CN106410967A - 一种家庭负荷能量管理网关建模方法 - Google Patents

Abstract

一种家庭负荷能量管理网关建模方法，所述方法首先建立能量管理优化目标函数，然后确立每个时间间隔负荷需求的使用约束和每类家庭负荷的运行约束，最后计算求解各负荷在不同时刻的优化运行状态及功率。本发明同时考虑了用户舒适度、最小用能成本和负荷需求和碳排放等目标，方法具有较强现实指导意义。本发明为电力负荷管理提供了一种新的方法和思路。

Description

一种家庭负荷能量管理网关建模方法

技术领域

本发明涉及一种家庭负荷能量管理网关建模方法，属电力负荷管理领域。

背景技术

大多数现有的电力需求侧管理在家庭负荷方面专注于能源效率，动态定价，和负载控制。相关报道研究对家庭负荷动态定价的影响表明，客户的行为和实施方案之间没有直接的关系。比如动态定价可以提供可观的净福利，家庭用户的价格弹性是显著高于其他部门。按使用时间定价的一半的峰值负荷，可显著减少每月平均成本降低。有关实时定价的影响研究，表明家庭用户有明显的价格弹性，客户响应节能高峰时段，但并没有增加平均消费；因此，动态定价作为一种价格手段可实现电力需求侧管理，分析家庭内部和外部信息，重新安排和管理家用负荷。

本发明针对家庭用户，提出一种家庭负荷能量管理网关建模方法，在实际应用中取得了良好的效果。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种家庭负荷能量管理网关建模方法，为基于实时电价的负荷管理提供一种新途径。

实现本发明目的的技术方案是，本发明包含建立能量管理优化目标函数，确立每个时间间隔负荷需求的使用约束条件和每类家庭负荷的运行约束条件，以及求解各负荷在不同时刻的优化运行状态及功率。

首先建立能量管理优化的单目标函数，所述单目标函数表示如下：

J₄＝Dmd·c_dc；

其中，J₁表示用户总用能成本目标函数，J₂表示用户总用能量目标函数，J₃表示碳排放量目标函数，J₄表示峰值负荷目标函数；t为时刻标识，T为时刻集合T＝{1,…,96}，i表示负荷类型，A表示家庭负荷集合，li表示照明负荷，esd表示储能设备，pv表示光伏系统，c_ed(t)表示在t时刻的电能价格，P_i表示第i类负荷的额定功率，S_i(t)表示t时刻第i类负荷的开关状态，取值为0或1，z为区域标识，表示区域z内照明系统功率，L_z(t)表示在区域z内t时刻的照明水平，c_es(t)为t时刻向电网送电电价，wh表示热水器负荷，cs表示炉灶负荷，c_gd(t)表示在t时刻的天然气价格，Q_i表示第i类负荷的热转换效率，c_em(t)表示t时刻的碳排放边际成本，scc表示碳排放的社会成本；R_g表示燃气电厂的单位折算碳排放量，c_dc表示峰值负荷费率，Dmd表示峰值负荷；

对所述单目标函数进行单目标函数加权得到多目标函数，表示如下：

J＝ω₁J₁+ω₂J₂+ω₃J₃+ω₄J₄

其中，J表示总目标函数，ω₁，ω₂，ω₃和ω₄分别各单目标函数的加权因子。

所述每类家庭负荷的运行约束条件如下：

(1)冰箱负荷的约束条件：

其中，fr表示冰箱负荷，θ_fr(t)表示时刻t冰箱负荷设定温度，表示最大设定温度值，表示最小设定温度值；

(2)空调负荷的约束条件：

U_i(t)-D_i(t)＝S_i(t)-S_i(t-1)

