CN106786555A - 一种家庭能量管理系统的智能调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种家庭能量管理系统的智能调度方法，该方法主要针对家庭用户中大功率家电负荷和分布式储能设备进行优化调度控制，在基于实时电价的基础上，引入整数规划方法和遗传算法，同时满足用户预先设定的家电运行时间和电网规定的约束响应要求，并结合分布式储能设备以用电费用最省为优化目标，将家庭用电负荷分为可调度家用负载和不可调度家用负载，实现对各家电负载和分布式储能设备的优化控制运行，将家庭用户，电网，光伏系统和分布式储能设备有机联系起来，实现了能量的流动。
Description
技术领域
本发明涉及一种家庭能量管理系统的智能调度方法，属于新能源发电及需求侧响应控制技术领域。
背景技术
21世纪以来，依托科技的发展、经济水平的提升，人民的生活水平越来越高，生活需求也越来越广泛。伴随着大量电子设备的广泛使用，家庭中的能源消费出现急剧的增加，近年来我国的家庭用户用电总量增加迅速，每年增加量达数百亿千瓦时。国家致力于建设的“资源节约型”还处于初始阶段，在能耗的有效利用和减少无故浪费上，还主要依赖大家主观形成的良好习惯。减少能耗，特别是家庭减能近来己逐渐成为应对能源危机和全球变暖问题的一个重要解决途径。
在电力公司，电网与家庭用户的信息交换愈加的频繁，用户对供给稳定和使用体验的要求越来越高，分布式光伏发电等新型清洁能源和储能设备在家庭中的逐渐部署，配电网在用户侧的重要组成部分——家庭能量管理系统也应运而生。
在家庭能量优化方面，前人曾尝试过采用增强能耗信息可视度的方法，通过观察家用电器的日常运行状态和家庭成员的活动来设计相关的优化模型，实现节能减排的目标，这种方法能起到一定的作用但由于频繁的用户操作会影响到用户体验的满意度；伴随着分布式光伏等新型清洁能源和储能设备在家庭用户中的逐步应用，会出现用户可选择的不止一个供能设备，在相应的家庭能量优化模型上有人提出在保证家用电器运行满意度的情况下进行分析，该模型在基于电力公司实时电价的基础上进行相应的调度研究，最终实现用电总费用最省的目标，但其未考虑到电网规定的需求响应约束，未能实时保障用户用电的可靠性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种家庭能量管理系统的智能调度方法，用于解决现有技术中家庭能量的管理和智能调度方法无法提供良好的用电可靠性的技术问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种家庭能量管理系统的智能调度方法，以下包括以下步骤：在家庭中设置家庭管理系统控制器、光伏发电系统、分布式储能设备和智能电表；并按照如下步骤进行电能调度：
步骤(1)、用户预先将用户需求输入至家庭管理系统控制器中，包括符合其生活规律的家电负载参数并设定各个家电负载所期望的工作时间段和所需工作时长；同时家庭管理系统控制器通过联网获取电网实时电价及其规定的需求响应功率约束，并采集次日天气信息；
步骤(2)、综合次日天气信息、智能电表的历史用电情况和光伏发电系统的历史发电信息得到预测信息，包括次日的用电量和发电量；
步骤(3)、在步骤(1)中的用户需求和步骤(2)中的预测信息的基础上，以电费最省为调度目标并以满足电网规定的需求响应功率约束条件，家庭管理系统控制器拟定次日各家电负载和分布式储能设备的优化调度计划，并按照上述调度结果进行对各家电负载和分布式储能设备的控制运行。
