CN107634521A - 一种智能家居用户侧用电调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能家居用户侧用电调度方法，步骤如下：S1，预处理；S2，构造目标函数和约束条件；S3，给定初始调度分度t，t＝N；S4，给定初始解S；S5，计算目标函数值C(S)；S6，得到新解S′；S7，计算目标函数值C(S′)；S8，增量ΔT；S9，比较增量ΔT与0的大小；S10，重复步骤S5‑S9，直至连续舍弃M次新解S′，将最后一次的解作为当前调度分度的最优解；S11，令t＝t‑1，并使上一调度分度的最优解作为当前调度分度的初始解；S12，重复步骤S4‑S11直至每个调度分度都循环一次，最后一个调度分度的最优解就是整个调度周期的最优解。本发明是从用户侧出发，有针对性的对家用电器进行调度，既能使用户合理安排自己的时间，也起到节省电费的作用。

Description

一种智能家居用户侧用电调度方法
技术领域
本发明属于智能用电技术领域，具体涉及一种智能家居用户侧用电调度方法。
背景技术
随着技术和经济的发展以及世界各国对于节约能源、降低损耗和低碳排放的关注，未来新能源取代传统能源是必然之势，考虑到未来全球能源，特别是石油等化石燃料日益紧缺，未来其可能更多用于军工等关键领域而非民用领域，使用成本也更加高昂，这些都使新能源的发展和应用成为必然趋势。为应对新能源的快速发展与应用，构建一个更加智能和坚强的电网环境，提高对新能源的接纳能力，并保证电网系统安全可靠与经济运行，美国、欧盟及中国等相继制定了建设智能电网的发展规划；中国的智能电网建设已成为国家发展战略的重要内容之一。
随着经济的飞速发展，在智能电网的影响下，人们对电网的环境要求越来越高，而且对越来越青睐于智能家居。而智能电网的发展使智能家居大面积应用到人们生活中成为可能，居家模式将会发生重大变革，人们的生活方式也会发生重大变化。
需求响应在智能电网中非常重要，旨在鼓励消费者在高峰负荷时减少需求，以此来缓解电网压力，构建安全可靠的电网环境。但是从用户角度考虑，人们总希望在用电过程中能够将用电成本节省到最低，这是人们在用电过程中的一种调度方法。但是目前人们还不能自己安排家庭用电情况。
发明内容
针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种智能家居用户侧用电调度方法，本发明从用户侧出发，除了可以降低用户电费支出之外，用户还可以自行制定每天的消费上限，以此来确定每个设备的工作时间。用户的需求与电价的波动之间相互影响，可根据电价波动改变用电策略。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种智能家居用户侧用电调度方法，步骤如下：
S1，预处理；
具体步骤如下：S1.1，设定调度周期，并将调度周期均分为N个调度分度；
S1.2，获取各调度分度对应的电价；
S1.3，设定调度周期内设备的总电费上限值；
S1.4，获取设备数量和各设备的功率；
S1.5，根据各设备特性，将设备分为可中断设备和不可中断设备；
S1.6，制定各设备在调度周期内的运行范围和运行时长。
S2，构造目标函数和约束条件；
具体步骤如下：S2.1，构造目标函数，公式如下：
其中，R为调度周期的实际总电费；Kn为第n个设备的功率；L为设备总数量；at为第t个调度分度所对应的电费；xt为第n个设备在第t个调度分度时的工作状态；N为调度分度的个数。
S2.2，构造约束条件，公式如下：
R≤P (2)；
Tsa≤Ta≤Tea (3)；
Tsb≤Tb≤Teb (4)；
