基于动态家电优先级的智能家电管理控制方案

史彤晖, 王江波, 寇凌峰，井天军，熊雄

(1.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083； 2.中国电力科学研究院，北京 100192)

0 引 言

用户家中电动汽车等大功率家电的使用和功耗在不断增加，成为形成电网峰荷的重要原因，给电网的稳定运行造成困难。而利用需求响应技术可以实现家电负荷的削减和转移，并且随着用电双向交互技术的推广，居民使用的家电智能化程度不断提高，在住宅用户中应用需求响应技术已成为可能。

为改善电网负荷曲线，需求响应技术已经在工商业等大型电力用户中展开了多方面的应用[1-3]。在改善居民用户的用电需求响应方面，传统的拉闸限电调峰策略使用户的用电方式较为被动[4-5]。随着需求响应技术的不断发展，在住宅中利用需求响应可以进一步增强用户参与性、提升响应水平和效果[6]，用户侧的需求响应程序在接收到响应信号后自动触发，其实时性和可靠性都得到极大提升[7-9]。

利用DR事件对家电调度是家庭用电管理的主要依据，通过调度降低居民用电成本、平缓负荷曲线同时兼顾用户舒适性是家电控制管理的主要目的。国内外学者针对不同的负荷类型和要求提出了多种调度算法[10-13]，部分研究针对低功率电器，这些电器因对家庭功耗产生的影响较小因此不适合参与需求响应控制[14]，以家电优化调度为主题，以能源消耗最少为目的展开的研究已经较为成熟[15-18]，但这类控制方法会使每个设备的操作产生等待时间。基于上述问题，文献[14]提出预设家电优先级控制家庭负荷的方法，但未考虑家电的实时变化。文献[19]提出了一种基于家电舒适度的家电优先级智能家电控制方案，这种控制方案在满足DR控制的情况下较好的考虑到了用户的需求，但家电的频繁投切不利于用户的控制以及延长家电使用寿命。文献[20]通过利用家电的功率和分时电价实现对家电的优先级排序进行DR控制，但这种家电控制方法并不适合于电动汽车等部分家电，适用性不广。

基于上述问题，针对DR事件中居民家电负荷控制策略进行改进，利用需求响应技术，提出一种智能家电管理控制方案，通过建立家电优先级评价指标，以动态优先级控制实现DR时段用户功耗低于一定水平并兼顾用户舒适性和用电成本，分析了不同时段、不同家电负荷在改善负荷曲线中的作用并通过仿真验证了所提控制方案的有效性。

1 需求响应事件

在实现DR的过程中，用户通常缺少管理家电和手动执行DR的时间，而在有效的家电控制策略中，通过充分利用居民部分可控负荷的转移潜力，可以有效平衡负荷曲线，提高配电网的灵活性。

DR事件通常被定义为一个阶段，通过缩减用户需求来减轻系统的压力。在电力系统中，用户可以通过智能电能表得到本地需求响应服务器发出的外部信号从而获知DR事件信息。而在目前的研究中，通常认为接收的DR信号形式为一个可变的需求缩减程度请求及其持续时间。智能家电控制系统如图1所示，图中控制终端通过利用智能插座实现对各家电的管理，智能插座会在检测电流变化时实现电器待机的自动断电，对电能质量影响不大。对DR信号的目的是在对应时段使家庭用电总功率低于指定水平，这个限制水平可以根据地方电力系统需求每隔一段时间发生变化，因此控制策略需要满足负荷的及时操作，并在允许用户控制负荷的同时满足总负荷低于限制水平，且兼顾用户舒适性。文中假定DR信号中的需求缩减程度不变，便于验证家电管理控制策略对智能家电的控制效果。

图1 智能家电管理结构示意图Fig.1 Schematic diagram of home appliance management architecture

2 家电管理控制策略

2.1 负荷功率限制

如图1所示，需求响应限制是影响家电开关的主要影响因素，为保证家庭总功率不超过限制，所有家电在同一时刻的家电开关状态必须满足:

(1)

式中PDR(t)表示t时段DR给定功率限制；m为参与需求响应的家电负荷总数；S(i,t)为t时段第i个家电状态(0代表断电，1代表通电)。其中，若存在用户手动开启的负荷，则式(1)可变为：

PDR(t)≥PLM(t)+PLO(t)

(2)

式中PLM(t)为t时刻用户手动开启的负荷总功率；PLO(t)为t时刻其它参与需求响应的家电负荷功率之和。

在接收到DR信息后，根据实时负荷限制以家电优先级由高到低的顺序依次执行各家电的控制决策：在函数式(1)、式(2)满足时家电状态S(i,t)置1，不满足时家电状态S(i,t)置0。该控制决策将维持直至DR信息更新或家电优先级发生改变为止。

2.2 智能家电控制流程

在DR时段实现家电控制前，需要确定家电的优先级，依靠预先设定优先级可以减少用户的输入，但不能体现家电状态的实时变化，因此采用动态优先级控制。为解决动态优先级造成的操作频繁，友好性低等问题，考虑到不同家庭间家电使用习惯等因素的不同，提出一种动态家电优先级评估参与DR控制的家电控制方案。控制策略流程如图2所示。

控制策略步骤如下：

(1)输入用户针对各家电的使用需求，家电入网后，根据用户是否手动开启或关闭负荷将家电负荷分为控制策略控制和用户控制两类；

(2)进入DR时段后接收需求响应服务器发送的DR信号和电价信息；

(3)计算家电对应的舒适度Ki,t、额外用电成本Pec,t和家电断电时间Ti,t作为模糊控制器的输入，通过模糊推理，输出控制量Kpi，循环至输出所有参与需求响应的家电；

图2 家电控制策略流程图Fig.2 Flow chart of smart appliances control strategy

(4)令用户控制类家电负荷优先级高于控制策略控制类家电，根据输出控制量Kpi生成家电优先级序列。若序列中相邻家电其控制量Kpi之差小于阈值，则根据居民对家用电器的调节意愿调整家电序列顺序[21]；

(5)按照家电优先级由高到低的顺序，假设家电通电状态下判断PDR(t)≥PLM(t)+PLO(t)是否满足，若满足则S(i,t)置1，否则S(i,t)置0，更新PCL(t)并重复上述过程直至循环所有家电，执行家电控制决策后进入下一时段。

2.3 家电优先级评估

2.3.1 家电优先级评价指标

为实现家电合理控制，在限制功率的基础上，应分析家电给用户带来的舒适性，例如空调对室内温度的变化会对用户的舒适性产生影响。用电成本方面，不同用户对电费的支付意愿有所不同。同时还应解决家电频繁开关的问题，因此构成以传感器/家电信息、预设目标、历史信息、电价信息、家电功率、用户支付意愿、家电类别为状态参量的家电优先级评价体系，如图3所示。

(1)家电需求值

家电的通断电状态将对用户的舒适性造成直接影响，针对用户的生活需求，可以根据家电给用户带来的舒适性进行表征，以家电需求值指数Ki,t来描述用户的舒适程度，需求值Ki,t的取值区间[0～1]，需求值Ki,t越大，家电的使用需求更加强烈，用户的舒适性越低。

图3 家电优先级评估体系Fig.3 Dynamic priority assessment system of home appliances

(a)对空调、热水器等以维持设定温度为目的具有储热能力的负荷，当实际温度超过设定范围时，需求值取0或1(接近最优值时，KNL,t=0，接近临界值时，KNL,t=1)；当温度处在设定范围内时，其计算如下：

(3)

式中家电需求值越大，说明用户对温度的满意程度越低，其家电的优先级应越高。各家电温度设定范围和需求最优值由用户设定，计算得到的KNL,t已经过标幺化处理，可以与其他家电负荷的状态参数进行比较。

