智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)技術(shù)的研究

陳麒米 陳鴻基

【摘要】智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)家庭能源管理系統(tǒng)有顯著的不同，智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)有新的功能需求。提出了通過研究給出了智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的技術(shù)體系，討論了存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，指出了未來的研究方向。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；家庭能源管理系統(tǒng)；優(yōu)化調(diào)度

中圖分類號(hào)：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0278（2015）04-101-01

一、家庭能源管理系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)

家庭能源管理系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)檢測(cè)的物理量范圍更廣、頻率更高、粒度更細(xì)。

以檢測(cè)用電設(shè)備的耗電量為例，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)不僅要檢測(cè)家庭用戶的總用電量，還要將用電量細(xì)化到具體的用電設(shè)備和用電時(shí)段上。傳統(tǒng)檢測(cè)方法需要為每個(gè)檢測(cè)對(duì)象安裝傳感器，成本高，安裝、維護(hù)難，并且它是一種侵入式檢測(cè)方法，難以被用戶接受。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。該方法通過分析負(fù)載的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特征實(shí)現(xiàn)負(fù)載的識(shí)別。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法只需要在家庭環(huán)境內(nèi)安裝少量傳感器檢測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的用電量，然后通過算法來確定具體設(shè)備的工作狀態(tài)和耗電量?？梢圆捎没凇皶r(shí)間窗口”的方法以窗口期功率信號(hào)的邊沿特征、順序特征、變化趨勢(shì)和持續(xù)時(shí)間為特征量，通過與特征數(shù)據(jù)庫中的特征匹配來識(shí)別設(shè)備，從而將智能電表測(cè)量的總功耗分解到具體的用電負(fù)載。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法中設(shè)備特征選取和識(shí)別算法設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，目前的算法有時(shí)間序列法、維特比算法等。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法采用的儀表少、成本低、安裝維護(hù)容易，易于被用戶接受，但對(duì)于能耗小、工作模式復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行識(shí)別比較困難，并且隨著設(shè)備數(shù)量的增加，識(shí)別精度下降；大部分算法需要大量的訓(xùn)練和標(biāo)定過程。對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)用戶的物理位置和行為進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，采用一定的方法對(duì)用戶的行為模式進(jìn)行預(yù)測(cè)有利于家庭能源管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。因此，非侵入式檢測(cè)識(shí)別算法、多用戶用能行為檢測(cè)和識(shí)別是家庭能源管理系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)。

二、家庭能源管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)不同，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)不僅要對(duì)單個(gè)家庭環(huán)境內(nèi)的用能進(jìn)行優(yōu)化、管理，而且多個(gè)家庭還要協(xié)同工作，因此，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)需要家域網(wǎng)（Home Area Network）、小區(qū)網(wǎng)絡(luò)（Neighborhood Area Network）和廣域網(wǎng)（Wide Area Net-work）三種網(wǎng)絡(luò)的支持。每個(gè)家庭能源管理系統(tǒng)含有一個(gè)智能電表，它是家域網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換的接口。同一區(qū)域的眾多智能電表構(gòu)成小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，來自各個(gè)智能電表的數(shù)據(jù)在小區(qū)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合中心進(jìn)行聚合，再通過廣域網(wǎng)送到電力公司用于實(shí)現(xiàn)用能計(jì)量、負(fù)載預(yù)測(cè)等功能；電力公司發(fā)布的需求響應(yīng)控制命令、電價(jià)等信息沿相反的路徑傳輸。無線通信技術(shù)是當(dāng)前組建家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)的主流技術(shù)，其中ZigBee技術(shù)由于具有低功耗、自組織、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、低成本等優(yōu)點(diǎn)，是家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)最常用的通信方式。根據(jù)優(yōu)化調(diào)度的目的不同，當(dāng)前的優(yōu)化調(diào)度算法主要分為以下三類：總用電功耗小于目標(biāo)值的調(diào)度算法、最大化可再生能源利用率的調(diào)度算法、最小化用戶用能費(fèi)用的調(diào)度算法。