其中，R为调度周期的实际总电费；P为调度周期内设备的总电费上限；Ta为不可中断设备的运行时间；Tsa为不可中断设备运行的起始时间；Tea为不可中断设备运行的结束时间；Tb为可中断设备的运行时间，Tsb为可中断设备运行的起始时间，Teb为可中断设备运行的结束时间；a表示不可中断设备，b表示可中断设备。
S3，给定初始调度分度t，t＝N；
S4，给定初始解S；
S5，将初始解S代入步骤S2的目标函数中，计算初始解对应的目标函数值C(S)；
S6，在计算初始解对应的目标函数值C(S)的过程中，得到新解S′；
S7，将新解S′代入步骤S2的目标函数中，计算新解对应的目标函数值C(S′)；
S8，计算目标函数值的增量ΔT；
ΔT＝C(S′)-C(S)；
S9，比较增量ΔT与0的大小；若ΔT<0，则更新初始解S，令S＝S′；若ΔT>0，则舍弃新解S′，并更新初始解S，令S＝S′exp(-ΔE/kT)；
S10，重复步骤S5-S9，直至连续舍弃M次新解S′，将最后一次的解作为当前调度分度的最优解；
S11，令t＝t-1，并使上一调度分度的最优解作为当前调度分度的初始解；
S12，重复步骤S4-S11直至每个调度分度都循环一次，最后一个调度分度的最优解就是整个调度周期的最优解。
本发明从用户侧考虑，结合家用电器设备的属性，对不同设备在不同的时间段进行不同调度。首先在不同的时段下根据不同电价对不同的家用电器实行不同调度计划，从而使日用电费限制在一定的范围内；也可以根据不同的电费制定不同的消费计划。然后以消费计划为基础，利用模拟退火算法进行求解，并进行仿真，最后对结果进行分析。实验结果说明，模拟退火算法能很好的对居家电器进行调度，使用户合理分配用电，达到减少电费的目的。本发明是从用户侧出发，用户的需求与电价的波动之间相互影响，可根据电价波动改变用电策略。用户首先根据电器的属性、分时段计费的用电规划及用电习惯，以每个时刻的电价为激励信号，搭建相应的数学模型，然后利用模拟退火算法进行求解，在不超过电费上限的情况下，求出用电设备在约束条件下尽可能多的调度策略，从而做出不同的需求响应，使日电费保持在一定的阈值内。这种调度方法可扩展至多用户，并借助多类型用户接入，可实现自助式“削峰填谷”，以达到降低成本、节约能耗、减少碳排放等目标。有针对性的对家用电器进行调度，既能使用户合理安排自己的时间，也起到节省电费的作用。
具体实施方式
一种智能家居用户侧用电调度方法，步骤如下：
S1，预处理；
具体步骤如下：S1.1，设定调度周期，并将调度周期均分为N个调度分度；
S1.2，获取各调度分度对应的电价；
S1.3，设定调度周期内设备的总电费上限值；
S1.4，获取设备数量和各设备的功率；
S1.5，根据各设备特性，将设备分为可中断设备和不可中断设备；
S1.6，制定各设备在调度周期内的运行范围和运行时长。
S2，构造目标函数和约束条件；
具体步骤如下：S2.1，构造目标函数，公式如下：
其中，R为调度周期的实际总电费；Kn为第n个设备的功率；L为设备总数量；at为第t个调度分度所对应的电费；xt为第n个设备在第t个调度分度时的工作状态；N为调度分度的个数。
S2.2，构造约束条件，公式如下：
R≤P (2)；
Tsa≤Ta≤Tea (3)；
Tsb≤Tb≤Teb (4)；
其中，R为调度周期的实际总电费；P为调度周期内设备的总电费上限；Ta为不可中断设备的运行时间；Tsa为不可中断设备运行的起始时间；Tea为不可中断设备运行的结束时间；Tb为可中断设备的运行时间，Tsb为可中断设备运行的起始时间，Teb为可中断设备运行的结束时间；a表示不可中断设备，b表示可中断设备。
S3，给定初始调度分度t，t＝N；
S4，给定初始解S；
S5，将初始解S代入步骤S2的目标函数中，计算初始解对应的目标函数值C(S)；
