CN103676846B - 一种新型家庭能量管理系统的智能控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型家庭能量管理系统的智能控制算法，该算法主要针对居民用户中大功率家电负荷进行DR控制，并对户用分布式电源的供能模式进行选择，充分考虑用户对家电的舒适度范围设定，并根据家电当前工作状态提出了舒适度越限指标的概念，并据此计算所有家电的动态优先级，根据优先级执行控制决策，实现了控制的全自动化，提高了用户参与DR的主动性。

Description

一种新型家庭能量管理系统的智能控制算法

技术领域

本发明涉及一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法，属于新能源发电及需求侧响应控制技术领域。

背景技术

为实现电力供需平衡，传统方法是电力公司根据预测的用电负荷，来确定发电容量，从而满足电力需求水平。该方法虽能满足高峰时段用电需求，但非峰荷期间，大量备用处于闲置状态，这大大降低了发电机的效率，也造成了资源浪费。同时，能源危机的出现导致化石燃料价格大幅上涨，对此西方国家展开了通过削减需求侧负荷来解决电力供需矛盾的探索与实践，需求侧响应（demandresponse,DR）的理念随之诞生。

根据激励方式的不同，DR可分为价格型和激励机制型两大类。其中，高峰负荷期间，起决定作用的DR事件都属于激励型DR，如直接负荷控制、可中断负荷等，通过用户接收相关控制信号作出响应，而非通过电价实施DR。目前，大部分激励型DR事件的研究对象是一些大电力用户，如工业及商业用户等，且其控制方式一般为半自动化或人工实施；而针对居民用户研究较少。鉴于此，有必要针对居民用电，展开相关DR控制方面的研究。美国的A.HMohsenian等人提出了针对小功率家电开展DR响应，但其研究对总体家电功耗并无太大影响。

此外，智能电网的发展、新能源的大力普及也为精确供能、电力供给多元化、电力需求侧管理、电网自由接入等提供了契机，它不仅服务于大电网而且服务于电力终端用户。目前，我国的智能家电只是针对单个家电远程控制、物联网技术等实现，未实现与电网间的互动，更没有考虑家庭户用分布式电源的接入供能。因此，借助智能电网中的智能量测装置，针对居民用户侧大功率负荷及分布式电源，通过相关智能控制算法，可实现家庭能量管理的自动化；同时通过考虑用户的舒适度，还可提高用户参与需求侧管理的积极性与主动性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法，该算法主要用于家庭网络中，大功率电器的DR自动控制及分布式电源的工作模式选择。该算法充分考虑了用户的舒适度的设定，提出了舒适度越限指标，并据此定义了家电动态优先级；提高了用户参与DR的主动性、积极性，而且实现了DR控制的自动化。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

根据家电作用，可将家电分为重要负荷（如电炉、照明设备等）和可控负荷（如热水器、空调、电动汽车等）两部分。本算法针对大功率可控负荷进行控制，一方面对居民生活影响较小；另一方面通过控制大功率家电，可对整体耗电量产生较大影响，从而使居民侧需求才相应具有更大的实际意义。

新型家庭能量管理（homeenergymanagement,HEM）系统包括管理控制终端和家电智能控制器两大部分。管理控制终端执行智能控制算法，实现家庭中所有大功率用电器及分布式电源的管理及决策控制。家电智能控制器实现家电及分布式发电装置的功率数据采集、与HMS通信、根据算法结果执行家电状态控制等。

新型家庭能量管理系统的智能控制算法包括以下步骤：

（1）管理控制终端接收电力公司相关控制信号，包括用电限制（单位KW）、DR响应时间要求等，然后向家电智能控制器下发控制命令，采集相关信息，相关信息包括家电开关状态、家电工作状态、家电功率数据等数据。

