CN106707778B - 一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，通过分析家庭能源局域网的结构特征及各设备的运行特性，构建系统最优能源管理的经济运行方案。该系统包括数据采集、预测、能源管理优化、实时调度优化、控制与通信终端模块。本发明采用模型预测控制方法，可根据能源局域网内不同时段负载的耗能需求、能源的实时价格、分布式发电设备与储能设备状态信息，进行在线滚动优化求解，实现能源的最优分配、系统经济及安全运行。并利用互联网技术搭建一个网络服务平台，可通过手机APP实现在线监测与远程控制等功能，用户能够随时了解家庭能源的消耗情况和各智能设备的运行状况，进行远程监控，为用户提供了一种全新的经济用能管理方式。
Description
技术领域
本发明涉及能源互联网，特别是涉及一种家庭综合能源智能优化管理系统，属于能源智能管理控制技术领域。
背景技术
近代文明的进步，仰赖大量各式能源的驱动。现代人的生活无时无刻不在使用能源，我们每天的衣食住行娱乐也无一不与水、电力、天然气、热量等能源息息相关。居民的能源消耗量日益增加，但能源的利用率不高，而且电能的供应单一等问题也日益凸显，如何通过能源的互联使用户达到降低能源消耗强度的目的以及提高能源利用率已是当务之急。
当前，一种融合了新能源技术与信息技术的智能能源互联网应运而生，它是以电力系统为核心，涵盖电力、天然气、水、热量等多个系统的综合能源网络，从而实现能源的对等交换与充分共享。其中电力网络包括各种分布式发电设备、储能设备、电动汽车及智能负载等。
智能能源互联网是解决未来大规模可再生能源发电接入，提高电力质量与用户需求侧管理水平，以及增强电网系统安全性、可靠性、经济性的重要手段。在智能能源网络中会建置可用来记录系统的电能、水力、热量与天然气消耗的智能型能源量表(Smart Meter)和可控制启停的智能插座、开关，可随时监测电力、水力、热量与天然气的使用状况并可通过网络回报信息及接受控制指令。构建一个在线实时监测、优化调度管理系统，能够对能源互联网中多种能源进行优化配置，实现各能源之间的互补，做到最高效率的利用，达到节能与经济的效果。另外，为了与现代人方便、快捷的生活节奏同步，实现在移动式终端上实时查看家庭局域网内设备运行状态及耗能数据、在线监测与控制的功能，为用户提供一个全新的生活方式，发展前景广阔。
现已有智能电网、智能水网、智能天然气网等新式能源管理技术的提出。它们是利用信息及通讯科技来侦测与收集供应端的电力、水力或瓦斯供应状况及使用端的耗能状况，再以这些信息来调整生产与输配，或调整家庭及企业用户的电、水、天然气用量，以达到节约能源，降低损耗及智能管理的目的。田世明、栾文鹏等“能源互联网技术形态与关键技术”(中国电机工程学报，2015)和查亚兵、张涛等“能源互联网关键技术分析”(中国科学，2014)主要分析了能源互联网的技术要素和技术形态。张涛、张福兴等“面向能源互联网的能量管理系统研究”(电网技术，2016)主要公开介绍了能源互联网的技术特征与能源互联网能量管理系统的分层递阶式控制架构。张彦、张涛等“基于模型预测控制的家庭能源局域网最优能量管理研究”(中国电机工程学报，2015)和张彦、张涛等“基于随机模型预测控制的能源局域网优化调度研究”(中国电机工程学报，2016)提出了一种基于模型预测控制的能源局域网优化控制方法，结合实时电价信息实现电力系统的经济运行，但并没有建立含电力、天然气、水、热量等多个系统的综合能源网络的在线管理平台。公告号为CN103336444A的专利文献针对事先制定的用电计划来实现电网公司对家庭用户侧的智能化管理，不能针对家庭用户用电规律智能制定用电计划，不能满足智能管理互动的要求。公告号为CN205375032U、CN205540092U、CN105759700 A、CN 104934965 A的专利文献公开了一种基于手机APP的能源管理在线监测系统，并未考虑由于分布式发电设备风机、光伏输出功率信息与实时电价信息预测不确定给系统带来的运行成本偏差以及根据系统中运行的不确定性实时调整用能计划，而且在移动终端实现在线监测与控制的技术也并不完善，难以满足智能管理互动的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明针对现有技术的不足，构建了一个以电力系统为核心，涵盖电力、水、热、天然气等多个能源的家庭能源管理系统，包含采集、预测、能源管理优化、实时调度优化、控制与通信等功能模块的系统架构，并基于模型预测控制方法实现能源的在线优化配置与经济运行，通过互联网技术，实现在移动端(如手机APP)的实时监测与控制，用户能够随时查询家庭中各能源的使用情况及各设备的运行状态信息，并可实现远程操控，为用户提供一种全新的经济用能管理方式。
