一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法及裝置，所述方法包括：根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類，得到每個(gè)家庭負(fù)荷的類型；并根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量；根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；其中，所述優(yōu)化模型為每個(gè)家庭負(fù)荷在每個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。本發(fā)明通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)用戶的光伏用電量，結(jié)合了新能源發(fā)電和用戶的用能需求之間的關(guān)系；同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)得到經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和環(huán)保性優(yōu)化模型，使得所有負(fù)荷的工作狀態(tài)能夠最大化地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電或環(huán)保用電的目的。
【專利說明】
一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法及裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前世界范圍內(nèi)電網(wǎng)的發(fā)展方向是建設(shè)靈活、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、友好的智能電網(wǎng)。 堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等各個(gè)環(huán)節(jié)的有機(jī)整體，是一個(gè)完 整的智能電力系統(tǒng)。家庭用戶作為整個(gè)系統(tǒng)的最末端，利用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、自 動(dòng)控制技術(shù)、新能源技術(shù)與智能優(yōu)化決策技術(shù)組成了智能家庭能量管理系統(tǒng)。
[0003] 隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能家庭中有越來越多的負(fù)荷參與到能量系統(tǒng)的調(diào)度管理中 來。當(dāng)一條線路上有多個(gè)負(fù)荷參與優(yōu)化調(diào)度時(shí)，有可能產(chǎn)生這些負(fù)荷同時(shí)工作的優(yōu)化結(jié)果。 這種結(jié)果可造成該條線路過負(fù)荷，導(dǎo)致家庭空氣斷路器跳閘保護(hù)，對(duì)于用戶的正常用電造 成了不便，若空氣斷路器因故沒能斷開則將對(duì)家庭安全造成威脅。家庭能量管理系統(tǒng)也失 去了其能量管理的意義。隨著家庭中新能源發(fā)電的加入、電網(wǎng)中實(shí)時(shí)電價(jià)的推行以及用戶 的用能需求可調(diào)，用戶若要通過自己進(jìn)行能量管理實(shí)現(xiàn)自身利益最大化，將是一件復(fù)雜的 事情。智能家庭能量管理系統(tǒng)中的智能優(yōu)化決策技術(shù)，作為系統(tǒng)的核心，將家庭的用能行為 進(jìn)行優(yōu)化，由系統(tǒng)來自動(dòng)控制負(fù)荷運(yùn)行，極大地方便了用戶的智能用電。
[0004] 但目前的家庭能量管理系統(tǒng)仍然無法很好地結(jié)合新能源發(fā)電、實(shí)時(shí)電價(jià)和用戶的 用能需求之間的關(guān)系，安排所有負(fù)荷的工作狀態(tài)，最大化地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電或環(huán)保用電的目 的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 由于目前的家庭能量管理系統(tǒng)仍然無法很好地結(jié)合新能源發(fā)電、實(shí)時(shí)電價(jià)和用戶 的用能需求之間的關(guān)系，安排所有負(fù)荷的工作狀態(tài)，最大化地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電或環(huán)保用電的 目的的問題，本發(fā)明提出一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法及裝置。
[0006] 第一方面，本發(fā)明提出一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法，包括：
[0007] 根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類，得到每個(gè)家庭負(fù)荷的類型；并根 據(jù)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量；
[0008] 根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得到費(fèi)用最小的 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；
[0009] 其中，所述優(yōu)化模型為每個(gè)家庭負(fù)荷在每個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。
[0010] 優(yōu)選地，所述根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得 到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型，進(jìn)一步包括：
