王燕，楊秀媛，陳麒宇，卜思齊，徐智薔

（1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京市海淀區(qū)100192；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京市海淀區(qū)100192；3.香港理工大學(xué)電機(jī)工程系，香港九龍999077；4.英國(guó)南安頓大學(xué)物理工程學(xué)院，英國(guó)南安普頓SO17 1BJ）

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，電力負(fù)荷總量增長(zhǎng)迅速，且由于極端天氣出現(xiàn)，最大負(fù)荷不斷突破上限，負(fù)荷曲線(xiàn)尖峰化趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致在負(fù)荷高峰時(shí)段電力供需不平衡問(wèn)題日益突出，電網(wǎng)運(yùn)行成本增加。以北京地區(qū)為例，2020年8月4日北京電網(wǎng)最大負(fù)荷達(dá)到2005萬(wàn)kW，再次突破2000萬(wàn)kW·h，其中空調(diào)等降溫負(fù)荷增長(zhǎng)明顯，占比達(dá)到了43.64%[1]。對(duì)需求側(cè)空調(diào)等負(fù)荷資源進(jìn)行管理可應(yīng)對(duì)出現(xiàn)電力負(fù)荷高峰的問(wèn)題，從而改善電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)。并且，目前我國(guó)居民家庭電器的保有量已達(dá)到較高水平[2]，導(dǎo)致了近年來(lái)我國(guó)居民用電量飛速增長(zhǎng)，用電市場(chǎng)份額逐年增加，這也是造成高峰時(shí)段用電負(fù)荷更加緊張的原因。對(duì)需求側(cè)大量居民可控負(fù)荷資源進(jìn)行合理調(diào)控參與需求響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)家電負(fù)荷的削減和轉(zhuǎn)移，從而改善電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)。而在智能電網(wǎng)[3-5]背景下，智能家電的普及、智能家庭能量管理系統(tǒng)（smart home energy management system，SHEMS）功 能 的 完善[6-7]，可更靈活的實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向互動(dòng)，最大限度的提升需求響應(yīng)效果。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)居民可控負(fù)荷資源參與需求響應(yīng)的調(diào)控策略已進(jìn)行大量的研究。文獻(xiàn)[8]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)[9]提出了智能家電管理系統(tǒng)，以典型家電負(fù)荷，空調(diào)、熱水器和電動(dòng)汽車(chē)作為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)控制方案實(shí)現(xiàn)智能可控負(fù)荷參與需求響應(yīng)，達(dá)到指導(dǎo)用戶(hù)合理錯(cuò)峰用電的目的，但該方案不斷判斷設(shè)備優(yōu)先級(jí)及舒適度指數(shù)去切換允許工作的設(shè)備，未考慮設(shè)備是否完成任務(wù)而頻繁切換其工作狀態(tài)將影響家電實(shí)際使用壽命。文獻(xiàn)[10]提出家用設(shè)備控制系統(tǒng)，結(jié)合分時(shí)電價(jià)信息及用戶(hù)需求設(shè)計(jì)DR操作優(yōu)先級(jí)控制規(guī)則，對(duì)空調(diào)、熱水器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)DR控制，該控制方案可減少用戶(hù)支出并優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)，但該控制方法不適合于電動(dòng)汽車(chē)等部分家電，適應(yīng)性不廣。在文獻(xiàn)[11]中，作者以成本最小化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了計(jì)及負(fù)荷運(yùn)行特性約束的家庭能源管理系統(tǒng)響應(yīng)需求響應(yīng)動(dòng)態(tài)電價(jià)的策略。文獻(xiàn)[8-11]考慮的控制對(duì)象較片面，只對(duì)典型溫控負(fù)荷以及電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷進(jìn)行了考慮，但家庭中其他負(fù)荷，如：洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、可預(yù)約電飯煲等，使用有一定規(guī)律性且具有工作時(shí)間可轉(zhuǎn)移的性質(zhì)，也可參與到需求響應(yīng)調(diào)控中。

文獻(xiàn)[12]針對(duì)不同家電負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間、耗能特點(diǎn)等運(yùn)行特性對(duì)負(fù)荷進(jìn)行描述，通過(guò)各類(lèi)特性組合搭配，可實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)家居設(shè)備的建模。文獻(xiàn)[13]基于智能能量管理系統(tǒng)，對(duì)用戶(hù)多種用電設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)建模，構(gòu)建了一種考慮用戶(hù)滿(mǎn)意度的居民兩階段需求側(cè)響應(yīng)調(diào)控模型，該模型對(duì)單戶(hù)典型用戶(hù)和集群用戶(hù)均可優(yōu)化用戶(hù)用電行為。文獻(xiàn)[14]針對(duì)用戶(hù)行為不確定因素進(jìn)行研究，提出舒適度違反率概念。文獻(xiàn)[15]提出在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)背景下將家電可控負(fù)荷轉(zhuǎn)化為智能負(fù)荷的研究方法，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)的削峰填谷，但在控制過(guò)程中未考慮室外溫度變化對(duì)溫控負(fù)荷的影響。文獻(xiàn)[12-15]雖對(duì)家庭中多類(lèi)典型負(fù)荷進(jìn)行了較全面的考慮，但多僅以用戶(hù)的用電滿(mǎn)意度作為控制的量化指標(biāo)。