为了实现上述发明的目的，采用以下技术方案：
一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，以电力系统为核心，考虑家庭能源局域网中各种分布式发电设备、储能系统、电动汽车及智能负载等设备的经济、安全运行和水、热、天然气的使用情况，构建最优能源智能管理系统。该智能管理系统主要由数据采集模块、预测模块、能源管理优化模块、实时调度优化模块、控制模块、通信终端模块组成。模块功能如下：
数据采集模块是收集家庭能源局域网内设备运行数据信息、能源实时价格信息及气象信息，对历史及实时数据进行整理、存储及分析。将采集模块处理后的数据利用数据通信技术传输给预测模块、能源管理优化模块及控制模块；
预测模块是通过数据采集模块获得的历史与实时的设备运行状态、出力数据、储能信息、用户用能信息、智能负载信息、天气信息和能源价格信息，对采集的数据进行统计分析处理，预测出家庭能源局域网中未来一段时间的风、光等分布式电源出力信息数据、用户用能规律信息数据及能源实时价格信息,利用数据通信技术将预测的数据传输至能源管理优化模块；
能源管理优化模块是通过预测模块提供的风、光等分布式电源出力信息、用户的用能规律、智能负载的运行时段信息及能源实时价格信息，构建以家庭中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型，然后利用混合整数二次规划优化算法进行求解，得出一个日前规划能源管理控制计划。并利用通信技术向实时调度优化模块、控制模块传输日前管理控制计划信息；
实时调度优化模块是通过比较预测数据与实际数据的偏差，实时更新系统预测值与设备状态值，采用模型预测控制方法，在线滚动优化求解，并基于滚动优化求解结果对家庭能源局域网的能源管理控制计划进行调整，生成实时调度计划，实现实时在线优化控制，可有效减少由于预测偏差对系统运行成本造成的影响；
控制模块是根据实时调度优化模块计算所得控制计划信息，生成当前时刻设备的实时调度指令，通过数据通信技术向家庭能源局域网内各单元设备发送控制指令，实现家庭能源局域网内各设备的经济运行；
通信终端模块是在家庭能源局域网中部署一台PC，利用互联网技术将各个模块的数据信息通过通信接口传输至云端，用户可通过远程控制技术在手机APP上查看家庭中能源的消耗情况、设备的运行状态信息，并可实现远程控制等操作。
优选的技术方案，所述家庭局域网能源管理系统的数据采集模块，通过测量仪器，实现数据采集智能化，运行状态信息数字化。通过配置RS232及RS485串口，实现多测量仪器的自动采集，配备USB接口或内置WiFi模块，进行数据的传输。
优选的技术方案，所述预测模块，以电力系统为核心，其包括分布式发电设备输出功率预测模块及实时电价预测模块，分布式发电设备输出功率预测模块根据历史运行数据、天气信息及预测模型，对风机、光伏发电的输出功率进行日前及超短期预测，对于其他能源(水、天然气、热)价格不考虑实时性，只按用量计费。
优选的技术方案，所述能源管理优化模块是在考虑经济性的前提下，构建了一个能源管理混合整数二次规划模型，模型中包括设备的运行成本、启停成本、维护成本及能源的消耗成本，通过运用混合整数二次规划算法优化求解该模型，得到一个最优能源管理日前调度计划。
优选的技术方案，所述实时调度优化模块是利用模型预测控制方法，在每一个采样时刻，根据当前实时数据信息，在线求解一个有限时域闭环控制问题，并将得到的控制时域序列的第一个控制量作用于被控对象，在下一时刻，重复此步骤，实现实时优化调度，减少由于不确定性因素造成的影响。
优选的技术方案，所述控制模块是根据实时调度优化模块求得的最优解，通过通信接口或内置无线WiFi技术将控制序列的第一个控制指令发送给相应设备的控制装置，并执行。
