家庭能量管理系統(tǒng)中能量?jī)?yōu)化調(diào)度模型的研究

1、 湖南大學(xué)參鄆墨學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)朐諞隕舷嚶嬌蚰詿頡埃 家庭能量管理系統(tǒng)中能量?jī)?yōu)化調(diào)度模型的研究摘關(guān)鍵詞：家庭能量管理系統(tǒng)；能量?jī)?yōu)化調(diào)度；實(shí)時(shí)電價(jià)；需求響應(yīng)；滿意度 ，甌， 瓵瑂 家庭能量管理系統(tǒng)中能量?jī)?yōu)化調(diào)度模型的研究 目錄第翲嘔鞫確治黽跋喙丶際酢 小結(jié)參考文獻(xiàn) 圖新的家庭能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖用電費(fèi)用最省調(diào)度結(jié)果儲(chǔ)能設(shè)備充放電情況圖用電費(fèi)用最省調(diào)度結(jié)果中各時(shí)段向電網(wǎng)買電量圖各案例在各時(shí)段向電網(wǎng)買電量圖不同容量?jī)?chǔ)能設(shè)備的電費(fèi)開(kāi)銷 家庭能量管理系統(tǒng)中能量?jī)?yōu)化調(diào)度模型的研究表與時(shí)間片相關(guān)的各種信息表儲(chǔ)能設(shè)備信息表表用電費(fèi)用最省模型調(diào)度結(jié)果電器運(yùn)行時(shí)間表用電費(fèi)用和滿意度兼顧模型調(diào)度結(jié)果電器運(yùn)行

2、時(shí)間表儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)用電費(fèi)用和滿意度兼顧模型的影響 研究背景進(jìn)入世紀(jì)后，隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)水平的提升，人民的生活越來(lái)越豐富，生活水平也越來(lái)越高。伴隨著大量電子消費(fèi)產(chǎn)品的廣泛使用，家庭中能量的消耗也呈現(xiàn)劇烈的增長(zhǎng)，近年來(lái)我國(guó)的居民生活用電總量增長(zhǎng)迅猛，每年增長(zhǎng)量達(dá)數(shù)百億千瓦時(shí)。國(guó)家致力于建設(shè)的“資源節(jié)約型”還處于起步階段，在能量的節(jié)約上，還依然主要依靠人們自發(fā)形成良好的使用習(xí)慣，如及時(shí)關(guān)閉不需使用的電器、提高空調(diào)的制冷溫度、降低空調(diào)的制熱溫度。這與人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活質(zhì)量要求相背離，損害了人們的生活質(zhì)量，同時(shí)能量的節(jié)約也是非常有限的。實(shí)際上，市場(chǎng)上也出現(xiàn)過(guò)不少節(jié)能電器，比如在中國(guó)節(jié)能電燈的使用就非常

3、在家庭與電力公司以及電網(wǎng)的信息交換越來(lái)越緊密、用戶對(duì)電能質(zhì)量及使用體驗(yàn)的要求越來(lái)越高、分布式太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源的不斷增加和建設(shè)資源節(jié)約與環(huán)境友好的“兩型社會(huì)”的倡導(dǎo)與要求下，人們提出了發(fā)展智能電網(wǎng)的設(shè)想，力促傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能化電網(wǎng)的更新?lián)Q代。在智能電網(wǎng)發(fā)展的同時(shí)，智能電網(wǎng)在用戶側(cè)的重要組成部分一一能量管理系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。 圖能量管理系統(tǒng)圖家庭能量管理系統(tǒng)的目標(biāo)此外，系統(tǒng)還能夠通過(guò)結(jié)合電力公司的電價(jià)、需求響應(yīng)等信息實(shí)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(jìn)控制方法達(dá)到最大限度的節(jié)能、減少二氧化碳排放的目的。同時(shí)保證用戶用電的滿意度，滿足電力公司對(duì)需求響應(yīng)的要求，起到保障電網(wǎng)穩(wěn)定的作用。由

