未曉妃
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
從目前國內(nèi)外的研究來看,對于家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題有大量的研究,提出如何將居民用電設(shè)備進(jìn)行分類。本文在沒有光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電等能源裝置,結(jié)合了已有的家庭電能管理系統(tǒng)研究基礎(chǔ),考慮優(yōu)化目標(biāo)用戶舒適度、電價成本和碳排放量的追蹤建立在分時電價下的多目標(biāo)模型,以保證不同家電用電行為下的調(diào)度。因此提出了基于分時電價和多目標(biāo)優(yōu)的家庭電能管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型,該模型對家用設(shè)備進(jìn)行了分類,并對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,管理使其合理的運行達(dá)到的運行狀態(tài)。*后通過Matlab仿真算例驗證該模型對家庭用電設(shè)備有較好的適應(yīng)性,也保證用戶舒適度。
1 家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)
家庭電能管理系統(tǒng)是電網(wǎng)在用戶消費側(cè)的重要組成部分,它利用一定的技術(shù)手段來實現(xiàn)用戶對家庭用電設(shè)備的檢測、管理和減少電費開支。在分時電價的大環(huán)境下合理地使用電器來達(dá)到減少電費,控制以家庭為主的碳排放,起到保護(hù)環(huán)境的作用。利用多目標(biāo)優(yōu)化算法使用戶舒適度 、電能消耗和碳排放達(dá)到其架構(gòu)如圖 1所示。
系統(tǒng)主要包括智能插座,智能電表。智能電表可以把家庭的用電情況上傳給國家能源網(wǎng)),電網(wǎng)通過智能電表給用戶家庭提供電能和提供分時電價的價格。智能插座連接用戶的用電設(shè)備,獲取用電設(shè)備的基本數(shù)據(jù),例如功率,電壓和用電時長等,并且通過電閘進(jìn)一步來控制設(shè)備。收集到的數(shù)據(jù)通過智能插座上傳給多目標(biāo)優(yōu)化器來進(jìn)行分析。多目標(biāo)優(yōu)化控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合三個優(yōu)化條件(用戶舒適度碳排放量和電能的消耗)和電網(wǎng)公布的分時電價及用戶對設(shè)備的使用意向來進(jìn)行優(yōu)化,并把優(yōu)化的結(jié)果傳送給智能插座來控制設(shè)備的使用。
2 家庭電能管理系統(tǒng)優(yōu)化模型
家庭電能管理系統(tǒng)是針對擁有多個家居用電設(shè)備的單個用戶,這些設(shè)備通過智能插座全部與管理系統(tǒng)相連。當(dāng)HEMS開始運行后,這些設(shè)備就會立即作出反應(yīng),在整個優(yōu)化過程里,系統(tǒng)會將優(yōu)化的時間劃分為長度相同的子時間段。
2 .1 用電負(fù)荷模型
在日常生活里,每個用電設(shè)備都有不同的用電方式,本文依據(jù)設(shè)備間的用電特性將所有家用設(shè)備分為剛性設(shè)備柔性設(shè)備和 HVAC設(shè)備。剛性設(shè)備表示用電設(shè)備的使用時間不會根 據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而改變,例如冰箱、電燈等。柔性設(shè)備又根據(jù)設(shè)備使用時間在平移過程中可否中 斷分為兩類: ①可平移不可中斷設(shè)備,如洗碗機、洗衣機,其運行時段可以進(jìn)行移動、調(diào)整,但工作期間設(shè)備不可中斷;②可平移可中斷設(shè)備,表示此類家用設(shè)備的使用時間根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而發(fā)生變化,并且在運行期間可中斷使用,如電動車,熱水器。HVAC 設(shè)備表示此類設(shè)備的使用情況只與溫度有關(guān),如空調(diào)。
2.1.1 剛性設(shè)備
該類設(shè)備直接影響著用戶的正常生活,不會隨著優(yōu)化發(fā)生改變,例如電冰箱,電燈等。
剛性設(shè)備模型:
2.1.2 柔性設(shè)備
該類設(shè)備的用電時間較為靈活,依據(jù)用電特性和用電過程中可否中斷分為可平移不可中斷設(shè)備和可平移可中斷設(shè)備。
可平移可中斷設(shè)備模型:
2.1.3 HAVC設(shè)備
暖通空調(diào)系統(tǒng)(heating,ventilation and aircon- ditioning,HVAC)是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng),因此室內(nèi)外溫度,以及用戶自行設(shè)置的*佳溫度值和房屋的熱參數(shù)決定了該類設(shè)備的運行時間 。
2 .2 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)
2.2.1 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)
經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)是把家庭用電費用作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化后的值越小表示優(yōu)化效果越好。
2.2.2 用戶舒適度函數(shù)
用戶舒適度函數(shù)是將用戶對用電設(shè)備優(yōu)化后的使用時間段的滿意度作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化 后的數(shù)值越大,表示用戶對于優(yōu)化后的設(shè)備使用時間滿意度越高。
