基于能量共享與交易協(xié)同的5G融合配電網(wǎng)基站儲(chǔ)能調(diào)控方法

摘要隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，高能耗5G基站的規(guī)模化應(yīng)用增大了基站運(yùn)營(yíng)成本，加劇了配電網(wǎng)供需不平衡等問題。首先，基于5G基站能耗特性，分析了基站調(diào)控潛力，結(jié)合5G基站能耗和光伏出力的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建了基站間能量共享以及基站與配電網(wǎng)間能量交易模型。然后，以促進(jìn)5G基站能量共享、提高基站運(yùn)營(yíng)效益和參與削峰填谷收益為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了5G融合配電網(wǎng)基站儲(chǔ)能調(diào)控優(yōu)化模型，并提出基于能量共享與交易協(xié)同的5G基站儲(chǔ)能調(diào)控算法求解。最后，仿真結(jié)果表明：所提方法能夠提高基站運(yùn)營(yíng)效益，促進(jìn)配電網(wǎng)削峰填谷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏出力的有效消納。015G基站調(diào)控潛力分析1.1

5G基站能耗特性分析5G基站能耗可分為靜態(tài)能耗和動(dòng)態(tài)能耗。其中，靜態(tài)能耗主要包括直流電源損耗、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備負(fù)荷和維持基站室內(nèi)環(huán)境的用電負(fù)荷，如空調(diào)、照明等；動(dòng)態(tài)能耗主要為有源天線單元（activeantennaunit，AAU）負(fù)荷能耗、基帶單元（basebandunit，BBU）負(fù)荷能耗等。5G基站運(yùn)行時(shí)，AAU的耗電量隨基站的通信負(fù)載動(dòng)態(tài)變化。受用戶移動(dòng)性和行為隨機(jī)性的影響，基站通信負(fù)載在時(shí)間上呈現(xiàn)周期性動(dòng)態(tài)變化，在空間上呈現(xiàn)區(qū)域性差異。在時(shí)間分布上，基站通信負(fù)載以一天24h為周期動(dòng)態(tài)變化；在空間分布上，辦公、住宅、商業(yè)區(qū)域的用戶數(shù)量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)明顯差異，導(dǎo)致不同區(qū)域的基站通信負(fù)載也呈現(xiàn)差異，例如，工作時(shí)段辦公區(qū)基站通信負(fù)載明顯高于住宅區(qū)，而非工作時(shí)段居住區(qū)基站通信負(fù)載明顯高于辦公區(qū)。1.2

5G基站儲(chǔ)能調(diào)控潛力基站在建設(shè)時(shí)配置儲(chǔ)能電池作為不間斷電源，保障供電需求。可根據(jù)基站的用電需求實(shí)時(shí)調(diào)控基站儲(chǔ)能，在保障基站供電的前提下提供用電靈活性?；緝?chǔ)能容量包括最小備用容量和可調(diào)度容量2個(gè)部分，如圖1所示。在高通信負(fù)載時(shí)段，通過降低可調(diào)度容量，增加最小備用容量，保障基站供電和通信服務(wù)質(zhì)量；在低通信負(fù)載時(shí)段，通過降低最小備用容量，提高可調(diào)度容量，在保證自身供電可靠性的前提下，參與基站間能量共享和配電網(wǎng)能量交易，提高基站運(yùn)營(yíng)效益，促進(jìn)配電網(wǎng)削峰填谷。圖1

5G基站儲(chǔ)能電池可調(diào)度容量示意Fig.1

Schematicdiagramofdispatchingcapacityofenergystoragebatteriesin5Gbasestations02系統(tǒng)模型考慮能量共享與能量交易的5G融合配電網(wǎng)基站儲(chǔ)能調(diào)控場(chǎng)景如圖2所示，包括5G基站、配電網(wǎng)和儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商等實(shí)體。假設(shè)場(chǎng)景中共存在K個(gè)5G基站，其集合表示為

S={S1,?,SK}。5G基站配備分布式光伏和儲(chǔ)能電池，在保障自身能量需求的前提下，參與基站間能量共享和配電網(wǎng)能量交易。將儲(chǔ)能調(diào)控總優(yōu)化時(shí)長(zhǎng)劃分為T個(gè)時(shí)段。基站與基站、基站與配電網(wǎng)間通過雙向交直流逆變器相互連接，能量可以通過直流電力總線在基站及配電網(wǎng)之間相互共享與交易；儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商根據(jù)每個(gè)時(shí)段內(nèi)5G基站的儲(chǔ)能可調(diào)控容量和配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)，協(xié)同優(yōu)化基站間的能量共享以及基站與配電網(wǎng)之間的能量交易。圖2

