基于用户习惯的家庭智能用电方法及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于用户习惯的家庭智能用电方法，其特点是，包括的步骤有：采集用户电器开启信息并获取用户各电器的开启习惯、采集各电器的运行信息和电力部门的分时电价信息供内部运算使用、要求用户主动输入当天预备使用的电器、用户输入用电方案级别、计算电费参数、计算舒适度参数、构建目标函数、利用粒子群算法进行用电方案的寻优和根据内部运算对各电器进行控制，最终实现家庭的智能用电。同时公开了ARM9处理器为核心分别与电能计量模块、操作显示模块、外部通信模块和电器控制模块连接组成的智能用电系统，具有用电科学、高效等优点。
【专利说明】基于用户习惯的家庭智能用电方法及其系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及控制【技术领域】，是一种基于用户习惯的家庭智能用电方法及其系统。
【背景技术】
[0002] 目前家庭智能用电控制方式有：
[0003] (1)中国专利公开（公告）号：CN102762002A公开了名称为；一种家庭节能系统， 这种家庭节能系统主要通过传感器监测室内人员状况，并根据检测结果控制照明电路的开 关，以此达到节能的目的；
[0004] ⑵中国专利公开（公告）号：CN1385664A公开了名称为；一种分时运行冰箱，这 种分时运行冰箱包括冷藏室、冷冻室及控制电路，其特征在于，在所述冷冻室内装有蓄冷 物，在所述冷藏室与冷冻室之间至少设有两个可使空气在两室之间循环流动的通风道，至 少在其中一个所述通风道设有可促使空气在两室之间循环流动的风扇，冰箱的压缩机可工 作于长时间连续开机、长时间连续停机及正常运行三种状态，配合分时电价制度，减少在 峰时电价时间段的运行，增加在谷时电价时间段的运行，可达到节省电费的目的；
[0005] (3)中国专利公开（公告）号：CN102684305A公开了名称为；一种家庭侧智能用电 策略实现方法和终端，该发明对家庭各类用电信息进行了全面的采集，并通过智能插排对 各电器进行开关控制，同时，实现了用户用电信息和电力部分电价信息的实时交换，在一定 程度上满足了电网的互动要求。
[0006] 综合现有技术存在的缺点是：虽然有结合分时电价来实现智能用电，但都没有将 用户的用电习惯考虑到智能用电方案当中，导致用电方案往往不符合用户的用电习惯；现 有技术提供的用电方案，往往只为用户提供单一的用电方案，并没有考虑到用户的经济情 况和使用舒适度的要求，导致设备无法满足不同用户群体的需要，缺乏多样性和自由度。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题之一是：提供一种能够将用户的用电习惯、用户舒适 度以及用户的经济因素考虑到智能用电方案之中，进而在提高用电效率的同时，尽可能增 加用电方案的多样性，使用电方案能够被不同需求的用户所接受，同时，用户可自行对用电 方案进行级别的调整，通过不断地调整和适应，用户可以逐渐适应更高效率的用电，具有用 电科学，节电率高的基于用户习惯的家庭智能用电方法。
[0008] 本发明所要解决的技术问题之二是：提供一种结构合理，可靠性高的基于用户习 惯的家庭智能用电系统。
[0009] 解决其技术问题采用的技术方案之一是：一种基于用户习惯的家庭智能用电方 法，其特征是，它包括以下步骤：
[0010] 1)采集用户电器开启信息并获取用户各电器的开启习惯
[0011] 首先对用户30天内的电器开启信息进行采集，由于用电设备在电器开启时，家用 电器开启时的无功功率跃变超过80Var，且不同电器的阶跃脉冲也会不同，通过检测电器开 启的阶跃脉冲，判断电器是否开启，在每个电器的接入端安装负荷采集装置对各家用电器 进行开启监测，
[0012] 电器开启的判断条件由下式表示：
[0013] Δ q = qt-qt_! (1)
