本發(fā)明涉及能源互聯網，特別是涉及一種家庭綜合能源智能優(yōu)化管理系統(tǒng)，屬于能源智能管理控制技術領域。

背景技術：

近代文明的進步，仰賴大量各式能源的驅動?，F代人的生活無時無刻不在使用能源，我們每天的衣食住行娛樂也無一不與水、電力、天然氣、熱量等能源息息相關。居民的能源消耗量日益增加，但能源的利用率不高，而且電能的供應單一等問題也日益凸顯，如何通過能源的互聯使用戶達到降低能源消耗強度的目的以及提高能源利用率已是當務之急。

當前，一種融合了新能源技術與信息技術的智能能源互聯網應運而生，它是以電力系統(tǒng)為核心，涵蓋電力、天然氣、水、熱量等多個系統(tǒng)的綜合能源網絡，從而實現能源的對等交換與充分共享。其中電力網絡包括各種分布式發(fā)電設備、儲能設備、電動汽車及智能負載等。

智能能源互聯網是解決未來大規(guī)模可再生能源發(fā)電接入，提高電力質量與用戶需求側管理水平，以及增強電網系統(tǒng)安全性、可靠性、經濟性的重要手段。在智能能源網絡中會建置可用來記錄系統(tǒng)的電能、水力、熱量與天然氣消耗的智能型能源量表(Smart Meter)和可控制啟停的智能插座、開關，可隨時監(jiān)測電力、水力、熱量與天然氣的使用狀況并可通過網絡回報信息及接受控制指令。構建一個在線實時監(jiān)測、優(yōu)化調度管理系統(tǒng)，能夠對能源互聯網中多種能源進行優(yōu)化配置，實現各能源之間的互補，做到最高效率的利用，達到節(jié)能與經濟的效果。另外，為了與現代人方便、快捷的生活節(jié)奏同步，實現在移動式終端上實時查看家庭局域網內設備運行狀態(tài)及耗能數據、在線監(jiān)測與控制的功能，為用戶提供一個全新的生活方式，發(fā)展前景廣闊。

現已有智能電網、智能水網、智能天然氣網等新式能源管理技術的提出。它們是利用信息及通訊科技來偵測與收集供應端的電力、水力或瓦斯供應狀況及使用端的耗能狀況，再以這些信息來調整生產與輸配，或調整家庭及企業(yè)用戶的電、水、天然氣用量，以達到節(jié)約能源，降低損耗及智能管理的目的。田世明、欒文鵬等“能源互聯網技術形態(tài)與關鍵技術”(中國電機工程學報，2015)和查亞兵、張濤等“能源互聯網關鍵技術分析”(中國科學，2014)主要分析了能源互聯網的技術要素和技術形態(tài)。張濤、張福興等“面向能源互聯網的能量管理系統(tǒng)研究”(電網技術，2016)主要公開介紹了能源互聯網的技術特征與能源互聯網能量管理系統(tǒng)的分層遞階式控制架構。張彥、張濤等“基于模型預測控制的家庭能源局域網最優(yōu)能量管理研究”(中國電機工程學報，2015)和張彥、張濤等“基于隨機模型預測控制的能源局域網優(yōu)化調度研究”(中國電機工程學報，2016)提出了一種基于模型預測控制的能源局域網優(yōu)化控制方法，結合實時電價信息實現電力系統(tǒng)的經濟運行，但并沒有建立含電力、天然氣、水、熱量等多個系統(tǒng)的綜合能源網絡的在線管理平臺。公告號為CN103336444A的專利文獻針對事先制定的用電計劃來實現電網公司對家庭用戶側的智能化管理，不能針對家庭用戶用電規(guī)律智能制定用電計劃，不能滿足智能管理互動的要求。公告號為CN205375032U、CN205540092U、CN105759700 A、CN 104934965 A的專利文獻公開了一種基于手機APP的能源管理在線監(jiān)測系統(tǒng)，并未考慮由于分布式發(fā)電設備風機、光伏輸出功率信息與實時電價信息預測不確定給系統(tǒng)帶來的運行成本偏差以及根據系統(tǒng)中運行的不確定性實時調整用能計劃，而且在移動終端實現在線監(jiān)測與控制的技術也并不完善，難以滿足智能管理互動的要求。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明針對現有技術的不足，構建了一個以電力系統(tǒng)為核心，涵蓋電力、水、熱、天然氣等多個能源的家庭能源管理系統(tǒng)，包含采集、預測、能源管理優(yōu)化、實時調度優(yōu)化、控制與通信等功能模塊的系統(tǒng)架構，并基于模型預測控制方法實現能源的在線優(yōu)化配置與經濟運行，通過互聯網技術，實現在移動端(如手機APP)的實時監(jiān)測與控制，用戶能夠隨時查詢家庭中各能源的使用情況及各設備的運行狀態(tài)信息，并可實現遠程操控，為用戶提供一種全新的經濟用能管理方式。

