【解決方案】優(yōu)化居民小區(qū)家庭電能管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

  從目前國內(nèi)外的研究來看，對于家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題有大量的研究，提出如何將居民用電設(shè)備進行分類。本文在沒有光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電等能源裝置，結(jié)合了已有的家庭電能管理系統(tǒng)研究基礎(chǔ)，考慮優(yōu)化目標用戶舒適度、電價成本和碳排放量的追蹤建立在分時電價下的多目標模型，以保證不同家電用電行為下的調(diào)度。因此提出了基于分時電價和多目標優(yōu)的家庭電能管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型，該模型對家用設(shè)備進行了分類，并對設(shè)備進行監(jiān)控，管理使其合理的運行達到的運行狀態(tài)。*后通過Matlab仿真算例驗證該模型對家庭用電設(shè)備有較好的適應(yīng)性，也保證用戶舒適度。

1 家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

  家庭電能管理系統(tǒng)是電網(wǎng)在用戶消費側(cè)的重要組成部分，它利用一定的技術(shù)手段來實現(xiàn)用戶對家庭用電設(shè)備的檢測、管理和減少電費開支。在分時電價的大環(huán)境下合理地使用電器來達到減少電費，控制以家庭為主的碳排放，起到保護環(huán)境的作用。利用多目標優(yōu)化算法使用戶舒適度 、電能消耗和碳排放達到其架構(gòu)如圖 1所示。

  系統(tǒng)主要包括智能插座，智能電表。智能電表可以把家庭的用電情況上傳給國家能源網(wǎng)），電網(wǎng)通過智能電表給用戶家庭提供電能和提供分時電價的價格。智能插座連接用戶的用電設(shè)備，獲取用電設(shè)備的基本數(shù)據(jù)，例如功率，電壓和用電時長等，并且通過電閘進一步來控制設(shè)備。收集到的數(shù)據(jù)通過智能插座上傳給多目標優(yōu)化器來進行分析。多目標優(yōu)化控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合三個優(yōu)化條件（用戶舒適度碳排放量和電能的消耗）和電網(wǎng)公布的分時電價及用戶對設(shè)備的使用意向來進行優(yōu)化，并把優(yōu)化的結(jié)果傳送給智能插座來控制設(shè)備的使用。

2 家庭電能管理系統(tǒng)優(yōu)化模型

  家庭電能管理系統(tǒng)是針對擁有多個家居用電設(shè)備的單個用戶，這些設(shè)備通過智能插座全部與管理系統(tǒng)相連。當(dāng)HEMS開始運行后，這些設(shè)備就會立即作出反應(yīng)，在整個優(yōu)化過程里，系統(tǒng)會將優(yōu)化的時間劃分為長度相同的子時間段。

2 .1 用電負荷模型

  在日常生活里，每個用電設(shè)備都有不同的用電方式，本文依據(jù)設(shè)備間的用電特性將所有家用設(shè)備分為剛性設(shè)備柔性設(shè)備和 HVAC設(shè)備。剛性設(shè)備表示用電設(shè)備的使用時間不會根 據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而改變，例如冰箱、電燈等。柔性設(shè)備又根據(jù)設(shè)備使用時間在平移過程中可否中 斷分為兩類： ①可平移不可中斷設(shè)備，如洗碗機、洗衣機，其運行時段可以進行移動、調(diào)整，但工作期間設(shè)備不可中斷；②可平移可中斷設(shè)備，表示此類家用設(shè)備的使用時間根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而發(fā)生變化，并且在運行期間可中斷使用，如電動車，熱水器。HVAC 設(shè)備表示此類設(shè)備的使用情況只與溫度有關(guān)，如空調(diào)。

