CN115481802B - 一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法 - Google Patents

一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统调控领域，公开了一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，首先构建多目标函数，主要包括城市电网用电成本最小，碳排放量最小两个目标。其次，构建计及可调量‑碳排放量‑用电等级的城市电网有序用电模型的约束条件，主要包括用户负荷可调量约束，城市电网负荷调节量约束，城市电网用户用电等级约束。最后，提出基于NSGA‑II算法的城市电网有序用电模型多目标求解策略。基于NSGA‑II多目标求解算法，对城市电网有序用电多目标模型进行求解，输出城市电网用户有序用电策略。

Description

一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法
技术领域
本发明涉及电力系统调控领域，尤其涉及一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法。
背景技术
有序用电是指通过法律、行政、经济、技术等手段，加强用电管理，改变用户用电方式，采取错峰、避峰、轮休、让电、负控限电等一系列措施，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。进入21世纪以来，电力需求迅猛增长，尽管电力建设高速发展，但由于负荷需求飞速增长，能源危机和供需矛盾异常严重，有序用电发挥了重要作用。有序用电由各级政府和有关政府部门主导及推动，充分调动供电企业和电力用户的积极性，共同参与和配合。在电力供需不平衡情况下，坚持限电不拉电，确保市民用电不受影响，确保重点企业生产需要，确保城市生产生活正常有序进行。双碳目标下，为促进电网节能减碳、节能减排，各省市相续发布了有序用电政策，如《国网上海市电力公司关于2022年上海市有序用电方案的请示》(国网上电司销〔2022〕281号)，《辽宁省工业和信息化厅关于组织编制2022年有序用电方案的通知》(辽工信电力〔2022〕73号)要求，《2022年锦州市年度有序用电方案》，《黑河市2022年“迎峰度夏”有序用电方案》等。目前城市电网有序用电对用户碳排放量考虑不足，与用户用电等级衔接不够紧凑，用户有序用电策略有待优化。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了面向城市电网，综合考虑碳排放和用户用电等级，提出一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，降低城市电网用户用电成本，有序用电碳排放，助力碳达峰、碳中和。
本专利提出了一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，主要包括：城市电网用户侧用电信息采集技术；计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型，城市电网用电成本最小，碳排放量最小多目标函数；用户负荷可调量约束，城市电网负荷调节量约束，城市电网用户用电等级约束。基于NSGA-II算法的城市电网有序用电模型多目标求解策略。
所述方法包括以下步骤：
(1)提出城市电网用户侧用电信息采集技术，采集的信息主要包括城市电网当前度电碳排放因子，城市电网用户当前用电可调范围，城市电网企业用电等级信息；
(2)构建计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型。首先构建多目标函数，主要包括城市电网用电成本最小，碳排放量最小两个目标；
(3)构建计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型的约束条件，主要包括用户负荷可调量约束，城市电网负荷调节量约束，城市电网用户用电等级约束；
(4)提出基于NSGA-II算法的城市电网有序用电模型多目标求解策略。基于NSGA-II多目标求解算法，对城市电网有序用电多目标模型进行求解，输出城市电网用户有序用电策略。
进一步，所述步骤(1)中，采集的信息主要包括城市电网当前度电碳排放因子，城市电网用户当前用电可调范围，城市电网企业用电等级信息如公式(1)所示；
式中：X(t)为t时刻采集的城市电网用户侧用电采集信息，μ(t)为t时刻城市电网度电碳排放因子。ΔPi Amin(t),ΔPi Amax(t)分别为等级为A的用户i在t时刻可下调功率最小、最大量；分别为等级为B的用户j在t时刻可下调功率最小、最大量；分别为等级为C的用户k在t时刻可下调功率最小、最大量；A、B、C分别为用户等级，等级A>B>C，即限电时，先对C等级用户限电，C等级用户全部参加限电后，再对B等级用户限电，B等级用户全部参加限电后，最后再对A等级用户限电。
进一步，
所述步骤(2)中，构建多目标函数如公式(2)、(3)所示，其中城市电网有序用电成本最小目标函数如公式(2)所示，碳排放量最小目标函数如公式(3)所示。