[0011]采用改進(jìn)的遺傳算法，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放最小的環(huán)保性優(yōu) 化模型；
[0012]其中，對(duì)遺傳算法的改進(jìn)為將染色體向右移動(dòng)，生成新的染色體。
[0013] 優(yōu)選地，所述根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得 到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型之后，還包括：
[0014] 根據(jù)用戶選擇指令，選擇所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型或所述環(huán)保性優(yōu)化模型進(jìn)行家庭能 量管理。
[0015] 優(yōu)選地，所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型如下公式一：
[0016] λ 公式一
[0017]
[0018] 會(huì)式二
[0019] C2(t)=G(t)XPG 公式三
[0020] 其中，Cost為用戶一天的總費(fèi)用;&(〇為用戶與電網(wǎng)買賣電結(jié)算總費(fèi)用;C2(t)為 國家對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼;Pb(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的買電價(jià)格;P s(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的賣電價(jià)格;P (t)為家庭與電網(wǎng)的交互電量，P(t)>0時(shí)表示家庭從電網(wǎng)買電，P(t)〈0時(shí)表示家庭向電網(wǎng)賣 電；T為一個(gè)時(shí)段的長度，T=lh，將一天分成了 24個(gè)時(shí)段，t為1到24的整數(shù);G(t)為預(yù)測(cè)的光 伏發(fā)電量;Pc為國家對(duì)光伏發(fā)電的全電量補(bǔ)貼價(jià)格。
[0021] 優(yōu)詵他·所怵钚俁丨Φ優(yōu)仆摁型加下公式四： C 〇〇22]
公式四
[0023]其中，F(xiàn)為一天購電所產(chǎn)生的碳排放量;δ為火力發(fā)一度電產(chǎn)生的碳排放量;P(t)為 從電網(wǎng)購買電量；Ω為P(t)>0的時(shí)段集合;T為一個(gè)時(shí)段的長度，T = lh，將一天分成了24個(gè) 時(shí)段，t為1到24的整數(shù)。
[0024]第二方面，本發(fā)明還提出一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化裝置，包括：
[0025] 負(fù)荷分類及光伏預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類， 得到每個(gè)家庭負(fù)荷的類型;并根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量；
[0026] 模型獲取模塊，用于根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類 型，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；
[0027] 其中，所述優(yōu)化模型為每個(gè)家庭負(fù)荷在每個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。
[0028] 優(yōu)選地，所述模型獲取模塊進(jìn)一步采用改進(jìn)的遺傳算法，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性 優(yōu)化模型和碳排放最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；
[0029] 其中，對(duì)遺傳算法的改進(jìn)為將染色體向右移動(dòng)，生成新的染色體。
[0030] 優(yōu)選地，還包括：
[0031] 模型確定模塊，用于根據(jù)用戶選擇指令，選擇所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型或所述環(huán)保性 優(yōu)化模型進(jìn)行家庭能量管理。
[0032] 優(yōu)選地，所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型如下公式一：
[0033] 公式-
[0034]兵十S 廣，?/^(〇χ/)(々Γ; /)(，）>0
[0035] 1 ^ P(J)XT- P(t)<〇 公式二
[0036] C2(t)=G(t)XPG 公式三
[0037] 其中，Cost為用戶一天的總費(fèi)用;&(〇為用戶與電網(wǎng)買賣電結(jié)算總費(fèi)用;C2(t)為 國家對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼;Pb(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的買電價(jià)格;P s(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的賣電價(jià)格;P (t)為家庭與電網(wǎng)的交互電量，P(t)>0時(shí)表示家庭從電網(wǎng)買電，P(t)〈0時(shí)表示家庭向電網(wǎng)賣 電；T為一個(gè)時(shí)段的長度，T=lh，將一天分成了 24個(gè)時(shí)段，t為1到24的整數(shù);G(t)為預(yù)測(cè)的光 伏發(fā)電量;Pc為國家對(duì)光伏發(fā)電的全電量補(bǔ)貼價(jià)格。
[0038] 優(yōu)選地，所述環(huán)保性優(yōu)化模型如下公式四：
C 〇〇39] 公式四