為了實現上述發(fā)明的目的，采用以下技術方案：

一種基于模型預測控制的家庭綜合能源智能優(yōu)化管理系統(tǒng)，以電力系統(tǒng)為核心，考慮家庭能源局域網中各種分布式發(fā)電設備、儲能系統(tǒng)、電動汽車及智能負載等設備的經濟、安全運行和水、熱、天然氣的使用情況，構建最優(yōu)能源智能管理系統(tǒng)。該智能管理系統(tǒng)主要由數據采集模塊、預測模塊、能源管理優(yōu)化模塊、實時調度優(yōu)化模塊、控制模塊、通信終端模塊組成。模塊功能如下：

數據采集模塊是收集家庭能源局域網內設備運行數據信息、能源實時價格信息及氣象信息，對歷史及實時數據進行整理、存儲及分析。將采集模塊處理后的數據利用數據通信技術傳輸給預測模塊、能源管理優(yōu)化模塊及控制模塊；

預測模塊是通過數據采集模塊獲得的歷史與實時的設備運行狀態(tài)、出力數據、儲能信息、用戶用能信息、智能負載信息、天氣信息和能源價格信息，對采集的數據進行統(tǒng)計分析處理，預測出家庭能源局域網中未來一段時間的風、光等分布式電源出力信息數據、用戶用能規(guī)律信息數據及能源實時價格信息,利用數據通信技術將預測的數據傳輸至能源管理優(yōu)化模塊；

能源管理優(yōu)化模塊是通過預測模塊提供的風、光等分布式電源出力信息、用戶的用能規(guī)律、智能負載的運行時段信息及能源實時價格信息，構建以家庭中能源的高效利用及設備經濟運行為目標的混合整數二次規(guī)劃模型，然后利用混合整數二次規(guī)劃優(yōu)化算法進行求解，得出一個日前規(guī)劃能源管理控制計劃。并利用通信技術向實時調度優(yōu)化模塊、控制模塊傳輸日前管理控制計劃信息；

實時調度優(yōu)化模塊是通過比較預測數據與實際數據的偏差，實時更新系統(tǒng)預測值與設備狀態(tài)值，采用模型預測控制方法，在線滾動優(yōu)化求解，并基于滾動優(yōu)化求解結果對家庭能源局域網的能源管理控制計劃進行調整，生成實時調度計劃，實現實時在線優(yōu)化控制，可有效減少由于預測偏差對系統(tǒng)運行成本造成的影響；

控制模塊是根據實時調度優(yōu)化模塊計算所得控制計劃信息，生成當前時刻設備的實時調度指令，通過數據通信技術向家庭能源局域網內各單元設備發(fā)送控制指令，實現家庭能源局域網內各設備的經濟運行；

通信終端模塊是在家庭能源局域網中部署一臺PC，利用互聯網技術將各個模塊的數據信息通過通信接口傳輸至云端，用戶可通過遠程控制技術在手機APP上查看家庭中能源的消耗情況、設備的運行狀態(tài)信息，并可實現遠程控制等操作。

優(yōu)選的技術方案，所述家庭局域網能源管理系統(tǒng)的數據采集模塊，通過測量儀器，實現數據采集智能化，運行狀態(tài)信息數字化。通過配置RS232及RS485串口，實現多測量儀器的自動采集，配備USB接口或內置WiFi模塊，進行數據的傳輸。

優(yōu)選的技術方案，所述預測模塊，以電力系統(tǒng)為核心，其包括分布式發(fā)電設備輸出功率預測模塊及實時電價預測模塊，分布式發(fā)電設備輸出功率預測模塊根據歷史運行數據、天氣信息及預測模型，對風機、光伏發(fā)電的輸出功率進行日前及超短期預測，對于其他能源(水、天然氣、熱)價格不考慮實時性，只按用量計費。

