一种家庭电力用户能量管理方法技术

一种家庭电力用户能量管理方法，首先根据不同电器的运行特性，将家庭常见的电器分为三种类型：非热控制类不可中断电器、非热控制类可中断电器和热控制类电器；定义由家庭电力用户日用电费用目标优化函数J1和用户不满意惩罚函数J2加权组成的电力用户能量管理优化模型目标优化函数J；针对描述热控制类电器的不满意度的分段函数，引入非负数、0或1，将分段函数进行线性化表达；确定目标优化函数J所应满足的不同约束，获取电力用户能量管理优化模型所需数据；采用CPLEX求解器对电力用户能量管理优化模型的目标函数求解；获取当日预计电费，各电器的预计运行时段和启停开始时刻等优化结果，将其通过人机交互界面反馈用户。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电力用户能源管理方法。
技术介绍
近些年来，家庭电力用户终端电器智能化程度不断提高、数量和种类不断增长，使得电力用户对智能电器进行统一管理成为用户真实且迫切的需求。物联网技术和智能家居的发展给电力用户提供了很多管理控制方案，其所实现的功能主要集中在在远程控制或便捷管理，而没有为电力用户提供有效的电器协调和节能方案。随着智能电网技术的发展，通过终端电力用户的需求侧响应降低电力供需平衡的成本，已逐渐引起人们的重视。因此，借助智能电网中智能量测装置，并在家庭电力用户配置电力用户智能终端，在与智能电表实现双向通讯的同时，可以实现家庭能量优化管理和家庭电器的协调控制。此外，可再生能源、家庭充电汽车、储能等电力终端电器的大力发展，提高了电力供应的多元化，也为电力用户能量优化管理带来了巨大的挑战。专利技术专利CN103413381A《一种家庭能量管理系统及其工作方案》提出的家庭能量控制方法需要用户输入目标电费值，并非系统全局优化所得到的最优值，因此并不能达到最经济的状态。专利技术专利CN103676846A《一种新型家庭能量管理系统的智能控制算法》将实际用电需求是否超过可再生能源发电作为减载的触发条件，并考虑了用户舒适度是否越限，但并未对家庭用电成本进行有效优化。专利技术专利CN103676846A《一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法》根据电器舒适度重要性对电器进行调节控制，从而达到电力公司的限电要求，该方案同样不能对家庭用电成本进行有效优化。有必要提出一种家庭电力用户能源优化方案，既考虑用户的用电成本，也兼顾用户的舒适度体验，同时提高用户参与需求侧响应的积极性和主动性。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺点，提出一种家庭电力用户能量管理方法。本专利技术基于智能电表的分时电价信息进行需求侧响应，并实现家庭电力用户能量优化管理。同时，本专利技术充分考虑用户舒适需求和电器优先度的设定，实现提高了用户参与能量管理的积极性和主动性，以及需求侧响应控制的自动化。本专利技术家庭电力用户能量管理方法所涉及的目标函数由家庭电力用户日用电费用目标优化函数和用户不满意惩罚函数加权组成，目标函数所应满足的约束包括非热控制类不可中断电器运行约束、非热控制类可中断电器运行约束、热控制类电器运行约束、屋顶光伏发电系统约束、注入功率约束、售电和购电约束等。本专利技术用于家庭电力用户能量管理方法的步骤是：1、根据电器的不同特点，将家庭电力用户常用电器分为三种类型：1)非热控制类不可中断电器，这类电器一旦开始工作，将持续工作直至任务结束，如洗碗机、洗衣机等；2)非热控制类可中断电器，在完成任务的工作过程中，这类电器可以随时启停，即可以中断，如电动充电汽车、电动水泵等；3)热控制类电器，这类电器的工作状态与空气或热水的温度有关，如空调和热水器等。2、定义电力用户能量管理优化模型优化目标函数J，所述的电力用户能量管理优化模型目标函数J由家庭电力用户日用电费用目标优化函数J1和用户不满意惩罚函数J2加权组成，即：式(1)中，为权重因子，取值范围为0到1，权重因子表征用户的舒适度需求，越大，用户的舒适需求越高。用户可以通过调整权重因子的值灵活地选择对应不同的用电成本和舒适度的场景。因此，和常用的能量优化方法比较，在为电力用户节约用电费用的同时，充分考虑了用户的舒适度体验，灵活地让用户在舒适体验和用电成本上达到平衡。1)所述的电力用户能量管理优化模型目标函数J1为：J1=Σt∈T[λbuy·Pbuy(t)·Δt-λsell·Psell(t)·Δt]---(2)]]>式中，Δt为优化时间间隔；λbuy为买电价格(元/千瓦时)，λsell为售电价格，单位为元/千瓦时；Pbuy为电能从电网流向家庭用户时在Δt内的平均功率，Psell为电能从家庭用户流向电网时在Δt内的平均功率，t为时间。