考慮能量共享與能量交易的5G融合配電網(wǎng)基站儲(chǔ)能調(diào)控場(chǎng)景Fig.2

Scenarioofenergystorageregulationofbasestationsin5Gintegrateddistributionnetworkwithenergysharingandenergytrading2.1

5G基站能耗模型定義5G基站

Sk

在時(shí)段

t

的總能耗為式中：為基站

Sk

的靜態(tài)能耗，與電源系統(tǒng)、信號(hào)處理和冷卻系統(tǒng)的能耗有關(guān)；為

Sk

的動(dòng)態(tài)能耗，與5G基站覆蓋范圍內(nèi)的通信用戶與業(yè)務(wù)數(shù)量有關(guān)；

γ

為表征通信用戶與業(yè)務(wù)數(shù)量的能耗系數(shù)；為基站

Sk

的最大動(dòng)態(tài)能耗。2.2

5G基站光伏出力模型5G基站分布式光伏出力受光伏板面積和太陽輻射強(qiáng)度影響?；?/p>

Sk

在時(shí)段

t

的分布式光伏出力

PVk(t)可表示為式中：

χ

為光電轉(zhuǎn)換效率；

SBk

為基站

Sk

光伏板面積；

ζ(t)為單位面積太陽輻射強(qiáng)度。2.3

5G基站類型判斷模型5G基站的放電下限須滿足基站總能耗和最小備用容量要求。定義第

t

個(gè)時(shí)段基站

Sk

的充電上限為放電下限為則式中：為基站最小備用容量。根據(jù)基站光伏出力、基站儲(chǔ)能容量和基站放電下限的關(guān)系，可將基站劃分為充電型基站和放電型基站2類。若基站光伏出力與基站儲(chǔ)能容量之和小于放電下限，則稱其為充電型基站，其集合表示為

Sin(t)，

I(t)為時(shí)段

t

的充電型基站數(shù)量；若基站光伏出力與基站儲(chǔ)能容量之和大于等于放電下限，則稱其為放電型基站，其集合表示為

Sout(t)，

J(t)為時(shí)段

t

的放電型基站數(shù)量。因此，基站

Sk

的充放電類型判斷模型為式中：

Ek(t)為

Sk

在第

t

個(gè)時(shí)段的儲(chǔ)能容量。定義充電型基站的能量缺額為其放電下限與儲(chǔ)能容量和光伏出力的差值，定義放電型基站的能量盈余為其儲(chǔ)能容量和光伏出力與放電下限的差值，分別表示為2.4

基站調(diào)控模型2.4.1

5G基站間能量共享模型定義時(shí)段

t

充電型基站與放電型基站的能量共享指示變量為

xi,j(t)∈{0,1}，

xi,j(t)=1表示向共享能量?？紤]充電型基站的實(shí)際能量需求，只有當(dāng)?shù)哪芰坑嗄軌驖M足的能量缺額時(shí)，二者才能夠進(jìn)行能量共享，即I(t)個(gè)充電型基站與

J(t)個(gè)放電型基站之間的總共享能量

Es(t)為2.4.2

5G基站能量交易模型定義時(shí)段

t

充電型基站與配電網(wǎng)間的能量交易指示變量為表示沒有放電型基站為

共享能量，

須向配電網(wǎng)購(gòu)買能量補(bǔ)充能量缺額，參與填谷。定義時(shí)段

t

放電型基站與配電網(wǎng)間的能量交易指示變量為表示

沒有參與能量共享，須將能量盈余出售至配電網(wǎng)，參與削峰。2.4.3

5G基站儲(chǔ)能容量更新模型通過基站間的能量共享和基站與配電網(wǎng)之間的能量交易，充電型基站和放電型基站

的儲(chǔ)能容量更新分別表示為2.5

5G基站運(yùn)營(yíng)效益模型2.5.1

5G基站與配電網(wǎng)能量交易效益模型考慮實(shí)時(shí)電價(jià)的影響，定義時(shí)段

t

放電型基站向配電網(wǎng)出售電量的價(jià)格為

ps(t)，充電型基站從配電網(wǎng)購(gòu)買電量的價(jià)格為

pb(t)。則充電型基站的總購(gòu)電成本C(t)和放電型基站的總售電效益G(t)分別為2.5.2

5G基站參與配電網(wǎng)削峰填谷收益模型5G基站參與配電網(wǎng)削峰填谷減小負(fù)荷峰谷差，平衡配電網(wǎng)發(fā)電及用電水平，避免負(fù)荷峰值過高導(dǎo)致能量不足引起的供電不穩(wěn)定情況。第

t

個(gè)時(shí)段5G基站參與配電網(wǎng)削峰填谷的總收益

δ(t)為式中：分別為充電型基站和放電型基站參與削峰填谷的收益系數(shù)。035G融合配電網(wǎng)基站儲(chǔ)能調(diào)控優(yōu)化問題構(gòu)建3.1

