一种面向可控设备群的多目标社区能量管理方法与流程

本发明属于社区资源能量优化，具体涉及一种面向可控设备群的多目标社区能量管理方法。

背景技术：

1、随着城市化进程不断加快，用电负荷持续攀升。为缓解用电负荷增长对电网的影响，同时提升用户用电经济性，社区需求侧能量管理近年来已成为学术界和工业界的重要研究热点。社区作为居民需求侧的一种基本单元，其能量管理研究将为更大规模场景(居民建筑楼宇/社区)的能量管理提供关键的模型与方法支撑，是开展居民需求侧能量管理研究亟需解决的首要问题。

2、如何选择居民用户在经济上更容易承担的储能资源，现有研究大多采用bess(电池储能系统bess)或ev(电动汽车)作为储能设备进行能量管理策略设计，利用bess或ev的充放电可调柔性改变用能行为。然而，对于居民电力用户，特别是一些中低收入用户，bess或ev高昂的购买和置换成本在未来数年或数十年仍将是面临的非常重要的问题。

3、另外，在当下的用电环境下，更多需要考虑重要的居民居住满意指标，以及需要一种更加柔性的满意度量化建模方法。现有研究大多关注于tsa(运行时间可平移设备)的使用满意度以及面向空调设备的热舒适度，基本未涉及paa(功率可调节设备)的使用满意度。并且，设备运行将产生一定噪声，根据研究表明，户内听觉舒适已被公认为影响居民居住健康的一个重要指标。在满意度建模方面，现有工作多采用严格的约束条件进行表示，或者采用惩罚成本计入目标函数，然而这并不能很好反映居住者的真实感受。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种面向可控设备群的多目标社区能量管理方法，本发明通过将ev退役动力电池重组为能量存储系统为社区能量优化决策提供支撑，提出了多目标社区能量管理优化模型，所提模型及采取的求解策略在各类社区能量管理优化应用中能够获得满意的非支配解集，实现用户多重居住需求的有效权衡。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术手段予以实现：一种面向可控设备群的多目标社区能量管理方法，包括以下步骤：步骤一：建立二次寿命电池储能系统运行模型；步骤二：根据运行时间可平移设备用电行为、功率可调节设备和空调柔性用电行为对多重居住不满意度建模，得到多重居住不满意度模型；其中，多重居住不满意度模型包括运行时间可平移设备使用不满意度模型、功率可调节设备使用不满意度模型、听觉不舒适度模型和热不舒适度模型；步骤三：构建以净负荷曲线峰均比最小的目标函数；步骤四：基于净负荷曲线峰均比最小的目标函数、二次寿命电池储能系统运行模型和多重居住不满意度模型，建立多目标社区能量管理优化模型；步骤五：采用优化算法的求解方法对多目标社区能量管理优化模型进行求解，通过最优可行解对运行时间可平移设备的任务启动时间、功率可调节设备在运行周期的功率消耗、空调在运行周期的启停方案以及二次寿命电池储能系统的充放电运行计划进行优化决策。

3、进一步，建立二次寿命电池储能系统运行模型的具体过程为：

4、在退役动力电池具有二次寿命使用价值的范围内，采用幂函数建模电池在二次寿命使用价值的范围内充放电循环n次后的容量衰减计算为：

5、式中，q0表示电池初始容量；n表示充放电循环次数；χ表示容量衰减系数；τ为容量衰减幂指数；

6、一个动力电池在其退役时的剩余循环寿命nsec可计算为：

7、nsec＝l-1(rcthr)-nretire

8、式中，rcthr为最小容量保持率阈值；nretire表示一个动力电池从电动汽车退役的累积充放电循环次数，定义nretire与电动汽车的年行驶里程、电动汽车的百公里能耗以及电池的额定能量容量有关，一个动力电池从电动汽车退役的累积充放电循环次数nretire可计算为：

9、emile表示电动汽车日行驶里程期望值可计算为：

10、式中，e和q分别表示电动汽车的百公里能耗与电池额定能量容量；yretire表示电池退役时的累积服务年限；μd和σd分别表示电动汽车日行驶里程的均值和标准差；

