淺析優(yōu)化居民小區(qū)家庭電能管理系統(tǒng)的設計與應用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：現(xiàn)如今，分時電價的盛行改變了原來的用電模式，不僅要保證用電費用降低，更要保證用戶用電的舒適度。因此提出了基于分時電價和多目標優(yōu)化的家庭電能管理系統(tǒng)。首先 ，將常用的家用設備按照家用設備的用電特性進行了分類。然后，家庭電能管理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的建立以家庭用電成本的優(yōu)化，用戶舒適度的提升和碳排放量的追蹤為目標。對家庭電能管理系統(tǒng)模型使用改進的粒子群算法進行優(yōu)化驗證。通過使用 Matlab 進行仿真實驗 ，驗證該方法在降低用電成本提高用戶舒適度和追蹤碳排放量方面有顯著的優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：家庭電能管理；分時電價；多目標優(yōu)化；改進的粒子群算法；優(yōu)化調(diào)度

0 引言

從目前國內(nèi)外的研究來看，對于家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題有大量的研究，提出如何將居民用電設備進行分類。本文在沒有光伏發(fā)電與風力發(fā)電等能源裝置，結(jié)合了已有的家庭電能管理系統(tǒng)研究基礎，考慮優(yōu)化目標用戶舒適度、電價成本和碳排放量的追蹤建立在分時電價下的多目標模型，以保證不同家電用電行為下的調(diào)度。因此提出了基于分時電價和多目標優(yōu)的家庭電能管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型，該模型對家用設備進行了分類，并對設備進行監(jiān)控，管理使其合理的運行達到的運行狀態(tài)。*后通過Matlab仿真算例驗證該模型對家庭用電設備有較好的適應性，也保證用戶舒適度。

1 家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

家庭電能管理系統(tǒng)是電網(wǎng)在用戶消費側(cè)的重要組成部分，它利用一定的技術(shù)手段來實現(xiàn)用戶對家庭用電設備的檢測、管理和減少電費開支。在分時電價的大環(huán)境下合理地使用電器來達到減少電費，控制以家庭為主的碳排放，起到保護環(huán)境的作用。利用多目標優(yōu)化算法使用戶舒適度 、電能消耗和碳排放達到其架構(gòu)如圖 1所示。

系統(tǒng)主要包括智能插座，智能電表。智能電表可以把家庭的用電情況上傳給國家能源網(wǎng)），電網(wǎng)通過智能電表給用戶家庭提供電能和提供分時電價的價格。智能插座連接用戶的用電設備，獲取用電設備的基本數(shù)據(jù)，例如功率，電壓和用電時長等，并且通過電閘進一步來控制設備。收集到的數(shù)據(jù)通過智能插座上傳給多目標優(yōu)化器來進行分析。多目標優(yōu)化控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合三個優(yōu)化條件（用戶舒適度碳排放量和電能的消耗）和電網(wǎng)公布的分時電價及用戶對設備的使用意向來進行優(yōu)化，并把優(yōu)化的結(jié)果傳送給智能插座來控制設備的使用。

2 家庭電能管理系統(tǒng)優(yōu)化模型

家庭電能管理系統(tǒng)是針對擁有多個家居用電設備的單個用戶，這些設備通過智能插座全部與管理系統(tǒng)相連。當HEMS開始運行后，這些設備就會立即作出反應，在整個優(yōu)化過程里，系統(tǒng)會將優(yōu)化的時間劃分為長度相同的子時間段。

2 .1 用電負荷模型

在日常生活里，每個用電設備都有不同的用電方式，本文依據(jù)設備間的用電特性將所有家用設備分為剛性設備柔性設備和 HVAC設備。剛性設備表示用電設備的使用時間不會根 據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而改變，例如冰箱、電燈等。柔性設備又根據(jù)設備使用時間在平移過程中可否中 斷分為兩類： ①可平移不可中斷設備，如洗碗機、洗衣機，其運行時段可以進行移動、調(diào)整，但工作期間設備不可中斷；②可平移可中斷設備，表示此類家用設備的使用時間根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而發(fā)生變化，并且在運行期間可中斷使用，如電動車，熱水器。HVAC 設備表示此類設備的使用情況只與溫度有關(guān)，如空調(diào)。

