基于用電效率評(píng)估的居民用電行為優(yōu)化研究

梁 捷，梁廣明

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，廣西 南寧 530023；2.南寧百會(huì)藥業(yè)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530003)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和現(xiàn)代化家用電器的普及，居民家庭用電量的占比不斷提高，低壓電力用戶日益成為電力需求側(cè)管理的重要對(duì)象。為響應(yīng)南方電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求，有必要深化電子物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，同時(shí)提高低壓電力客戶的服務(wù)水平〔1〕。而對(duì)居民用戶家用電器的能耗分析和評(píng)估可挖掘用戶類型和用電習(xí)慣，幫助用戶調(diào)整用電方式，提高用電效率，有利于電網(wǎng)擴(kuò)大對(duì)用戶的綜合服務(wù)范圍，從而促進(jìn)了智能用電和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展〔2〕。

文獻(xiàn)〔3〕基于特征信息的特征選擇策略，解決了用戶智能用電行為的分類問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了用電行為的優(yōu)化分析。但它沒有考慮對(duì)家電產(chǎn)品的用電效率評(píng)估，在指標(biāo)選擇上過(guò)于依賴專家判斷，主觀性較強(qiáng)。

對(duì)此，本文提出了一種基于用電效率評(píng)估的居民用電行為優(yōu)化策略。進(jìn)行用電效率評(píng)估時(shí)，首先根據(jù)家電的用途和工作機(jī)制，對(duì)家電進(jìn)行分類，并根據(jù)不同的家電類型建立不同的用電效率評(píng)估指標(biāo)。然后，結(jié)合實(shí)時(shí)的電器用電效率評(píng)估結(jié)果，對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行優(yōu)化。最后通過(guò)案例分析驗(yàn)證了本文優(yōu)化策略的有效性。

1 家電用電效率評(píng)估

本文居民家電的用電效率評(píng)估主要分為3個(gè)步驟。首先，搜集整理電力用戶需求和用電量歷史數(shù)據(jù)作為優(yōu)化模型的輸入數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)家用電器的工作原理和用途對(duì)其進(jìn)行分類?？紤]目標(biāo)用戶環(huán)境參數(shù)，針對(duì)不同類型的家用電器，建立不同的用電效率指標(biāo)函數(shù)，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。最后，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)用戶的家用電器當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行用電效率評(píng)估并給出用電行為優(yōu)化方案。

1.1 電器分類

根據(jù)居民家用電器的用途、消費(fèi)習(xí)慣、工作機(jī)理和運(yùn)行特點(diǎn)，將常見家用電器分為基本負(fù)荷、可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷3類〔4〕。考慮到用戶的用電規(guī)律和消費(fèi)習(xí)慣，將工作時(shí)間相對(duì)固定的負(fù)荷稱為基本負(fù)荷，如電飯煲、電磁爐等?？芍袛嘭?fù)荷是指負(fù)荷開關(guān)的狀態(tài)和工作時(shí)間受環(huán)境因素的影響較大，負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)可能隨環(huán)境的變化而隨時(shí)變化甚至中斷的負(fù)荷，如空調(diào)、電風(fēng)扇、照明設(shè)備等〔5〕?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷是指其工作時(shí)間可以根據(jù)用戶的需要轉(zhuǎn)移到其他時(shí)間段，但可能具有最小的連續(xù)工作時(shí)間，或固定的工作模式等特征的負(fù)荷，如熱水器，洗衣機(jī)等〔6〕。

1.2 家電能效指標(biāo)

家電的能效指標(biāo)(energy efficiency index，EEI)函數(shù)表示使用家電所獲得的效益與能耗之間的定量關(guān)系。本文針對(duì)基本負(fù)荷、可中斷負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷研究負(fù)荷的EEI函數(shù)，同時(shí)考慮負(fù)荷的差異性和用戶的用電規(guī)律。

考慮到上述3類負(fù)荷的特性和用戶的用電習(xí)慣，其中基本負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的工作狀態(tài)完全取決于用戶自身的需要，環(huán)境關(guān)系較小，用電效率體現(xiàn)在自身工作狀態(tài)中，則建立時(shí)間用電效率EEI函數(shù)。但對(duì)于可中斷負(fù)荷，這類家用電器的工作狀態(tài)與環(huán)境密切相關(guān)，用電效率受到溫度和光照等環(huán)境因素的影響，則建立溫度EEI函數(shù)和照明EEI函數(shù)。綜上共建立3種EEI函數(shù)。

