一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，包括以下步骤：(S1)划分调度时隙，收集调度所需数据；(S2)建立可调度设备的模型；(S3)建立以用电经济性与用电满意度为综合优化目标的调度模型；(S4)求解所述的调度模型实现对用电设备的调度。与现有技术相比，本发明能够很好地同时满足用户的经济性需求和满意度需求，可以应用于家庭能量管理系统进行用电设备的运行调度。
【专利说明】
一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法
技术领域
[0001] 本发明涉及智能用电技术领域，尤其是涉及一种用于家庭能量管理系统的用电设 备运行调度方法。
【背景技术】
[0002] 家庭能量管理系统是智能电网需求响应项目在居民侧的延伸，除了要实现提高用 电效率、节能减排的基本功能外，还要为居民侧需求响应项目的实施、分布式可再生能源接 入电网、降低用户用能费用提供支持。
[0003] 家庭用电设备的运行调度是家庭能量管理中的核心问题。目前有学者研究了基于 用户侧互动的发电调度模型，但是并没有涉及到用户侧具体设备的用电任务安排;有学者 基于对家庭用电设备进行分类建模以实现家电优化运行调度，达到避开电网需求峰值的目 的，但是所提出模型都没有考虑可再生能源和储能设备的应用;还有学者在考虑分布式可 再生能源和蓄电池储能的基础上分别建立了模型对家居负荷的用电安排进行优化，但是其 优化目标只是单一地最小化用户用电开销，并未考虑用户的满意度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于家庭能量 管理系统的用电设备运行调度方法，将家庭用电设备、储能设备和可再生能源统一协调调 度，在实时电价体系下综合考虑用户的用电经济性和满意度，建立更加新颖、全面、符合实 际的家庭用电设备运行调度模型，用于研究电力系统的智能用电技术。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种用于家庭能量管理系统的用电 设备运行调度方法，包括以下步骤：
[0006] (S1)划分调度时隙，收集调度所需数据；
[0007] (S2)建立可调度设备的模型；
[0008] (S3)建立以用电经济性与用电满意度为综合优化目标的调度模型，其中用电满意 度又包含时间满意度和温度满意度；
[0009] (S4)求解所述的调度模型得到用电设备的运行时段，使得在该时段内用电最省且 用户舒适度最佳，实现对用电设备的调度。
[0010] 所述的步骤(S1)中，调度时隙的划分方法为，将一天划分为H个连续的时隙，每个 时隙的长度A hstep = 24/H小时。
[0011] 所述的调度所需数据包括实时电价信息、家庭屋顶光伏输出功率、设备工作时长、 设备额定功率和用户期望的设备工作时间区域等。
[0012] 所述的步骤(S2)中，可调度设备模型为：
[0013] PDEFF{h) ^J^^h)-p3
[0014] ZL/,)=《
[0015] sa(h) = 0 ,hGH\[aa,0a]
[0016] 其中，a=l，2,…，A为可调度设备编号，A表示可调度设备的数量，PDEFE(h)表示所 有可调度设备在时隙h的总耗电量;s a(h)为二进制数，表示设备a在时隙h的工作状态，sa(h) =1表示a在时隙h处于工作状态，s a(h) =0表示设备a在时隙h处于闲置状态，Pa表示设备的 额定功率，为了简化计算，所有设备载工作时均以各自的额定功率P a运行，[aa，化]表示用户 期望的设备a的工作时间区域，丄表示设备a完成某项任务所需要的工作时长。
[0017] 当调温设备为空调时，其数学模型为：
[0018] Tin(h+l) = e ? Tin(h) + (l-e) ? (Tcmt(h)-n ? PTM(h)/A)
[0019] rin < Tjh) <
[0020] 0 < Pn{h) <
[0021] 其中，Tc>ut(h)表示室外温度，Tin(h)表示在空调作用下的室内温度，P TM(h)表示空 调消耗的电量，e、A及n分别表示系统惯量、热传导系数及空调系统效率系数，它们是与房屋 和空调系统自身特性相关的参数。和巧" 1分别表示用户所期望的室内温度上下限，f/T 表示在一个时隙内空调的最大容许电能消耗量，由空调的铭牌数据决定。
