一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，通过分析家庭能源局域网的结构特征及各设备的运行特性，构建系统最优能源管理的经济运行方案。该系统包括数据采集、预测、能源管理优化、实时调度优化、控制与通信终端模块。本发明专利技术采用模型预测控制方法，可根据能源局域网内不同时段负载的耗能需求、能源的实时价格、分布式发电设备与储能设备状态信息，进行在线滚动优化求解，实现能源的最优分配、系统经济及安全运行。并利用互联网技术搭建一个网络服务平台，可通过手机APP实现在线监测与远程控制等功能，用户能够随时了解家庭能源的消耗情况和各智能设备的运行状况，进行远程监控，为用户提供了一种全新的经济用能管理方式。

An intelligent integrated optimization management system for home comprehensive energy based on model predictive control

The invention discloses a family intelligent comprehensive energy management optimization system based on model predictive control, the operating characteristics of structural analysis of the characteristics of household energy and LAN equipment, construction of economic operation scheme for optimal energy management system. The system includes data acquisition, prediction, energy management optimization, real-time scheduling optimization, control and communication terminal module. The invention adopts a model predictive control method, according to different time energy LAN load energy demand, energy prices, real time distributed power generation equipment and storage equipment status information, on-line rolling optimization, to achieve the optimal allocation of energy system, economic and safe operation. And the use of Internet technology to build a network service platform, can realize online monitoring and remote control functions through the mobile phone APP, the user can understand the operating conditions and the energy consumption of the family of smart devices, remote monitoring, provides management can use a whole new economy for users.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统
本专利技术涉及能源互联网，特别是涉及一种家庭综合能源智能优化管理系统，属于能源智能管理控制

技术介绍
近代文明的进步，仰赖大量各式能源的驱动。现代人的生活无时无刻不在使用能源，我们每天的衣食住行娱乐也无一不与水、电力、天然气、热量等能源息息相关。居民的能源消耗量日益增加，但能源的利用率不高，而且电能的供应单一等问题也日益凸显，如何通过能源的互联使用户达到降低能源消耗强度的目的以及提高能源利用率已是当务之急。当前，一种融合了新能源技术与信息技术的智能能源互联网应运而生，它是以电力系统为核心，涵盖电力、天然气、水、热量等多个系统的综合能源网络，从而实现能源的对等交换与充分共享。其中电力网络包括各种分布式发电设备、储能设备、电动汽车及智能负载等。智能能源互联网是解决未来大规模可再生能源发电接入，提高电力质量与用户需求侧管理水平，以及增强电网系统安全性、可靠性、经济性的重要手段。在智能能源网络中会建置可用来记录系统的电能、水力、热量与天然气消耗的智能型能源量表(SmartMeter)和可控制启停的智能插座、开关，可随时监测电力、水力、热量与天然气的使用状况并可通过网络回报信息及接受控制指令。构建一个在线实时监测、优化调度管理系统，能够对能源互联网中多种能源进行优化配置，实现各能源之间的互补，做到最高效率的利用，达到节能与经济的效果。另外，为了与现代人方便、快捷的生活节奏同步，实现在移动式终端上实时查看家庭局域网内设备运行状态及耗能数据、在线监测与控制的功能，为用户提供一个全新的生活方式，发展前景广阔。现已有智能电网、智能水网、智能天然气网等新式能源管理技术的提出。它们是利用信息及通讯科技来侦测与收集供应端的电力、水力或瓦斯供应状况及使用端的耗能状况，再以这些信息来调整生产与输配，或调整家庭及企业用户的电、水、天然气用量，以达到节约能源，降低损耗及智能管理的目的。