基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電方法，其特點(diǎn)是，包括的步驟有：采集用戶電器開啟信息并獲取用戶各電器的開啟習(xí)慣、采集各電器的運(yùn)行信息和電力部門的分時電價信息供內(nèi)部運(yùn)算使用、要求用戶主動輸入當(dāng)天預(yù)備使用的電器、用戶輸入用電方案級別、計算電費(fèi)參數(shù)、計算舒適度參數(shù)、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)、利用粒子群算法進(jìn)行用電方案的尋優(yōu)和根據(jù)內(nèi)部運(yùn)算對各電器進(jìn)行控制，最終實現(xiàn)家庭的智能用電。同時公開了ARM9處理器為核心分別與電能計量模塊、操作顯示模塊、外部通信模塊和電器控制模塊連接組成的智能用電系統(tǒng)，具有用電科學(xué)、高效等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電方法及其系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及控制【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電方法及其系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前家庭智能用電控制方式有：
[0003] (1)中國專利公開（公告）號：CN102762002A公開了名稱為；一種家庭節(jié)能系統(tǒng)， 這種家庭節(jié)能系統(tǒng)主要通過傳感器監(jiān)測室內(nèi)人員狀況，并根據(jù)檢測結(jié)果控制照明電路的開 關(guān)，以此達(dá)到節(jié)能的目的；
[0004] ⑵中國專利公開（公告）號：CN1385664A公開了名稱為；一種分時運(yùn)行冰箱，這 種分時運(yùn)行冰箱包括冷藏室、冷凍室及控制電路，其特征在于，在所述冷凍室內(nèi)裝有蓄冷 物，在所述冷藏室與冷凍室之間至少設(shè)有兩個可使空氣在兩室之間循環(huán)流動的通風(fēng)道，至 少在其中一個所述通風(fēng)道設(shè)有可促使空氣在兩室之間循環(huán)流動的風(fēng)扇，冰箱的壓縮機(jī)可工 作于長時間連續(xù)開機(jī)、長時間連續(xù)停機(jī)及正常運(yùn)行三種狀態(tài)，配合分時電價制度，減少在 峰時電價時間段的運(yùn)行，增加在谷時電價時間段的運(yùn)行，可達(dá)到節(jié)省電費(fèi)的目的；
[0005] (3)中國專利公開（公告）號：CN102684305A公開了名稱為；一種家庭側(cè)智能用電 策略實現(xiàn)方法和終端，該發(fā)明對家庭各類用電信息進(jìn)行了全面的采集，并通過智能插排對 各電器進(jìn)行開關(guān)控制，同時，實現(xiàn)了用戶用電信息和電力部分電價信息的實時交換，在一定 程度上滿足了電網(wǎng)的互動要求。
[0006] 綜合現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)是：雖然有結(jié)合分時電價來實現(xiàn)智能用電，但都沒有將 用戶的用電習(xí)慣考慮到智能用電方案當(dāng)中，導(dǎo)致用電方案往往不符合用戶的用電習(xí)慣；現(xiàn) 有技術(shù)提供的用電方案，往往只為用戶提供單一的用電方案，并沒有考慮到用戶的經(jīng)濟(jì)情 況和使用舒適度的要求，導(dǎo)致設(shè)備無法滿足不同用戶群體的需要，缺乏多樣性和自由度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是：提供一種能夠?qū)⒂脩舻挠秒娏?xí)慣、用戶舒適 度以及用戶的經(jīng)濟(jì)因素考慮到智能用電方案之中，進(jìn)而在提高用電效率的同時，盡可能增 加用電方案的多樣性，使用電方案能夠被不同需求的用戶所接受，同時，用戶可自行對用電 方案進(jìn)行級別的調(diào)整，通過不斷地調(diào)整和適應(yīng)，用戶可以逐漸適應(yīng)更高效率的用電，具有用 電科學(xué)，節(jié)電率高的基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電方法。