[0022] 当储能设备为蓄电池时，其数学模型为：
[0023] SOC{h + i) = SOC(h) + [P：：tt{h) - Ahsrep / Ehitt
[0024] S0Cmin 彡 SOC(h)彡 S0Cmax
[0025] 0： < P；：n(h) / nc, < sba1t{h) ? P-
[0026] Q
[0027] PhMt{h) = P^；TT{h) / ilh - P：f；t{h) rj!icl]
[0028] 其中，SOC (h)表示蓄电池的荷电状态，S0Cmax和S0Cmin分别表示蓄电池荷电状态的 上限和下限，当蓄电池放电至socmin将不允许继续放电，当蓄电池充电至socmax将不允许继 续充电；61(A)和分别表示在时隙h充入蓄电池的电能和蓄电池释放的电能；/丨r和 分别为蓄电池充电量和放电量的最大值;E batt表示蓄电池的额定容量，sbatt(h)为二进 制变量，表示蓄电池的充放电状态，在时隙h，若蓄电池处于充电状态，则 Sbatt (h) = 1，若蓄 电池处于放电状态，则Sbatt (h) = 0; Pbatt (h)表不蓄电池在时隙h的输出功率，正值表不充电， 负值表不放电;Hch和ndch分别表不蓄电池的充电和放电的效率。
[0029] 所述的可调度设备包括可中断设备和不可中断设备，即按是否需要持续性供电分 为可中断设备和不可中断设备，可中断设备在允许工作范围内可以开启或暂停，故其工作 状态可以为1或0;不可中断设备一旦开始运行就必须保证在开始时刻与结束时刻之间一次 性完成工作需求。
[0030] 所述的可中断设备满足:Sa(h) = {O，l}，hG[aa，0a]，
[0031] 所述的不可中断设备满足：！； =，>) + D - \(A)]，其中，T为中间 变量。
[0032] 所述的步骤(S3)中的调度模型为：
[0033] min[ y ? C0Stelec+(l-y ) ? (Costwait+Costtemp)]
[0034] 其中，Y为用户偏好因子，0彡Y彡1，Y由用户设定，Y取值越小表明用户越重视 满意度指标，y取值越大表明用户越重视经济性指标;C〇St elec；、C〇Stwait及CosttemP分别表示 用户需要支付的电费、用户的时间满意度指标和温度满意度指标。 CoAv.e = [观⑷ O力)]
[0035] -ZA=1 ^RTP^ KM) + p,jh) + pmE{h) + pn!{h) - pn{hm
[0036]其中，PGRID(h)表示每个时间片单个家庭向大电网购入或卖出的电量值，正值表示 从大电网购入的电量，负值表示向大电网卖出的电量，本发明中买电和卖电的价格相等，均 为RTP(h)，RTP(h)表不电力公司发布的实时电价，PMS(h)、Pdefe(1i)及PTM(h)分别表不不可调 度设备、可调度设备和调温设备的电力消耗量，P batt(h)表示蓄电池在时隙h的输出功率，正 值表不充电，负值表不放电，Ppv(h)表不PV模块在时隙h的输出功率。
[0037] Cost|idj.; ：= [丨_, &(力)\(力)]，其中，xa(h)表不设备a在时隙h的耗电量，pa (h)表示设备a运行的优先级，其值越大，优先级越高，由用户设定。时间满意度指标Costwalt 越大则用户的时间满意度越低。
[0038] CQSt_ = [4(A) - U，其中，Tin(h)表示在空调作用下的室内温度，Tset 表示用户设定的温度值，温度满意度指标Costtemp值越大则用户对温度的满意度越低。
[0039] 与现有技术相比，本发明提出的调度模型将家庭中可调度的可中断设备、不可中 断设备、调温设备以及不可调度设备统一考虑，同时使用了家庭光伏发电和储能设备，并允 许剩余电力向大电网售出；以储能设备的充放电决策为中间调控手段可加强整体经济效 益，降低系统用电峰均值;用户满意度的引入使得调度模型更好的满足用户需求。
【附图说明】
[0040] 图1是本发明的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法的流程图；
[0041] 图2是随机安排用电任务的结果；
[0042] 图3是以最小化电费为目标时的调度结果；
[0043] 图4是以最小化电费为目标时蓄电池的充放电量和荷电状态；