目前，我國(guó)大部分地區(qū)實(shí)行的是較為傳統(tǒng)的階梯電價(jià)，即按實(shí)際用電量劃分電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，向用戶(hù)分檔收費(fèi)。但由于居民用電量一直呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致某些時(shí)段會(huì)出現(xiàn)較大的用電高峰，沖擊電網(wǎng)的穩(wěn)定性。而階梯電價(jià)不具有解決這個(gè)問(wèn)題的作用，因此國(guó)內(nèi)陸續(xù)有很多城市開(kāi)始試行分時(shí)電價(jià)[16]，激勵(lì)用戶(hù)用電行為由峰時(shí)段向谷時(shí)段轉(zhuǎn)移。

現(xiàn)對(duì)家電負(fù)荷控制模型研究相對(duì)完善，控制對(duì)象的選擇多針對(duì)空調(diào)、熱水器[17]、電動(dòng)汽車(chē)[18]幾類(lèi)典型負(fù)荷，且對(duì)于優(yōu)先級(jí)控制策略的研究多以用戶(hù)舒適度為主要調(diào)控指標(biāo)，因此本文基于SHEMS對(duì)家庭中多類(lèi)負(fù)荷參與需求響應(yīng)進(jìn)行研究，在調(diào)控過(guò)程中考慮分時(shí)電價(jià)影響，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)舒適性與經(jīng)濟(jì)性的兼顧，通過(guò)多類(lèi)負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)，改善負(fù)荷曲線(xiàn)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證所提優(yōu)化策略的有效性。

1 SHEMS結(jié)構(gòu)及負(fù)荷模型

1.1 SHEMS結(jié)構(gòu)

本文所提出的SHEMS主要包括智能電表、家電控制器、可控負(fù)荷、用戶(hù)便攜控制設(shè)備及通訊模塊等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在家庭內(nèi)部，采用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通訊，完成信息的傳遞以及設(shè)備的控制。

該系統(tǒng)主要對(duì)家庭中可控負(fù)荷進(jìn)行控制，同時(shí)考慮不可控的基礎(chǔ)負(fù)荷。由圖1可知，基礎(chǔ)負(fù)荷包括，照明，娛樂(lè)設(shè)備等；可將可控負(fù)荷分為2類(lèi)，可削減負(fù)荷，主要指功率可通過(guò)溫度來(lái)調(diào)節(jié)控制的溫控負(fù)荷，如熱水器、空調(diào)；可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，指工作時(shí)段可轉(zhuǎn)移的負(fù)荷?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷又可分為2類(lèi)：Ⅰ類(lèi)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，指工作時(shí)間可在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移，但工作過(guò)程不可中斷的負(fù)荷，如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電飯煲等；Ⅱ類(lèi)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，指工作時(shí)間可轉(zhuǎn)移，工作過(guò)程也可適當(dāng)中斷的負(fù)荷，如電動(dòng)汽車(chē)。智能電表可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與智能電網(wǎng)間信息與能量的交互。家電控制器通過(guò)對(duì)需求響應(yīng)中心下發(fā)的需求響應(yīng)事件、分時(shí)電價(jià)以及外界環(huán)境等信息，智能電表傳輸?shù)碾娋W(wǎng)配電信息和用戶(hù)通過(guò)便攜設(shè)備所設(shè)置的喜好、負(fù)荷運(yùn)行時(shí)段、室溫及水溫范圍等信息進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)出負(fù)荷優(yōu)化控制策略，向智能插座發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)可控負(fù)荷的控制，并將優(yōu)化信息反饋給需求響應(yīng)中心，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)控。最終達(dá)到優(yōu)化負(fù)荷曲線(xiàn)，減少用戶(hù)用電費(fèi)用的目標(biāo)。

圖1 SHEMS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 SHEMS’s structure diagram

1.2 可控負(fù)荷分類(lèi)及模型

1.2.1 可削減負(fù)荷

該類(lèi)負(fù)荷為可承受一定中斷或降功率、減少時(shí)間運(yùn)行的負(fù)荷，根據(jù)供需情況對(duì)其進(jìn)行部分或全部削減，如空調(diào)、熱水器，可以在用電高峰時(shí)期通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)定溫度的方式對(duì)其用電功率進(jìn)行削減調(diào)節(jié)。