U_i(t)+D_i(t)≤1

其中，ac表示空调负荷，θ_in(t)表示时刻t的室内温度，表示设定最高温度值，表示设定最低温度值，U_i(t)表示在时刻t是否开启第i类负荷，若开启则取值1，否则为0，D_i(t)表示在时刻t是否关停第i类负荷，若关停则取值1，否则为0，mu_i表示第i类负荷最小升档时间，md_i表示第i类负荷最小降档时间，M表示最大正值

(3)热水器负荷的约束条件：

其中，wh表示热水器负荷，θ_wh表示时刻t水温值，表示最大水温设定值，表示最小水温设定值；

(4)洗衣机负荷的约束条件：

U_i(t)-D_i(t)＝S_i(t)-S_i(t-1),i＝wr

U_i(t)+D_i(t)≤1,i＝wr

其中，wr表示洗衣机负荷，rot_i表示负荷需要的运行时间。

所述每个时间间隔负荷需求的储能系统和光伏系统使用约束条件如下：

(1)储能系统的约束条件

ESL_esd＝(1-η_esd)ESL_esd(t-1)+τ[chd_esd(t)-S_i(t)dch_esd]

U_i(t)≥S_i(t)-S_i(t-1)

其中，esd表示储能系统，η_esd表示储能系统的自放电率，ESL_esd(t)表示储能系统在时刻t的容量，chd_i(t)表示第i类负荷时间间隔t内储能充电容量，dch_esd表示第i类负荷时间间隔t内储能放电容量，τ表示时间间隔周期；

(2)光伏系统的约束条件：

其中，pv表示光伏系统，chd_pv(t)表示在t时间内的充电量，P_chd表示额定充电量。

所述求解各负荷在不同时刻的优化运行状态及功率如下：

min J

s.t.C_i i∈A

其中，J表示多目标函数，C_i表示每个时间间隔负荷需求的使用约束条件和每类家庭负荷的运行约束条件，i表示负荷索引，A表示负荷集合。

本发明的有益效果是，本发明优化方法同时考虑了用户舒适度、最小用能成本和负荷需求和碳排放等目标，方法具有较强现实指导意义。本发明为电力负荷管理提供了一种新的方法和思路。

具体实施方式

本发明具体实施方式包括以下计算步骤：

(1)首先建立能量管理优化单目标函数，包括用户总用能成本，总用能量，峰值负荷和碳排放，各目标函数用如下公式表示：

J₄＝Dmd·c_dc

其中，J₁表示用户总用能成本目标函数，J₂表示用户总用能量目标函数，J₃表示碳排放量目标函数，J₄表示峰值负荷目标函数，t为时刻标识，T为时刻集合T＝{1,…,96}，i表示负荷类型，A表示家庭负荷集合，li表示照明负荷，esd表示储能设备，pv表示光伏系统，c_ed(t)表示在t时刻的电能价格，P_i表示第i类负荷的额定功率，S_i(t)表示t时刻第i类负荷的开关状态，取值为0或1，z为区域标识，表示区域z内照明系统功率，L_z(t)表示在区域z内t时刻的照明水平，c_es(t)为t时刻向电网送电电价，wh表示热水器负荷，cs表示炉灶负荷，c_gd(t)表示在t时刻的天然气价格，Q_i表示第i类负荷的热转换效率，c_em(t)表示t时刻的碳排放边际成本，scc表示碳排放的社会成本；R_g表示燃气电厂的单位折算碳排放量，c_dc表示峰值负荷费率，Dmd表示峰值负荷。

(2)其次进行单目标函数加权得到多目标函数，表示如下：

J＝ω₁J₁+ω₂J₂+ω₃J₃+ω₄J₄

其中，J表示总目标函数，ω₁，ω₂，ω₃和ω₄分别各单目标函数的加权因子。

(3)然后确立每个时间间隔负荷需求的使用约束和每类家庭负荷的运行约束。

冰箱负荷的约束表示如下：

其中，fr表示冰箱负荷，θ_fr(t)表示时刻t冰箱负荷设定温度，表示最大设定温度值，表示最小设定温度值。

空调负荷的约束表示如下：

U_i(t)-D_i(t)＝S_i(t)-S_i(t-1)