(b)针对电动汽车，干衣机等满足特殊需求的家电，可以利用家电在该时段的工作进度、工作效率以及未来可通电时间段评估其家电需求值，可如期完成任务时，其计算如下：

(4)

式中家电需求值越大，说明家电如期完成预定任务的难度越高，用户的满意程度越低。家电允许工作时段总时间由用户设定的允许工作时段得到，家电预估工作时间由用户设定的目标充电电量与家电信息计算得到。根据目前市场上电动汽车的充电效率曲线，文中近似认为充电汽车的充电效率是固定的。

若在期限内不能顺利完成工作，则KEV ,t值取1；已完成工作任务时，家电断电不参与控制。

若该家电在非DR期间存在允许工作时段，因非DR时段家电总功率不受限制，且非DR时段工作时间已知，因此统计的时间结果应减去家电在非DR期间的工作时间，仅考虑家电在DR期间内的工作完成情况。

(2)额外用电成本

电价作为电力市场的一种商品，在电力市场化的情况下，电力供求与其价格之间也符合一般商品的经济规律，因此在价格上升或下降后，其需求量在一定程度上增加或减少，而家电的功率与单位时间耗电量成正比，因此可以通过用户在DR时段支付的额外用电成本来表征用户的支付意愿，通过额外用电成本与用户在电费上的支付意愿比较，对家电优先级进行调整以降低用电成本并平衡负荷曲线，其计算为:

Pec,t=(当前电价-基本电价)×家电功率

(5)

式中Pec,t为用户在DR时段t时刻使用家电单位时间需支付的额外用电成本(元/h)。基本电价取用户近期日电价均值。

(3)断电间隔

为解决动态优先级波动造成的家电频繁开关问题，引入家电历史工作状态计算各家电t时段断电间隔时间，对家电短时间内频繁开关行为进行限制。断电间隔时间的计算如式(6)所示，t时段家电处于断电状态，且上一时段处于通电状态时，断电间隔Ti,t开始计时，Ti,t置0；t时刻家电处于通电状态时，不存在断电间隔，Ti,t取∞；处于断电间隔中时，每经过一个时段，Ti,t累加一个更新时间周期Δt。

(6)

式中Ti,t为家电在t时段的断电间隔时间；Δt为一个系统时间周期；S(i,t)表示第i个家电在t时段的开关状态(0代表断电，1代表通电)。

2.3.2 模糊控制器设计

在预先进行家电调度的控制策略中，因用户和其他原因产生的家电实时变化使家电控制效果较差并产生较长的设备操作等待时间，而利用设定家电优先级的控制策略易产生家电频繁投切和开启家电较多时舒适度不能兼顾等问题。模糊控制具有容错能力强，易于通过自然语言进行控制等特点，因此文中基于动态优先级利用模糊控制器以多个家电优先级评价指标对家电进行优先级评估。

模糊控制器以家电舒适度Ki,t、用户DR时段使用家电产生的额外用电成本Pec,t和家电断电间隔时间Ti,t作为最终输入变量，根据输出控制量Kpi的隶属度大小对家电优先级顺序进行调整。控制量Kpi越大，家电优先级越高，控制量Kpi接近1时，家电优先级最高，用户舒适性最低，家电立刻通电开始工作；控制量Kpi接近0时，家电优先级最低，用户舒适性最高，家电断电以降低家庭总功耗。

由于梯形及三角形隶属函数形状简单，并且与其他隶属函数得出的结果差别最小，因此利用三角形和梯形组合的分布函数建立相应的隶属函数。

根据用户需求，模糊控制规则的设计应满足：

(1)为满足用户的生活舒适性，将家电需求值Ki,t作为Kpi的主要影响指标，只考虑用户舒适性情况下，当其不满足最低舒适性要求(Ki,t=1)时，Kpi=1；Ki,t降低时，Kpi降低；舒适性最优时(Ki,t=0)，Kpi=0。(电动汽车等特殊需求类家电因Ki,t的含义不同应另设控制规则，为使其在其他家电空闲时工作，且不影响高优先级家电，当其Ki,t接近0时，使其Kpi略高于空闲家电)；