S6，在计算初始解对应的目标函数值C(S)的过程中，得到新解S′；
S7，将新解S′代入步骤S2的目标函数中，计算新解对应的目标函数值C(S′)；
S8，计算目标函数值的增量ΔT；
ΔT＝C(S′)-C(S)；
S9，比较增量ΔT与0的大小；若ΔT<0，则更新初始解S，令S＝S′；若ΔT>0，则舍弃新解S′，并更新初始解S，令S＝S′exp(-ΔE/kT)；
S10，重复步骤S5-S9，直至连续舍弃M次新解S′，将最后一次的解作为当前调度分度的最优解；
S11，令t＝t-1，并使上一调度分度的最优解作为当前调度分度的初始解；
S12，重复步骤S4-S11直至每个调度分度都循环一次，最后一个调度分度的最优解就是整个调度周期的最优解。
为了更清晰的解释本发明，下面以一个具体事例进行说明。
以一天作为一个用电周期，每日的总电费为一个定值，可由用户根据每日的用电自行设置。在每日的用电调度中，优先安排必须在某个时间段内工作的设备，然后在不超出电费限制的情况下，再决定是否可将其他设备接入。例如，洗衣机的工作时间安排在晚上21点-24点，运行时长为2小时且不可中断运行。
对家用电器的运行时间范围、运行时长、功率及是否为可中断设备进行设置，如表1所示。
表1 设备运行设置
每个时刻的电价如表2所示。
表2 电价表
然后构造目标函数和约束条件
R≤P (2)；
Tsa≤Ta≤Tea (3)；
Tsb≤Tb≤Teb (4)；
在上述公式中，公式1是目标函数，表示每日的总电费，公式2表示每日的电费上限，公式3和公式4分别表示不可中断设备和可中断设备的运行时间范围，上述模型的建立旨在求出各用电设备在xt处的状态。
本发明运用模拟退火算法，将智能家居用电调度问题转换为电费上限的问题。假设有n个用电设备，初始解设为(0,0,0…,0)1×n，每个值在迭代过程中都会产生新解，通过计算每个新解的电费与电费上限做比较，ΔT＝C(S′)-C(S)，ΔT<0时，说明没超过电费上限，该解为新解。当ΔT>0时，以概率exp(-ΔT/T)接受S′作为新的当前解，直到满足终止条件。在调度过程中，优先安排工作时间有限制的设备，随后在不超过总电费的情况下，再根据每个时刻的电价和设备自身的功率及其工作时长，对其他设备进行调度。对于不可中断的设备，最重要的是选择起始时间，再根据电器的工作时长，依次接入剩余时刻即可。对于可中断设备，只要满足工作时长，分别选择待工作的时段即可。对于运行范围有时间限制的设备，应当尽可能安排在电价低的时间段，这样在不超过电费上限的情况下，也余有剩余空间可对其他设备进行调度。模拟退火算法是一种应用广泛的随机智能优化算法，在求解组合优化问题时，模拟退火算法能概率性地跳出局部最优解并最终趋于全局最优。
最后采用MATLAB进行仿真，每日电费上限分别以20，30，40，50，60为例，实验结果如表3所示。
表3 实验结果
从实验表格可以看出，在调度过程中，总是使总电费尽量接近给定电费值，优先调度对运行时间范围有一定要求的家电，再安排其余电器。分别以restriction＝30，40，50为例说明。当电费上限为30时，从表格可以看出，浇花机分别在5点和7点开始工作，洗衣机在23点和24点运行，但是受电价上限影响，空调只能在14点工作一小时，而电饭煲在16点运行一小时。所以当restriction＝30时，并非所有的电器都能在规定的时间范围内工作，这样也没有多余空间可供其余设备接入。当restriction＝40时，从表格可以看出，浇花机分别在5点和7点开始工作，空调在14点和15点开始运行，电饭煲在15点和16点工作，但是洗衣机不能连续工作。当restriction＝50时，从表格可以看出，不仅常用设备可以准确工作，还有其余设备在不同的时间也可运行。根据案例分析可以得出采用模拟退火算法在电价限制下对家用电器进行调度有很好的效果。