[0044] 图5是以用电经济性与用电满意度为综合优化目标时的室内温度曲线。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0046] 如图1所示，一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，包括以下步 骤：
[0047] (S1)划分调度时隙，收集调度所需数据，包括实时电价信息、家庭屋顶光伏输出功 率、设备工作时长、设备额定功率和用户期望的设备工作时间区域等;调度时隙的划分方法 为，将一天划分为H个连续的时隙，每个时隙的长度A hst(3P = 24/H小时。
[0048] (S2)建立可调度设备的模型；
[0049] 可调度设备的模型为：
[0050] PKFE{h) = Xl, * P" _1] ZL,如)=<
[0052] sa(h) = 0 ,hGH\[aa,0a]
[0053]其中，a=l，2,…，A为可调度设备编号，A表示可调度设备的数量，PDEFE(h)表示所 有可调度设备在时隙h的总耗电量;sa(h)为二进制数，表示设备a在时隙h的工作状态，sa(h) =1表示a在时隙h处于工作状态，s a(h) =0表示设备a在时隙h处于闲置状态，Pa表示设备的 额定功率，为了简化计算，所有设备载工作时均以各自的额定功率P a运行，[aa，化]表示用户 期望的设备a的工作时间区域，丄表示设备a完成某项任务所需要的工作时长。
[0054] 可调度设备包括可中断设备和不可中断设备，即按是否需要持续性供电分为可中 断设备和不可中断设备，可中断设备在允许工作范围内可以开启或暂停，故其工作状态可 以为1或〇;不可中断设备一旦开始运行就必须保证在开始时刻与结束时刻之间一次性完成 工作需求。
[0055] 可中断设备满足:Sa(h) = {O，l}，hG[aa，0a]，
[0056] 不可中断设备满足气心）之+ 1)-七⑷]，其中，t为中间变量。
[0057] 当调温设备为空调时，其数学模型为：
[0058] Tin(h+l) = e ? Tin(h) + (l-e) ? (Tcmt(h)-n ? PTM(h)/A)
[0059] ft <Tinih)< /；：'
[0060] 0 < Pm{h) < P；p
[0061] 其中，Tc>ut(h)表示室外温度，Tin(h)表示在空调作用下的室内温度，P TM(h)表示空 调消耗的电量，e、A及n分别表示系统惯量、热传导系数及空调系统效率系数，它们是与房屋 和空调系统自身特性相关的参数。和c n分别表示用户所期望的室内温度上下限， 表示在一个时隙内空调的最大容许电能消耗量，由空调的铭牌数据决定。
[0062] 当储能设备为蓄电池时，其数学模型为：
[0063] SOCih + 1) = SOCih) + [P^tt{h) - ? tJistep / Ekitt
[0064] S0Cmin 彡 SOC(h)彡 S0Cmax
[0065] Q <Pc^f1{h)/ n(h < sh^-PT
[0066]
[0067] phnt{h) ^ P^tt{h) / ^ - p^tUi) ? ndch
[0068] 其中，SOC (h)表示蓄电池的荷电状态，S0Cmax和S0Cmin分别表示蓄电池荷电状态的 上限和下限，当蓄电池放电至soc min将不允许继续放电，当蓄电池充电至socmax将不允许继 续充电；(力)和/^⑷分别表示在时隙h充入蓄电池的电能和蓄电池释放的电能;/T和 分别为蓄电池充电量和放电量的最大值;Ebatt表示蓄电池的额定容量，Sbatt(h)为二进 制变量，表示蓄电池的充放电状态，在时隙h，若蓄电池处于充电状态，则Sbatt (h) = 1，若蓄 电池处于放电状态，则Sbatt(h) = 0;Pbatt(h)表;^蓄电池在时隙h的输出功率，正值表;^充电， 负值表不放电;Hch和ndch分别表不蓄电池的充电和放电的效率。
[0069] (S3)建立以用电经济性与用电满意度为综合优化目标的调度模型，其中用电满意 度又包含时间满意度和温度满意度;调度模型为：
[0070] min[ y ? C0Stelec+(l-y ) ? (Costwait+Costtemp)]
[0071] 其中，Y为用户偏好因子，0彡Y彡1，Y由用户设定，Y取值越小表明用户越重视 满意度指标，y取值越大表明用户越重视经济性指标;C〇St elec；、C〇Stwait及Costtemp分别表示 用户需要支付的电费、用户的时间满意度指标和温度满意度指标。 「n Cost士，=21^77^). 4,⑷]