2.2.3 碳排放量函數(shù)
家庭側(cè)碳排放有很多種,例如汽車尾氣排放,煤氣灶生活做飯等,本文選擇煤炭發(fā)電導(dǎo) 致的碳排放,根據(jù)市場調(diào)查每消耗一度電的碳排放量是 0.785 kg。就目前國內(nèi)的情況,小區(qū)沒有安裝光伏發(fā)電裝置,碳排放量與用電量消耗的線性關(guān)系如下:
在以后的發(fā)展中,小區(qū)里有了光伏發(fā)電裝置后,碳排放量與光伏發(fā)電的使用效率有關(guān),當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達(dá)到碳排放量;反之當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達(dá)到,碳排放量達(dá)到*大。在光伏發(fā)電裝置中,需要有發(fā)電、儲電的過程。本文不再贅述。
2 .3 約束條件
2.3.1 功率對等約束條件
在家庭系統(tǒng)中電能需要守恒,即生產(chǎn)的電能與消耗的電能應(yīng)該保持平衡。功率平衡約束如下:
2.3.2 溫度設(shè)備約束條件
用戶對于溫控設(shè)備的運作時間與工作時段并不關(guān)心,關(guān)心的是在特定的時間內(nèi)由溫控設(shè) 備控制的溫度有沒有達(dá)到要求。所以對溫控設(shè) 備來說不存在時間約束,只存在溫度約束。其溫度約束如下:
2.3.3 工作時間約束條件
對某一電器設(shè)備來說,需要工作的時間片數(shù)為 N,HEMS需要保證每一個電器設(shè)備都能夠完成工作。所以每個電器設(shè)備工作的時間片數(shù)應(yīng)該與 N 相等,即:
2 .4 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略
2.4.1 多目標(biāo)優(yōu)化算法
在 2.2節(jié)介紹的3個目標(biāo)(用電費用戶舒適度和碳排放量)中,如果僅將用電費用優(yōu)化到低,在電價較低時才使用電,不可避免地會引起用戶的不滿。同樣,當(dāng)一個目標(biāo)達(dá)到佳時,會對其他兩個優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。本文的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略綜合考慮用電費用戶舒適度以及碳排放量的因素,使得達(dá)到優(yōu)。
傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法都是根據(jù)對不同目標(biāo)的不同要求,將目標(biāo)通過某種方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化可以求解的問題。缺點是僅能求出優(yōu)化問題的局部優(yōu)解,求解的結(jié)果強烈依賴于初始值。智能優(yōu)化算法的提出改了這方面的問題。目前的智能算法就是粒子群算法。
2.4.2 粒子群算法
粒子群(particleswarm optimization ,PSO)算法從隨機觸發(fā),通過迭代尋找到優(yōu)解。粒子群的標(biāo)準(zhǔn)算法容易陷入局部優(yōu),導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確,且不能解決離散及組合優(yōu)化問題。因此本文使用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法,在該算法中每個粒子的速度和位置按照如下方程來更新:
2.4.3 算法比較
圖2是標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法流程圖,圖,3是改進(jìn)的粒子群算法流程圖。比對圖2與圖3能看出,改進(jìn)的粒子群算法,在標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法基礎(chǔ)上,改變了權(quán)重因子w和學(xué)習(xí)因子c的取值方法,提高了粒子群算法的全局搜索能力,避免陷入局部優(yōu)。
3 家庭電能管理系統(tǒng)
家庭電能管理系統(tǒng)運作流程如下:
(1)在優(yōu)化前,多目標(biāo)優(yōu)化控制器獲取到設(shè)備的所有參數(shù),其包括用電設(shè)備的額定功率和工作時長,以及用戶希望設(shè)備工作的時間段。
(2)智能電表將獲取到的分時電價信息上傳給多目標(biāo)優(yōu)化控制器。
(3)多目標(biāo)優(yōu)化器通過平移柔性設(shè)備的運行時間來節(jié)省電費,通過每一天的電量使用檢測追蹤用戶側(cè)的碳排放量,通過使設(shè)備在用戶理想的時間段運行來保證用戶滿意度,后結(jié)合約束條件,制訂各柔性負(fù)荷的調(diào)度計劃。
(4)多目標(biāo)優(yōu)化控制器把調(diào)度計劃上傳給智能插座 ,使其在相應(yīng)的時間段運行各用電設(shè)備。
調(diào)度流程圖如圖 4 所示。
4 實例分析
4 . 1 算例參數(shù)
本文以某一家庭數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。該用戶家庭安裝有智能電表和多目標(biāo)優(yōu)化控制器,根據(jù)設(shè)備的特性不同,其家庭用電負(fù)荷情況不同,剛性負(fù)荷如表1所示,柔性負(fù)荷如表2所示。
家居設(shè)備優(yōu)化的目的在于保證各設(shè)備完成既定工作的前提下,盡可能壓縮用戶的電能成 本,同時保證負(fù)荷曲線峰谷差不致過大;用戶可以根據(jù)各自的習(xí)慣在HEMS中設(shè)置設(shè)備優(yōu)化 參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)以及電網(wǎng)提供的分時電價信息,HEMS可對家居用電設(shè)備進(jìn)行運行優(yōu)化。 例如,用戶可設(shè)置在晚上回家后的18;00至次日7:00之間對電動車進(jìn)行充電操作,為了不影響用戶在二天對電動自行車的正常使用