2.1.1 剛性設(shè)備

  該類設(shè)備直接影響著用戶的正常生活，不會隨著優(yōu)化發(fā)生改變，例如電冰箱，電燈等。

剛性設(shè)備模型：

2.1.2 柔性設(shè)備

  該類設(shè)備的用電時間較為靈活，依據(jù)用電特性和用電過程中可否中斷分為可平移不可中斷設(shè)備和可平移可中斷設(shè)備。

  可平移可中斷設(shè)備模型：

2.1.3 HAVC設(shè)備

  暖通空調(diào)系統(tǒng)（heating，ventilation and aircon- ditioning，HVAC）是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng)，因此室內(nèi)外溫度，以及用戶自行設(shè)置的*佳溫度值和房屋的熱參數(shù)決定了該類設(shè)備的運行時間 。

2 .2 優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)

2.2.1 經(jīng)濟目標函數(shù)

  經(jīng)濟目標函數(shù)是把家庭用電費用作為優(yōu)化目標。優(yōu)化后的值越小表示優(yōu)化效果越好。

2.2.2 用戶舒適度函數(shù)

  用戶舒適度函數(shù)是將用戶對用電設(shè)備優(yōu)化后的使用時間段的滿意度作為優(yōu)化目標。優(yōu)化 后的數(shù)值越大，表示用戶對于優(yōu)化后的設(shè)備使用時間滿意度越高。

2.2.3 碳排放量函數(shù)

  家庭側(cè)碳排放有很多種，例如汽車尾氣排放，煤氣灶生活做飯等，本文選擇煤炭發(fā)電導(dǎo) 致的碳排放，根據(jù)市場調(diào)查每消耗一度電的碳排放量是 0.785 kg。就目前國內(nèi)的情況，小區(qū)沒有安裝光伏發(fā)電裝置，碳排放量與用電量消耗的線性關(guān)系如下：

  在以后的發(fā)展中，小區(qū)里有了光伏發(fā)電裝置后，碳排放量與光伏發(fā)電的使用效率有關(guān)，當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達到碳排放量；反之當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達到，碳排放量達到*大。在光伏發(fā)電裝置中，需要有發(fā)電、儲電的過程。本文不再贅述。

2 .3 約束條件

2.3.1 功率對等約束條件

  在家庭系統(tǒng)中電能需要守恒，即生產(chǎn)的電能與消耗的電能應(yīng)該保持平衡。功率平衡約束如下：

2.3.2 溫度設(shè)備約束條件

  用戶對于溫控設(shè)備的運作時間與工作時段并不關(guān)心，關(guān)心的是在特定的時間內(nèi)由溫控設(shè) 備控制的溫度有沒有達到要求。所以對溫控設(shè) 備來說不存在時間約束，只存在溫度約束。其溫度約束如下：

2.3.3 工作時間約束條件

  對某一電器設(shè)備來說，需要工作的時間片數(shù)為 N，HEMS需要保證每一個電器設(shè)備都能夠完成工作。所以每個電器設(shè)備工作的時間片數(shù)應(yīng)該與 N 相等，即：

2 .4 多目標優(yōu)化調(diào)度策略

2.4.1 多目標優(yōu)化算法

  在 2.2節(jié)介紹的3個目標（用電費用戶舒適度和碳排放量）中，如果僅將用電費用優(yōu)化到低，在電價較低時才使用電，不可避免地會引起用戶的不滿。同樣，當(dāng)一個目標達到佳時，會對其他兩個優(yōu)化目標產(chǎn)生一定的影響。本文的多目標優(yōu)化調(diào)度策略綜合考慮用電費用戶舒適度以及碳排放量的因素，使得達到優(yōu)。

  傳統(tǒng)多目標優(yōu)化方法都是根據(jù)對不同目標的不同要求，將目標通過某種方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕藘?yōu)化可以求解的問題。缺點是僅能求出優(yōu)化問題的局部優(yōu)解，求解的結(jié)果強烈依賴于初始值。智能優(yōu)化算法的提出改了這方面的問題。目前的智能算法就是粒子群算法。