式中：f1为城市电网有序用电成本最小目标函数；为A等级用户i在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为B等级用户j在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为C等级用户k在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；m、n、L分别为等级A、B、C的用户总数量；ΔPi A(t)为A等级用户i在t时刻参与电网调节功率；/>为B等级用户j在t时刻参与电网调节功率；/>为C等级用户k在t时刻参与电网调节功率；/>为A等级用户i在t时刻参与调节成本因子；/>为B等级用户j在t时刻参与调节成本因子；/>为C等级用户k在t时刻参与调节成本因子；Δt城市电网限电需求时间；/>为t时刻城市电网单位调节电量补偿系数；ΔF为有序用电分级惩罚成本；/>表示对于所有B等级用户都参与城市电网调节时，存在C等级用户不参与电网调节。f2为碳排放量最小目标函数；μ(t)为t时刻城市电网度电碳排放因子。
进一步的，
所述步骤(3)中，构建的计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型的约束条件如公式(5)—(7)所示，其中用户负荷可调量约束如公式(5)所示即各类等级用户参与负荷调节量要满足城市电网总调节量要求。城市电网负荷调节量约束如公式(6)所示，各等级用户参与的调节量不得超过可调节上下限。城市电网用户用电等级约束如公式(7)所示，如果存在A等级用户参与城市电网电量调节，那么所有的B等级用户、C等级用户都要参与电量调节；如果存在B等级用户参与城市电网电量调节，那么所有的C等级用户都要参与电量调节。
式中：ΔP(t)为t时刻城市电网电量调节需求；δi A(t)为A等级用户i在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；为B等级用户j在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为C等级用户k在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；ΔPi A(t)为A等级用户i在t时刻参与电网调节功率；/>为B等级用户j在t时刻参与电网调节功率；/>为C等级用户k在t时刻参与电网调节功率；m、n、L分别为等级A、B、C的用户总数量；ΔPi Amin(t),ΔPi Amax(t)分别为等级为A的用户i在t时刻可下调功率最小、最大量；/>分别为等级为B的用户j在t时刻可下调功率最小、最大量；/>分别为等级为C的用户k在t时刻可下调功率最小、最大量。
进一步的，所述步骤(4)中，P t为初始化电网多目标求解种群，Gen为迭代次数，maxGen为最大迭代次数；
非支配排序求解过程如下：
针对城市电网有序用电多目标求解问题，对于目标函数f1(Pt)和f2(Pt)，对任意给定两决策变量如果有以下两个条件成立，则称/>支配/>
1)对于都有/>
2)对于使得/>
如果一个决策变量不存在其他决策变量/>能够支配他，则称/>为非支配解。在一组解中，定义非支配解等级irank为1，剔除非支配解集合中剩下解的irank等级定义为2，依次循环，实现对集合非支配解等级的排序。
拥挤度计算如公式(8)所示：
式中：id为两决策变量对应解之间的拥挤度。
基于NSGA-II多目标求解算法，对城市电网有序用电多目标模型进行求解，输出城市电网用户有序用电策略。
本发明有益效果：
降低城市电网有序用电成本，降低城市电网碳排放量，助力电网碳减排，对实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要意义。
附图说明
图1、本发明的流程图；
图2、本发明基于NSGA-II算法的城市电网有序用电模型多目标求解策略。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，本实施例的一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，包括以下步骤：
(1)提出城市电网用户侧用电信息采集技术，采集的信息主要包括城市电网当前度电碳排放因子，城市电网用户当前用电可调范围，城市电网企业用电等级信息；
所述步骤(1)中，采集的信息主要包括城市电网当前度电碳排放因子，城市电网用户当前用电可调范围，城市电网企业用电等级信息如公式(1)所示；
式中：X(t)为t时刻采集的城市电网用户侧用电采集信息，μ(t)为t时刻城市电网度电碳排放因子。ΔPi Amin(t),ΔPi Amax(t)分别为等级为A的用户i在t时刻可下调功率最小、最大量；分别为等级为B的用户j在t时刻可下调功率最小、最大量；分别为等级为C的用户k在t时刻可下调功率最小、最大量；A、B、C分别为用户等级，等级A>B>C，即限电时，先对C等级用户限电，C等级用户全部参加限电后，再对B等级用户限电，B等级用户全部参加限电后，最后再对A等级用户限电。