4、此可見(jiàn)，將成為未來(lái)智能電網(wǎng)、智能家居中不可缺少的組成單元。的調(diào)度要求制定家電的電力使用計(jì)劃并按計(jì)劃調(diào)度家電運(yùn)行?？紤]到用戶需求的多樣性，要求能夠針對(duì)不同的優(yōu)化目標(biāo)建立相應(yīng)的調(diào)度模型。這也是本文研究的重點(diǎn)。 月，韓國(guó)政府發(fā)布了智能電網(wǎng)國(guó)家路線圖，以促進(jìn)相關(guān)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，目的是到年建成全國(guó)范圍的智能電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同年月，韓國(guó)政府向國(guó)會(huì)提交了“制定智能型電力網(wǎng)絡(luò)法”的提案，希望通過(guò)法律手段，系統(tǒng)地建立穩(wěn)定的電力、融合基礎(chǔ)設(shè)施，培養(yǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。此外韓國(guó)政府還在濟(jì)州島建立了智能電網(wǎng)示范基地。等電器廠商紛紛推出了智能家電 設(shè)施、新能源接納以及居民智能用電等項(xiàng)目。其中，智能用電是“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”為

5、主要燃料的發(fā)電系統(tǒng)【】減輕了壓力，減少煤等化石燃料的消耗，這在當(dāng)前越來(lái)越嚴(yán)重的能源危機(jī)問(wèn)題上提供了解決方案。由于傳統(tǒng)化石燃料消耗的減少，化石燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體以及二氧化硫等有害氣體的排放量也將縮減。顯然，家庭能量管理系統(tǒng)的發(fā)展能夠?yàn)榻ㄔO(shè)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的兩型社會(huì)發(fā)展提供動(dòng)力。 最后，家庭能量管理系統(tǒng)可以對(duì)家用電器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，用戶只需要在的人機(jī)交互界面進(jìn)行操作就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有家用電器監(jiān)管，可以減少繁復(fù)的操作，方便快捷。另外，可以按照用戶的意愿對(duì)家電的使用時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度，使家電能夠在合理的時(shí)間段工作，不僅能夠保障用戶的生活舒適度，還能為用戶節(jié)省電費(fèi)開(kāi)支。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

6、 學(xué)者通過(guò)多種方法建立模型，已經(jīng)取得了不少的成果。由于智能優(yōu)化算法不要求目標(biāo)函數(shù)和約束的連續(xù)性與凸性，甚至有時(shí)可以沒(méi)獲取的實(shí)時(shí)電價(jià)體系下進(jìn)行家電的調(diào)度，也取得了不錯(cuò)的效果。，考慮了家 合協(xié)調(diào)管理家庭能源。支持分布式能源的接入和混合電動(dòng)汽車的集成。使用改進(jìn)本文研究?jī)?nèi)容論文結(jié)構(gòu) 器如何調(diào)度運(yùn)行的問(wèn)題。當(dāng)前學(xué)者們提出了一系列的解決方案，其中就調(diào)智能優(yōu)化算法是建立在生物智能或物理現(xiàn)象基礎(chǔ)上的隨機(jī)搜索算法，一般不 有考慮到用戶的滿意度及對(duì)二氧化碳排放量的控制。 源發(fā)電系統(tǒng)、家庭分布式儲(chǔ)能設(shè)備、需求響應(yīng)等情況考慮在內(nèi)，并且還考慮了熱能的循環(huán)使用。通過(guò)調(diào)度可以得到太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、電力公司、蓄電池以及用電需求

7、之間的能量流動(dòng)量以及發(fā)熱器、儲(chǔ)熱器、耗熱需求之間的熱能流動(dòng)量。模型很好地完成了電能以及熱能的調(diào)度安排，但是沒(méi)有涉及到的家用電器過(guò)少，沒(méi)有考慮到家庭中家用電器的多樣性。的模型一樣，對(duì)實(shí)際的家用電器考慮過(guò)少，也未能夠制訂出家電使用計(jì)劃。 琇褪凳鋇緙千家網(wǎng)總裁向宏忠將智能家電定義為：智能家電就是將微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動(dòng)感知住宅空間狀態(tài)和家電自身狀態(tài)、家電服務(wù)狀態(tài)，能夠自動(dòng)控制及接收住宅用戶在住宅內(nèi)或遠(yuǎn)程的控制指令；同時(shí)，智能家電作為智能家居的組成部分，能夠與住宅內(nèi)其它家電和家居、設(shè)施互聯(lián)組成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能家居功能【】。目前，國(guó)內(nèi)的幾大家電生產(chǎn)廠商如美