1）空調(diào)。

空調(diào)負(fù)荷采用典型二階等效熱參數(shù)模型（equivalent thermal parameters,ETP）[19]，如 圖2所示。

圖2 空調(diào)機(jī)組等效熱參數(shù)模型Fig.2 Equivalent thermal parameter model of air conditioning unit

圖中：PAC為空調(diào)機(jī)組的制冷/制熱功率；η為空調(diào)能效比；ηPAC為 空調(diào)的制冷/制熱量；Cair為氣體比熱容；Cm為固體比熱容；Rair為氣體熱阻；Rm為 固體熱阻；Tout為室外溫度；Tair為室內(nèi)氣體溫度；Tm為室內(nèi)固體溫度。根據(jù)該模型及控制方式可得出空調(diào)的運(yùn)行特性：

式中：Tin(t)表 示t時(shí)刻的室內(nèi)溫度；Tin(t+1)表示t+1時(shí)刻的室內(nèi)溫度；Tout(t+1)表示t+1時(shí)刻的室外溫度；ε為空調(diào)散熱系數(shù)，為仿真時(shí)間間隔；R為等效熱阻；C為等效熱容；sAC(t)為t時(shí)刻的空調(diào)啟停狀態(tài)變量（1表示運(yùn)行，0表示關(guān)斷）；PAC(t)為t時(shí)刻空調(diào)的取用功率。

夏季空調(diào)工作過(guò)程可描述為當(dāng)空調(diào)開(kāi)啟時(shí)，室內(nèi)溫度不斷下降，降至溫度下限TAC,min后，空調(diào)關(guān)閉，由于室外溫度高于室內(nèi)溫度，室內(nèi)溫度慢慢回升，待溫度高于溫度上限TAC,max后，空調(diào)開(kāi)啟，在室內(nèi)溫度在[TAC,min,TAC,max]區(qū)間內(nèi)時(shí)，空調(diào)啟停狀態(tài)與上一時(shí)刻保持一致，如圖3所示。

圖3 空調(diào)壓縮機(jī)工作特性Fig.3 Working characteristics of air conditioning compressor

2）熱水器。

熱水器與空調(diào)同為溫控負(fù)荷，運(yùn)行特性相似，用戶(hù)的水溫設(shè)定值、冷水溫度、用戶(hù)用水量和熱水器的參數(shù)（熱傳遞和熱水器的容積）決定熱水器的能耗?？刂茻崴鞯乃疁卦O(shè)定值可以調(diào)節(jié)熱水器耗電量的增大和減小。熱水器運(yùn)行特性為：

式中：TWH(t)表示t時(shí)刻電熱水器水箱里面的溫度；TWH(t+1)分別表示t+1時(shí)刻電熱水器水箱里面的溫度；αWH表示散熱系數(shù)；c表示水的比熱；ρ表示水的密度；Lmax表示電熱水器水箱的容積；L(t)表示Δt時(shí)段內(nèi)用戶(hù)使用的水量；Tcold表示進(jìn)入熱水器水箱的冷水溫度；β表示電能與熱能之間變換系數(shù)；PWH(t)表 示熱水器水溫從TWH(t)到TWH(t+1)的平均運(yùn)行功率；TWH,max、TWH,min表示設(shè)定熱水器內(nèi)熱水的溫度上下限。

類(lèi)似于空調(diào)的控制方式，當(dāng)熱水器內(nèi)熱水溫度低于設(shè)定溫度下限TWH,min時(shí)，熱水器開(kāi)啟，當(dāng)熱水器水箱溫度高于設(shè)定溫度上限TWH,max時(shí)，熱水器關(guān)閉，當(dāng)熱水器內(nèi)熱水溫度在設(shè)定區(qū)間[TWH,min,TWH,max]內(nèi)時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)與上一時(shí)刻保持一致。

1.2.2 Ⅰ類(lèi)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

該類(lèi)負(fù)荷的用電時(shí)段靈活性強(qiáng)，但是一旦工作開(kāi)始直至完成用電任務(wù)，期間不可中斷，若暫停工作會(huì)造成不必要損失?？山Y(jié)合電價(jià)信息并根據(jù)此類(lèi)負(fù)荷可運(yùn)行時(shí)間范圍合理規(guī)劃負(fù)荷開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)間，優(yōu)化家庭用電管理。如：洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等。

1）洗衣機(jī)。

洗衣機(jī)只要累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到要求的運(yùn)行時(shí)間，洗衣機(jī)的運(yùn)行程序就可以完成洗滌工作。當(dāng)累計(jì)時(shí)間達(dá)到要求的時(shí)間時(shí)，洗衣機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉。對(duì)洗衣機(jī)控制主要為根據(jù)用戶(hù)的用電習(xí)慣調(diào)整設(shè)備在可運(yùn)行時(shí)間段[ts,te]內(nèi)的開(kāi)啟時(shí)間。其運(yùn)行特性為：