[0072] =^ + pba^ + + Pr^b) ~ Ppv(h))]
[0073]其中，PGRID(h)表示每个时间片单个家庭向大电网购入或卖出的电量值，正值表示 从大电网购入的电量，负值表示向大电网卖出的电量，本发明中买电和卖电的价格相等，均 为RTP(h)，RTP(h)表不电力公司发布的实时电价，PMS(h)、Pdefe(1i)及PTM(h)分别表不不可调 度设备、可调度设备和调温设备的电力消耗量，P batt(h)表示蓄电池在时隙h的输出功率，正 值表不充电，负值表不放电，Ppv(h)表不PV模块在时隙h的输出功率。
[0074] Cost^ _= Z二/?3(/?)'(/?)]，其中^3(11)表示设备3在时隙11的耗电量，03 (h)表示设备a运行的优先级，其值越大，优先级越高，由用户设定。时间满意度指标Costwalt 越大则用户的时间满意度越低。
[0075] Cost_ = [7；⑶-U2，其中，Tin(h)表示在空调作用下的室内温度，T set 表示用户设定的温度值，温度满意度指标Costtemp值越大则用户对温度的满意度越低。
[0076] (S4)求解调度模型得到用电设备的运行时段，使得在该时段内用电最省且用户舒 适度最佳，实现对用电设备的调度。
[0077]本实施例结合仿真实例对本发明的技术方案和效果进行进一步的说明。
[0078]仿真实例对未来一天的用电任务进行优化调度，把一天24小时分成48个连续的时 间片，每个时间片时长Ahstep = 30min。实时电价数据采用澳大利亚能源市场运营商提供的 新南威尔斯州在2015年8月26日的实时电价数据(单位：(T/kWh )，如图2中的虚线所示，屋 顶光伏发电的输出功率曲线如图2中的点划线所示。可调度设备相关信息由表1给出，共有9 种可调度设备，其中3种为不可中断设备，6种为可中断设备，前者用*标记。对于在一天内有 多个工作任务的设备，可将每次工作任务当作不同的设备。如表1中的洗碗机可看做2个设 备，以此类推，总共需安排20个设备的工作时刻。对于不可调度设备，其在24小时内的用电 功率需求如图2的深色柱状区域所示，作为消耗电力资源的一部分需要被叠加到总用电需 求中。空调参数为：￡ = 0.93，A = 2.5，n = 〇. 45，：1' =3.6kW:，用户设定的室内温度为24°C， 室内温度需维持在23°C~25°C。蓄电池参数为:Ebatt = 6 ? 68kWh，户：=C'=5kW，nch=ndch =0.9，S0Cmin = 0.3，S0Cmax = 0.9。假设每个时隙与电网交换的电能限制在5kWh之内。该实例 在Lingo 11.0规划求解器上进行建模和求解。
[0079]表 1
[0082]由图3可看出，当按照设备用电约束条件随机安排设备的用电任务时，正午时段存 在光伏供电严重浪费的现象，而夜间光伏输出量几乎为零的时候却有很多用电设备在运 行，需要支付的电费为310.6美分。
[0083]图4为y=l即以最小化电费为目标时的优化结果，结合图5分析可得，电价相对较 低时，设备运行所需要的电从电网购入，且蓄电池也在此时段充电；电价相对较高时，为了 满足用电需求而放电，此时光伏输出量虽然很多，但是考虑到整体经济效益，所以把多余的 电量售出给大电网，获取利润。全天总共只需向电网支付108.8美分，比图3节省65%的电 费。
[0084]由图5还可以看出，电池的荷电状态S0C随着电池充电过程增加、随着放电过程减 少，并维持在设定的30%至90%之间。且可以看出当蓄电池荷电状态达到30%或90%时，蓄 电池放弃充放电动作，此时段的充放电量为0。可见储能设备还可以在电力需求的"谷底"从 电网吸取电能，在用电高峰时期供给家庭用电负载使用，或者售给电网来获取经济效益，降 低用户的用电费用。
[0085]表2为Y (辛1)取不同的值时的用电费用、时间满意度指标和温度满意度指标。在 此取用户偏好因子Y=〇.l、〇.5和0.9时的室内温度曲线进行分析，如图5所示，三种模式下 室内温度都在用户容许的范围内，y越小表明用户越重视舒适度指标，可见y取0.1时的温 度曲线仅在用户的期望温度24 °C周围有较小的波动，而y取0.5、0.9时温度曲线波动较大， 且偏离用户设定的期望温度越大。由于空调处于制冷模式时，其温度越低则消耗的电量越 多，因此结合实时电价信息分析可得，调度控制器选择在电价较低的时段降低空调温度，对 房间起到预冷的作用，而在高电价时段在用户容许范围内增高温度，以减少高电价时段的 用电量。
