基于用戶需求響應的家庭能源管理系統(tǒng)

李 堯 王 偉 邊 琦

山東省建筑科學研究院有限公司

0 引言

全球變暖和能源短缺問題的日益突出，引起了人們對智能建筑的關注。智能建筑是信息通信、物聯(lián)網等智能技術在住宅建筑中的應用，其不僅被認為是一種能緩解全球變暖和能源短缺問題的有效方法[1-3]，而且能為消費者帶來安全性能、消費者舒適度、家庭自動化和能源管理水平的提高。

智能建筑的發(fā)展使用戶側與電網實現(xiàn)了雙向通信，家庭能源管理系統(tǒng)（Home Energy Management System, HEMS）[4,5]作為智能建筑的控制中心，為提高家庭用戶的舒適度、節(jié)約電力能源、保證電網運行的穩(wěn)定性提供了可能。HEMS是通過家庭中安裝的智能感知設施收集室內環(huán)境、設備的用電量、電價等信息，然后基于用戶需求或者用戶個性化要求利用智能調度策略對家庭中的家用電器智能化調度控制。在滿足用戶要求的同時，可實現(xiàn)節(jié)約能源的目的[6-8]。但是，隨著社會經濟的發(fā)展，用戶對電力能源的需求也日益增加，使電力供求不平衡問題頻繁發(fā)生。

為此，在智能技術驅動下，基于需求響應的HEMS成為了研究熱點，其可以通過評估電價、需求和外部變量的不確定性信息，并制定適當?shù)挠媱潄砜刂朴秒娫O備或改變用戶的用電模式[9]。其目的是在保證電網公司和用戶利益的基礎上，減少設備的能源消耗和發(fā)電成本，并為電網的安全運行提供保障。本文通過對需求響應進行分析，給出基于需求響應的HEMS 一般架構，討論其優(yōu)化控制策略，旨在為電網的安全運行提供參考。

1 需求響應

需求響應是為了保證電網運行的穩(wěn)定性和提高電力市場的經濟性，并考慮家庭用戶如何影響電力市場而提出，是HEMS 發(fā)展的必然產物[10]。在基于需求響應的HEMS 模式下，當電網運行的穩(wěn)定性受到威脅時，電網公司會向用戶發(fā)送調整用電負荷的誘導信號，或者當電力市場（電價）發(fā)生變化時，電網公司也會向用戶發(fā)送變化后的電價信號。HEMS 則根據(jù)這些信息按照用戶需求調整用電模式，以保證家用設備的電力消耗和電網運行的穩(wěn)定性。簡而言之，需求響應可理解為用戶的用電量隨時間的變化而變化，這些變化反映了電力成本的變化，或是在電力市場價格或電網系統(tǒng)的可靠性受到威脅期間誘導低用電量而設計的獎勵支付。

根據(jù)不同的響應方式，需求響應可分為基于激勵的需求響應和基于價格的需求響應兩大類[2][4]（如圖1 所示）。

圖1 需求響應的分類

1.1 基于激勵的需求響應

基于激勵的需求響應是指電網公司根據(jù)電力的供需狀況訂制合適的政策，以引導參與該計劃的用戶調整家庭用電設備，以便用戶在電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到威脅或用電高峰時間時減少用戶的用電需求。在此過程中，參與該計劃的用戶可以獲得財政獎勵或者給予其它時間段的電價折扣。通常，該計劃的激勵措施[11-13]包括直接負荷控制、可中斷負荷、需求側競價、緊急需求響應、容量/輔助服務等計劃。

1)直接負荷控制（Direct Load Control,DLC）是指電網相關部門采用遙測、遙信、遙控等遠程手段對家庭用戶進行用電設施的監(jiān)測控制、管理和服務。

2)可中斷負荷（Interruptible Load, IL）是指電網相關部門按照其與用戶簽署的合同規(guī)定在電網負荷高峰期間可削減或轉移用戶相應的用電設備。

3)需求側競價（Demand Side Bidding, DSB）是指家庭用戶可以直接參與電力市場的競爭措施。比如用戶可通過合同訂購或競價的形式參與需求側競價。所參加的用戶需要按照規(guī)定消減相應用電負荷。

4)緊急需求響應（Emergency Demand Response, EDR）是指根據(jù)電網系統(tǒng)負荷的需求或電價信息來消減用戶的用電負荷，以緩解電網系統(tǒng)中的緊急事件（如高峰期間的電力負荷等）。