田世明、栾文鹏等“能源互联网技术形态与关键技术”(中国电机工程学报，2015)和查亚兵、张涛等“能源互联网关键技术分析”(中国科学，2014)主要分析了能源互联网的技术要素和技术形态。张涛、张福兴等“面向能源互联网的能量管理系统研究”(电网技术，2016)主要公开介绍了能源互联网的技术特征与能源互联网能量管理系统的分层递阶式控制架构。张彦、张涛等“基于模型预测控制的家庭能源局域网最优能量管理研究”(中国电机工程学报，2015)和张彦、张涛等“基于随机模型预测控制的能源局域网优化调度研究”(中国电机工程学报，2016)提出了一种基于模型预测控制的能源局域网优化控制方法，结合实时电价信息实现电力系统的经济运行，但并没有建立含电力、天然气、水、热量等多个系统的综合能源网络的在线管理平台。公告号为CN103336444A的专利文献针对事先制定的用电计划来实现电网公司对家庭用户侧的智能化管理，不能针对家庭用户用电规律智能制定用电计划，不能满足智能管理互动的要求。公告号为CN205375032U、CN205540092U、CN105759700A、CN104934965A的专利文献公开了一种基于手机APP的能源管理在线监测系统，并未考虑由于分布式发电设备风机、光伏输出功率信息与实时电价信息预测不确定给系统带来的运行成本偏差以及根据系统中运行的不确定性实时调整用能计划，而且在移动终端实现在线监测与控制的技术也并不完善，难以满足智能管理互动的要求。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术针对现有技术的不足，构建了一个以电力系统为核心，涵盖电力、水、热、天然气等多个能源的家庭能源管理系统，包含采集、预测、能源管理优化、实时调度优化、控制与通信等功能模块的系统架构，并基于模型预测控制方法实现能源的在线优化配置与经济运行，通过互联网技术，实现在移动端(如手机APP)的实时监测与控制，用户能够随时查询家庭中各能源的使用情况及各设备的运行状态信息，并可实现远程操控，为用户提供一种全新的经济用能管理方式。为了实现上述专利技术的目的，采用以下技术方案：一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，以电力系统为核心，考虑家庭能源局域网中各种分布式发电设备、储能系统、电动汽车及智能负载等设备的经济、安全运行和水、热、天然气的使用情况，构建最优能源智能管理系统。该智能管理系统主要由数据采集模块、预测模块、能源管理优化模块、实时调度优化模块、控制模块、通信终端模块组成。模块功能如下：数据采集模块是收集家庭能源局域网内设备运行数据信息、能源实时价格信息及气象信息，对历史及实时数据进行整理、存储及分析。将采集模块处理后的数据利用数据通信技术传输给预测模块、能源管理优化模块及控制模块；预测模块是通过数据采集模块获得的历史与实时的设备运行状态、出力数据、储能信息、用户用能信息、智能负载信息、天气信息和能源价格信息，对采集的数据进行统计分析处理，预测出家庭能源局域网中未来一段时间的风、光等分布式电源出力信息数据、用户用能规律信息数据及能源实时价格信息,利用数据通信技术将预测的数据传输至能源管理优化模块；能源管理优化模块是通过预测模块提供的风、光等分布式电源出力信息、用户的用能规律、智能负载的运行时段信息及能源实时价格信息，构建以家庭中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型，然后利用混合整数二次规划优化算法进行求解，得出一个日前规划能源管理控制计划。并利用通信技术向实时调度优化模块、控制模块传输日前管理控制计划信息；实时调度优化模块是通过比较预测数据与实际数据的偏差，实时更新系统预测值与设备状态值，采用模型预测控制方法，在线滚动优化求解，并基于滚动优化求解结果对家庭能源局域网的能源管理控制计划进行调整，生成实时调度计划，实现实时在线优化控制，可有效减少由于预测偏差对系统运行成本造成的影响；控制模块是根据实时调度优化模块计算所得控制计划信息，生成当前时刻设备的实时调度指令，通过数据通信技术向家庭能源局域网内各单元设备发送控制指令，实现家庭能源局域网内各设备的经济运行；通信终端模块是在家庭能源局域网中部署一台PC，利用互联网技术将各个模块的数据信息通过通信接口传输至云端，用户可通过远程控制技术在手机APP上查看家庭中能源的消耗情况、设备的运行状态信息，并可实现远程控制等操作。优选的技术方案，所述家庭局域网能源管理系统的数据采集模块，通过测量仪器，实现数据采集智能化，运行状态信息数字化。通过配置RS232及RS485串口，实现多测量仪器的自动采集，配备USB接口或内置WiFi模块，进行数据的传输。优选的技术方案，所述预测模块，以电力系统为核心，其包括分布式发电设备输出功率预测模块及实时电价预测模块，分布式发电设备输出功率预测模块根据历史运行数据、天气信息及预测模型，对风机、光伏发电的输出功率进行日前及超短期预测，对于其他能源(水、天然气、热)价格不考虑实时性，只按用量计费。优选的技术方案，所述能源管理优化模块是在考虑经济性的前提下，构建了一个能源管理混合整数二次规划模型，模型中包括设备的运行成本、启停成本、维护成本及能源的消耗成本，通过运用混合整数二次规划算法优化求解该模型，得到一个最优能源管理日前调度计划。优选的技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，以电力系统为核心，考虑家庭能源局域网中各种分布式电源、储能、电动汽车、智能负载等设备的经济、安全运行和水、热、天然气的使用情况，构建最优能源智能管理系统。