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)在用戶消費側(cè)的重要組成部分，它利用一定的技術(shù)手段來實現(xiàn)用戶對家庭用電設(shè)備的檢測、管理和減少電費開支。在分時電價的大環(huán)境下合理地使用電器來達到減少電費，控制以家庭為主的碳排放，起到保護環(huán)境的作用。利用多目標優(yōu)化算法使用戶舒適度 、電能消耗和碳排放達到其架構(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家能源網(wǎng)），電網(wǎng)通過智能電表給用戶家庭提供電能和提供分時電價的價格。智能插座連接用戶的用電設(shè)備，獲取用電設(shè)備的基本數(shù)據(jù)，例如功率，電壓和用電時長等，并且通過電閘進一步來控制設(shè)備。收集到的數(shù)據(jù)通過智能插座上傳給多目標優(yōu)化器來進行分析。多目標優(yōu)化控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合三個優(yōu)化條件（用戶舒適度碳排放量和電能的消耗）和電網(wǎng)公布的分時電價及用戶對設(shè)備的使用意向來進行優(yōu)化，并把優(yōu)化的結(jié)果傳送給智能插座來控制設(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)是針對擁有多個家居用電設(shè)備的單個用戶，這些設(shè)備通過智能插座全部與管理系統(tǒng)相連。當HEMS開始運行后，這些設(shè)備就會立即作出反應(yīng)，在整個優(yōu)化過程里，系統(tǒng)會將優(yōu)化的時間劃分為長度相同的子時間段。

2 .1 用電負荷模型

在日常生活里，每個用電設(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)備的使用時間不會根 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)備使用時間在平移過程中可否中 斷分為兩類： ①可平移不可中斷設(shè)備，如洗碗機、洗衣機，其運行時段可以進行移動、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，表示此類家用設(shè)備的使用時間根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而發(fā)生變化，并且在運行期間可中斷使用，如電動車，熱水器。HVAC 設(shè)備表示此類設(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

該類設(shè)備直接影響著用戶的正常生活，不會隨著優(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

該類設(shè)備的用電時間較為靈活，依據(jù)用電特性和用電過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，以及用戶自行設(shè)置的*佳溫度值和房屋的熱參數(shù)決定了該類設(shè)備的運行時間 。

2 .2 優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)

2.2.1 經(jīng)濟目標函數(shù)

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

2.2.2 用戶舒適度函數(shù)

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

2.2.3 碳排放量函數(shù)

家庭側(cè)碳排放有很多種，例如汽車尾氣排放，煤氣灶生活做飯等，本文選擇煤炭發(fā)電導 致的碳排放，根據(jù)市場調(diào)查每消耗一度電的碳排放量是 0.785 kg。就目前國內(nèi)的情況，小區(qū)沒有安裝光伏發(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)，當光伏發(fā)電的用電效率達到碳排放量；反之當光伏發(fā)電的用電效率達到，碳排放量達到*大。在光伏發(fā)電裝置中，需要有發(fā)電、儲電的過程。本文不再贅述。

2 .3 約束條件

2.3.1 功率對等約束條件

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

用戶對于溫控設(shè)備的運作時間與工作時段并不關(guān)心，關(guān)心的是在特定的時間內(nèi)由溫控設(shè) 備控制的溫度有沒有達到要求。所以對溫控設(shè) 備來說不存在時間約束，只存在溫度約束。其溫度約束如下：

2.3.3 工作時間約束條件

對某一電器設(shè)備來說，需要工作的時間片數(shù)為 N，HEMS需要保證每一個電器設(shè)備都能夠完成工作。所以每個電器設(shè)備工作的時間片數(shù)應(yīng)該與 N 相等，即：

2 .4 多目標優(yōu)化調(diào)度策略

2.4.1 多目標優(yōu)化算法

在 2.2節(jié)介紹的3個目標（用電費用戶舒適度和碳排放量）中，如果僅將用電費用優(yōu)化到低，在電價較低時才使用電，不可避免地會引起用戶的不滿。同樣，當一個目標達到佳時，會對其他兩個優(yōu)化目標產(chǎn)生一定的影響。本文的多目標優(yōu)化調(diào)度策略綜合考慮用電費用戶舒適度以及碳排放量的因素，使得達到優(yōu)。

傳統(tǒng)多目標優(yōu)化方法都是根據(jù)對不同目標的不同要求，將目標通過某種方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕藘?yōu)化可以求解的問題。缺點是僅能求出優(yōu)化問題的局部優(yōu)解，求解的結(jié)果強烈依賴于初始值。智能優(yōu)化算法的提出改善了這方面的問題。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）算法從隨機觸發(fā)，通過迭代尋找到優(yōu)解。粒子群的標準算法容易陷入局部優(yōu)，導致結(jié)果不準確，且不能解決離散及組合優(yōu)化問題。因此本文使用改進的多目標粒子群算法，在該算法中每個粒子的速度和位置按照如下方程來更新：

2.4.3 算法比較

圖2是標準的粒子群算法流程圖，圖,3是改進的粒子群算法流程圖。比對圖2與圖3能看出，改進的粒子群算法，在標準的粒子群算法基礎(chǔ)上，改變了權(quán)重因子w和學習因子c的取值方法，提高了粒子群算法的全局搜索能力，避免陷入局部優(yōu)。

3 家庭電能管理系統(tǒng)

家庭電能管理系統(tǒng)運作流程如下：

（1）在優(yōu)化前，多目標優(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長，以及用戶希望設(shè)備工作的時間段。

（2）智能電表將獲取到的分時電價信息上傳給多目標優(yōu)化控制器。

（3）多目標優(yōu)化器通過平移柔性設(shè)備的運行時間來節(jié)省電費，通過每一天的電量使用檢測追蹤用戶側(cè)的碳排放量，通過使設(shè)備在用戶理想的時間段運行來保證用戶滿意度，后結(jié)合約束條件，制訂各柔性負荷的調(diào)度計劃。

【參考文獻】

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