史彤暉, 王江波, 寇凌峰，井天軍，熊雄

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引 言

用戶(hù)家中電動(dòng)汽車(chē)等大功率家電的使用和功耗在不斷增加，成為形成電網(wǎng)峰荷的重要原因，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成困難。而利用需求響應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)家電負(fù)荷的削減和轉(zhuǎn)移，并且隨著用電雙向交互技術(shù)的推廣，居民使用的家電智能化程度不斷提高，在住宅用戶(hù)中應(yīng)用需求響應(yīng)技術(shù)已成為可能。

為改善電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)，需求響應(yīng)技術(shù)已經(jīng)在工商業(yè)等大型電力用戶(hù)中展開(kāi)了多方面的應(yīng)用[1-3]。在改善居民用戶(hù)的用電需求響應(yīng)方面，傳統(tǒng)的拉閘限電調(diào)峰策略使用戶(hù)的用電方式較為被動(dòng)[4-5]。隨著需求響應(yīng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在住宅中利用需求響應(yīng)可以進(jìn)一步增強(qiáng)用戶(hù)參與性、提升響應(yīng)水平和效果[6]，用戶(hù)側(cè)的需求響應(yīng)程序在接收到響應(yīng)信號(hào)后自動(dòng)觸發(fā)，其實(shí)時(shí)性和可靠性都得到極大提升[7-9]。

利用DR事件對(duì)家電調(diào)度是家庭用電管理的主要依據(jù)，通過(guò)調(diào)度降低居民用電成本、平緩負(fù)荷曲線(xiàn)同時(shí)兼顧用戶(hù)舒適性是家電控制管理的主要目的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的負(fù)荷類(lèi)型和要求提出了多種調(diào)度算法[10-13]，部分研究針對(duì)低功率電器，這些電器因?qū)彝ス漠a(chǎn)生的影響較小因此不適合參與需求響應(yīng)控制[14]，以家電優(yōu)化調(diào)度為主題，以能源消耗最少為目的展開(kāi)的研究已經(jīng)較為成熟[15-18]，但這類(lèi)控制方法會(huì)使每個(gè)設(shè)備的操作產(chǎn)生等待時(shí)間?；谏鲜鰡?wèn)題，文獻(xiàn)[14]提出預(yù)設(shè)家電優(yōu)先級(jí)控制家庭負(fù)荷的方法，但未考慮家電的實(shí)時(shí)變化。文獻(xiàn)[19]提出了一種基于家電舒適度的家電優(yōu)先級(jí)智能家電控制方案，這種控制方案在滿(mǎn)足DR控制的情況下較好的考慮到了用戶(hù)的需求，但家電的頻繁投切不利于用戶(hù)的控制以及延長(zhǎng)家電使用壽命。文獻(xiàn)[20]通過(guò)利用家電的功率和分時(shí)電價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的優(yōu)先級(jí)排序進(jìn)行DR控制，但這種家電控制方法并不適合于電動(dòng)汽車(chē)等部分家電，適用性不廣。

基于上述問(wèn)題，針對(duì)DR事件中居民家電負(fù)荷控制策略進(jìn)行改進(jìn)，利用需求響應(yīng)技術(shù)，提出一種智能家電管理控制方案，通過(guò)建立家電優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)控制實(shí)現(xiàn)DR時(shí)段用戶(hù)功耗低于一定水平并兼顧用戶(hù)舒適性和用電成本，分析了不同時(shí)段、不同家電負(fù)荷在改善負(fù)荷曲線(xiàn)中的作用并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提控制方案的有效性。

1 需求響應(yīng)事件

在實(shí)現(xiàn)DR的過(guò)程中，用戶(hù)通常缺少管理家電和手動(dòng)執(zhí)行DR的時(shí)間，而在有效的家電控制策略中，通過(guò)充分利用居民部分可控負(fù)荷的轉(zhuǎn)移潛力，可以有效平衡負(fù)荷曲線(xiàn)，提高配電網(wǎng)的靈活性。