2)所述的用户不满意惩罚函数J2为：J2=Σi∈Aζi---(3)]]>ζi=Σt=LiUi(1+ϵi·t)·uiAPP(t)∀i∈Anon---(4)]]>ζi=Σt=LiUi(1+ϵi·t)·PiAPP(t)∀i∈Ain---(5)]]>上式中，εi为用户对第i个电器设定的电器优先度；为第i个电器开关状态，1为工作状态，0为关闭状态；PiAPP为第i个电器电器的平均功率；Anon为非热控制类不可中断电器的集合、Ain为非热控制类可中断电器的集合，Ather为热控制类电器的集合；Tc,i为用户设定的最舒适的水温或空气温度；为第i个电器允许的水温的上限，为允许的空气温度的下限；Tu,i为热控制类电器工作时实际的水温或空气温度；ζi为用户对第i个电器的满意度；A为某类电器的集合；i为电器编号；表示对任意的电器都满足；T为一个调度周期，为t时段用户对第i个电器的满意度。3、针对描述热控制类电器i的不满意度的分段函数(7)，引入非负数w1,i(t)、w2,i(t)、w3,i(t)，以及0或1的整数z1,i(t)、z2,i(t)，将分段函数(7)进行线性化表达，如此，热控制类电器工作时实际的水温或空气温度Tu,i(t)和t时段用户对第i个电器的满意度分别可以表述为式(9)和式(10)：w1,i(t)≤z1,i(t),w2,i(t)≤z1,i(t)+z2,i(t),w3,i(t)≤z2,i(t)w1,i(t)+w2,i(t)+w3,i(t)＝1,wk,i(t)≥0(k＝1,2,3)z1,i(t)+z2,i(t)＝1,zk,i(t)＝0or1(k＝1,2)(8)Tu,i(t)=θidn·w1,i(t)+Tc,i·w2,i(t)+θiup·w3,i(t)∀i∈Ather---(9)]]>上式中，w1,i(t)、w2,i(t)、w3,i(t)分别为非负数；z1,i(t)、z2,i(t)为0或1的整数。通过上述式(8)、式(9)和式(10)的变换，将式(7)的非线性表达转化为线性表达。因此，由于采用了线性优化，相比非线性优化的方法，在面对数量较多的电器场景时，将明显提高收敛速度，在实用中将大幅提高用户体验。4、构建电力用户能量管理优化模型目标函数J应满足的约束，这些约束均采用线性描述，具体如下：(1)对于非热控制类不可中断电器，应满足如下约束：uiAPP(t)=0∀t∈[1,Li)∪(Ui,NT],∀i∈Anon---(11)]]>PiAPP(t)=uiAPP(t)·PR,iAPP∀t∈[Li,Ui&rsqb本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种家庭电力用户能量管理方法，其特征在于：所述的家庭电力用户能量管理控制方法包括以下步骤：(1)根据电器的不同特点，将家庭电力用户常用电器分为三种类型：1)非热控制类不可中断电器，这类电器一旦开始工作，将持续工作直至任务结束；2)非热控制类可中断电器，在完成任务的工作过程中，这类电器可以随时启停，即可以中断；3)热控制类电器，这类电器的工作状态与空气或热水的温度有关；(2)构建电力用户能量管理优化目标函数J，所述的电力用户能量管理优化目标函数J由家庭电力用户日用电费用目标优化函数J1和用户不满意惩罚函数J2加权组成，即：式中，为权重因子，取值范围为0到1，权重因子表征用户的舒适度需求，越大，用户的舒适需求越高；(3)针对描述热控制类电器i的不满意度的分段函数(7)，引入非负数w1,i(t)、w2,i(t)、w3,i(t)，以及0或1的整数z1,i(t)、z2,i(t)，将分段函数(7)进行线性化表达；(4)构建电力用户能量管理优化目标函数所需要满足的各种约束；所述的电力用户能量管理优化目标函数J应满足的约束包括：非热控制类不可中断电器运行约束、非热控制类可中断电器运行约束、热控制类电器运行约束、屋顶光伏发电系统约束、注入功率约束，以及售电和购电约束；(5)通过用户输入或基于历史数据预测方式获取电力用户能量管理优化模型所需要的数据，包括：1)运算周期内用户的用电需求；2)运算周期内的光伏发电功率；3)家庭内各控制电器的额定功率、额定容量；4)用户的舒适度需求、电器优先度以及允许电器工作的时间段；5)储能电池和电动汽车初始容量；(6)采用CPLEX求解器对电力用户能量管理优化模型目标函数求解；(7)获取当日预计电费，各电器的预计运行时段和启停开始时刻等优化结果，将其通过人机交互界面反馈给用户。...

