智能家庭能源管理系統(tǒng)運行優(yōu)化研究

于匯琳 石坤 胡純瑾

編者按：“雙碳”目標(biāo)對電網(wǎng)的發(fā)展提供了新方向和思路，電網(wǎng)正不斷提高可再生清潔能源接入比例，家庭能源管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)家庭用戶負(fù)荷調(diào)度、平抑電網(wǎng)波動、減少能源消耗、消納清潔能源，符合新型電力系統(tǒng)配電側(cè)建設(shè)目標(biāo)。

引言

2020年9月22日，習(xí)近平主席在聯(lián)合國一般性辯論時宣布中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。據(jù)統(tǒng)計，居民日常用電量占全世界總發(fā)電量的30%-40%，電網(wǎng)通過家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）對需求側(cè)居民用戶進(jìn)行負(fù)荷調(diào)度，優(yōu)先消納清潔能源，降低棄風(fēng)棄光量和火電消耗，從根本途徑上助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)。

智能家庭能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

電力系統(tǒng)收集臺區(qū)用電數(shù)據(jù)，電網(wǎng)公司根據(jù)采集的用電數(shù)據(jù)優(yōu)化能源調(diào)度，但無法預(yù)測單個用戶的消費情況。圖1為新型電力系統(tǒng)下家庭能源管理系統(tǒng)，可以解決上述問題。用戶用電數(shù)據(jù)由智能電表匯總上傳至電網(wǎng)，電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對電價進(jìn)行分段調(diào)整，發(fā)布需求響應(yīng)信號。HEMS系統(tǒng)結(jié)合電網(wǎng)發(fā)布的需求響應(yīng)和電價，在確保滿足用戶舒適度情況下合理安排用電活動，調(diào)整或減少負(fù)荷的使用，更好地消納清潔能源、響應(yīng)電網(wǎng)需求、削減用電峰谷差和降低家庭總能耗，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲互動，并且為廣大地區(qū)的長期電力消耗提供了可靠的預(yù)測和負(fù)荷分析。

家庭能源管理系統(tǒng)運行優(yōu)化方法

HEMS可結(jié)合各類策略更好地實現(xiàn)能源管理、緩解用電高峰、降低碳排放量，比如結(jié)合人工智能（AI）算法、線性在線控制和儲能系統(tǒng)等。

AI算法

如今，許多AI算法可被用于HEMS控制家用負(fù)荷。AI算法主要用于在用電預(yù)測或高峰時段優(yōu)化能源分配。采用AI算法的用電預(yù)測模型使用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，以找到在用電器運行最佳策略。比如可利用預(yù)測模型來預(yù)測用戶家中空調(diào)設(shè)備的最佳溫度，以減少能源消耗?；蚴褂妙A(yù)測模型，根據(jù)能源價格和天氣條件優(yōu)化能源消耗量。

線性在線控制

線性在線控制通過實時算法或在線調(diào)度來控制熱負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷設(shè)備或降低能耗、降低電費。在這種方法中，HEMS負(fù)責(zé)通過監(jiān)控和分析負(fù)荷的數(shù)據(jù)來確定負(fù)荷的狀態(tài)。在每個時間段內(nèi)，任一負(fù)荷想要工作并且沒有違反需求限制，HEMS將決定開啟負(fù)荷?？墒褂迷诰€控制系統(tǒng)來調(diào)度大功率負(fù)荷的運行，根據(jù)電網(wǎng)公司發(fā)布的價格信號關(guān)閉可削減的負(fù)荷或使用電成本保持在預(yù)定值以下。

儲能系統(tǒng)

目前，儲能設(shè)備成本和損耗成本比較高，電池充放電次數(shù)有限，HEMS中儲能設(shè)備應(yīng)用受限，但隨著大幅度清潔能源接入電網(wǎng)中，為了降低棄風(fēng)棄光量，解決清潔能源供應(yīng)不穩(wěn)定的問題，儲能的作用不可忽視。儲能設(shè)備和可再生能源作為HEMS的補(bǔ)充，能源儲存對控制高峰時段的能源消耗有顯著的影響。

智能家庭能源管理系統(tǒng)未來發(fā)展方向

在未來HEMS可以繼續(xù)研究儲能系統(tǒng)，復(fù)雜的控制算法和清潔能源不穩(wěn)定輸出可能會加大HEMS的工作難度和提高系統(tǒng)運行的不確定性，這些問題都可以通過加入儲能設(shè)備來解決。因此，儲能設(shè)備在HEMS中有很好的應(yīng)用前景。

總結(jié)

相比采用傳統(tǒng)控制方法的HEMS而言，優(yōu)化后的HEMS控制方法實現(xiàn)更優(yōu)負(fù)荷控制，并且可以看出，存儲設(shè)備對系統(tǒng)效率的影響很大，具有更好的指標(biāo)改善結(jié)果。發(fā)展HEMS能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)公司發(fā)布需求信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移或減少負(fù)荷來減少高峰時段的負(fù)荷，并在非高峰時段或電力過剩時增加需求，降低了總能消耗，提高清潔能源的接入效率，加快實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]盤和林. 數(shù)字電網(wǎng)，用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”[N]. 國際金融報，2021-06-14（003）.

[2]Jeddi Babak，Mishra Yateendra，Ledwich Gerard. Distributed load scheduling in residential neighborhoods for coordinated operation of multiple home energy management systems[J]. Applied Energy，2021.

[3]薛樹強(qiáng).新型家庭能源管理優(yōu)化策略[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021（07）：107-110.

[4]張春雁，馮霜霜，張立群.基于混合整數(shù)規(guī)劃的家庭能源管理系統(tǒng)能源調(diào)度策略研究[J].上海節(jié)能，2019（12）：1007-1012.

[5]戴雪梅. 家庭能源管理系統(tǒng)的研究[D].青島科技大學(xué)，2018.

第一作者：于匯琳（1998—），女，漢族，黑龍江，在讀碩士研究生，華北電力大學(xué)，主要從事需求響應(yīng)、家庭能源管理系統(tǒng)等研究工作。