家庭能量管理系統(tǒng)中一種基于實時電價的優(yōu)化調(diào)度計劃模型的研究

1、家庭能量管理系統(tǒng)中一種基于實時電價的優(yōu)化調(diào)度計劃模型的研究 中國 科技 論文 在線/0>.家庭能量管理系統(tǒng)中一種基于實時電價的優(yōu)化調(diào)度計劃模型的研究 *劉經(jīng)浩,賀蓉5 (湖南大學信息科學與工程學院,長沙,410082) 摘要:本文提出了一種應用于家庭能量管理系統(tǒng)Home Energy Management System,簡稱 HEMS的基于實時電價的家電最優(yōu)調(diào)度模型。該模型采用線性整數(shù)規(guī)劃方法建模,分別以用電費用最省,用電費用和滿意度兼顧為優(yōu)化目標,以用戶指定的運行時間要求以及電力公司的需求響應為約束條件。該模型首次將家庭中可以進行調(diào)度的可中斷運行電器和不可中斷運行電10 器、以及不可調(diào)

2、度而必須運行的電器統(tǒng)一考慮,同時考慮使用家庭光伏 PV(Photovoltaic)發(fā)電系統(tǒng)并允許剩余電力上網(wǎng)出售。本文提出的調(diào)度模型不僅考慮了家庭用電的各種實際情況,而且考慮了將來電網(wǎng)中可再生新能源的使用以及需求響應等新技術的應用,具有重要的實際意義。最后通過仿真實驗驗證了本文提出方法的有效性。 關鍵詞:計算機應用;家庭能量管理系統(tǒng);實時電價;調(diào)度模型;滿意度; 15 中圖分類號:TP399Study on an Optimal Scheduling Model based Real-Time Pricing for Home Energy Management System Liu Jing

3、hao, He Rong 20 School of information science and engineering, Hunan University, Changsha, 410082 Abstract: In this paper, a novel optimal scheduling model based on real-time electricity pricing for Home Energy Management System HEMS is proposed. The model adopts linear integer programming method, a

4、nd tries to minimize the total cost of electricity and imize the comfort level of users. Meanwhile, the specified operation time of each appliances as well as demand response 25 requirements are considered as constraints. The model takes account of interruptible and controllable appliances, uninterr

5、uptible and controllable appliances as well as must-run and uncontrollable appliances simultaneously in a framework. Also, surplus power produced by solar photovoltaic panels is considered to be able to sell to utility. The proposed scheduling model not only takes into account the real conditions in

6、 a home, but also the application of renewable energy and other new technologies 30 such as demand response. Finally, simulation results demonstrated the effectiveness of the developed modelsKey words: computer application; home energy management system HEMS; real-time electricity pricing; schedulin

7、g model; comfort level;35 0 引言 世界能源危 機和地球 溫暖化問 題的日趨 嚴重, 對包括 居民用電在 內(nèi)的節(jié)能 技術以及 可再生能源的使 用提出了 迫切要求 , 也受 到了各國 政府, 以及 IT 企業(yè), 家電企 業(yè)和電力 公司的高度重視。 國家 太陽 能發(fā)電發(fā) 展 “十二 五” 規(guī) 劃 指出 “十二 五” 期間分 布式光伏 發(fā)電將進 入公140 共設施和千 家萬戶 。 此外, 居民對以家庭 設備網(wǎng)絡 化, 智能化為 代表的智 能家居的 期待也2越來越高。 松下 “ 智能家電 ” 新型 家電產(chǎn)品 的發(fā)布 , 標志著智 能家電的 發(fā)展為家 庭能量 管作者簡介:劉經(jīng)浩

8、(1989 年- ), 男, 碩士 研究 生, 主要 研究 方向 :智 能電 網(wǎng)、 計算 機應 用 通信聯(lián)系人: 賀蓉1973 年-,女,工學博士,講師,主要研究方向為魯棒控制、非線性控制. E-mail: hr/. - 1 - 中國 科技 論文 在線/. 理系統(tǒng) (Home Energy Management System,簡稱 HEMS ) 在家庭 中的實施 提供了智 能終端。同時, 隨 著工業(yè)和 家庭用電 的持續(xù)增 長以及分 布式可 再生能源的 導入都使 得電力系 統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴重 的威脅。 為此電力 公司采用 需求響 應的方 法, 即通過 采用實時 或者分時 電價, 或45 者直接限