式中：Twash,n表示洗衣機(jī)累計(jì)工作時(shí)間；Twash,set表示洗衣機(jī)運(yùn)行需求時(shí)間；swash(t)為洗衣機(jī)在t時(shí)刻的工作狀態(tài)（值為1表示洗衣機(jī)工作，值為0表示洗衣機(jī)關(guān)斷）；Pwash為洗衣機(jī)的額定功率；Pwash(t)為t時(shí)刻洗衣機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率。當(dāng)洗衣機(jī)自開(kāi)啟后累計(jì)工作時(shí)間Twash,n未達(dá)到規(guī)定運(yùn)行時(shí)間Twash,set時(shí)持續(xù)工作，直至達(dá)到規(guī)定運(yùn)行時(shí)間。

2）洗碗機(jī)。

洗碗機(jī)作為與洗衣機(jī)同類(lèi)型負(fù)荷，工作特性與洗衣機(jī)相似。只要自開(kāi)啟后累積運(yùn)行時(shí)間等于所需的運(yùn)行時(shí)間，洗碗機(jī)就可以完成洗碗和烘干過(guò)程。當(dāng)累積時(shí)間達(dá)到要求的時(shí)間時(shí)，洗碗機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉。其運(yùn)行特性為：

式中：Tdish,n表 示洗碗機(jī)累計(jì)工作時(shí)間；Tdish,set表示洗碗機(jī)運(yùn)行需求時(shí)間；sdish(t)為洗碗機(jī)在t時(shí)刻的工作狀態(tài)（值為1表示洗碗機(jī)運(yùn)行，值為0表示洗碗機(jī)停止）；Pdish為洗碗機(jī)的額定功率；Pdish(t)為t時(shí)刻洗碗機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率。當(dāng)洗碗機(jī)自開(kāi)啟后累計(jì)工作時(shí)間Tdish,n未達(dá)到規(guī)定運(yùn)行時(shí)間Tdish,set時(shí)持續(xù)工作，直至完成洗碗、烘干任務(wù)。

1.2.3 Ⅱ類(lèi)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

該類(lèi)負(fù)荷的用電時(shí)段用電量可靈活調(diào)節(jié)，用電時(shí)段允許中斷且持續(xù)時(shí)間不固定，只需滿(mǎn)足轉(zhuǎn)移前后的負(fù)荷需求總量不變，如電動(dòng)汽車(chē)此類(lèi)具有儲(chǔ)能性質(zhì)的負(fù)荷，只需保證在規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)前完成充電。

電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷模型與初始充電時(shí)刻、車(chē)載電池額定充電功率、電池起始狀態(tài)SOC及最終滿(mǎn)充電量要求等相關(guān)。在無(wú)需求響應(yīng)控制信號(hào)時(shí)，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)荷電狀態(tài)SOC未達(dá)到電量要求時(shí)，將處于持續(xù)充電階段，直至達(dá)到滿(mǎn)充電量要求。t時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)充電運(yùn)行特性為：

式中：SOC(t)表 示t時(shí)刻電池的荷電狀態(tài)；PEV(t)為t時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際充電功率；PEV為電動(dòng)汽車(chē)額定充電功率；QB為 電池額定容量；γ為電池充電效率；sEV(t)為t時(shí)刻電動(dòng)汽車(chē)電池充電狀態(tài)（值為0表示斷電停止充電；值為1表示通電充電狀態(tài)）；當(dāng)電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)低于電動(dòng)汽車(chē)達(dá)到滿(mǎn)充狀態(tài)時(shí)電池SOC最大值時(shí)保持充電；為避免過(guò)充或過(guò)放，延長(zhǎng)電池使用壽命設(shè)定SOC上下限。

2 融合分時(shí)電價(jià)的優(yōu)先級(jí)控制策略

2.1 可控負(fù)荷優(yōu)先級(jí)評(píng)估

可控負(fù)荷用電優(yōu)先級(jí)由用戶(hù)的用電舒適度決定，而不同家電在不同的時(shí)刻的通斷狀態(tài)由功率限制、優(yōu)先級(jí)以及負(fù)荷需求設(shè)定共同作用。針對(duì)家庭中的不同設(shè)備建立用戶(hù)舒適度模型Ceq,i，用來(lái)表示負(fù)荷實(shí)時(shí)狀態(tài)與用戶(hù)舒適度的關(guān)系，如下：

Ceq,i值越大，表示當(dāng)前用戶(hù)的舒適度越低，用電優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高。對(duì)該式進(jìn)行標(biāo)幺化處理后，可作為所有可控負(fù)荷的典型狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)負(fù)荷間參數(shù)比較。

2.1.1 可削減類(lèi)負(fù)荷舒適度指標(biāo)

