CN104484711A - 考虑用户不满意度的家用设备调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑用户不满意度的家用设备调度方法，首先统计所有参与调度的家用设备并分为固定设备和可调设备，收集每台设备的使用功率、用户对每台设备的期望启动时间以及使用时长，可调设备还包括设备启动的最大允许提前/延迟时间以及预先设置的因提前/延迟使用而产生的额外惩罚单价，然后从可调设备中选择调度设备，在计算调度设备的最优启动时间时，目标函数将所有设备的用电开支和调度设备实际启动时间和期望启动时间之间的偏差带来的不满意度开支进行加权，选择令目标函数最小的调动设备的最优启动时间组合作为实际启动时间。本发明通过将用户不满意度以额外的不满意度开支计入总开支，实现用电开支和用户不满意度之间的平衡。

Description

考虑用户不满意度的家用设备调度方法

技术领域

本发明属于家庭用电调度技术领域，更为具体地讲，涉及一种考虑用户不满意度的家用设备调度方法。

背景技术

随着居民区用户能源需求的日益增长，传统电网的效率及稳定性问题亟待解决。智能电网是基于通信、控制、网络设计等新型技术形成的电力网络，能有效解决传统电网面临的问题。随着各种大功率家用设备的使用增多，例如电动汽车的日益普及，给用户的用电开支和用电功率稳定性都提出了更高的要求。

居民用户的家用设备一般是在用户期望的时间点开始启动使用，而考虑到用电高峰期时电网的电价较高，用户会选择电价较低的时间使用相关设备，这在一定程度上会造成用户的不满意度。因此，在进行家用设备的使用调度时需要综合权衡设备的用电开支和因实际启动时间和期望启动时间不符合造成的用户不满意度，选取各类家用设备最优的启动时间，满足用户的用电需求。国内外对于居民用户的家庭用电策略问题的研究较多，但针对考虑了用户不满意度的情况研究比较少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑用户不满意度的家用设备调度方法，通过将用户不满意度以额外的不满意度开支的形式计入总开支，获取最优设备开启时间，从而实现用电开支和用户不满意度之间的平衡。

为实现上述发明目的，本发明考虑用户不满意度的家用设备调度方法，包括以下步骤：

S1：统计所有参与电网调度的家用设备，其数量记为N，根据用户需要将家用设备分为固定设备和可调设备，并收集各个家用设备的信息，包括每台设备的使用功率、用户对每台设备的期望启动时间以及使用时长，可调设备还包括设备启动的最大允许提前/延迟时间以及预先设置的因提前/延迟使用而产生的额外惩罚单价；

S2：根据用户实际需要，从可调设备中选择需要调度的设备，将其数量记为M；

S3：求解令目标函数值最小的M个调度设备的最优启动时间组合，作为M个调度设备的实际启动时间，目标函数表达式为：

$\mathrm{\Ψ}=\underset{s}{\min }[\mathrm{\α}\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\π}}_t\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n,t}\right)+(1-\mathrm{\α})\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|s_m-t_{m0}\left|{\mathrm{\Φ}}_m\right]$

其中，π_t表示t时刻的电价；C_n,t表示第n台设备在t时刻的功率消耗，n的取值范围为n＝1,2,…,N；T表示整个调度的时间区间；s_m表示第m台调度设备的实际启动时间，m的取值范围为m＝1,2,…,M，实际启动时间需要满足约束条件：t_m0-d_m≤s_m≤t_m0+d_m和s_m+l_m≤T；t_m0表示第m台调度设备的期望启动时间；d_m表示第m台调度设备的最大允许提前/延迟时间；l_m表示第m台调度设备的使用时长；Φ_m表示第m台调度设备预设的额外惩罚单价；α表示权重系数，α的取值范围为0＜α＜1。

本发明考虑用户不满意度的家用设备调度方法，首先统计所有参与调度的家用设备并分为固定设备和可调设备，收集每台设备的使用功率、用户对每台设备的期望启动时间以及使用时长，可调设备还包括设备启动的最大允许提前/延迟时间以及预先设置的因提前/延迟使用而产生的额外惩罚单价，然后从可调设备中选择调度设备，在计算调度设备的最优启动时间时，目标函数将所有设备的用电开支和调度设备实际启动时间和期望启动时间之间的偏差带来的不满意度开支进行加权，选择令目标函数最小的调动设备的最优启动时间组合作为实际启动时间。