[0040] 兵干，h 73-大購電所廣王的碳排放量；δ為火力發(fā)一度電產(chǎn)生的碳排放量;P (t)為 從電網(wǎng)購買電量；Ω為P(t)>0的時(shí)段集合;T為一個(gè)時(shí)段的長度，T = lh，將一天分成了24個(gè) 時(shí)段，t為1到24的整數(shù)。
[0041] 由上述技術(shù)方案可知，通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)用戶的光 伏用電量，結(jié)合了新能源發(fā)電和用戶的用能需求之間的關(guān)系；同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)得到 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和環(huán)保性優(yōu)化模型，使得所有負(fù)荷的工作狀態(tài)能夠最大化地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電 或環(huán)保用電的目的。
【附圖說明】
[0042] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。
[0043]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法的流程示意圖；
[0044] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種家庭用電的線路示意圖；
[0045] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的另一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法的流程示意 圖；
[0046] 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例提供的遺傳算法的流程示意圖；
[0047] 圖5為本發(fā)明一實(shí)施例提供的優(yōu)化后各條線路負(fù)載率的示意圖；
[0048]圖6為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖，對(duì)發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清 楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0050] 圖1示出了本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法的流程示意 圖，包括：
[0051] Sl、根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類，得到每個(gè)家庭負(fù)荷的類型;并 根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量；
[0052] 家庭能量管理系統(tǒng)的調(diào)度對(duì)象主要為家庭中的各類負(fù)荷。建立負(fù)荷模型需要對(duì)負(fù) 荷進(jìn)行分類，家庭中的負(fù)荷總體上分為不可調(diào)度負(fù)荷和可調(diào)度負(fù)荷。不可調(diào)度負(fù)荷即必須 運(yùn)行負(fù)荷比如冰箱、照明等負(fù)荷，其使用狀態(tài)影響著用戶用電的方便性，所以此類負(fù)荷不參 與調(diào)度，僅作為調(diào)度的基礎(chǔ)?？烧{(diào)度負(fù)荷又分為了可中斷負(fù)荷、不可中斷負(fù)荷和溫控負(fù)荷。 可中斷負(fù)荷比如電風(fēng)扇等負(fù)荷，其運(yùn)行過程可中斷。不可中斷負(fù)荷比如洗衣機(jī)等負(fù)荷，其運(yùn) 行特性不允許中斷。溫控負(fù)荷比如熱水器和空調(diào)，其工作狀態(tài)主要由所控制的水溫或者室 溫決定。當(dāng)溫度滿足要求時(shí)，溫控負(fù)荷可不工作；當(dāng)溫度不滿足要求時(shí)，溫控負(fù)荷就需要工 作。這種分類方式對(duì)家庭中的負(fù)荷考慮的更加全面，對(duì)負(fù)荷的管理更加細(xì)化。
[0053] S2、根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得到費(fèi)用最 小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；
[0054]其中，所述優(yōu)化模型為每個(gè)家庭負(fù)荷在每個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。
[0055] 本實(shí)施例采用日前計(jì)劃調(diào)度的能量管理方式，把一天分為了若干個(gè)時(shí)段，在對(duì)第 二天的光伏發(fā)電量、負(fù)荷用電量進(jìn)行預(yù)測(cè)后，結(jié)合電價(jià)信息與用戶設(shè)置對(duì)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào) 度，把負(fù)荷的運(yùn)行安排在合適的時(shí)間段內(nèi)，以達(dá)到用戶的用電要求，實(shí)現(xiàn)家庭能量管理系統(tǒng) 的智能優(yōu)化決策功能。智能優(yōu)化決策通過采用數(shù)學(xué)優(yōu)化算法或者生物進(jìn)化算法對(duì)所建立的 優(yōu)化模型進(jìn)行求解得出用戶的最優(yōu)用能計(jì)劃。優(yōu)化模型的目標(biāo)根據(jù)用戶的意愿大致分為： 用能費(fèi)用最小化、滿意度最大化、舒適度最大化、環(huán)保最優(yōu)化這幾個(gè)目標(biāo)。可針對(duì)其中一個(gè) 目標(biāo)或者多個(gè)模型進(jìn)行建模，對(duì)用戶的用能進(jìn)行優(yōu)化。