該類(lèi)負(fù)荷主要以溫控負(fù)荷為研究對(duì)象，其舒適度參數(shù)由溫度決定。

1）空調(diào)舒適度模型：

考慮空調(diào)制冷情況，室溫越高，CAC,t越大。

2）熱水器舒適度模型：

熱水器水箱水溫越低，CWH,t越大。

2.1.2 可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷舒適度指標(biāo)

該類(lèi)負(fù)荷與可削減類(lèi)負(fù)荷有所區(qū)別，其有一定工作時(shí)間要求，只有達(dá)到該設(shè)定時(shí)間，才算是完成了工作任務(wù)。因此在建立該類(lèi)負(fù)荷的用電舒適度模型時(shí)，考慮設(shè)備是否可在用戶(hù)規(guī)定時(shí)限完成工作，當(dāng)設(shè)備不能完成工作任務(wù)時(shí)，其用戶(hù)舒適度指標(biāo)為無(wú)窮大，可完成工作時(shí)，模型如下文所述。

1）Ⅰ類(lèi)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷舒適度模型。

洗衣機(jī)舒適度模型：式中：twash,set指用戶(hù)設(shè)定的設(shè)備最佳開(kāi)啟時(shí)刻。在用戶(hù)規(guī)定設(shè)備可運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)，洗衣機(jī)開(kāi)啟時(shí)間距用戶(hù)設(shè)定的最優(yōu)開(kāi)啟時(shí)間越遠(yuǎn)，Cwash,t越大。

洗碗機(jī)舒適度模型：

洗碗機(jī)與洗衣機(jī)同理。

2)Ⅱ類(lèi)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷舒適度模型。

電動(dòng)汽車(chē)舒適度模型：

當(dāng)前時(shí)刻的SOC值越小，CEV,t越大。若電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法在預(yù)計(jì)時(shí)間前完成充電，需更改其優(yōu)先級(jí)使其提前充電。

2.1.3 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)概念

用戶(hù)的用電習(xí)慣以及偏好會(huì)影響電器的用電順序。因此引入優(yōu)先級(jí)概念，來(lái)表示用電設(shè)備的用電先后次序，某電器設(shè)備的優(yōu)先級(jí)越高，在需求響應(yīng)過(guò)程中，優(yōu)先對(duì)其供電，優(yōu)先級(jí)越低，優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

動(dòng)態(tài)計(jì)算優(yōu)先級(jí)Ki是 根據(jù)電器設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算設(shè)備的用戶(hù)舒適度指標(biāo)，舒適度指標(biāo)越高，表明居民對(duì)該設(shè)備的狀態(tài)越不滿(mǎn)意，因此需要對(duì)該設(shè)備通電。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)與用戶(hù)的舒適度指標(biāo)直接相關(guān)，舒適度指標(biāo)越高，設(shè)備供電的優(yōu)先級(jí)越高。

2.2 融合分時(shí)電價(jià)的優(yōu)先級(jí)控制流程

在SHEMS收到需求響應(yīng)中心下發(fā)的需求響應(yīng)事件時(shí)，執(zhí)行控制算法，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷及降低參與調(diào)控用戶(hù)的用電費(fèi)用的目的。首先，家電控制器通過(guò)智能電表收集電網(wǎng)側(cè)信息，整合用戶(hù)便攜設(shè)備上傳的用戶(hù)側(cè)信息，如分時(shí)電價(jià)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、用戶(hù)舒適度、室溫、水溫、持續(xù)工作時(shí)間等。在家電控制器內(nèi)部執(zhí)行同時(shí)考慮用戶(hù)舒適度和分時(shí)電價(jià)信息的控制算法，流程如圖4所示，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式發(fā)送控制決策信號(hào)到智能插座，對(duì)可控家電負(fù)荷進(jìn)行控制。

圖4 融合分時(shí)電價(jià)的可控負(fù)荷優(yōu)先級(jí)調(diào)控算法流程圖Fig.4 Flowchart of controllable load priority regulation based on time of use price

圖4 中：P1為 可削減負(fù)荷總功率；P2為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷總功率；PH為需求響應(yīng)設(shè)定功率上限；PL為需求響應(yīng)設(shè)定功率下限；Ki為設(shè)備i的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)；SAPPi表示設(shè)備i的運(yùn)行狀態(tài)（1為開(kāi)啟，0為關(guān)斷），[ts,te]表 示設(shè)備允許運(yùn)行時(shí)間段；pt為當(dāng)前時(shí)刻電價(jià)；表示當(dāng)前時(shí)刻至設(shè)備允許運(yùn)行的最后時(shí)刻相對(duì)低的電價(jià)。