2.4.2 粒子群算法

  粒子群（particleswarm optimization ，PSO）算法從隨機觸發(fā)，通過迭代尋找到優(yōu)解。粒子群的標準算法容易陷入局部優(yōu)，導(dǎo)致結(jié)果不準確，且不能解決離散及組合優(yōu)化問題。因此本文使用改進的多目標粒子群算法，在該算法中每個粒子的速度和位置按照如下方程來更新：

2.4.3 算法比較

  圖2是標準的粒子群算法流程圖，圖,3是改進的粒子群算法流程圖。比對圖2與圖3能看出，改進的粒子群算法，在標準的粒子群算法基礎(chǔ)上，改變了權(quán)重因子w和學(xué)習(xí)因子c的取值方法，提高了粒子群算法的全局搜索能力，避免陷入局部優(yōu)。

3 家庭電能管理系統(tǒng)

  家庭電能管理系統(tǒng)運作流程如下：

（1）在優(yōu)化前，多目標優(yōu)化控制器獲取到設(shè)備的所有參數(shù)，其包括用電設(shè)備的額定功率和工作時長，以及用戶希望設(shè)備工作的時間段。

（2）智能電表將獲取到的分時電價信息上傳給多目標優(yōu)化控制器。

（3）多目標優(yōu)化器通過平移柔性設(shè)備的運行時間來節(jié)省電費，通過每一天的電量使用檢測追蹤用戶側(cè)的碳排放量，通過使設(shè)備在用戶理想的時間段運行來保證用戶滿意度，后結(jié)合約束條件，制訂各柔性負荷的調(diào)度計劃。

（4）多目標優(yōu)化控制器把調(diào)度計劃上傳給智能插座 ，使其在相應(yīng)的時間段運行各用電設(shè)備。

調(diào)度流程圖如圖 4 所示。

4 實例分析

4 . 1 算例參數(shù)

  本文以某一家庭數(shù)據(jù)為例進行分析。該用戶家庭安裝有智能電表和多目標優(yōu)化控制器，根據(jù)設(shè)備的特性不同，其家庭用電負荷情況不同，剛性負荷如表1所示，柔性負荷如表2所示。

  家居設(shè)備優(yōu)化的目的在于保證各設(shè)備完成既定工作的前提下，盡可能壓縮用戶的電能成 本，同時保證負荷曲線峰谷差不致過大；用戶可以根據(jù)各自的習(xí)慣在HEMS中設(shè)置設(shè)備優(yōu)化 參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)以及電網(wǎng)提供的分時電價信息，HEMS可對家居用電設(shè)備進行運行優(yōu)化。 例如，用戶可設(shè)置在晚上回家后的18；00至次日7：00之間對電動車進行充電操作，為了不影響用戶在二天對電動自行車的正常使用

  須保證充電結(jié)束時充電量達到其總?cè)萘康?0%以上，HEMS會根據(jù)電網(wǎng)提供的分時電價信息選擇合適的充電時段，達到壓縮電能成本的目標。其次對于空調(diào)的使用，全時段待機等候命令，當(dāng)室內(nèi)溫度不在規(guī)定的溫度范圍時，空調(diào)開始運作，直到溫度達到用戶設(shè)定的溫度則停止運作?？照{(diào)的參數(shù)設(shè)置如表 3 所示。

4 .2 仿真結(jié)果

  在對整個數(shù)據(jù)進行分析的過程中，使用了Matlab軟件，并將得到的結(jié)果以圖的方式表現(xiàn)出來。從圖 5 可以看出，當(dāng)室外溫度大于室內(nèi)溫度時，空調(diào)開始運作，直到室溫保持在溫度設(shè)定范圍內(nèi)則停止工作當(dāng)空調(diào)處于待機狀態(tài)時消耗的電量可忽略不計。圖 6 是標準的粒子群算法下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，圖7是改進的粒子群算法優(yōu)化后調(diào)度結(jié)果。從兩幅圖可知，將負荷從峰時段平移到谷時段或者平時段，來減少電費。