2.1.1 剛性設備

該類設備直接影響著用戶的正常生活，不會隨著優(yōu)化發(fā)生改變，例如電冰箱，電燈等。

剛性設備模型：

2.1.2 柔性設備

該類設備的用電時間較為靈活，依據(jù)用電特性和用電過程中可否中斷分為可平移不可中斷設備和可平移可中斷設備。

可平移可中斷設備模型：

2.1.3 HAVC設備

暖通空調(diào)系統(tǒng)（heating，ventilation and aircon- ditioning，HVAC）是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng)，因此室內(nèi)外溫度，以及用戶自行設置的*佳溫度值和房屋的熱參數(shù)決定了該類設備的運行時間 。

2 .2 優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)

2.2.1 經(jīng)濟目標函數(shù)

經(jīng)濟目標函數(shù)是把家庭用電費用作為優(yōu)化目標。優(yōu)化后的值越小表示優(yōu)化效果越好。

2.2.2 用戶舒適度函數(shù)

用戶舒適度函數(shù)是將用戶對用電設備優(yōu)化后的使用時間段的滿意度作為優(yōu)化目標。優(yōu)化 后的數(shù)值越大，表示用戶對于優(yōu)化后的設備使用時間滿意度越高。

2.2.3 碳排放量函數(shù)

家庭側(cè)碳排放有很多種，例如汽車尾氣排放，煤氣灶生活做飯等，本文選擇煤炭發(fā)電導 致的碳排放，根據(jù)市場調(diào)查每消耗一度電的碳排放量是 0.785 kg。就目前國內(nèi)的情況，小區(qū)沒有安裝光伏發(fā)電裝置，碳排放量與用電量消耗的線性關(guān)系如下：

在以后的發(fā)展中，小區(qū)里有了光伏發(fā)電裝置后，碳排放量與光伏發(fā)電的使用效率有關(guān)，當光伏發(fā)電的用電效率達到碳排放量；反之當光伏發(fā)電的用電效率達到，碳排放量達到*大。在光伏發(fā)電裝置中，需要有發(fā)電、儲電的過程。本文不再贅述。

2 .3 約束條件

2.3.1 功率對等約束條件

在家庭系統(tǒng)中電能需要守恒，即生產(chǎn)的電能與消耗的電能應該保持平衡。功率平衡約束如下：

2.3.2 溫度設備約束條件

用戶對于溫控設備的運作時間與工作時段并不關(guān)心，關(guān)心的是在特定的時間內(nèi)由溫控設 備控制的溫度有沒有達到要求。所以對溫控設 備來說不存在時間約束，只存在溫度約束。其溫度約束如下：

2.3.3 工作時間約束條件

對某一電器設備來說，需要工作的時間片數(shù)為 N，HEMS需要保證每一個電器設備都能夠完成工作。所以每個電器設備工作的時間片數(shù)應該與 N 相等，即：

2 .4 多目標優(yōu)化調(diào)度策略

2.4.1 多目標優(yōu)化算法

在 2.2節(jié)介紹的3個目標（用電費用戶舒適度和碳排放量）中，如果僅將用電費用優(yōu)化到低，在電價較低時才使用電，不可避免地會引起用戶的不滿。同樣，當一個目標達到佳時，會對其他兩個優(yōu)化目標產(chǎn)生一定的影響。本文的多目標優(yōu)化調(diào)度策略綜合考慮用電費用戶舒適度以及碳排放量的因素，使得達到優(yōu)。