11、定义二次寿命电池储能系统的容量为arate，根据退役电池的两阶段容量衰减规律，二次寿命电池储能系统的剩余可用容量asl计算如下：

12、asl＝arate·[l(nretire)-rcthr]

13、式中，l(nretire)表示充放电循环nretire次后的容量衰减；

14、结合二次寿命电池储能系统的剩余可用容量和动力电池在其退役时的剩余循环寿命，二次寿命电池储能系统完全充放电循环一次的平均衰减容量afade计算为：

15、afade＝asl/nsec。

16、进一步，建立运行时间可平移设备使用不满意度模型的具体过程为：根据运行时间可平移设备的柔性用电行为，第k台运行时间可平移设备的使用不满意度可计算为：

17、

18、

19、式中，表示第k台运行时间可平移设备完成它的运行任务所需时长；和分别表示用户期望的最早和最迟任务完成时间；可控设备的集合为φtsa；表示一台运行时间可平移设备实际调度的任务完成时间，可调节变量为一台运行时间可平移设备的启动时间δt为单位时间间隔，γtsa表示用户指定的使用满意度因子，该值随用户主观感受变化而变化；表示用户期望的任务完成时间。

20、进一步，建立功率可调节设备使用不满意度模型的具体过程为：根据可调节设备的柔性用电行为，第k台功率可调节设备的使用不满意度可计算为：

21、

22、式中，表示一台功率可调节设备用户的期望功率消耗，γpaa表示用户指定的使用满意度因子，该值随用户主观感受变化而变化；规定功率可调节设备的集合为φpaa；表示用户指定的设备最低消耗功率；表示用户期望的设备最高消耗功率，为确保设备处于最佳运行状态，将规定为设备的额定消耗功率；表示可调节变量为功率消耗；表示用户期望的功率消耗。

23、进一步，建立听觉不舒适度模型的具体过程为：可控设备群包括运行时间可平移设备、功率可调节设备和空调，规定在时段t，由可控设备群、不可控设备和户外环境噪音共同形成聚合噪音声压水平，聚合噪音声压水平splt可计算为：

24、

25、式中，分别表示运行时间可平移设备、功率可调节设备和空调运行释放的噪音声压水平；表示来源于不可控设备和户外环境的噪音声压水平；为空调ac的启停状态变量和功率消耗；表示功率可调节设备的启停状态；表示运行时间可平移设备的启停状态；

26、采用stevens幂次法则将聚合噪音声压水平splt和噪音声压水平阈值分别转化为响度值，用户在时段t的响度值lut可计算为：lut＝(splt)0.67

27、用户在时段t的响度最大值可计算为：

28、用户在时段t的听觉不舒适度adt可计算为：

29、

30、式中，κ表示听觉舒适度因子。

31、进一步，建立热不舒适度模型的具体过程为：

32、用户在时段t的热不舒适度tdt可计算为：

33、

34、式中，σ表示热舒适度因子，ttind表示室内房间温度；δthy表示温度‘死区’带宽或温度舒适区带宽，tset表示用户的期望户内温度，[tset-δthy，tset+δthy]为温度舒适度区间；tmax表示最高允许温度，tmin表示最低允许温度。

35、进一步，建立的多目标社区能量管理优化模型的具体过程为：(1)以社区单元在调度周期内总用能成本最小为目标的目标函数f1表示为：

36、式中，ζt表示在时段t的电网电价，表示社区单元在时段t的净功率消耗，表示社区单元在时段t的不可控负荷，表示二次寿命电池储能系统在时段t的充放电功率，其中表示充电，否则表示放电，t表示调度周期；ptsolar表示时段t的光伏发电出力；表示第k台时间可平移设备在t时刻的功率消耗；表示空调在时段t的耗电功率；

