賈明瀟

摘要：僅靠現(xiàn)有的用電服務(wù)機(jī)制，難以激發(fā)大量居民參與電網(wǎng)調(diào)峰，也難以反映不同用戶對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的貢獻(xiàn)度。本文在運(yùn)用共享儲(chǔ)能這一概念的基礎(chǔ)上，分析不同用電負(fù)荷的用電特性，對(duì)用戶進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，搭建以每日用電費(fèi)用最小為目標(biāo)的家庭能量管理優(yōu)化調(diào)度模型，通過改進(jìn)遺傳算法對(duì)模型求解。最終在保證云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商承恩的基礎(chǔ)上，達(dá)到用戶用電費(fèi)用減少的目的。

關(guān)鍵詞：家庭能量管理;優(yōu)化調(diào)度;用戶優(yōu)先級(jí);遺傳算法;

Abstract：It is difficult to motivate a large number of residents to participate in the peak load regulation of the grid only by the existing electricity service mechanism， and it is difficult to reflect the contribution of different users to the peak load regulation of the grid. ?Based on the concept of shared energy storage， this paper analyzes the power consumption characteristics of different power loads， prioritises users， sets up an optimal scheduling model of household energy management aiming at minimizing daily power consumption， and solves the model through improved genetic algorithm. ?Finally， on the basis of ensuring the generosity of cloud energy storage operators， users can reduce electricity costs.

Keywords：Home energy management; Optimal scheduling; User priority; Genetic algorithm

0 引言

傳統(tǒng)電網(wǎng)中能量的流動(dòng)是單向的，是由電廠生產(chǎn)電能然后通過電網(wǎng)傳輸給用戶，用戶只是電能的消費(fèi)者。而智能電網(wǎng)的能量和信息的流動(dòng)都是雙向的，以便建立一個(gè)高度自動(dòng)化的和廣泛分布的能量交換網(wǎng)絡(luò)[1].我們可以通過智能電網(wǎng)的這一特點(diǎn)進(jìn)行能源和調(diào)度的優(yōu)化，以達(dá)到提高電能質(zhì)量和用電經(jīng)濟(jì)性的目的?；谖㈦娋W(wǎng)和智能電網(wǎng)的概念，考慮以家庭為主要單位，建立家庭微電網(wǎng)，利用智能化技術(shù)手段協(xié)調(diào)分布式發(fā)電、負(fù)荷和儲(chǔ)能三者的運(yùn)行[2]。

目前，中外對(duì)于居民用電策略優(yōu)化已經(jīng)做了大量的研究。文獻(xiàn)[3]考慮了用戶用電評(píng)價(jià)，將居民和運(yùn)營(yíng)商分層進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，在平抑負(fù)荷波動(dòng)的基礎(chǔ)上既保證了運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)又兼顧了用戶用電舒適度。文獻(xiàn)[4]用動(dòng)態(tài)的價(jià)格信號(hào)來控制用電器的操作，采用迭代的方式對(duì)家庭負(fù)荷進(jìn)行全天滾動(dòng)調(diào)度，有效的最小化了家庭用電費(fèi)用。文獻(xiàn)[5]將可控負(fù)荷產(chǎn)生的虛擬儲(chǔ)能與居民區(qū)已有的儲(chǔ)能裝置共同參與能量管理.

僅靠現(xiàn)有的用電服務(wù)機(jī)制，難以激發(fā)大量居民參與電網(wǎng)調(diào)峰，也難以反映不同用戶對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的貢獻(xiàn)度[6]。因此需要對(duì)居民用戶參與電網(wǎng)調(diào)峰制定相應(yīng)的服務(wù)策略。同時(shí)，CES運(yùn)營(yíng)商作為市場(chǎng)主體參與家庭用電優(yōu)化調(diào)度，根據(jù)電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)制定合理的用電策略能夠達(dá)到云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商、電網(wǎng)、用戶多方共贏的局面[7]。本文在運(yùn)用共享儲(chǔ)能這一概念的基礎(chǔ)上，分析不同用電負(fù)荷的用電特性，根據(jù)用戶的歷史貢獻(xiàn)量以及自身的用電需求對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，并對(duì)居民用戶用電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度，保證對(duì)電網(wǎng)與居民雙方都有益，同時(shí)考慮了CES運(yùn)營(yíng)商的投資成本和維護(hù)成本，并留有一定的利潤(rùn)空間。

1 家庭微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建

本文中家庭微電網(wǎng)的架構(gòu)如圖1所示。主要包括用戶、CES運(yùn)營(yíng)商和電網(wǎng)三部分。CES是一種基于儲(chǔ)能設(shè)施共享的新型儲(chǔ)能模式，用戶不需要自己購(gòu)買儲(chǔ)能電池，只需訂購(gòu)CES服務(wù)租用一定量的云電池[8]。用戶可以自由控制云電池的充放電行為 。這為用戶節(jié)約了大量購(gòu)買和維修設(shè)備的成本，用戶無需在儲(chǔ)能設(shè)備上一次性投入大量資金，只需要按時(shí)支付租賃費(fèi)用。CES的儲(chǔ)能設(shè)施由大量電池組成，由運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行投資、維護(hù)和管理。

