一種應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，是基于用戶延遲容忍用電請求模型和智能微電網總開銷模型的異質載荷調度和能量管理方法，具體包括：將智能微電網運行周期切割成T個時間段；在每一個時間段內，獲取各用戶的延遲容忍和延遲敏感用電請求信息；根據系統狀態信息以及用戶請求信息決策出用戶延遲容忍用電請求調度策略與能量管理策略，決策的約束條件為：滿足用戶延遲容忍用電請求QoE的同時最小化智能微電網系統的總開銷；儲能設備的能量水平始終處于其上下界之內。該方法利用了用戶延遲容忍用電請求和電價的波動，能有效節省智能微電網的運營成本。
【專利說明】一種應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及智能電網的任務調度和能量管理領域，具體涉及了一種應用于智能微 電網的異質載荷調度和能量管理方法。

【背景技術】
[0002] 進入21世紀，人們的用電需求不斷增長，電網規模也在不斷擴大，而在全球環境 不斷惡化的背景下，采用可再生能源發電的重要性不言而喻。"InternationalEnergy Agency,WorldEnergyOutlook2012, 2012."公開了預計到2035年風力發電和太陽能發電 將占到全球總發電的25%和7. 5%，同時世界各國都開始關注一種新的環保、靈活的發電 方式一一分布式發電。分布式發電是指利用各種可用和分散的能源（包括可再生能源和不 可再生能源）進行發電功能的技術。
[0003] 基于分布式發電，R.H.Lasseter, "MicroGrids, "inIEEEPowerEngineering SocietyWinterMeeting, 2002.提出了一種新形智能電網-智能微電網，智能微電網將局 部可再生能源、不可再生能源、能量存儲設備及控制裝置等系統地結合成一個可控的單元， 智能微電網通常可以工作在獨立模式和連接模式，獨立模式是指智能微電網自行發電滿足 用戶需求，連接模式則聯合主電網一起供電滿足用戶需求。
[0004] H.S.V.S.K.NunnaandS.Ashok,^OptimalManagementofMicrogrids,in ProceedingsofIEEEConferenceonInnovativeTechnologiesforanEfficient andReliableElectricitySupply, 2010.公開一種智能微電網的架構如圖I所示。其中智 能微電網包括了可再生能源（如風能、太陽能等）發電設備、儲能設備中央控制單元，以及 通向居民和主電網的電線。當智能微電網工作在獨立模式時，可再生能源和儲能設備負責 所有居民的用電需求；當智能微電網工作在連接模式時，可以從主電網拉取電能或將多余 電能回賣給主電網。
[0005] 居民的用電需求可分為兩類，延遲容忍用電請求和延遲敏感用電請求。延遲容忍 用電請求主要包括洗衣、洗碗和抽濕等，這類用電請求在一定的延時內滿足即可。延遲敏感 用電請求則包括照明、電視等，這類用電請求必須立即得到滿足。
[0006] 從智能微電網的運營者角度來看，在保障用戶延遲容忍用電請求QoE的同時應該 盡可能的減小智能微電網的運行總開銷。從圖1可以分析出智能微電網的開銷主要來包括 四個部分：
[0007] (1)從主電網購買電能
[0008] (2)可再生能源發電
[0009] (3)可再生能源的生命周期溫室氣體排放量
[0010] (4)儲能設備充放電
[0011] 其中可再生能源的生命周期溫室氣體排放量是指電能的生成、傳輸、使用以及可 再生能源發電設備的維修與回收等過程中的溫室氣體排放量。用生命周期溫室氣體排放量 來衡量智能微電網對環境造成的影響要比碳排放量更為全面。
[0012] 綜上所述，智能微電網需要設計一個異質載荷調度和能量管理方法，滿足用戶延 遲容忍用電請求QoE的同時減小其總開銷，節省運營成本。
[0013] 針對異質載荷調度，只考慮用戶延遲容忍用電請求QoE，即所有用戶的延遲容忍用 電請求立即得到滿足。在該技術方案下，用戶的延遲容忍用電請求QoE將達到最大，因為所 有請求立即得到滿足，沒有延遲。該技術只考慮用戶延遲容忍用電請求的Q〇E，沒有利用可 接受的QoE下降和波動的電價來減少智能微電網的總開銷。
[0014] 針對異質載荷調度，只考慮運營開銷，即用戶的延遲容忍用電請求都盡量安排在 電價較低的時刻滿足。運用該技術方案，能有效減少智能微電網的總開銷，因為用戶的延遲 容忍用電任務都被調度到電價較低的時刻執行。在該技術中，智能微電網將用戶的延遲容 忍請求調度到了電價較低的時刻，但其忽略了用戶延遲容忍用電請求的Q〇E。雖然減少了系 統的總開銷，但同時造成了用戶QoE的大幅下降。
[0015] 針對能量管理問題，通過類似C.StewartandK.Shen,"Somejoulesare morepreciousthanothers!Managingrenewableenergyinthedatacenter, "in ProceedingsoftheWorkshoponPowerAwareComputingandSystems, 2009.公開的思 路設定閾值決定充點還是放電。具體地，如果當前時刻的可再生能源高于某個先前設定的 閾值，就對儲能設備充電操作，否則就進行放電操作。該技術通過靜態設定的閾值來決定儲 能設備的充放電操作，沒有考慮到可再生能源的間歇性以及電價的波動性。
[0016] 針對能量管理問題，還有通過比較當前時刻與前一個時刻的電價來決定儲能設備 是充電還是放電。如果當前時刻的電價比前一個時刻高，那么就執行放電操作；如果當前時 刻的電價比前一個時刻低就進行充電。該技術能減少智能微電網運營開銷，但因其僅對比 了前一個時刻，性能不會得到很大提升。除此之外，在電價較高的時段（如晚上），只要當前 時刻的電價比前一個時刻低，該技術也會執行充電操作，顯然與低價充電、高價放電的思想 相悖。