U_i(t)+D_i(t)≤1

其中，ac表示空调负荷，θ_in(t)表示时刻t的室内温度，表示设定最高温度值，表示设定最低温度值，U_i(t)表示在时刻t是否开启第i类负荷，若开启则取值1，否则为0，D_i(t)表示在时刻t是否关停第i类负荷，若关停则取值1，否则为0，mu_i表示第i类负荷最小升档时间，_mdi表示第i类负荷最小降档时间，M表示最大正值。

热水器负荷的约束表示如下：

其中，wh表示热水器负荷，θ_wh表示时刻t水温值，表示最大水温设定值，表示最小水温设定值。

洗衣机负荷的约束表示如下：

U_i(t)-D_i(t)＝S_i(t)-S_i(t-1),i＝wr

U_i(t)+D_i(t)≤1,i＝wr

其中，wr表示洗衣机负荷，rot_i表示负荷需要的运行时间。

储能系统的约束条件表示如下：

ESL_esd＝(1-η_esd)ESL_esd(t-1)+τ[chd_esd(t)-S_i(t)dch_esd]

U_i(t)≥S_i(t)-S_i(t-1)

其中，esd表示储能系统，η_esd表示储能系统的自放电率，ESL_esd(t)表示储能系统在时刻t的容量，chd_i(t)表示第i类负荷时间间隔t内储能充电容量，dch_esd表示第i类负荷时间间隔t内储能放电容量，τ表示时间间隔周期。

光伏系统的约束条件表示如下：

其中，pv表示光伏系统，chd_pv(t)表示在t时间内的充电量，P_chd表示额定充电量。

(4)根据步骤(2)和步骤(3)，求解如下模型得到各负荷在不同时刻的优化运行状态及功率。

min J

s.t.C_i i∈A

其中，C_i表示步骤(3)中的各个约束条件，i表示负荷索引，A表示负荷集合。

Claims (4)

1.一种家庭负荷能量管理网关建模方法，其特征在于，所述方法建模的约束条件包括每个时间间隔负荷需求的使用约束和每类家庭负荷的运行约束，求解各负荷在不同时刻的优化运行状态及功率的单目标函数表示如下：

$J_1=\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}\[\underset{i\∉\{li,esd,pv\}}{\underset{i\∈A}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{ed}\left(t\right)P_i{S}_i\left(t\right)+\underset{z\∈li}{\mathrm{\Σ}}{c}_{ed}\left(t\right)P_{{\mathrm{li}}_z}{L}_z\left(t\right)-\underset{i\∈\{esd,pv\}}{\mathrm{\Σ}}{c}_{es}\left(t\right)P_i{S}_i\left(t\right)+\underset{i\∈\{cs,wh\}}{\mathrm{\Σ}}{c}_{gd}\left(t\right)Q_i{S}_i\left(t\right)\];$

$J_2=\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}\[\underset{i\∉\{li,esd,pv\}}{\underset{i\∈A}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{S}_i\left(t\right)+\underset{z\∈li}{\mathrm{\Σ}}{P}_{{\mathrm{li}}_z}{L}_z\left(t\right)-\underset{i\∈\{esd,pv\}}{\mathrm{\Σ}}{P}_i{S}_i\left(t\right)+\underset{i\∈\{cs,wh\}}{\mathrm{\Σ}}{Q}_i{S}_i\left(t\right)\];$

$J_3=\underset{t\∈T}{\mathrm{\Σ}}\[\underset{i\∉\{li,ese,pv\}}{\underset{i\∈A}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{em}\left(t\right)P_i{S}_i\left(t\right)+\underset{z\∈li}{\mathrm{\Σ}}{c}_{em}\left(t\right)P_{{\mathrm{li}}_z}{L}_z\left(t\right)-\underset{i\∈\{esd,pv\}}{\mathrm{\Σ}}{c}_{em}\left(t\right)P_i{S}_i\left(t\right)+\underset{i\∈\{wh,cs\}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{sccR}}_g{Q}_i{S}_i\left(t\right)\];$