9、制 最大電力 使用等方 法引導或 控制用戶 在特 定的時間段 減少負荷 、保障電 網(wǎng)穩(wěn)定 。 HEMS 是以智 能電網(wǎng)和 智能家居 為基礎, 以智 能電表 為依托, 將家庭 中所有發(fā) 電、 用電以及蓄電設 備有機整 合為一體 的家庭智 能化網(wǎng)絡 控制 系統(tǒng)。 系 統(tǒng)通過結(jié) 合天氣預 報和電力 公司的實時電 價, 需求 響應等 信息實現(xiàn) 家庭能量 使用的 集中管理, 利用最優(yōu) 化調(diào)度 和先進控 制方法達到最 大限度的 節(jié)能的目 的。 同 時保證用 戶用電 的滿意度, 并滿足電 力公司 對需求響 應50 的要求, 起到 保障電網(wǎng) 穩(wěn)定的作 用。 由此 可見,HEMS 將成為未來智 能電網(wǎng)、 智 能

10、家居中 不可缺少的組 成單元。HEMS 的核心 是制定家 電的電力 使用計劃并 按計劃調(diào) 度家電運 行。 考慮到用戶需求 的多樣性, HEMS 要求 能夠針對 不同的優(yōu) 化目標建立 相應的調(diào) 度模型。 一 般而言,家庭用戶期 望的優(yōu)化 目標可能 包括:(1 )用電 費用 最省(2)用 電費用和 用電滿意 度兼顧 。 1 相關工作 55 當前, 家庭 能量管理 系統(tǒng)調(diào) 度優(yōu)化問 題得到了 許多研 究者的關注 , 他們提 出了不 少有效的方案。 被 廣泛采納 的是將 一天按單 位時間分 成一系 列的時間片 , 把任務 的調(diào)度 放在時間 片的離散區(qū)域 里,這樣 可以大大 減少運算 量,提高 計算 效

11、率。但是 現(xiàn)存方法 還存在一 些問題 ,一是考慮問 題不夠全 面, 二 是某些方 面脫離了 實際。 下面我們將 逐一分析 這些采用 了時間片方案的調(diào)度 模型。 360 文獻 在調(diào)度過程中, 將任務 運行時間 分成整數(shù) 與小 數(shù)兩部分進 行調(diào)度 , 這種調(diào) 度方式比較切合實 際。 并且模型 考慮了用 戶的滿意 度。 但是 , 模型以虛擬的 家電作為 主體, 并假 定這些電器都 是不中斷 地連續(xù)工 作, 這不 符合實際 情況。 同時它以實 時電價模 型作為調(diào) 度基礎,簡單地認為 某一小時 的價格與 單個用戶 這一小時 的負 載有關, 并且沒有 考慮家庭 里有必須 運行且不參與 調(diào)度的電 器、 家庭

12、 可再生能 源發(fā)電 、 家庭 向電網(wǎng)賣電 、 電網(wǎng)的 需求響應 要求等因65 素。 4文獻 中提出的調(diào)度模型, 考 慮了家庭 中有必須 運行 且不參與調(diào) 度的電器 、 家庭 可再生能源發(fā)電、 電網(wǎng)的需 求響應要 求。 但 由于采用 的數(shù)據(jù) 與模型都是 虛擬的理 想化模型 , 電器被考慮成是可 以隨機中 斷的, 與 實際情況 相脫離 。 同時 模型中未考 慮用戶的 滿意度, 調(diào)度目標只是將用戶 所花電費 最小化。 570 文獻 調(diào)度時采用了帶階梯價格 的電價體 系, 并且在 模型調(diào)度中 使用了先 驗知識預 測價格。 該系統(tǒng) 充分考慮 到用戶對 任務完成 時間的 要求、 家用電器的 功率的可 變性

13、、 電 網(wǎng)的需求響應要求、 滿意度等 條件, 但沒有考 慮家庭可 再生能 源發(fā)電等情 況。 并且 模型中假 定電器是可以隨時中 斷、啟動 的,這也 不符合實 際。 6文獻 設計的模型利用了分時電 價體系, 將 本地可 再 生能源發(fā)電、 家庭用蓄 電池、 需 求75 響應要求以 及用戶向 電網(wǎng)賣電 等情況考 慮在內(nèi) , 而且 還考慮了熱 能的使用 。 但是 , 整個調(diào) 度模型的結(jié)果 只有太陽 能發(fā)電系 統(tǒng)、 電 力公司、 蓄電池 以及用電需 求總體之 間的電力 流動量以及發(fā)熱器、 儲熱器 、 耗熱需 求總體之 間的熱能 流動量 。 而且模型 設計中沒 有考慮用 戶的滿意度。 通過分析和 對比上述