[0014] 式中：Aq为负荷阶跃值，qt为电器t时刻的无功功率值，qH为电器t_l时刻的 无功功率值，当Λ q大于80Var时，判定该电器在t时刻开启；
[0015] 对用户的用电负荷进行至少一个月的监测，根据监测结果，记录每种电器的开启 时间，为方便叙述，设a，b，…，i，…，m分别代表某用户所拥有的家电，对30天内的每个电 器开启时间进行聚类，由于数据为常规类型，因此采用经典的K-MEANS聚类算法，聚类完成 后，会得到多个类簇，挑选类簇中对象个数排在前三位的类簇，这三个类簇的中心分别为三 个电器习惯使用时间点，称为用户的第一用电习惯、第二用电习惯和第三用电习惯，电器a 的第一用电习惯、第二用电习惯和第三用电习惯可表示为：叫，a2, a3 ;
[0016] 2)采集各电器的运行信息和电力部门的分时电价信息仏，供内部运算使用；
[0017] 3)要求用户主动输入当天预备使用的电器，设用户选择电器为a…1，根据步骤1) 统计的各电器用户用电习惯，得到电器a到电器1的用户第一、二、三用电习惯 &1，a2,如… ，12, 13 ;同时读取对应电器的功率信息，供运算使用；
[0018] 4)用户输入用电方案级别，不同级别对应不同的权重系数Αρ A2，具体对应方式 为：等级1时，Ai为0，A2为1，等级2时，Ai为0. 1，A2为0. 9,等级3时，Ai为0. 2，A2为0. 8， 等级4时，Ai为0. 3, A2为0. 7,等级5时，Ai为0. 4, A2为0. 6,等级6时，Ai为0. 5, A2为 0. 5,等级7时，Ai为0. 6, A2为0. 4,等级8时，Ai为0. 7, A2为0. 3,等级9时，Ai为0. 8, A2 为 0. 2,等级 10 时，Ai 为 0. 9, A2 为 0. 1 ;
[0019] 5)计算电费参数S
[0020] 在分时电价环境下，居民的用电费用S表示为：
[0021] S = Pa · Ta · Qa+Pb · Tb · Qb+…+Pi · · QJ…+P! · ?\ · Q! (2)
[0022] 其中Pi为电器i的功率，?\为电器i使用时长，Qi为电器使用时间域内对应分时 电价的电价水平，此处的Qi要根据不同的实时电价方案给出；
[0023] 6)计算舒适度参数D
[0024] 利用用户使用电器的用电习惯来计算用电方案的舒适度，设某个用电方案中，各 电器的开启时间分别为a t，bt,…，it,…，lt，则各电器的开启时间与用户第一、二、三用电习 惯的的距离分别表示为：
[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分别为各电器对应的用户第一、二、三用电习 惯，由于用电方案电器的开启时间越靠近用户的用电习惯，则用电方案的舒适度越高，电器 开启时间越靠近第二和第三用电习惯，则用户的舒适度会差一些，因此屯d 2, d3对舒适度D 的影响比重是不同的，用户的用电舒适度用下式计算：
[0029] 0 = · d2+B3 · d3 (4)
[0030] 式中：B2, B3 分别代表屯，d2, d3 的权重，这里设定 h = 0· 6, B2 = 0· 25, B3 = 0· 15， 可见，舒适度D越大，表示该用电方案的电器运行时间越不符合用户的用电习惯；
[0031] 7)构建目标函数r
[0032] 充分考虑用户的用电习惯和用户自身的经济情况，并结合实时电价构造用电方案 的目标函数，由于用电舒适度D和用电费用S单位不统一，因此需要对两个参数进行无量纲 处理，如下式：
[0033]
【权利要求】