智能家居是多种高新和新兴技术结合的产物，用户的市场消费观念还未形成，此外，有针对性的对家用电器进行调度，既能使用户合理安排自己的时间，也起到节省电费的作用。从表格来看，在调度周期里并不是所有的时间段内都有用电消费，从单用户方面考虑，比如浇花机并不需要每天都工作，若将时间周期扩展到每周、周月甚至每年，并引入多用户协调调度，这样会使调度策略更灵活、更节省。其实，无论从单用户还是多用户考虑，并非所有的时间段都有用电，甚至在某些时间段都不用电，对于目前全面供电来说，这无疑是一种浪费。如果将这种调度方式扩大到整片区域，对缓解电网压力不仅不起作用，反而会导致资源浪费，加剧电网不稳定。所以从长远发展来看，可将其他多类型用户接入，这里优先考虑存储电源。因为存储电源既是用电户又可作为供电户，这对电网实现“削峰填谷”，节约用户成本具有深远意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种智能家居用户侧用电调度方法，其特征在于，步骤如下：
S1，预处理；
S2，构造目标函数和约束条件；
S3，给定初始调度分度t，t＝N；
S4，给定初始解S；
S5，将初始解S代入步骤S2的目标函数中，计算初始解对应的目标函数值C(S)；
S6，在计算初始解对应的目标函数值C(S)的过程中，得到新解S′；
S7，将新解S′代入步骤S2的目标函数中，计算新解对应的目标函数值C(S′)；
S8，计算目标函数值的增量ΔT；
ΔT＝C(S′)-C(S)；
S9，比较增量ΔT与0的大小；若ΔT<0，则更新初始解S，令S＝S′；若ΔT>0，则舍弃新解S′，并更新初始解S，令S＝S′exp(-ΔE/kT)；
S10，重复步骤S5-S9，直至连续舍弃M次新解S′，将最后一次的解作为当前调度分度的最优解；
S11，令t＝t-1，并使上一调度分度的最优解作为当前调度分度的初始解；
S12，重复步骤S4-S11直至每个调度分度都循环一次，最后一个调度分度的最优解就是整个调度周期的最优解。
2.根据权利要求1所述的智能家居用户侧用电调度方法，其特征在于，在步骤S1中，具体步骤如下：S1.1，设定调度周期，并将调度周期均分为N个调度分度；
S1.2，获取各调度分度对应的电价；
S1.3，设定调度周期内设备的总电费上限值；
S1.4，获取设备数量和各设备的功率；
S1.5，根据各设备特性，将设备分为可中断设备和不可中断设备；
S1.6，制定各设备在调度周期内的运行范围和运行时长。
3.根据权利要求1所述的智能家居用户侧用电调度方法，其特征在于，在步骤S2中，具体步骤如下：S2.1，构造目标函数，公式如下：
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其中，R为调度周期的实际总电费；Kn为第n个设备的功率；L为设备总数量；at为第t个调度分度所对应的电费；xt为第n个设备在第t个调度分度时的工作状态；N为调度分度的个数；
S2.2，构造约束条件，公式如下：
R≤P (2)；
Tsa≤Ta≤Tea (3)；
Tsb≤Tb≤Teb (4)；
其中，R为调度周期的实际总电费；P为调度周期内设备的总电费上限；Ta为不可中断设备的运行时间；Tsa为不可中断设备运行的起始时间；Tea为不可中断设备运行的结束时间；Tb为可中断设备的运行时间，Tsb为可中断设备运行的起始时间，Teb为可中断设备运行的结束时间；a表示不可中断设备，b表示可中断设备。
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