(2)构建计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型。首先构建多目标函数，主要包括城市电网用电成本最小，碳排放量最小两个目标；
所述步骤(2)中，构建多目标函数如公式(2)、(3)所示，其中城市电网有序用电成本最小目标函数如公式(2)所示，碳排放量最小目标函数如公式(3)所示。
式中：f1为城市电网有序用电成本最小目标函数；δi A(t)为A等级用户i在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；为B等级用户j在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为C等级用户k在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；m、n、L分别为等级A、B、C的用户总数量；ΔPi A(t)为A等级用户i在t时刻参与电网调节功率；/>为B等级用户j在t时刻参与电网调节功率；/>为C等级用户k在t时刻参与电网调节功率；/>为A等级用户i在t时刻参与调节成本因子；/>为B等级用户j在t时刻参与调节成本因子；/>为C等级用户k在t时刻参与调节成本因子；Δt城市电网限电需求时间；/>为t时刻城市电网单位调节电量补偿系数；ΔF为有序用电分级惩罚成本；/>表示对于所有B等级用户都参与城市电网调节时，存在C等级用户不参与电网调节。f2为碳排放量最小目标函数；μ(t)为t时刻城市电网度电碳排放因子。
(3)构建计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型的约束条件，主要包括用户负荷可调量约束，城市电网负荷调节量约束，城市电网用户用电等级约束；所述步骤(3)中，构建的计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型的约束条件如公式(5)—(7)所示，其中用户负荷可调量约束如公式(5)所示即各类等级用户参与负荷调节量要满足城市电网总调节量要求。城市电网负荷调节量约束如公式(6)所示，各等级用户参与的调节量不得超过可调节上下限。城市电网用户用电等级约束如公式(7)所示，如果存在A等级用户参与城市电网电量调节，那么所有的B等级用户、C等级用户都要参与电量调节；如果存在B等级用户参与城市电网电量调节，那么所有的C等级用户都要参与电量调节。
式中：ΔP(t)为t时刻城市电网电量调节需求；δi A(t)为A等级用户i在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；为B等级用户j在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为C等级用户k在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；ΔPi A(t)为A等级用户i在t时刻参与电网调节功率；/>为B等级用户j在t时刻参与电网调节功率；/>为C等级用户k在t时刻参与电网调节功率；m、n、L分别为等级A、B、C的用户总数量；ΔPi Amin(t),ΔPi Amax(t)分别为等级为A的用户i在t时刻可下调功率最小、最大量；/>分别为等级为B的用户j在t时刻可下调功率最小、最大量；/>分别为等级为C的用户k在t时刻可下调功率最小、最大量。
(4)提出基于NSGA-II算法的城市电网有序用电模型多目标求解策略。基于NSGA-II多目标求解算法，对城市电网有序用电多目标模型进行求解，输出城市电网用户有序用电策略。
如图2所示，P t为初始化电网多目标求解种群，Gen为迭代次数，maxGen为最大迭代次数；
非支配排序求解过程如下：
针对城市电网有序用电多目标求解问题，对于目标函数f1(Pt)和f2(Pt)，对任意给定两决策变量如果有以下两个条件成立，则称/>支配/>
1)对于都有/>
2)对于使得/>
如果一个决策变量不存在其他决策变量/>能够支配他，则称/>为非支配解。在一组解中，定义非支配解等级irank为1，剔除非支配解集合中剩下解的irank等级定义为2，依次循环，实现对集合非支配解等级的排序。
拥挤度计算如公式(8)所示：
式中：id为两决策变量对应解之间的拥挤度。
基于NSGA-II多目标求解算法，对城市电网有序用电多目标模型进行求解，输出城市电网用户有序用电策略。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)提出城市电网用户侧用电信息采集技术，采集的信息包括城市电网当前度电碳排放因子，城市电网用户当前用电可调范围，城市电网企业用电等级信息；
(2)构建计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型；首先构建多目标函数，包括城市电网用电成本最小，碳排放量最小两个目标；所述步骤(2)中，构建多目标函数如公式(2)、(3)所示，其中城市电网有序用电成本最小目标函数如公式(2)所示，碳排放量最小目标函数如公式(3)所示；
