一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制方法和系統(tǒng)，其方法的特點是，包括根據(jù)家電負荷類型自主設(shè)置家電分類；根據(jù)采集到的30天的歷史家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定用戶的家電使用習慣；根據(jù)接收電網(wǎng)的分時電價政策信息，預(yù)測確定用戶各時段對應(yīng)的基本負荷需求范圍；根據(jù)已求的用戶家電使用習慣特征和負荷設(shè)定，計算家電可控度指數(shù)，并確定各家電的運行狀態(tài)模型；根據(jù)家電可控度指數(shù)，確定家電動態(tài)控制優(yōu)先級和控制算法，實現(xiàn)家電的智能控制等步驟。具有交互性好，用戶接收度高，并且可指導(dǎo)用戶合理錯峰用電，顯著減少用電費用等優(yōu)點。
【專利說明】—種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及家電智能控制領(lǐng)域，是一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，家庭用戶智能家電持有量增多，家電負荷不斷增加，為了合理減少用電支出，科學(xué)的引導(dǎo)用戶削峰填谷，家電的智能控制勢在必行，同時，智能雙向交互技術(shù)和需求響應(yīng)技術(shù)的出現(xiàn)，使得用戶通過控制家電來主動參與分時電價響應(yīng)成為可能。
[0003]目前家庭智能控制方式有:中國發(fā)明專利申請?zhí)?201110044875.8，公開了一種控制家用電器運行模式的方法、裝置及智能家電控制器，它以實現(xiàn)根據(jù)電網(wǎng)負荷變化的情況，對家電進行自動控制的技術(shù)問題，從而提高能源的使用效率。它是從電網(wǎng)中提取窄帶電力線載波通信PLC信號，之后將PLC信號轉(zhuǎn)化成邏輯電平TTL，根據(jù)轉(zhuǎn)化的邏輯電平TTL來確定當前的電網(wǎng)電價信息，再將所訴的電價信息轉(zhuǎn)換成與家用電器對應(yīng)的控制命令，最后通過電器的控制接口將命令發(fā)送給電器以達到控制電器的作用，但是，它僅考慮電網(wǎng)負荷變化因素對家用電器控制的影響，而忽略了用戶的用電習慣、分時電價響應(yīng)和滿意度等因素，其控制過程不夠人性化，對用戶的正常用電生活影響較大，用戶接收程度有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是:提供一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制方法，這種方法基于智能用電雙向交互技術(shù)，從分時電價響應(yīng)、電費支出、用戶的用電習慣和舒適度四個角度來分析家電運行控制特性，并根據(jù)分時電價信息和家電的實時運行狀態(tài)信息計算家電可控度指數(shù)，確定家電的動態(tài)控制優(yōu)先級，在滿足用戶正常用電生活的基礎(chǔ)上，以改變用戶的用電習慣和滿足用戶的舒適度。
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二是:提供一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制系統(tǒng)。
[0006]解決其技術(shù)問題米用的技術(shù)方案之一是:一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制方法，其特征是，它包括以下步驟:
[0007]I)根據(jù)家電負荷類型自主設(shè)置家電分類
[0008]按照家電使用對用戶生活的影響程度將家電分為重要負荷家電和可控負荷家電，所述重要負荷家電指電爐、照明類，一旦斷電會給用戶生活造成較大影響的家電；所述可控負荷家電指空調(diào)、熱水器用電時間及規(guī)律比較穩(wěn)定、且其短時間斷電幾乎不影響居民正常生活的家電，對于用戶所擁有的全部家電的負荷分類設(shè)定可由用戶自主調(diào)整；
[0009]2)根據(jù)采集到的30天的歷史家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定用戶的家電使用習慣特征