[0056] 本實(shí)施例通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)用戶的光伏用電量，結(jié) 合了新能源發(fā)電和用戶的用能需求之間的關(guān)系；同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)得到經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模 型和環(huán)保性優(yōu)化模型，使得所有負(fù)荷的工作狀態(tài)能夠最大化地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電或環(huán)保用電的 目的。
[0057] 作為本實(shí)施例的可選方案，S2進(jìn)一步包括：
[0058] S21、采用改進(jìn)的遺傳算法，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放最小的環(huán)保 性優(yōu)化模型；
[0059] 其中，對(duì)遺傳算法的改進(jìn)為將染色體向右移動(dòng)，生成新的染色體。
[0060] 對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)具體包括:模型為0-1整數(shù)規(guī)劃，采用二進(jìn)制的編碼方式對(duì)個(gè) 體進(jìn)行編碼。由于模型中的約束條件較多，若采用罰函數(shù)處理的方式，則較難獲得可行解。 對(duì)負(fù)荷的最短連續(xù)工作時(shí)長約束采用了對(duì)每一代生成的個(gè)體改進(jìn)的方式。在每一代新生成 的個(gè)體中，將其染色體分別向右移動(dòng)1位、2位…（L ij-I)位，將新生成的染色體與原有染色體 累加生成新的染色體。以此保證個(gè)體所帶的染色體編碼為連續(xù)。對(duì)于安全約束、負(fù)荷工作時(shí) 長約束和溫控負(fù)荷的溫度約束，采用了罰函數(shù)的方式。面對(duì)的遺傳算法有漏掉最優(yōu)解的情 況，在遺傳過程中，采用了最優(yōu)保留算法，避免了變異、重組破壞可能的最優(yōu)解。最后在 Pareto選優(yōu)過濾器中選出最終的Pareto最優(yōu)解。
[0061 ] 進(jìn)一步地，S2之后，還包括：
[0062] S3、根據(jù)用戶選擇指令，選擇所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型或所述環(huán)保性優(yōu)化模型進(jìn)行家 庭能量管理。
[0063] 具體地，所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型如下公式一：
[0064]
公式1
[0065]
[0066] 公式二
[0067] C2(t)=G(t)XPG 公式三
[0068] 其中，Cost為用戶一天的總費(fèi)用;&(〇為用戶與電網(wǎng)買賣電結(jié)算總費(fèi)用;C2(t)為 國家對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼;Pb(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的買電價(jià)格;P s(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的賣電價(jià)格;P (t)為家庭與電網(wǎng)的交互電量，P(t)>0時(shí)表示家庭從電網(wǎng)買電，P(t)〈0時(shí)表示家庭向電網(wǎng)賣 電；T為一個(gè)時(shí)段的長度，T=lh，將一天分成了 24個(gè)時(shí)段，t為1到24的整數(shù);G(t)為預(yù)測(cè)的光 伏發(fā)電量;Pc為國家對(duì)光伏發(fā)電的全電量補(bǔ)貼價(jià)格。
[0069] 進(jìn)一步地，所述環(huán)保性優(yōu)化模型如下公式四：
[0070]
公式西
[0071 ]其中，F(xiàn)為一天購電所產(chǎn)生的碳排放量;δ為火力發(fā)一度電產(chǎn)生的碳排放量;P(t)為 從電網(wǎng)購買電量；Ω為P(t)>0的時(shí)段集合;T為一個(gè)時(shí)段的長度，T = lh，將一天分成了24個(gè) 時(shí)段，t為1到24的整數(shù)。
[0072]以下對(duì)本實(shí)施例提供的家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法作詳細(xì)描述。本實(shí)施例中將 安全性引入了家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型中，在智能優(yōu)化決策過程中，將安全性作為一 個(gè)優(yōu)化目標(biāo)引入，建立多目標(biāo)的優(yōu)化模型，并可利用遺傳算法進(jìn)行求解。
[0073] Al、建立家庭能量管理系統(tǒng)的基本模型；
[0074]家庭能量管理系統(tǒng)的調(diào)度對(duì)象主要為家庭中的各類負(fù)荷，如圖2中的電動(dòng)汽車、柜 式空調(diào)、壁掛空調(diào)、照明、廚房、廁所和插座。建立負(fù)荷模型需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分類，家庭中的 負(fù)荷總體上分為不可調(diào)度負(fù)荷和可調(diào)度負(fù)荷。不可調(diào)度負(fù)荷即必須運(yùn)行負(fù)荷比如照明等負(fù) 荷，其使用狀態(tài)影響著用戶用電的方便性，所以此類負(fù)荷不參與調(diào)度，僅作為調(diào)度的基礎(chǔ)。 可調(diào)度負(fù)荷又分為了可中斷負(fù)荷、不可中斷負(fù)荷和溫控負(fù)荷?？芍袛嘭?fù)荷比如柜式空調(diào)、壁 掛空調(diào)等負(fù)荷，其運(yùn)行過程可中斷。不可中斷負(fù)荷比如洗衣機(jī)等負(fù)荷（圖2中未畫出），其運(yùn) 行特性不允許中斷。溫控負(fù)荷比如熱水器和空調(diào)，其工作狀態(tài)主要由所控制的水溫或者室 溫決定。當(dāng)溫度滿足要求時(shí)，溫控負(fù)荷可不工作；當(dāng)溫度不滿足要求時(shí)，溫控負(fù)荷就需要工 作。這種分類方式對(duì)家庭中的負(fù)荷考慮的更加全面，對(duì)負(fù)荷的管理更加細(xì)化。