本发明通过设置的额外惩罚单价，计算调度设备在用户期望启动时间点之外启动时的提前/延迟惩罚开支，作为考虑用户不满意度的额外开支，从而实现了用户不满意度的量化；并在最优启动时间的目标函数中采用加权形式综合考虑用电开支和用户不满意度，从而实现用电开支和用户不满意度之间的平衡。

附图说明

图1是本发明考虑用户不满意度的家用设备调度方法的流程图；

图2是家用设备调度系统结构示例图；

图3是单台设备调度时调度和未调度情况下的用电开支状态对比图；

图4是单台设备调度时调度和未调度情况下的设备总功率对比图；

图5是多台设备调度时调度和未调度情况下的用电开支状态对比图；

图6是多台设备调度时调度和未调度情况下的设备总功率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明考虑用户不满意度的家用设备调度方法的一种具体实施方式流程图。如图1所示，本发明考虑用户不满意度的家用设备调度方法包括步骤：

S101：家用设备信息采集：

统计所有参与电网调度的家用设备，其数量记为N，根据用户需要将家用设备分为固定设备和可调设备，并收集各个家用设备的信息，包括每台设备的使用功率、用户对每台设备的期望启动时间以及使用时长，可调设备还包括设备启动的最大允许提前/延迟时间以及预先设置的因提前/延迟使用而产生的额外惩罚单价。

图2是家用设备调度系统结构示例图。如图1所示，本实施例中，共计有8个家用设备，其中固定设备4台，可调设备4台。调度控制器通过用户设备和从智能电网提取信息来采集家用设备信息，实施本发明家用设备调度方法，对家用设备进行调度。

表1是本实施例中的家用设备数据统计表。

表1

如表1所示，本实施例中共计有8个家用设备，其中固定设备4台，可调设备4台。在实际应用中，期望启动时间可以是一个确定的时间点或满足一定分布规律。如表1所示，本实施例中，除24小时工作的冰箱外，每个家用设备的期望启动时间均为正态分布。对于可调设备，在允许的提前/延迟时间区间内可以有多个实际启动时间，这样就可以通过选择可调设备的实际启动时间，来使设备用电开支和用户不满意度达到平衡。本实施例中，为便于计算，额外惩罚单价采用的是常数，还可以采用以实际启动时间与期望启动时间的偏差值为变量的函数。

S102：确定调度设备：

根据用户实际需要，从可调设备中选择需要调度的设备，将其数量记为M。调度设备的数量可以根据实际需要确定，可以是单台调度，也可以多台调度。

S103：根据总开支确定调度设备的最优启动时间：

本发明在确定调度设备的最优启动时间时，不仅要考虑设备用电开支，还要考虑设备实际启动时间与期望启动时间之间的偏差带来的额外开支，即用户不满意度开支。用户不满意开支并非实际支付的开支，而是用于度量用户不满意程度。

对于设备用电开支，其计算公式为：

$C_{\mathrm{electro}}=\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\π}}_t\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n,t}\right)---\left(1\right)$

其中，π_t表示t时刻的电价，由实际设置的计价方式决定；C_n,t表示第n台设备在t时刻的功率消耗，n的取值范围为n＝1,2,…,N；T表示整个调度的时间区间，调度时间区间考虑所有设备的使用情况，即从最先启动的设备开始到最后结束使用的设备为止。显然对于非24小时工作的设备，功率C_n,t是分段函数：

其中，c_n表示设备的工作功率，s_n表示设备的启动时间，l_n表示设备使用的时长。

对于用户不满意度开支，其计算公式为：

$C_{\mathrm{extra}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|s_m-t_{m0}|{\mathrm{\Φ}}_m---\left(3\right)$

其中，s_m表示第m台调度设备的实际启动时间，m的取值范围为m＝1,2,…,M，t_m0表示第m台调度设备的期望启动时间，Φ_m表示第m台调度设备预设的额外惩罚单价。

根据公式(3)可知，本发明通过设置的额外惩罚单价，计算调度设备在期望启动时间点之外启动时的额外惩罚开支，作为考虑用户不满意度的额外开支，从而实现了用户不满意度的量化。

