本發(fā)明涉及一種電力用戶能源管理方法。
背景技術：
：近些年來，家庭電力用戶終端電器智能化程度不斷提高、數(shù)量和種類不斷增長，使得電力用戶對智能電器進行統(tǒng)一管理成為用戶真實且迫切的需求。物聯(lián)網(wǎng)技術和智能家居的發(fā)展給電力用戶提供了很多管理控制方案，其所實現(xiàn)的功能主要集中在在遠程控制或便捷管理，而沒有為電力用戶提供有效的電器協(xié)調(diào)和節(jié)能方案。隨著智能電網(wǎng)技術的發(fā)展，通過終端電力用戶的需求側響應降低電力供需平衡的成本，已逐漸引起人們的重視。因此，借助智能電網(wǎng)中智能量測裝置，并在家庭電力用戶配置電力用戶智能終端，在與智能電表實現(xiàn)雙向通訊的同時，可以實現(xiàn)家庭能量優(yōu)化管理和家庭電器的協(xié)調(diào)控制。此外，可再生能源、家庭充電汽車、儲能等電力終端電器的大力發(fā)展，提高了電力供應的多元化，也為電力用戶能量優(yōu)化管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。發(fā)明專利CN103413381A《一種家庭能量管理系統(tǒng)及其工作方案》提出的家庭能量控制方法需要用戶輸入目標電費值，并非系統(tǒng)全局優(yōu)化所得到的最優(yōu)值，因此并不能達到最經(jīng)濟的狀態(tài)。發(fā)明專利CN103676846A《一種新型家庭能量管理系統(tǒng)的智能控制算法》將實際用電需求是否超過可再生能源發(fā)電作為減載的觸發(fā)條件，并考慮了用戶舒適度是否越限，但并未對家庭用電成本進行有效優(yōu)化。發(fā)明專利CN103676846A《一種用于家庭能量管理系統(tǒng)的智能控制算法》根據(jù)電器舒適度重要性對電器進行調(diào)節(jié)控制，從而達到電力公司的限電要求，該方案同樣不能對家庭用電成本進行有效優(yōu)化。有必要提出一種家庭電力用戶能源優(yōu)化方案，既考慮用戶的用電成本，也兼顧用戶的舒適度體驗，同時提高用戶參與需求側響應的積極性和主動性。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的缺點，提出一種家庭電力用戶能量管理方法。本發(fā)明基于智能電表的分時電價信息進行需求側響應，并實現(xiàn)家庭電力用戶能量優(yōu)化管理。同時，本發(fā)明充分考慮用戶舒適需求和電器優(yōu)先度的設定，實現(xiàn)提高了用戶參與能量管理的積極性和主動性，以及需求側響應控制的自動化。本發(fā)明家庭電力用戶能量管理方法所涉及的目標函數(shù)由家庭電力用戶日用電費用目標優(yōu)化函數(shù)和用戶不滿意懲罰函數(shù)加權組成，目標函數(shù)所應滿足的約束包括非熱控制類不可中斷電器運行約束、非熱控制類可中斷電器運行約束、熱控制類電器運行約束、屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)約束、注入功率約束、售電和購電約束等。本發(fā)明用于家庭電力用戶能量管理方法的步驟是：1、根據(jù)電器的不同特點，將家庭電力用戶常用電器分為三種類型：1)非熱控制類不可中斷電器，這類電器一旦開始工作，將持續(xù)工作直至任務結束，如洗碗機、洗衣機等；2)非熱控制類可中斷電器，在完成任務的工作過程中，這類電器可以隨時啟停，即可以中斷，如電動充電汽車、電動水泵等；3)熱控制類電器，這類電器的工作狀態(tài)與空氣或熱水的溫度有關，如空調(diào)和熱水器等。