基于需求响应的家庭能效管理优化调度

王尉杰，刘皓明，杨志豪，薛金花，叶季蕾

（1.河海大学 能源与电气学院，南京 211100；2.中国电力科学研究院，南京 210003）

基于需求响应的家庭能效管理优化调度

王尉杰1，刘皓明1，杨志豪1，薛金花2，叶季蕾2

（1.河海大学 能源与电气学院，南京 211100；2.中国电力科学研究院，南京 210003）

新一代配电网与传统配电网不同的地方在于其能量流和信息流都是双向的［1—2］，家庭能效管理系统（home energy management system，HEMS）中也设计有双向流通的信息流和能量流，是智能配电网在用电终端的体现。HEMS能够根据不同的电价等激励机制调节用户拥有的不同类型的资源参与需求响应，提高用户侧的用电效率。

随着经济的快速发展，社会对电能需求量持续增加的同时，负荷峰谷差也逐渐增大［3—4］。国家能源局发布的2015年全社会用电量为55 500亿kWh，同比增长0.5%，其中城乡居民生活用电量为7 276亿kWh，占全社会用电量的13.1%，同比增长5.0%，增速同比提高了2.8%，对全社会用电增长的贡献率为121%［5］。由此可以看出城乡居民用户的用电量呈逐年上升的趋势，利用HEMS对家用电器进行优化用电可缓减负荷峰谷差；另一方面对于家庭需求响应资源的调控可提高分布式屋顶光伏的就地利用率，促进分布式可再生能源在用户侧的应用［6—7］。

对于智能家居用电优化的研究热点已从单个大功率负荷控制发展到多类型需求响应资源的协调优化。文献［8］、文献［9］对家用电器中的温控设备进行建模，以实现需求响应，实现家庭用户的能效提高。文献［10］提出了一种针对家用电器特性的分层控制方法，基于家用电器的重要性定制总负荷超载时切负荷规则，以保证家庭用电的安全性。文献［11］提出了一种对家庭用电负荷的管理算法，以实现最小化用电费用支出和减少负荷峰值。文献［12］在考虑分布式发电的情况下，以智能家居整体效益最大为目标，研究了能量管理控制策略。

已有的相关研究并未全面考虑各种不同类型的家庭用电可调控资源特性，本文充分考虑HEMS调控对象，主要包括：柔性负荷、分布式屋顶光伏以及家用电池储能系统。通过对家庭各类资源的调控，实现家庭用户参与需求响应，有效提高用户的用电效益的同时，优化负荷峰谷差［13］。对于用户而言，可减少用户用电费用开支，提高分布式屋顶光伏的就地利用率。

1 家庭负荷用电特性建模

本文所研究的HEMS可调控1天内家用电器的协调优化运行，系统示意如图1所示。假设用户拥有的可调家用电器都与HEMS相连，HEMS能够决定这些电器的工作状态。在对家用电器进行优化调控之前需要研究它们的工作特性，根据功率是否具备可调、可转移、可中断、可削减等能力建立家用电器特性模型。

图1 家庭能效管理系统

用sa(t)表示家用电器a在时刻t的用电状态，sa(t)=0表示设备a不工作，sa(t)=1表示设备a正常工作；Pa(t)表示家用电器a在时刻t的功率。家庭用户在某时段内消耗的总电能Q(t)可表示为

式中：H表示所有家用电器的集合；Δt表示每个时段持续的时间。

对于非温控设备，HEMS能够决定设备的功率和工作状态。假设家用电器a被允许运行的时间区间为，则有

式中：T为全天被划分的时段总数，本文取为48，则Δt=0.5 h；Ta为家用电器a每天工作的总时段数。

1.1 功率可调属性

风扇等家用电器大多具有功率可调的特性，可根据用户需求改变其输出功率大小

照明、电视机等家用电器，其工作时往往只能以额定功率运行，属于功率不可调设备，则

1.2 功率可转移属性

家用电器具有功率可转移属性，是指该电器可根据外部激励转移其工作时段，但不改变总用电量的属性。具有可转移属性的负荷，洗衣机等，可在用户设定的时间范围内将负荷转移到电价相对较低等有激励机制的时段执行任务，或者转移到分布式屋顶光伏发电过剩的情况下执行，从而可降低用户电费支出或者提高分布式新能源的利用率。

