新型家庭能源管理優化策略

薛樹強

（上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 201306）

1 概述

家庭能源管理系統是以智能電網和智能家居為基礎，通過參與供電方的需求響應，將家庭中智能用電器、可再生能源發電系統（如光伏發電系統）等結合在一起優化管理的智能系統[1]，優化調度的主要目標是通過參與需求響應優化調度家庭電器負荷，利用可再生能源，減少用戶的用電費用[2]。文獻[3]對家用電器分類建模，在分時電價和峰值功率限制的需求響應策略下提出了一種最優日前電器調度的家庭能源管理系統結構。文獻[4]根據上網電價和分時電價的大小關系，研究了具有光伏發電系統的家庭用電負荷調度問題，建立了用戶與主電網功率方向不確定的數學模型，以實現用戶收益最大化。文獻[5]通過有效地調度和管理光伏發電和儲能系統，使家庭用戶的日常用電成本最小化。上述研究中均從單個用戶的角度提出了不同的優化策略，而未考慮過不同用戶間的能源共享。

本文提出了一種新型家庭能源管理優化策略, 建立了共享型家庭能源管理系統（Shared Home Energy Management System, SHEMS），包含多個擁有智能電器的家庭用戶、共享型可再生能源發電系統（如光伏發電系統）等。該策略分別對家用電器和光伏發電建模，并以用戶用電費用最小為目標函數，充分利用不同用戶用電的差異性和互補性，提高光伏利用率，降低用戶用電費用。

2 共享型家庭能源管理系統模型

2.1 智能電器模型

根據用戶對智能電器所期望的工作方式將電器分為剛性電器和柔性電器。剛性電器（如照明），用戶一旦需要其工作，必須無條件開啟。柔性電器（如烘干機）的工作時間可以適度調整，通過優化調度選擇低電價時段啟動可以減少用戶用電費用。

將一天均勻分割成H 個時間段，每個時間段時長Δh=24×60/H min，并定義為調度空間。引入布爾變量表示電器的工作狀態。表示用戶 i的柔性電器a 在時間段h 處為閑置狀態則為工作狀態。柔性電器所期望工作的時間域為完成指定任務所必需的時間為于是柔性電器的工作狀態需滿足以下約束：

柔性電器又分為可中斷電器和不可中斷電器。可中斷電器在所期望的工作時間域內何時工作或閑置未定，以經濟運行為調度目標合理調度。但是不可中斷電器一旦開啟工作（如時間段hs開啟）就必須連續工作個時間段方可停止，因此還需滿足如下約束：

剛性電器雖然不參與調度，仍然消耗功率，用戶i 在時間段 h 處總功率的計算如下式所示：

式中，Na為用戶 i 的柔性電器數量表示用戶i 的柔性電器 a 在時間段 h 處的功率表示用戶 i 的所有剛性電器在時間段h 處的總功率。

2.2 光伏發電模型

采用Osterwald 物理類預測方法，根據日前氣象預報的輻射和溫度數據計算太陽能光伏發電的功率輸出式：

式中，PSTC為標準測試條件下的最大測試功率；GSTC為標準測試條件下的光照強度為實際太陽能輻射強度；k 為功率溫度系數，取-0.0047/℃；Tr為參考溫度為環境溫度。

3 功率平衡及優化調度模型

3.1 用戶用電的功率平衡

光伏發電功率遵循“自發自用，余電上網”原則。如果售電量超過電網提供的售電峰值功率，則被迫棄電。光伏發電功率平衡式如公式（7）所示：

用戶電器消耗的功率一部分由光伏電源提供，另一部分從電網購買，功率平衡式如公式（8）所示：

此外，用戶買、賣電功率受買、賣電峰值功率限制的約束，如式（9）、（10）：

3.2 優化調度模型

優化調度目標為最大化利用光伏發電功率，盡量減少電網購電量，降低用戶用電費用。優化調度目標函數如下：

式中，Ni是用戶數量分別為在時間段h 處的實時買、賣電價。

4 仿真結果與分析

為了驗證共享型家庭能源管理系統的可行性和合理性，本文利用5 個家庭用戶做了2 個場景的仿真。仿真中將一天24 小時分為48 個時間段，每個時間段時長Δh=30min，并利用真實的光伏發電數據和實時電價代替預測數據。用戶柔性電器參數如表1 所示（*表示不可中斷任務，否則為可中斷任務；用戶有該任務為Y，否則為N），剛性電器功率如圖1 所示。本文采用二進制粒子群算法對模型進行求解，優化中參數設定：最大速度vmax=6；最小速度vmin=-6；慣性權重ω=0.9；加速系數c1=c2=1.5；種群個數XSize=50；最大迭代次數MaxIt=300。

4.1 傳統的用電模式

在該場景中，本文假設40%的用戶（用戶1 和用戶2）安裝了5kW 的光伏發電系統，并進行了各用戶獨立優化用電的仿真，仿真結果如圖2 和表2 所示。

從表2 中可以看到,售電量較大，甚至存在棄電，光伏利用率只有70.03%。從圖2 中可以看到，在光伏發電期間雖然用戶總的用電量大于光伏發電量，但是卻存在大量余電甚至棄電，其根本原因在于用戶之間不存在能量共享。顯然，傳統的用電模式存在很大的缺陷。

4.2 SHEMS 的用電模式

在該場景中，采用共享型家庭能源管理系統優化策略，用戶不僅共享光伏并且其用電由共享型家庭能源管理系統統一優化調度。同樣假設運營商提供10kW 的光伏發電系統供所有用戶共享，仿真結果如圖3 和表3 所示。

從表3 中的數據可以看到，與傳統用電模式相比在SHEMS 用電模式下，總電費和購電量均大幅下降，且售電量和棄電量均降為零，光伏利用率達到了100%。從圖3 中也可以看出，用戶不僅將光伏發電量全部利用，而且電器均被盡可能的安排在了較低電價時段工作，達到了最優的用電狀態。

表1 各用戶柔性電器參數

圖1 各用戶剛性電器功率

圖2 優化用電下所有用戶用電量的疊加

表2 傳統用電模式中電費及用電相關數據

5 結論

本文提出了一種新型的家庭能源管理優化策略，用戶通過共享光伏發電系統和優化調度功能，充分利用了不同用戶間用電的差異性和互補性，提高了光伏利用率，降低了用戶用電費用。

圖3 SHEMS 下的用戶用電

表3 SHEMS 用電模式下電費及用電相關數據