[0010]用戶的家電使用習慣特征:由家電的使用優(yōu)先級表征用戶的電器使用偏好；由家電的模糊用電時段表征用戶的電器習慣運行區(qū)間；由家電使用的最低時長表征電器運行時間的最低界限值；由家電使用的最高時長表征電器運行時間的最低界限值，由于用戶在工作日與休息日的家電使用行為差異性較大，因此，其電器使用習慣有工作日和休息日之分，各個家電的使用習慣特征的具體求解過程如下:
[0011](I)選取用戶的家電使用行為分析的樣本
[0012]從存儲模塊中的歷史的家電狀態(tài)數(shù)據(jù)集中選取近30天內(nèi)的家電狀態(tài)數(shù)據(jù)按工作日和非工作日進行劃分作為分析樣本，其家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的主要屬性包括家電編號，家電名稱，家電開啟時間，家電關(guān)閉時間，家電的運行功率等，家電的狀態(tài)數(shù)據(jù)由可控智能插座采集，傳輸?shù)街悄芙换ソK端暫時存儲并發(fā)送給小區(qū)的智能控制中心統(tǒng)一存儲，其采集間隔為Imin ；
[0013](2)建立基于用戶習慣的家電使用優(yōu)先級映射表
[0014]首先，確定家電使用優(yōu)先級，假設(shè)該用戶的家電總量為n，則其基于用戶習慣的家電使用優(yōu)先級劃分為η級，其次，求解各家電的使用頻率，根據(jù)當前日確定日期類型，即休息日或工作日，計算求出某家電i在樣本數(shù)據(jù)中的使用頻率為A:
[0015]

【權(quán)利要求】
1.一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制方法，其特征是，它包括以下步驟: 1)根據(jù)家電負荷類型自主設(shè)置家電分類 按照家電使用對用戶生活的影響程度將家電分為重要負荷家電和可控負荷家電，所述重要負荷家電指電爐、照明類，一旦斷電會給用戶生活造成較大影響的家電；所述可控負荷家電指空調(diào)、熱水器用電時間及規(guī)律比較穩(wěn)定、且其短時間斷電幾乎不影響居民正常生活的家電，對于用戶所擁有的全部家電的負荷分類設(shè)定可由用戶自主調(diào)整； 2)根據(jù)采集到的30天的歷史家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定用戶的家電使用習慣特征 用戶的家電使用習慣特征:由家電的使用優(yōu)先級表征用戶的電器使用偏好；由家電的模糊用電時段表征用戶的電器習慣運行區(qū)間；由家電使用的最低時長表征電器運行時間的最低界限值；由家電使用的最高時長表征電器運行時間的最低界限值，由于用戶在工作日與休息日的家電使用行為差異性較大，因此，其電器使用習慣有工作日和休息日之分，各個家電的使用習慣特征的具體求解過程如下: (1)選取用戶的家電使用行為分析的樣本 從存儲模塊中的歷史的家電狀態(tài)數(shù)據(jù)集中選取近30天內(nèi)的家電狀態(tài)數(shù)據(jù)按工作日和非工作日進行劃分作為分析樣本，其家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的主要屬性包括家電編號，家電名稱，家電開啟時間，家電關(guān)閉時間，家電的運行功率等，家電的狀態(tài)數(shù)據(jù)由可控智能插座采集，傳輸?shù)街悄芙换ソK端暫時存儲并發(fā)送給小區(qū)的智能控制中心統(tǒng)一存儲，其采集間隔為Imin ； (2)建立基于用戶習慣的家電使用優(yōu)先級映射表 首先，確定家電使用優(yōu)先級，假設(shè)該用戶的家電總量為n，則其基于用戶習慣的家電使用優(yōu)先級劃分為η級，其次，求解各家電的使用頻率，根據(jù)當前日確定日期類型，即休息日或工作日，計算求出某家電i在樣本數(shù)據(jù)中的使用頻率為仁:Zi = -、丨