家用电器具有功率可转移属性可描述为

式中：τa表示可转移的时间间隔。

若当且仅当τa=0时，式（5）才成立，则定义该电器不具有功率转移属性。对于类似于电脑、电灯等家用电器，其工作时间完全受用户实时需求确定，任何时间间隔的转移都会影响用户的用电舒适程度。

1.3 功率可中断属性

家用电器具有可中断属性，是指在一定时间区间内，可根据电价波动、供电状况等间断性地执行任务的属性。例如：用户在对家用电动汽车充电时，若电价波动或供电不足时，可随时中断充电，待电价下降或供电恢复后再继续充电。

对于家用衣服烘干机，一旦其开始工作，就需要执行到任务结束才能停止。若是执行过程中突然停止工作，将会对衣服造成损伤或增加总工作时长。这类负荷具有不可中断属性，因此在满足式（2）第2个表达式的基础上要求满足

1.4 功率可削减属性

空调、热水器、电冰箱等都属于典型的温控家用电器，可通过调节设定温度来控制其功率消耗。以空调为例，利用经典的热力学交换系统可以对电能与非电能之间转化的物理过程建模，进而得到功率消耗与室外温度、空调设定温度室内温度之间的关系。

式中：ε为散热系数；A为导热系数；η为空调的等效比。

定频空调运行时压缩机是间歇性工作的，由等效热参数模型可以求出在研究时段Δt内其真实工作时间为，则可认为该时段内定频空调的平均功率

对于家用变频空调而言，其工作时空调压缩机是连续工作的。若需要削减空调消耗功率，只需要调整空调设定温度以接近房间温度，则变频空调压缩机的转速将降低，其消耗的有功功率将减少。对于不同的空调来说，同一个房间单位时间内所需的制冷量是相同的，均为，则参照定频空调模型可计算变频空调有功消耗为

2 屋顶光伏建模

屋顶光伏的发电量主要与光照强度和光照时间相关，用Beta分布近似地模拟光照强度［15］，光照强度的概率密度函数可以表示为

其中，

式中：r和rmax为某一时间段内的实际光照强度和光照强度的最大值；α与 β表示Beta分布的形状参数；μ和σ分别为太阳光照强度平均值和标准差。

进一步可模拟出屋顶光伏有功功率

式中：N为屋顶光伏电池组件个数；ηv为光伏电池组件的光电转换效率；S为单个光伏电池组件面积。家庭屋顶光伏往往采用优先自发自用模式，多余光伏电能以当地燃煤脱硫机组标杆电价出售给电网。

3 电池储能建模

家用电池储能装置能够调节供电与用电之间的平衡，提升家庭分布式屋顶光伏发电的就地消纳能力。目前家用储能多以铅酸蓄电池或者锂电池为主，本文以铅酸蓄电池为例。

3.1 蓄电池容量

蓄电池剩余容量与充放电功率有关，在充电时

放电时

蓄电池的剩余容量应该为保证蓄电池的寿命与安全，当剩余容量达到最大充电状态，例如电池额定容量EN时，应停止充电，达到最小放电状态Emin时应停止放电，即

3.2 蓄电池充放电功率

蓄电池最大允许充放电功率由其自身的充放电特性和时段t的剩余电量决定，最大充电功率可表示为

最大放电功率可表示为

3.3 蓄电池荷电状态

蓄电池的荷电状态（state of charge，SOC）定义为蓄电池的剩余容量与其额定容量的比值

蓄电池SOC受充放电影响，将式（13）和式（14）代入，可统一为

3.4 蓄电池寿命

对于蓄电池而言，其寿命与运行温度、最大充电电流、充放电深度等相关，目前尚无准确的蓄电池寿命计算方法。文献［16］仅计及深度充放电对储能设备寿命的影响。而更有实用意义的方法是一种采用粗略的等效循环寿命计算方法来量化蓄电池的总充放电次数，根据铅酸蓄电池放电深度与循环寿命对应的关系进行曲线拟合，可得出铅酸蓄电池充放电循环深度为R时，储能电池的最大循环充放电次数

