。

表3 夏季高峰空調(diào)需求響應(yīng)潛力測算

表4 夏季高峰電熱水器需求響應(yīng)潛力測算

2 結(jié)束語

本文通過研究基于SOM神經(jīng)網(wǎng)的居民家電負(fù)荷需求響應(yīng)潛力，得出一般情況就緊急需求響應(yīng)而言，僅局部記憶性彈性類型(空調(diào)、熱水器等)家電有參與需求響應(yīng)的價值。因此本文僅討論局部記憶性彈性家電負(fù)荷(EPM)。

結(jié)合空調(diào)可調(diào)經(jīng)驗公式，可得夏季高峰空調(diào)需求響應(yīng)潛力計算可得空調(diào)和電熱水器可調(diào)負(fù)荷占居民用戶臺區(qū)總體負(fù)荷的15.7%～35.5%，具備很好的需求響應(yīng)潛力,佐證了“局部記憶性彈性類型家電(空調(diào)、電熱水器等)在緊急需求響應(yīng)中占主導(dǎo)地位”這一結(jié)論。