（2）用户输入包括所有被控家电舒适度范围在内的设定；算法执行时，应首先考虑用户设定，从而使控制结果尽量不影响用户正常的生活习惯。

（3）家电智能控制器采集所有被控家电的包括家电开关状态、家电工作状态（如热水器水温、室温、电动汽车电池充电量等）、家电功率数据等在内的数据，并将其上送至管理控制终端。

（4）管理控制终端根据检测到的信息，计算家电舒适度越限指标，并进行动态优先级排序，所述被控家电的家电舒适度越限指标为越限指标越大，说明用户的实际舒适度越低；由于该指标已进行标幺化处理，因此可用该指标表征家电的动态优先级，即舒适度越限指数越大，则该家电动态优先级越高。

（5）检测各家电舒适度是否超出设定值，当某家电发生状态改变请求时，响应其请求，并采集用户实际用电量P₁；

当某家电发生状态改变请求时，管理控制终端根据家用电器的状态计算各家电舒适度越限指标，并根据越限指标进行动态优先级排序。

（6）用户实际用电量P₁与分布式电源发电量P₂相比较：

1）若分布式电源发电量P₂较大，则不改变家电状态，同时将剩余电量上网；

2）若用户实际用电量P₁大，则：

用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂不大于供电公司所给用电限制，不需进行减载决策；

用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂大于供电公司所给用电限制，进行减载决策；

所述减载决策过程为：

ⅰ）根据上述动态优先级排序，从优先级最低的家电开始，首先检测家电状态，若S_APPi=1，则令其为0；

ⅱ）更新家电总耗电量P1，判断用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂是否大于供电公司所给用电限制；

ⅲ）若是，检测下一高优先级家电状态，若S_APPi=1，则令其为0；

ⅳ）重复步骤ⅱ）、ⅲ），直至用电限制满足要求，所述用电限制满足要求即用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂不大于所给用电限制。

上述被控家电包括电热水器、空调和电动汽车，其舒适度越限指标分别为：

电热水器：T_WH,s表示水温设定值，ΔT_WH水温舒适度范围，T_WH,n表示时间段n时水温；

空调：T_AC,s表示室温设定值，ΔT_AC水温舒适度范围，T_AC,n表示时间段n时室温；

电动汽车：SOC_min表示电动汽车最少电量，SOC_max表示电动汽车最大电量，SOC_n表示时段n时电动汽车电量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）完全自动化、创新化。高峰负荷期间，传统的控制方法，或者是电力公司直接拉闸限电，或者是由用户操作某用电器断电来实施需求侧管理。该算法实现了需求侧响应控制的完全自动化，同时考虑了新能源接入时的情况，为新能源的大力发展提供了便利。

（2）用户主动性及自由性强。与其他DR控制算法相比，该算法允许用户自行设置家电舒适度范围，并根据家电状态提出了舒适度越限指数及动态优先级的概念；提高了用户参与DR的主动性与便捷性，减小了用电限制给用户的生活造成的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明算法的整体流程图。

图2为本发明中减载决策算法流程图。

图3为本发明中状态请求决策算法流程图。

具体实施方式

本发明算法的控制对象为居民用户中大功率家电及分布式电源，包括电热水器、空调、电动汽车、光伏发电装置等。执行算法前，用户首先设定所有被控家电的舒适度范围。例如，对热水器，水温最适温度为40℃-50℃；对空调，室温可设为22℃-26℃；对电动汽车，设置电池SOC_min为40%，SOC_min为95%。

进一步，所述的新型家庭能量管理系统智能控制算法，每种家电工作及HEM控制情况、舒适度越限指标及动态优先级等如下：

（1）电热水器：设定最高水温T_WH,s；当水温高于最高温度限制时，热水器断电；当水温低于最低温度限制时，热水器通电；当水温属于舒适度范围内时，热水器保持原来的工作状态。式（1）表示其工作状态，式（2）表示其舒适度越限指标。