[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二是：提供一種結(jié)構(gòu)合理，可靠性高的基于用戶習(xí) 慣的家庭智能用電系統(tǒng)。
[0009] 解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案之一是：一種基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電方 法，其特征是，它包括以下步驟：
[0010] 1)采集用戶電器開啟信息并獲取用戶各電器的開啟習(xí)慣
[0011] 首先對用戶30天內(nèi)的電器開啟信息進(jìn)行采集，由于用電設(shè)備在電器開啟時，家用 電器開啟時的無功功率躍變超過80Var，且不同電器的階躍脈沖也會不同，通過檢測電器開 啟的階躍脈沖，判斷電器是否開啟，在每個電器的接入端安裝負(fù)荷采集裝置對各家用電器 進(jìn)行開啟監(jiān)測，
[0012] 電器開啟的判斷條件由下式表示：
[0013] Δ q = qt-qt_! (1)
[0014] 式中：Aq為負(fù)荷階躍值，qt為電器t時刻的無功功率值，qH為電器t_l時刻的 無功功率值，當(dāng)Λ q大于80Var時，判定該電器在t時刻開啟；
[0015] 對用戶的用電負(fù)荷進(jìn)行至少一個月的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，記錄每種電器的開啟 時間，為方便敘述，設(shè)a，b，…，i，…，m分別代表某用戶所擁有的家電，對30天內(nèi)的每個電 器開啟時間進(jìn)行聚類，由于數(shù)據(jù)為常規(guī)類型，因此采用經(jīng)典的K-MEANS聚類算法，聚類完成 后，會得到多個類簇，挑選類簇中對象個數(shù)排在前三位的類簇，這三個類簇的中心分別為三 個電器習(xí)慣使用時間點(diǎn)，稱為用戶的第一用電習(xí)慣、第二用電習(xí)慣和第三用電習(xí)慣，電器a 的第一用電習(xí)慣、第二用電習(xí)慣和第三用電習(xí)慣可表示為：叫，a2, a3 ;
[0016] 2)采集各電器的運(yùn)行信息和電力部門的分時電價信息仏，供內(nèi)部運(yùn)算使用；
[0017] 3)要求用戶主動輸入當(dāng)天預(yù)備使用的電器，設(shè)用戶選擇電器為a…1，根據(jù)步驟1) 統(tǒng)計的各電器用戶用電習(xí)慣，得到電器a到電器1的用戶第一、二、三用電習(xí)慣 &1，a2,如… ，12, 13 ;同時讀取對應(yīng)電器的功率信息，供運(yùn)算使用；
[0018] 4)用戶輸入用電方案級別，不同級別對應(yīng)不同的權(quán)重系數(shù)Αρ A2，具體對應(yīng)方式 為：等級1時，Ai為0，A2為1，等級2時，Ai為0. 1，A2為0. 9,等級3時，Ai為0. 2，A2為0. 8， 等級4時，Ai為0. 3, A2為0. 7,等級5時，Ai為0. 4, A2為0. 6,等級6時，Ai為0. 5, A2為 0. 5,等級7時，Ai為0. 6, A2為0. 4,等級8時，Ai為0. 7, A2為0. 3,等級9時，Ai為0. 8, A2 為 0. 2,等級 10 時，Ai 為 0. 9, A2 為 0. 1 ;
[0019] 5)計算電費(fèi)參數(shù)S
[0020] 在分時電價環(huán)境下，居民的用電費(fèi)用S表示為：
[0021] S = Pa · Ta · Qa+Pb · Tb · Qb+…+Pi · · QJ…+P! · ?\ · Q! (2)
[0022] 其中Pi為電器i的功率，?\為電器i使用時長，Qi為電器使用時間域內(nèi)對應(yīng)分時 電價的電價水平，此處的Qi要根據(jù)不同的實時電價方案給出；
[0023] 6)計算舒適度參數(shù)D