首先判斷可控負(fù)荷總功率是否超過(guò)設(shè)定功率上限，若超過(guò)功率上限執(zhí)行削峰控制流程，若為超過(guò)，則判斷可控負(fù)荷總功率是否低于設(shè)定功率下限，若低于則執(zhí)行填谷控制流程。

削峰控制流程：在負(fù)荷高峰期關(guān)斷可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷，對(duì)可削減類(lèi)負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)計(jì)算并由低到高排序，然后判斷該家電負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，若為開(kāi)啟狀態(tài)則令其關(guān)斷并更新P1；若為關(guān)斷狀態(tài)則判斷優(yōu)先級(jí)較高的家電負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；至功率值低于設(shè)定功率上限，進(jìn)入下一時(shí)段的控制過(guò)程。

填谷控制流程：在負(fù)荷低谷期對(duì)所有可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)并由高到底排序，然后判斷該家電負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，若為關(guān)斷狀態(tài)則首先判斷該時(shí)刻設(shè)備是否在用戶(hù)設(shè)定的允許運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，若允許運(yùn)行則判定該時(shí)刻電價(jià)是否為屬于可運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)電價(jià)較低時(shí)段，若屬于則開(kāi)啟設(shè)備，然后更新P2；否則判斷優(yōu)先級(jí)較低狀的家電負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，至功率高于設(shè)定功率下限但不超過(guò)功率上限或所有可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷在該時(shí)刻均完成控制流程，進(jìn)入下一時(shí)段控制過(guò)程。

3 算例分析

本算例以夏季某典型日，已實(shí)現(xiàn)智能用電的3個(gè)用戶(hù)的實(shí)際用電數(shù)據(jù)為研究依據(jù)，以分鐘為單位，對(duì)從6:00開(kāi)始后的24 h（1440個(gè)時(shí)段）家庭用電進(jìn)行優(yōu)化，在Matlab R2014b上對(duì)上述調(diào)控策略有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 算例參數(shù)

夏季某典型日溫度曲線(xiàn)如圖5所示，溫度變化較大，便于驗(yàn)證控制策略有效性，分時(shí)電價(jià)有低谷、平時(shí)、高峰、尖峰4種電價(jià)，詳見(jiàn)表1[10]。為簡(jiǎn)化研究，各設(shè)備運(yùn)行功率為額定功率，詳見(jiàn)表2。

圖5 夏季某典型日溫度曲線(xiàn)Fig.5 Temperature curve of a typical day in summer

表1 分時(shí)電價(jià)信息Table 1 TOU price information

表2 各負(fù)荷額定功率Table 2 Rated power of each load

設(shè)定居民用電功率上限為4.5 kW，功率下限為1 kW，其他仿真參數(shù)參考文獻(xiàn)[20]。

3.2 算例仿真

3.2.1 用戶(hù)A參與控制

因不同家庭人員組成不同，用電習(xí)慣也不同，因此不同家庭需求設(shè)定不同，用戶(hù)A各用電設(shè)備需求設(shè)定見(jiàn)表3。

表3 用戶(hù)A各設(shè)備需求設(shè)定Table 3 User A's various equipment requirements settings

1）無(wú)控制行為。

如圖6所示，對(duì)各家電負(fù)荷均不進(jìn)行控制，用戶(hù)按照自身用電習(xí)慣使用各類(lèi)設(shè)備。空調(diào)和熱水器全天處于運(yùn)行狀態(tài)，由于受室外溫度影響，在夜間溫度低于用戶(hù)需求設(shè)定值，空調(diào)停止制冷，其他時(shí)段按照自身運(yùn)行特性工作，在室內(nèi)溫度高于用戶(hù)設(shè)定舒適度上限空調(diào)制冷在溫度低于舒適度溫度下限，停止工作，工作特點(diǎn)為隨溫度變化間歇性工作，由室溫—功率曲線(xiàn)關(guān)系可以看出在12:00—14:00由于氣溫較高，為滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)室內(nèi)溫度的需求空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間明顯變長(zhǎng)；熱水器用水主 要 集 中 在 早 晨06:00—07:00和 晚 上19:00—23:00，由于冷水的注入，水溫下降較快，在溫度低于設(shè)定溫度下限熱水器開(kāi)啟，在到達(dá)溫度上限關(guān)閉，在日間熱水器短時(shí)工作是由于在未用水時(shí)段水箱內(nèi)溫度由于熱量散失而降低造成；電動(dòng)汽車(chē)由20:00開(kāi)始充電至01:00完成充電，完成充電需5 h，初始SOC為20%，充電完成時(shí)SOC為95%；洗衣機(jī)和洗碗機(jī)用電時(shí)間不固定，均按照用戶(hù)用電習(xí)慣進(jìn)行工作，洗碗機(jī)工作時(shí)間為三餐過(guò)后時(shí)段，在一天中需工作3次。從總功率曲線(xiàn)可以看出，若用戶(hù)僅按照自身用電習(xí)慣進(jìn)行用電，會(huì)造成多設(shè)備集中用電的情況，出現(xiàn)短時(shí)負(fù)荷高峰，如圖6中的20:00~22:00。2）僅考慮用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制。