優(yōu)選的技術方案，所述能源管理優(yōu)化模塊是在考慮經濟性的前提下，構建了一個能源管理混合整數二次規(guī)劃模型，模型中包括設備的運行成本、啟停成本、維護成本及能源的消耗成本，通過運用混合整數二次規(guī)劃算法優(yōu)化求解該模型，得到一個最優(yōu)能源管理日前調度計劃。

優(yōu)選的技術方案，所述實時調度優(yōu)化模塊是利用模型預測控制方法，在每一個采樣時刻，根據當前實時數據信息，在線求解一個有限時域閉環(huán)控制問題，并將得到的控制時域序列的第一個控制量作用于被控對象，在下一時刻，重復此步驟，實現實時優(yōu)化調度，減少由于不確定性因素造成的影響。

優(yōu)選的技術方案，所述控制模塊是根據實時調度優(yōu)化模塊求得的最優(yōu)解，通過通信接口或內置無線WiFi技術將控制序列的第一個控制指令發(fā)送給相應設備的控制裝置，并執(zhí)行。

優(yōu)選的技術方案，所述通信終端模塊利用互聯網技術及遠程控制技術，實現PC終端、網絡終端與移動終端之間的通信，配備RJ45接口與網絡進行對接。用戶可在手機APP上在線監(jiān)測家庭局域網中能源的消耗情況、設備的運行狀態(tài)信息，并可通過遠程控制技術實現遠程調度等操作。

與現有技術相比本發(fā)明具有如下特點：

1.本發(fā)明的家庭綜合能源智能優(yōu)化管理系統(tǒng)，在建立的家庭能源局域網結構模型的基礎上，以多能源的高效利用及設備的經濟運行為目標，構建了一個能量管理混合整數二次規(guī)劃模型，該模型充分考慮了系統(tǒng)中分布式發(fā)電設備與負載的運行、啟停及維護成本和實時電價信息等因素。

2.本發(fā)明考慮了系統(tǒng)中預測信息的不確定性，利用模型預測控制方法，在每一個采樣時刻，根據當前實際值進行在線滾動優(yōu)化求解，實現在線實時調度，可有效減少由于不確定性因素帶來的運行成本偏差。

3.利用互聯網技術、通信及遠程操控技術，實現系統(tǒng)中PC端與網絡終端的通信及移動終端與網絡終端的通信，通過手機APP平臺，用戶可以在移動終端實現實時在線監(jiān)測和控制，隨時掌握家庭能源局域網中各能源(水、天然氣、熱量、電力)的使用情況及各設備狀態(tài)信息，并可進行遠程控制。為用戶提供了一種全新的經濟用能管理方式。

附圖說明

圖1家庭能源局域網結構框圖

圖2家庭綜合能源智能優(yōu)化管理系統(tǒng)結構框圖

具體實施方式

為了更加清晰的闡述本發(fā)明的目的及技術方案，結合實例及附圖，對優(yōu)選技術方案做進一步說明。

本實例是一種基于模型預測控制的家庭綜合能源智能優(yōu)化管理系統(tǒng)，結合圖1與圖2，家庭能源局域網結構中主要由分布式發(fā)電設備、儲能設備、電動汽車、智能負載及智能抄表系統(tǒng)等構成，其中分布式發(fā)電包括風機、光伏發(fā)電設備、微型可控燃氣發(fā)電設備；智能負載可分為關鍵負載(如照明設備、冰箱)、可切負載(如空調、電視機)和可調度負載(如洗衣機、洗碗機、熱水器)；智能抄表系統(tǒng)包括智能水表、天然氣表、熱量表及智能電表。

通過與大電網連接根據實時電價信息，構建一個能源智能優(yōu)化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。該家庭綜合能源智能優(yōu)化管理系統(tǒng)主要由智能數據采集模塊、預測模塊、能源管理優(yōu)化模塊、實時調度優(yōu)化模塊、控制模塊、通信終端模塊組成，各模塊間數據信息的發(fā)送與接收頻率設為30分鐘一次。具體功能如下：