优选的技术方案，所述通信终端模块利用互联网技术及远程控制技术，实现PC终端、网络终端与移动终端之间的通信，配备RJ45接口与网络进行对接。用户可在手机APP上在线监测家庭局域网中能源的消耗情况、设备的运行状态信息，并可通过远程控制技术实现远程调度等操作。
与现有技术相比本发明具有如下特点：
1.本发明的家庭综合能源智能优化管理系统，在建立的家庭能源局域网结构模型的基础上，以多能源的高效利用及设备的经济运行为目标，构建了一个能量管理混合整数二次规划模型，该模型充分考虑了系统中分布式发电设备与负载的运行、启停及维护成本和实时电价信息等因素。
2.本发明考虑了系统中预测信息的不确定性，利用模型预测控制方法，在每一个采样时刻，根据当前实际值进行在线滚动优化求解，实现在线实时调度，可有效减少由于不确定性因素带来的运行成本偏差。
3.利用互联网技术、通信及远程操控技术，实现系统中PC端与网络终端的通信及移动终端与网络终端的通信，通过手机APP平台，用户可以在移动终端实现实时在线监测和控制，随时掌握家庭能源局域网中各能源(水、天然气、热量、电力)的使用情况及各设备状态信息，并可进行远程控制。为用户提供了一种全新的经济用能管理方式。
附图说明
图1家庭能源局域网结构框图
图2家庭综合能源智能优化管理系统结构框图
具体实施方式
为了更加清晰的阐述本发明的目的及技术方案，结合实例及附图，对优选技术方案做进一步说明。
本实例是一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，结合图1与图2，家庭能源局域网结构中主要由分布式发电设备、储能设备、电动汽车、智能负载及智能抄表系统等构成，其中分布式发电包括风机、光伏发电设备、微型可控燃气发电设备；智能负载可分为关键负载(如照明设备、冰箱)、可切负载(如空调、电视机)和可调度负载(如洗衣机、洗碗机、热水器)；智能抄表系统包括智能水表、天然气表、热量表及智能电表。
通过与大电网连接根据实时电价信息，构建一个能源智能优化管理系统，系统框图如图2所示。该家庭综合能源智能优化管理系统主要由智能数据采集模块、预测模块、能源管理优化模块、实时调度优化模块、控制模块、通信终端模块组成，各模块间数据信息的发送与接收频率设为30分钟一次。具体功能如下：
数据采集模块主要是采集家庭能源局域网内水、电、热和燃气的使用数据、发电设备的出力数据、负载的运行状态信息，以电力为主要的能源管理对象，如在电力系统中采集的主要数据包括分布式发电设备输出功率信息、储能系统状态信息、智能负载功率信息及电网实时电价信息等，通过数据传输接口将设备运行数据传输至数据采集模块经过分析、整理后存入存储单元中，并设置数据传输调用接口，供预测模块、能源管理优化模块调用。数据采集模块通过配备RS232、RS485串口，可连接多个检测仪器实现自动数据采集，另外通过内置Zigbee或WiFi模块或配备USB接口，进行数据的传输。
预测模块是利用数据采集模块获得的历史与实时的设备运行状态、出力数据、储能信息、用户用能信息、智能负载信息、天气信息和电网实时电价信息，通过对采集的数据进行统计分析处理，构建风机、光伏输出功率预测模型及实时电价信息预测模型。预测出家庭能源局域网中未来一段时间的风、光等分布式电源出力信息数据及实时电价信息，利用数据通信技术将预测的数据提供给能源管理优化模块。该预测模块集成了风电预测模块、光伏发电预测模块及实时电价预测模块。
能源管理优化模块是通过预测模块提供的风、光等分布式电源出力信息、用户的用能规律、智能负载的运行时段信息及实时电价信息，构建以家庭中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型，该模型至少包含分布式发电设备与负载的运行、启停及维护成本和实时电价因素。考虑相关设备约束条件，如功率平衡约束，出力最大、最小值约束，启停次数约束，负载运行时段约束等，然后利用MATLAB或CPLEX软件编程求解混合整数二次规划问题，得出一个日前规划能源管理控制计划。并通过通信接口向实时调度优化模块、控制模块传输日前管理控制计划信息。
实时调度优化模块是通过比较预测数据与实际数据的偏差，实时更新系统预测值与设备状态值，采用模型预测控制方法，在线滚动优化求解，并基于滚动优化求解结果，生成实时优化调度计划，对能源管理日前控制计划进行调整，实现实时在线优化控制，可有效减少由于预测偏差对系统运行成本造成的影响。具体优化步骤如下：
