基于需求響應(yīng)的家庭能效管理優(yōu)化調(diào)度

王尉杰，劉皓明，楊志豪，薛金花，葉季蕾

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，南京 210003）

基于需求響應(yīng)的家庭能效管理優(yōu)化調(diào)度

王尉杰1，劉皓明1，楊志豪1，薛金花2，葉季蕾2

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，南京 210003）

新一代配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)不同的地方在于其能量流和信息流都是雙向的［1—2］，家庭能效管理系統(tǒng)（home energy management system，HEMS）中也設(shè)計(jì)有雙向流通的信息流和能量流，是智能配電網(wǎng)在用電終端的體現(xiàn)。HEMS能夠根據(jù)不同的電價(jià)等激勵(lì)機(jī)制調(diào)節(jié)用戶擁有的不同類型的資源參與需求響應(yīng)，提高用戶側(cè)的用電效率。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電能需求量持續(xù)增加的同時(shí)，負(fù)荷峰谷差也逐漸增大［3—4］。國(guó)家能源局發(fā)布的2015年全社會(huì)用電量為55 500億kWh，同比增長(zhǎng)0.5%，其中城鄉(xiāng)居民生活用電量為7 276億kWh，占全社會(huì)用電量的13.1%，同比增長(zhǎng)5.0%，增速同比提高了2.8%，對(duì)全社會(huì)用電增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率為121%［5］。由此可以看出城鄉(xiāng)居民用戶的用電量呈逐年上升的趨勢(shì)，利用HEMS對(duì)家用電器進(jìn)行優(yōu)化用電可緩減負(fù)荷峰谷差；另一方面對(duì)于家庭需求響應(yīng)資源的調(diào)控可提高分布式屋頂光伏的就地利用率，促進(jìn)分布式可再生能源在用戶側(cè)的應(yīng)用［6—7］。

對(duì)于智能家居用電優(yōu)化的研究熱點(diǎn)已從單個(gè)大功率負(fù)荷控制發(fā)展到多類型需求響應(yīng)資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化。文獻(xiàn)［8］、文獻(xiàn)［9］對(duì)家用電器中的溫控設(shè)備進(jìn)行建模，以實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)家庭用戶的能效提高。文獻(xiàn)［10］提出了一種針對(duì)家用電器特性的分層控制方法，基于家用電器的重要性定制總負(fù)荷超載時(shí)切負(fù)荷規(guī)則，以保證家庭用電的安全性。文獻(xiàn)［11］提出了一種對(duì)家庭用電負(fù)荷的管理算法，以實(shí)現(xiàn)最小化用電費(fèi)用支出和減少負(fù)荷峰值。文獻(xiàn)［12］在考慮分布式發(fā)電的情況下，以智能家居整體效益最大為目標(biāo)，研究了能量管理控制策略。

已有的相關(guān)研究并未全面考慮各種不同類型的家庭用電可調(diào)控資源特性，本文充分考慮HEMS調(diào)控對(duì)象，主要包括：柔性負(fù)荷、分布式屋頂光伏以及家用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)家庭各類資源的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)家庭用戶參與需求響應(yīng)，有效提高用戶的用電效益的同時(shí)，優(yōu)化負(fù)荷峰谷差［13］。對(duì)于用戶而言，可減少用戶用電費(fèi)用開(kāi)支，提高分布式屋頂光伏的就地利用率。

1 家庭負(fù)荷用電特性建模

本文所研究的HEMS可調(diào)控1天內(nèi)家用電器的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，系統(tǒng)示意如圖1所示。假設(shè)用戶擁有的可調(diào)家用電器都與HEMS相連，HEMS能夠決定這些電器的工作狀態(tài)。在對(duì)家用電器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控之前需要研究它們的工作特性，根據(jù)功率是否具備可調(diào)、可轉(zhuǎn)移、可中斷、可削減等能力建立家用電器特性模型。

圖1 家庭能效管理系統(tǒng)

用sa(t)表示家用電器a在時(shí)刻t的用電狀態(tài)，sa(t)=0表示設(shè)備a不工作，sa(t)=1表示設(shè)備a正常工作；Pa(t)表示家用電器a在時(shí)刻t的功率。家庭用戶在某時(shí)段內(nèi)消耗的總電能Q(t)可表示為