$S_{\mathrm{WH},n}=\left\{\begin{array}{cc}0,& T_{\mathrm{WH},n}>T_{\mathrm{WH},s}\\ 1,& T_{\mathrm{WH},n}<T_{\mathrm{WH},s}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{WH}}\\ S_{\mathrm{WH},n-1},& T_{\mathrm{WH},s}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{WH}}<T_{\mathrm{WH},n}<T_{\mathrm{WH},s}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$K_{\mathrm{WH}}=\frac{T_{\mathrm{WH},S}-T_{\mathrm{WH},n}}{{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{WH}}}---\left(2\right)$

式中，T_WH,s表示水温设定值；

ΔT_WH水温舒适度范围；

T_WH,n表示时间段n时水温；

S_WH,n表示时间段n时热水器工作状态（0=断电；1=通电）；

舒适度越限指标K_WH,n越大，则说明水温越低，因此其动态优先级越高。当出现用电限制时，若电热水器处于开启状态，则根据其优先级，HEM将控制其关断。若热水器具有最高优先级，则将是最后一个断电。

（2）空调：室温设定值有一个设定范围。当室温高于最高值时，空调开始工作；当室温低于最低值时，空调断电停止工作。当室温在舒适度范围内时，空调保持原来的工作状态，式（3）表示其工作状态，式（4）表示其舒适度越限指标。

$S_{\mathrm{AC},n}=\left\{\begin{array}{cc}0,& T_{\mathrm{AC},n}<T_{\mathrm{AC},s}\\ 1,,& T_{\mathrm{AC},n}>T_{\mathrm{AC},s}+{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{AC}}\\ S_{\mathrm{AC},n}& T_{\mathrm{AC},s}<T_{\mathrm{AC},n}<T_{\mathrm{AC},s}+{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{AC}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

$K_{\mathrm{AC}}=\frac{T_{\mathrm{AC},n}-T_{\mathrm{AC},S}}{{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{AC}}}---\left(4\right)$

式中，T_AC,s表示室温设定值；

ΔT_AC水温舒适度范围；

T_AC,n表示时间段n时室温；

S_AC,n表示时间段n时空调工作状态（0=断电；1=通电）；

舒适度越限指标K_AC,n越大，则说明室温越高，因此其动态优先级越高。当出现用电限制时，若空调处于工作状态，则根据动态优先级顺序选择关闭空调；若室温高于设定值，在保证用电量满足限定值要求下，空调通电开始工作。

（3）电动汽车：当接通电源时，电动汽车开始充电，直至达到满充状态；同时，可设定电动汽车最少电量SOC_min，当低于SOC_min，电动汽车开始充电。式（5）表示其工作状态，式（6）表示其舒适度越限指标。

$S_{\mathrm{EV},n}=\left\{\begin{array}{cc}0,& {\mathrm{SOC}}_n>{\mathrm{SOC}}_{\max }\\ 1,& ,{\mathrm{SOC}}_n<{\mathrm{SOC}}_{\min }\\ S_{\mathrm{EV},n-1},& {\mathrm{SOC}}_{\min }\&le;{\mathrm{SOC}}_n\&le;{\mathrm{SOC}}_{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

$K_{\mathrm{EV}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_n}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}---\left(6\right)$

舒适度越限指标K_EV,n越大，说明电动汽车电量SOC_n越小，因此其动态优先级越高。假定电动汽车可随时充电或结束充电，以满足用户的使用需求。为了提高电动汽车的优先级，可适当增大SOC_min，从而满足用户的使用需求。当出现用电限制时，根据电动汽车的动态优先级决定其通断电状态。