5)容量/輔助服務（Capacity/Ancillary Services, C/AS）是指家庭用戶響應電網需求后將消減的負荷作為電力資源的一種方式。其要求參與的用戶有能力應對消減負荷的持續(xù)性和隨時性。

1.2 基于價格的需求響應

基于價格的需求響應是指家庭用戶根據(jù)電力市場的電價改變對家庭用電設備的習慣，從而獲得相應的經濟利益或折扣、提高電力資源的利用率、提高電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性[14]。在此過程中，用戶可將用電設備從高電價時段轉移到低電價時段，這種方式不但可減低電網峰谷差還可以降低用戶的電能花費。通常，電價形式[2,15]包括分時電價、實時電價和尖峰電價。

1)分時電價（Time-of-Use Price, TOUP）是最常見的住宅電價，目前世界上許多電力公司都在使用或考慮使用分時電價。在分時電價中，不同的電價被劃分為峰谷電價、季節(jié)電價等。在這種情況下，電價在高峰時段高，在非高峰時段低，以鼓勵消費者根據(jù)電價的上漲轉移負荷。

2)實時電價（Real-Time Price, RTP）通常被稱為動態(tài)定價，一年中的每個小時都呈現(xiàn)不同的價格，一般每個時段的價格按小時波動。與分時電價相比，實時電價更能體現(xiàn)電力能源的供需關系，在電力市場中也是比較靈活和可接受的。但在該模式下對定價技術的可靠性要求也相對較高。

3)尖峰電價（Peak Price, PP）旨在獎勵那些自愿控制和減少用電需求的家庭用戶，或將用電時間調整到非高峰時間的用戶。這類情況一年中會發(fā)生幾次，特別是對電力能源需求顯著增加的夏季，參與的客戶會被告知價格上漲，以便在關鍵負荷期間大幅降低負荷。在該方案中，用戶獲得的返利與他們減少的電力消耗的金額相對應。

2 基于需求響應的HEMS架構

在需求響應的模式下，用戶側的家用設備的優(yōu)化控制主要由HEMS 來實現(xiàn)一元化管理。基于需求響應的HEMS 架構如圖2 所示。其中，分布式能源主要指光伏發(fā)電和風力發(fā)電，但其具有一定的隨機性、波動性等干擾[16]，所以不能將分布式能源直接接入到電網中，而是加入了儲能設施。儲能設施不僅可以儲存分布式能源產生的電能，還可以在電價較低時段儲存電網中的電能，并在電價較高時段為家庭用電設備提供電能，從而達到較少電能花費的目的。此外，智能電表作為HEMS與外界相連的中介，實現(xiàn)信息流和電力流的雙向流動。用戶還可通過移動設備查看家庭用電設備的狀態(tài)、電能消耗等信息。

圖2 HEMS架構

從功能上劃分，基于需求響應的HEMS[5,17]可分為檢測模塊、預測模塊、設置模塊、優(yōu)化調度模塊和監(jiān)控模塊等五個功能模塊。

1）檢測模塊主要是利用智能設備對家庭環(huán)境（如溫濕度、亮度等）、家庭設施（如用電設備、分布式能源、儲能設施等）工作情況、用戶行為等信息進行檢測。

2）預測模塊主要是對分布式能源的輸出功率、實時的電價信息、家庭設施的負荷等信息進行預測。

3）設置模塊是指用戶可根據(jù)用電習慣對家庭的設備設置一些個性化參數(shù)，如：設置用電設備使用的優(yōu)先級、室內溫度的閾值、用電設備的工作時間與控制方式等。

4）優(yōu)化調度作為HEMS的核心模塊，主要通過HEMS 控制器實現(xiàn)。其可根據(jù)用戶設置的參數(shù)、預測和檢測的需求響應信息對家庭設施進行優(yōu)化控制，以滿足用戶的舒適度、提供電能的利用率并減少電能花費等目的。

5）監(jiān)控模塊主要是對家庭設施的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，（如監(jiān)控用電設備是否按照用戶設置的方式運行），并可直觀地顯示各實施的工作信息和用電情況等。

HEMS 利用物聯(lián)網、信息通信等智能技術將家庭用電設備、分布式能源、儲能等設施連接成網絡，通過各個模塊間的協(xié)同合作，并根據(jù)電價和用戶的舒適度等需求響應實現(xiàn)家庭設施的優(yōu)化調度控制，以改善家庭用電的能耗和環(huán)境舒適度。