1)時(shí)間EEI函數(shù)

時(shí)間EEI函數(shù)適用于基本負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。根據(jù)家用電器的預(yù)計(jì)使用時(shí)間或固定使用時(shí)間與實(shí)際使用時(shí)間的關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)從使用時(shí)間角度對(duì)家用電器的EEI評(píng)估。?t∈[ts，te]，時(shí)間EEI函數(shù)用公式(1)表示。

(1)

式中，ETi(t)表示家電i的時(shí)間EEI函數(shù)；[tmin,tmax]為家電的實(shí)際使用時(shí)間；[ts，te]表示家電的允許工作時(shí)間，且滿足[tmin,tmax]?[ts，te]。

2)溫度EEI函數(shù)

溫度EEI函數(shù)適用于空調(diào)、電風(fēng)扇等工作狀態(tài)與家庭室內(nèi)溫度相關(guān)的可中斷負(fù)荷，根據(jù)家庭室溫實(shí)際狀況與預(yù)設(shè)溫度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的溫度EEI評(píng)估。溫度EEI函數(shù)見式(2)。

(2)

式中，ECi(Tt)表示家電i在t時(shí)段溫度為T時(shí)的溫度EEI函數(shù)；[Tmin,Tmax]是預(yù)期溫度的范圍；Tt表示t時(shí)段的家庭實(shí)際室內(nèi)溫度。如果Tt∈[Tmin,Tmax]，則溫度EEI為1，否則為0。以空調(diào)為例，當(dāng)預(yù)期溫度的范圍為[20 ℃，25 ℃]，家庭室內(nèi)溫度為23 ℃時(shí)，則空調(diào)的溫度EEI為1。

3)照明EEI函數(shù)

照明EEI函數(shù)適用于照明設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)與家庭的照明環(huán)境有關(guān)。照明EEI函數(shù)根據(jù)家庭室內(nèi)的亮度確定，如式(3)。

(3)

式中，ELi(Lt)表示照明設(shè)備i在時(shí)段t亮度為L(zhǎng)t時(shí)的照明EEI函數(shù)；L1為用戶可接受的室內(nèi)最小亮度；Lt為實(shí)際亮度。

1.3 家電EEI評(píng)估

在家電EEI函數(shù)基礎(chǔ)上，考慮家電的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，將家電用電效率分為高用電效率Th和低用電效率Tl。高用電效率意味著用戶在用電的同時(shí)獲得了高效益和最大的滿意度。對(duì)于基本負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，如電視機(jī)、電熱水器等具有時(shí)間特性的家電，高用電效率是指當(dāng)使用時(shí)間等于電器的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間時(shí)，家電處于高用電效率狀態(tài)，此時(shí)用戶獲得最大效益和滿足。低用電效率是指用戶在消耗電能的過(guò)程中，家用電器存在著較大的電能損耗。以電視機(jī)為例，當(dāng)電視的使用時(shí)間小于電視的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間時(shí)，意味著電視的部分運(yùn)行時(shí)間沒有被觀看，則該電視的用電效率較低。Ui(t)表示電器i的用電效率。此外，將家電i的工作狀態(tài)Si(t)分為運(yùn)行狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)，分別用Ton和Toff表示。

基于時(shí)間EEI函數(shù)的家電能效評(píng)估見表1。如果家電處于工作狀態(tài)，并且用戶實(shí)際正在使用家電，則認(rèn)為家電的用電效率高。當(dāng)家電關(guān)閉時(shí)，設(shè)備處于高用電效率狀態(tài)。當(dāng)家電處于工作狀態(tài)，但用戶實(shí)際上未使用或不需要使用家電時(shí)，則該家電的用電效率低。

表1 基于時(shí)間EEI函數(shù)的用電效率評(píng)估

基于溫度EEI函數(shù)的家電能效評(píng)估見表2。如果家里的室內(nèi)溫度超出了用戶期望的溫度范圍，并且家電處于工作狀態(tài)，并且保證家電設(shè)定實(shí)際溫度接近用戶所需的溫度，則家電具有較高的用電效率。如果關(guān)掉家電，它也能達(dá)到高用電效率。如果家電處于工作狀態(tài)，家中區(qū)域的溫度值已經(jīng)達(dá)到用戶期望的溫度值，則認(rèn)為此時(shí)家電的用電效率低。