步骤一：通过信息采集模块采集当前时刻系统运行数据，包括当前时刻的风机输出功率实际值、光伏发电输出功率实际值、负载需求功率值、当前能源价格信息；
步骤二：根据步骤一中获得的实际数据信息，对分布式电源风、光输出功率进行超短期预测；
步骤三：利用模型预测控制方法，根据当前实时数据信息及步骤二中超短期预测值，更新系统相关参数，进行在线求解；
步骤四：根据步骤三求解得到的控制序列，将得到的控制时域序列的第一个控制量作用于被控对象；
步骤五：在每一个采样时刻，重复以上步骤。
控制模块是根据实时调度优化模块计算所得控制计划信息，生成当前时刻设备的实时调度指令，通过数据通信技术向家庭能源局域网内各单元控制装置发送控制指令。
通信终端模块是在家庭能源局域网中部署一台PC，利用PC端与网络终端的通信技术将各个模块的数据信息通过通信接口传输至网络终端，另外，用户也可通过移动终端与网络终端的通信技术在手机APP上查看家庭中能源的消耗情况、设备的运行状态信息，并可通过远程控制技术实现远程调度等操作。
本实例中，系统内的通信终端包括PC终端、网络终端和移动APP终端，用户可以利用PC终端设备或手机APP终端设定未来时段各设备的用能计划(该计划是对各个负载在特定时间内运行情况的一种设定)，生成各时段负载功率信息数据，并存储至数据采集模块的数据存储单元。能源管理系统中各个模块可通过Zigbee或WiFi方式相连进行通信，并可通过互联网技术，在手机APP终端实现对家庭中水、天然气、热及电力能源的监测和各设备运行状态的监控。
以上是结合附图对本发明实例所作的阐述，只是本发明的一种优选方案，并不用于限制本发明，凡在本发明原理范围内的修改、替换，均应在本发明的保护范围之类。
Claims (10)
1.一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，以电力系统为核心，考虑家庭能源局域网中各种分布式发电设备、储能系统、智能负载设备的经济、安全运行和水、热、天然气的使用情况，构建家庭综合能源智能优化管理系统，该家庭综合能源智能优化管理系统主要由数据采集模块、预测模块、能源管理优化模块、实时调度优化模块、控制模块及含手机APP的通信终端模块组成，各模块功能如下：
数据采集模块是收集家庭能源局域网内设备运行数据信息及能源实时价格信息，对历史及实时数据进行整理、存储及分析,将数据采集模块处理后的数据利用数据通信技术传输给预测模块、能源管理优化模块及控制模块；
预测模块是通过数据采集模块获得的历史与实时的设备运行状态、出力数据、储能信息、用户用能信息、智能负载信息、天气信息和电网实时电价信息，对采集的数据进行统计分析处理，预测出家庭能源局域网中未来一段时间的风、光分布式电源出力信息数据、用户用能规律信息数据及实时电价信息,利用数据通信技术将预测的数据传输至能源管理优化模块；
能源管理优化模块是通过预测模块提供的风、光分布式电源出力信息、用户的用能规律、智能负载的运行时段信息及实时电价信息，构建以家庭能源局域网中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型，然后利用混合整数二次规划优化算法进行求解，得出一个日前规划能源管理控制计划，并通过通信接口向实时调度优化模块、控制模块传输日前规划能源管理控制计划信息；
实时调度优化模块是通过比较预测数据与实际数据的偏差，实时更新系统预测值与设备状态值，采用模型预测控制方法，在线滚动优化求解，并基于滚动优化求解结果对家庭能源局域网的日前规划能源管理控制计划进行调整，生成实时优化调度计划，实现实时在线优化控制，可有效减少由于预测偏差对系统运行成本造成的影响；
控制模块是根据实时调度优化模块计算所得控制计划信息，生成当前时刻设备的实时调度指令，通过数据通信接口向家庭能源局域网内各单元设备发送控制指令，实现家庭能源局域网内各设备的经济运行；
通信终端模块是在家庭能源局域网中部署一台PC，利用互联网技术将各个模块的数据信息通过通信接口传输至网络服务终端，用户可通过远程控制技术在手机APP上查看家庭中能源的消耗情况、设备的运行状态信息，并可实现远程调度操作。