2、定義電力用戶能量管理優(yōu)化模型優(yōu)化目標函數(shù)J，所述的電力用戶能量管理優(yōu)化模型目標函數(shù)J由家庭電力用戶日用電費用目標優(yōu)化函數(shù)J1和用戶不滿意懲罰函數(shù)J2加權組成，即：式(1)中，為權重因子，取值范圍為0到1，權重因子表征用戶的舒適度需求，越大，用戶的舒適需求越高。用戶可以通過調(diào)整權重因子的值靈活地選擇對應不同的用電成本和舒適度的場景。因此，和常用的能量優(yōu)化方法比較，在為電力用戶節(jié)約用電費用的同時，充分考慮了用戶的舒適度體驗，靈活地讓用戶在舒適體驗和用電成本上達到平衡。1)所述的電力用戶能量管理優(yōu)化模型目標函數(shù)J1為：J1=Σt∈T[λbuy·Pbuy(t)·Δt-λsell·Psell(t)·Δt]---(2)]]>式中，Δt為優(yōu)化時間間隔；λbuy為買電價格(元/千瓦時)，λsell為售電價格，單位為元/千瓦時；Pbuy為電能從電網(wǎng)流向家庭用戶時在Δt內(nèi)的平均功率，Psell為電能從家庭用戶流向電網(wǎng)時在Δt內(nèi)的平均功率，t為時間。2)所述的用戶不滿意懲罰函數(shù)J2為：J2=Σi∈Aζi---(3)]]>ζi=Σt=LiUi(1+ϵi·t)·uiAPP(t)∀i∈Anon---(4)]]>ζi=Σt=LiUi(1+ϵi·t)·PiAPP(t)∀i∈Ain---(5)]]>上式中，εi為用戶對第i個電器設定的電器優(yōu)先度；為第i個電器開關狀態(tài)，1為工作狀態(tài)，0為關閉狀態(tài)；PiAPP為第i個電器電器的平均功率；Anon為非熱控制類不可中斷電器的集合、Ain為非熱控制類可中斷電器的集合，Ather為熱控制類電器的集合；Tc,i為用戶設定的最舒適的水溫或空氣溫度；為第i個電器允許的水溫的上限，為允許的空氣溫度的下限；Tu,i為熱控制類電器工作時實際的水溫或空氣溫度；ζi為用戶對第i個電器的滿意度；A為某類電器的集合；i為電器編號；表示對任意的電器都滿足；T為一個調(diào)度周期，為t時段用戶對第i個電器的滿意度。3、針對描述熱控制類電器i的不滿意度的分段函數(shù)(7)，引入非負數(shù)w1,i(t)、w2,i(t)、w3,i(t)，以及0或1的整數(shù)z1,i(t)、z2,i(t)，將分段函數(shù)(7)進行線性化表達，如此，熱控制類電器工作時實際的水溫或空氣溫度Tu,i(t)和t時段用戶對第i個電器的滿意度分別可以表述為式(9)和式(10)：w1,i(t)≤z1,i(t),w2,i(t)≤z1,i(t)+z2,i(t),w3,i(t)≤z2,i(t)w1,i(t)+w2,i(t)+w3,i(t)＝1,wk,i(t)≥0(k＝1,2,3)z1,i(t)+z2,i(t)＝1,zk,i(t)＝0or1(k＝1,2)(8)Tu,i(t)=θidn·w1,i(t)+Tc,i·w2,i(t)+θiup·w3,i(t)∀i∈Ather---(9)]]>上式中，w1,i(t)、w2,i(t)、w3,i(t)分別為非負數(shù)；z1,i(t)、z2,i(t)為0或1的整數(shù)。通過上述式(8)、式(9)和式(10)的變換，將式(7)的非線性表達轉化為線性表達。因此，由于采用了線性優(yōu)化，相比非線性優(yōu)化的方法，在面對數(shù)量較多的電器場景時，將明顯提高收斂速度，在實用中將大幅提高用戶體驗。