[0075] A2、建立家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型；
[0076]在家庭能量管理系統(tǒng)中，首先，通過從網(wǎng)絡(luò)得到次日的氣象數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)。 根據(jù)氣象數(shù)據(jù)與用戶用電歷史數(shù)據(jù)對(duì)次日每小時(shí)的光伏發(fā)電量和必須運(yùn)行負(fù)荷用電量進(jìn) 行預(yù)測(cè)。然后，用戶在系統(tǒng)的人機(jī)交互界面對(duì)次日的可調(diào)度負(fù)荷運(yùn)行要求進(jìn)行設(shè)置。最后， 根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)置要求和約束條件，求解出滿足用戶費(fèi)用最小化或者碳排放最小化的最 優(yōu)解。在得到每個(gè)時(shí)段的系統(tǒng)買賣電狀態(tài)及各個(gè)負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)后，生成次日的用電計(jì)劃。 經(jīng)由用戶確認(rèn)后，家庭能量管理終端按照計(jì)劃控制系統(tǒng)運(yùn)行，具體如圖3所示。
[0077]家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型考慮了經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和安全性三個(gè)目標(biāo)。在經(jīng)濟(jì) 性和環(huán)保性二者之間不同的用戶側(cè)重點(diǎn)不同，設(shè)置經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性兩種模式由用戶自行選 擇。安全性優(yōu)化模型是不論用戶側(cè)重經(jīng)濟(jì)性，還是環(huán)保性都必須考慮的。在經(jīng)濟(jì)性模式中， 需同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型與安全性優(yōu)化模型。在環(huán)保性模式中，需同時(shí)考慮環(huán)保性優(yōu)化 模型與安全性優(yōu)化模型。這兩種模式都為多目標(biāo)優(yōu)化。
[0078]由于安全性目標(biāo)只需達(dá)到安全界限即可。采用多目標(biāo)優(yōu)化中的主要目標(biāo)法將經(jīng)濟(jì) 性與環(huán)保性分別作為主要目標(biāo)，將安全性目標(biāo)處理為模型的約束，采用設(shè)置最大值的處理 方式。
[0079] (1)用戶用電經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型
[0080]家庭用戶的費(fèi)用主要分三個(gè)方面:第一，從電網(wǎng)買電產(chǎn)生的買電費(fèi)用；第二，向電 網(wǎng)賣電產(chǎn)生的賣電收益;第三，國家對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼。用戶的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型也從這三方 面進(jìn)行考慮。模型如公式一所示。
[0081] (2)用戶用電環(huán)保性優(yōu)化模型
[0082]在本實(shí)施例中默認(rèn)電網(wǎng)中的電為傳統(tǒng)的火力發(fā)電，火力發(fā)電會(huì)產(chǎn)生二氧化碳的排 放。在家庭用電總額不變的情況下，更多地使用光伏發(fā)電則可降低從電網(wǎng)的買電量。環(huán)保性 優(yōu)化模型如公式四所示。
[0083] (3)兩類模型的約束相同：
[0084]整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中應(yīng)保持功率平衡： C 〇〇85]
公式五
[0086] 式中:Wij為第i條線路上第j個(gè)電器的功率;Aij(t)為第i條線路上第j個(gè)電器在t時(shí) 段的工作狀態(tài)，A^(t) = l表示該電器工作，A^(t) = 0表示該電器不工作;M1U)為第i條線路 上的必須運(yùn)行負(fù)荷功率;P(t)>0時(shí)，買賣電狀態(tài)S(t)=0;P(t)〈0時(shí)，買賣電狀態(tài)S(t) = l。
[0087] 用電安全約束：
[0088] 用戶用電的安全性在于家庭中的各條線路的負(fù)載情況。
[0089]家庭能量管理系統(tǒng)的安全性主要考慮從配電盤到負(fù)荷之間的線路。第i條線路上 的有功潮流：
[0_ 公式六
[0091] _ 公式七
[0093]其中，Pu(t)為第i條線路上的有功潮流;Plimax為第i條線路的額定負(fù)載。
[0094] 按照多目標(biāo)優(yōu)化中的主要目標(biāo)法將安全性目標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個(gè)用電安全約束，設(shè)置其 最大值a:
[0095] RiUHa 公式八
[0096] 根據(jù)用戶設(shè)置，負(fù)荷的工作時(shí)長約束：
[0097] A ,, 公式九
[0098]其中，Nij為該負(fù)荷需要工作的總時(shí)長。
[0099]負(fù)荷最短連續(xù)工作時(shí)長限制：
[0100] Λ,(?+χ)G[0,11.^,(0 == I 公式十
[0101] 其中，Lij為該負(fù)荷最短連續(xù)工作時(shí)長;Bij為該負(fù)荷開始工作的時(shí)段。
[0102] 溫控負(fù)荷約束：
[0103] 溫控模型要將溫度控制在用戶的設(shè)定溫度Ts，允許溫度在設(shè)定溫度左右存在一個(gè) 用戶可接受的偏差A(yù) T。約束表示為：
[0104] T = Ts 土 Δ T 公式^-一
[0105] 溫控負(fù)荷模型（以空調(diào)為例）：
[_]
公式十二