8、的、海爾、長(zhǎng)虹、創(chuàng)維均已經(jīng)向智能家 家居的控制應(yīng)該具備機(jī)器學(xué)習(xí)【詮嬖頡、多主體約熬霾呦低場(chǎng)目前便是智能家居控制系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)為用戶提供實(shí)時(shí)的能量消費(fèi)情況，并且可以根據(jù)用戶的設(shè)定或是通過(guò)預(yù)測(cè)用戶的生活，結(jié)合從電網(wǎng)端獲取的信息進(jìn)行家電的自動(dòng)化調(diào)度等。未來(lái)，隨著智能家電與智能家居的發(fā)展，將成為智能家居控制系統(tǒng)中不可或缺的一部分。 要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)各家電的優(yōu)化調(diào)度。系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)需要對(duì)各種家電進(jìn)行分類，通常家庭中的電器有兩大類：可調(diào)度家用電器和不可調(diào)度的家用電器。不可調(diào)度家用電器主要是指像電冰箱這種需要一直工作的電器以及像照明電燈這種工作具有隨機(jī)性的電器。而可調(diào)度電器通常又分成兩種：一種是工作不可中

9、斷的，這種電器的主要代表就是洗衣機(jī)和電飯煲，他們一旦進(jìn)入工作狀態(tài)就必須把工作完成；另一種是工作可中斷的，比如熱水器，熱水器可以 在家庭能量管理系統(tǒng)中，各因素的發(fā)展既有來(lái)自客觀因素的影響，又有來(lái)自系在各時(shí)間片的捎詡矣玫縉鞫幾饔兇隕淼墓魈匭裕繾畹土魘背即 用電費(fèi)用最省模型用電費(fèi)用最省模型是本系統(tǒng)的基本調(diào)度模型，主要適用于將節(jié)約電費(fèi)開(kāi)銷作加籊與鼢，相同。即： 由于在第，個(gè)時(shí)間片內(nèi)，電網(wǎng)可供使用的功率為馬，發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力對(duì)電器裕枰9韉氖奔淦鬴，需要保證每一個(gè)電器都能此外，由于電器一旦啟動(dòng)，則必須至少連續(xù)運(yùn)行厶個(gè)時(shí)間片。電器啟動(dòng)操作薯仃省緊，島】且口擴(kuò)刪御蔄刪， 甶 為了將滿意度反映到調(diào)度模型中，將

10、滿意度代入到用電費(fèi)用最省模型的目標(biāo)函數(shù)式，并且使用省緊，來(lái)表示用戶的滿意度在整個(gè)調(diào)度中的比重，其中當(dāng)時(shí)表示在滿足需求響應(yīng)的前提下，最大限度地保障滿意度并實(shí)現(xiàn)縮減約束條件：的用戶而言，具有特別的意義。從章節(jié)中可知從電力公司處購(gòu)買的電力總和為：，；警薹 琗一甶環(huán)罶約束條件：仿真實(shí)驗(yàn)與分析程在如下實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行：表實(shí)驗(yàn)環(huán)境家庭能量管理系統(tǒng)在執(zhí)行調(diào)度優(yōu)化之前，會(huì)通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)得到電器相關(guān)的數(shù) 在不考慮任何外界影響的情況下，假定家用電器一旦可以開(kāi)始進(jìn)行工作任務(wù) 表家用電器相關(guān)各種信息表電器運(yùn)行調(diào)度結(jié)果 是冬季的用電高峰期，從圖中“調(diào)度前”曲線可知，如果這兩個(gè)時(shí)段不做優(yōu)化調(diào)度，那么家用電器工作的總負(fù)載就超過(guò)

11、了電網(wǎng)最大功率限制，并且電器工作的時(shí)段的買電價(jià)格也是相當(dāng)昂貴的。從圖中“調(diào)度后”曲線可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度后，用電高峰被轉(zhuǎn)移到了電費(fèi)較便宜的時(shí)段，并且保證任何時(shí)刻總的功率都不超過(guò)該時(shí)刻電力公司要求的最大功率限制。圖各時(shí)間段的總功率情況 ： 個(gè)電器的影響因子因用戶對(duì)電器的重視程度不同而不同。比如說(shuō)，某用戶如果認(rèn)事例菏褂玫鞫齲遣豢悸怯沒(méi)舛；表電器滿意度影響因子圖各事例在不同時(shí)段的總功率比較 提下保障滿意度，盡可能地將更多的電器調(diào)度到買電價(jià)格較便宜的時(shí)段運(yùn)行的同時(shí)，仍然保留一部分電器在電價(jià)較昂貴的時(shí)段運(yùn)行以維護(hù)用戶滿意度。表各事例的運(yùn)行結(jié)果比較度結(jié)果的影響，現(xiàn)更改滿意度未達(dá)到牡縉鰽虯的影響因子，將這三個(gè)