14、 文獻, 我們將借 鑒上述模 型中合 理的部分, 同時對其 中不合 理的部80 分加以完善, 建 立更加新 穎、 全面、 符 合實際的 模型 。 具體而言, 我們 借鑒上述 模型中按 時間片調(diào)度的 方法以及 考慮用戶 滿意度的 做法; 同時我 們根據(jù)日常 生活中家 用電器的 實際使用- 2 - 中國 科技 論文 在線/. 情況將家用 電器分為 可中斷運 行電器、 不可中斷 運行 電器以及必 須運行電 器等三類 加以考慮,使得調(diào) 度對象更 加符合實 際情況。 本文的組織 結(jié)構如下 : 第 1 節(jié)介紹了 該課題的 研究現(xiàn) 狀。 第 2 節(jié) 詳細地介 紹提出 的系統(tǒng)85 用電費用最 省模型以 及系統(tǒng)

15、調(diào) 度方法 。 第 3 節(jié) 描述用 戶對家用電 器調(diào)度使 用情況滿 意度量化方法以及考 慮滿意度 的用電費 用最省模 型。 第 4 節(jié)通 過仿真實驗 , 驗證本 文提出 的優(yōu)化模 型的有效性。 第 5 節(jié)總 結(jié)本文。 2 系統(tǒng)模型 本節(jié), 我 們將在考 慮實時電 價和需求 響應的前 提下提 出一個家庭 能量管理 系統(tǒng)任務 優(yōu)化90 調(diào)度的數(shù)學 模型。 實 時電價和 需求響應 的相關 信息由 電力公司通 過網(wǎng)絡 ( 比如互聯(lián) 網(wǎng)) 傳 輸給家庭用戶 , 其信息 包含電 力公司的 各時段的 電力價 格以及用電 功率使用 上限等信 息。 在 此前提下,我 們著重于 優(yōu)化各家 電使用調(diào) 度問題, 以實

16、 現(xiàn)減少電費 的基本目 標。 2.1 模型簡介 我們提出的 新型調(diào)度 模型, 充分地考 慮現(xiàn)實生 活中各 電器的電氣 特性。 模 型獨創(chuàng) 性地兼95 顧可中斷運 行電器 ( 如熱水器 ) 、 不 可中斷運 行電器 (如洗衣機 ) 以及必 須運行電 器 (如 電冰箱) 三大類 家用電器 , 并且將 PV 發(fā)電系 統(tǒng)、 向電 網(wǎng)出售剩余 電力以及 用戶滿意 度納入到本調(diào)度模型 。 單一 家庭中家 庭能量管 理系統(tǒng)的 調(diào)度模 型如圖 1 所示。 圖 1 中的 HEMCHome Energy Management Controller 作為該系統(tǒng) 的調(diào)度控 制 器,通過無 線方式( 如 Zigbee

17、無線網(wǎng)絡)向家用 電器發(fā)送 控制信息 ,同時也 通過該無 線網(wǎng) 絡收集各家 用電器,PV 系統(tǒng)等 的用電100 和發(fā)電信息 。 此外 HEMC 還與 智能電表 和 Internet 相 連, 通過它 們獲取電 力公司提 供的實 時電價和需求 響應信息 以及氣象 部門提供 的天氣預 報信 息。 調(diào)度模型將采用實時電價體系中主流的提 前一 天獲 取電 價體 系( day-ahead price ) , 提前公布的價格 是動態(tài)變 化的, 每105 天公布的價 格可能都 不相同, 并 且每小時 的價格也是不 同的。 所以 把一天按 小時分成 24個 連 續(xù) 的時間 段(即 每個 時間片 時長 T1小時

18、) , 電力 公司每天 提前把電 價信息通 過網(wǎng)絡發(fā)送到 家庭用戶。 我們把每 小時的買 電110 電價以及賣 電價格分 別記為 Pb 、Ps 。因電j j網(wǎng)削峰的需 要, 電力公 司附帶傳 輸給終端 用 115 圖 1 家庭能量管理系統(tǒng)HEMS的結(jié)構圖 戶的信息中 還包括各 時段的電 網(wǎng)功率限 制,記為 D ,用于需求響 應控制。 j2.2 調(diào)度對象 在本調(diào)度模 型中, 參與 調(diào)度的可 中斷電器 與不可中 斷 電器都統(tǒng)一 歸入到家 用電器集 合 A中。為了使模 型更簡潔 ,各家用 電器的功 率都采用 平 均功率,記 為 W 。各家 用電器每 天需i要工作的時 間也不盡 相同, 我們 假定已知