[0024] 利用用戶使用電器的用電習(xí)慣來計算用電方案的舒適度，設(shè)某個用電方案中，各 電器的開啟時間分別為a t，bt,…，it,…，lt，則各電器的開啟時間與用戶第一、二、三用電習(xí) 慣的的距離分別表示為：
[0025] 屯=| ara! | +1 bt-bi | +…+1 lt-h
[0026] d2=|at-a2| + |bt-b2|+? + |lt_l2| (3)
[0027] d3 = |at-a3Hbt_b3 卜…+ | lt_l3|
[0028] 式中a。a2, a3, bp b2, b3, ···，lp 12, 13分別為各電器對應(yīng)的用戶第一、二、三用電習(xí) 慣，由于用電方案電器的開啟時間越靠近用戶的用電習(xí)慣，則用電方案的舒適度越高，電器 開啟時間越靠近第二和第三用電習(xí)慣，則用戶的舒適度會差一些，因此屯d 2, d3對舒適度D 的影響比重是不同的，用戶的用電舒適度用下式計算：
[0029] 0 = · d2+B3 · d3 (4)
[0030] 式中：B2, B3 分別代表屯，d2, d3 的權(quán)重，這里設(shè)定 h = 0· 6, B2 = 0· 25, B3 = 0· 15， 可見，舒適度D越大，表示該用電方案的電器運(yùn)行時間越不符合用戶的用電習(xí)慣；
[0031] 7)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)r
[0032] 充分考慮用戶的用電習(xí)慣和用戶自身的經(jīng)濟(jì)情況，并結(jié)合實時電價構(gòu)造用電方案 的目標(biāo)函數(shù)，由于用電舒適度D和用電費(fèi)用S單位不統(tǒng)一，因此需要對兩個參數(shù)進(jìn)行無量綱 處理，如下式：
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電方法，其特征是，它包括以下步驟： 1) 采集用戶電器開啟信息并獲取用戶各電器的開啟習(xí)慣 首先對用戶30天內(nèi)的電器開啟信息進(jìn)行采集，由于用電設(shè)備在電器開啟時，家用電器 開啟時的無功功率躍變超過80Var，且不同電器的階躍脈沖也會不同，通過檢測電器開啟的 階躍脈沖，判斷電器是否開啟，在每個電器的接入端安裝負(fù)荷采集裝置對各家用電器進(jìn)行 開啟監(jiān)測， 電器開啟的判斷條件由下式表示： Aq=qt-qH (1) 式中：Aq為負(fù)荷階躍值，qt為電器t時刻的無功功率值，qH為電器t_l時刻的無功 功率值，當(dāng)Λ q大于80Var時，判定該電器在t時刻開啟； 對用戶的用電負(fù)荷進(jìn)行至少一個月的監(jiān)測，根據(jù)檢測結(jié)果，記錄每種電器的開啟時間， 為方便敘述，設(shè)a，b，…，i，…，m分別代表某用戶所擁有的家電，對30天內(nèi)的每個電器開啟 時間進(jìn)行聚類，由于數(shù)據(jù)為常規(guī)類型，因此采用經(jīng)典的K-MEANS聚類算法，聚類完成后，會 得到多個類簇，挑選類簇中對象個數(shù)排在前三位的類簇，這三個類簇的中心分別為三個電 器習(xí)慣使用時間點(diǎn)，稱為用戶的第一用電習(xí)慣、第二用電習(xí)慣和第三用電習(xí)慣，電器a的第 一用電習(xí)慣、第二用電習(xí)慣和第三用電習(xí)慣可表示為：叫，a 2, a3 ; 2) 采集個電器的運(yùn)行信息和電力部門的分時電價信息％，供內(nèi)部運(yùn)算使用； 3) 要求用戶主動輸入當(dāng)天預(yù)備使用的電器，設(shè)用戶選擇電器為a…1，根據(jù)步驟1)統(tǒng) 計的各電器用戶用電習(xí)慣，得到電器a到電器1的用戶第一、二、三用電習(xí)慣 ai，a2，a3，… ，12, 13 ;同時讀取對應(yīng)電器的功率信息，供運(yùn)算使用； 4) 用戶輸入用電方案級別，不同級別對應(yīng)不同的權(quán)重系數(shù)V A2，具體對應(yīng)方式為：等 級1時，Ai為0, A2為1，等級2時，Ai為0. 1，A2為0. 9,等級3時，Ai為0. 2，A2為0. 8,等級 4時，Ai為0. 3, A2為0. 7,等級5時，Ai為0. 4, A2為0. 6,等級6時，Ai為0. 5, A2為0. 5,等 級7時，Ai為0. 6, A2為0. 