目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量本文通過協(xié)同優(yōu)化5G基站能量共享和能量交易，促進(jìn)基站間能量共享，提高基站運(yùn)營(yíng)效益，增加基站參與削峰填谷收益，目標(biāo)函數(shù)為式中：

VE

為單位能量共享所帶來的光伏消納率和配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性效益；

VEEs(t)示能量共享效益；

Vδ

為削峰填谷收益權(quán)重；

Vδ

δ(t)為基站參與削峰填谷收益。3.2

約束條件3.2.1

5G基站類型約束第

t

個(gè)時(shí)段，充電型基站和放電型基站的集合應(yīng)滿足充放電型基站數(shù)量應(yīng)滿足3.2.2

5G基站間能量共享約束能量共享指示變量

xi,j(t)應(yīng)滿足以下約束?？紤]基站儲(chǔ)能電池使用安全性，設(shè)定能量共享數(shù)量約束，即每個(gè)充電型基站最多只能與一個(gè)放電型基站進(jìn)行能量共享，反之亦然，表示為3.2.3

5G基站儲(chǔ)能模型約束充電型基站和放電型基站在完成能量共享與交易后儲(chǔ)能容量

Ei(t)和

Ej(t)需要滿足儲(chǔ)能容量約束，即3.2.4

5G基站與配電網(wǎng)能量交易約束能量交易指示變量和應(yīng)滿足以下約束。此外，考慮基站只有不參與能量共享時(shí)才進(jìn)行能量交易，充電型基站和放電型基站的能量交易指示變量還應(yīng)滿足以下約束。04基于能量共享交易協(xié)同的5G基站儲(chǔ)能調(diào)控算法本文提出基于能量共享交易協(xié)同的5G基站儲(chǔ)能調(diào)控算法求解上述問題。首先，根據(jù)基站類型判斷模型將基站劃分為充電型基站和放電型基站。其次，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建充電型基站和放電型基站之間的雙向偏好列表。最后，基于雙向偏好列表，進(jìn)行能量共享請(qǐng)求-拒絕迭代與能量交易，實(shí)現(xiàn)能量共享與能量交易的協(xié)同優(yōu)化。4.1

充放電型基站之間的雙向偏好列表構(gòu)建定義

Lin(t)為充電型基站偏好列表，

Lout(t)為放電型基站偏好列表，偏好列表為充放電型基站根據(jù)自身需求構(gòu)建的排序列表，基站可根據(jù)偏好列表發(fā)出或接收能量共享請(qǐng)求。定義為充電型基站

Si的偏好列表，為放電型基站

Sj

的偏好列表。定義能量共享策略函數(shù)

?

表示Sin(t)與

Sout(t)的映射關(guān)系。?(Si)

=

Sj

且

?(Sj)

=

Si

表示

Sj

向

Si

進(jìn)行能量共享，即

xi,j(t)=1。定義集合表示滿足充電型基站

Si

能量缺額需求的放電型基站集合，集合表示能量缺額小于放電型基站能量盈余的充電型基站集合，分別表示為基于優(yōu)化目標(biāo)，定義第

t

個(gè)時(shí)段

Si

對(duì)

Sj

的偏好值為

ηi,j(t)，表示為式中：第1項(xiàng)表示

Si

與

Sj

進(jìn)行能量共享后

Sj

不能參與削峰填谷的收益損失；第2項(xiàng)為

Sj

的售電效益損失。定義第

t

個(gè)時(shí)段放電型基站

Sj

對(duì)充電型基站的偏好值為

ωj,i(t)，表示為式中：第1項(xiàng)表示

Sj

與

Si

進(jìn)行能量共享的效益；第2項(xiàng)為

Si

節(jié)約的購(gòu)電成本；第3項(xiàng)為

Si

不能參與削峰填谷的收益損失。充電型基站與放電型基站需求不同，充電型基站更偏好于能量共享后削峰填谷收益損失小的放電型基站，放電型基站更偏好于可節(jié)約更多購(gòu)電成本的充電型基站。通過設(shè)置雙向偏好列表，進(jìn)行能量共享請(qǐng)求-拒絕迭代與能量交易，可同時(shí)減少基站運(yùn)營(yíng)成本、提高削峰填谷收益。因此，

