需求側響應條件下的家庭用電管理研究

吳　橋，盧樹峰，楊世海，陳　堅，李志新

（1.國網江蘇省電力公司電力科學研究院國家電網電能計量重點實驗室，江蘇南京210019；2.中國計量大學，浙江杭州310018）

需求側響應條件下的家庭用電管理研究

吳橋1，盧樹峰1，楊世海1，陳堅2，李志新1

（1.國網江蘇省電力公司電力科學研究院國家電網電能計量重點實驗室，江蘇南京210019；2.中國計量大學，浙江杭州310018）

需求側響應對電網公司和電力用戶都是互利的。介紹了需求側響應的相關概念，研究了需求側響應條件下家庭用電管理的系統結構和用電策略，根據實時電價、分時電價，考慮溫度控制和綜合能源對現有的用電策略進行分類，總結了這些研究策略的不足和優點，并對未來家庭用電管理的發展方向提出了一些意見。

需求側響應；家庭用電管理；系統結構；用電策略

在電力市場競爭中引入需求響應，通過價格信號和經濟激勵機制來引導用戶參與電力市場，從而加強需求側在市場里供需平衡的作用，近些年來已經成為電力市場研究和實踐的重要內容［1］。家庭用電管理，作為需求響應機制下研究的重要方向，對電網公司削峰填谷有很大的幫助，不僅降低電網公司的調峰成本，而且能減輕用戶的用電成本，對電網公司和家庭電力用戶都是一個雙贏的措施。文中介紹了需求側響應的相關概念，對國內外在需求側響應條件下的家庭用電管理的研究與發展狀況進行了分析，并提出幾點未來家庭用電管理可發展的方向。

1　需求側響應

需求側響應，是指當電力批發市場價格升高或系統可靠性受威脅時，電力用戶接收到供電方發出的誘導性減少負荷的直接補償通知或者電力價格上升信號后，改變其固有的習慣用電模式，達到減少或者推移某時段的用電負荷而響應電力供應，從而保障電網穩定，并抑制電價上升的短期行為［2］。

需求側響應按照刺激類別不同可以分為價格型需求響應和激勵性需求響應兩類。

1.1價格型需求響應

價格型需求響應是指電力用戶根據電價的變化對自身的用電行為進行相應的調整，以達到降低用電成本的目的。目前國內外正在實施的電價類型可以分為尖峰電價、分時電價和實時電價。分時電價即電力需求高峰期間提高電價，在電力供應有多余的時段降低電價，電力用戶可以根據這2個時間段電價的不同，合理安排電器的用電時間，達到削峰填谷和降低用電成本的效果，它的定義如表1所示。

實時電價是一種動態定價機制，其更新周期可以達到1 h或者更短，通過將用戶側的價格與電能供給市場的出清電價聯動，可以精確反映每天各時段供電成本的變化并有效傳達電價信號［3］。雖然我國目前還未達到實施實時電價的技術性和政策型的要求，但是實時電價對電力系統帶來的利好是顯而易見的。

尖峰電價也屬于分時電價的范疇，是在分時電價的基礎上引入了實時電價，因此相比分時電價，有了更好的削峰填谷效果，對用戶的改變用電行為的激勵和引導作用更強。

1.2激勵型需求響應

激勵型需求響應是直接采用獎勵方式來激勵和引導用戶參與各種系統所需的負荷削減項目［4］。目前國際上比較常用的激勵型需求響應項目可以分為：直接負荷控制項目、可中斷負荷項目、容量/輔助服務市場計劃、緊急需求響應和需求側競價。

國外的激勵機制按照對象可以分為對電力公司的激勵機制和對電力用戶的激勵機制［5］，如圖1所示。由于需求側響應在國內還處于起步階段，因此國內還未形成成熟的激勵機制。

表1　分時電價定義

2　需求側響應條件下的家庭用電管理

2.1家庭用電管理系統結構

家庭用電管理系統包括溫控設備非溫控設備，新能源設備如小型戶用風機、小型屋頂光伏、新能源電動汽車、蓄電池、智能插座、智能交互終端、無線通信設備等。圖2為常見的家庭用電管理系統結構，k1至k6為智能邏輯控制開關，k7為功率控制開關。系統通過檢測信息流的信號來控制電氣流中的設備。

圖1　激勵機制分類

圖2　家庭用電管理系統結構

2.2基于分時電價的家庭用電管理

目前大部分研究都是鼓勵電力用戶的家用電器從高峰期轉移到較便宜的中等峰期或非高峰期，從而降低電網整體高峰負荷，并同時達到降低溫室氣體排放量的目標［6-8］。另外也有研究對負荷種類進行分類，或者對負荷特性進行研究，建立了負荷的數學模型和分時電價環境下的家居設備優化運行決策模型，達到省電的目的［9-11］。上述方法在一定程度上降低了家庭用電成本，但是由于分時電價的電價分類較少，延長電器的用電時間較長，會降低用戶用電舒適感。因此文獻［12］基于分時電價來監督和控制家用電器，同時考慮多個居民共享一個家庭和它的電器，這種算法還能根據多個居民對電器的偏好程度來安排和管理電器的使用，一定程度上提高了用戶用電的舒適感。

2.3基于實時電價的家庭用電管理

目前大部分研究基于實時電價的家庭用電管理，都集中于通過使用各種算法如粒子群算法、遺傳算法、線性優化技術等復雜的調度程序實現系統達到降低電費的目標［13-15］。在其他研究中，提出了使用蒙特卡洛模擬［16］和馬爾科夫決策過程［17］來隨機優化最小化用電成本的方法。文獻［18］在基于實時電價的基礎上提出一種算法來減少用電成本，提出的算法工作在3個階段：實時監控階段、隨機調度階段和實時控制階段。所提算法會考慮實時電價和各種電器能量消耗模式的不確定性，在實時監控階段根據電器的特性歸類從而減輕控制過程的復雜，并減少控制命令的產生。