4,等級8時，Ai為0. 7, A2為0. 3,等級9時，Ai為0. 8, A2為0. 2， 等級 10 時，AiSO. 9，^為0. 1; 5) 計算電費(fèi)參數(shù)S 在分時電價環(huán)境下，居民的用電費(fèi)用S表示為： S - Pa * Ta · Qa+Pb * Tb · Qb+. . . +Pj · Tj · Qj+. . . +PX · Tx · Qx (2) 其中Pi為電器i的功率，?\為電器i使用時長，Qi為電器使用時間域內(nèi)對應(yīng)分時電價 的電價水平，此處的％要根據(jù)不同的實時電價方案給出； 6) 計算舒適度參數(shù)D 利用用戶使用電器的用電習(xí)慣來計算用電方案的舒適度，設(shè)某個用電方案中，各電器 的開啟時間分別為at，bt,…，it,…，lt，則各電器的開啟時間與用戶第一、二、三用電習(xí)慣的 的距離分別表示為： 屯=I at-a! I +1 bt-bi I +…+1 lt-h d2 = |at-a2| + |bt_b2 卜…+ | lt_l2| (3) d3 = |at-a3| + |bt-b3|+*** + | lt-l3 式中a。a2, a3, bp b2, b3, ···，1。12, 13分別為各電器對應(yīng)的用戶第一、二、三用電習(xí)慣，由 于用電方案電器的開啟時間越靠近用戶的用電習(xí)慣，則用電方案的舒適度越高，電器開啟 時間越靠近第二和第三用電習(xí)慣，則用戶的舒適度會差一些，因此屯，d2, d3對舒適度D的影 響比重是不同的，用戶的用電舒適度用下式計算： 0 = (1^62 · d2+B3 · d3 (4) 式中辦，B2, B3分別代表屯，d2, d3的權(quán)重，這里設(shè)定& = 0· 6, B2 = 0· 25, B3 = 0· 15,可 見，舒適度D越大，表示該用電方案的電器運(yùn)行時間越不符合用戶的用電習(xí)慣； 7) 構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)r 充分考慮用戶的用電習(xí)慣和用戶自身的經(jīng)濟(jì)情況，并結(jié)合實時電價構(gòu)造用電方案的目 標(biāo)函數(shù)，由于用電舒適度D和用電費(fèi)用S單位不統(tǒng)一，因此需要對兩個參數(shù)進(jìn)行無量綱處 理，如下式：
(5) 式中：Dmax=方案中用電器個數(shù)X24h，即D可取到的最大值；Dmin為D能取到的最小值； S_為對應(yīng)方案中，電器開啟24小時的用電費(fèi)用，5_為方案中各電器在最低電價階段開啟 運(yùn)行時S能達(dá)到的最小值；萬和歹為無量綱的用電舒適度和用電費(fèi)用。 用電方案目標(biāo)函數(shù)r按下式計算： min r = Ax?D + A^?S (6) 式中Ai、A2*別為萬和友的權(quán)重系數(shù)，且滿MAi+A2 = 14越大，得出的用電方案舒適 度越好，相應(yīng)用電費(fèi)用就會增大；A2越大，對應(yīng)用電方案的用電費(fèi)用越小，但用戶的舒適程 度會比較差，當(dāng)用戶優(yōu)先考慮用電習(xí)慣時，A1>A2 ;當(dāng)用戶認(rèn)為節(jié)約費(fèi)用優(yōu)先考慮時，A1〈A2， 按步驟4)對用電方案進(jìn)行了 10個等級的劃分，等級越高，用電費(fèi)用越小，用戶可以根據(jù)自 己的經(jīng)濟(jì)條件和對用電方案的適應(yīng)程度來進(jìn)行等級的選擇； 8) 利用粒子群算法進(jìn)行電方案的尋優(yōu) 以r取最小值為目標(biāo)值，運(yùn)用粒子群算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，在粒子群算法中，輸 入的變量為用電方案的各電器開啟時間，根據(jù)用戶選定的用電方案等級確定目標(biāo)函數(shù)r， 并以其最小值為目標(biāo)進(jìn)行迭代尋優(yōu)，最終得出最優(yōu)的電器開啟時間a t'，b/，…，i/，… ，1/，此最優(yōu)開啟時間便是最終的用電方案，算法步驟如下： ⑴設(shè)置參數(shù)范圍，首先限定各電器開啟時間at，bt，…，it，…，l