由于对于不同的用户，设备用电开支和用户不满意度开支对其影响作用不一定相同，因此本发明设置了权重系数α将公式(1)和公式(3)整合成一个目标量，各个部分的比重由α的数值大小决定，α的取值范围为0＜α＜1。调度设备的最优启动时间所要达到的目标是使设备用电开支和用户不满意度开支整合的目标量最小，即综合开支最小。因此可以确定本发明调度方法的目标函数为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}=\underset{s}{\min }[\mathrm{\α}{C}_{\mathrm{electro}}+(1-\mathrm{\α})C_{\mathrm{extra}}]\\ =\underset{s}{\min }[\mathrm{\α}\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\π}}_t\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n,t}\right)+(1-\mathrm{\α})\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|s_m-t_{m0}\left|{\mathrm{\Φ}}_m\right]\end{array}---\left(4\right)$

其中，实际启动时间s_m的约束条件为：

$\begin{array}{c}{t}_{m0}-d_m\≤s_m\≤t_{m0}+d_m\\ s_m+l_m\≤T\end{array}---\left(5\right)$

其中，d_m表示第m台调度设备的最大允许提前/延迟时间，l_m表示第m台调度设备的使用时长。

求解公式(4)的目标函数，得到M个调度设备的最优启动时间组合，即可以确定调度设备的实际启动时间，使得在满足用户自身需求的情况下，最大限度地节省设备用电开支。目标函数的求解有多种方法，例如常用的遗传算法、粒子群算法等，在此不再赘述。

实施例1：单台设备调度

本实施例以调度电动汽车为例，即在所有的调度设备中，仅电动汽车可以有可选的启动时间点，其余家用设备均在用户期望的启动时间点开启。在仿真验证时，可选启动时间是以20分钟为间隔来选择的。整个调度的时间区间从表1所示的所有家用设备中最先启动的设备开始，直到最后结束使用的设备为止。本实施例中，由于冰箱是24小时工作的，因此在确定调度时间区间时不将冰箱考虑在内。在此期间，所有设备的用电开支均根据其从启动到停止使用整个时间段的功率消耗的开支来计算，最后的用电开支为所有设备的用电开支之和；因设备使用提前/延迟造成的额外惩罚开支仅涉及调度设备，即本实施例中的电动汽车，即额外惩罚开支的计算只需要考虑电动汽车。设备的总开支包括所有设备的用电开支以及调度设备的额外开支，根据公式(4)计算。

本实施例中，电价π_t采用两种计价策略：实时电价π_realtime和基于前一天历史电价的电价π_Dayahead进行比较使用调度设备的总开支，进而可以仿真得到不同计价方式下的开支状况。其中，实时电价π_realtime采用二次函数的计价方式：π_t＝k×P_t ²，其中k为价格系数，P_t为时刻t的设备总功率消耗；由于调度时间区间跨越了两天，因此前一天的历史电价的电价π_Dayahead选用的是美国伊利诺伊州两天内的电价。

本实施例中，由于电动汽车的期望启动时间满足正态分布，因此通过表1得到其期望启动时间为16：09，通过对目标函数进行求解，采用实时电价策略情况下得到的最优启动时间为11:49，当采用前一天电价策略情况下得到的最优启动时间为22:29。

图3是单台设备调度时调度和未调度情况下的用电开支状态对比图。图3所示的用电开支为所有设备的实际用电开支，即经公式(1)计算得到的用电开支。如图3所示，在对单台设备(即电动汽车)采用本发明进行调度的情况下，无论采用何种定价策略，调度情况下在用电高峰期(18点至21点之间)的用电开支明显低于未调度情况下的用电开支。在两种定价策略上，采用实时定价策略在用电高峰期的用电开支要低于采用前一天历史电价的定价策略的用电开支，并且总开支也较低。

图4是单台设备调度时调度和未调度情况下的设备总功率对比图。如图4所示，在对单台设备(即电动汽车)采用本发明进行调度的情况下，无论采用何种定价策略，调度情况下在用电高峰期的设备总功率均明显低于未调度情况下的设备总功率。在两种定价策略上，采用实时定价策略时，设备总功率的曲线较采用前一天历史电价的定价策略更加平滑，说明电网的负载分配比较均匀，大大地减少了负载尖峰值的出现。