圖6 用戶(hù)A無(wú)控制行為負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.6 Load consumption curve ofuser A without control behavior

為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷用電曲線(xiàn)的削峰填谷，對(duì)可控負(fù)荷進(jìn)行控制，在不考慮電價(jià)因素，僅考慮用戶(hù)舒適度的控制策略下，優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。與控制前對(duì)比，在晚19:30開(kāi)始的用電高峰時(shí)段，可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷均轉(zhuǎn)移用電時(shí)段，由于用戶(hù)用水行為，熱水器水溫下降，其動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)升高，因此通電工作，空調(diào)斷電，之后空調(diào)和熱水器根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低交替工作，直至由于室外溫度影響，室內(nèi)溫度低于用戶(hù)設(shè)定空調(diào)工作的溫度下限，空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)斷，熱水器在用戶(hù)結(jié)束用水行為后，僅出現(xiàn)由于水箱熱量自然散失導(dǎo)致的短時(shí)開(kāi)啟；電動(dòng)汽車(chē)、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)則轉(zhuǎn)移至用電低谷期進(jìn)行工作，在設(shè)備允許運(yùn)行時(shí)段通過(guò)判定優(yōu)先級(jí)高低進(jìn)行用電。通過(guò)調(diào)控后總功率曲線(xiàn)可得出結(jié)論優(yōu)先級(jí)控制策略可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)的削峰填谷。

圖7 考慮用戶(hù)舒適度優(yōu)先級(jí)控制策略?xún)?yōu)化后用戶(hù)A的負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.7 Load power consumption curve of user A after optimization of user comfort priority control strategy

3）考慮分時(shí)電價(jià)及用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制。

本文控制策略為在優(yōu)化過(guò)程中，考慮用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制基礎(chǔ)上考慮電價(jià)因素，優(yōu)化結(jié)果如圖8所示，與圖7對(duì)比可以看出在保證負(fù)荷曲線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)削峰填谷的前提下，可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷工作時(shí)段發(fā)生變化，由于洗衣機(jī)負(fù)荷全天任意時(shí)段均可進(jìn)行工作，其開(kāi)始工作時(shí)間由早晨07:00轉(zhuǎn)移至晚上23:00，結(jié)合分時(shí)電價(jià)表可知，晚23:00電價(jià)屬于低谷電價(jià)，早07:00后電價(jià)屬于平時(shí)電價(jià)；洗碗機(jī)同理在可運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)選擇處于負(fù)荷低谷期且電價(jià)相對(duì)較低時(shí)刻開(kāi)始工作；電動(dòng)汽車(chē)充電行為均轉(zhuǎn)移至電價(jià)低谷時(shí)段。

圖8 本文控制策略?xún)?yōu)化后用戶(hù)A的負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.8 The load consumption curve of user A after optimization of control strategy in this paper

3.2.2 用戶(hù)B參與控制

用戶(hù)B具體用電設(shè)備需求設(shè)定見(jiàn)表4。

表4 用戶(hù)B各設(shè)備需求設(shè)定Table 4 User B's various equipment requirements settings

1）無(wú)控制行為。

用戶(hù)B為典型年輕上班族家庭，用電主要集中在晚間，同樣會(huì)出現(xiàn)各家電同時(shí)段運(yùn)行的情況，導(dǎo)致負(fù)荷高峰的出現(xiàn)，各家電運(yùn)行情況及總功率消耗如圖9所示。

圖9 用戶(hù)B無(wú)控制行為負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.9 Load consumption curve ofuser B without control behavior

2）僅考慮用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制。

由圖10可知，在僅考慮用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制下，20:00前后空調(diào)與熱水器優(yōu)先級(jí)隨狀態(tài)不斷變化，導(dǎo)致出現(xiàn)2個(gè)設(shè)備通斷狀態(tài)的切換；電動(dòng)汽車(chē)在17:00初始充電時(shí)間后的允許運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)的用電低谷時(shí)段間斷工作直至充電完成，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)的削峰填谷。

圖10 考慮用戶(hù)舒適度優(yōu)先級(jí)控制策略?xún)?yōu)化后用戶(hù)B的負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.10 Load power consumption curve of user B after optimization of user comfort priority control strategy

3）考慮分時(shí)電價(jià)及用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制。

將圖11與圖10對(duì)比可知電動(dòng)汽車(chē)、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)均將用電行為轉(zhuǎn)移至22:00后的低谷電價(jià)時(shí)段完成用電任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)削峰填谷的前提下更大程度上減少用電成本。

