电网中动态电价下需求方用电管理

In today’s electricity grid, users face fixed-rate structures such as flat rate, or time-of-use rate. The current grid is inefficient, because current pricing strategies lack the ability to help coordinate supply and demand. Limited potential on both the supply-side and infrastructure makes it increasingly difficult for supply to constantly match demand. Furthermore, the development of smart appliances, electric vehicles, along with the growing penetration of intermittent renewable energy bring new challenges and opportunities. It has been widely acknowledged that better coordination of electricity supply and demand through proper pricing strategy and excellent demand-side management mechanism is the key to a better future grid, e.g., less waste of energy and greater grid reliability..The theory of supply chain management has gained widespread influences in the field of energy supply chain management. This project aims to contribute to the literature in the following aspects. Firstly, we will answer the question via worst case analysis, that under what conditions users are not worse-off after switching from fixed-rate to dynamic prices. Secondly, we would like to develop an appropriate demand-side electricity management mechanism that reacts to dynamic prices. At last, we will investigate the current situation and potential obstacles of our nation’s power grid. This application work may yield creative insights that lead to better grid renovation.

传统电网中需求方的定价主要包括恒定电价或分时电价等固定电价机制。这些定价机制难以反映电网中的实时供需关系，从而严重影响了电网的效率。随着用电需求的快速攀升，在现有基础设施下供电方的总装机容量显得愈发紧张。而可再生能源占总装机容量比例的迅速提升以及电动汽车和智能电器等的加入也为传统电网的发展带来了新的机遇与挑战。如何为电力定价和需求方用电管理设计合理的机制，是协调电网供需、减少能源浪费、加强电网供电可靠性的关键。.近年来，供应链管理领域的基础理论逐步渗透到能源领域并得到了广泛的应用。本项目着重从两个方面在能源供应链管理领域进行创新：一是通过鲁棒优化，研究并分析在何种条件下需求方用户在动态电价下的效用不会差于在恒定电价下的效用；二是研究恰当的需求方用电管理机制，以实现协调电网中供需平衡的问题。本项目还将在应用层面上进一步分析中国电网的现状和面临的问题，并力争为发展方向和改革途径提出创新性建议。

国际上于本世纪初提出了 Smart Grid 的概念，利用技术的手段使得动态实时电价成为了可能，而一系列的中试实验反馈的效果并不理想。研究者发现造成动态电价调整供需平衡效果不佳的原因在于缺乏有效的用电侧自动化控制手段。课题工作之一直接优化智能电网中需求侧的控制。工作假设供给侧释放价格信号来激励用电消费的削峰填谷。工作在弱假设下得到普适算法，可以被应用在各类型的用户端。用户购买装配申请人算法模块的产品，只需要短时间的试运行，采集相关数据，即可自适并进行用户端最优控制。研究有两个难点：(1) 缺乏关于电价和需求的随机分布函数，(2) 问题涉及高维度，导致了维度灾难。工作的贡献是利用一个基于近似动态规划 (Approximate Dynamic Programming) 的算法来解决分布函数未知和维度灾难问题，并设计了伪多项式时间算法去解决近似后函待解决的优化问题。这工作形成了一篇论文发表在工业工程顶级期刊IISE Transactions。..第二项工作仍属于能源供应链范畴，但是具体问题切换到天然气 Gunbarrel 结构的管网运输优化问题。这项研究旨在增进供给侧效率，改善供需平衡，为需求侧争取更大的空间进行优化。天然气的运输直接消耗天然气来为管网增压，消耗巨大并产生碳排放。本工作解决了天然气运输领域数十年来的难点，有效的计算出最优的增压方式。方法仍是基于动态规划的算法，创新点是算法的设计，使得传统上由于计算复杂度过高而无法得到解决的问题能够被有效率的解决。数值试验验证了算法精度达到甚至超过现有仿真商业软件能给出的精度，具有现实的利用价值。研究形成了一篇论文发表在UTD24的期刊 INFORMS Journal on Computing。..第三项工作将我们的控制思路进一步抽象，研究二部图基础上的柔性 (flexibility) 网络结构设计问题。可应用于社区电网配置。柔性指利用现有产能满足不确定需求的能力，而该能力是由柔性的网络结构所赋予的。主要的研究问题是如何在所有随机性事件被观测之前设计一个稀疏的网络结构，使得在随机性事件被观测到后二部图的网络流能够满足预设的服务水平的问题。这里的随机性事件可以是需求或供给的中断或需求量的不确定性。工作形成的论文已被 Productions and Operations Management 接收。