CN107069752A - 一种基于用户需求和电费驱动的家用负载调度方法 - Google Patents

一种基于用户需求和电费驱动的家用负载调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于智能电网家庭用电领域，涉及一种家庭负载调度系统，具体涉及一种基于用户意愿和电费驱动的方法设计，根据用户的期望和电力成本(UCD)设计合适的管理算法来帮助减少的能源消耗和负荷之间的平衡。具体讨论了建模、控制方法设计和效果分析。通过上述方式，可以帮助在多种家庭限制条件下自动管理负载在下平稳运行。

Description

一种基于用户需求和电费驱动的家用负载调度方法
技术领域
本发明属于智能电网家庭用电领域，涉及一种家庭负载调度方法，具体涉及一种基于用户意愿和电费驱动的方法设计，帮助在多种家庭限制条件下自动管理负载在下平稳运行。
背景技术
现如今，我国居民用电量占总用电量的比重较大，并呈持续上升趋势。使用更为高效的家用电器设备会导致电能消耗的激增，造成电费的增长以及社会环境的不良影响。
近年来，在节能优先的背景下，智能电网成为了研究的热门，应用智能技术和人性化的控制方法从而实现智能化的功耗显得尤为重要。然而人工智能控制方法的应用并不充分和完善，并没有充分投入到家用建筑的应用中去。究其主要原因还是智能化家庭的发展还处在上升阶段。将住户需求和所承担电费相关联，能够较好地提醒用户节约能源。高效节能且能保持用户满意度的智能家庭负载控制方法设计显得格外有意义。所述负载调度和延时方法，控制方法之后有助于管理负载满足预定的参考功率和客户满意度，同时考虑到电价限制下得到最优调度。控制后，负荷工作状态和每个负载的能量消耗将反馈到管理模式，以帮助控制下一个时间阶段，直到最后期限结束，该方法简洁明了并且有针对性。
发明内容
本发明的目的是介绍一种新型的家庭负载调度方法，提供一种基于用户意愿和电费驱动的方法设计，帮助在多种家庭限制条件下自动管理负载在下平稳运行。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
提出一种新型家庭负载调度方法，其解决方案在于两方面，包含系统的控制模型设计及方法程序部分。其中负载控制模型设计及组成部分包括家庭负载分类、优先级选择判断，另外还有经验性的选择方法提供支持。所述负载分类单元根据家用负载自身的特点以及用户对家用负载的依赖度等信息进行准确归纳，得到几类特征相似的组合。所述优先级选择单元包括可控负载和不可控负载在同一时间段的优先运行规则。所述负载延时和调度方法包括在功率限制，用户满意度等条件下合理运行用户需求负载以满足用户舒适度以及平衡电费消耗，所述的基于用户-电价方法包含了对不同时段等因素综合计算。
所述负载调度和延时方法中，输入信号为电价，负载额定功率和能源消耗至系统。控制方法有助于管理负载满足预定的参考功率和客户满意度，同时考虑到电价限制下得到最优调度。控制后，负荷工作状态和每个负载的能量消耗将反馈到管理模式，以帮助控制下一个时间阶段，直到最后期限结束。第一步输入初始量，具体是指负载的额定功率，能量消耗，负载初始状态。第二步:将一天时间细分为144个时间节点，时间间隔为10分钟，当在某一特定的时间点收到负载运行指令时，利用负载分类单元将负载划分，并通过优先级选择单元确定负载的优先启动顺序。第三步：当接收到指令是组3负载的时候，系统询问用户是否同意转移至晚上十点后运行。第四步：当用户不需要转移负载的时候，此情况为情况1，先按负载优先顺序启动负载。当某一特定时间段的总需求功率超出限制的条件下，暂不启动优先级低的负载，并将未启动的负载视为优先级最低，反馈到下一个时间节点。若下一个时间节点，总需求功率满足限制要求，则启动该负载，若不满足限制，则将该未启动负载继续反馈至下一个时间节点，直到满足功率限制条件则启动负载。第五步：值得注意的是，在某一时间点功率超出的情况下，若存在已启动的不可中断负载，即使该负载优先级低于同时段即将启动的负载，仍要保持该不可中断负载继续工作不停止直到结束。第六步：通过检查用电器在时间点使用的总频率来判断是否已完成工作。第七步:情况2——用户同意转移负载至晚上十点后工作，则将组三负载安排至晚上十点后按照优先级顺序启动，其他类型负载的运行调度和情况1相同。第八步：检查是否超出设定的调度截止时间。
所述方法负载优先级使用有特定的限制标准，可以对信号和输入负载进行排序以确定开关顺序，采用如上标准使管理系统更清晰合理。