與文獻(xiàn)[9-10]相同，不論用戶是否安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，都可以購(gòu)買云儲(chǔ)能服務(wù)。裝有PV系統(tǒng)的用戶在電能有剩余時(shí)可以存儲(chǔ)到租用的云電池中，也可以選擇在電價(jià)較高的出售給其他參與CES服務(wù)的用戶。參與其中的用戶既是賣方也是買方，通過中間方運(yùn)營(yíng)商來進(jìn)行電能交易，買賣雙方將交易請(qǐng)求發(fā)送給運(yùn)營(yíng)商，其控制中心在收到請(qǐng)求后判斷是否可以進(jìn)行交易，此過程使得賣方通過出售剩余電能提高了能源利用率且獲得了收益，買方以低于電網(wǎng)的價(jià)格獲得了電能，減少了用電成本，同時(shí)運(yùn)營(yíng)商在此過程中收取交易費(fèi)，達(dá)到三方共贏的局面。同時(shí)，CES運(yùn)營(yíng)商也可在電網(wǎng)電價(jià)較低時(shí)上網(wǎng)買電，電價(jià)較高時(shí)將多余的電能出售給電網(wǎng)。

在云儲(chǔ)能服務(wù)模式的激勵(lì)下，用戶根據(jù)自己的需求設(shè)置參與調(diào)度的負(fù)荷種類和允許的調(diào)度時(shí)間，當(dāng)用戶設(shè)置的調(diào)度負(fù)荷種類越多時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，用戶對(duì)于系統(tǒng)用電調(diào)度的貢獻(xiàn)也就越大，但是同時(shí)自身的用電舒適度也會(huì)受到一定影響。所以在CES運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行服務(wù)決策時(shí)會(huì)對(duì)貢獻(xiàn)較大的用戶有一定的激勵(lì)措施，以鼓勵(lì)用戶更加積極的參與到CES服務(wù)中來。

本文所構(gòu)建的基于云儲(chǔ)能的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)又是主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）運(yùn)營(yíng)商作為中間者進(jìn)行調(diào)度，很好的利用了不同用戶之間的用電互補(bǔ)性，減少了用戶與電網(wǎng)間以及用戶與用戶間直接交易的限制。由不同用戶間直接進(jìn)行電能交易，減少了電能轉(zhuǎn)換的損失，也減少了對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊。（2）考慮用戶的歷史貢獻(xiàn)量以及自身用電需求，制定不同的用電策略，進(jìn)一步提高了用戶參與CES服務(wù)的積極性，同時(shí)保證用戶整體用電負(fù)荷不會(huì)出現(xiàn)新的用電高峰。

2 系統(tǒng)模型

2.1 家庭用電設(shè)備模型

在本文中根據(jù)用戶對(duì)家庭用電設(shè)備的依賴性，將負(fù)荷分為剛性負(fù)荷和柔性負(fù)荷，其中柔性負(fù)荷根據(jù)其使用時(shí)是否可中斷分為可中斷負(fù)荷和不可中斷負(fù)荷。剛性負(fù)荷是指照明設(shè)備、電腦等必須立即滿足用戶用電需求的用電設(shè)備，不參與用電調(diào)度。柔性負(fù)荷如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等使用時(shí)間靈活，對(duì)用戶的用電滿意度影響不大，用戶只要求在某一段時(shí)間之內(nèi)完成工作即可，所以可通過利用此類負(fù)荷的靈活性提出調(diào)度策略。假設(shè)一個(gè)調(diào)度周期為一天，以半小時(shí)為間隔分成48個(gè)連續(xù)、相等的時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段 。家庭中所有用電設(shè)備以集合 表示，每個(gè)設(shè)備以 表示，每個(gè)用電設(shè)備 。本文假定電器 的工作時(shí)長(zhǎng)為 ，用 表示設(shè)備 允許的工作時(shí)間。引入一個(gè)狀態(tài)變量 來表示電器的工作狀態(tài)， 表示設(shè)備 在第 個(gè)時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)為閑置， 表示設(shè)備 在第 個(gè)時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)為工作。則設(shè)備在工作時(shí)需滿足如下約束：

4 算例分析

本文是基于多個(gè)家庭用戶組成的社區(qū)微電網(wǎng)，假設(shè)每個(gè)家庭都安裝了PV系統(tǒng)和雙向計(jì)量智能電表。隨機(jī)選取了某地的6個(gè)家庭用戶的實(shí)際用電數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，且已知用戶前一周的相關(guān)用電情況。分時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)如表1所示。以其中的一戶家庭為例進(jìn)行調(diào)度，我們選擇優(yōu)先級(jí)最低的用戶進(jìn)行模擬，調(diào)度周期為24小時(shí)，每30分鐘提取一次用戶的用電和發(fā)電數(shù)據(jù)。該用戶的柔性負(fù)荷數(shù)據(jù)如表2所示。

策略一中，對(duì)于用戶用電不做優(yōu)化調(diào)度，由于大部分用戶負(fù)荷可調(diào)度時(shí)間范圍相同，導(dǎo)致負(fù)荷高峰的出現(xiàn)。策略二中，通過對(duì)每個(gè)時(shí)段的調(diào)峰最大功率進(jìn)行限制，負(fù)荷的運(yùn)行相比之下較為均勻地分布于整個(gè)時(shí)段，且峰值由高電價(jià)時(shí)段轉(zhuǎn)移至低電價(jià)時(shí)段，既能夠減少負(fù)荷波動(dòng)，又能夠減少居民用電成本。

5 結(jié)論

本文通過分析不同家用電器的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于云儲(chǔ)能的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)，在現(xiàn)有分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，通過價(jià)格的激勵(lì)有效引導(dǎo)了用戶的用電行為，將用戶的大量柔性負(fù)荷的用電時(shí)間從電價(jià)高的時(shí)刻轉(zhuǎn)移到電價(jià)低的時(shí)刻，在用戶側(cè)能夠 減少居民用電成本; 在電網(wǎng)側(cè)能夠降低負(fù)荷曲線峰值，減少負(fù)荷波動(dòng)。

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