Si

和

Sj

分別根據(jù)

ηi,j(t)和

ωj,i(t)對(duì)中的放電型基站和中的充電型基站進(jìn)行降序排序，得到偏好列表完成充放電型基站之間的雙向偏好列表的構(gòu)建。4.2

儲(chǔ)能調(diào)控算法實(shí)施流程本文提出的基于能量共享交易協(xié)同的5G基站儲(chǔ)能調(diào)控算法流程如圖3所示，具體實(shí)施步驟如下。圖3

基于能量共享交易協(xié)同的5G基站儲(chǔ)能調(diào)控算法流程Fig.3

Flowchartofenergystorageregulationalgorithmof5Gbasestationsbasedonenergysharingandtradingcoordination1）基站類型判斷與初始化。根據(jù)5G基站儲(chǔ)能容量、光伏出力與放電下限，基于式（5）將基站劃分為充電型基站和放電型基站兩類。定義未建立能量共享關(guān)系的充電型基站和放電型基站集合為

Ωin

和

Ωout

，放電型基站

Sj

的備選基站集合為

Θj

。初始化

t=1，Ωin=Sin(t)

，

Ωout=Sout(t)，

Θj=?。2）雙向偏好列表構(gòu)建?；谑剑?5）和式（26）得到集合基于式（27）計(jì)算充電型基站

Si對(duì)放電型基站的偏好值，并降序排序得到偏好列表基于式（28）計(jì)算放電型基站

Sj

對(duì)充電型基站的偏好值，并降序排序得到偏好列表完成充放電型基站之間的雙向偏好列表構(gòu)建。3）能量共享請(qǐng)求-拒絕迭代。充電型基站

Si

根據(jù)偏好列表向偏好值最大的放電型基站

Sj

發(fā)出能量共享請(qǐng)求。

Sj

將向其發(fā)出請(qǐng)求的充電型基站加入備選基站集合

Θj

，根據(jù)偏好列表接受

Θj中偏好值最大的充電型基站

Si

，令能量共享指示變量

xi,j(t)

=

1，將

Si

移出

Ωin

、

Sj

移出

Ωout

，并拒絕其他充電型基站的能量共享請(qǐng)求。被拒絕的充電型基站將

Sj

移出其偏好列表，并重新發(fā)出能量共享請(qǐng)求，直至除已被接受的充電型基站外，其余充電型基站的偏好列表為空集。4）能量交易。未參與能量共享的充放電型基站參與能量交易，并將能量交易指示變量設(shè)置為1。充電型基站向配電網(wǎng)購(gòu)買能量以補(bǔ)足能量缺額，放電型基站將能量盈余出售至配電網(wǎng)。令

t=t+1，返回步驟1）。5）當(dāng)

t＞T

時(shí)，算法結(jié)束。05仿真算例與分析5.1

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)本文選取規(guī)劃地區(qū)的住宅、商業(yè)、大學(xué)區(qū)為例，各區(qū)域大小為1km×1km，地區(qū)總面積為2km×3km，設(shè)置5G基站部署密度為每km2

3個(gè)，基站部署情況如表1所示。該地區(qū)分時(shí)電價(jià)如表2所示。基站配置的儲(chǔ)能參數(shù)如表3所示。本文將總優(yōu)化時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為24h，并將其劃分為24個(gè)優(yōu)化時(shí)段。表1

基站部署情況Table1

Basicsituationofbasestations表2

分時(shí)電價(jià)Table2

TOUpowerprice

表3

儲(chǔ)能參數(shù)Table3

Energystorageparameters本文設(shè)置該地區(qū)基站所配置光伏面板尺寸為1.64m×0.99m×0.05m，光電轉(zhuǎn)換效率為15%。由于不同區(qū)域通信負(fù)載的時(shí)空分布差異，其基站光伏出力與通信負(fù)載變化如圖4所示，各基站分布式光伏出力存在5%的波動(dòng)。圖4

不同類型區(qū)域通信負(fù)載及光伏出力Fig.4

Communicationloadsandphotovoltaicoutputsindifferentregions本文考慮2種對(duì)比算法。對(duì)比算法1為基于單邊匹配的基站能量共享算法，將基站分為充電型基站和放電型基站2類，充電型基站根據(jù)放電型基站的狀態(tài)信息確立偏好列表進(jìn)行單邊匹配，可實(shí)現(xiàn)基站間能量共享，但無法實(shí)現(xiàn)基站參與配電網(wǎng)削峰填谷。對(duì)比算法2為基站最優(yōu)購(gòu)電算法，無法實(shí)現(xiàn)基站間能量共享，主要根據(jù)基站當(dāng)前狀態(tài)與分時(shí)電價(jià)信息制定最優(yōu)購(gòu)電策略，向配電網(wǎng)購(gòu)電以實(shí)現(xiàn)低成本正常運(yùn)行。5.2