19、 電器 i 在某 一天需要工 作時間長 為 N , 并且 各電器i120 都有自己的 工作特性, 如最低連 續(xù)工作時 長, 我們記 為 L 。 考慮到 家用電器 集合中既 有可中i斷電器, 又 有不可中 斷電器 , 對于不 可中斷電 器, 可 以認為該電 器的最低 連續(xù)工作 時長即為當天所需工 作時間 (L N ) 。 同時我們 引入一個 二 進制變量 B 來標識電器 i 在第 j 小時執(zhí)i i ij- 3 - 中國 科技 論文 在線/. 行啟動操作, 引入二進 制變量 T 來標識電器 i 在第 j 小時執(zhí)行關 閉操作, 采 用 F 表示電器 iij i完成工作的 時間。 125 HEMC 有

20、良好的用戶交互性,用戶可以在個人設置 里面,自由設定自己期待的各電器完成工作的 時間段 , 如a ,b , 表 示用戶希 望電器 i 能 夠在第 a 小時與 第 b 小時之間 完成工i i i i作。 我們使用二 維的二進 制變量 S 來標識第 i 個電器在 第 j 個時間片是否 工作, 如 果工作則ijS 1,否則 S 0。 系統(tǒng)調(diào)度完成后 得到向 量 S 。 然后, 對向量 S 進行換算處理得到每 一個ij ij ij ij130 電器的工作 時間安排 ,并通過 家庭無線 網(wǎng)絡發(fā)送 給各 個電器,調(diào) 度各家用 電器的運 行。 在介紹我們 的調(diào)度方 法前, 我們假定 以下的數(shù) 據(jù)可以 通過相

21、關預 測方法獲 得 (比 如可以7-8采用 等提出的利用天氣預報信息、歷史用電量以 及發(fā)電量數(shù)據(jù)來預測第二天的用電量和發(fā)電量大小) 。 限于 篇幅, 本文 對此將不 做詳細介 紹 , 而是假定直接 使用通過 預測方法 獲得的以下數(shù)據(jù) 進行調(diào)度 運行: 135 次日的 PV 發(fā)電系統(tǒng)各 時間段的 發(fā)電功率 G ; j 次日各電器 需要運行 的時間 N ; i 次日各時段 必須運行 的電器功 率 M 。 j另外, 電力公司 會將各時 段的價格 信息 Pb 、Ps 以及需求響應要 求 (對應各個 時間段的 電網(wǎng)j j功率限制 D )提前發(fā) 送給用戶 供調(diào)度使 用。 j140 2.3 用電費用最省基

22、本調(diào)度模 型 考慮在 j 時段,PV 發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生 的電力為 G ,家庭中必須保持 運行的電 器需要的 功率j為 M ,而此時段電網(wǎng)的使 用功率限 制為 D (需求響 應要求), 因此該時 段實際可 調(diào)度使用j j的功率大小 為 D + G - M 。 j j j如前所述, 雖然每小 時的電力 價格已知 并且為固 定值 ,但是由于 家用電器 可以使用 PV145 系統(tǒng)產(chǎn)生的 電力而不 用支付費 用, 每小時的 相對電 力 價格將隨著 PV 電力使 用的多少 而隨時變化。 因此 我們在計 算費用時 把各小時 的用電相 對價 格用 Pbg 表示, 該價格是 使用 PV 發(fā)電j系統(tǒng)后的相 對價格 。

23、 則各小 時需支付 給電力公 司的費 用為 Pb ?WS GMT ,而i ?Ajiijjj可調(diào)度電器 的總用電 量為WS。 i ?Aiij若某時段調(diào) 度的電器 的用電功 率比發(fā)電 功率還要 小時 , 則相對買 電價格為 零; 反 之相對150 買電價格由 需支付給 電力公司 的費用與 可調(diào)度電 器總 用電量計算 得出,即Pbg0, 當WS GM0 1 i ?Aj iij j jPb? W S G MTi ?AjiijjjPbg, 當W S? G? M 0 2 i ?AjiijjjWSi ?Aiij又因為只有 在家庭電 力有剩余 的時候 , 即, 當GW?SM0 時才會 出售電力。i ?Ajii

24、j j我們用 Sen 標識是否可以向電 網(wǎng)出售剩 余電力 ,當可 以出售電力 時 Sen 1,反之 Sen 0。j j j 24155 出售電力可 以產(chǎn)生收 入,一天 的售電收 入為? GW?S?M? T?Ps?Sen 。 i ?Aj iij j j jj ?1綜合上述各 因素及條 件,可以 得出本系 統(tǒng)基本調(diào) 度線 性規(guī)劃模型 如下: 24 24?Minimize PbgWST? G? W?S?M? T?Ps?Sen 3 ii AAj iij j i ij j j jjj 1124Subject to SN4 ij ij ?1 WS?M ?G ?D 5 i ?Aiij j j j- 4 -