1. 一种基于用户习惯的家庭智能用电方法，其特征是，它包括以下步骤： 1) 采集用户电器开启信息并获取用户各电器的开启习惯 首先对用户30天内的电器开启信息进行采集，由于用电设备在电器开启时，家用电器 开启时的无功功率跃变超过80Var，且不同电器的阶跃脉冲也会不同，通过检测电器开启的 阶跃脉冲，判断电器是否开启，在每个电器的接入端安装负荷采集装置对各家用电器进行 开启监测， 电器开启的判断条件由下式表示： Aq=qt-qH (1) 式中：Aq为负荷阶跃值，qt为电器t时刻的无功功率值，qH为电器t_l时刻的无功 功率值，当Λ q大于80Var时，判定该电器在t时刻开启； 对用户的用电负荷进行至少一个月的监测，根据检测结果，记录每种电器的开启时间， 为方便叙述，设a，b，…，i，…，m分别代表某用户所拥有的家电，对30天内的每个电器开启 时间进行聚类，由于数据为常规类型，因此采用经典的K-MEANS聚类算法，聚类完成后，会 得到多个类簇，挑选类簇中对象个数排在前三位的类簇，这三个类簇的中心分别为三个电 器习惯使用时间点，称为用户的第一用电习惯、第二用电习惯和第三用电习惯，电器a的第 一用电习惯、第二用电习惯和第三用电习惯可表示为：叫，a 2, a3 ; 2) 采集个电器的运行信息和电力部门的分时电价信息％，供内部运算使用； 3) 要求用户主动输入当天预备使用的电器，设用户选择电器为a…1，根据步骤1)统 计的各电器用户用电习惯，得到电器a到电器1的用户第一、二、三用电习惯 ai，a2，a3，… ，12, 13 ;同时读取对应电器的功率信息，供运算使用； 4) 用户输入用电方案级别，不同级别对应不同的权重系数V A2，具体对应方式为：等 级1时，Ai为0, A2为1，等级2时，Ai为0. 1，A2为0. 9,等级3时，Ai为0. 2，A2为0. 8,等级 4时，Ai为0. 3, A2为0. 7,等级5时，Ai为0. 4, A2为0. 6,等级6时，Ai为0. 5, A2为0. 5,等 级7时，Ai为0. 6, A2为0. 4,等级8时，Ai为0. 7, A2为0. 3,等级9时，Ai为0. 8, A2为0. 2， 等级 10 时，AiSO. 9，^为0. 1; 5) 计算电费参数S 在分时电价环境下，居民的用电费用S表示为： S - Pa * Ta · Qa+Pb * Tb · Qb+. . . +Pj · Tj · Qj+. . . +PX · Tx · Qx (2) 其中Pi为电器i的功率，?\为电器i使用时长，Qi为电器使用时间域内对应分时电价 的电价水平，此处的％要根据不同的实时电价方案给出； 6) 计算舒适度参数D 利用用户使用电器的用电习惯来计算用电方案的舒适度，设某个用电方案中，各电器 的开启时间分别为at，bt,…，it,…，lt，则各电器的开启时间与用户第一、二、三用电习惯的 的距离分别表示为： 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分别为各电器对应的用户第一、二、三用电习惯，由 于用电方案电器的开启时间越靠近用户的用电习惯，则用电方案的舒适度越高，电器开启 时间越靠近第二和第三用电习惯，则用户的舒适度会差一些，因此屯，d2, d3对舒适度D的影 响比重是不同的，用户的用电舒适度用下式计算： 0 = (1^62 · d2+B3 · d3 (4) 式中办，B2, B3分别代表屯，d2, d3的权重，这里设定& = 0· 6, B2 = 0· 25, B3 = 0· 15,可 见，舒适度D越大，表示该用电方案的电器运行时间越不符合用户的用电习惯； 7) 构建目标函数r 充分考虑用户的用电习惯和用户自身的经济情况，并结合实时电价构造用电方案的目 标函数，由于用电舒适度D和用电费用S单位不统一，因此需要对两个参数进行无量纲处 理，如下式：