1 td 其中，Cii為家電在td天內(nèi)的使用次數(shù)，、為按當日日期類型對應(yīng)的家電使用行為分析樣本中的天數(shù)，最后，確定優(yōu)先級，建立映射表，通過對A進行升序排列，其對應(yīng)家電的優(yōu)先級分別為I到η，η表示的優(yōu)先級最大，進而建立優(yōu)先級映射表； (3)求解基于用戶習慣的家電使用基本參數(shù) 基于第一步得到的樣本數(shù)據(jù)，計算并求出各個家電的最小用電時長△ 最大用電時長Δ \眶，平均時長瓦=，平均用電功率y，根據(jù)各個家電的用電時段(ti；s, ti；e)的均值時間點I^mid進行K-Means聚類分析,算法步驟如下: ①選取特征向量，構(gòu)建樣本特征向量集，由于同一家電的用電時段差異性不大，所以，家電使用均值時間點最能反映出用戶的家電使用行為，且同一電器不同日期具有相似的家電使用特性，故選取家電的用電時段均值點^mid作為特征向量，以該家電的所有樣本的用電時段均值點的按時間升序排列作為樣本特征向量集； ②初始化，設(shè)樣本特征向量集中有N個均值點，選取上一天的出現(xiàn)的k個均值點作為初始聚類中心，聚類中心矩陣為:
Ui = [U,!,Uii2,..., Ui,J (2) 對數(shù)據(jù)集中家電i第j個樣本點tu，計算其與各聚類中心的時差距離，并獲取所屬的類別標號，計算公式如下:
Um U) <——arg mi η |/;.- Uim |，/? = I ”..上./ = I ”.Λ,C P 式中，Um(j)代表樣本點y與k個簇距離最近的簇； ③重新計算k個聚類中心,計算公式如下: L =- T Ij.(4)
Nm ,欠' 式中，Nni是以Uum為聚類中心的簇的樣本個數(shù)； ④重復(fù)計算，直到準則函數(shù)收斂為止，收斂評判依據(jù)如下:ε=ΣΣ卜H⑶
/=1 Uijn 式中，E是樣本集中所有對象的平方誤差的總和，t是空間中的點，Hij是簇Uum的平均值，最終求出的家電i的聚類中心矩陣仏，對其均值點按平均時長Z7等值擴展，確定該家電的模糊用電時段矩陣Ti,本步驟整體由智能交互端的用電分析模塊實現(xiàn)； 3)根據(jù)接收電網(wǎng)的分時電價政策信息，預(yù)測確定用戶各時段對應(yīng)的基本負荷需求范圍 分時電價指根據(jù)系統(tǒng)負荷水平，每時段執(zhí)行不同電費標準的電價制度，分時電價可表示為
Pt = P0* (1+Pr；t),t = I, 2,..., Np (6) 式中，t表示時段，Np為劃分的總時段數(shù)，Pt表示t時刻的費率標準，單位Y/KW.h，P0表示基礎(chǔ)電價，Pr；t表示各時段相對費率標準相對基礎(chǔ)電價的浮動比率，分時電價響應(yīng)是以通過對各時段的進行負荷電量分配限制體現(xiàn)，其約束條件是滿足用戶電費相對較少的限制，以近30天的日平均電費支出M作為電費支出額度來判斷； 負荷分配過程如下: (a)根據(jù)用電習慣特征，求解各個家電各時段對應(yīng)的標準用電量Q1^t； (b)求解各時段的總負荷Qsum，t,求解公式如下: (2 ,, = YdQu,,(7)

/=1 式中，Ne為家電個數(shù)； (C)求解總電費支出Ms，求解公式如下: Ms=YjPi (8)
仁I (d)判斷Ms是否超過電費支出額度M，若超出，根據(jù)家電使用優(yōu)先級由低到高的順序的對單個家電的使用時間向相鄰低電價時段，時間差在一小時以內(nèi)進行適度偏移，其偏移時長為時間差，若無相鄰低電價時段，繼續(xù)對下一個家電進行判斷，調(diào)整完一個家電的運行時段后，重復(fù)(b)和(C)，直到凡在電費支出額度M之內(nèi)，各時段的總負荷Q_，t即各時段對應(yīng)的負荷電量限制上限，重要負荷家電的總負荷Qimp，t與QSUffl，t求解相同，即其負荷電量限制下限；4)根據(jù)已求的的用戶家電使用習慣特征和負荷設(shè)定，計算家電可控度指數(shù)，并確定各家電的運行狀態(tài)模型 用戶被控家電的通斷電狀態(tài)往往與用戶的滿意度有關(guān)，同時用戶的滿意度又受其家電使用情況和用電習慣影響，采用家電可控度指數(shù)K。來表征該家電實時狀態(tài)對用戶用電行為的影響，其值越大，用戶的滿意度越低，其控制就越有必要，根據(jù)I)中的家電分類，重要負荷家電的通斷狀態(tài)與用戶的用電習慣的關(guān)聯(lián)性較大，而可控負荷家電的通斷狀態(tài)與家電電費支出關(guān)聯(lián)性較大，采用某家電i可控度指數(shù)Kcu來表征該家電實時狀態(tài)，用戶可根據(jù)歷史用電行為，進行分時電價響應(yīng)的，并依據(jù)家電可控度實現(xiàn)智能家電合理控制，其計算公式如下:
式中，AT為重要負荷家電i在當前時段下已開啟時段與2)中求得的家電的模糊用電時段矩陣Ti中最接近時段的交叉時段，IF力2)中求得的平均用電時長，Mniiit為t時段家電i的運行電費值，Ms^t為家電i的若在最低電價時段對應(yīng)的電費值，Ea是可控負荷家電集合，Eu是重要負荷家電集合，由式(9)可知，對于重要負荷家電來說，用戶用電行為與用戶用電習慣息息相關(guān)，因此，其可控度指數(shù)通過其用電習慣改變程度來描述，可控度指數(shù)越大，說明用戶滿意度越低，其相應(yīng)家電參與分時電價響應(yīng)的控制優(yōu)先級越高，對于可控負荷家電來說，用戶用電行為與電費支出息息相關(guān)，其可控度指數(shù)通過其用電習慣改變程度來描述，可控度指數(shù)越大，說明用戶滿意度越低，其相應(yīng)家電參與分時電價響應(yīng)的控制優(yōu)先級越高，Kcu已經(jīng)過標么化處理，可作為所有家電的典型狀態(tài)參數(shù)進行比較處理； 針對負荷家電分類，確定家電運行狀態(tài)模型，家電運行狀態(tài)模型分為兩種，分別是可控負荷家電的運行狀態(tài)模型和重要負荷家電的運行狀態(tài)模型: (1)可控負荷家電的運行狀態(tài)模型如下:
式中，Sa，t為t時段的可控負荷家電工作狀態(tài)，O表示斷電狀態(tài)，I表示通電狀態(tài)，Qn，t表示t時段的對應(yīng)的影響因子實時值，Qa，s表示最高設(shè)定值，AQa為設(shè)定范圍，對于可控負荷家電的空調(diào)，其運行狀態(tài)與溫度設(shè)定有關(guān)，當室溫最高時，空調(diào)通電，低于最低值時，空調(diào)斷電，處于設(shè)定范圍內(nèi)，保持原有狀態(tài)； (2)重要負荷家電的運行狀態(tài)模型如下:
式中，su，t為t時段的重要負荷家電工作狀態(tài)，O表示斷電狀態(tài)，I表示通電狀態(tài)，Ti，t表示距離t時段最近離模糊用電時段矩陣的分量，對比重要負荷家電的微波爐，其運行狀態(tài)與用戶歷史用電習慣有關(guān)，處于歷史用電時段應(yīng)開啟，否則，應(yīng)斷電； 5)根據(jù)家電可控度指數(shù)，確定家電動態(tài)控制優(yōu)先級和控制算法，實現(xiàn)家電的智能控制 為實現(xiàn)合理的家電控制，需對家電的控制優(yōu)先級進行確定，引入家電控制動態(tài)優(yōu)先級K，K可隨家電狀態(tài)實時變化，某家電對應(yīng)的K值越大，越優(yōu)先控制， 對于家電i來說，該家電可控度指數(shù)Kcu越大，說明用戶滿意度越低，則其動態(tài)控制優(yōu)先級越高，因此，可以用家電的可控度指數(shù)Kcu來表征家電動態(tài)控制優(yōu)先級K，具體計算過程如下: 表征K的釆樣函數(shù)Kapp (t)的求解公式如下:
家電優(yōu)先級函數(shù)K(t)的求解公式如下: K(t) =N(Kapp(t)) (13) 式中為小于X的最大整數(shù)，N(x)為X的排序函數(shù)，Kapp (t)為t時段的表征K的采樣值，Kc(t)為t時段的家電可控度指數(shù)，先按家電負荷類型對可控度指數(shù)以nmin為采樣周期，得到家電的可控度指數(shù)K。，再對P種可控負荷家電的Ka排序和q種重要負荷家電的Ku排序，并將其分別劃分為P個等級和q個等級。其中，P表示可控負荷家電控制優(yōu)先級最高，q表示重要負荷家電控制優(yōu)先級最高，分析可知，當η較小時，K值可能造成家電通斷電狀態(tài)的頻繁變化，影響家電正常工作，當η較大時，K值的更新周期較長，該動態(tài)優(yōu)先級有一定滯后性，將影響用戶的滿意度，因此需合理選擇η值，基于用戶的家電用戶習慣特征，令η值取各個家電的最小用電時長△ ^min進行初始設(shè)定，用戶可自主調(diào)整，這樣不僅使家電控制符合家電使用規(guī)律，同時，避免了控制的滯后性； 家電控制目標是:在電網(wǎng)分時電價政策下，保證用戶正常用電生活，盡量減少電費開支，按照家電可控度系數(shù)確定家電的動態(tài)控制優(yōu)先級K，并由高到低執(zhí)行控制決策，設(shè)某時段的家電總負荷量為Ρ1，響應(yīng)分時電價的預(yù)測的某時段負荷電量限制Ρ2，本發(fā)明的控制原則是先基于分時電價和用戶習慣的預(yù)測負荷分布進行家電控制，后基于用電習慣對重要負荷家電的進行二次家用電控制，具體的控制算法如下: (e)接收電網(wǎng)下一天的分時電價政策，計算分時電價Pt，并根據(jù)歷史用電習慣，計算P2 ； (f)據(jù)家電負荷類型和家電實時運行數(shù)據(jù)計算K。