所述方法有反馈调节模式，需要实时反馈负载使用状态，功率等信息。
所述方法需根据客户实际需求进行自动调节。
所述方法采用的是基于数独的理念模型。
所述方法采用自行设计的负载延时和调度方法，采用的是特定的规则，将时间细分为相同长度的时间节点，根据用电器在不同时间段使用的节点个数来自判断用电器完成情况。
所述方法按照功率限制条件，电价，负载优先顺序和用户需求来执行调度和延时的指令。
所述系统控制方法采用一体式结构设计，保证负载的正常运行，保证系统的安全运行。
本发明专利与现有技术相比，具有以下的优点与效果：本家庭负载调度方法可以进行负载使用的自动控制，通过信号输入分类，方法计算，输出反馈的过程，具有较新的物理量模型设计思路，并有控制快速，用户需求满意度高等一系列优势，使本发明调度管理方法更准确，更稳定。经过该方法调度后，在高峰时段能够减少负载的使用，部分组3负载调度到晚上十点后工作能很大程度的减少家庭电力支出。
附图说明
图1本发明专利实施负载控制的方法框图
图2本发明专利传统家用负载分类图。
图3本发明专利实施负载控制方法的数学模型化图。
图4是本发明专利实施控制方法的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施，对本发明做进一步阐述，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施。
参见图1。主要帮助家用负载进行调度，解决方案在于两方面，包含系统的控制模型设计及方法设计部分。其中负载控制模型设计及组成部分包括家庭负载分类、优先级选择判断，另外还有经验性的选择方法提供支持。所述负载分类根据家用负载自身的特点以及用户对家用负载的依赖度等信息进行判断。所述优先级选择单元包括可控负载和不可控负载在同一时间段的优先运行规则，根据四类原则进行判断。所述负载延时和调度方法基于用户需求和电价，包括在功率限制，用户满意度，电价等限制条件下合理运行用户需求负载以满足用户舒适度以及平衡电费消耗。
参见图2。在可控负载组别的分类中，优先级组1的负载是指那些关乎于用户日常生活需求的重要家用负载，如烹饪用具等。优先级组2的负载主要是基于温度的一些家用负载，同样对用户生活有重要影响，如热水器，电暖气等。优先级组3归类为可优化调度的负载，该类负载能够根据规定功率和电价因素的限制而要求用户调整转移到晚上十点以后来运行，如洗衣机，电动汽车等。在不可控负载的组别中，照明和休闲娱乐设备是主要部分。值得注意的是，一旦接受到运行指令，应该毫不犹豫的使用那些绝对必要的负荷(照明，信息交流设备，烹饪用品等)启动。
参见图3，家庭负载调度的控制方法如下：
把家庭负载总数记为n。总的一天时间T分为m个相同的时段，相邻时间间隔为相同长度的ΔT。在本文中分为144个时间段，每个时间段间隔10分钟。根据限制条件，结合之前的负载分类和优先级排序，给了每个负载使用的标准，并通过检查用电器在时间点使用的总频率Bi和Bf来判断是否已完成工作。 i表示第i个负载,1≤i≤n；m是总的时间段，j表示第j个时间段,1≤j≤m；aij表示负载开关状态，开通为1，关断为0；pij为负载额定功率；Pij是在j时间段第i 个负载的功率需求；Bi代表每个负载的日常电能消耗(kWh)；Bf表示已使用时间段频率次数；Cj代表不同时段的电价。
控制方法的方法流程如图4，负载调度和延时方法步骤设计如下：
步骤1：输入家用负载的用户需求，初始负载状态，电力价格和调度最后期限。
步骤2：在特定的时间T接收负载工作要求时，系统开始运作。首先基于优先级原则进行负荷的分类，满足的条件如下：
[1]已开启的不可中断程序最优先；
[2]不可控荷载的优先级高于可控负载的优先级；
[3]可控负载的优先级：组1负载最高，组2负载次之，组3负载优先级最低；
[4]对所有组别的负载来说，大功率电能消耗者优先；
步骤3：将负荷分类完毕以及处理好优先级后，询问客户意见，是否同意将组3 负荷转移到晚上十点以后。
步骤4：用户选择情况1，不转移组3负载时。首先，计算当时，按用户的需求和优先先启动满足功率限制的负载。将不满足条件的负载自动转成最低优先级转移到下一个时间点T＝T+1。如果再跳到下一步计划时间点直到满足和或者另一种情况，在任意时间段，负载全部启动。
步骤5：用户选择情况2，允许转移组别3负载。此时，从十点开始一次按照优先级进行开启组别3负载。对于其他组别负载调度情况与情况1相同。
步骤6：，计算直到T超过最后的调度期限。
步骤7：自动计算用户满意。