(5) 式中：Dmax=方案中用电器个数X24h，即D可取到的最大值；Dmin为D能取到的最小值； S_为对应方案中，电器开启24小时的用电费用，5_为方案中各电器在最低电价阶段开启 运行时S能达到的最小值；万和歹为无量纲的用电舒适度和用电费用。 用电方案目标函数r按下式计算： min r = Ax?D + A^?S (6) 式中Ai、A2*别为万和友的权重系数，且满MAi+A2 = 14越大，得出的用电方案舒适 度越好，相应用电费用就会增大；A2越大，对应用电方案的用电费用越小，但用户的舒适程 度会比较差，当用户优先考虑用电习惯时，A1>A2 ;当用户认为节约费用优先考虑时，A1〈A2， 按步骤4)对用电方案进行了 10个等级的划分，等级越高，用电费用越小，用户可以根据自 己的经济条件和对用电方案的适应程度来进行等级的选择； 8) 利用粒子群算法进行电方案的寻优 以r取最小值为目标值，运用粒子群算法对目标函数进行寻优，在粒子群算法中，输 入的变量为用电方案的各电器开启时间，根据用户选定的用电方案等级确定目标函数r， 并以其最小值为目标进行迭代寻优，最终得出最优的电器开启时间a t'，b/，…，i/，… ，1/，此最优开启时间便是最终的用电方案，算法步骤如下： ⑴设置参数范围，首先限定各电器开启时间at，bt，…，it，…，l t，并将其作为输入变 量； (2) 初始化粒子位置，粒子η的初始位置为表示为：Xn(0) = atn, btn，…，itn，…，ltn ; (3) 计算每个粒子的适应函数r，确定粒子η的历史最优位置Pn = [Pan，Pbn，…，Pln]和 全局最优位置Gn = [Gan，Gbn，…，Gln]，并由Pn和G n计算粒子η第j+1次迭代时的学习速度 Vn(j+1)： vn(j+l) = w*Vn(j)+c1*r1*(Pn-X n(j))+c2*r2*(Gn-Xn(j)) (7) 式中：j为迭代次数，Vn(j)为粒子第j次迭代时的学习速度；Xn(j)为粒子第j次迭代 时的位置，w为惯性参数；Cl、c2为算法控制参数，用来调节学习强度；ri、r 2为0到1之间的 随机数，用来防止算法陷入局部最优， (4) 改变粒子位置。公式（6)为粒子η第j+Ι次迭代时的位置计算公式： Xn(j+1) = Xn(j)+Vn(j+1) (8) (5) 重复本步骤的（3)和（5)，直到达到要求迭代次数或目标函数满足规定阈值， (6) 结束迭代，求取种群中的最优粒子，进而求得最优用电方案的电器开启时间 at'，bt'，...，ν ,...,1/ ; 9)根据"内部运算"得到的电器开启时间a/，b/，…，it'，…，1/，对各电器进行 控制，最终实现家庭的智能用电。
2. -种基于用户习惯的家庭智能用电系统，其特征是，它包括：以ARM9处理器为核心 分别与电能计量模块、操作显示模块、外部通信模块和电器控制模块电连接，ARM9处理器对 电能计量模块、操作显示模块、外部通信模块和电器控制模块进行控制，通过采集的电器信 息和用户输入的控制信息，计算并给出最优用电方案；电能计量模块包括互感电路和电能 计量模块，负责检测用电器的开启情况；操作显示模块包括键盘和LCD屏，通过键盘用户选 择用电方案等级和当天欲使用电器种类，LCD屏主要显示当前电价和电费信息，同时显示所 提供用电方案中各电器的开启时间；外部通信模块包括电平转换芯片分别与ARM9处理器 和PC机相连，将ARM9处理器串口通信端口 TTL电平信号转换为PC机常用的RS-232接口 信号，实现与PC机通信连接，PC机通过互联网与电力部门连接，实现电力部门与用户的信 息交互，以获取分时电价信息；电器控制模块包括继电器组成的开关控制器，负责对用户用 电器a至用电器i，即若干个用电器的接入电路进行开关控制。
3. 根据权利要求2所述的基于用户习惯的家庭智能用电系统，其特征是，所述的ARM9 处理器的型号为S3C2440A。
4. 根据权利要求2所述的基于用户习惯的家庭智能用电系统，其特征是，所述的电能 计量模块的电能计量芯片型号为ATT7022C。
5. 根据权利要求2所述的基于用户习惯的家庭智能用电系统，其特征是，所述的外部 通信模块的电平转换芯片型号为MAX232。
【文档编号】G05B19/042GK104122819SQ201410342456
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】吴云, 曲朝阳, 于华涛, 王蕾, 曲楠, 杨杰明, 娄建楼, 郭晓利 申请人:东北电力大学