如何優(yōu)化居民小區(qū)家庭電能管理系統(tǒng)

1 家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

家庭電能管理系統(tǒng)是電網(wǎng)在用戶(hù)消費(fèi)側(cè)的重要組成部分，它利用一定的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)家庭用電設(shè)備的檢測(cè)、管理和減少電費(fèi)開(kāi)支。在分時(shí)電價(jià)的大環(huán)境下合理地使用電器來(lái)達(dá)到減少電費(fèi)，控制以家庭為主的碳排放，起到保護(hù)環(huán)境的作用。利用多目標(biāo)優(yōu)化算法使用戶(hù)舒適度 、電能消耗和碳排放達(dá)到其架構(gòu)如圖 1所示。

系統(tǒng)主要包括智能插座，智能電表。智能電表可以把家庭的用電情況上傳給國(guó)家能源網(wǎng)），電網(wǎng)通過(guò)智能電表給用戶(hù)家庭提供電能和提供分時(shí)電價(jià)的價(jià)格。智能插座連接用戶(hù)的用電設(shè)備，獲取用電設(shè)備的基本數(shù)據(jù)，例如功率，電壓和用電時(shí)長(zhǎng)等，并且通過(guò)電閘進(jìn)一步來(lái)控制設(shè)備。收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)智能插座上傳給多目標(biāo)優(yōu)化器來(lái)進(jìn)行分析。多目標(biāo)優(yōu)化控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合三個(gè)優(yōu)化條件（用戶(hù)舒適度碳排放量和電能的消耗）和電網(wǎng)公布的分時(shí)電價(jià)及用戶(hù)對(duì)設(shè)備的使用意向來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，并把優(yōu)化的結(jié)果傳送給智能插座來(lái)控制設(shè)備的使用。

2 家庭電能管理系統(tǒng)優(yōu)化模型

家庭電能管理系統(tǒng)是針對(duì)擁有多個(gè)家居用電設(shè)備的單個(gè)用戶(hù)，這些設(shè)備通過(guò)智能插座全部與管理系統(tǒng)相連。當(dāng)HEMS開(kāi)始運(yùn)行后，這些設(shè)備就會(huì)立即作出反應(yīng)，在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程里，系統(tǒng)會(huì)將優(yōu)化的時(shí)間劃分為長(zhǎng)度相同的子時(shí)間段。

2 .1 用電負(fù)荷模型

在日常生活里，每個(gè)用電設(shè)備都有不同的用電方式，本文依據(jù)設(shè)備間的用電特性將所有家用設(shè)備分為剛性設(shè)備柔性設(shè)備和 HVAC設(shè)備。剛性設(shè)備表示用電設(shè)備的使用時(shí)間不會(huì)根 據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而改變，例如冰箱、電燈等。柔性設(shè)備又根據(jù)設(shè)備使用時(shí)間在平移過(guò)程中可否中 斷分為兩類(lèi)： ①可平移不可中斷設(shè)備，如洗碗機(jī)、洗衣機(jī)，其運(yùn)行時(shí)段可以進(jìn)行移動(dòng)、調(diào)整，但工作期間設(shè)備不可中斷；②可平移可中斷設(shè)備，表示此類(lèi)家用設(shè)備的使用時(shí)間根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而發(fā)生變化，并且在運(yùn)行期間可中斷使用，如電動(dòng)車(chē)，熱水器。HVAC 設(shè)備表示此類(lèi)設(shè)備的使用情況只與溫度有關(guān)，如空調(diào)。

2.1.1 剛性設(shè)備

該類(lèi)設(shè)備直接影響著用戶(hù)的正常生活，不會(huì)隨著優(yōu)化發(fā)生改變，例如電冰箱，電燈等。

剛性設(shè)備模型：

2.1.2 柔性設(shè)備

該類(lèi)設(shè)備的用電時(shí)間較為靈活，依據(jù)用電特性和用電過(guò)程中可否中斷分為可平移不可中斷設(shè)備和可平移可中斷設(shè)備。

可平移可中斷設(shè)備模型：

2.1.3 HAVC設(shè)備

暖通空調(diào)系統(tǒng)（heating，ventilation and aircon- ditioning，HVAC）是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng)，因此室內(nèi)外溫度，以及用戶(hù)自行設(shè)置的*佳溫度值和房屋的熱參數(shù)決定了該類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間 。

2 .2 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

2.2.1 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)是把家庭用電費(fèi)用作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化后的值越小表示優(yōu)化效果越好。

2.2.2 用戶(hù)舒適度函數(shù)

用戶(hù)舒適度函數(shù)是將用戶(hù)對(duì)用電設(shè)備優(yōu)化后的使用時(shí)間段的滿意度作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化 后的數(shù)值越大，表示用戶(hù)對(duì)于優(yōu)化后的設(shè)備使用時(shí)間滿意度越高。

2.2.3 碳排放量函數(shù)