进一步的，在本发明中，为保证分布式储能设备投入运行的稳定持续性，所述分布式储能设备设置有电量最低阈值，即无论储能设备工作状态如何，都必须保证储能设备中的电能存储不低于这个阈值，并且分布式储能设备在某一个确定时刻的状态若为工作状态则只能完成充电或者放电其中一项操作，二者不可同时进行；当家电负载运行时，所述光伏发电系统优先向家电负载提供电能，并且用户不能将电力出售给电网，光伏发电系统多余的发电量向分布式储能设备充电直至分布式储能设备中存储的电量达到阈值上限则光伏发电系统将多余的电量释放；电网和分布式储能设备不可同时给家用电器供电，当光伏发电系统所发电量无法满足家电负载运行时，判断分布式储能设备中的电能大于最低阈值以上的部分是否能够满足家电负载运行，若能，则分布式储能设备放电向家电负载供电，若不能，则分布式储能设备不放电而选择向电网购电。
进一步的，在本发明中，步骤(2)中，通过遗传算法预测次日用电量和发电量。
进一步的，在本发明中，步骤(1)中，把一天分为24个连续的时间段，每个时间段的时长为T＝1小时，获取次日每个时间段的实时电价。
有益效果：
本方法在基于实时电价的基础上，引入整数规划方法和遗传算法，同时满足用户预先设定的家电运行时间和电网规定的约束响应要求，实现对各家电负载和分布式储能设备的优化控制运行，将家庭用户，电网，光伏系统和分布式储能设备有机联系起来，实现了能量的流动。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明方法全面的考虑到了不同特性的家用电器的实际运行情况，同时考虑一类例如洗衣机、热水器、洗碗机等在一定条件下对这些设备的运行进行调度不会影响用户舒适度的可调度负载，还包括另一类例如打印机、照明设备、电冰箱等对这些设备的运行进行调度会严重影响用户舒适度的不可调度负载。由于家用电器实际运行的特性差异，对于电器的最低连续工作时间(当该电器启动后所至少运行的时长)，可视为不可调度负载最低的连续工作时间即为当天所需工作时长。
调度采用把一天分为24个连续的时间段(即每个时间段的时长为T＝1小时)，并采用实时电价体系来获取第二天的每时段电价。每天各时段的电价信息会由电力公司提前通过网络传输给家庭用户，鉴于电网安全考虑及削峰需要，传输给家庭用户的信息还包括各时段电网规定的功率限制，来满足需求相应约束。
在本智能调度方法中，将用电费用最省定为本系统的基本调度目标，在基于提前获知实时电价的基础上，由于T＝1,使用j对24个时间段进行编号，在时间段j里，处于工作状态的家用电器总耗电量(可调度负载与不可调度负载耗电量之和)为Loadj，
Loadj＝∑i∈AWi×Sij+Mj+CGj (1)
式中，A表示处于调度状态中的家用电器总集合，使用下标i来表示家用电器总集合A中的第i个电器。Wi表示电器i的实际平均工作功率。Sij用来识别第i个电器在第j个时间段是否在工作，它是一个二维的二进制向量，若该电器在工作则Sij＝1，反之Sij＝0。Mj表示每个时间段中不可调度家用电器的耗电总功率。CGj表示在时间段j中向电网购买并存储至分布式储能设备的电量。
家用电器在每个时间段中所需的电能，一部分由光伏发电系统发电产生，光伏发电系统的输出功率记为Gj，一部分由分布式储能设备通过放电来供给，其放电量为DCGj，电器剩下的电能则需要向电网购电来满足需求，可计算出家庭用户需要向电力公司购电的电量为Loadj-Gj-DCGj，则需要支付的相应费用为(Loadj-Gj-DCGj)×Pbj(其中Pbj为电力公司的售电价格)。
分布式储能设备中，用BCRTj来表示处于时间段j时的存储电能，其定义如下：
式中：BI表示在一个调度周期内分布式储能设备的初始存储电能量。
对分布式储能设备的放电过程设定一定要求，设BR为分布式储能设备中电能的最低存储量，无论分布式储能设备处于何种运行状态，都必须使其至少保有BR的电能，且此时存储的电能不能超过其容量BC。即：
当某时间段j中出现仅通过光伏发电系统出力不能满足电器的使用时(Gj<Loadj)，同时分布式储能设备中可用电量未超过其放电率时(Loadj-Gj≤BDCG，其中BDCG为储能设备的放电率)，且分布式储能设备足够放电来供给用电设备时(BCRTj-BR≥Loadj-Gj)才可进行放电操作(BSj＝1)，该时间段放电量为DCGj＝Loadj-Gj；反之不允许进行放电操作，放电量置0。某时间段是否放电及相应的放电量定义为：