25、中國 科技 論文 在線/. 160 其中式3 為目 標函數(shù), 其 目的是最 小化用 電費用。 式4、式5 為約束條 件, 其中 等式4 表示任務調(diào)度 后總工作 時間應與 電器實際 所需要工 作的 時間相等, 不 等式3 表示 各時段的 電器總功率不 得超過電 力公司規(guī) 定的最大 功率限制 (即 滿足需求響 應要求) 。 此外,由于 電器一旦 啟動,則 必須至少 連續(xù)運行 L 個 時間片。電 器啟動操 作的標識 為 B ,i ij則電器運行 狀態(tài) S 還必須滿足如下條件 。 ij165 SL1,x 0, 且B1 6 ij+x iij通常當某電 器在某一 時間段的 狀態(tài)是 0, 而在下一 個 時間

26、段的狀 態(tài)為 1 時, 則表明在 下一個時間段電器 執(zhí)行了啟 動操作, 即 B 必須滿足下式。 ijBS1,當且 0S? 1,或S? 1且j? 1 7 ij ij ?1 ij ij2.4 調(diào)度模型的使用 流程 170 本文所提出 的調(diào)度模 型在 HEMC 中的使 用流程如 下: 用戶輸入家 用電器的 期望完成 時間段以 及其它和 家用 電器關聯(lián)的 各種參數(shù) 。 從電力公司 處獲取第 二天動態(tài) 電價信息 及需求響 應要 求信息。 從天氣預 報部門獲 取天氣預報信息。 使用現(xiàn)有的 預測方法 , 通過天 氣預報信 息和歷 史發(fā)電 , 用電信息 , 預測 第二天的 發(fā)電量175 和用電量。 使用優(yōu)化調(diào)

27、 度模型計 算第二天 各種家電 的運行調(diào) 度計 劃。 由 HEMC 根 據(jù)上述調(diào) 度結(jié)果控 制第二天 的家電運 行。 3 考慮用戶滿意度的調(diào)度模型 在前面模型 中我們提 到, 用 戶希望電 器能夠在 時間范 圍a,b 之間工作 , 我 們假定電 器如180 果沒有在用 戶要求的a,b 之間工 作則該電 器調(diào)度結(jié) 果 的滿意度為 0 。 同時, 我 們假定 用戶希望工作任務 能夠在指 定的時間 區(qū)間內(nèi)更 快地完成 (比 如希望洗衣 機在指定 時間范圍 內(nèi)盡早地洗完衣服) ,所以當 電器在 a 時刻 開始工作 ,在 a+N 時刻完成時滿意 度最高( 設為 1),然后滿意度 隨完成時 間向 b 推

28、移而遞減 直至 0 。 所以 用戶滿意度 是一個關 于任務完 成時間 F的分段函數(shù) ,記為 sF ,其定義 如下: Fb?× 100%, a + NFbaNb185 sF 80, F a + N 或F b由于用戶對 不同電器 的重視程 度有差異 , 所以 用戶對 各電器在某 時間段工 作的滿意 度也作為 用戶對不 同電器的 滿意度的 影響因子,? 取 值為不小 于 0 的整 數(shù)。不相同,我 們使用i i當0 時 , 表示該 電器的完 成時間與 滿意度無 關。 因 此帶影響因 子的滿意 度 (加權 滿意度)i函數(shù) ds F 可表示為:iiFbii,aN?F?biiiiiaNb190 d

29、s F 9 ii iii0,Fa ?N 或F bii i i i同時,整個 調(diào)度過程 中總加權 滿意度 sat 可 定義為: sat? ds F 10 i ?Aii將滿意度反映到調(diào)度模型 中,我們在優(yōu)化目 標函數(shù)中 加入滿意度項并且使用? ?0,1 來標識用戶的滿 意度在整 個調(diào)度中 的比重 。 將滿 意度及比 重代入到3 中 , 則調(diào) 度模型 轉(zhuǎn)換為: 24 24195 Minimize? PbgW S? GW? S? M? Ps? Sen? sat 11 ii AAjiij j iij j j jjj 11Subject to 4,5 - 5 - 中國 科技 論文 在線/. 4 仿真實驗與