[0107] 其中，Tr_為室內(nèi)溫度;Tair為室外溫度;R為等值熱電阻;C為等值熱電容;Q為等值 熱比率;A^(t)為空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)。熱水器模型與此模型形式相同。
[0108] 在本實(shí)施例中將用戶所要求的負(fù)荷工作時(shí)段、工作時(shí)長及是否連續(xù)作為用戶滿意 的標(biāo)準(zhǔn);將溫控負(fù)荷的溫度是否在用戶要求的溫度范圍內(nèi)作為用戶舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo) 準(zhǔn)都以約束的形式表現(xiàn)在模型中，使得用戶的滿意度與舒適度得到保障。
[0109] A3、對(duì)家庭能量管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；
[0110] 根據(jù)模型對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，具體流程如圖4所示。模型為0-1整數(shù)規(guī)劃，采用二 進(jìn)制的編碼方式對(duì)個(gè)體進(jìn)行編碼。由于模型中的約束條件較多，若采用罰函數(shù)處理的方式， 則較難獲得可行解。對(duì)負(fù)荷的最短連續(xù)工作時(shí)長約束采用了對(duì)每一代生成的個(gè)體改進(jìn)的方 式。在每一代新生成的個(gè)體中，將其染色體分別向右移動(dòng)1位、2位…（L lj-I)位，將新生成的 染色體與原有染色體累加生成新的染色體。以此保證個(gè)體所帶的染色體編碼為連續(xù)。對(duì)于 安全約束、負(fù)荷工作時(shí)長約束和溫控負(fù)荷的溫度約束，采用了罰函數(shù)的方式。面對(duì)的遺傳算 法有漏掉最優(yōu)解的情況，在遺傳過程中，采用了最優(yōu)保留算法，避免了變異、重組破壞可能 的最優(yōu)解。最后在Pareto選優(yōu)過濾器中選出最終的Pareto最優(yōu)解。
[0111]本實(shí)施例將提出的家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法在某家庭智能管理系統(tǒng)中進(jìn)行 了仿真驗(yàn)證。具體參數(shù)及用戶設(shè)置如下表1-4所示。
[0112]表1 一日的實(shí)時(shí)電價(jià)信息與各項(xiàng)系數(shù)
[0114]表2用戶對(duì)溫控負(fù)荷次日的工作要求與各項(xiàng)系數(shù)
L0119」表4用戶對(duì)可調(diào)度負(fù)荷的次日工作要求
[0121] 該實(shí)施例提供的方法可以保證優(yōu)化得到的結(jié)果本身是安全的，對(duì)用戶不會(huì)造成安 全隱患。由圖5的對(duì)比可以看出考慮安全性的優(yōu)化結(jié)果有效地避免了過負(fù)荷情況的出現(xiàn)，其 中，圖5(A)為不考慮安全性的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化后各條線路的負(fù)載率；圖5(B)為不考慮安全性的 環(huán)保性優(yōu)化后各條線路的負(fù)載率；圖5(C)為考慮安全性的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化后各條線路的負(fù)載 率;圖5(D)為考慮安全性的環(huán)保性優(yōu)化后各條線路的負(fù)載率。
[0122] 該方案可通過Matlab編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)用戶的不同需求，分別得到經(jīng)濟(jì)性模式與環(huán) 保性模式的優(yōu)化結(jié)果。經(jīng)濟(jì)性模式中，優(yōu)化結(jié)果將一些負(fù)荷移動(dòng)到了電價(jià)較低的深夜，以降 低用戶用能費(fèi)用；環(huán)保性模式中，優(yōu)化結(jié)果將一些負(fù)荷移動(dòng)到了光伏發(fā)電的時(shí)段以充分利 用光伏發(fā)電，減少從電網(wǎng)買電，從而降低碳排放量。
[0123] 表5為本技術(shù)方案優(yōu)化效果與傳統(tǒng)優(yōu)化效果的比較。
[0124] 表5優(yōu)化結(jié)果對(duì)比圖
[0126] 在家庭能量管理系統(tǒng)的能量優(yōu)化過程中將家庭各條線路的負(fù)載率納入優(yōu)化模型 中，該模型的優(yōu)化結(jié)果可在目標(biāo)最優(yōu)化的同時(shí)保證用戶用電的安全性。在用遺傳算法進(jìn)行 求解時(shí)，對(duì)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用將個(gè)體的染色體進(jìn)行右移后累加的方式，以使得染色 體編碼的連續(xù)，得到的最優(yōu)解可保證負(fù)荷工作連續(xù)。
[0127] 圖6示出本實(shí)施例提供的一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述 裝置包括負(fù)荷分類及光伏預(yù)測(cè)模塊11和模型獲取模塊12,其中，
[0128] 負(fù)荷分類及光伏預(yù)測(cè)模塊11用于根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類， 得到每個(gè)家庭負(fù)荷的類型;并根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量；
[0129] 模型獲取模塊12用于根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的 類型，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；
[0130] 其中，所述優(yōu)化模型為每個(gè)家庭負(fù)荷在每個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。
