電能替代下的家居智能用電控制策略研究

張瑾

摘要：近年來，我國霧霾問題日益嚴(yán)重，而電能替代正是緩解大氣污染問題的有效措施。隨著電能替代的推進(jìn)以及智能用電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于居民側(cè)電器的優(yōu)化控制成為了可能。通過對(duì)居民側(cè)用戶的用電行為進(jìn)行分析，進(jìn)而提出相應(yīng)的用電優(yōu)化策略，可以達(dá)到削峰填谷，消納新能源的目的。本文主要分析探討了電能替代下的家居智能用電控制策略，以供參閱。

關(guān)鍵詞：電能替代；家居；智能用電；控制策略

近年來，隨著電能替代的全面普及以及智能用電技術(shù)的快速發(fā)展，用戶側(cè)家用電器的智能優(yōu)化控制成為了可能。我國目前電力負(fù)荷峰谷差較大，急需通過用戶側(cè)的優(yōu)化控制來削峰填谷從而改善負(fù)荷曲線。同時(shí)，我國新能源發(fā)電的裝機(jī)容量迅速增加，但隨之而來的是大量的棄風(fēng)棄光，造成了大量的能源資源的浪費(fèi)，因此，對(duì)于新能源發(fā)電的有效消納，也是目前智能優(yōu)化控制策略需要考慮并加以解決的問題。

1傳統(tǒng)電價(jià)機(jī)制下家用電器實(shí)時(shí)優(yōu)化策略

現(xiàn)階段，我國許多地區(qū)都實(shí)行了峰谷分時(shí)電價(jià)。峰谷電價(jià)的實(shí)行，能夠在一定程度上對(duì)用戶的用電習(xí)慣進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改善負(fù)荷曲線，減小日負(fù)荷曲線的峰谷差，從而改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。而對(duì)于用戶來說，在峰谷電價(jià)的電力交易的政策之下，通過對(duì)自己用電行為的優(yōu)化，能夠在不影響或者少影響自己用電舒適度的前提下，降低自己的用電成本。對(duì)于同一個(gè)用戶來說，其用電行為有一定的規(guī)律性，因此是可預(yù)測的。但不同用戶的用電行為也受許多外部因素的影響，與此同時(shí)，一些突發(fā)事件也會(huì)造成用戶的計(jì)劃外用電情況的發(fā)生。由于計(jì)劃外用電的情況幾乎不可能做到準(zhǔn)確的預(yù)測，需要優(yōu)化策略能夠做到實(shí)時(shí)性，即當(dāng)用戶有計(jì)劃外的用電行為時(shí)，優(yōu)化策略能夠及時(shí)做出反應(yīng)，根據(jù)用戶的行為對(duì)優(yōu)化策略及時(shí)的更新，從而使得優(yōu)化策略能夠適應(yīng)不同的情況。因此，針對(duì)不同的用戶，可以通過其用電歷史數(shù)據(jù)，提取影響其用電行為的主要特征，并據(jù)此預(yù)測出不用用戶的用電行為。進(jìn)而在用戶用電行為預(yù)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同用戶的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一套能夠滿足不同用戶實(shí)際需求的通用的實(shí)時(shí)用電優(yōu)化策略，以降低用戶的用電成本，同時(shí)改善電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，達(dá)到雙贏的目的。

2基于Copula理論的家電用電場景模擬方法

全電智能家居設(shè)備的推廣改變著居民用戶的用電方式和傳統(tǒng)住宅小區(qū)的高峰負(fù)荷需求，并將隨著電能替代的推廣愈演愈烈。一些模型和算法被提出來解決相應(yīng)的用電優(yōu)化問題。然而受到居民用戶的隱私安全問題和數(shù)據(jù)采集通道的限制，目前我國家庭用電數(shù)據(jù)無法被研究人員大量公開獲得，從而導(dǎo)致居民用電特性分析無法得到數(shù)據(jù)支撐，用電優(yōu)化工作隨之受到影響。本文提出了一種基于Copula理論的家庭用電場景模擬方法，使用了家電設(shè)備的開啟時(shí)間和使用時(shí)間作為表征家電的使用場景的兩個(gè)重要參數(shù)，通過少量的樣本數(shù)據(jù)構(gòu)造出相應(yīng)的Copula函數(shù)，從而估計(jì)出家電設(shè)備開啟時(shí)間和使用時(shí)間這兩個(gè)隨機(jī)變量的聯(lián)合概率分布。隨后將蒙特卡洛隨機(jī)抽樣與Copula函數(shù)相結(jié)合，獲得體量更大的家電使用場景作為分析樣本。最后，通過不同類型負(fù)荷的特性及參數(shù)，得到聚合家庭用電設(shè)備的負(fù)荷曲線，并與傳統(tǒng)方法對(duì)比進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果顯示基于Copula理論的家庭用電場景模擬方法能夠獲得更好的反應(yīng)了實(shí)際用電場景的近似負(fù)荷曲線，可以為更深入的理論研究和分析提供數(shù)據(jù)支撐。