家庭側(cè)碳排放有很多種，例如汽車(chē)尾氣排放，煤氣灶生活做飯等，本文選擇煤炭發(fā)電導(dǎo) 致的碳排放，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查每消耗一度電的碳排放量是 0.785 kg。就目前國(guó)內(nèi)的情況，小區(qū)沒(méi)有安裝光伏發(fā)電裝置，碳排放量與用電量消耗的線性關(guān)系如下：

在以后的發(fā)展中，小區(qū)里有了光伏發(fā)電裝置后，碳排放量與光伏發(fā)電的使用效率有關(guān)，當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達(dá)到碳排放量；反之當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達(dá)到，碳排放量達(dá)到*大。在光伏發(fā)電裝置中，需要有發(fā)電、儲(chǔ)電的過(guò)程。本文不再贅述。

2 .3 約束條件

2.3.1 功率對(duì)等約束條件

在家庭系統(tǒng)中電能需要守恒，即生產(chǎn)的電能與消耗的電能應(yīng)該保持平衡。功率平衡約束如下：

2.3.2 溫度設(shè)備約束條件

用戶(hù)對(duì)于溫控設(shè)備的運(yùn)作時(shí)間與工作時(shí)段并不關(guān)心，關(guān)心的是在特定的時(shí)間內(nèi)由溫控設(shè) 備控制的溫度有沒(méi)有達(dá)到要求。所以對(duì)溫控設(shè) 備來(lái)說(shuō)不存在時(shí)間約束，只存在溫度約束。其溫度約束如下：

2.3.3 工作時(shí)間約束條件

對(duì)某一電器設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要工作的時(shí)間片數(shù)為 N，HEMS需要保證每一個(gè)電器設(shè)備都能夠完成工作。所以每個(gè)電器設(shè)備工作的時(shí)間片數(shù)應(yīng)該與 N 相等，即：

2 .4 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略

2.4.1 多目標(biāo)優(yōu)化算法

在 2.2節(jié)介紹的3個(gè)目標(biāo)（用電費(fèi)用戶(hù)舒適度和碳排放量）中，如果僅將用電費(fèi)用優(yōu)化到低，在電價(jià)較低時(shí)才使用電，不可避免地會(huì)引起用戶(hù)的不滿。同樣，當(dāng)一個(gè)目標(biāo)達(dá)到佳時(shí)，會(huì)對(duì)其他兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。本文的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略綜合考慮用電費(fèi)用戶(hù)舒適度以及碳排放量的因素，使得達(dá)到優(yōu)。

傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法都是根據(jù)對(duì)不同目標(biāo)的不同要求，將目標(biāo)通過(guò)某種方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化可以求解的問(wèn)題。缺點(diǎn)是僅能求出優(yōu)化問(wèn)題的局部?jī)?yōu)解，求解的結(jié)果強(qiáng)烈依賴(lài)于初始值。智能優(yōu)化算法的提出改善了這方面的問(wèn)題。目前的智能算法就是粒子群算法。

2.4.2 粒子群算法

粒子群（particleswarm optimization ，PSO）算法從隨機(jī)觸發(fā)，通過(guò)迭代尋找到優(yōu)解。粒子群的標(biāo)準(zhǔn)算法容易陷入局部?jī)?yōu)，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，且不能解決離散及組合優(yōu)化問(wèn)題。因此本文使用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法，在該算法中每個(gè)粒子的速度和位置按照如下方程來(lái)更新：

2.4.3 算法比較

圖2是標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法流程圖，圖,3是改進(jìn)的粒子群算法流程圖。比對(duì)圖2與圖3能看出，改進(jìn)的粒子群算法，在標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法基礎(chǔ)上，改變了權(quán)重因子w和學(xué)習(xí)因子c的取值方法，提高了粒子群算法的全局搜索能力，避免陷入局部?jī)?yōu)。

3 家庭電能管理系統(tǒng)

家庭電能管理系統(tǒng)運(yùn)作流程如下：

（1）在優(yōu)化前，多目標(biāo)優(yōu)化控制器獲取到設(shè)備的所有參數(shù)，其包括用電設(shè)備的額定功率和工作時(shí)長(zhǎng)，以及用戶(hù)希望設(shè)備工作的時(shí)間段。

（2）智能電表將獲取到的分時(shí)電價(jià)信息上傳給多目標(biāo)優(yōu)化控制器。

（3）多目標(biāo)優(yōu)化器通過(guò)平移柔性設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間來(lái)節(jié)省電費(fèi)，通過(guò)每一天的電量使用檢測(cè)追蹤用戶(hù)側(cè)的碳排放量，通過(guò)使設(shè)備在用戶(hù)理想的時(shí)間段運(yùn)行來(lái)保證用戶(hù)滿意度，后結(jié)合約束條件，制訂各柔性負(fù)荷的調(diào)度計(jì)劃。

【參考文獻(xiàn)】

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