J₄＝Dmd·c_dc；

其中，J₁表示用户总用能成本目标函数，J₂表示用户总用能量目标函数，J₃表示碳排放量目标函数，J₄表示峰值负荷目标函数；t为时刻标识，T为时刻集合T＝{1,…,96}，i表示负荷类型，A表示家庭负荷集合，li表示照明负荷，esd表示储能设备，pv表示光伏系统，c_ed(t)表示在t时刻的电能价格，P_i表示第i类负荷的额定功率，S_i(t)表示t时刻第i类负荷的开关状态，取值为0或1，z为区域标识，表示区域z内照明系统功率，L_z(t)表示在区域z内t时刻的照明水平，c_es(t)为t时刻向电网送电电价，wh表示热水器负荷，cs表示炉灶负荷，c_gd(t)表示在t时刻的天然气价格，Q_i表示第i类负荷的热转换效率，c_em(t)表示t时刻的碳排放边际成本，scc表示碳排放的社会成本；R_g表示燃气电厂的单位折算碳排放量，c_dc表示峰值负荷费率，Dmd表示峰值负荷；

对所述单目标函数进行单目标函数加权得到多目标函数，表示如下：

J＝ω₁J₁+ω₂J₂+ω₃J₃+ω₄J₄

其中，J表示总目标函数，ω₁，ω₂，ω₃和ω₄分别各单目标函数的加权因子。

2.根据权利要求1所述一种家庭负荷能量管理网关建模方法，其特征在于，所述每类家庭负荷的运行约束如下：

(1)冰箱负荷的约束条件：

$S_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}0or1& if& t\∈T_i\\ 0& if& t\∉T_i\end{array}\right.$

$S_i(t=1)=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& {\mathrm{\&theta;}}_{fr}(t=0)>{\mathrm{\&theta;}}_{fr}^{\max }\\ 0& if& {\mathrm{\&theta;}}_{fr}(t=0)<{\mathrm{\&theta;}}_{fr}^{\min }\end{array}\right.$

${\mathrm{\&theta;}}_{fr}^{\min }\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{fr}\left(t\right)\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{fr}^{\max }$

其中，fr表示冰箱负荷，θ_fr(t)表示时刻t冰箱负荷设定温度，表示最大设定温度值，表示最小设定温度值；

(2)空调负荷的约束条件：

$S_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}0or1& if& t\&Element;T_i,i=ac\\ 0& if& t\&NotElement;T_i,i=ac\end{array}\right.$

$S_i(t=1)=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& {\mathrm{\&theta;}}_{in}(t=0)>{\mathrm{\&theta;}}_{in}^{\max },i=ac\\ 0& if& {\mathrm{\&theta;}}_{in}(t=0)<{\mathrm{\&theta;}}_{in}^{\min },i=ac\end{array}\right.$

${\mathrm{\&theta;}}_{in}^{\min }\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{in}\left(t\right)\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{in}^{\max }$

U_i(t)-D_i(t)＝S_i(t)-S_i(t-1)

U_i(t)+D_i(t)≤1

$\underset{k=t}{\overset{t+{\mathrm{mu}}_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_i\left(k\right)\&GreaterEqual;{\mathrm{mu}}_i-M(1-U_i(t\left)\right)$

$\underset{k=t}{\overset{t+{\mathrm{md}}_i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_i\left(k\right)\&le;M(1-D_i(t\left)\right)$

其中，ac表示空调负荷，θ_in(t)表示时刻t的室内温度，表示设定最高温度值，表示设定最低温度值，U_i(t)表示在时刻t是否开启第i类负荷，若开启则取值1，否则为0，D_i(t)表示在时刻t是否关停第i类负荷，若关停则取值1，否则为0，mu_i表示第i类负荷最小升档时间，md_i表示第i类负荷最小降档时间，M表示最大正值