t，并將其作為輸入變 量； (2) 初始化粒子位置，粒子η的初始位置為表示為：Xn(0) = atn, btn，…，itn，…，ltn ; (3) 計算每個粒子的適應(yīng)函數(shù)r，確定粒子η的歷史最優(yōu)位置Pn = [Pan，Pbn，…，Pln]和 全局最優(yōu)位置Gn = [Gan，Gbn，…，Gln]，并由Pn和G n計算粒子η第j+1次迭代時的學(xué)習(xí)速度 Vn(j+1)： vn(j+l) = w*Vn(j)+c1*r1*(Pn-X n(j))+c2*r2*(Gn-Xn(j)) (7) 式中：j為迭代次數(shù)，Vn(j)為粒子第j次迭代時的學(xué)習(xí)速度；Xn(j)為粒子第j次迭代 時的位置，w為慣性參數(shù)；Cl、c2為算法控制參數(shù)，用來調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)強(qiáng)度；ri、r 2為0到1之間的 隨機(jī)數(shù)，用來防止算法陷入局部最優(yōu)， (4) 改變粒子位置。公式（6)為粒子η第j+Ι次迭代時的位置計算公式： Xn(j+1) = Xn(j)+Vn(j+1) (8) (5) 重復(fù)本步驟的（3)和（5)，直到達(dá)到要求迭代次數(shù)或目標(biāo)函數(shù)滿足規(guī)定閾值， (6) 結(jié)束迭代，求取種群中的最優(yōu)粒子，進(jìn)而求得最優(yōu)用電方案的電器開啟時間 at'，bt'，...，ν ,...,1/ ; 9)根據(jù)"內(nèi)部運(yùn)算"得到的電器開啟時間a/，b/，…，it'，…，1/，對各電器進(jìn)行 控制，最終實現(xiàn)家庭的智能用電。
2. -種基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電系統(tǒng)，其特征是，它包括：以ARM9處理器為核心 分別與電能計量模塊、操作顯示模塊、外部通信模塊和電器控制模塊電連接，ARM9處理器對 電能計量模塊、操作顯示模塊、外部通信模塊和電器控制模塊進(jìn)行控制，通過采集的電器信 息和用戶輸入的控制信息，計算并給出最優(yōu)用電方案；電能計量模塊包括互感電路和電能 計量模塊，負(fù)責(zé)檢測用電器的開啟情況；操作顯示模塊包括鍵盤和LCD屏，通過鍵盤用戶選 擇用電方案等級和當(dāng)天欲使用電器種類，LCD屏主要顯示當(dāng)前電價和電費(fèi)信息，同時顯示所 提供用電方案中各電器的開啟時間；外部通信模塊包括電平轉(zhuǎn)換芯片分別與ARM9處理器 和PC機(jī)相連，將ARM9處理器串口通信端口 TTL電平信號轉(zhuǎn)換為PC機(jī)常用的RS-232接口 信號，實現(xiàn)與PC機(jī)通信連接，PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)與電力部門連接，實現(xiàn)電力部門與用戶的信 息交互，以獲取分時電價信息；電器控制模塊包括繼電器組成的開關(guān)控制器，負(fù)責(zé)對用戶用 電器a至用電器i，即若干個用電器的接入電路進(jìn)行開關(guān)控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電系統(tǒng)，其特征是，所述的ARM9 處理器的型號為S3C2440A。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電系統(tǒng)，其特征是，所述的電能 計量模塊的電能計量芯片型號為ATT7022C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于用戶習(xí)慣的家庭智能用電系統(tǒng)，其特征是，所述的外部 通信模塊的電平轉(zhuǎn)換芯片型號為MAX232。
【文檔編號】G05B19/042GK104122819SQ201410342456
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】吳云, 曲朝陽, 于華濤, 王蕾, 曲楠, 楊杰明, 婁建樓, 郭曉利 申請人:東北電力大學(xué)