12、電器的滿意度影響因子擴(kuò)大倍直鷂、保持其他電器的影響因子不變?nèi)绫碇兴?。這意味著這三個(gè)電器的調(diào)度優(yōu)先級(jí)將比其他任何電器高。此外為了探討最大限制功率對(duì)影響因子調(diào)度效果的影響，進(jìn)行了如下仿真實(shí)驗(yàn)。 表影響因子的變化前后的滿意度 更靈活。實(shí)際上，每個(gè)電器的滿意度影響因子反映了該電器運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)，同時(shí) 用而不會(huì)導(dǎo)致能量的浪費(fèi)。需求響應(yīng)的實(shí)施，限制了居民在高峰時(shí)段的用電量，在某些時(shí)候這會(huì)影響 貴，短期而言，用戶需要支付大量費(fèi)用來(lái)購(gòu)置設(shè)備。此外，分布式儲(chǔ)能設(shè)備體積也比較大，尤其是大容量的儲(chǔ)能設(shè)備，這在部署上會(huì)帶來(lái)一些麻煩，可能影響家庭的布局。現(xiàn)在很多家庭使用混合電動(dòng)汽車作為家庭分布式儲(chǔ)能設(shè)備，但是使用混合電

13、動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能設(shè)備也有不足之處，因?yàn)槠囋谶\(yùn)行時(shí)不可能給家庭提供電力。 進(jìn)行充電操作，充電量由模型調(diào)度決定。用電費(fèi)用最省模型 電器的總用電量狶，啤骸梳躻羢，標(biāo)硎鏡縉骷中的第齙縉鰲蟣硎鏡縉鱢的平均工作功率。墨，是一個(gè)，一藎，統(tǒng)決定。即： 。珊，其他。省緇，琇蹹， 幽毒弧延爿勘吁一。滓弧丁約束條件：？慌蟆蕁憑勺狦輔【用電費(fèi)用與滿意度兼顧模型用戶的舒適度和滿意度也是家庭能量管理系統(tǒng)應(yīng)該考慮的一個(gè)因素。用戶滿猙巧簍赫口巧【鬴或鱅 二氧化碳排放量最少模型生的二氧化碳量為瓺其中，硎駒謔奔淦肯千贠時(shí)，奶；反之奶，即如下式表示。痲目標(biāo)函數(shù)：胛恰危彳勘瓺狦丁調(diào)度模型的使用流程家電與能量?jī)?yōu)化調(diào)度模型在中的使用流程

14、如下： 家電與能量的優(yōu)化調(diào)度模型的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境如表所示。表與時(shí)間片相關(guān)的各種信息 表儲(chǔ)能設(shè)備信息表表用電費(fèi)用最省模型調(diào)度結(jié)果電器運(yùn)行時(shí)間 帶三角形的曲線表示一天中各時(shí)間段的電價(jià)。通過(guò)觀察各時(shí)段的充放電情況，能夠發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備集中在電價(jià)較低的時(shí)段進(jìn)行充電操作，并且在電價(jià)較高的時(shí)候放電供家用電器使用。這相當(dāng)于在電價(jià)較高的時(shí)候運(yùn)行的電器使用的電力實(shí)際上在電價(jià)較低時(shí)便已經(jīng)購(gòu)買，節(jié)約了電費(fèi)。實(shí)際上通過(guò)計(jì)算，得出本次調(diào)度結(jié)果運(yùn)行所需要支付給電力公司的電費(fèi)為元藪萇璞甘鋇牡綬鹽，節(jié)峰時(shí)間段，可以發(fā)現(xiàn)使用了儲(chǔ)能設(shè)備后，這一時(shí)間段里僅在：這一個(gè) 。：薌蓑彳麥鑫入、，一籚圖用電費(fèi)用最省調(diào)度結(jié)果中各時(shí)段向電網(wǎng)買電量 圖各案例在各時(shí)段向電網(wǎng)買電量舶硼以烈一 產(chǎn)生的電