Claims (1)

1.一种基于用户需求和电费驱动的家庭负载调度方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：输入初始量，包括家庭负载的额定功率、电能消耗、负载初始状态和调度最后期限；家庭负载总共有n个；一天时间分为m个相同的时段，相邻时间间隔为相同长度的ΔT，m为144，每个时间段间隔10分钟；
n：总负载数；
m：总时间；
i:第i个负载,1≤i≤n；
j:第j个时间段,1≤j≤m
aij:负载开关状态(0/1),1≤i≤n,1≤j≤m；
pij:负载额定功率,1≤i≤n,1≤j≤m；
Pij:在j时间段第i个负载的功率需求,1≤j≤m；
Bi:每个负载的日常电能消耗(kWh),1≤i≤n
Bf:已使用时间段频率次数；
Cj:不同时段的电价；
步骤2:将一天时间细分为144个时间节点，时间间隔为10分钟，在特定的时间T接收负载工作要求时，系统开始运作,首先基于优先级原则进行负荷的分类，并通过优先级选择单元确定负载的优先启动顺序，优先级判定顺序如下：
[1]已开启的不可中断程序最优先；
[2]不可控荷载的优先级高于可控负载的优先级；
[3]可控负载的优先级：组1负载最高，组2负载次之，组3负载优先级最低；
[4]对所有组别的负载来说，大功率电能消耗者优先；
组1为每日必须负载，包括冰箱、微波炉、烤面包机、咖啡机、电炉；组2为基于温度负载，包括热水器、电暖气、空调、电熨斗；组3为可调节负载，包括电动汽车、洗衣机、洗碗机、烘干机；组3可调节负载依据用户意见，转移到晚上十点以后工作，以节约电费；不可控负载包括照明用具、以及休闲娱乐设备的电视、电脑、电话和HiFi；
步骤3：将负荷分类完毕以及处理好优先级后，当接收到指令是组3负载要求工作的时，询问客户意见，是否同意将组3负荷转移到晚上十点以后运行；
步骤4：要求调度应该满足四大类限制条件：
[1]功率阈值：功率限制Pmax是在时间间隔消耗功率和功率限制之间的关系，公式(1)(2)：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mi>j</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mi>m</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
0≤Pij≤Pmax (2)
[2]负载完成度：定义Lf为负载操作参考指数。为了保证设备的充分运行，
控制模型通过检查消耗量是否满足至最后截止时间的来判断每个设备是否完成了任务，施加的关系(3)：
<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </msubsup> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
但计算Bi的工作量大，使系统进展缓慢，因此改用Bf来代替Bi进行计算，
计算在规定时间间隔的完成次数,如公式(4)所示：
<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </msubsup> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
假设负载i每天工作时间为Ni，则对应的使用频率次数(Bf)写作(5)(6):
<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
[3]负载延时方式：对于特定的时间点，总功率超过阈值，有可能安排的低优先级负载转移到下一个时间点j+1或再之后的时间点运行，每个负载的开始时间应在以下约束(7):
Kexp,i≤Kreal,i≤Kexp,i+dmax (7)
Kexp,i代表预期使用时间,Kreal,i实际使用时间,Kmax最大可调度时间；
[4]用户满意度：消费者在时间M内的满意百分比是指实际执行时间与负载和用户期望时间的比较，它可以转换为用户期望时间使用的电力负荷的满意的数据计算，用公式(8)表示：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>A</mi> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
在预期工作时间内，A(i)real指对电力负荷的使用频率满意，Af(i)所需频率；
步骤5:用户选择情况1，不转移组3负载时，当某一特定时间段的总需求功率超出限制的条件下，暂不启动优先级低的负载，并将未启动的负载视为优先级最低，反馈到下一个时间节点；若下一个时间节点，总需求功率满足限制要求，则启动该负载，若不满足限制，则将该未启动负载继续反馈至下一个时间节点，直到满足功率限制条件则启动负载，并通过检查用电器在时间点使用的总频率来判断是否已完成工作；换句话说，首先，计算当时，按用户的需求和优先先启动满足功率限制的负载，将不满足条件的负载自动转成最低优先级转移到下一个时间点T＝T+1；如果再跳到下一步计划时间点直到满足和或者另一种情况，在任意时间段，负载全部启动；
步骤6：用户选择情况2，允许转移组别3负载。此时，从十点开始一次按照优先级进行开启组别3负载。对于其他组别负载调度情况与情况1相同；
步骤7：计算直到T超过最后的调度期限；
步骤8：自动计算用户满意度。
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