定义蓄电池第l次循环周期的充放电深度为Rl，则蓄电池一天的寿命损耗成本为

式中：CBESS为调度周期内蓄电池的寿命损耗成本；pBESS为蓄电池的单位容量购置价格；L为调度周期中蓄电池的充放电次数。

4 家庭能效管理优化调控策略

4.1 目标函数

在分时电价机制下，计及蓄电池寿命，以最小化用户用电成本为目标，在用户设定的范围内调控所连接设备的启停时间和用电功率。目标函数为

式中：CB和CS分别为用户从电网购电费用和出售屋顶光伏发电至电网所获得的收益；分别为时段t用户从电网购电电价和出售屋顶光伏发电至电网的电价；为用户在时段t的净负荷；为屋顶光伏在时段t的发电功率；和分别为时段t电网供电功率和用户倒送电网功率。

4.2 约束条件

HEMS主要调控的对象包括各类柔性负荷和蓄电池，应满足整理功率平衡约束以及各类负荷与蓄电池物理约束。

4.2.1 有功功率平衡约束

忽略有功功率损耗，任一时段t内，家庭所有用电负荷功率消耗和屋顶光伏、蓄电池功率之和应与购售电相等。

4.2.2 蓄电池约束

（1）电池荷电状态约束

当电池荷电状态超过所限制的范围时将会影响电池的使用寿命，为了使得电池能够充分使用，保证各时刻的电池电量不超出电池荷电状态的上下限

（2）功率约束

受蓄电池变流器及储能本身特性限制，电池充放电功率不能超过其上下限

（3）可用性约束

为了保证下一个调度周期蓄电池的可调度性，调度周期结束时蓄电池剩余荷电量期望留有一定的充放电裕度

式中：ΔS为一个常数，例如：取ΔS=0.1。

4.2.3 各类柔性负荷约束

典型的家用电器主要包括3类：衣服烘干机、洗衣机、洗碗机等可转移不可中断负荷，电动汽车等可转移可中断负荷，空调等可削减负荷。

不同类型的家用电器用电属性不同，但所有电器均满足

（1）可转移不可中断负荷约束

该类电器往往功率不可调，通常按照给定的功率运行，除满足式（5）之外还应满足如下约束

（2）可转移可中断负荷约束

同样，该类电器往往功率不可调，除满足式（5）之外还应满足如下约束

（3）可削减负荷约束

该类电器往往不考虑其可转移和可中断特性，以空调为代表，根据电价变化，在用户设定的温度范围内调节空调设定温度，以不明显改变用电舒适度的前提下达到节约用电成本的目的。除满足式（7）—式（9）之外还应满足如下约束

5 算例仿真

取调度周期为1天，分为48个调度时段，则T=48，Δt=0.5 h；屋顶光伏N=24，ηV=17.12%，，每个光伏组件的最大功率为250 W，多余光伏上网电价为PS=0.409 6元/kWh；蓄电池采用居民分时电价，其价格如表1所示。模拟家庭负荷在没有能效管理情况下的原始用电曲线如图2所示，采用本文所提优化策略优化前后的家庭净负荷曲线如图3所示。

表1 分时电价

图2 优化前负荷曲线

图2中蓝色柱状为电视机、电脑等功率不可调负荷，这类负荷的转移、中断或者削减都会影响到用户的用电舒适程度，所以本文研究中此类负荷不参与用电优化调控；绿色柱状为空调设定温度时一天的可削减负荷；红色柱状为可转移不可中断负荷以及可转移可中断负荷。由图2可以看出，家庭负荷的用电高峰大多在电价高峰时段。