[0086]表 2
【主权项】
1. 一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特征在于，包括以下步骤： (51) 划分调度时隙，收集调度所需数据； (52) 建立可调度设备的模型； (53) 建立以用电经济性与用电满意度为综合优化目标的调度模型； (54) 求解所述的调度模型得到用电设备的运行时段，使得在该时段内用电最省且用户 舒适度最佳，实现对用电设备的调度。2. 根据权利要求1所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征在于，所述的步骤(SI)中，调度时隙的划分方法为，将一天划分为H个连续的时隙，每个时 隙的长度A hstep = 24/H小时。3. 根据权利要求1所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征在于，所述的调度所需数据包括实时电价信息、家庭屋顶光伏输出功率、设备工作时长、 设备额定功率和用户期望的设备工作时间区域。4. 根据权利要求1所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征在于，所述的步骤(S2)中，可调度设备的模型为：其中，a= 1，2，…，A为可调度设备编号，A表示可调度设备的数量，PDEFE(h)表示所有可调 度设备在时隙h的总耗电量;sa(h)为二进制数，表示设备a在时隙h的工作状态，sa(h) = l表 示a在时隙h处于工作状态，sa(h) =O表示设备a在时隙h处于闲置状态，Pa表示设备的额定功 率，[aa，&]表示用户期望的设备a的工作时间区域，心表示设备a完成某项任务所需要的工 作时长。5. 根据权利要求4所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征在于，所述的可调度设备包括可中断设备和不可中断设备， 所述的可中断设备满足:Sa(h) = {0，l}，he [aa，0a]， 所述的不可中断设备满足:Σ=+1 〇义+ D -夂(A)]，其中，τ为中间变量。6. 根据权利要求1所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征在于，所述的步骤(S3)中的调度模型为： ITlin [ y · Costelec+( 1_ y )·( Costwait+Costtemp )] 其中，y为用户偏好因子，〇< ，y由用户设定，CostelwCostwait及Costtemp分别表 示用户需要支付的电费、用户的时间满意度指标和温度满意度指标。7. 根据权利要求6所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征#平-其中，Pgrid (h)表不每个时间片单个家庭向大电网购入或卖出的电量值，正值表不从大 电网购入的电量，负值表不向大电网卖出的电量，RTP(h)表不电力公司发布的实时电价，Pms (h)、PDEFE(h)及PTM(h)分别表示不可调度设备、可调度设备和调温设备的电力消耗量，P batt (h)表不蓄电池在时隙h的输出功率，正值表不充电，负值表不放电，Ppv(h)表不PV模块在时 隙h的输出功率。8. 根据权利要求6所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征在于t其中，xa(h)表示设备a在时隙h的耗电量，p a(h) 表示设备a运行的优先级，由用户设定。9. 根据权利要求6所述的一种用于家庭能量管理系统的用电设备运行调度方法，其特 征在于其中，Tin(h)表示在空调作用下的室内温度，T se3t表 示用户设定的温度值。
【文档编号】G06Q50/06GK105894122SQ201610242876
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】黄羹墙, 杨俊杰, 黄毅, 杜文妍, 赵勤学, 李亚, 刘娟, 邢思宇, 梁林勋
【申请人】上海电力学院