参照图1-3，控制过程如下：

（1）管理控制终端接收电力公司包括用电限制、DR响应时间要求在内的控制信号，然后向家电智能控制器下发控制命令，采集相关信息；

（2）用户输入包括所有被控家电舒适度范围在内的设定；算法执行时，应首先考虑用户设定，从而使控制结果尽量不影响用户正常的生活习惯；

（3）家电智能控制器采集所有被控家电的包括家电开关状态、家电工作状态、家电功率数据在内的数据，并将其上送至管理控制终端；

（4）管理控制终端根据检测到的信息，计算家电舒适度越限指标，并进行动态优先级排序，所述被控家电的家电舒适度越限指标为K_APP的值越大，其动态优先级越高；

（5）检测各家电舒适度是否超出设定值，当某家电发生状态改变请求时，响应其请求，并采集用户实际用电量P₁；

当某家电发生状态改变请求时，管理控制终端根据家用电器的状态计算各家电舒适度越限指标，并根据越限指标进行动态优先级排序；

（6）用户实际用电量P₁与分布式电源发电量P₂相比较：

1）若分布式电源发电量P₂较大，则不改变家电状态，同时将剩余电量上网；

2）若用户实际用电量P₁大，则：

用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂不大于供电公司所给用电限制，不需进行减载决策；

用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂大于供电公司所给用电限制，进行减载决策；

所述减载决策过程为：

ⅰ）根据上述动态优先级排序，从优先级最低的家电开始，首先检测家电状态，若S_APPi=1，则令其为0；

ⅱ）更新家电总耗电量P1，判断用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂是否大于供电公司所给用电限制；

ⅲ）若是，检测下一高优先级家电状态，若S_APPi=1，则令其为0；

ⅳ）重复步骤ⅱ）、ⅲ），直至用电限制满足要求（即用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂不大于所给用电限制）。

决策做出后，家电智能控制器接受信号并动作，完成控制。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种新型家庭能量管理系统的智能控制算法，其特征在于包括以下步骤：

(1)管理控制终端接收电力公司包括用电限制、DR响应时间要求在内的控制信号，然后向家电智能控制器下发控制命令，采集信息；

(2)用户输入包括所有被控家电舒适度范围在内的设定；

(3)家电智能控制器采集所有被控家电的包括家电开关状态、家电工作状态、家电功率数据在内的数据，并将其上送至管理控制终端；

(4)管理控制终端根据检测到的信息，计算家电舒适度越限指标，并进行动态优先级排序，所述被控家电的家电舒适度越限指标为K_APP的值越大，其动态优先级越高；

(5)检测各家电舒适度是否超出设定值，当某家电发生状态改变请求时，响应其请求，并采集用户实际用电量P₁；

当某家电发生状态改变请求时，管理控制终端根据家用电器的状态计算各家电舒适度越限指标，并根据越限指标进行动态优先级排序；

(6)用户实际用电量P₁与分布式电源发电量P₂相比较：

1)若分布式电源发电量P₂较大，则不改变家电状态，同时将剩余电量上网；

2)若用户实际用电量P₁大，则：

用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂不大于供电公司所给用电限制，不需进行减载决策；

用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂大于供电公司所给用电限制，进行减载决策；

所述减载决策过程为：

ⅰ)根据上述动态优先级排序，从优先级最低的家电开始，首先检测家电状态，若S_APPi＝1，则令其为0；

ⅱ)更新家电总耗电量P1，判断用户实际用电量P₁-分布式电源发电量P₂是否大于供电公司所给用电限制；

ⅲ)若是，检测下一高优先级家电状态，若S_APPi＝1，则令其为0；

ⅳ)重复步骤ⅱ)、ⅲ)，直至用电限制满足要求；

S_APPi表示第i个优先级的家电状态，S_APPi＝1表示家电为用电状态，S_APPi＝0表示家电为非用电状态。

2.根据权利要求1所述的新型家庭能量管理系统的智能控制算法，其特征在于：被控家电包括电热水器、空调和电动汽车，其舒适度越限指标分别为：

电热水器：T_WH,s表示水温设定值，ΔT_WH水温舒适度范围，T_WH,n表示时间段n时水温；

空调：T_AC,s表示室温设定值，ΔT_AC水温舒适度范围，T_AC,n表示时间段n时室温；

电动汽车：SOC_min表示电动汽车最少电量，SOC_max表示电动汽车最大电量，SOC_n表示时段n时电动汽车电量。