30、評價 4.1 調(diào)度數(shù)據(jù)信息 系統(tǒng)在調(diào)度 之前, 通 過人機接 口, 由 用戶向系 統(tǒng)輸入 表 2 中與家 電相關的 各種信息 , 提200 供給調(diào)度控 制器。 表 中包括 各電器參 與調(diào)度所 需要的 基本信息, 調(diào)度控制 器根據(jù) 這些信息 進行家用電器 工作任務 的最優(yōu)調(diào) 度。 如 表 2 中所 示, 當 最低連續(xù)工 作時間和 需要工作 時間相等時表示該電 器使用過 程中不可 中斷, 否則為可 中斷。 另一方面電 力公司會 將第二天 的各時段的 價格 信息以 及需 求響 應要求 (最 大功率 限制 )通過網(wǎng) 絡發(fā) 送給家 庭能 量管 理系統(tǒng) ,以 供HEMC 使用。各時 段的價格 信息及 需求

31、響應 信息如 表 1 中第 24 列所示。其中 買電價格 參9 10205 考的是一個 冬季的典 型價格信 息 , 賣電價格為當前中國最新公 布的補貼 價格 。 家庭中各時段 PV 發(fā)電系統(tǒng)的發(fā) 電功率與 必須運行 電器的功 率 信息如表 1 中 56 列所示 , 均取冬 天一個普通家庭 的發(fā)電和 用電信息 。 表1 與時間片相關的各種信息 18 0.93 0.42 8 0 0.3 19 0.93 0.42 8 0 0.3 買 賣 需求 響PV 系20 0.93 0.42 8 0 0.3 電 電 應要 求時統(tǒng)預 測 不可 調(diào)21 0.93 0.42 8 0 0.3 價 價 (最 大間發(fā)電 功

32、度功 率 22 0.93 0.42 8 0 0.2 格 格 允許 買0.93 0.42 8 0 0.25 MKW 23 片 率Pb Ps電功 率)GKW 元 元 DKW 210 表2 家用電器相關各種信息 0.44 0.42 8 0 0.4 0 最低 連平均0.44 0.42 8 0 0.3 1 工作 時 需要 工作家電 序續(xù)工 作功率0.44 0.42 8 0 0.2 2 間要 求 時間 N 號 i時間 L W Ki i0.44 0.42 8 0 0.3 3 App# a ,b 小時 i iW 小時4 0.44 0.42 8 0 0.2 5 0.44 0.42 8 0 0 1.5 0-6 3

33、 1 App1 6 0.93 0.42 8 0 0 2 6-14 2 2 App2 7 0.93 0.42 8 0 0.2 1.5 12-20 3 1 App3 8 0.93 0.42 8 0.01 0.3 3.5 7-10 1 1 App4 9 0.93 0.42 8 0.09 0.2 App5 2 17-21 2 2 10 0.93 0.42 8 0.30 0.25 App6 2 18-24 2 1 11 0.93 0.42 8 0.63 0.3 App7 2 6-10 2 1 12 0.8 0.42 8 0.47 0.3 App8 2 18-24 2 1 13 0.8 0.42 8 0.

34、50 0.3 App9 2 6-9 2 2 0.8 0.42 8 0.21 0.25 14 App10 2 18-22 2 1 0.8 0.42 8 0.19 0.25 15 App11 3 6-16 1 1 0.8 0.42 8 0.02 0.25 16 App12 4 11-21 3 1 17 0.8 0.42 8 0 0.2 4.2 基本調(diào)度結(jié)果 我們在運行 WINDOWS 7 操 作系統(tǒng)的 Intel 64 位機器上,使用 LINGO11.0 線性規(guī) 劃求解器, 利用前 面 2.3 節(jié)所 述的線性 規(guī)劃模 型以及 4.1 節(jié)的數(shù)據(jù)信 息, 以下實 驗均能在 最大 30分鐘內(nèi)得到 優(yōu)化調(diào)

35、度 結(jié)果。 215 首先, 在不 考慮用戶 滿意度的 情況下 , 我們通 過調(diào)度得 到各電器的 運行時間 如表 3 所示。同時, 我 們在圖 2 中, 給出了調(diào) 度前后各 小時時段 的功 率情況。 其中調(diào)度 前是指不 使用調(diào) 度,即電器在任 務可以開 始的時刻 開始連續(xù) 工作直到 任務 完成 (即相 當于滿意 度優(yōu)先調(diào) 度) 。 圖2 中使用三角 形標注 的曲線表 示最大限 制功率, 使 用 交叉標注的 曲線表示 買電價格。 從圖中- 6 - 中國 科技 論文 在線/. 可見如果不 做優(yōu)化調(diào)度 6:008:00 及 18:0019:00 是 冬季的用電 高峰期, 電器總負 載超過了220 電網(wǎng)