式中：H表示所有家用電器的集合；Δt表示每個(gè)時(shí)段持續(xù)的時(shí)間。

對(duì)于非溫控設(shè)備，HEMS能夠決定設(shè)備的功率和工作狀態(tài)。假設(shè)家用電器a被允許運(yùn)行的時(shí)間區(qū)間為，則有

式中：T為全天被劃分的時(shí)段總數(shù)，本文取為48，則Δt=0.5 h；Ta為家用電器a每天工作的總時(shí)段數(shù)。

1.1 功率可調(diào)屬性

風(fēng)扇等家用電器大多具有功率可調(diào)的特性，可根據(jù)用戶需求改變其輸出功率大小

照明、電視機(jī)等家用電器，其工作時(shí)往往只能以額定功率運(yùn)行，屬于功率不可調(diào)設(shè)備，則

1.2 功率可轉(zhuǎn)移屬性

家用電器具有功率可轉(zhuǎn)移屬性，是指該電器可根據(jù)外部激勵(lì)轉(zhuǎn)移其工作時(shí)段，但不改變總用電量的屬性。具有可轉(zhuǎn)移屬性的負(fù)荷，洗衣機(jī)等，可在用戶設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電價(jià)相對(duì)較低等有激勵(lì)機(jī)制的時(shí)段執(zhí)行任務(wù)，或者轉(zhuǎn)移到分布式屋頂光伏發(fā)電過(guò)剩的情況下執(zhí)行，從而可降低用戶電費(fèi)支出或者提高分布式新能源的利用率。

家用電器具有功率可轉(zhuǎn)移屬性可描述為

式中：τa表示可轉(zhuǎn)移的時(shí)間間隔。

若當(dāng)且僅當(dāng)τa=0時(shí)，式（5）才成立，則定義該電器不具有功率轉(zhuǎn)移屬性。對(duì)于類似于電腦、電燈等家用電器，其工作時(shí)間完全受用戶實(shí)時(shí)需求確定，任何時(shí)間間隔的轉(zhuǎn)移都會(huì)影響用戶的用電舒適程度。

1.3 功率可中斷屬性

家用電器具有可中斷屬性，是指在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，可根據(jù)電價(jià)波動(dòng)、供電狀況等間斷性地執(zhí)行任務(wù)的屬性。例如：用戶在對(duì)家用電動(dòng)汽車充電時(shí)，若電價(jià)波動(dòng)或供電不足時(shí)，可隨時(shí)中斷充電，待電價(jià)下降或供電恢復(fù)后再繼續(xù)充電。

對(duì)于家用衣服烘干機(jī)，一旦其開(kāi)始工作，就需要執(zhí)行到任務(wù)結(jié)束才能停止。若是執(zhí)行過(guò)程中突然停止工作，將會(huì)對(duì)衣服造成損傷或增加總工作時(shí)長(zhǎng)。這類負(fù)荷具有不可中斷屬性，因此在滿足式（2）第2個(gè)表達(dá)式的基礎(chǔ)上要求滿足

1.4 功率可削減屬性

空調(diào)、熱水器、電冰箱等都屬于典型的溫控家用電器，可通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度來(lái)控制其功率消耗。以空調(diào)為例，利用經(jīng)典的熱力學(xué)交換系統(tǒng)可以對(duì)電能與非電能之間轉(zhuǎn)化的物理過(guò)程建模，進(jìn)而得到功率消耗與室外溫度、空調(diào)設(shè)定溫度室內(nèi)溫度之間的關(guān)系。

式中：ε為散熱系數(shù)；A為導(dǎo)熱系數(shù)；η為空調(diào)的等效比。

定頻空調(diào)運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)是間歇性工作的，由等效熱參數(shù)模型可以求出在研究時(shí)段Δt內(nèi)其真實(shí)工作時(shí)間為，則可認(rèn)為該時(shí)段內(nèi)定頻空調(diào)的平均功率

對(duì)于家用變頻空調(diào)而言，其工作時(shí)空調(diào)壓縮機(jī)是連續(xù)工作的。若需要削減空調(diào)消耗功率，只需要調(diào)整空調(diào)設(shè)定溫度以接近房間溫度，則變頻空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速將降低，其消耗的有功功率將減少。對(duì)于不同的空調(diào)來(lái)說(shuō)，同一個(gè)房間單位時(shí)間內(nèi)所需的制冷量是相同的，均為，則參照定頻空調(diào)模型可計(jì)算變頻空調(diào)有功消耗為