[0131] 負(fù)荷分類及光伏預(yù)測(cè)模塊11根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類，得到 每個(gè)家庭負(fù)荷的類型;并根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量;模型 獲取模塊12根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得到費(fèi)用最小 的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；
[0132] 本實(shí)施例通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)用戶的光伏用電量，結(jié) 合了新能源發(fā)電和用戶的用能需求之間的關(guān)系；同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)得到經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模 型和環(huán)保性優(yōu)化模型，使得所有負(fù)荷的工作狀態(tài)能夠最大化地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電或環(huán)保用電的 目的。
[0133] 可選地，所述模型獲取模塊12進(jìn)一步采用改進(jìn)的遺傳算法，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì) 性優(yōu)化模型和碳排放最小的環(huán)保性優(yōu)化模型；
[0134] 其中，對(duì)遺傳算法的改進(jìn)為將染色體向右移動(dòng)，生成新的染色體。
[0135] 進(jìn)一步地，所述裝置還包括：
[0136] 模型確定模塊，用于根據(jù)用戶選擇指令，選擇所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型或所述環(huán)保性 優(yōu)化模型進(jìn)行家庭能量管理。
[0137] 進(jìn)一步地，所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型如下公式一：
[0138]
[0139]
[0140]
[0141] C2(t)=G(t)XPG 公式三
[0142] 其中，Cost為用戶一天的總費(fèi)用;&(〇為用戶與電網(wǎng)買賣電結(jié)算總費(fèi)用;C2(t)為 國家對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼;Pb(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的買電價(jià)格;P s(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的賣電價(jià)格;P (t)為家庭與電網(wǎng)的交互電量，P(t)>0時(shí)表示家庭從電網(wǎng)買電，P(t)〈0時(shí)表示家庭向電網(wǎng)賣 電；T為一個(gè)時(shí)段的長度，T=lh，將一天分成了 24個(gè)時(shí)段，t為1到24的整數(shù);G(t)為預(yù)測(cè)的光 伏發(fā)電量;Pc為國家對(duì)光伏發(fā)電的全電量補(bǔ)貼價(jià)格。
[0143] 具體地，所沭環(huán)保件優(yōu)化樽塑如下公式四：
[_
公式四
[0145] 其中，F(xiàn)為一天購電所產(chǎn)生的碳排放量;δ為火力發(fā)一度電產(chǎn)生的碳排放量;P(t)為 從電網(wǎng)購買電量；Ω為P(t)>0的時(shí)段集合;T為一個(gè)時(shí)段的長度，T = lh，將一天分成了24個(gè) 時(shí)段，t為1到24的整數(shù)。
[0146] 本實(shí)施例所述的家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化裝置可以用于執(zhí)行上述方法實(shí)施例，其 原理和技術(shù)效果類似，此處不再贅述。
[0147] 本發(fā)明的說明書中，說明了大量具體細(xì)節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實(shí)施例可以 在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在一些實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技 術(shù)，以便不模糊對(duì)本說明書的理解。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，包括： 根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類，得到每個(gè)家庭負(fù)荷的類型；并根據(jù)氣 象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量； 根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì) 性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型； 其中，所述優(yōu)化模型為每個(gè)家庭負(fù)荷在每個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電 價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化 模型，進(jìn)一步包括： 采用改進(jìn)的遺傳算法，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放最小的環(huán)保性優(yōu)化模 型； 其中，對(duì)遺傳算法的改進(jìn)為將染色體向右移動(dòng)，生成新的染色體。