一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法。建立家庭能量管理系统的优化数学模型，优化数学模型以整个家庭能量管理系统中一天总电费开支最少作为优化目标并建立优化目标函数，同时建立优化目标函数的约束条件；输入优化数学模型需要的参数，采用改进改进进化算法对所述优化数学模型进行求解，获取最优变量参数，根据最优变量参数对家庭能量管理系统中的设备进行最优控制，并获得最少电费开支。本发明专利技术方法能有效求解该数学模型。该算法不需要特定的运算环境，并且求解方法较优，适合在普通电子产品上运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法
本专利技术涉及一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，属于家庭能量管理领域。
技术介绍
近几十年来，能源危机和环境污染引起了人们对能量利用效率和能量节约的极大关注。目前，这项研究主要集中在工业领域，因为工业领域拥有较大的能量需求。然而，近些年，随着经济的发展，家庭领域的电力需求也快速的增长。因此，对家庭能源优化的研究是智能电网发展的一项重要任务。面对居民消费日益增长的能源需求，学术上提出智能家庭能量数据优化方法，家庭能量数据优化方法可以收集家庭中电器工作的现状和用户消费需求情况，实现最佳的家庭能量分配，来实现节约能源，降低成本的目的，并有助于电网安全运行。目前国内外针对家庭能量优化的研究有很多，主要是针对模型和优化方法上的研究，然而现在普遍存在下列问题：大部分的优化模型都是基于混合整数线性规划模型，缺乏实际应用性；同时针对建立的模型，有些文献采用商业优化软件来求解，有些采用启发式算法来求解，但他们都存在着一些不足，如商业软件需要付费，不适合应用到电子产品上，而一些启发式算法收敛速度慢，不能保证求解时的实时性，也不适合在电子产品上运行。以上两个问题制约着家庭能量数据优化方法的推广，若得不到解决会使其不能得到广泛应用。
技术实现思路
随着新能源的发展，各类小型光伏电池已开始在居民中得到应用，针对
技术介绍
中家庭能源管理系统的优化模型不完善及优化方法存在的不足，本专利技术提出了一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，该方法首先建立了一种复杂且更符合实际的混合整数非线性数学模型，且在求解上混合了违约值修复过程和改进粒子群进化算法相互结合，最终求得该数学模型，且得到较好的解。利用本专利技术中用户将多余的电能反馈给电网。本专利技术采用的技术方案是：1)建立家庭能量管理系统的优化数学模型，优化数学模型以整个家庭能量管理系统中一天总电费开支最少作为优化目标并建立优化目标函数，同时建立优化目标函数的约束条件，约束条件包括基本电器约束，基本电器约束包括电能供需平衡约束、热能供需平衡约束、燃料电池约束、蓄电池约束、空调设备约束和开关控制设备约束；2)输入优化数学模型需要的参数，采用改进改进进化算法对所述优化数学模型进行求解，获取最优变量参数，根据最优变量参数对家庭能量管理系统中的燃料电池、蓄电池、空调设备、开关控制设备进行最优控制，并获得最少电费开支。所述的家庭能量管理系统包括燃料电池、蓄电池、空调设备、开关控制设备，空调设备、开关控制设备均连接到主要由燃料电池、蓄电池、主网和太阳能光伏所组成的电网中，燃料电池还连接到热能设备，燃料电池为热能设备提供热能，天然气分别连接燃料电池和热能设备，天然气为燃料电池提供天然气能源，使得燃料电池中将天然气能源转化为热能和电能，天然气为热能设备提供天然气能源使得热能设备将天然气能源转化为自身需要的热能。家庭能量管理系统中，还包括有基本电能设备，燃料电池、蓄电池、主网和太阳能光伏共同为基本电能设备、空调设备和开关控制设备进行供电，供电量不足部分由主网补充供电。所述优化目标函数的表达式为：式中，C表示一天的电费开支；Tgrid(h)表示h时刻的电价，pgrid(h)表示h时刻与主网之间的电力交换量，如果是正数代表用户从电网购买电量，负数代表用户返回给电网；Tgas(h)表示h时刻的天然气价格，pgas(h)表示h时刻的天然气的直接热能供应量；PeFC(h)表示h时刻燃料电池的电能输出功率，phFC表示h时刻燃料电池的热能输出功率，ηFC(h)表示h时刻燃料电池的效率，γFC(h)表示h时刻燃料电池电能和热能比。本专利技术的优化数学模型是一种混合整数非线性规划数学模型，优化目标函数是以一天即24小时为一个调度周期。