須保證充電結(jié)束時充電量達(dá)到其總?cè)萘康?0%以上,HEMS會根據(jù)電網(wǎng)提供的分時電價信息選擇合適的充電時段,達(dá)到壓縮電能成本的目標(biāo)。其次對于空調(diào)的使用,全時段待機等候命令,當(dāng)室內(nèi)溫度不在規(guī)定的溫度范圍時,空調(diào)開始運作,直到溫度達(dá)到用戶設(shè)定的溫度則停止運作。空調(diào)的參數(shù)設(shè)置如表 3 所示。
4 .2 仿真結(jié)果
在對整個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中,使用了Matlab軟件,并將得到的結(jié)果以圖的方式表現(xiàn)出來。從圖 5 可以看出,當(dāng)室外溫度大于室內(nèi)溫度時,空調(diào)開始運作,直到室溫保持在溫度設(shè)定范圍內(nèi)則停止工作當(dāng)空調(diào)處于待機狀態(tài)時消耗的電量可忽略不計。圖 6 是標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果,圖7是改進(jìn)的粒子群算法優(yōu)化后調(diào)度結(jié)果。從兩幅圖可知,將負(fù)荷從峰時段平移到谷時段或者平時段,來減少電費。
圖8為使用多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的電量費用對比,家庭電能管理系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果充分說明了系統(tǒng)策略調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性電費大部分都產(chǎn)生在峰時段,而優(yōu)化后HEMS系統(tǒng) 將一部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到平時段和谷時段,從而減少了峰時段電量的高運作。
圖9多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的電量總費用對比,可以看出優(yōu)化后的費用增加平緩 , 并低于優(yōu)化前電費。從兩幅圖中能夠明顯地對比出,峰時段和平時段購電支出都有所降低 , 谷時段略有升高。從圖8和圖9能看出,使用標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法和改進(jìn)的粒子群算法都能夠減少電費,標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法比優(yōu)化前減少了7.2%,改進(jìn)的粒子群算法減少了4.3%。
圖10 為使用多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)前后各個時段的功率對比圖,使用優(yōu)化系統(tǒng)之前,大部分的柔性設(shè)備都集中在了峰時段,也就是11:00— 13:00, 19:00—21:00;在優(yōu)化后,將一部分設(shè)備從峰時段移動到谷時段,有*避開了峰值電價時間段,達(dá)到了設(shè)備平移的目的起到了有*的削峰填谷作用。
表 5 為優(yōu)化前后關(guān)于電費、滿意度和碳排放量的數(shù)據(jù)對比。從表中可以清晰地看出使用了優(yōu)化算法后電費都減少了,但用戶對設(shè)備的使用時間滿意度,改進(jìn)的粒子群算法比標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法要高,標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法的電費降低了7.2%,滿意度降低了23.9%,改進(jìn)的粒子群算法電費降低了4.3%,滿意度降低了11.8%,從數(shù)據(jù)能夠看出,標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法容易陷入局部的優(yōu)化結(jié)果不是很理想。
5 安科瑞電能管理系統(tǒng)
5.1概述
用戶端消耗著整個電網(wǎng)百分之八十的電能,用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系,推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案,實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括:表計,智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。
Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計,以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況,便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣,節(jié)約電能,為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
5.2應(yīng)用場所
(1)辦公建筑(商務(wù)辦公、大型公共建筑等);
(2)商業(yè)建筑(商場、金融機構(gòu)建筑等);
(3)旅游建筑(賓館飯店、娛樂場所等);
(4)科教文衛(wèi)建筑(文化、教育、科研、醫(yī)用衛(wèi)生、體育建筑等);
(5)通信建筑(郵電、通信、廣播、電視等);
(6)交通運輸建筑(機場、車站、碼頭建筑等)。
5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5.4系統(tǒng)功能
1)實時監(jiān)測