4、構建電力用戶能量管理優(yōu)化模型目標函數(shù)J應滿足的約束，這些約束均采用線性描述，具體如下：(1)對于非熱控制類不可中斷電器，應滿足如下約束：uiAPP(t)=0∀t∈[1,Li)∪(Ui,NT],∀i∈Anon---(11)]]>PiAPP(t)=uiAPP(t)·PR,iAPP∀t∈[Li,Ui],∀i∈Anon---(12)]]>Σt=jj+TL,i-1uiAPP(t)≥TL,i·(uiAPP(j)-uiAPP(j-1))∀j∈(Li,Ui-TL,i+1),∀i∈Anon---(13)]]>上式中，為電器開關狀態(tài)，1為工作狀態(tài)，0為關閉狀態(tài)；Anon為非熱控制類不可中斷電器的集合，Li為非熱控制類不可中斷電器允許開始工作時刻，Ui為非熱控制類不可中斷電器最晚完成任務時刻；NT為優(yōu)化時段最后一個時間間隔；為電器額定功率；TL,i為非熱控制類不可中斷電器完成任務所需要的時長，j為(Li,Ui-TL,i+1]范圍內(nèi)的整數(shù)。(2)對于非熱控制類可中斷電器，應滿足如下約束：PiAPP(t)=0∀t∈[1,Li)∪(Ui,NT],∀i∈Ain---(14)]]>Σt=LiUiPiAPP(t)·Δt≥EiAPP∀i∈Ain,∀t∈T---(15)]]>0≤PiAPP(t)≤PR,iAPP∀t∈T,∀i∈Ain---(16)]]>上式中，Ain為非熱控制類可中斷電器的集合，T為優(yōu)化時段；為非熱控制類可中斷電器完成任務所需要消耗電能；為非熱控制類可中斷電器的額定功率；PiAPP為非熱控制類可中斷電器的實際平均功率；Li為非熱控制類可中斷電器允許開始工作時刻，Ui為非熱控制類可中斷電器最晚完成任務時刻；NT為優(yōu)化時段最后一個時間間隔，Δt為優(yōu)化時間片段長。(3)對于熱控制類電器之一的空調(diào)，應滿足如下約束：0≤PiAPP(t)≤PR,iAPP∀t∈T,∀i∈AC---(17)]]>Tu,i(t)=Tu,i(t-1)+η[Wout(t)-Tu,i(t-1)]+γ·PiAPP(t)·Δt∀t>1,t∈T,∀i∈AC---(18)]]>θidn≤Tu,i(t)≤θiup∀t∈T,∀i∈AC---(19)]]>上式中，PiAPP為空調(diào)實際功率；為空調(diào)額定功率；Tu,i為實際房間溫度；η、γ為房間溫度表達式的參數(shù)；Wout為屋外空氣溫度；AC為家庭內(nèi)所有空調(diào)集合；和分別為用戶設定的，空調(diào)所在房間所期望的最高溫度和最低溫度。(4)對于熱控制類電器之一的熱水器，應滿足如下約束：0≤PiAPP(t)≤PR,iAPP∀t∈T,∀i∈WH---(20)]]>Σk=1tPiAPP(k)·Δt≥Σk=1tρwh(t)∀t∈T,∀i∈WH---(21)]]>ρwh(t)=λ·m(t)·cw·(Tu,i(t)-Tcold)∀t∈T,∀i∈WH---(22)]]>Σk=1tPiAPP(k)·Δt≤λ·M·cw·(θimax-T0)+Σk=1tρwh(k)∀t∈T,∀i∈WH---(23)]]>θidn≤Tu,i(t)≤θiup∀t∈T,∀i∈WH---(24)]]>上式中，PiAPP為熱水器平均功率；為熱水器額定功率；ρwh為熱水器所需求功率；λ＝1/3600000；m為用戶熱水需求；cw為水的比熱容；Tu,i為用戶使用熱水的溫度；Tcold為熱水器進水的溫度；M為熱水器容量；為熱水器物理允許最高溫度；T0為熱水器內(nèi)初始水溫；和分別為允許水溫下限和上限。