DR事件通常被定義為一個(gè)階段，通過(guò)縮減用戶(hù)需求來(lái)減輕系統(tǒng)的壓力。在電力系統(tǒng)中，用戶(hù)可以通過(guò)智能電能表得到本地需求響應(yīng)服務(wù)器發(fā)出的外部信號(hào)從而獲知DR事件信息。而在目前的研究中，通常認(rèn)為接收的DR信號(hào)形式為一個(gè)可變的需求縮減程度請(qǐng)求及其持續(xù)時(shí)間。智能家電控制系統(tǒng)如圖1所示，圖中控制終端通過(guò)利用智能插座實(shí)現(xiàn)對(duì)各家電的管理，智能插座會(huì)在檢測(cè)電流變化時(shí)實(shí)現(xiàn)電器待機(jī)的自動(dòng)斷電，對(duì)電能質(zhì)量影響不大。對(duì)DR信號(hào)的目的是在對(duì)應(yīng)時(shí)段使家庭用電總功率低于指定水平，這個(gè)限制水平可以根據(jù)地方電力系統(tǒng)需求每隔一段時(shí)間發(fā)生變化，因此控制策略需要滿(mǎn)足負(fù)荷的及時(shí)操作，并在允許用戶(hù)控制負(fù)荷的同時(shí)滿(mǎn)足總負(fù)荷低于限制水平，且兼顧用戶(hù)舒適性。文中假定DR信號(hào)中的需求縮減程度不變，便于驗(yàn)證家電管理控制策略對(duì)智能家電的控制效果。

圖1 智能家電管理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of home appliance management architecture

2 家電管理控制策略

2.1 負(fù)荷功率限制

如圖1所示，需求響應(yīng)限制是影響家電開(kāi)關(guān)的主要影響因素，為保證家庭總功率不超過(guò)限制，所有家電在同一時(shí)刻的家電開(kāi)關(guān)狀態(tài)必須滿(mǎn)足:

(1)

式中PDR(t)表示t時(shí)段DR給定功率限制；m為參與需求響應(yīng)的家電負(fù)荷總數(shù)；S(i,t)為t時(shí)段第i個(gè)家電狀態(tài)(0代表斷電，1代表通電)。其中，若存在用戶(hù)手動(dòng)開(kāi)啟的負(fù)荷，則式(1)可變?yōu)椋?/p>

PDR(t)≥PLM(t)+PLO(t)

(2)

式中PLM(t)為t時(shí)刻用戶(hù)手動(dòng)開(kāi)啟的負(fù)荷總功率；PLO(t)為t時(shí)刻其它參與需求響應(yīng)的家電負(fù)荷功率之和。

在接收到DR信息后，根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷限制以家電優(yōu)先級(jí)由高到低的順序依次執(zhí)行各家電的控制決策：在函數(shù)式(1)、式(2)滿(mǎn)足時(shí)家電狀態(tài)S(i,t)置1，不滿(mǎn)足時(shí)家電狀態(tài)S(i,t)置0。該控制決策將維持直至DR信息更新或家電優(yōu)先級(jí)發(fā)生改變?yōu)橹埂?/p>

2.2 智能家電控制流程

在DR時(shí)段實(shí)現(xiàn)家電控制前，需要確定家電的優(yōu)先級(jí)，依靠預(yù)先設(shè)定優(yōu)先級(jí)可以減少用戶(hù)的輸入，但不能體現(xiàn)家電狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，因此采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)控制。為解決動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)造成的操作頻繁，友好性低等問(wèn)題，考慮到不同家庭間家電使用習(xí)慣等因素的不同，提出一種動(dòng)態(tài)家電優(yōu)先級(jí)評(píng)估參與DR控制的家電控制方案?？刂撇呗粤鞒倘鐖D2所示。

控制策略步驟如下：

(1)輸入用戶(hù)針對(duì)各家電的使用需求，家電入網(wǎng)后，根據(jù)用戶(hù)是否手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉負(fù)荷將家電負(fù)荷分為控制策略控制和用戶(hù)控制兩類(lèi)；

(2)進(jìn)入DR時(shí)段后接收需求響應(yīng)服務(wù)器發(fā)送的DR信號(hào)和電價(jià)信息；

(3)計(jì)算家電對(duì)應(yīng)的舒適度Ki,t、額外用電成本Pec,t和家電斷電時(shí)間Ti,t作為模糊控制器的輸入，通過(guò)模糊推理，輸出控制量Kpi，循環(huán)至輸出所有參與需求響應(yīng)的家電；