  圖8為使用多目標優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的電量費用對比，家庭電能管理系統(tǒng)負荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果充分說明了系統(tǒng)策略調(diào)度的經(jīng)濟性電費大部分都產(chǎn)生在峰時段，而優(yōu)化后HEMS系統(tǒng) 將一部分負荷轉(zhuǎn)移到平時段和谷時段，從而減少了峰時段電量的高運作。

  圖9多目標優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的電量總費用對比，可以看出優(yōu)化后的費用增加平緩 ， 并低于優(yōu)化前電費。從兩幅圖中能夠明顯地對比出，峰時段和平時段購電支出都有所降低 ， 谷時段略有升高。從圖8和圖9能看出，使用標準的粒子群算法和改進的粒子群算法都能夠減少電費，標準的粒子群算法比優(yōu)化前減少了7.2%，改進的粒子群算法減少了4.3%。

圖10 為使用多目標優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的功率對比圖，使用優(yōu)化系統(tǒng)之前，大部分的柔性設(shè)備都集中在了峰時段，也就是11：00— 13：00， 19：00—21：00；在優(yōu)化后，將一部分設(shè)備從峰時段移動到谷時段，有*避開了峰值電價時間段，達到了設(shè)備平移的目的起到了有*的削峰填谷作用。

   表 5 為優(yōu)化前后關(guān)于電費、滿意度和碳排放量的數(shù)據(jù)對比。從表中可以清晰地看出使用了優(yōu)化算法后電費都減少了，但用戶對設(shè)備的使用時間滿意度，改進的粒子群算法比標準的粒子群算法要高，標準的粒子群算法的電費降低了7.2%，滿意度降低了23.9%，改進的粒子群算法電費降低了4.3%，滿意度降低了11.8%，從數(shù)據(jù)能夠看出，標準的粒子群算法容易陷入局部的優(yōu)化結(jié)果不是很理想。

5 安科瑞電能管理系統(tǒng)

5.1概述

  用戶端消耗著整個電網(wǎng)百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

  Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

5.2應(yīng)用場所

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)用衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

2）電能統(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

5）變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電可靠。

6）實時提醒

系統(tǒng)具有實時提醒功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發(fā)出聲音提醒。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和提醒進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

8）電能質(zhì)量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應(yīng)的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的保護和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

10）用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

12）畫面監(jiān)控

畫面監(jiān)控展示了當(dāng)前實時畫面（畫面直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)畫面信息。

13）用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6 結(jié)語

   本文在構(gòu)建家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)，家庭用電負荷模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于實時電價和多目標優(yōu)化的家庭電能管理系統(tǒng)的調(diào)度與實現(xiàn)。以某一個家庭用戶為例，在Matlab平臺下進行了數(shù)據(jù)的仿真模擬。通過數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果，我們可以得出：本文提出的家庭電能管理系統(tǒng)能夠更好地兼顧用戶側(cè)的用電成本和用戶對用電設(shè)備的舒適度，也從家庭方面針對碳排放做了檢測與追蹤，對環(huán)境保護起到一定的作用，對以后減少碳排放做出貢獻。在未來，以小區(qū)為單位有了光伏發(fā)電裝置之后，可進一步優(yōu)化電費，同時對碳排放量的減少也可進行優(yōu)化，來增加HEMS的經(jīng)濟效益。并且小區(qū)的所有用戶都使用了能*量管理系統(tǒng)后，與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，以此來共享發(fā)電成本。每個家庭都采用其*佳策略來*小化能源消耗成本，用戶可以維護自己的能源消耗隱私。此外，能*管理系統(tǒng)分布在區(qū)塊鏈上，為參與者提供一個可信的通信媒介。穩(wěn)固智能合約旨在交易的執(zhí)行，無需智能社區(qū)第三方的參與。

【參考文獻】

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