薛樹強(qiáng)

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201306）

1 概述

家庭能源管理系統(tǒng)是以智能電網(wǎng)和智能家居為基礎(chǔ)，通過(guò)參與供電方的需求響應(yīng)，將家庭中智能用電器、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（如光伏發(fā)電系統(tǒng)）等結(jié)合在一起優(yōu)化管理的智能系統(tǒng)[1]，優(yōu)化調(diào)度的主要目標(biāo)是通過(guò)參與需求響應(yīng)優(yōu)化調(diào)度家庭電器負(fù)荷，利用可再生能源，減少用戶的用電費(fèi)用[2]。文獻(xiàn)[3]對(duì)家用電器分類建模，在分時(shí)電價(jià)和峰值功率限制的需求響應(yīng)策略下提出了一種最優(yōu)日前電器調(diào)度的家庭能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)的大小關(guān)系，研究了具有光伏發(fā)電系統(tǒng)的家庭用電負(fù)荷調(diào)度問(wèn)題，建立了用戶與主電網(wǎng)功率方向不確定的數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)用戶收益最大化。文獻(xiàn)[5]通過(guò)有效地調(diào)度和管理光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)，使家庭用戶的日常用電成本最小化。上述研究中均從單個(gè)用戶的角度提出了不同的優(yōu)化策略，而未考慮過(guò)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(yōu)化策略, 建立了共享型家庭能源管理系統(tǒng)（Shared Home Energy Management System, SHEMS），包含多個(gè)擁有智能電器的家庭用戶、共享型可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（如光伏發(fā)電系統(tǒng)）等。該策略分別對(duì)家用電器和光伏發(fā)電建模，并以用戶用電費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，充分利用不同用戶用電的差異性和互補(bǔ)性，提高光伏利用率，降低用戶用電費(fèi)用。

2 共享型家庭能源管理系統(tǒng)模型

2.1 智能電器模型

根據(jù)用戶對(duì)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(wú)條件開啟。柔性電器（如烘干機(jī)）的工作時(shí)間可以適度調(diào)整，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度選擇低電價(jià)時(shí)段啟動(dòng)可以減少用戶用電費(fèi)用。

將一天均勻分割成H 個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)Δh=24×60/H min，并定義為調(diào)度空間。引入布爾變量表示電器的工作狀態(tài)。表示用戶 i的柔性電器a 在時(shí)間段h 處為閑置狀態(tài)則為工作狀態(tài)。柔性電器所期望工作的時(shí)間域?yàn)橥瓿芍付ㄈ蝿?wù)所必需的時(shí)間為于是柔性電器的工作狀態(tài)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?？芍袛嚯娖髟谒谕墓ぷ鲿r(shí)間域內(nèi)何時(shí)工作或閑置未定，以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為調(diào)度目標(biāo)合理調(diào)度。但是不可中斷電器一旦開啟工作（如時(shí)間段hs開啟）就必須連續(xù)工作個(gè)時(shí)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(diào)度，仍然消耗功率，用戶i 在時(shí)間段 h 處總功率的計(jì)算如下式所示：

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

2.2 光伏發(fā)電模型

采用Osterwald 物理類預(yù)測(cè)方法，根據(jù)日前氣象預(yù)報(bào)的輻射和溫度數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)能光伏發(fā)電的功率輸出式：

式中，PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的最大測(cè)試功率；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度為實(shí)際太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度；k 為功率溫度系數(shù)，取-0.0047/℃；Tr為參考溫度為環(huán)境溫度。

3 功率平衡及優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 用戶用電的功率平衡

光伏發(fā)電功率遵循“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”原則。如果售電量超過(guò)電網(wǎng)提供的售電峰值功率，則被迫棄電。光伏發(fā)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(wǎng)購(gòu)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(yōu)化調(diào)度模型

優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)為最大化利用光伏發(fā)電功率，盡量減少電網(wǎng)購(gòu)電量，降低用戶用電費(fèi)用。優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，Ni是用戶數(shù)量分別為在時(shí)間段h 處的實(shí)時(shí)買、賣電價(jià)。

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證共享型家庭能源管理系統(tǒng)的可行性和合理性，本文利用5 個(gè)家庭用戶做了2 個(gè)場(chǎng)景的仿真。仿真中將一天24 小時(shí)分為48 個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)Δh=30min，并利用真實(shí)的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)電價(jià)代替預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。用戶柔性電器參數(shù)如表1 所示（*表示不可中斷任務(wù)，否則為可中斷任務(wù)；用戶有該任務(wù)為Y，否則為N），剛性電器功率如圖1 所示。本文采用二進(jìn)制粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，優(yōu)化中參數(shù)設(shè)定：最大速度vmax=6；最小速度vmin=-6；慣性權(quán)重ω=0.9；加速系數(shù)c1=c2=1.5；種群個(gè)數(shù)XSize=50；最大迭代次數(shù)MaxIt=300。

4.1 傳統(tǒng)的用電模式

在該場(chǎng)景中，本文假設(shè)40%的用戶（用戶1 和用戶2）安裝了5kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)行了各用戶獨(dú)立優(yōu)化用電的仿真，仿真結(jié)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(fā)電期間雖然用戶總的用電量大于光伏發(fā)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(tǒng)的用電模式存在很大的缺陷。

4.2 SHEMS 的用電模式

在該場(chǎng)景中，采用共享型家庭能源管理系統(tǒng)優(yōu)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(tǒng)統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度。同樣假設(shè)運(yùn)營(yíng)商提供10kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)供所有用戶共享，仿真結(jié)果如圖3 和表3 所示。

從表3 中的數(shù)據(jù)可以看到，與傳統(tǒng)用電模式相比在SHEMS 用電模式下，總電費(fèi)和購(gòu)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(dá)到了100%。從圖3 中也可以看出，用戶不僅將光伏發(fā)電量全部利用，而且電器均被盡可能的安排在了較低電價(jià)時(shí)段工作，達(dá)到了最優(yōu)的用電狀態(tài)。

表1 各用戶柔性電器參數(shù)

圖1 各用戶剛性電器功率

圖2 優(yōu)化用電下所有用戶用電量的疊加

表2 傳統(tǒng)用電模式中電費(fèi)及用電相關(guān)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文提出了一種新型的家庭能源管理優(yōu)化策略，用戶通過(guò)共享光伏發(fā)電系統(tǒng)和優(yōu)化調(diào)度功能，充分利用了不同用戶間用電的差異性和互補(bǔ)性，提高了光伏利用率，降低了用戶用電費(fèi)用。

圖3 SHEMS 下的用戶用電

表3 SHEMS 用電模式下電費(fèi)及用電相關(guān)數(shù)據(jù)