【技术特征摘要】
1.一种家庭电力用户能量管理方法，其特征在于：所述的家庭电力用户能量管理控制方法包括以下步骤：(1)根据电器的不同特点，将家庭电力用户常用电器分为三种类型：1)非热控制类不可中断电器，这类电器一旦开始工作，将持续工作直至任务结束；2)非热控制类可中断电器，在完成任务的工作过程中，这类电器可以随时启停，即可以中断；3)热控制类电器，这类电器的工作状态与空气或热水的温度有关；(2)构建电力用户能量管理优化目标函数J，所述的电力用户能量管理优化目标函数J由家庭电力用户日用电费用目标优化函数J1和用户不满意惩罚函数J2加权组成，即：式中，为权重因子，取值范围为0到1，权重因子表征用户的舒适度需求，越大，用户的舒适需求越高；(3)针对描述热控制类电器i的不满意度的分段函数(7)，引入非负数w1,i(t)、w2,i(t)、w3,i(t)，以及0或1的整数z1,i(t)、z2,i(t)，将分段函数(7)进行线性化表达；(4)构建电力用户能量管理优化目标函数所需要满足的各种约束；所述的电力用户能量管理优化目标函数J应满足的约束包括：非热控制类不可中断电器运行约束、非热控制类可中断电器运行约束、热控制类电器运行约束、屋顶光伏发电系统约束、注入功率约束，以及售电和购电约束；(5)通过用户输入或基于历史数据预测方式获取电力用户能量管理优化模型所需要的数据，包括：1)运算周期内用户的用电需求；2)运算周期内的光伏发电功率；3)家庭内各控制电器的额定功率、额定容量；4)用户的舒适度需求、电器优先度以及允许电器工作的时间段；5)储能电池和电动汽车初始容量；(6)采用CPLEX求解器对电力用户能量管理优化模型目标函数求解；(7)获取当日预计电费，各电器的预计运行时段和启停开始时刻等优化结果，将其通过人机交互界面反馈给用户。2.根据权利要求1所述的家庭电力用户能量管理方法，其特征在于：所述步骤(2)中家庭电力用户日用电费用目标优化函数J1为：J1=Σt∈T[λbuy·Pbuy(t)·Δt-λsell·Psell(t)·Δt]---(2)]]>式中，Δt为优化时间间隔；λbuy为买电价格，单位为元/千瓦时，λsell为售电价格，单位为元/千瓦时；Pbuy为电能从电网流向家庭用户时在Δt内的平均功率，Psell为电能从家庭用户流向电网时在Δt内的平均功率，t为时间。3.按照权利要求1所述的家庭电力用户能量管理方法，其特征在于：所述步骤(2)中用户不满意惩罚函数J2为：J2=Σi∈Aζi---(3)]]>ζi=Σt=LiUi(1+ϵi·t)·uiAPP(t)∀i∈Anon---(4)]]>ζi=Σt=LiUi(1+ϵi·t)·PiAPP(t)∀i∈Ain---(5)]]>上式中，εi为用户对第i个电器设定的电器优先度；为第i个电器开关状态，1为工作状态，0为关闭状态；为第i个电器电器的平均功率；Anon为非热控制类不可中断电器的集合、Ain为非热控制类可中断电器的集合，Ather为热控制类电器的集合；Tc,i为用户设定的最舒适的水温或空气温度；为第i个电器允许的水温的上限，为允许的空气温度的下限；Tu,i为热控制类电器工作时实际的水温或空气温度；ζi为用户对第i个电器的满意度；A为某类电器的集合；i为电器编号；表示对任意的电器都满足；T为一个调度周期，为t时段用户对第i个电器的满意度。4.根据权利要求1所述的家庭电力用户能量管理方法，其特征在于：步骤(4)中电力用户能量管理优化目标函数J应满足的约束具体如下：(1)对于非热控制类不可中断电器，应满足如下约束：uiAPP(t)=0∀t∈[1,L)∪(Ui,NT],∀i∈Anon---(11)]]>PiAPP(t)=uiAPP(t)·PR,iAPP∀t∈[Li,Ui],∀i∈Anon---(12)]]>Σt=jj+TL,i-1uiAPP(t)≥TL,i·(uiAPP(j)-uiAPP(j-1))∀j∈(Li,Ui-TL,i+1],∀i∈Anon---(13)]]>上式中，为电器开关状态，1为工作状态，0为关闭状态；Anon为非热控制类不可中断电器的集合，Li为非热控制类不可中断电器允许开始工作时刻，Ui为非热控制类不可中断电器最晚完成任务时刻；NT为优化时段最后一个时间间隔；为电器额定功率；TL,i为非热控制类不可中断电器完成任务所需要的时长，j为(Li,Ui-TL,i+1]范围内的整数；(2)对于非热控制类可中断电器，应满足如下约束：PiAPP(t)=0∀t∈[1,Li)∪(Ui,NT],∀i∈Ain---(14)]]>Σt=LiUiPiAPP(t)·Δt≥EiAPP∀i∈Ain,∀t∈T---(15)]]>0≤PiAPP(t)≤PR,iAPP∀t∈T,∀i∈Ain---(16)]]>上式中，Ain为非热控制类可中断电器的集合，T为优化时段；为非热控制类可中断电器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘怡，姚国栋，肖立业，张国民，张志丰，邱清泉，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11