36、最大功 率限制, 并且電 器工作的 時段也是 相當昂 貴的。 但是 經(jīng)過優(yōu)化 調(diào)度后 用電高峰 被移到了電費 較便宜的 時段, 并且保證 任何時刻 總的功 率都不超過 該時刻電 力公司要 求的最大功率限制。 表3 電器運行調(diào)度結(jié)果家電 家電 225工作 時間 工作 時間 序號 序號App# App# 1:002:00 App1 App7 13:0015:004:006:00 20:0021:00 App2 13:0015:00 App8 23:0024:00App3 14:0017:00 App9 16:0018:0018:0019:00 App4 13:0014:00 App10 21:00

37、22:00App5 17:0019:00 App11 17:0018:0012:0013:00 20:0021:00 App6 App12 15:0017:0023:0024:00圖 2 各時間段的總功率情況 16:0017:004.3 考慮需求響應的 調(diào)度結(jié)果 上述基本調(diào) 度中,電 力公司針 對需求響 應給出的 最大 限制功率在 各時段均為 8KW ,而230 在一般情況 下, 用電 高峰時 段的最大 限制功率 往往更 小。 假定某 電力公司 給出的 最大限制 功率如圖 3 中用三角 形標注的 曲線所示 ,調(diào)度所 需要的 其他數(shù)據(jù)取 自表 1 中除需求 響應要求之外的其他 列。系統(tǒng) 采用新的

38、 功率限制 數(shù)值后調(diào) 度得 到電器新的 運行時間 ,如表 4 所示。 表 4 考慮需求 響應 的電 器運 行調(diào) 度結(jié) 果 235家電 家電 工作時 間 工作時 間 序號 序號App# App# 15:0016:00 App1 0:003:00 App7 17:0018:00 App2 15:0017:00 App8 20:0022:00 14:0016:00 App3 App9 12:0014:00 17:0018:00 20:0021:00 App4 16:0017:00 App10 23:0024:00 App5 17:0019:00 App11 11:0012:00 19:0020:00

39、App6 App12 12:0015:00 21:0022:00 圖 3 最大功率 限制 (需 求響 應) 的 變化 對調(diào) 度結(jié)果的 影響 對比表 4 和表 3,我們 發(fā)現(xiàn)電器 的運行時 間有所變 化 ,新的調(diào)度 結(jié)果中, 電器更多 地集240 中在無需求 響應控制 (假 定最大限 制功率為 8KW 時, 即為無需求 響應控制) 的 時間段運 行,而盡量避開 需求響應 控制的時 間段。 為了更為直 觀地體現(xiàn) 削峰的效 果, 我們將 各時段最 大 限制功率均 為 8KW 的調(diào) 度結(jié)果標記為 DR1 ,將各 時段最大 功率限制 如圖 3 中三角 形標 注的曲線時 的調(diào)度結(jié) 果標記為 DR2 。DR

40、1 和 DR2 的 調(diào)度后各 時段的 功率如圖 3 所示 - 7 - 中國 科技 論文 在線/. 245 觀察圖 3 中 DR2 的結(jié) 果, 可以明顯 地看到從 12:00 到 18:00 , 由 于家庭允 許消費的 最大功率變小, 優(yōu)化調(diào)度 能很好 的將這一 時間段的 負載調(diào) 整到其他時 間段運行 , 從而 保障完成 電力公司的需 求響應要 求。 4.4 考慮用戶滿意度 的調(diào)度結(jié) 果 根據(jù)第 2 節(jié) 所述, 各電 器的加權 滿意度取 決于影響 因 子, 各個電器 的影響因 子因用戶i250 對電器的重 視程度不 同而不同 。比如說 ,對用戶 而言 ,如果電器 A 的工作 比電器 B 的工 作

41、更加重要, 那么電器 A 的影響因子 大于電器 B 的影 響因子。假 設表 2 中各電器 對應的滿 意度影響因子 如表 5 所示。 我們就以下 三個運行 事例進行 對比: 事例 1: 不使用 調(diào)度; 255 事例 2: 使用調(diào) 度,但是 不考慮用 戶滿意度 ( );0事例 1 和事 例 2 在前 一部分仿 真實驗中 已經(jīng)說明 。 圖 4 給出了這三 個事例 在各時段 的功率消耗情況 ,表 6 給 出了三個 事例的滿 意度以及 用電 費用的情況 。 表5 電器滿意度影響因子 App#App1App2App3 App4 App5 App610 15 10 9 8 5 iApp# App7 App8