(2)考虑到用户的用电成本，需求值隶属度相近时控制量Kpi应保证用电成本较低的家电优先开启，其隶属函数临界值根据不同家电在式(5)的计算结果所在范围内等间隔取值，用户可结合当前电价政策和自身需求提高或降低Pec,t隶属函数横坐标电价临界值从而提高用户舒适度或减少总用电费用；

(3)为确保被控家电不会频繁开闭，将断电间隔Ti,t作为惩罚因素，断电间隔Ti,t很短时，Kpi大幅降低。Ti,t较短时，Kpi略微降低，Ti,t较长时，Kpi不受影响。用户可以通过修改Ti,t隶属函数横坐标的临界时间值调整家电开关次数，临界值越大，限制效果越强，家电开关次数越少。通过多次仿真，当Ti,t各隶属函数临界值取15 min、30 min、45 min、60 min时仿真结果较好。

以热水器、空调和电动汽车为例，其输入输出变量隶属函数和模糊控制规则分别如图4和表1所示。

图4 模糊控制器输入及输出隶属函数Fig.4 Input and output membership functions of fuzzy controller

其中FCSS，非常舒适；SS，舒适；BJSS，比较舒适；BSS，不舒适；CBZ，额外成本中；CBJG，额外成本较高；CBG，额外成本高；SJD，间隔时间短；SJZ，间隔时间中；SJC，间隔时间长；JD，极低；HD，很低；D，低；BJD，比较低；BJG，比较高；G，高；HG，很高；JG，极高。

表1 模糊控制器规则Tab.1 Rule of fuzzy controller

3 仿真过程

3.1 算例参数

算例中将夏天8月华北地区的一天作为DR时段可能发生的环境，并参考华北地区用户的家电功率及用户使用需求进行仿真，家电信息如表2所示。

表2 家电信息Tab.2 Information of controlled home appliances

热水器初始水温为42 ℃，室内初始温度为27 ℃，电动汽车电池初始电量为0%，仿真过程从17:00开始，电动汽车充电允许时段为19:00～次日04:00，电动汽车充满电池需要约6 h。DR响应时段为19:00～01:00，给定DR限制功率PDR=4 kW，并以22:00时用户大量用水使热水器水温骤降作为家电状态实时变化因素。分时电价信息如下：14:00～17:00，19:00～22:00实行峰时电价，为 0.925元/(kW·h)； 8:00～14:00，17:00～19:00，22:00～24:00实行平段电价，为0.61元/(kW·h)； 0:00～8:00实行谷时电价，为0.319 7元/(kW·h)。

3.2 算例仿真

仿真过程从17:00开始，19:00～次日01:00间进入DR事件规定时段，算例仿真结果见图5。

图5 DR时段动态家电优先级仿真结果Fig.5 Simulation results of home appliances priority in DR

仿真开始后，为维持用户设定的水温和室温范围，空调和热水器进行周期性工作，电动汽车因在非工作时段处于断电状态。进入DR时段后，用户家庭总功率受到限制，电动汽车、空调、热水器根据优先级变化交替工作。19:00时空调优先级高于电动汽车，空调通电一段时间后因室温下降使其Kpi低于电动汽车，此时电动汽车开始工作，并随着室温的变化在19:00～22:00间空调与电动汽车处于交替工作状态，期间热水器为维持水温保证居民用水时的舒适性，热水器在19:00～21:00间进行两次加热。

22:00时,用户大量用水，热水器水温迅速下降，热水器Kpi不断上升，至超过其他家电后开始通电，一段时间因空调断电室温开始升高，但此时空调Kpi明显低于热水器Kpi，热水器优先工作，22:50时出现室温最大值。此时热水器水温为40 ℃时，室内温度达到32 ℃左右，但因空调Kpi已高于热水器Kpi，空调优先级最高，热水器断电停止加热，空调开始制冷。