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電 價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化 模型之后，還包括： 根據(jù)用戶選擇指令，選擇所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型或所述環(huán)保性優(yōu)化模型進(jìn)行家庭能量管 理。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型如下公式一：C2(t)=G(t)X化公式Ξ其中，Cost為用戶一天的總費(fèi)用；Ci(t)為用戶與電網(wǎng)買賣電 結(jié)算總費(fèi)用;C2(t)為國家對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼;Pb(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的買電價(jià)格;Ps(t)為實(shí)時(shí) 電價(jià)中的賣電價(jià)格;P(t)為家庭與電網(wǎng)的交互電量，P(t)〉0時(shí)表示家庭從電網(wǎng)買電，P(t)<0 時(shí)表示家庭向電網(wǎng)賣電；T為一個(gè)時(shí)段的長度，Τ=化，將一天分成了 24個(gè)時(shí)段，t為1到24的 整數(shù);G(t)為預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電量;Pe為國家對(duì)光伏發(fā)電的全電量補(bǔ)貼價(jià)格。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述環(huán)保性優(yōu)化模型如下公式四：會(huì)武西 其中，F(xiàn)為一天購電所產(chǎn)生的碳排放量;δ為火力發(fā)一度電產(chǎn)生的碳排放量;P(t)為從電 網(wǎng)購買電量；Ω為P(t)〉0的時(shí)段集合;T為一個(gè)時(shí)段的長度，T=lh，將一天分成了24個(gè)時(shí)段， 巧蝴24的整數(shù)。6. -種家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化裝置，其特征在于，包括： 負(fù)荷分類及光伏預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)家庭負(fù)荷的使用方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行分類，得到 每個(gè)家庭負(fù)荷的類型;并根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷用電的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏用電量； 模型獲取模塊，用于根據(jù)光伏用電量、預(yù)設(shè)的約束條件、電價(jià)數(shù)據(jù)和家庭負(fù)荷的類型， 得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放量最小的環(huán)保性優(yōu)化模型； 其中，所述優(yōu)化模型為每個(gè)家庭負(fù)荷在每個(gè)時(shí)段的工作狀態(tài)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述模型獲取模塊進(jìn)一步采用改進(jìn)的遺傳 算法，得到費(fèi)用最小的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型和碳排放最小的環(huán)保性優(yōu)化模型； 其中，對(duì)遺傳算法的改進(jìn)為將染色體向右移動(dòng)，生成新的染色體。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括： 模型確定模塊，用于根據(jù)用戶選擇指令，選擇所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型或所述環(huán)保性優(yōu)化 模型進(jìn)行家庭能量管理。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型如下公式一：C2(t)=G(t)X 化公式 Ξ 其中，Cost為用戶一天的總費(fèi)用；Ci(t)為用戶與電網(wǎng)買賣電結(jié)算總費(fèi)用；C2(t)為國家 對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼;Pb(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的買電價(jià)格;Ps(t)為實(shí)時(shí)電價(jià)中的賣電價(jià)格;P(t) 為家庭與電網(wǎng)的交互電量，P(t)〉0時(shí)表示家庭從電網(wǎng)買電，P(t)<0時(shí)表示家庭向電網(wǎng)賣電； T為一個(gè)時(shí)段的長度，Τ =化，將一天分成了 24個(gè)時(shí)段，t為1到24的整數(shù);G(t)為預(yù)測(cè)的光伏 發(fā)電量;Pc為國家對(duì)光伏發(fā)電的全電量補(bǔ)貼價(jià)格。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述環(huán)保性優(yōu)化模型如下公式四：公式四 其中，F(xiàn)為一天購電所產(chǎn)生的碳排放量;δ為火力發(fā)一度電產(chǎn)生的碳排放量;P(t)為從電 網(wǎng)購買電量；Ω為P(t)〉0的時(shí)段集合;T為一個(gè)時(shí)段的長度，T=lh，將一天分成了24個(gè)時(shí)段， t為巧Ij24的整數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06Q10/04GK105844365SQ201610217646
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】萬慶祝, 陳婭蘭, 李正熙
【申請(qǐng)人】北方工業(yè)大學(xué)