圖2 家電控制策略流程圖Fig.2 Flow chart of smart appliances control strategy

(4)令用戶(hù)控制類(lèi)家電負(fù)荷優(yōu)先級(jí)高于控制策略控制類(lèi)家電，根據(jù)輸出控制量Kpi生成家電優(yōu)先級(jí)序列。若序列中相鄰家電其控制量Kpi之差小于閾值，則根據(jù)居民對(duì)家用電器的調(diào)節(jié)意愿調(diào)整家電序列順序[21]；

(5)按照家電優(yōu)先級(jí)由高到低的順序，假設(shè)家電通電狀態(tài)下判斷PDR(t)≥PLM(t)+PLO(t)是否滿(mǎn)足，若滿(mǎn)足則S(i,t)置1，否則S(i,t)置0，更新PCL(t)并重復(fù)上述過(guò)程直至循環(huán)所有家電，執(zhí)行家電控制決策后進(jìn)入下一時(shí)段。

2.3 家電優(yōu)先級(jí)評(píng)估

2.3.1 家電優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)家電合理控制，在限制功率的基礎(chǔ)上，應(yīng)分析家電給用戶(hù)帶來(lái)的舒適性，例如空調(diào)對(duì)室內(nèi)溫度的變化會(huì)對(duì)用戶(hù)的舒適性產(chǎn)生影響。用電成本方面，不同用戶(hù)對(duì)電費(fèi)的支付意愿有所不同。同時(shí)還應(yīng)解決家電頻繁開(kāi)關(guān)的問(wèn)題，因此構(gòu)成以傳感器/家電信息、預(yù)設(shè)目標(biāo)、歷史信息、電價(jià)信息、家電功率、用戶(hù)支付意愿、家電類(lèi)別為狀態(tài)參量的家電優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)體系，如圖3所示。

(1)家電需求值

家電的通斷電狀態(tài)將對(duì)用戶(hù)的舒適性造成直接影響，針對(duì)用戶(hù)的生活需求，可以根據(jù)家電給用戶(hù)帶來(lái)的舒適性進(jìn)行表征，以家電需求值指數(shù)Ki,t來(lái)描述用戶(hù)的舒適程度，需求值Ki,t的取值區(qū)間[0～1]，需求值Ki,t越大，家電的使用需求更加強(qiáng)烈，用戶(hù)的舒適性越低。

圖3 家電優(yōu)先級(jí)評(píng)估體系Fig.3 Dynamic priority assessment system of home appliances

(a)對(duì)空調(diào)、熱水器等以維持設(shè)定溫度為目的具有儲(chǔ)熱能力的負(fù)荷，當(dāng)實(shí)際溫度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，需求值取0或1(接近最優(yōu)值時(shí)，KNL,t=0，接近臨界值時(shí)，KNL,t=1)；當(dāng)溫度處在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，其計(jì)算如下：

(3)

式中家電需求值越大，說(shuō)明用戶(hù)對(duì)溫度的滿(mǎn)意程度越低，其家電的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高。各家電溫度設(shè)定范圍和需求最優(yōu)值由用戶(hù)設(shè)定，計(jì)算得到的KNL,t已經(jīng)過(guò)標(biāo)幺化處理，可以與其他家電負(fù)荷的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較。

(b)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)，干衣機(jī)等滿(mǎn)足特殊需求的家電，可以利用家電在該時(shí)段的工作進(jìn)度、工作效率以及未來(lái)可通電時(shí)間段評(píng)估其家電需求值，可如期完成任務(wù)時(shí)，其計(jì)算如下：

(4)

式中家電需求值越大，說(shuō)明家電如期完成預(yù)定任務(wù)的難度越高，用戶(hù)的滿(mǎn)意程度越低。家電允許工作時(shí)段總時(shí)間由用戶(hù)設(shè)定的允許工作時(shí)段得到，家電預(yù)估工作時(shí)間由用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)充電電量與家電信息計(jì)算得到。根據(jù)目前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車(chē)的充電效率曲線(xiàn)，文中近似認(rèn)為充電汽車(chē)的充電效率是固定的。