23:40时，家电间优先级相近，短时间内易发生通电家电因工作使其优先级降低而关闭，未开启家电因优先级升高而开启，并不断变换家电优先级顺序的情况，使家电状态多次改变造成家电频繁投切，此时空调已关闭10 min，其优先级因室温上升而升高，根据用户需求空调应高于热水器并切换家电状态，但因Ti,t隶属函数中10 min属于SJD区段，且室温需求尚未达到对应阀值，使空调Kpi短时间内仍低于热水器Kpi，空调开启时间延后，实现对家电投切的限制作用。1:00后，DR时段结束，室温和水温周期性波动，电动汽车充满电后停止通电，至5:00时仿真结束。若DR时段以预设家电优先级(热水器>空调>电动汽车)调度，则其仿真结果如图6所示。

图6 DR时段预设家电优先级仿真结果Fig.6 Simulation results of preset appliances priority scheduling in DR

从图5、图6的仿真结果对比看出，19:00～22:00时段中，利用动态优先级比较，减少了使用电动汽车充电的时间，并在空调优先级较低时使热水器经历了2次通电加热使水温处于较高状态。22:00用户大量用水时，热水器及时通电加热，并在热水器水温达到最低要求后，立刻切换优先级至空调使其满足用户的室温需求，此时出现最高室温。而另一种控制方式中水温骤降后，热水器在短时间内不能达到设定最优值且因优先级不可调，使其空调工作被暂时搁置，因此在T3时段图6室温较图5中更高。在T1、T2时段电动汽车通电情况可以看出，不同于在其他家电的断电间隙工作，动态优先级控制下电动汽车随着室温和水温的周期波动,在二者皆较为舒适但并未达到设定临界值时通电工作，维持水温和室温的舒适性较优的同时，确保在DR时段中完成所需的任务量。

两种控制方式在仿真中的最高室温、最低水温、仿真结束后的充电情况及总电费如表3所示，其中总电费计入了仿真截止时室温水温达到相同状态时家电工作所耗费用。由表3可以看出，所提控制方法室内最高温度降低3 ℃，热水器最低水温升高1.3 ℃，并减少可控家电负荷费用约3.4%。与DR前相比，减少可控家电费用约28.6%。

表3 家电仿真结果和电费统计Tab.3 Home appliance simulation results and cost

仿真算例表明，在DR时段应用所提控制方案使用户功耗低于一定水平的同时，改善了用户舒适性，实现包括电动汽车等具有特殊需求的家电在DR时段内参与控制调度，减少了用户的用电成本，使电网负荷曲线改善明显。与其他控制策略相比，所提方案解决了家电优先级波动带来的家电切换频繁问题，对家电的使用寿命没有影响。

4 结束语

以DR为基础，针对居民家用电器的使用需求建立了家电优先级评价指标，提出一种在DR下用于管理高功耗家用电器的智能家居管理控制方案，利用电价信息、家电传感器信息、断电时间等作为输入量通过模糊理论对家电优先级进行合理评估，以动态优先级实现对家电的合理控制。目前电网基于电动汽车的家电管理机制已经逐渐建立，因此方案拥有一定的应用前景，仿真结果表明：

(1)在DR时段将参与DR具有储热能力的家电维持在一定的舒适性，能提高控制策略对用户非计划用电和舒适性快速下降时的缓冲能力；

(2)可较好实现电动汽车等特殊家电的管理控制，降低了用电成本，并可根据用户意愿对不同家电进行偏好设置，提高了所提控制方法的适用性；

(3)在DR事件下，所提控制方法能够有效利用居民部分可控负荷的转移潜力，平衡用户负荷曲线，提高配电网的灵活性。

因篇幅所限，未对负荷削减的程度展开讨论，因此下一步将在该方法的基础上，对比其他方法的结果，研究住宅用户在不同时段采用的最优负荷限制并建立相应模型对该方法进行评估。