当储能设备中电能存储量达到上限时，光伏发电系统中产生的多余电能会被浪费掉，则计算出的用户实际购电量Loadj-Gj-DCGj可能会出现负值，这与现实情况矛盾。在此种情况下，令用户向电力公司的购电价格为0。采用Pbfj来表示实际的购电价格，定义如下：
在计算各个时间段实际购电费用COSTj时，买电价格用Pbfj来替代Pbj，对COSTj的定义如下：
COSTj＝(Loadj-Gj-DCGj)×Pbfj (9)
在第j个时间段内，电网的需求响应约束限制其可提供的功率为Dj，同时记及光伏发电系统和储能设备中可供调度的电能，该时间段的可工作家用电器的总功率上限值为Dj+Gj+DCGj，即：
对于每个家用电器i而言，规定其需工作的时间段数为Ni，且该调度方法要确保任意电器都能完成工作，所以各个家用电器的工作时间段数之和为Ni，即：
现规定某电器在开始工作后需至少完成连续Li个时间段，令电器开始启动的符号为Bij(表示电器i在时间段j时刻开始启动)，则电器的实际运行状态Sij定义如下：
Si(j+x)＝1,且Bij＝1 (12)
如果某电器在某一时间段的运行状态是0，而在下一个时间段的运行状态检测出是1，则说明在下一个时间段该电器开始投入工作，其中，Bij可以由式(13)来确定：
Bij＝1，当Si(j-1)＝0且Sij＝1,或Sij＝1且j＝1 (13)
结合上述讨论因素和条件，该调度方法可简化成：
目标函数：
约束条件：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种家庭能量管理系统的智能调度方法，其特征在于：以下包括以下步骤：在家庭中设置家庭管理系统控制器、光伏发电系统、分布式储能设备和智能电表；并按照如下步骤进行电能调度：
步骤(1)、用户预先将用户需求输入至家庭管理系统控制器中，包括符合其生活规律的家电负载参数并设定各个家电负载所期望的工作时间段和所需工作时长；同时家庭管理系统控制器通过联网获取电网实时电价及其规定的需求响应功率约束，并采集次日天气信息；
步骤(2)、综合次日天气信息、智能电表的历史用电情况和光伏发电系统的历史发电信息得到预测信息，包括次日的用电量和发电量；
步骤(3)、在步骤(1)中的用户需求和步骤(2)中的预测信息的基础上，以电费最省为调度目标并以满足电网规定的需求响应功率约束条件，家庭管理系统控制器拟定次日各家电负载和分布式储能设备的优化调度计划，并按照上述调度结果进行对各家电负载和分布式储能设备的控制运行。
2.根据权利要求1所述的家庭能量管理系统的智能调度方法，其特征在于：所述分布式储能设备的充电端口与光伏发电系统和电网连接并且分布式储能设备设置有电量最低阈值，分布式储能设备在某一个确定时刻的状态若为工作状态则只能完成充电或者放电其中一项操作；当家电负载运行时，所述光伏发电系统优先向家电负载提供电能，光伏发电系统多余的发电量向分布式储能设备充电直至分布式储能设备中存储的电量达到阈值上限则光伏发电系统将多余的电量释放；当光伏发电系统所发电量无法满足家电负载运行时，判断分布式储能设备中的电能大于最低阈值以上的部分是否能够满足家电负载运行，若能，则分布式储能设备放电向家电负载供电，若不能，则向电网购电。
3.根据权利要求1所述的家庭能量管理系统的智能调度方法，其特征在于：步骤(2)中，通过遗传算法预测次日用电量和发电量。
4.根据权利要求1所述的家庭能量管理系统的智能调度方法，其特征在于：步骤(1)中，把一天分为24个连续的时间段，每个时间段的时长为T＝1小时，获取次日每个时间段的实时电价。
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