表2 基于溫度EEI函數(shù)的用電效率評(píng)估

基于照明EEI函數(shù)的家電用電效率評(píng)價(jià)見表3。如果用戶家中不采用照明設(shè)備時(shí)光照暗，照明設(shè)備處于工作狀態(tài)，保證用戶正常的生活光照環(huán)境，則照明設(shè)備將處于高用電效率狀態(tài)。如果關(guān)掉家電，照明設(shè)備也將處于高用電效率狀態(tài)。如果用戶家中不采用照明設(shè)備時(shí)光照已足夠明亮，但照明設(shè)備處于工作狀態(tài)，則認(rèn)為照明設(shè)備的用電效率低。

表3 基于照明EEI函數(shù)的電器用電效率評(píng)估

2 居民用電行為優(yōu)化模型

根據(jù)家電用電效率高低的評(píng)估結(jié)果，可制定不同的用電優(yōu)化策略，用于優(yōu)化用戶的用電行為，為找到最優(yōu)方案。本文結(jié)合用戶的用電需求和分時(shí)電價(jià)，以用戶用電成本最低且EEI指標(biāo)最大為目標(biāo)函數(shù)，考慮用戶的舒適性，建立了用電行為優(yōu)化模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文考慮的居民家庭用電成本包括基本負(fù)荷、可中斷負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷3類家電的總電費(fèi)。EEI指標(biāo)為1.2節(jié)所提的3種EEI函數(shù)，詳見公式(1)-(3)。根據(jù)各家電的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，建立以電費(fèi)最小，如式(4)所示，且3種EEI函數(shù)最大為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。

(4)

式中：C為用電周期T內(nèi)的3類家電負(fù)荷的總電費(fèi)；N為家電總數(shù)；Si(t)為t時(shí)刻家電i的狀態(tài)；pi為家電i的實(shí)時(shí)功率值；Δt為Si(T)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)；Pr(t)為t時(shí)刻的電價(jià)。該模型中，用電行為的優(yōu)化可視為對(duì)各時(shí)段t內(nèi)的各用電負(fù)荷i的工作狀態(tài)Si(T)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 約束條件

為保證用戶的用電需求和滿足用電規(guī)律，在優(yōu)化用戶用電行為時(shí)，需引入約束條件。

2.2.1強(qiáng)相關(guān)負(fù)荷約束

強(qiáng)相關(guān)負(fù)荷關(guān)系是指某些家電使用時(shí)先行后續(xù)的密切關(guān)系，即當(dāng)前家電的工作任務(wù)完成后，需要立即開啟某個(gè)后續(xù)家電。比如洗碗機(jī)和消毒柜，洗碗機(jī)完成洗滌任務(wù)后，需要立即開啟消毒柜消毒。因此，消毒柜應(yīng)在洗碗機(jī)完成任務(wù)后立即啟動(dòng)，這稱之為強(qiáng)相關(guān)的負(fù)荷關(guān)系，如式(5)。

(5)

2.2.2負(fù)荷不間斷約束

負(fù)荷不間斷約束意味著一旦某些家電開始運(yùn)行，它們?cè)谌蝿?wù)完成之前不得停止，例如洗衣機(jī)在完成洗衣任務(wù)前通常不能停止運(yùn)行。如式(6)。

(6)

其中，taski表示家電i加載的任務(wù)數(shù)。

2.2.3最大功率限制

為了保證不出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載現(xiàn)象，用戶家中任何時(shí)刻的總負(fù)載不能超過(guò)最大負(fù)荷限制，如式(7)所示。

(7)

其中，Pmax表示用戶家庭的最大允許功率。

2.3 模型求解

綜上，建立居民家庭用電行為優(yōu)化模型。由于決策變量Si(T)是一個(gè)“0-1”整數(shù)變量，因此確定各時(shí)段電力負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)是關(guān)鍵。此外，可中斷負(fù)荷具有較大的優(yōu)化潛力，如空調(diào)、照明設(shè)備等，根據(jù)家用電器的用電效率評(píng)估結(jié)果，對(duì)于低用電效率電器，可通過(guò)及時(shí)調(diào)整電器的運(yùn)行狀態(tài)提高用電效率。由于目標(biāo)函數(shù)和約束條件是線性的，因此該模型的求解可視為求解混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題〔7〕。本文通過(guò)Matlab調(diào)用Cplex工具求解該問(wèn)題。