42、 App9 App10 App11 App126 7 8 10 8 10 i表6 事例1, 2, 3的運行結(jié)果比較加權滿 意度 用電費 用 元事例 1 106 50.96 97.32 50.09 事例 3 260 圖 4 事例 1, 2, 3 的各 時段 總功 率 從圖 4 中我 們發(fā)現(xiàn), 事例 1 因為保障 了滿意度 , 負載 大量集中在 買電價格 較高的時 段運265 行; 事例 2 為了實現(xiàn) 電費最省 , 將大 量電器負 載調(diào)度 電價較便宜 的時段運 行; 事 例 3 為了在電費最省的 前提下保 障滿意度 , 盡可 能地將更 多的電 器在買電價 格較便宜 的時段運 行, 但 考慮了滿意度

43、 , 所以仍 然有一 部分電器 在電價較 昂貴的 時段運行。 表 6 中的 數(shù)據(jù)很 好地支持 了這一說法 : 事例 1 中, 用戶對 電器工作 時間的加 權滿 意度達到了 最高的 106, 但 是用電 費用也是最多的 (50.96 元)。事 例 2 中 ,系統(tǒng)調(diào) 度將用 電費用下降 到了最低 的 48.21 元,但 是270 加權滿意度 也相應下 降到了 19.71。事例 3 更接近于 事例 1 和事例 2 的折衷,雖然 用電費用上升到了 50.09 元, 但是用戶 對電器工 作時間的 加權 滿意度上升 到了 97.32 。 由此可見, 通過使用 本文提出 的優(yōu)化 調(diào)度模型 (事例 3) 用戶

44、可 以通過調(diào) 節(jié)的大小來權衡自己對滿意 度還是用 電費用節(jié) 約的需要 程度。 4.5 用戶滿意度對調(diào) 度的影響 275 如第 3 節(jié)所 述, 我們 期待通 過改變電 器的滿意 度影響 因子, 來控 制電器調(diào) 度使用 的優(yōu)先順序。 一般 而言, 電器的影 響因子越 大, 則表 明用戶 希望該電器 能夠在完 成時間要 求的范圍內(nèi), 更早地 完成工作 。 為了 驗證滿意 度影響因 子對調(diào) 度結(jié)果的影 響, 我們 更改滿意 度未達到100% 的電 器 App6 、App7 和 App11 的影響因子,將 這三個電器 的滿意度 影響因子 擴大 10倍(分別為 50 、60 和 80) , 而 保持其他

45、電器的 影響 因子不變?nèi)?表 5 中所 示。 這意味著 這三- 8 - 中國 科技 論文 在線/. 280 個電器的調(diào) 度優(yōu)先級 將比其他 任何電器 高。 此 外為了 探討最大限 制功率對 影響因子 調(diào)度效果的影響,我 們進行了 如下實驗 。 采用表 1 中的最大 限制功率 進行調(diào)度 并選取 App6 、 App7 和 App11 的調(diào)度結(jié)果進行對比 ,對比結(jié)果如 表 7 所示 。 從表 7 中可以 看出, 影響因子 的加大對 App6 、App7 和 App11 這三個電器的工作 時間285 的安排影響非常大,三者的滿意度均達到了最高 在用戶要求完成時間范圍的起點恰好開始工作,為 100%

46、。而相 應的,因 其它電器 影響因子 的 變化原本滿 意度為 100% 的 App8 調(diào)度后的滿意度 下降到了 75% ,這 是因為 App8 的滿意度影響因子相對 App6 ,App7 和 App11較小的原因 。我們根 據(jù)公式8 計 算出更改 前后的滿 意 度如表 8 所示。 表 7 影響因子 的變 化與 調(diào)度 結(jié)果 290 表 8 影響因子 的變 化與 滿意 度更改前 更改后 用戶要 求 更改前% 更改后% App6 19:0021:00 18:0020:00 18:0024:00 App6 75% 100% 6:007:00 App7 50% 100% App7 6:008:00 6:0010:008:009:00 App8 100% 75% App11 8:009:00 6:007:00 6:0016:00 App11 77.8% 100% 從以上調(diào)度 結(jié)果可知, 對 于滿意度 要求高 (即 運行時 間有特別要 求) 的電器, 應 該設置較高的影響 因子。同 時也應看 到由于需 求響應的 限制 ,所有的電 器不可能 都達到 100%的滿意度,因此 應根據(jù)用 戶對不同 電器的需 要程度合 理設 置滿意度影 響因子。 5 結(jié)論 295 本文介紹了 一種適用