所述基本电器约束如下：A、所述电能供需平衡约束为：pgrid(h)＝peFC(h)+pms(h)+ptm(h)+pdefe(h)+pbatt(h)-ppv(h)式中，pgrid(h)代表h时刻与主网之间的交互电量，peFC(h)代表h时刻燃料电池的电能输出功率，pms(h)代表第h时刻家庭能量管理系统中的基本电能需求量，即不能调度电器设备的用电量，ptm(h)代表第h时刻空调设备的用电量，pdefe(h)代表第h时刻开关控制设备的用电量，pbatt(h)代表h时刻蓄电池的充放电量，ppv(h)代表h时刻太阳能光伏的发电量，分别代表与电网交互的最小电量与最大电量；B、所述热能供需平衡约束为：pgas(h)+phFC(h)＝ph(h)式中，pgas(h)表示h时刻的天然气的直接热能供应量，phFC(h)表示h时刻燃料电池的热能供应量，ph(h)表示h时刻家庭能量管理系统的热能需求量；上述天然气的直接热能供应量pgas(h)还满足以下天然气直供热能约束为：式中，代表天然气最大直接供应量；C、所述燃料电池约束为：peFC(h)-peFC(h-1)<peFC,UpeFC(h-1)-peFC(h)<peFC,D式中，peFC(h)和peFC(h-1)分别表示h和h-1时刻燃料电池的电能供应量，peFC,U表示燃料电池电能上限值，peFC,D表示燃料电池电能下限值，和分别表示燃料电池的最小供电电能及最大供电电能；D、所述蓄电池约束为：SOCmin≤SOC(h)≤SOCmax式中：代表第h时刻蓄电池的充电量，代表第h时刻蓄电池的放电量，代表蓄电池的最大放电量，代表蓄电池的最大充电量，ηch代表蓄电池充电的效率，ηdch代表蓄电池放电的效率，pbatt(h)表示电池的容量，E(h)代表蓄电池总容量，SOC(h)代表h时刻蓄电池的电量状态，SOCmin代表电池的最少电量比例，SOCmax代表电池的最大电量比例；E、所述空调设备约束为：式中，Tin(h+1),Tin(h)分别表示h、h+1时刻室内空气的温度(℃)，Δ代表时间间隔，具体实施的时间间隔Δ为一小时，RC表示热阻参数，RC＝9.45；ptm(h)代表第h时刻的热能功率，Tout(h)代表室外温度，代表室内的最低和最高温度，代表最大热能功率；F、所述开关控制设备约束如下：式中：δa,h表示开关控制设备a在h时刻的工作状态，δa,τ表示负荷a在τ时刻的工作状态，αa,βa表示开关控制设备a的工作区域，表示开关控制设备a在当前h0时刻的工作状态，Ha表示开关控制设备a需要完成的工作长度，表示h时刻之前的工作状态；h0表示当前时刻，h表示h0之前的时刻，τ表示h0之后的时刻。所述优化目标函数中，h时刻燃料电池的效率ηFC(h)和h时刻燃料电池电能和热能比γFC(h)分别采用以下公式计算：式中，PLR(h)表示h时刻燃料电池的功率负荷率，即表示输出电功率和最大功率的比。所述步骤2)具体为：2.1)随机产生Npop个粒子，粒子包含：随机产生与主网之间的交互电量pgrid、燃料电池的电能输出功率peFC、蓄电池的充放电量pbatt、空调设备的用电量ptm和天然气的直接热能供应量pgas在24小时内以一个小时为单位进行变化的值，表示为xgrid1...xgrid24,xeFC1...xeFC24,xbatt1...xbatt24,xtm1...xtm24,xgas1...xgas24，是连续值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，其特征在于，包括：1)建立家庭能量管理系统的优化数学模型，优化数学模型以整个家庭能量管理系统中一天总电费开支最少作为优化目标并建立优化目标函数，同时建立优化目标函数的约束条件，约束条件包括基本电器约束，基本电器约束包括电能供需平衡约束、热能供需平衡约束、燃料电池约束、蓄电池约束、空调设备约束和开关控制设备约束；2)输入优化数学模型需要的参数，采用改进改进进化算法对所述优化数学模型进行求解，获取最优变量参数，根据最优变量参数对家庭能量管理系统中的燃料电池、蓄电池、空调设备、开关控制设备进行最优控制，并获得最少电费开支。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，其特征在于，包括：1)建立家庭能量管理系统的优化数学模型，优化数学模型以整个家庭能量管理系统中一天总电费开支最少作为优化目标并建立优化目标函数，同时建立优化目标函数的约束条件，约束条件包括基本电器约束，基本电器约束包括电能供需平衡约束、热能供需平衡约束、燃料电池约束、蓄电池约束、空调设备约束和开关控制设备约束；2)输入优化数学模型需要的参数，采用改进改进进化算法对所述优化数学模型进行求解，获取最优变量参数，根据最优变量参数对家庭能量管理系统中的燃料电池、蓄电池、空调设备、开关控制设备进行最优控制，并获得最少电费开支。