(3)热水器负荷的约束条件：

$S_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}0or1& if& t\&Element;T_i,i=wh\\ 0& if& t\&NotElement;T_i,i=wh\end{array}\right.$

$S_i(t=1)=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& {\mathrm{\&theta;}}_{wh}(t=0)<{\mathrm{\&theta;}}_{wh}^{\min }\\ 0& if& {\mathrm{\&theta;}}_{wh}(t=0)>{\mathrm{\&theta;}}_{wh}^{\max }\end{array}\right.$

${\mathrm{\&theta;}}_{wh}^{\min }\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{wh}\left(t\right)\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{wh}^{\max }$

其中，wh表示热水器负荷，θ_wh表示时刻t水温值，表示最大水温设定值，表示最小水温设定值；

(4)洗衣机负荷的约束条件：

$S_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}0or1& if& t\&Element;T_i,i=wr\\ 0& if& t\&NotElement;T_i,i=wr\end{array}\right.$

U_i(t)-D_i(t)＝S_i(t)-S_i(t-1),i＝wr

U_i(t)+D_i(t)≤1,i＝wr

$\underset{t\&Element;T_i}{\mathrm{\&Sigma;}}{S}_i\left(k\right)={\mathrm{rot}}_i$

$\underset{k=t}{\overset{t+{\mathrm{mso}}_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_i\left(k\right)\&le;{\mathrm{mso}}_i+M(1-U_i(t\left)\right)$

$\underset{k=t-mu+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_i\&le;S_i\left(k\right)$

$\underset{k=t-md+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_i\left(t\right)\&le;1-S_i\left(k\right)$

其中，wr表示洗衣机负荷，rot_i表示负荷需要的运行时间。

3.根据权利要求1所述一种家庭负荷能量管理网关建模方法，其特征在于，所述每个时间间隔负荷需求的储能系统和光伏系统使用约束如下：

(1)储能系统的约束条件

ESL_esd＝(1-η_esd)ESL_esd(t-1)+τ[chd_esd(t)-S_i(t)dch_esd]

${\mathrm{SL}}_{esd}^{\min }\&le;{\mathrm{ESL}}_{esd}\left(t\right)\&le;{\mathrm{ESL}}_{esd}^{\max }$

U_i(t)≥S_i(t)-S_i(t-1)

$\underset{k=t-mu+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_i\&le;S_i\left(t\right)$

$\underset{k=t-md+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_i\left(t\right)\&le;1-S_i(t-{\mathrm{md}}_i)$

其中，esd表示储能系统，η_esd表示储能系统的自放电率，ESL_esd(t)表示储能系统在时刻t的容量，chd_i(t)表示第i类负荷时间间隔t内储能充电容量，dch_esd表示第i类负荷时间间隔t内储能放电容量，τ表示时间间隔周期；

(2)光伏系统的约束条件：

$S_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}0or1& if& t\&Element;T_i,i=pv\\ 0& if& t\&NotElement;T_i,i=pv\end{array}\right.$

${\mathrm{chd}}_{pv}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{P}_{chd}& if& P_{pv}\left(t\right)\&GreaterEqual;P_{chd}\\ P_{pv}& if& P_{pv}\&le;P_{chd}\end{array}\right.$

其中，pv表示光伏系统，chd_pv(t)表示在t时间内的充电量，P_chd表示额定充电量。

4.根据权利要求1所述一种家庭负荷能量管理网关建模方法，其特征在于，所述求解各负荷在不同时刻的优化运行状态及功率如下：

min J

s.t.C_i i∈A

其中，J表示多目标函数，C_i表示每个时间间隔负荷需求的使用约束和每类家庭负荷的运行约束，i表示负荷索引，A表示负荷集合。