若在期限內(nèi)不能順利完成工作，則KEV ,t值取1；已完成工作任務(wù)時(shí)，家電斷電不參與控制。

若該家電在非DR期間存在允許工作時(shí)段，因非DR時(shí)段家電總功率不受限制，且非DR時(shí)段工作時(shí)間已知，因此統(tǒng)計(jì)的時(shí)間結(jié)果應(yīng)減去家電在非DR期間的工作時(shí)間，僅考慮家電在DR期間內(nèi)的工作完成情況。

(2)額外用電成本

電價(jià)作為電力市場(chǎng)的一種商品，在電力市場(chǎng)化的情況下，電力供求與其價(jià)格之間也符合一般商品的經(jīng)濟(jì)規(guī)律，因此在價(jià)格上升或下降后，其需求量在一定程度上增加或減少，而家電的功率與單位時(shí)間耗電量成正比，因此可以通過(guò)用戶(hù)在DR時(shí)段支付的額外用電成本來(lái)表征用戶(hù)的支付意愿，通過(guò)額外用電成本與用戶(hù)在電費(fèi)上的支付意愿比較，對(duì)家電優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)整以降低用電成本并平衡負(fù)荷曲線(xiàn)，其計(jì)算為:

Pec,t=(當(dāng)前電價(jià)-基本電價(jià))×家電功率

(5)

式中Pec,t為用戶(hù)在DR時(shí)段t時(shí)刻使用家電單位時(shí)間需支付的額外用電成本(元/h)。基本電價(jià)取用戶(hù)近期日電價(jià)均值。

(3)斷電間隔

為解決動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)波動(dòng)造成的家電頻繁開(kāi)關(guān)問(wèn)題，引入家電歷史工作狀態(tài)計(jì)算各家電t時(shí)段斷電間隔時(shí)間，對(duì)家電短時(shí)間內(nèi)頻繁開(kāi)關(guān)行為進(jìn)行限制。斷電間隔時(shí)間的計(jì)算如式(6)所示，t時(shí)段家電處于斷電狀態(tài)，且上一時(shí)段處于通電狀態(tài)時(shí)，斷電間隔Ti,t開(kāi)始計(jì)時(shí)，Ti,t置0；t時(shí)刻家電處于通電狀態(tài)時(shí)，不存在斷電間隔，Ti,t取∞；處于斷電間隔中時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)段，Ti,t累加一個(gè)更新時(shí)間周期Δt。

(6)

式中Ti,t為家電在t時(shí)段的斷電間隔時(shí)間；Δt為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間周期；S(i,t)表示第i個(gè)家電在t時(shí)段的開(kāi)關(guān)狀態(tài)(0代表斷電，1代表通電)。

2.3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

在預(yù)先進(jìn)行家電調(diào)度的控制策略中，因用戶(hù)和其他原因產(chǎn)生的家電實(shí)時(shí)變化使家電控制效果較差并產(chǎn)生較長(zhǎng)的設(shè)備操作等待時(shí)間，而利用設(shè)定家電優(yōu)先級(jí)的控制策略易產(chǎn)生家電頻繁投切和開(kāi)啟家電較多時(shí)舒適度不能兼顧等問(wèn)題。模糊控制具有容錯(cuò)能力強(qiáng)，易于通過(guò)自然語(yǔ)言進(jìn)行控制等特點(diǎn)，因此文中基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)利用模糊控制器以多個(gè)家電優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)家電進(jìn)行優(yōu)先級(jí)評(píng)估。

模糊控制器以家電舒適度Ki,t、用戶(hù)DR時(shí)段使用家電產(chǎn)生的額外用電成本Pec,t和家電斷電間隔時(shí)間Ti,t作為最終輸入變量，根據(jù)輸出控制量Kpi的隸屬度大小對(duì)家電優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行調(diào)整?？刂屏縆pi越大，家電優(yōu)先級(jí)越高，控制量Kpi接近1時(shí)，家電優(yōu)先級(jí)最高，用戶(hù)舒適性最低，家電立刻通電開(kāi)始工作；控制量Kpi接近0時(shí)，家電優(yōu)先級(jí)最低，用戶(hù)舒適性最高，家電斷電以降低家庭總功耗。