系統(tǒng)人機界面友好,以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài),實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息,動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài),以及有關(guān)故障、告警等信號。
2)電能統(tǒng)計報表
系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能,用戶可以查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況,即該節(jié)點進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明,并在用電誤差偏大時可分析追溯,維護(hù)計量體系的正確性。
3)詳細(xì)電參量查詢
在配電一次圖中,當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個回路附近時,鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量,包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能,并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。
4)運行報表
系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能,所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫,在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等,并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報,支持導(dǎo)出Excel格式文件,還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。
5)變壓器運行監(jiān)視
系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運行狀態(tài)進(jìn)行在線實時監(jiān)視,用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運行趨勢,分析變壓器負(fù)荷率及損耗,方便運行維護(hù)人員及時掌握運行水平和用電需求,確保供電可靠。
6)實時提醒
系統(tǒng)具有實時提醒功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位,保護(hù)動作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實時監(jiān)測,并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)提醒時自動彈出實時提醒窗口,并發(fā)出聲音提醒。
7)歷史事件查詢
系統(tǒng)能夠?qū)b信變位,保護(hù)動作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和提醒進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。
8)電能質(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測,運行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等,及時采取相應(yīng)的措施,降低諧波損耗,減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表,不需要可刪除。
9)遙控操作
系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的保護(hù)和操作權(quán)限管理功能,對于每次遙控操作,系統(tǒng)自動生成操作記錄,記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護(hù)保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
10)用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如配電回路名稱修改等)。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
11)通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài),發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運行維護(hù)人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài),及時維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
12)畫面監(jiān)控
畫面監(jiān)控展示了當(dāng)前實時畫面(畫面直播),選中某一個變配電站,即可查看該變配電站內(nèi)畫面信息。
13)用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù),對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進(jìn)行統(tǒng)計分析。
14)APP支持
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊,支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢,設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
5.5系統(tǒng)硬件配置
6 結(jié)語
【參考文獻(xiàn)】
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