该智能管理系统主要由数据采集模块、预测模块、能源管理优化模块、实时调度优化模块、控制模块、含手机APP的通信终端模块组成,模块功能如下：数据采集模块是收集家庭能源局域网内设备运行数据信息及能源实时价格信息，对历史及实时数据进行整理、存储及分析。将采集模块处理后的数据利用数据通信技术传输给预测模块、能源管理优化模块及控制模块；预测模块是通过数据采集模块获得的历史与实时的设备运行状态、出力数据、储能信息、用户用能信息、智能负载信息、天气信息和电网实时电价信息，对采集的数据进行统计分析处理，预测出家庭能源局域网中未来一段时间的风、光等分布式电源出力信息数据、用户用能规律信息数据及实时电价信息,利用数据通信技术将预测的数据传输至能源管理优化模块；能源管理优化模块是通过预测模块提供的风、光等分布式电源出力信息、用户的用能规律、智能负载的运行时段信息及实时电价信息，构建以家庭能源局域网中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型，然后利用混合整数二次规划优化算法进行求解，得出一个日前规划能源管理控制计划。并通过通信接口向实时调度优化模块、控制模块传输日前管理控制计划信息；实时调度优化模块是通过比较预测数据与实际数据的偏差，实时更新系统预测值与设备状态值，采用模型预测控制方法，在线滚动优化求解，并基于滚动优化求解结果对家庭能源局域网的能源管理控制计划进行调整，生成实时优化调度计划，实现实时在线优化控制，可有效减少由于预测偏差对系统运行成本造成的影响；控制模块是根据实时调度优化模块计算所得控制计划信息，生成当前时刻设备的实时调度指令，通过数据通信接口向家庭能源局域网内各单元设备发送控制指令，实现家庭能源局域网内各设备的经济运行；通信模块是在家庭能源局域网中部署一台PC，利用互联网技术将各个模块的数据信息通过通信接口传输至网络服务终端，用户可通过远程控制技术在手机APP上查看家庭中能源的消耗情况、设备的运行状态信息，并可实现远程调度等操作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，以电力系统为核心，考虑家庭能源局域网中各种分布式电源、储能、电动汽车、智能负载等设备的经济、安全运行和水、热、天然气的使用情况，构建最优能源智能管理系统。该智能管理系统主要由数据采集模块、预测模块、能源管理优化模块、实时调度优化模块、控制模块、含手机APP的通信终端模块组成,模块功能如下：数据采集模块是收集家庭能源局域网内设备运行数据信息及能源实时价格信息，对历史及实时数据进行整理、存储及分析。将采集模块处理后的数据利用数据通信技术传输给预测模块、能源管理优化模块及控制模块；预测模块是通过数据采集模块获得的历史与实时的设备运行状态、出力数据、储能信息、用户用能信息、智能负载信息、天气信息和电网实时电价信息，对采集的数据进行统计分析处理，预测出家庭能源局域网中未来一段时间的风、光等分布式电源出力信息数据、用户用能规律信息数据及实时电价信息,利用数据通信技术将预测的数据传输至能源管理优化模块；能源管理优化模块是通过预测模块提供的风、光等分布式电源出力信息、用户的用能规律、智能负载的运行时段信息及实时电价信息，构建以家庭能源局域网中能源的高效利用及设备经济运行为目标的混合整数二次规划模型，然后利用混合整数二次规划优化算法进行求解，得出一个日前规划能源管理控制计划。并通过通信接口向实时调度优化模块、控制模块传输日前管理控制计划信息；实时调度优化模块是通过比较预测数据与实际数据的偏差，实时更新系统预测值与设备状态值，采用模型预测控制方法，在线滚动优化求解，并基于滚动优化求解结果对家庭能源局域网的能源管理控制计划进行调整，生成实时优化调度计划，实现实时在线优化控制，可有效减少由于预测偏差对系统运行成本造成的影响；控制模块是根据实时调度优化模块计算所得控制计划信息，生成当前时刻设备的实时调度指令，通过数据通信接口向家庭能源局域网内各单元设备发送控制指令，实现家庭能源局域网内各设备的经济运行；通信模块是在家庭能源局域网中部署一台PC，利用互联网技术将各个模块的数据信息通过通信接口传输至网络服务终端，用户可通过远程控制技术在手机APP上查看家庭中能源的消耗情况、设备的运行状态信息，并可实现远程调度等操作。2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：所述数据采集模块主要是采集家庭能源局域网内水、电、热和天然气的使用数据、发电设备的出力数据、负载的运行状态信息，至少包括分布式发电设备运行数据信息、储能设备状态信息、智能负载功率信息、能源价格与使用量信息及天气信息。通过配备RS232、RS485串口，可连接多个检测仪器实现自动数据采集，并通过内置Zigbee或WiFi模块或配备USB接口，进行数据的传输，供预测模块、能源管理优化模块调用。3.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的家庭综合能源智能优化管理系统，其特征在于：家庭能源局域网中分布式发电设备至少包括风机发电设备、光伏发电设备与微型可控燃气发电设备；智能负载分为关键负载、可切负载与可调度负载；关键负载如照明设备、冰箱；可切负载如空调、电视机；可调度设备如洗衣机、洗碗机、热水器。4.根据权利要求1中任意一项所述的基于模型预测控制的家庭综合...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜宏文，马瑞，王京生，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43