3基于效用理論的單體用戶家電優(yōu)化控制策略

通過信息流和能量流在電網(wǎng)與用戶之間的雙向互動(dòng)，用戶能夠根據(jù)電力價(jià)格的變化主動(dòng)安排電能消耗以及用電設(shè)備的運(yùn)行來減少電費(fèi)支出，甚至可以通過設(shè)置符合自身的用電偏好來提高他們的滿意度水平。智能電網(wǎng)中的用電優(yōu)化問題近年來被大量研究，提出了不同的負(fù)荷調(diào)度方法使居民用戶以特定的目標(biāo)來管理他們的能量消耗。在很多負(fù)荷優(yōu)化模型中，最大化用電支出和最小化用電成本經(jīng)常被作為用戶用電行為的度量標(biāo)準(zhǔn)。但考慮了不同設(shè)備運(yùn)行特性及其滿意度模型的最優(yōu)的電力負(fù)荷策略目前還沒有被很好的研究。根據(jù)不同的運(yùn)行特性對(duì)用戶滿意偏好的影響，將設(shè)備分為3類，記憶性、無記憶性和部分記憶性，并提供了數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的效用函數(shù)對(duì)這三類設(shè)備進(jìn)行建模。隨后提出了一種基于效用理論的家庭負(fù)荷優(yōu)化算法，考慮了分時(shí)電價(jià)。該優(yōu)化模型由非線性規(guī)劃問題來表示，最后提供了遺傳算法和非線性規(guī)劃相結(jié)合的求解算法來獲得最優(yōu)解。綜上所述，以居民用戶為研究主體，以典型家庭用電設(shè)備為研究對(duì)象，以居民用戶凈效用最大化為研究目標(biāo)，為居民用戶參與需求響應(yīng)項(xiàng)目時(shí)的用電優(yōu)化策略制定提供新的可行思路。

4基于啟動(dòng)時(shí)間延遲的群體用戶家電優(yōu)化控制策略

信息和通信技術(shù)正在能源領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，未來將深入電網(wǎng)和用電環(huán)節(jié)，為必需的基礎(chǔ)設(shè)施提供能源管理和負(fù)荷控制等服務(wù)。智能用電是智能電網(wǎng)的基本環(huán)節(jié)，用戶側(cè)所造成的能源浪費(fèi)也成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。如果能通過精細(xì)的算法對(duì)智能化用電設(shè)備進(jìn)行控制，將實(shí)現(xiàn)可觀的能量節(jié)約，并保證用戶用電更加安全可靠。在一種應(yīng)用于智能化家庭用電設(shè)備的控制架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)所測量的三種呈現(xiàn)出周期性負(fù)荷特性的典型溫控負(fù)荷建立了周期性負(fù)荷模型，并在其算法的基礎(chǔ)上啟動(dòng)時(shí)延的調(diào)整算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于啟動(dòng)時(shí)間延遲的智能家電優(yōu)化控制算法，能夠以對(duì)用戶透明的方式，在智能用電設(shè)備的工作周期中施以小的相位延遲。主要的目標(biāo)是減少小區(qū)或樓宇中周期性負(fù)載的重疊和最小化周期性脈沖波的最大疊加值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)或樓宇中短時(shí)出現(xiàn)的負(fù)荷高峰進(jìn)行轉(zhuǎn)移。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法在多種場景下不僅可以降低短時(shí)負(fù)荷高峰，也實(shí)現(xiàn)了整體負(fù)荷曲線的均衡化。

5結(jié)束語

總而言之，在智能電網(wǎng)下，用戶側(cè)大量的用電負(fù)荷將可以通過基于互聯(lián)網(wǎng)的信息監(jiān)測與通信系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)度，使智能化的用電負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)安排用電方案，減小區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷峰谷差，提高電力資產(chǎn)利用效率，同時(shí)用電用戶還可以通過參與需求側(cè)管理項(xiàng)目獲得相應(yīng)的激勵(lì)，從而降低用戶的用電成本。隨著“互動(dòng)化”研究的不斷深入，智能家電負(fù)荷必將作為一種需求側(cè)資源參與到電網(wǎng)的運(yùn)行管理中去，并成為一種重要的電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)手段。

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（作者單位：國網(wǎng)天津市電力公司武清供電分公司）