37、(2)以用户对运行时间可平移设备和功率可调节设备的使用不满意度最小为目标的目标函数f2表示为：

38、

39、式中，表示第k台运行时间可平移设备的使用不满意度，表示第k台功率可调节设备的使用不满意度；和分别表示第k台功率可调节设备的运行启动时间和结束时间；

40、(3)以用户的热不舒适度最小为目标的目标函数f3表示为：

41、

42、式中，tdt表示用户在时段t的热不舒适度；tac，1和tac，2分别表示第k台功空调的运行启动时间和结束时间；

43、(4)以用户的听觉不舒适度最小为目标的目标函数f4表示为：

44、

45、式中，adt表示用户在时段t的听觉不舒适度；

46、(5)以二次寿命电池储能系统容量衰减最小为目标的目标函数f5表示为：

47、

48、式中，表示二次寿命电池储能系统在第k个充放电部分半循环的放电深度；ξ表示二次寿命电池储能系统在充放电调度周期内所有充放电半循环的集合；和分别表示二次寿命电池储能系统在第k个和第k-1个部分充放电半循环结束的能量水平；eslbess，rated表示二次寿命电池储能系统的额定能量容量；afade表示二次寿命电池储能系统完全充放电循环一次的平均衰减容量；参数kp表示二次寿命电池容量衰减指数系数；

49、(6)以净负荷曲线峰均比最小为目标的目标函数f6表示为：

50、

51、式中，ptnet表示社区单元在时段t的净功率消耗。

52、进一步，对建立的多目标社区能量管理优化模型设置约束条件：

53、(1)二次寿命电池储能系统的充放电运行约束：

54、

55、

56、

57、

58、

59、式中，表示二次寿命电池储能系统在时段t的荷电状态，socslbess,min和socslbess,max分别表示二次寿命电池储能系统允许的最小荷电状态和最大荷电状态；表示二次寿命电池储能系统在时段t的能量水平，ηslbess，c和ηslbess,d分别表示二次寿命电池储能系统的充电效率和放电效率；表示二次寿命电池储能系统在时段t的充放电功率；pslbbess，rated表示二次寿命电池储能系统的额定充放电功率；表示二次寿命电池储能系统在充放电过程中的电池负荷约束；socdesire表示退役电池荷电状态的指定阈值；eslbess，rated表示二次寿命电池储能系统的额定能量水平。

60、进一步，所述约束条件还包括：运行时间可平移设备运行约束：

61、

62、

63、

64、式中，t表示调度周期，δt表示单位时间间隔；

65、功率消耗向上/向下调节的爬坡率约束：

66、

67、式中，表示第k台功率可调节设备指定的功率变化阈值；表示t-1时刻功率可调节设备的消耗功率；

68、空调运行约束：

69、

70、

71、

72、式中，ton,min，toff,min分别表示ac的最小在线和离线时长要求；表示开启累积时间；表示关断累积时间。

73、进一步，采用nsga-iii算法的求解方法对多目标社区能量管理优化模型进行求解，在nsga-iii算法中，将每个个体编码为一个1×ndim的向量，其中ndim为个体向量中的变量个数，计算如下：

74、

75、式中，|φtsa|表示社区单元中运行时间可平移设备的台数；表示全部功率可调节设备的总运行时段个数；|drac|/δt表示空调的运行时段个数；t表示二次寿命电池储能系统的运行时段个数。

76、与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

77、本发明建立的二次寿命电池储能系统运行模型运用的是退役电池，相较于现有研究大多采用bess或ev作为储能设备进行能量管理策略设计而言，退役电池具有显著的成本优势，能有效降低用能成本，解决了中低收入用户对于电池储能系统或电动汽车的购买和置换成本过高的问题，大大降低了中低收入用户能量管理的成本；本发明建立的多目标社区能量管理优化模型考虑了更多重要的居民居住满意指标，创造性的构建了更加柔性的满意度量化建模方法，提升了能量调度管理方案的应用场景和可实现性。

78、本发明提出一种面向可控设备群的多目标社区能量管理方法，在社区能量运行调度中集成了电动汽车退役电池利用，基于退役动力电池拐点模式两阶段容量衰减特性，建立了二次寿命电池储能系统模型，基于模糊隶属度函数建立了多重居住不满意度量化模型,建立了社区能量管理的多目标优化模型，并基于nsga-iii进行求解，本发明所提的多目标社区能量管理优化模型及采取的求解策略在各类社区能量管理优化应用中能够获得满意的非支配解集，实现用户多重居住需求的有效权衡。基于用户的偏好和其他实际考虑，可选择最优的折衷方案。

79、退役电池具有显著的成本优势，在居民侧的应用价值和前景较好，为此，本发明将探究退役电池在能量调度管理环境的应用，其挑战在于如何构建一种合适的退役电池储能模型。