由于梯形及三角形隸屬函數(shù)形狀簡(jiǎn)單，并且與其他隸屬函數(shù)得出的結(jié)果差別最小，因此利用三角形和梯形組合的分布函數(shù)建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)。

根據(jù)用戶(hù)需求，模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足：

(1)為滿(mǎn)足用戶(hù)的生活舒適性，將家電需求值Ki,t作為Kpi的主要影響指標(biāo)，只考慮用戶(hù)舒適性情況下，當(dāng)其不滿(mǎn)足最低舒適性要求(Ki,t=1)時(shí)，Kpi=1；Ki,t降低時(shí)，Kpi降低；舒適性最優(yōu)時(shí)(Ki,t=0)，Kpi=0。(電動(dòng)汽車(chē)等特殊需求類(lèi)家電因Ki,t的含義不同應(yīng)另設(shè)控制規(guī)則，為使其在其他家電空閑時(shí)工作，且不影響高優(yōu)先級(jí)家電，當(dāng)其Ki,t接近0時(shí)，使其Kpi略高于空閑家電)；

(2)考慮到用戶(hù)的用電成本，需求值隸屬度相近時(shí)控制量Kpi應(yīng)保證用電成本較低的家電優(yōu)先開(kāi)啟，其隸屬函數(shù)臨界值根據(jù)不同家電在式(5)的計(jì)算結(jié)果所在范圍內(nèi)等間隔取值，用戶(hù)可結(jié)合當(dāng)前電價(jià)政策和自身需求提高或降低Pec,t隸屬函數(shù)橫坐標(biāo)電價(jià)臨界值從而提高用戶(hù)舒適度或減少總用電費(fèi)用；

(3)為確保被控家電不會(huì)頻繁開(kāi)閉，將斷電間隔Ti,t作為懲罰因素，斷電間隔Ti,t很短時(shí)，Kpi大幅降低。Ti,t較短時(shí)，Kpi略微降低，Ti,t較長(zhǎng)時(shí)，Kpi不受影響。用戶(hù)可以通過(guò)修改Ti,t隸屬函數(shù)橫坐標(biāo)的臨界時(shí)間值調(diào)整家電開(kāi)關(guān)次數(shù)，臨界值越大，限制效果越強(qiáng)，家電開(kāi)關(guān)次數(shù)越少。通過(guò)多次仿真，當(dāng)Ti,t各隸屬函數(shù)臨界值取15 min、30 min、45 min、60 min時(shí)仿真結(jié)果較好。

以熱水器、空調(diào)和電動(dòng)汽車(chē)為例，其輸入輸出變量隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則分別如圖4和表1所示。

圖4 模糊控制器輸入及輸出隸屬函數(shù)Fig.4 Input and output membership functions of fuzzy controller

其中FCSS，非常舒適；SS，舒適；BJSS，比較舒適；BSS，不舒適；CBZ，額外成本中；CBJG，額外成本較高；CBG，額外成本高；SJD，間隔時(shí)間短；SJZ，間隔時(shí)間中；SJC，間隔時(shí)間長(zhǎng)；JD，極低；HD，很低；D，低；BJD，比較低；BJG，比較高；G，高；HG，很高；JG，極高。

表1 模糊控制器規(guī)則Tab.1 Rule of fuzzy controller

3 仿真過(guò)程

3.1 算例參數(shù)

算例中將夏天8月華北地區(qū)的一天作為DR時(shí)段可能發(fā)生的環(huán)境，并參考華北地區(qū)用戶(hù)的家電功率及用戶(hù)使用需求進(jìn)行仿真，家電信息如表2所示。