式中：f1为城市电网有序用电成本最小目标函数；为A等级用户i在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为B等级用户j在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为C等级用户k在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；m、n、L分别为等级A、B、C的用户总数量；△Pi A(t)为A等级用户i在t时刻参与电网调节功率；/>为B等级用户j在t时刻参与电网调节功率；为C等级用户k在t时刻参与电网调节功率；/>为A等级用户i在t时刻参与调节成本因子；/>为B等级用户j在t时刻参与调节成本因子；/>为C等级用户k在t时刻参与调节成本因子；△t城市电网限电需求时间；/>为t时刻城市电网单位调节电量补偿系数；△F为有序用电分级惩罚成本；/>表示对于所有B等级用户都参与城市电网调节时，存在C等级用户不参与电网调节；f2为碳排放量最小目标函数；μ(t)为t时刻城市电网度电碳排放因子；
(3)构建计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型的约束条件，包括用户负荷可调量约束，城市电网负荷调节量约束，城市电网用户用电等级约束；
(4)提出基于NSGA-II的计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型多目标求解策略；基于NSGA-II多目标求解算法，对计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型进行求解，输出城市电网用户有序用电策略。
2.根据权利要求1所述的一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，其特征在于，
所述步骤(1)中，采集的信息包括城市电网当前度电碳排放因子，城市电网用户当前用电可调范围，城市电网企业用电等级信息如公式(1)所示；
式中：X(t)为t时刻采集的城市电网用户侧用电采集信息，μ(t)为t时刻城市电网度电碳排放因子；△Pi Amin(t),△Pi Amax(t)分别为等级为A的用户i在t时刻可下调功率最小、最大量；分别为等级为B的用户j在t时刻可下调功率最小、最大量；分别为等级为C的用户k在t时刻可下调功率最小、最大量；A、B、C分别为用户等级，等级A>B>C，即限电时，先对C等级用户限电，C等级用户全部参加限电后，再对B等级用户限电，B等级用户全部参加限电后，最后再对A等级用户限电。
3.根据权利要求1所述的一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，其特征在于，
所述步骤(3)中，构建的计及可调量-碳排放量-用电等级的城市电网有序用电模型的约束条件如公式(5)—(7)所示，其中用户负荷可调量约束如公式(5)所示即各类等级用户参与负荷调节量要满足城市电网总调节量要求；城市电网负荷调节量约束如公式(6)所示，各等级用户参与的调节量不得超过可调节上下限；城市电网用户用电等级约束如公式(7)所示，如果存在A等级用户参与城市电网电量调节，那么所有的B等级用户、C等级用户都要参与电量调节；如果存在B等级用户参与城市电网电量调节，那么所有的C等级用户都要参与电量调节；
式中：△P(t)为t时刻城市电网电量调节需求；为A等级用户i在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为B等级用户j在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；/>为C等级用户k在t时刻的运行状态，参与电网限电调节取1，不参与电网调节取0；△Pi A(t)为A等级用户i在t时刻参与电网调节功率；为B等级用户j在t时刻参与电网调节功率；/>为C等级用户k在t时刻参与电网调节功率；m、n、L分别为等级A、B、C的用户总数量；△Pi Amin(t),△Pi Amax(t)分别为等级为A的用户i在t时刻可下调功率最小、最大量；/>分别为等级为B的用户j在t时刻可下调功率最小、最大量；/>分别为等级为C的用户k在t时刻可下调功率最小、最大量。
4.根据权利要求1所述的一种计及碳排放和用电等级约束的城市电网有序用电方法，其特征在于，所述步骤(4)中，Pt为初始化电网多目标求解种群，Gen为迭代次数，max Gen为最大迭代次数；
非支配排序求解过程如下：
针对城市电网有序用电多目标求解问题，对于目标函数f1(Pt)和f2(Pt)，对任意给定两决策变量如果有以下两个条件成立，则称/>支配/>
1)对于都有/>
2)对于使得/>
如果一个决策变量不存在其他决策变量/>能够支配他，则称/>为非支配解；在一组解中，定义非支配解等级irank为1，剔除非支配解集合中剩下解的irank等级定义为2，依次循环，实现对集合非支配解等级的排序；
拥挤度计算如公式(8)所示：
式中：id为两决策变量对应解之间的拥挤度；
基于NSGA-II多目标求解算法，对城市电网有序用电多目标模型进行求解，输出城市电网用户有序用电策略。
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