和K并排序，確定可控負荷家電和重要負荷家電的動態(tài)優(yōu)先級，在對比判斷Pl和P2的大?。? (g)當P1>P2時，實施第一階段控制，對可控負荷家電進行控制，按照家電動態(tài)優(yōu)先級由低到高順序，若該家電為通電狀態(tài)，則令其斷電并更新P1，然后重復(fù)(f)，否則若該家電處于斷電狀態(tài)，則判定較低優(yōu)先級家電狀態(tài)并進行決策，直至P1〈P2滿足要求，若仍不滿足，對重要負荷家電極限第二階段控制，根據(jù)家電的工作狀態(tài)模型，進行第二階段狀態(tài)控制，當重要負荷家電進行控制過程時，按照家電動態(tài)優(yōu)先級由低到高順序，若該家電為通電狀態(tài)，需向用戶發(fā)出家電工作狀態(tài)改變提醒，Imin內(nèi)無回應(yīng)或同意，則自動控制，若回應(yīng)拒絕，則不執(zhí)行該控制，控制完成后，更新P1，然后重復(fù)(f)，否則若該家電處于斷電狀態(tài)，則判定較低優(yōu)先級家電狀態(tài)并進行決策，直至P1〈P2滿足要求； (h)當P1〈P2時，根據(jù)家電的工作狀態(tài)模型，進行第二階段狀態(tài)控制，當重要負荷家電進行控制過程時，需向用戶發(fā)出家電工作狀態(tài)改變提醒，Imin內(nèi)同意，則自動控制，若回應(yīng)拒絕或無回應(yīng)，則不執(zhí)行該控制，控制完成后，進行家電狀態(tài)更新，直至PKP2滿足要求，進入下一輪控制。
2.一種基于分時電價響應(yīng)的交互式家電智能控制系統(tǒng)，其特征是，它由智能交互終端、可控智能插座、智能電表采集模塊、小區(qū)控制中心、電網(wǎng)控制中心組成，智能交互終端與可控智能插座、小區(qū)控制中心、智能電表數(shù)據(jù)采集模塊相連，其中，用電分析模塊用于家電歷史用電習慣分析，家電控制模塊可用于家電運行狀態(tài)模型構(gòu)建，可控度指數(shù)計算，家電控制優(yōu)先級確定，控制算法模擬，LED觸摸顯示屏用于基本信息錄入，家電運行狀態(tài)顯示，時鐘模塊用于確定系統(tǒng)時間，電源模塊用于智能交互終端的電量供給，通信模塊用于上傳由可控智能插座采集到的家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收由電網(wǎng)側(cè)發(fā)送到小區(qū)控制中心并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶的分時電價政策信息，存儲模塊用于存儲家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、可控度指數(shù)、家電動態(tài)控制優(yōu)先級等數(shù)據(jù)，告警模塊用于向用戶發(fā)出家電通斷提醒，可控智能插座與智能交互終端相連，用于測量家電的運行狀態(tài)，上傳運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收控制信號，實現(xiàn)智能控制，智能電表采集模塊，與智能電表相連，用于采集智能電表數(shù)據(jù)，小區(qū)控制中心與電網(wǎng)控制中心和用戶的智能交互終端相連，用于接收存儲電網(wǎng)側(cè)分時電價政策信息、用戶側(cè)的家電運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析不同用戶的家電運行特點，下發(fā)家電負荷設(shè)置需求，電網(wǎng)控制中心與小區(qū)控制中心相連，用于發(fā)布分時電價政策信息，確保電網(wǎng)負荷平衡。
【文檔編號】G05B19/418GK104181898SQ201410441039
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】吳云, 曲朝陽, 王健, 王蕾, 曲楠, 楊杰明, 婁建樓, 郭曉利 申請人:東北電力大學(xué)