表2 家電信息Tab.2 Information of controlled home appliances

熱水器初始水溫為42 ℃，室內(nèi)初始溫度為27 ℃，電動(dòng)汽車(chē)電池初始電量為0%，仿真過(guò)程從17:00開(kāi)始，電動(dòng)汽車(chē)充電允許時(shí)段為19:00～次日04:00，電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)電池需要約6 h。DR響應(yīng)時(shí)段為19:00～01:00，給定DR限制功率PDR=4 kW，并以22:00時(shí)用戶(hù)大量用水使熱水器水溫驟降作為家電狀態(tài)實(shí)時(shí)變化因素。分時(shí)電價(jià)信息如下：14:00～17:00，19:00～22:00實(shí)行峰時(shí)電價(jià)，為 0.925元/(kW·h)； 8:00～14:00，17:00～19:00，22:00～24:00實(shí)行平段電價(jià)，為0.61元/(kW·h)； 0:00～8:00實(shí)行谷時(shí)電價(jià)，為0.319 7元/(kW·h)。

3.2 算例仿真

仿真過(guò)程從17:00開(kāi)始，19:00～次日01:00間進(jìn)入DR事件規(guī)定時(shí)段，算例仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 DR時(shí)段動(dòng)態(tài)家電優(yōu)先級(jí)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of home appliances priority in DR

仿真開(kāi)始后，為維持用戶(hù)設(shè)定的水溫和室溫范圍，空調(diào)和熱水器進(jìn)行周期性工作，電動(dòng)汽車(chē)因在非工作時(shí)段處于斷電狀態(tài)。進(jìn)入DR時(shí)段后，用戶(hù)家庭總功率受到限制，電動(dòng)汽車(chē)、空調(diào)、熱水器根據(jù)優(yōu)先級(jí)變化交替工作。19:00時(shí)空調(diào)優(yōu)先級(jí)高于電動(dòng)汽車(chē)，空調(diào)通電一段時(shí)間后因室溫下降使其Kpi低于電動(dòng)汽車(chē)，此時(shí)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始工作，并隨著室溫的變化在19:00～22:00間空調(diào)與電動(dòng)汽車(chē)處于交替工作狀態(tài)，期間熱水器為維持水溫保證居民用水時(shí)的舒適性，熱水器在19:00～21:00間進(jìn)行兩次加熱。

22:00時(shí),用戶(hù)大量用水，熱水器水溫迅速下降，熱水器Kpi不斷上升，至超過(guò)其他家電后開(kāi)始通電，一段時(shí)間因空調(diào)斷電室溫開(kāi)始升高，但此時(shí)空調(diào)Kpi明顯低于熱水器Kpi，熱水器優(yōu)先工作，22:50時(shí)出現(xiàn)室溫最大值。此時(shí)熱水器水溫為40 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度達(dá)到32 ℃左右，但因空調(diào)Kpi已高于熱水器Kpi，空調(diào)優(yōu)先級(jí)最高，熱水器斷電停止加熱，空調(diào)開(kāi)始制冷。

23:40時(shí)，家電間優(yōu)先級(jí)相近，短時(shí)間內(nèi)易發(fā)生通電家電因工作使其優(yōu)先級(jí)降低而關(guān)閉，未開(kāi)啟家電因優(yōu)先級(jí)升高而開(kāi)啟，并不斷變換家電優(yōu)先級(jí)順序的情況，使家電狀態(tài)多次改變?cè)斐杉译婎l繁投切，此時(shí)空調(diào)已關(guān)閉10 min，其優(yōu)先級(jí)因室溫上升而升高，根據(jù)用戶(hù)需求空調(diào)應(yīng)高于熱水器并切換家電狀態(tài)，但因Ti,t隸屬函數(shù)中10 min屬于SJD區(qū)段，且室溫需求尚未達(dá)到對(duì)應(yīng)閥值，使空調(diào)Kpi短時(shí)間內(nèi)仍低于熱水器Kpi，空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間延后，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電投切的限制作用。1:00后，DR時(shí)段結(jié)束，室溫和水溫周期性波動(dòng)，電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)電后停止通電，至5:00時(shí)仿真結(jié)束。若DR時(shí)段以預(yù)設(shè)家電優(yōu)先級(jí)(熱水器>空調(diào)>電動(dòng)汽車(chē))調(diào)度，則其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 DR時(shí)段預(yù)設(shè)家電優(yōu)先級(jí)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of preset appliances priority scheduling in DR