2 屋頂光伏建模

屋頂光伏的發(fā)電量主要與光照強(qiáng)度和光照時(shí)間相關(guān)，用Beta分布近似地模擬光照強(qiáng)度［15］，光照強(qiáng)度的概率密度函數(shù)可以表示為

其中，

式中：r和rmax為某一時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際光照強(qiáng)度和光照強(qiáng)度的最大值；α與 β表示Beta分布的形狀參數(shù)；μ和σ分別為太陽(yáng)光照強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

進(jìn)一步可模擬出屋頂光伏有功功率

式中：N為屋頂光伏電池組件個(gè)數(shù)；ηv為光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率；S為單個(gè)光伏電池組件面積。家庭屋頂光伏往往采用優(yōu)先自發(fā)自用模式，多余光伏電能以當(dāng)?shù)厝济好摿驒C(jī)組標(biāo)桿電價(jià)出售給電網(wǎng)。

3 電池儲(chǔ)能建模

家用電池儲(chǔ)能裝置能夠調(diào)節(jié)供電與用電之間的平衡，提升家庭分布式屋頂光伏發(fā)電的就地消納能力。目前家用儲(chǔ)能多以鉛酸蓄電池或者鋰電池為主，本文以鉛酸蓄電池為例。

3.1 蓄電池容量

蓄電池剩余容量與充放電功率有關(guān)，在充電時(shí)

放電時(shí)

蓄電池的剩余容量應(yīng)該為保證蓄電池的壽命與安全，當(dāng)剩余容量達(dá)到最大充電狀態(tài)，例如電池額定容量EN時(shí)，應(yīng)停止充電，達(dá)到最小放電狀態(tài)Emin時(shí)應(yīng)停止放電，即

3.2 蓄電池充放電功率

蓄電池最大允許充放電功率由其自身的充放電特性和時(shí)段t的剩余電量決定，最大充電功率可表示為

最大放電功率可表示為

3.3 蓄電池荷電狀態(tài)

蓄電池的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）定義為蓄電池的剩余容量與其額定容量的比值

蓄電池SOC受充放電影響，將式（13）和式（14）代入，可統(tǒng)一為

3.4 蓄電池壽命

對(duì)于蓄電池而言，其壽命與運(yùn)行溫度、最大充電電流、充放電深度等相關(guān)，目前尚無(wú)準(zhǔn)確的蓄電池壽命計(jì)算方法。文獻(xiàn)［16］僅計(jì)及深度充放電對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備壽命的影響。而更有實(shí)用意義的方法是一種采用粗略的等效循環(huán)壽命計(jì)算方法來(lái)量化蓄電池的總充放電次數(shù)，根據(jù)鉛酸蓄電池放電深度與循環(huán)壽命對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，可得出鉛酸蓄電池充放電循環(huán)深度為R時(shí)，儲(chǔ)能電池的最大循環(huán)充放電次數(shù)

定義蓄電池第l次循環(huán)周期的充放電深度為Rl，則蓄電池一天的壽命損耗成本為

式中：CBESS為調(diào)度周期內(nèi)蓄電池的壽命損耗成本；pBESS為蓄電池的單位容量購(gòu)置價(jià)格；L為調(diào)度周期中蓄電池的充放電次數(shù)。

4 家庭能效管理優(yōu)化調(diào)控策略

4.1 目標(biāo)函數(shù)

在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，計(jì)及蓄電池壽命，以最小化用戶用電成本為目標(biāo)，在用戶設(shè)定的范圍內(nèi)調(diào)控所連接設(shè)備的啟停時(shí)間和用電功率。目標(biāo)函數(shù)為

式中：CB和CS分別為用戶從電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用和出售屋頂光伏發(fā)電至電網(wǎng)所獲得的收益；分別為時(shí)段t用戶從電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)和出售屋頂光伏發(fā)電至電網(wǎng)的電價(jià)；為用戶在時(shí)段t的凈負(fù)荷；為屋頂光伏在時(shí)段t的發(fā)電功率；和分別為時(shí)段t電網(wǎng)供電功率和用戶倒送電網(wǎng)功率。