PESSused(t)+PESSsold(t)=ηESSd·PESSd(t)∀t∈T---(25)]]>0≤PESSd(t)≤RESSd·(1-μESS(t))∀t∈T---(26)]]>SESS(t)=SESS(t-1)+ηESSc·PESSc·Δt-ηESSd·PESSd·Δt∀t>1,∀t∈T---(27)]]>SESS(t)=SESSini(t),ift=1---(28)]]>SESSmin(t)≤SESS(t)≤SESSmax(t)∀t∈T---(29)]]>上式中，為儲能供給家庭負荷的功率；儲能饋入電網(wǎng)的功率；為儲能的放電效率，為儲能的充電效率；μESS為儲能的充放電標志，為0、1變量，1為充電，0為放電；為儲能充放電最大功率；為儲能放電功率，為儲能充電功率；SESS為儲能容量狀態(tài)；Δt為時間間隔；為儲能初始容量；為儲能能量下限，為儲能能量上限。(5)對于屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，應滿足如下約束PPVuse(t)+PPVsell(t)=PPV(t)∀t∈T---(30)]]>上式中，為光伏發(fā)電供給家用電器使用的功率；為光伏系統(tǒng)饋入電網(wǎng)的功率；PPV為預測的光伏發(fā)電功率。同時，還需滿足功率守恒約束：Pbuy(t)+PPVuse(t)+PESSused(t)=PESSc(t)+Σi∈APiAPP(t)+Pmust(t)∀t∈T---(31)]]>上式中，PiAPP為第i個電器的耗電功率；Pmust為電力用戶家庭不可控電器的運行功率。(6)注入電網(wǎng)的功率必須滿足如下約束：Psell(t)=PPVsell(t)+PESSsell(t)∀t∈T---(32)]]>上式中，Psell為家庭售電給電網(wǎng)時的總功率；為屋頂光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)饋電時的功率；為為儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)饋電時的功率。(7)如下約束保證家庭不能同時向電網(wǎng)售電和購電：Pbuy(t)≤N1·μgrid(t)∀t∈T---(33)]]>Psell(t)≤N2·(1-μgrid(t))∀t∈T---(34)]]>上式中Pbuy和Psell分布為向電網(wǎng)購電或售電時的功率；μgrid為0、1變量為向電網(wǎng)購電標志，1表示向電網(wǎng)購電，0表示向電網(wǎng)售電；N1和N2均為整數(shù)，當其為實變實數(shù)時，可實現(xiàn)電網(wǎng)需求側響應。5、通過用戶輸入或基于歷史數(shù)據(jù)預測等方式獲取電力用戶能量管理所需要的數(shù)據(jù)，包括：1)運算周期內(nèi)用戶的用電需求；2)運算周期內(nèi)的光伏發(fā)電功率；3)家庭內(nèi)各控制電器的額定功率、額定容量等參數(shù)；4)用戶的舒適度需求、電器優(yōu)先度以及允許電器工作的時間段；5)儲能電池和電動汽車初始容量；6、采用CPLEX求解器對電力用戶能量管理優(yōu)化模型目標函數(shù)J進行優(yōu)化求解。7、獲取優(yōu)化結果，并將優(yōu)化結果通過人機交互界面反饋給用戶，優(yōu)化結果包括：(1)當前優(yōu)化策略下整個運行周期的總電費；(2)電器預計開啟或關閉的時刻，以及維持開啟或關閉狀態(tài)的時長。本發(fā)明電力用戶能量管理方法具有如下優(yōu)點：(1)本發(fā)明能量管理方法根據(jù)不同電器的運行特性，將常用電器分類，具有普適性，能用于不同規(guī)模和含有各類用電設備的家庭用戶能量優(yōu)化。(2)本發(fā)明能量管理方法針對所有家用電器的舒適度需求，采用線性規(guī)建模，相比其它控制方法在面對數(shù)量較多的電器時具有較快的收斂速度，因此在實用中將大幅提高用戶體驗。