表2是单台设备调度时调度和未调度情况下的峰均比。

表2

如表2所示，采用本发明进行调度时，峰均比明显降低，更有利于电网资源的合理配置。在两种电价策略中，采用实时电价策略的峰均比更低，性能更好。

实施例2：多台设备调度

本实施中，以调度烘干机、电动汽车为例，即在所有的调度设备中，仅烘干机和电动汽车可以有可选的启动时间点，其余家用设备均在用户期望的启动时间开启。其调度时间区间和计算方法与实施例1一致，同样也采用两种定价策略进行验证。

本实施例中，由于烘干机和电动汽车的期望启动时间满足正态分布，因此通过表1得到烘干机的期望启动时间为21：17，电动汽车的期望启动时间为18：07，通过对目标函数进行求解，采用实时电价策略情况下的烘干机启动时间为23:17、电动汽车启动时间为11:47，采用前一天电价策略情况下的烘干机启动时间为第二天凌晨1:56、电动汽车启动时间为23:48。

图5是多台设备调度时调度和未调度情况下的用电开支状态对比图。如图5所示，在对多台设备(即烘干机和电动汽车)采用本发明进行调度的情况下，无论采用何种定价策略，调度情况下在用电高峰期(18点至21点之间)的用电开支明显低于未调度情况下的用电开支。在两种定价策略上，采用实时定价策略在用电高峰期的用电开支要低于采用前一天历史电价的定价策略的用电开支。

图6是多台设备调度时调度和未调度情况下的设备总功率对比图。如图6所示，在对多台设备(即烘干机和电动汽车)采用本发明进行调度的情况下，无论采用何种定价策略，调度情况下在用电高峰期的设备总功率均明显低于未调度情况下的设备总功率。在两种定价策略上，采用实时定价策略时，设备总功率的曲线较采用前一天历史电价的定价策略更加平滑，说明电网的负载分配比较均匀，大大地减少了负载尖峰值的出现。

表3是多台设备调度时调度和未调度情况下的峰均比。

表3

如表3所示，采用本发明进行调度时，峰均比明显降低，更有利于电网资源的合理配置。在两种电价策略中，采用实时电价策略的峰均比更低，性能更好。

通过对比实施例1和实施例2可知，当采用多台设备同时进行调度时，负载峰均比也比单台设备调度时更小，可见调度设备越多，越有利于减少电网负载的峰均比。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种考虑用户不满意度的家用设备调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：统计所有参与电网调度的家用设备，其数量记为N，根据用户需要将家用设备分为固定设备和可调设备，并收集各个家用设备的信息，包括每台设备的使用功率、用户对每台设备的期望启动时间以及使用时长，可调设备还包括设备启动的最大允许提前/延迟时间以及预先设置的因提前/延迟使用而产生的额外惩罚单价；

S2：根据用户实际需要，从可调设备中选择需要调度的设备，将其数量记为M；

S3：求解令目标函数值最大最小的M个调度设备的最优启动时间组合，作为M个调度设备的实际启动时间，目标函数表达式为：

$\mathrm{\Ψ}=\underset{s}{\min }[\mathrm{\α}\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\π}}_t\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n,t}\right)+(1-\mathrm{\α})\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|s_m-t_{m0}\left|{\mathrm{\Φ}}_m\right]$

其中，π_t表示t时刻的电价；C_n,t表示第n台设备在t时刻的功率消耗，n的取值范围为n＝1,2,...,N；T表示整个调度的时间区间；s_m表示第m台调度设备的实际启动时间，m的取值范围为m＝1,2,...,M，实际启动时间需要满足约束条件：t_m0-d_m≤s_m≤t_m0+d_m和s_m+l_m≤T；t_m0表示第m台调度设备的期望启动时间；d_m表示第m台调度设备的最大提前/延迟时间；l_m表示第m台调度设备的使用时长；Φ_m表示第m台调度设备设置的额外惩罚单价；α表示权重系数，α的取值范围为0＜α＜1。

2.根据权利要求1所述的家用设备调度方法，其特征在于，所述电价π_t采用实时定价策略，计价方式为：π_t＝k×P_t ²，其中k为价格系数，P_t为时刻t的设备总功率消耗。

3.根据权利要求1所述的家用设备调度方法，其特征在于，所述额外惩罚单价为预设的常数或以实际启动时间与期望启动时间的偏差值为变量的函数。