（一）總用電功耗小于目標(biāo)值的調(diào)度算法

在居民側(cè)實(shí)施需求響應(yīng)除了利用動(dòng)態(tài)電價(jià)信號(hào)通過經(jīng)濟(jì)刺激方法引導(dǎo)用戶改變用電模式外，電力公司還可以根據(jù)當(dāng)前的電力供應(yīng)情況，直接向用戶發(fā)布需求響應(yīng)控制信號(hào)，向用戶指定需求響應(yīng)的持續(xù)時(shí)段和在此期間該用戶的家庭用電上限，電力公司根據(jù)事先與用戶簽訂的協(xié)議為用戶支付相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。用戶收到需求響應(yīng)控制信號(hào)后，通過家庭能源管理系統(tǒng)中的優(yōu)化調(diào)度模塊對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，確保滿足需求響應(yīng)控制信號(hào)的要求，必要時(shí)可以犧牲用戶的部分舒適度。優(yōu)化調(diào)度算法不僅要考慮可調(diào)度負(fù)載對(duì)家庭總用電量的影響，還要考慮不可調(diào)度負(fù)載及可再生能源出力不確定性對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響。

（二）最大化可再生能源利用率的調(diào)度算法

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的出力不確定性不利于它們大規(guī)模接入電網(wǎng)，限制了它們的利用率，通過大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以削弱出力波動(dòng)，提高可再生能源的利用率，但該方法成本高，不便推廣。同時(shí)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的出力波動(dòng)大，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量不易確定，儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率低。家庭能源管理系統(tǒng)通過對(duì)用電負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度，優(yōu)先消納本地光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源產(chǎn)生的電能，有利于提高可再生能源的利用率，降低可再生能源出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響。家庭能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)站分小時(shí)發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)信息對(duì)可再生能源的出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后根據(jù)電價(jià)的預(yù)測(cè)結(jié)果和用電負(fù)載的優(yōu)先級(jí)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，從而最大化可再生能源的利用率，并最小化用戶用能費(fèi)用。將電動(dòng)汽車的充/放電與可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)相結(jié)合，建立一個(gè)同時(shí)計(jì)及具有V2G功能的電動(dòng)汽車、風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)出力不確定性的電力系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度模型，可平抑可再生能源的出力波動(dòng)，改善電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，提高可再生能源的利用率。

（三）最小化用戶用能費(fèi)用的優(yōu)化調(diào)度算法

在智能電網(wǎng)環(huán)境下，家庭能源管理系統(tǒng)除了降低負(fù)載的空閑損耗來降低用電費(fèi)用外，可以采取多種方法來降低用戶用電費(fèi)用：響應(yīng)電價(jià)信號(hào)，將部分負(fù)載從“高電價(jià)時(shí)段”調(diào)度到“低電價(jià)時(shí)段”；根據(jù)可再生能源發(fā)電的出力狀況協(xié)同控制用電設(shè)備增加低成本可再生能源的利用量，減少從電網(wǎng)購買的電能；將可再生能源產(chǎn)生的多余電量售給電網(wǎng)；利用儲(chǔ)能系統(tǒng)在低電價(jià)時(shí)存儲(chǔ)電能，在高電價(jià)時(shí)供給用電負(fù)載或售給電網(wǎng)獲取經(jīng)濟(jì)效益等。

三、結(jié)語

在智能電網(wǎng)環(huán)境下，居民用戶擁有用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式電源等設(shè)備，家庭環(huán)境內(nèi)的用電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)家域微電網(wǎng)。家庭能源管理系統(tǒng)為節(jié)能減排、提高用電效率及智能電網(wǎng)環(huán)境下的居民側(cè)需求響應(yīng)實(shí)施、分布式電源和電動(dòng)汽車接入網(wǎng)絡(luò)提供支持。研究人員在家庭能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度算法等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，但仍存在一些挑戰(zhàn)尚未解決。對(duì)智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的研究有助于智能電網(wǎng)技術(shù)在居民側(cè)的實(shí)施，能夠促進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)的健康發(fā)展。

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