3 優(yōu)化控制策略方法

HEMS可在不影響用戶舒適度的情況下調度控制家庭用電設備以降低總能耗。通常通過最大程度減少峰值負載期間的電力需求并通過動態(tài)電價降低電費來優(yōu)化控制家庭負載。此外，參與需求響應的用戶可在高峰時段減少用電量并將高峰時段的負荷轉移到非高峰時段時實現(xiàn)降低電費。根據(jù)控制策略方法的不同，可以將其歸為三大類：基于規(guī)則的控制策略、基于智能算法的控制策略和基于優(yōu)化的控制策略。

1)基于規(guī)則的控制策略（Rules-based Control Strategy）。基于規(guī)則的控制策略已在許多系統(tǒng)中通過指定條件進行應用。該方法可根據(jù)不同的需求（如設備不同的優(yōu)先級、電價不同的時段等信息）創(chuàng)建控制規(guī)則，然后按照創(chuàng)建的規(guī)則按需控制家用設施，可為降低能源成本提供合適的解決方案，并在實時定價下控制價格波動[18-19]。如基于電價時段控制方法可將負載從高價時段轉移到低價時段，或減少使用的負載。但是，基于規(guī)則的家電調度方法也存在缺點。比如，不適合擴展，因為它不能依賴規(guī)則來擴展系統(tǒng)。同時，這種方法不能處理大數(shù)據(jù)，尤其是需求響應策略，這將使實時控制家用電器變得困難。

2)基于智能算法的控制策略（Intelligent Algorithms-based Control Strategy）?；谥悄芩惴ǖ目刂撇呗苑椒ň哂谐錾念A測和實時操作性能，主要包括基于人工神經網絡、模糊邏輯控制和自適應神經模糊推理的控制方法[20]。基于人工神經網絡的控制策略可以代替仿真工具為控制和預測問題提供快速解決方案[21]，可以通過控制家庭用電量有效控制能源消耗。該方法還可以遺傳算法或粒子群算法相結合以獲得準確的能源管理決策降低能源需求的總能源價格和運行延遲?；谀：壿嬁刂品椒╗22]通過模糊化，去模糊化，規(guī)則庫和推理引擎對用戶舒適度、電力消耗、電力成本進行建模并預測，最大程度地提高舒適度并減少住宅的能耗和電能花費?；谧赃m應神經模糊推理的控制方法可根據(jù)動態(tài)價格確定最佳的能源調度[23]（即通過控制家庭負載以減少功耗），但是，該方法需要大量的數(shù)據(jù)樣本和較長的訓練時間。

3)基于優(yōu)化的控制策略（Optimization-based Control Strategy）。優(yōu)化是在確定受約束的目標函數(shù)之后，生成最合適的控制方案[24]。目標函數(shù)可以根據(jù)需求響應來制定，并且可以采取最小錯誤、最小成本、最佳設計和最佳調度的形式。如：根據(jù)不同的電價、定價方案和舒適性來創(chuàng)建最佳的設備能源控制方案。此外，啟發(fā)式優(yōu)化（heuristic optimization）[25]調度算法對實現(xiàn)最佳解決方案也至關重要。如：考慮分布式能源，基于最小化電費和最大化舒適度來設計并優(yōu)化模型，進而調度和控制家庭用電設備和儲能系統(tǒng)以獲得有效的能源管理。但是，該方法相對容易陷入某些局部最小值，難以選擇最優(yōu)控制參數(shù)。

優(yōu)化控制策略方法的目的是在提高用戶舒適度和用電效率的同時減少能耗和電能花費，并保證電網的安全運行。然而，由于電價的動態(tài)性、分布式能源的不確定、能量流動的復雜性等因素，都相應增加了研究基于需求響應的HEMS 控制方法的難度，但是綜合考慮這些因素來設計優(yōu)化控制策略是HEMS的研究方向之一。

4 結論

本文根據(jù)需求響應，闡述了激勵的需求響應和基于電價的需求響應。在此基礎上，給出了基于需求響應的HEMS 架構與其組成部分。對基于規(guī)則、智能算法和優(yōu)化的控制策略方法進行了詳細闡述與討論。盡管基于需求響應的HEMS 得到了長足的發(fā)展，但仍然存在一些挑戰(zhàn)。HEMS 的發(fā)展趨勢需要考慮面向需求響應的實施，以及支持分布式可再生能源和新能源設施（如電動汽車）接入電網，以最大化的提高用電效率、居民舒適度，并減少電能花費等，這將會為HEMS 的研究提出更大的挑戰(zhàn)。