5G基站調(diào)控優(yōu)化分析5.2.1

基站能量共享與運(yùn)營(yíng)效益優(yōu)化結(jié)果圖5為能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和隨時(shí)段變化曲線，可以看出，能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和在00:00—08:00呈下降趨勢(shì)，在08:00—18:00呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，18:00—24:00呈下降趨勢(shì)，且所提算法能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和性能表現(xiàn)最優(yōu)。這是因?yàn)樵?8:00前，光伏出力較少，大多基站均通過購(gòu)電保障能量需求，能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和下降；在08:00—18:00，由于光伏出力較多，基站通過能量共享滿足需求，并可將盈余能量交易出售至配電網(wǎng)，故能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和升高；在18:00—24:00，光伏出力減小，基站通過購(gòu)買能量保障運(yùn)行所需能耗需求，能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和降低。所提算法協(xié)同優(yōu)化了能量共享與能量交易，促進(jìn)能量共享，提高運(yùn)營(yíng)收益與參與配電網(wǎng)削峰填谷收益，因此優(yōu)化目標(biāo)性能最優(yōu)。相比于對(duì)比算法1與對(duì)比算法2，能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和分別提高了74.1%和196.0%。圖5

能量共享與基站運(yùn)營(yíng)效益加權(quán)和Fig.5

Weightedsumofenergysharingandoperatingbenefitofbasestations圖6為基站間能量共享總能量、累計(jì)購(gòu)電成本和累計(jì)售電收益情況，結(jié)合圖4可以看出，隨著05:00后光伏出力的逐漸增加，基站間能量共享總量逐漸增加，故雖然圖4中負(fù)荷曲線升高，但是購(gòu)電成本并未顯著提升，在10:00后，隨著光伏出力達(dá)到最大，放電型基站數(shù)量增多，充電型基站數(shù)量減少，放電型基站出售能量盈余，累計(jì)售電收益開始增加。在18:00后，放電型基站減少，結(jié)合圖7基站儲(chǔ)能容量變化情況，通過05:00—10:00能量共享以及10:00—17:00能量出售，本文所提方法有效緩解購(gòu)電成本的提升，同時(shí)增加基站售電收益。圖6

能量共享總量與購(gòu)售電成本收益Fig.6

Totalamountofenergysharingandcost/benefitsofelectricitypurchaseandsale圖7

基站儲(chǔ)能容量變化情況Fig.7

Storagecapacitychangesofbasestations從圖7還可以看出，由于通信負(fù)載動(dòng)態(tài)變化，放電下限動(dòng)態(tài)變化。結(jié)合圖4可知，在電價(jià)低谷段，由于光伏出力不足，多數(shù)基站均為充電型基站，其儲(chǔ)能滿足放電下限，即保障自身能量運(yùn)營(yíng)。而當(dāng)06:00—08:00，隨著光伏出力增加，部分放電型基站可存儲(chǔ)一定能量。在08:00—12:00時(shí)，光伏出力增加，充電型基站減少，在14:00—17:00，部分基站通信負(fù)載降低，充電型基站減少，所提算法使放電型基站出售盈余能量至配電網(wǎng)，提高自身運(yùn)營(yíng)效益，儲(chǔ)能容量維持在放電下限，保障基站動(dòng)態(tài)備電需求。5.2.2

供電穩(wěn)定性優(yōu)化結(jié)果圖8為5G基站與配電網(wǎng)間能量交易總量與配電網(wǎng)負(fù)荷曲線變化情況。在00:00—10:00和18:00—24:00，基站從配電網(wǎng)購(gòu)買能量保障能量需求，同時(shí)參與填谷，提高配電網(wǎng)負(fù)荷曲線；在11:00—17:00，基站向配電網(wǎng)出售能量參與削峰，將峰谷差值降低了18.6%。所提算法協(xié)同優(yōu)化能量共享與能量交易，保證自身運(yùn)行能量的同時(shí)可在適當(dāng)時(shí)段向配電網(wǎng)出售或購(gòu)買能量，降低電網(wǎng)的高峰負(fù)荷，提高低谷負(fù)荷，減小配電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，避免負(fù)荷峰值過高導(dǎo)致能量不足情況的出現(xiàn)，提升配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。圖8

能量交易總量與配電網(wǎng)負(fù)荷曲線Fig.8

Curvesoftotalamountofenergytr