從圖5、圖6的仿真結(jié)果對(duì)比看出，19:00～22:00時(shí)段中，利用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)比較，減少了使用電動(dòng)汽車(chē)充電的時(shí)間，并在空調(diào)優(yōu)先級(jí)較低時(shí)使熱水器經(jīng)歷了2次通電加熱使水溫處于較高狀態(tài)。22:00用戶(hù)大量用水時(shí)，熱水器及時(shí)通電加熱，并在熱水器水溫達(dá)到最低要求后，立刻切換優(yōu)先級(jí)至空調(diào)使其滿(mǎn)足用戶(hù)的室溫需求，此時(shí)出現(xiàn)最高室溫。而另一種控制方式中水溫驟降后，熱水器在短時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到設(shè)定最優(yōu)值且因優(yōu)先級(jí)不可調(diào)，使其空調(diào)工作被暫時(shí)擱置，因此在T3時(shí)段圖6室溫較圖5中更高。在T1、T2時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)通電情況可以看出，不同于在其他家電的斷電間隙工作，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)控制下電動(dòng)汽車(chē)隨著室溫和水溫的周期波動(dòng),在二者皆較為舒適但并未達(dá)到設(shè)定臨界值時(shí)通電工作，維持水溫和室溫的舒適性較優(yōu)的同時(shí)，確保在DR時(shí)段中完成所需的任務(wù)量。

兩種控制方式在仿真中的最高室溫、最低水溫、仿真結(jié)束后的充電情況及總電費(fèi)如表3所示，其中總電費(fèi)計(jì)入了仿真截止時(shí)室溫水溫達(dá)到相同狀態(tài)時(shí)家電工作所耗費(fèi)用。由表3可以看出，所提控制方法室內(nèi)最高溫度降低3 ℃，熱水器最低水溫升高1.3 ℃，并減少可控家電負(fù)荷費(fèi)用約3.4%。與DR前相比，減少可控家電費(fèi)用約28.6%。

表3 家電仿真結(jié)果和電費(fèi)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Home appliance simulation results and cost

仿真算例表明，在DR時(shí)段應(yīng)用所提控制方案使用戶(hù)功耗低于一定水平的同時(shí)，改善了用戶(hù)舒適性，實(shí)現(xiàn)包括電動(dòng)汽車(chē)等具有特殊需求的家電在DR時(shí)段內(nèi)參與控制調(diào)度，減少了用戶(hù)的用電成本，使電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)改善明顯。與其他控制策略相比，所提方案解決了家電優(yōu)先級(jí)波動(dòng)帶來(lái)的家電切換頻繁問(wèn)題，對(duì)家電的使用壽命沒(méi)有影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

以DR為基礎(chǔ)，針對(duì)居民家用電器的使用需求建立了家電優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出一種在DR下用于管理高功耗家用電器的智能家居管理控制方案，利用電價(jià)信息、家電傳感器信息、斷電時(shí)間等作為輸入量通過(guò)模糊理論對(duì)家電優(yōu)先級(jí)進(jìn)行合理評(píng)估，以動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的合理控制。目前電網(wǎng)基于電動(dòng)汽車(chē)的家電管理機(jī)制已經(jīng)逐漸建立，因此方案擁有一定的應(yīng)用前景，仿真結(jié)果表明：

(1)在DR時(shí)段將參與DR具有儲(chǔ)熱能力的家電維持在一定的舒適性，能提高控制策略對(duì)用戶(hù)非計(jì)劃用電和舒適性快速下降時(shí)的緩沖能力；

(2)可較好實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)等特殊家電的管理控制，降低了用電成本，并可根據(jù)用戶(hù)意愿對(duì)不同家電進(jìn)行偏好設(shè)置，提高了所提控制方法的適用性；

(3)在DR事件下，所提控制方法能夠有效利用居民部分可控負(fù)荷的轉(zhuǎn)移潛力，平衡用戶(hù)負(fù)荷曲線(xiàn)，提高配電網(wǎng)的靈活性。

因篇幅所限，未對(duì)負(fù)荷削減的程度展開(kāi)討論，因此下一步將在該方法的基礎(chǔ)上，對(duì)比其他方法的結(jié)果，研究住宅用戶(hù)在不同時(shí)段采用的最優(yōu)負(fù)荷限制并建立相應(yīng)模型對(duì)該方法進(jìn)行評(píng)估。