傳統(tǒng)多目標優(yōu)化方法都是根據(jù)對不同目標的不同要求，將目標通過某種方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕藘?yōu)化可以求解的問題。缺點是僅能求出優(yōu)化問題的局部優(yōu)解，求解的結(jié)果強烈依賴于初始值。智能優(yōu)化算法的提出改善了這方面的問題。目前的智能算法就是粒子群算法。

2.4.2 粒子群算法

粒子群（particleswarm optimization ，PSO）算法從隨機觸發(fā)，通過迭代尋找到優(yōu)解。粒子群的標準算法容易陷入局部優(yōu)，導致結(jié)果不準確，且不能解決離散及組合優(yōu)化問題。因此本文使用改進的多目標粒子群算法，在該算法中每個粒子的速度和位置按照如下方程來更新：

2.4.3 算法比較

圖2是標準的粒子群算法流程圖，圖,3是改進的粒子群算法流程圖。比對圖2與圖3能看出，改進的粒子群算法，在標準的粒子群算法基礎上，改變了權(quán)重因子w和學習因子c的取值方法，提高了粒子群算法的全局搜索能力，避免陷入局部優(yōu)。

3 家庭電能管理系統(tǒng)

家庭電能管理系統(tǒng)運作流程如下：

（1）在優(yōu)化前，多目標優(yōu)化控制器獲取到設備的所有參數(shù)，其包括用電設備的額定功率和工作時長，以及用戶希望設備工作的時間段。

（2）智能電表將獲取到的分時電價信息上傳給多目標優(yōu)化控制器。

（3）多目標優(yōu)化器通過平移柔性設備的運行時間來節(jié)省電費，通過每一天的電量使用檢測追蹤用戶側(cè)的碳排放量，通過使設備在用戶理想的時間段運行來保證用戶滿意度，后結(jié)合約束條件，制訂各柔性負荷的調(diào)度計劃。

（4）多目標優(yōu)化控制器把調(diào)度計劃上傳給智能插座 ，使其在相應的時間段運行各用電設備。

調(diào)度流程圖如圖 4 所示。

4 實例分析

4 . 1 算例參數(shù)

本文以某一家庭數(shù)據(jù)為例進行分析。該用戶家庭安裝有智能電表和多目標優(yōu)化控制器，根據(jù)設備的特性不同，其家庭用電負荷情況不同，剛性負荷如表1所示，柔性負荷如表2所示。

家居設備優(yōu)化的目的在于保證各設備完成既定工作的前提下，盡可能壓縮用戶的電能成 本，同時保證負荷曲線峰谷差不致過大；用戶可以根據(jù)各自的習慣在HEMS中設置設備優(yōu)化 參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)以及電網(wǎng)提供的分時電價信息，HEMS可對家居用電設備進行運行優(yōu)化。 例如，用戶可設置在晚上回家后的18；00至次日7：00之間對電動車進行充電操作，為了不影響用戶在第二天對電動自行車的正常使用

須保證充電結(jié)束時充電量達到其總?cè)萘康?0%以上，HEMS會根據(jù)電網(wǎng)提供的分時電價信息選擇合適的充電時段，達到壓縮電能成本的目標。其次對于空調(diào)的使用，全時段待機等候命令，當室內(nèi)溫度不在規(guī)定的溫度范圍時，空調(diào)開始運作，直到溫度達到用戶設定的溫度則停止運作?？照{(diào)的參數(shù)設置如表 3 所示。

4 .2 仿真結(jié)果

在對整個數(shù)據(jù)進行分析的過程中，使用了Matlab軟件，并將得到的結(jié)果以圖的方式表現(xiàn)出來。從圖 5 可以看出，當室外溫度大于室內(nèi)溫度時，空調(diào)開始運作，直到室溫保持在溫度設定范圍內(nèi)則停止工作當空調(diào)處于待機狀態(tài)時消耗的電量可忽略不計。圖 6 是標準的粒子群算法下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，圖7是改進的粒子群算法優(yōu)化后調(diào)度結(jié)果。從兩幅圖可知，將負荷從峰時段平移到谷時段或者平時段，來減少電費。