數據采集模塊主要是采集家庭能源局域網內水、電、熱和燃氣的使用數據、發(fā)電設備的出力數據、負載的運行狀態(tài)信息，以電力為主要的能源管理對象，如在電力系統(tǒng)中采集的主要數據包括分布式發(fā)電設備輸出功率信息、儲能系統(tǒng)狀態(tài)信息、智能負載功率信息及電網實時電價信息等，通過數據傳輸接口將設備運行數據傳輸至數據采集模塊經過分析、整理后存入存儲單元中，并設置數據傳輸調用接口，供預測模塊、能源管理優(yōu)化模塊調用。數據采集模塊通過配備RS232、RS485串口，可連接多個檢測儀器實現自動數據采集，另外通過內置Zigbee或WiFi模塊或配備USB接口，進行數據的傳輸。

預測模塊是利用數據采集模塊獲得的歷史與實時的設備運行狀態(tài)、出力數據、儲能信息、用戶用能信息、智能負載信息、天氣信息和電網實時電價信息，通過對采集的數據進行統(tǒng)計分析處理，構建風機、光伏輸出功率預測模型及實時電價信息預測模型。預測出家庭能源局域網中未來一段時間的風、光等分布式電源出力信息數據及實時電價信息，利用數據通信技術將預測的數據提供給能源管理優(yōu)化模塊。該預測模塊集成了風電預測模塊、光伏發(fā)電預測模塊及實時電價預測模塊。

能源管理優(yōu)化模塊是通過預測模塊提供的風、光等分布式電源出力信息、用戶的用能規(guī)律、智能負載的運行時段信息及實時電價信息，構建以家庭中能源的高效利用及設備經濟運行為目標的混合整數二次規(guī)劃模型，該模型至少包含分布式發(fā)電設備與負載的運行、啟停及維護成本和實時電價因素?？紤]相關設備約束條件，如功率平衡約束，出力最大、最小值約束，啟停次數約束，負載運行時段約束等，然后利用MATLAB或CPLEX軟件編程求解混合整數二次規(guī)劃問題，得出一個日前規(guī)劃能源管理控制計劃。并通過通信接口向實時調度優(yōu)化模塊、控制模塊傳輸日前管理控制計劃信息。

實時調度優(yōu)化模塊是通過比較預測數據與實際數據的偏差，實時更新系統(tǒng)預測值與設備狀態(tài)值，采用模型預測控制方法，在線滾動優(yōu)化求解，并基于滾動優(yōu)化求解結果，生成實時優(yōu)化調度計劃，對能源管理日前控制計劃進行調整，實現實時在線優(yōu)化控制，可有效減少由于預測偏差對系統(tǒng)運行成本造成的影響。具體優(yōu)化步驟如下：

步驟一：通過信息采集模塊采集當前時刻系統(tǒng)運行數據，包括當前時刻的風機輸出功率實際值、光伏發(fā)電輸出功率實際值、負載需求功率值、當前能源價格信息；

步驟二：根據步驟一中獲得的實際數據信息，對分布式電源風、光輸出功率進行超短期預測；

步驟三：利用模型預測控制方法，根據當前實時數據信息及步驟二中超短期預測值，更新系統(tǒng)相關參數，進行在線求解；

步驟四：根據步驟三求解得到的控制序列，將得到的控制時域序列的第一個控制量作用于被控對象；

步驟五：在每一個采樣時刻，重復以上步驟。

控制模塊是根據實時調度優(yōu)化模塊計算所得控制計劃信息，生成當前時刻設備的實時調度指令，通過數據通信技術向家庭能源局域網內各單元控制裝置發(fā)送控制指令。

通信終端模塊是在家庭能源局域網中部署一臺PC，利用PC端與網絡終端的通信技術將各個模塊的數據信息通過通信接口傳輸至網絡終端，另外，用戶也可通過移動終端與網絡終端的通信技術在手機APP上查看家庭中能源的消耗情況、設備的運行狀態(tài)信息，并可通過遠程控制技術實現遠程調度等操作。

本實例中，系統(tǒng)內的通信終端包括PC終端、網絡終端和移動APP終端，用戶可以利用PC終端設備或手機APP終端設定未來時段各設備的用能計劃(該計劃是對各個負載在特定時間內運行情況的一種設定)，生成各時段負載功率信息數據，并存儲至數據采集模塊的數據存儲單元。能源管理系統(tǒng)中各個模塊可通過Zigbee或WiFi方式相連進行通信，并可通過互聯網技術，在手機APP終端實現對家庭中水、天然氣、熱及電力能源的監(jiān)測和各設備運行狀態(tài)的監(jiān)控。

以上是結合附圖對本發(fā)明實例所作的闡述，只是本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明原理范圍內的修改、替換，均應在本發(fā)明的保護范圍之類。