图3 优化前后净负荷曲线

图3中黑色虚线为考虑屋顶光伏发电和原始用电之和的未经优化调度的净负荷曲线，由式（23）、式（24）可以计算出CB=21.77元，CS=1.82元，由于此时不考虑蓄电池的作用，所以CS=0元，从而用户的一天用电成本C=19.95元。图3中蓝色曲线为计及蓄电池设备采用本文所提调度策略优化用电之后的家庭净负荷曲线，基于分时电价和屋顶光伏发电对储能、负荷同时进行优化调度，由式（21）—式（24）可以计算出CB=14.77元，CS=0.66元，CBESS= 2.06元，因此一天用电成本C=16.17元。比较而言，虽然优化调度时增加了蓄电池的损耗成本，但由于蓄电池存储光伏过剩电量并在峰电价时放出电能，并将负荷从峰电价转移到谷电价，因此总体而言能够为家庭用户节约用电开支。此外，通过比较分析可知，本文所提出优化策略能够响应光伏出力状况，促进了家庭分布式屋顶光伏的就地消纳。

图4显示了蓄电池在各时段的充放电功率以及荷电状态。可以直观看出，蓄电池在用电低谷时充电，在用电高峰时放电，在一整天的调度周期里蓄电池的低储高发潜力被充分利用。

图4 电池储能充放电功率曲线

6 结束语

考虑HEMS具备对各种用电特性的家用电器需求响应资源进行优化调控的能力，本文基于分时电价和分布式屋顶光伏发电，以用户经济性最优为优化目标，提出了一种能够对家用柔性负荷和蓄电池进行优化调度的用电策略。通过建模与仿真可以得出所提策略能够充分利用家用电器负荷响应潜力和蓄电池充放电能力，达到减少用户的用电费用的目的，而且能够促进分布式屋顶光伏的就地消纳。D

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Household energy efficiency management and optimal dispatch base on demand response

WANG Wei⁃jie1,LIU Hao⁃ming1,YANG Zhi⁃hao1,XUE Jin⁃hua2,YE Ji⁃lei2

（1.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China; 2.China Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China）

随着经济的快速发展，家庭用户的用电量逐年上升，在全社会用电量中的比重也逐步提升，对家庭各类用电设备进行优化调控，可减少用户的用电费用开支。提出了一种家庭能效管理调控策略，将家庭用电负荷分为可调节、可转移、可中断和可削减4种类型，分别建立数学模型，同时计及使用寿命建立了家用蓄电池的功率模型和电量模型，在基于分时电价并计及分布式屋顶光伏发电的情况下对需求响应资源进行优化控制。最后通过算例仿真分析，验证了有效的调控策略能够减少家庭用户的用电费用开支，同时能够促进分布式屋顶光伏的就地消纳。

家庭能效；分布式光伏；电池储能；电池寿命；优化用电

With the rapid pace of economic development,elec⁃tric power consumption of home users is increasing year by year, which also accounts for a big part in total social power consumption. Hence,it is significant to conduct researches on optimal control of different types of household loads,so that electricity expense of home users can be reduced.In this paper,a control strategy of household energy efficiency management system is proposed,and mathematical models of four different types of household loads are established,in⁃cluding adjustable loads,transferrable loads,interruptible loads and reducible loads.Meanwhile,charging and discharging power model and capacity model of battery energy storage are formulated respec⁃tively,considering its life cycle.And optimal control of demand re⁃sponse resources are carried out based on time⁃of⁃use price and dis⁃tributed roof photovoltaic generation.Finally,a numerical example is studied,which demonstrates that the electricity expense of a home us⁃er can be reduced remarkably through the proposed optimal control strategy,and the utilization of the distributed PV generation can be improved.

household energy efficiency;distributed photo⁃voltaic generation;battery energy storage;battery life;optimized pow⁃er utilization

TK018;F407.61

B

1009-1831（2017）03-0015-06

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.004

2016-12-23

国家自然科学基金项目（51207044）

王尉杰（1991），男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为智能配用电与电动汽车充电优化控制；刘皓明（1977），男，江苏盐城人，博士，教授，研究方向为智能电网、电力系统优化运行和电力市场。