4.2 約束條件

HEMS主要調(diào)控的對(duì)象包括各類柔性負(fù)荷和蓄電池，應(yīng)滿足整理功率平衡約束以及各類負(fù)荷與蓄電池物理約束。

4.2.1 有功功率平衡約束

忽略有功功率損耗，任一時(shí)段t內(nèi)，家庭所有用電負(fù)荷功率消耗和屋頂光伏、蓄電池功率之和應(yīng)與購(gòu)售電相等。

4.2.2 蓄電池約束

（1）電池荷電狀態(tài)約束

當(dāng)電池荷電狀態(tài)超過(guò)所限制的范圍時(shí)將會(huì)影響電池的使用壽命，為了使得電池能夠充分使用，保證各時(shí)刻的電池電量不超出電池荷電狀態(tài)的上下限

（2）功率約束

受蓄電池變流器及儲(chǔ)能本身特性限制，電池充放電功率不能超過(guò)其上下限

（3）可用性約束

為了保證下一個(gè)調(diào)度周期蓄電池的可調(diào)度性，調(diào)度周期結(jié)束時(shí)蓄電池剩余荷電量期望留有一定的充放電裕度

式中：ΔS為一個(gè)常數(shù)，例如：取ΔS=0.1。

4.2.3 各類柔性負(fù)荷約束

典型的家用電器主要包括3類：衣服烘干機(jī)、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等可轉(zhuǎn)移不可中斷負(fù)荷，電動(dòng)汽車等可轉(zhuǎn)移可中斷負(fù)荷，空調(diào)等可削減負(fù)荷。

不同類型的家用電器用電屬性不同，但所有電器均滿足

（1）可轉(zhuǎn)移不可中斷負(fù)荷約束

該類電器往往功率不可調(diào)，通常按照給定的功率運(yùn)行，除滿足式（5）之外還應(yīng)滿足如下約束

（2）可轉(zhuǎn)移可中斷負(fù)荷約束

同樣，該類電器往往功率不可調(diào)，除滿足式（5）之外還應(yīng)滿足如下約束

（3）可削減負(fù)荷約束

該類電器往往不考慮其可轉(zhuǎn)移和可中斷特性，以空調(diào)為代表，根據(jù)電價(jià)變化，在用戶設(shè)定的溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)定溫度，以不明顯改變用電舒適度的前提下達(dá)到節(jié)約用電成本的目的。除滿足式（7）—式（9）之外還應(yīng)滿足如下約束

5 算例仿真

取調(diào)度周期為1天，分為48個(gè)調(diào)度時(shí)段，則T=48，Δt=0.5 h；屋頂光伏N=24，ηV=17.12%，，每個(gè)光伏組件的最大功率為250 W，多余光伏上網(wǎng)電價(jià)為PS=0.409 6元/kWh；蓄電池采用居民分時(shí)電價(jià)，其價(jià)格如表1所示。模擬家庭負(fù)荷在沒(méi)有能效管理情況下的原始用電曲線如圖2所示，采用本文所提優(yōu)化策略優(yōu)化前后的家庭凈負(fù)荷曲線如圖3所示。

表1 分時(shí)電價(jià)

圖2 優(yōu)化前負(fù)荷曲線

圖2中藍(lán)色柱狀為電視機(jī)、電腦等功率不可調(diào)負(fù)荷，這類負(fù)荷的轉(zhuǎn)移、中斷或者削減都會(huì)影響到用戶的用電舒適程度，所以本文研究中此類負(fù)荷不參與用電優(yōu)化調(diào)控；綠色柱狀為空調(diào)設(shè)定溫度時(shí)一天的可削減負(fù)荷；紅色柱狀為可轉(zhuǎn)移不可中斷負(fù)荷以及可轉(zhuǎn)移可中斷負(fù)荷。由圖2可以看出，家庭負(fù)荷的用電高峰大多在電價(jià)高峰時(shí)段。