2.根据权利要求1所述的一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，其特征在于：所述的家庭能量管理系统包括燃料电池、蓄电池、空调设备、开关控制设备，空调设备、开关控制设备均连接到主要由燃料电池、蓄电池、主网和太阳能光伏所组成的电网中，燃料电池还连接到热能设备，天然气分别连接燃料电池和热能设备。3.根据权利要求1所述的一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，其特征在于：所述优化目标函数的表达式为：式中，C表示一天的电费开支；Tgrid(h)表示h时刻的电价，pgrid(h)表示h时刻与主网之间的电力交换量；Tgas(h)表示h时刻的天然气价格，pgas(h)表示h时刻的天然气的直接热能供应量；PeFC(h)表示h时刻燃料电池的电能输出功率，phFC表示h时刻燃料电池的热能输出功率，ηFC(h)表示h时刻燃料电池的效率，γFC(h)表示h时刻燃料电池电能和热能比。4.根据权利要求1所述的一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，其特征在于：所述基本电器约束如下：A、所述电能供需平衡约束为：pgrid(h)＝peFC(h)+pms(h)+ptm(h)+pdefe(h)+pbatt(h)-ppv(h)式中，pgrid(h)代表h时刻与主网之间的交互电量，peFC(h)代表h时刻燃料电池的电能输出功率，pms(h)代表第h时刻家庭能量管理系统中的基本电能需求量，ptm(h)代表第h时刻空调设备的用电量，pdefe(h)代表第h时刻开关控制设备的用电量，pbatt(h)代表h时刻蓄电池的充放电量，ppv(h)代表h时刻太阳能光伏的发电量，分别代表与电网交互的最小电量与最大电量；B、所述热能供需平衡约束为：pgas(h)+phFC(h)＝ph(h)式中，pgas(h)表示h时刻的天然气的直接热能供应量，phFC(h)表示h时刻燃料电池的热能供应量，ph(h)表示h时刻家庭能量管理系统的热能需求量；上述天然气的直接热能供应量pgas(h)还满足以下天然气直供热能约束为：式中，代表天然气最大直接供应量；C、所述燃料电池约束为：peFC(h)-peFC(h-1)<peFC,UpeFC(h-1)-peFC(h)<peFC,D式中，peFC(h)和peFC(h-1)分别表示h和h-1时刻燃料电池的电能供应量，peFC,U表示燃料电池电能上限值，peFC,D表示燃料电池电能下限值，和分别表示燃料电池的最小供电电能及最大供电电能；D、所述蓄电池约束为：SOCmin≤SOC(h)≤SOCmax式中：代表第h时刻蓄电池的充电量，代表第h时刻蓄电池的放电量，代表蓄电池的最大放电量，代表蓄电池的最大充电量，ηch代表蓄电池充电的效率，ηdch代表蓄电池放电的效率，pbatt(h)表示电池的容量，E(h)代表蓄电池总容量，SOC(h)代表h时刻蓄电池的电量状态，SOCmin代表电池的最少电量比例，SOCmax代表电池的最大电量比例；E、所述空调设备约束为：Tinmin≤Tin(h)≤Tinmax式中，Tin(h+1),Tin(h)分别表示h、h+1时刻室内空气的温度(℃)，Δ代表时间间隔，RC表示热阻参数，RC＝9.45；ptm(h)代表第h时刻的热能功率，Tout(h)代表室外温度，代表室内的最低和最高温度，代表最大热能功率；F、所述开关控制设备约束如下：式中：δa,h表示开关控制设备a在h时刻的工作状态，δa,τ表示负荷a在τ时刻的工作状态，αa,βa表示开关控制设备a的工作区域，δa,h0表示开关控制设备a在当前h0时刻的工作状态，Ha表示开关控制设备a需要完成的工作长度，表示h时刻之前的工作状态；h0表示当前时刻，h表示h0之前的时刻，τ表示h0之后的时刻。5.根据权利要求1所述的一种基于改进进化算法的家庭能量数据优化方法，其特征在于：所述优化目标函数中，h时刻燃料电池的效率ηFC(h)和h时刻燃料电池电能和热能比γFC(h)分别采用以下公式计算：式中，PLR(h)表示h时刻燃料电池的功率负荷率，即表示输出电功率和最大功率的比。6.根据权利要求1所述的一种基于改进进化算法...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄言态，何致远，康敏，梁博淼，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33