2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：所述数据采集模块主要是采集家庭能源局域网内水、电、热和天然气的使用数据、发电设备的出力数据、负载的运行状态信息，至少包括分布式发电设备运行数据信息、储能设备状态信息、智能负载功率信息、能源价格与使用量信息及天气信息，通过配备RS232、RS485串口，可连接多个检测仪器实现自动数据采集，并通过内置Zigbee或WiFi模块或配备USB接口，进行数据的传输，供预测模块、能源管理优化模块调用。
3.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：家庭能源局域网中分布式发电设备至少包括风机发电设备、光伏发电设备与微型可控燃气发电设备；智能负载分为关键负载、可切负载与可调度负载。
4.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：所述预测模块集成了风电预测模块、光伏发电预测模块及实时电价预测模块，利用数据采集模块获得的历史与实时的设备运行状态、出力数据、储能信息、用户用能信息、智能负载信息、天气信息和电网电价信息，构建风机、光伏输出功率预测模型及实时电价信息预测模型，预测出家庭能源局域网中风、光分布式电源输出功率及实时电价日前及超短期数据信息，利用数据通信技术将预测的数据提供给能源管理优化模块。
5.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：所述能源管理优化模块中集成了一个以家庭能源局域网中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型，该模型考虑了分布式发电设备与负载的运行、启停及维护成本和实时电价因素，结合相关设备约束条件，至少包括功率平衡约束，出力最大、最小值约束，启停次数约束，负载运行时段约束，通过求解以家庭能源局域网中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型得出一个日前规划能源管理控制计划，并通过通信接口向实时调度优化模块、控制模块传输日前规划能源管理控制计划信息。
6.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：所述实时调度优化模块采用模型预测控制方法，在线滚动优化求解，并基于滚动优化求解结果，生成实时优化调度计划，对家庭能源局域网的日前规划能源管理控制计划进行调整，实现实时在线优化控制，具体优化步骤如下：
步骤一：通过数据采集模块采集当前时刻系统运行数据，包括当前时刻的风机输出功率实际值、光伏发电输出功率实际值、负载需求功率值、当前能源价格信息；
步骤二：根据步骤一中获得的实际数据信息，对分布式电源风、光输出功率进行超短期预测；
步骤三：利用模型预测控制方法，根据当前实时数据信息及步骤二中超短期预测值，更新系统相关参数，进行在线求解；
步骤四：根据步骤三求解得到的控制时域序列，将得到的控制时域序列的第一个控制量作用于被控对象；
步骤五：在每一个采样时刻，重复以上步骤。
7.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：所述控制模块是根据实时调度优化模块计算所得控制计划信息，生成当前时刻设备的实时调度指令，通过数据通信接口或内置无线WiFi技术向家庭能源局域网内各单元控制装置发送当前时刻的实时控制指令。
8.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：所述通信终端模块包括PC终端、网络终端和移动APP终端，用户可以利用PC终端设备或手机APP终端设定未来时段各设备的用能计划，生成各时段负载功率信息数据，并存储至数据存储单元。
9.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：家庭综合能源智能优化管理系统中各个模块通过Zigbee或WiFi技术方式进行通信，采用网络接口将数据信息上传至网络终端，并利用互联网技术，在手机APP终端实现对家庭中水、热、天然气与电力能源的监测及各设备运行状态的监控。
10.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：家庭综合能源智能优化管理系统的各模块间数据信息的发送与接收频率小于或等于30分钟一次。
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