圖3 優(yōu)化前后凈負(fù)荷曲線

圖3中黑色虛線為考慮屋頂光伏發(fā)電和原始用電之和的未經(jīng)優(yōu)化調(diào)度的凈負(fù)荷曲線，由式（23）、式（24）可以計(jì)算出CB=21.77元，CS=1.82元，由于此時(shí)不考慮蓄電池的作用，所以CS=0元，從而用戶的一天用電成本C=19.95元。圖3中藍(lán)色曲線為計(jì)及蓄電池設(shè)備采用本文所提調(diào)度策略優(yōu)化用電之后的家庭凈負(fù)荷曲線，基于分時(shí)電價(jià)和屋頂光伏發(fā)電對(duì)儲(chǔ)能、負(fù)荷同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，由式（21）—式（24）可以計(jì)算出CB=14.77元，CS=0.66元，CBESS= 2.06元，因此一天用電成本C=16.17元。比較而言，雖然優(yōu)化調(diào)度時(shí)增加了蓄電池的損耗成本，但由于蓄電池存儲(chǔ)光伏過(guò)剩電量并在峰電價(jià)時(shí)放出電能，并將負(fù)荷從峰電價(jià)轉(zhuǎn)移到谷電價(jià)，因此總體而言能夠?yàn)榧彝ビ脩艄?jié)約用電開(kāi)支。此外，通過(guò)比較分析可知，本文所提出優(yōu)化策略能夠響應(yīng)光伏出力狀況，促進(jìn)了家庭分布式屋頂光伏的就地消納。

圖4顯示了蓄電池在各時(shí)段的充放電功率以及荷電狀態(tài)?？梢灾庇^看出，蓄電池在用電低谷時(shí)充電，在用電高峰時(shí)放電，在一整天的調(diào)度周期里蓄電池的低儲(chǔ)高發(fā)潛力被充分利用。

圖4 電池儲(chǔ)能充放電功率曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

考慮HEMS具備對(duì)各種用電特性的家用電器需求響應(yīng)資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控的能力，本文基于分時(shí)電價(jià)和分布式屋頂光伏發(fā)電，以用戶經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種能夠?qū)矣萌嵝载?fù)荷和蓄電池進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的用電策略。通過(guò)建模與仿真可以得出所提策略能夠充分利用家用電器負(fù)荷響應(yīng)潛力和蓄電池充放電能力，達(dá)到減少用戶的用電費(fèi)用的目的，而且能夠促進(jìn)分布式屋頂光伏的就地消納。D

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Household energy efficiency management and optimal dispatch base on demand response

WANG Wei?jie1,LIU Hao?ming1,YANG Zhi?hao1,XUE Jin?hua2,YE Ji?lei2

（1.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China; 2.China Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，家庭用戶的用電量逐年上升，在全社會(huì)用電量中的比重也逐步提升，對(duì)家庭各類用電設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，可減少用戶的用電費(fèi)用開(kāi)支。提出了一種家庭能效管理調(diào)控策略，將家庭用電負(fù)荷分為可調(diào)節(jié)、可轉(zhuǎn)移、可中斷和可削減4種類型，分別建立數(shù)學(xué)模型，同時(shí)計(jì)及使用壽命建立了家用蓄電池的功率模型和電量模型，在基于分時(shí)電價(jià)并計(jì)及分布式屋頂光伏發(fā)電的情況下對(duì)需求響應(yīng)資源進(jìn)行優(yōu)化控制。最后通過(guò)算例仿真分析，驗(yàn)證了有效的調(diào)控策略能夠減少家庭用戶的用電費(fèi)用開(kāi)支，同時(shí)能夠促進(jìn)分布式屋頂光伏的就地消納。

家庭能效；分布式光伏；電池儲(chǔ)能；電池壽命；優(yōu)化用電

With the rapid pace of economic development,elec?tric power consumption of home users is increasing year by year, which also accounts for a big part in total social power consumption. Hence,it is significant to conduct researches on optimal control of different types of household loads,so that electricity expense of home users can be reduced.In this paper,a control strategy of household energy efficiency management system is proposed,and mathematical models of four different types of household loads are established,in?cluding adjustable loads,transferrable loads,interruptible loads and reducible loads.Meanwhile,charging and discharging power model and capacity model of battery energy storage are formulated respec?tively,considering its life cycle.And optimal control of demand re?sponse resources are carried out based on time?of?use price and dis?tributed roof photovoltaic generation.Finally,a numerical example is studied,which demonstrates that the electricity expense of a home us?er can be reduced remarkably through the proposed optimal control strategy,and the utilization of the distributed PV generation can be improved.

household energy efficiency;distributed photo?voltaic generation;battery energy storage;battery life;optimized pow?er utilization

TK018;F407.61

B

1009-1831（2017）03-0015-06

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.004

2016-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51207044）

王尉杰（1991），男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芘溆秒娕c電動(dòng)汽車充電優(yōu)化控制；劉皓明（1977），男，江蘇鹽城人，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和電力市場(chǎng)。