但這些方法未考慮分布式新能源在住宅領域的普及。分布式發電供電量由于環境因素無法時刻滿足家用電器的供電量，因此文獻［19］提出了一種基于改進的遺傳算法的需求側響應機制，建立了減少用電成本與尋求電量供需平衡為雙重目標的多目標整數不等式規劃問題。

2.4考慮溫度控制的家庭用電管理

考慮溫度控制的家庭用電管理一般根據用戶對室內溫度和熱水溫度的需求，結合當前電網電價，實時控制溫控設備的功率輸入，達到節省電費和提高用戶用電舒適度目標［20］。也有通過改變當前溫度設定點來降低用電成本的研究［21］。上述方法實質上都是通過改變溫控設備的輸入功率來降低用電成本。

2.5考慮綜合能源的家庭用電管理

天然氣和電力已經成為滿足民居能源需求的2個主要能源載體。同時為了探討智能家居中可選擇的能源載體的轉換、存儲、調節，可能的管理，住宅能源中心這個概念在文獻［22］里提到。文獻［23］給出了如圖3所示的住宅能源中心架構。電網、分布式新能源發電、熱電聯產機組單元的輸出能源能對電力需求進行供電。同時考慮到V2G，新能源電動汽車可以用自己存儲的能量對家庭電器進行供電。電網和能源中心的雙向功率流表示沒有被使用或存儲的能源可以賣給電網。輸入能源中心的天然氣將會分為兩部分，一部分輸送到熱電聯產機組單元，另一部分輸送到消耗天然氣的設備。

圖3　住宅能源中心架構

3　家庭用電管理的未來探討

未來的家庭用電管理還可從以下幾方面考慮。

3.1對家庭用戶進行分類

目前不管是城市還是農村，家庭人員的組成都是多樣的。不同的人有不同的用電習慣，同時不同的家庭又有不同的人員構成。表2為家庭用戶種類，所列出的家庭用戶種類肯定不全面，這里需指出的是日后的家庭用電管理可利用大數據分析手段對用戶進行分類，并對不同戶型的用戶的用電習慣進行總結，然后根據這些總結來合理安排用戶用電。

表2　家庭用戶種類

3.2加入用戶用電電能質量要求

電能質量對電力系統是十分重要的，由于目前的家庭電器種類繁多，傳統電器例如電視機、空調、冰箱、洗衣機、電腦等都會產生諧波污染，同時分布式新能源的加入也會帶來諧波污染。雖然這些電器所產生的諧波不多，但是這些電器在整個社會的數量是巨大的。因此家庭用電管理還應考慮家用電器在每個時間段的諧波含量不要超標。

3.3家庭用電管理系統實例

家庭用電管理系統可以根據圖4所示的應用實例進行構建，通過運營商來設定實時電價，配網資源根據電價做出平衡資源的響應，智能控制器根據經濟激勵、大數據分析得到的用戶數據，以及由智能量測裝置得到的電能質量信息做出合理的用電安排。圖4中的DER設備包括（電動汽車、熱泵、小型熱電聯產、戶用分布式電源）。

圖4　家庭用電管理應用實例

3.4激勵型需求響應的拓展

電力用戶在某一時間段響應電力公司停止正在運行的電器所得到的電力公司的補償機制還有待研究。同時一個小區每戶人家在響應電力公司斷電時正在工作的家用電器的數量和類型也是不同的，如何兼顧電力公司的獎勵成本、原本的調峰成本以及用戶電器斷電舒適度也是一個值得研究的方向。

4　結束語

尖峰電價機制是一種行之有效的需求側響應手段，而合理的激勵機制仍需要進一步探索；從分時電價、實時電價、溫度控制、綜合能源的角度出發，可以勾畫出住宅能源中心等國內可以借鑒的家庭能源管理架構；未來家庭用電管理可以向對家庭用戶進行分類、加入用戶電能質量要求以及激勵型需求響應的拓展三方面發展；而家庭用電管理系統應用實例可以在電力市場條件下充分利用價格、激勵、通信和先進控制手段，實現資源的高效利用。

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Research on Home Energy Management Under the Condition of Demand-side Response

WUQiao1，LU Shufeng1，YANG Shihai1，CHEN Jian2，LIZhixin1
（1.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering，State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 210019，China；2.China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

Demand-side response is beneficial to both the electricity grid com panies and power consumers.This paper introduces the concept of demand-side response，and studies the system structure and electricity strategy of home energy managementunder the condition of demand-side response.And then，the existing electricity strategiesare classified according to RTP，TOU，temperature control consideration and integrated energy，and the shortcomings and advantages of these strategies are summarized.Finally，some advices are given for the future development direction of the home energy management.

demand-side response；home energymanagement；system structure；electricity strategy

TM 73

A

1009-0665（2016）05-0028-04

吳橋（1967），男，江蘇武進人，高級工程師，從事電力計量試驗研究工作；

盧樹峰（1972），男，山東高唐人，研究員級高級工程師，從事計量管理工作；

楊世海（1976），男，安徽淮北人，高級工程師，從事計量管理工作；

陳堅（1992），男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向為智能用電；

李志新（1986），男，遼寧朝陽人，博士，工程師，從事配電系統與計量方向研究工作。

2016-06-16；

2016-07-22