(3)本發(fā)明能提高用戶主動參與能量管理的積極性。相對一般的能量優(yōu)化方法，在為電力用戶節(jié)約用電費用的同時，充分考慮了用戶的舒適度體驗，靈活地讓用戶在舒適體驗和用電成本上達到平衡。(4)本發(fā)明能適應分布式能源的接入和管理，并能與國家電網(wǎng)智能電表進行有效融合?？勺層脩綮`活地參與能量管理，在提高用戶積極性的同時，充分注重人性化體驗，可應用于智能電網(wǎng)需求側響應管理場合。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例電力用戶能量管理能量流和信息流示意圖；圖2為本發(fā)明電力用戶能量管理方法實施例示意圖；圖3為獲取的24小時電價信息；圖4為預測的光伏發(fā)電功率；圖5為預測的室外溫度；圖6為預測的熱水需求；圖7為預測的家庭內(nèi)必須運行的其它負荷功率；圖8各電器預計運行時段及相應的運行功率；圖9空調(diào)運行溫度及熱水器內(nèi)熱水溫度。具體實施方式以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)明實施例的能量流和信息流。本實施例除了屋頂光伏和儲能外，還包括如下電器。根據(jù)前述的常用電器分類方法，這些電器可以分為：(1)非熱控制類可中斷電器3個：充電汽車2臺，抽水泵1臺；(2)非熱控制類不可中斷電器2個：洗碗機2臺和洗衣機1臺；(3)熱控制類電器2個：空調(diào)和熱水器。在執(zhí)行本發(fā)明電力用戶能量管理方法前，電力用戶需要預先輸入如表1所示的用戶需求參數(shù)，從而參與能量優(yōu)化管理。電力用戶可以根據(jù)需求靈活調(diào)節(jié)所輸入的參數(shù)。表1某電力用戶參與能量管理設定的參數(shù)實施本發(fā)明的電力用戶能量管理還需要從國家電網(wǎng)所屬智能電表獲取分時電價信息。另外，通過網(wǎng)絡通訊方式，接受來自互聯(lián)網(wǎng)、服務器等渠道的天氣信息。此外，基于外部獲取或自身存儲的數(shù)據(jù)后，需通過分析計算，預測調(diào)度周期內(nèi)屋頂光伏的發(fā)電功率、室外溫度等。預測的光伏發(fā)電功率如圖4所示，預測的室外溫度如圖5所示，預測的用戶熱水需求如圖6所示，預測的其它必須運行的負荷功率如圖7所示。接下來，建立由家庭電力用戶日用電費用目標優(yōu)化函數(shù)J1和用戶不滿意懲罰函數(shù)J2加權組成的電力用戶能量管理優(yōu)化模型目標函數(shù)J，同時，針對電力用戶能量管理優(yōu)化模型目標函數(shù)J和各種不同類型的電器建立各種約束，如圖2所示。然后采用CPLEX求解器對電力用戶能量管理優(yōu)化模型目標函數(shù)J求解。對于本實施例，基于用戶所輸入?yún)?shù)的優(yōu)化結果為：當日預計電費為8.9305元，各電器的運行時間段及相應的運行功率如圖8所示，對應的室內(nèi)溫度及熱水器內(nèi)熱水的溫度如圖9所示。取得優(yōu)化結果后，如當日預計電費，各電器的預計運行時段和啟停開始時刻等，將＝優(yōu)化結果通過人機交互界面反饋給用戶。用戶在獲得優(yōu)化結果后，如果對當前結果不滿意，可以調(diào)整表1所示的參數(shù)，并重新進行優(yōu)化計算，直至得到用戶期望的運行場景。如此，本發(fā)明通過用戶調(diào)整少量參數(shù)實現(xiàn)了用戶介入能量管理，這種讓用戶參與能量管理的方式，注重了人性化體驗，可以提高用戶參與能量管理的積極性。當前第1頁1 2 3