3 案例研究

為了驗(yàn)證本文方法的可行性，對(duì)廣西居民用戶夏季統(tǒng)計(jì)得到的日用電量信息和用電需求數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析。為增加案例的可研究性和對(duì)比性，本文針對(duì)不同類型的家庭，將其劃分為老年人家庭(記為A類家庭)和白領(lǐng)家庭(記為B類家庭)。以A類家庭為例，首先，對(duì)該類用戶的主要家用電器的負(fù)荷類型進(jìn)行分類。然后，通過(guò)第2節(jié)模型優(yōu)化用戶的用電行為，接著根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整用戶的用電行為。家用電器的常見工作時(shí)間見表4。表5顯示了基于溫度和光照EEI函數(shù)的家用電器工作功率。表6為廣西居民用戶分時(shí)電價(jià)。家電的相關(guān)性考慮表4中編號(hào)為“d-e”“g-k”的家電使用時(shí)的先行后續(xù)關(guān)系。

表4 主要家用電器的工作時(shí)間

表5 家用電器工作功率

表6 廣西居民用戶分時(shí)電價(jià)

圖1為A類用戶連續(xù)3日的用電量分布圖，其中第一天為用電行為優(yōu)化前，第二、三天為優(yōu)化后。優(yōu)化時(shí)首先根據(jù)用戶的用電需求和用電負(fù)荷分布情況評(píng)估各家電的用電效率。

分析第一天各家電的具體負(fù)荷分布情況時(shí)發(fā)現(xiàn)：22:30～23:10空調(diào)處于工作狀態(tài)，但設(shè)定溫度已滿足用戶需求，故用電效率較低。18:05～18:45照明設(shè)備處于工作狀態(tài)，但夏季此時(shí)太陽(yáng)未下山，室內(nèi)的光線明亮，故用電效率較低，圖1中這兩個(gè)時(shí)段也出現(xiàn)了用電高峰，由表6可知這兩個(gè)時(shí)段按峰費(fèi)率計(jì)費(fèi)，電價(jià)較高。經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化前日電費(fèi)為9.36元。

然后根據(jù)本文第2節(jié)模型對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行優(yōu)化。例如，對(duì)于空調(diào)和照明設(shè)備這些可中斷負(fù)荷，在低用電效率期間改變其運(yùn)行狀態(tài)或優(yōu)化用電負(fù)荷啟停時(shí)間的安排。優(yōu)化后的用電量分布如圖1第二、三天所示。第二日與第三日的家庭用電曲線大同小異，說(shuō)明該用戶用電較有規(guī)律，執(zhí)行的優(yōu)化方案基本一致。

分析第二天各家電的具體負(fù)荷分布情況時(shí)發(fā)現(xiàn)：洗碗機(jī)工作時(shí)間為06:00～09:00和23:00～23:10，分別處于平和谷費(fèi)率時(shí)段。熱水器在平費(fèi)率時(shí)段15:00～18:00預(yù)熱，避開了高峰時(shí)段。此外，在22:30～23:10和18:05～18:45低用電效率期間，空調(diào)和照明設(shè)備停止工作，在后續(xù)時(shí)段才開始工作，移峰效果較明顯。在這段時(shí)間開窗通風(fēng)，可以避免空調(diào)的能耗，同時(shí)減少白天對(duì)燈光的使用。優(yōu)化后的電費(fèi)為7.24元，比優(yōu)化前節(jié)約電費(fèi)約23%。

圖2為B類用戶連續(xù)3日的用電量分布圖，其中第一天為用電行為優(yōu)化前，第二、三天為優(yōu)化后。比較圖1和2中可見，B類用戶為白領(lǐng)家庭，用電總量和峰值較A類用戶(老年人家庭)高，用電習(xí)慣也有區(qū)別。優(yōu)化情況與圖1類似，根據(jù)本文模型的優(yōu)化結(jié)果在低用電效率期間改變可中斷負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)或調(diào)整可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的啟停時(shí)間的安排，使用戶的用電量曲線得到改善。比較優(yōu)化前后的情況可見，無(wú)論是A類家庭還是B類家庭，優(yōu)化策略均能起到較好的調(diào)峰作用。

4 結(jié)論

建立一種考慮家電用電效率的居民用電優(yōu)化模型。在優(yōu)化低壓用戶用電行為的過(guò)程中，一方面考慮了電器的可控性和用電效率，另一方面也考慮了用戶的用電經(jīng)濟(jì)性和舒適性。案例分析表明，本文的模型可有效識(shí)別用戶的不良用電習(xí)慣，并對(duì)低用電效率家電的使用狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化用電行為，可以節(jié)約電費(fèi)，提高用電的經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證了本文優(yōu)化策略的有效性。