圖11 本文控制策略?xún)?yōu)化后用戶(hù)B的負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.11 The load consumption curve of user B after optimization of control strategy in this paper

3.2.3 用戶(hù)C參與控制

用戶(hù)C具體用電設(shè)備需求設(shè)定見(jiàn)表5。

表5 用戶(hù)C各設(shè)備需求設(shè)定Table 5 User C's various equipment requirements settings

1）無(wú)控制行為。

用戶(hù)C為年紀(jì)較大的老年人家庭，對(duì)于空調(diào)的舒適溫度范圍較A、B家庭均有所提高，各設(shè)備運(yùn)行情況如圖12所示，空調(diào)用電為日間溫度較高時(shí)段及晚間在家時(shí)段；熱水器用水行為除晚間19:30—22:30外，日間也有2次少量用水行為；電動(dòng)汽車(chē)在17:00剩余電量40%時(shí)開(kāi)始充電，至充電完成，洗衣機(jī)在中午運(yùn)行一次，洗碗機(jī)運(yùn)行2次，于18:00—21:00出現(xiàn)負(fù)荷高峰。

圖12 用戶(hù)C無(wú)控制行為負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.12 Load consumption curve of user C without control behavior

2）僅考慮用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制。

圖13 為考慮用戶(hù)舒適度優(yōu)先級(jí)控制策略?xún)?yōu)化后用戶(hù)C的負(fù)荷用電曲線(xiàn)，由圖可知，由于空調(diào)在17:00~19:30處于關(guān)斷狀態(tài)，在19:30與熱水器同時(shí)產(chǎn)生通電行為，而此時(shí)室內(nèi)溫度較高且熱水器用水量較大，2個(gè)設(shè)備用電舒適度均超過(guò)用戶(hù)設(shè)定范圍，在僅考慮用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制下，交替通斷工作，實(shí)現(xiàn)降室溫升水溫的目的，其他可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷在用電低谷時(shí)段進(jìn)行工作實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)的削峰填谷。

圖13 考慮用戶(hù)舒適度優(yōu)先級(jí)控制策略?xún)?yōu)化后用戶(hù)C的負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.13 Load power consumption curve of user C after optimization of user comfort priority control strategy

3）考慮分時(shí)電價(jià)及用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制。

與用戶(hù)A、B控制效果相同，可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷在低谷電價(jià)時(shí)段完成用電任務(wù)，如圖14所示。

圖14 本文控制策略?xún)?yōu)化后用戶(hù)C的負(fù)荷用電曲線(xiàn)Fig.14 The load consumption curve of user C after optimization of control strategy in this paper

3.2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)控制前后3戶(hù)家庭總能耗和用電費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表6。

表6 調(diào)控前后能耗及電費(fèi)統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of energy consumption and electricity charge before and after regulation

由表6可知，被控負(fù)荷總能耗基本保持不變，說(shuō)明可轉(zhuǎn)移類(lèi)負(fù)荷均完成用電任務(wù)，減少的少量能耗均發(fā)生在可削減類(lèi)負(fù)荷上，能耗削減量少表示基本對(duì)用戶(hù)用電需求不產(chǎn)生影響，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷用電曲線(xiàn)的削峰填谷。2種控制策略均可實(shí)現(xiàn)降低用戶(hù)用電費(fèi)用的目標(biāo)，與無(wú)控制行為情況進(jìn)行比較，僅考慮用戶(hù)舒適度的可控負(fù)荷優(yōu)先級(jí)，控制用戶(hù)A用電費(fèi)用減少19.2%，用戶(hù)B減少33.4%，用戶(hù)C減少22.7%；本文所提的考慮分時(shí)電價(jià)和用戶(hù)舒適度的優(yōu)先級(jí)控制，用戶(hù)A用電費(fèi)用減少25.3%，用戶(hù)B減少43.8%，用戶(hù)C減少34.8%。

綜上，本文所提控制策略可應(yīng)用于用電習(xí)慣不同的用戶(hù)具有普適應(yīng)，不僅可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)的削峰填谷，還可在更大程度上為用戶(hù)節(jié)約用電費(fèi)用。

4 結(jié)論

1）從電網(wǎng)運(yùn)行角度考慮，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷用電曲線(xiàn)的削峰填谷，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2）從用戶(hù)角度考慮，可在滿(mǎn)足用戶(hù)用電舒適度的同時(shí)，指導(dǎo)用戶(hù)合理錯(cuò)峰用電，進(jìn)一步節(jié)約用電費(fèi)用。

本文控制方案應(yīng)用于單戶(hù)家庭多類(lèi)負(fù)荷，未來(lái)擴(kuò)展至多戶(hù)家庭可實(shí)現(xiàn)區(qū)域化負(fù)荷群控制。下一步可研究大規(guī)模可控負(fù)荷群有序參與需求響應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)新能源消納。