圖8為使用多目標優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的電量費用對比，家庭電能管理系統(tǒng)負荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果充分說明了系統(tǒng)策略調(diào)度的經(jīng)濟性電費大部分都產(chǎn)生在峰時段，而優(yōu)化后HEMS系統(tǒng) 將一部分負荷轉(zhuǎn)移到平時段和谷時段，從而減少了峰時段電量的高運作。圖9多目標優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的電量總費用對比，可以看出優(yōu)化后的費用增加平緩 ， 并低于優(yōu)化前電費。從兩幅圖中能夠明顯地對比出，峰時段和平時段購電支出都有所降低 ， 谷時段略有升高。從圖8和圖9能看出，使用標準的粒子群算法和改進的粒子群算法都能夠減少電費，標準的粒子群算法比優(yōu)化前減少了7.2%，改進的粒子群算法減少了4.3%。

圖10 為使用多目標優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的功率對比圖，使用優(yōu)化系統(tǒng)之前，大部分的柔性設備都集中在了峰時段，也就是11：00— 13：00， 19：00—21：00；在優(yōu)化后，將一部分設備從峰時段移動到谷時段，有效避開了峰值電價時間段，達到了設備平移的目的起到了有效的削峰填谷作用。

表 5 為優(yōu)化前后關(guān)于電費、滿意度和碳排放量的數(shù)據(jù)對比。從表中可以清晰地看出使用了優(yōu)化算法后電費都減少了，但用戶對設備的使用時間滿意度，改進的粒子群算法比標準的粒子群算法要高，標準的粒子群算法的電費降低了7.2%，滿意度降低了23.9%，改進的粒子群算法電費降低了4.3%，滿意度降低了11.8%，從數(shù)據(jù)能夠看出，標準的粒子群算法容易陷入局部的優(yōu)化結(jié)果不是很理想。

5 安科瑞電能管理系統(tǒng)

5.1概述

用戶端消耗著整個電網(wǎng)百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

5.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)用衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

2）電能統(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘?，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、指ding時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電可靠。

6）實時提醒

系統(tǒng)具有實時提醒功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發(fā)出聲音提醒。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和提醒進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

8）電能質(zhì)量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的保護和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

12）畫面監(jiān)控

畫面監(jiān)控展示了當前實時畫面（畫面直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)畫面信息。

13）用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6 結(jié)語

本文在構(gòu)建家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)，家庭用電負荷模型的基礎上，提出了一種基于實時電價和多目標優(yōu)化的家庭電能管理系統(tǒng)的調(diào)度與實現(xiàn)。以某一個家庭用戶為例，在Matlab平臺下進行了數(shù)據(jù)的仿真模擬。通過數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果，我們可以得出：本文提出的家庭電能管理系統(tǒng)能夠更好地兼顧用戶側(cè)的用電成本和用戶對用電設備的舒適度，也從家庭方面針對碳排放做了檢測與追蹤，對環(huán)境保護起到一定的作用，對以后減少碳排放做出貢獻。在未來，以小區(qū)為單位有了光伏發(fā)電裝置之后，可進一步優(yōu)化電費，同時對碳排放量的減少也可進行優(yōu)化，來增加HEMS的經(jīng)濟效益。并且小區(qū)的所有用戶都使用了能量管理系統(tǒng)后，與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，以此來共享發(fā)電成本。每個家庭都采用其*佳策略來*小化能源消耗成本，用戶可以維護自己的能源消耗隱私。此外，能量管理系統(tǒng)分布在區(qū)塊鏈上，為參與者提供一個可信的通信媒介。穩(wěn)固智能合約旨在交易的執(zhí)行，無需智能社區(qū)第三方的參與。

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作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理研究發(fā)展。