【發明內容】

[0017] 本發明結合可再生能源的間斷性、用戶用電行為的不確定性以及電價波動性等因 素，提出一種智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法來減少智能微電網的總開銷。
[0018] 為了實現上述目的，本發明的技術方案為：
[0019] 一種應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，是基于用戶延遲容忍用 電請求模型和智能微電網總開銷模型的異質載荷調度和能量管理方法，具體包括以下步 驟：
[0020] Sl:將智能微電網運行周期切割成T個時間段；
[0021] S2 :在每一個時間段內，獲取各用戶的延遲容忍和延遲敏感用電請求信息；
[0022] S3:根據系統狀態信息以及用戶請求信息決策出用戶延遲容忍請求調度策略與能 量管理策略，決策的約束條件為：用戶延遲容忍用電請求的QoE的同時能最小化智能微電 網系統的總開銷，儲能設備的能量水平始終處于其上下界之內；
[0023] S4:根據決策策略對用戶延遲容忍用電請求進行調度并執行儲能設備充放電操 作。
[0024] 本發明是基于用戶延遲容忍用電請求模型和智能微電網總開銷模型的異質載荷 調度和能量管理方法，能夠減少智能微電網的總開銷；且本發明充分利用了用戶延遲容忍 用電請求和電價的波動，能有效節省智能微電網的運營成本。
[0025] 優選的，所述用戶延遲容忍用電請求模型具體為：
[0026] 設智能微電網服務的用戶數量為N，定義所有用戶在時刻t產生的延遲容忍請求 ^ r (t) ：r (t) = r0(t) + r1(t)+- + ri(t)+- + rN_1(t)
[0027] 其中rjt)是一個多元組(Μ4Γ，盡(〇)，i表示用戶索引，t表示當前時刻，Ck 表示單位時刻智能微電網為一個用戶供給的最大電能，Ei (t)表示用戶i在時刻t提出的延 遲容忍用電請求，Ei (t)進一步表示為：
[0028]

【權利要求】
1. 一種應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征在于，是基于用戶 延遲容忍用電請求模型和智能微電網總開銷模型的異質載荷調度和能量管理方法，具體包 括以下步驟： 51 :將智能微電網運行周期切割成T個時間段； 52 :在每一個時間段內，獲取各用戶的延遲容忍和延遲敏感用電請求信息； 53 :根據系統狀態信息以及用戶請求信息決策出用戶延遲容忍請求調度策略與能量管 理策略，決策的約束條件為：用戶延遲容忍用電請求的Q〇E的同時能最小化智能微電網系 統的總開銷； S4:根據決策策略對用戶延遲容忍用電請求進行調度并執行儲能設備充放電操作。
2. 根據權利要求1所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征 在于，所述用戶延遲容忍用電請求模型具體為： 設智能微電網服務的用戶數量為N，定義所有用戶在時刻t產生的延遲容忍請求為
其中r\(t)是一個多元組盡(0)，i表示用戶索引，t表示當前時刻，盡胃表示 單位時刻智能微電網為一個用戶延遲容忍用電請求供給的最大電能，Ei(t)表示用戶i在時 刻t提出的延遲容忍用電請求，Edt)可進一步表示為：
其中〇 + ./)表示智能微電網在t+j時刻為用戶i在時刻t提出的延遲容忍用電請求 分配的電能，D_表示智能微電網對延遲容忍用電請求支持的最大延時； 即在時刻t智能微電網為所有用戶的延遲容忍用電請求提供的電能Edt(t)為：
3. 根據權利要求2所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征 在于，智能微電網總開銷包括從主電網購買電能的開銷Cg(t)、可再生能源發電開銷Ch(t)、 可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷(；(t)和儲能設備充放電開銷Cb(t)，智能微電 網總開銷模型具體為。
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4. 根據權利要求2所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征 在于，智能微電網總開銷包括時刻t從主電網購買電能的開銷Cg(t)、時刻t可再生能源發 電開銷Ch(t)、時刻t可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷Ce(t)和時刻t儲能設備 充放電開銷Cb (t)，智能微電網總開銷模型具體為：
其中Wpw2、w3和w4分別表示時刻t從主電網購買電能的開銷Cg(t)、時刻t可再生能 源發電開銷Ch(t)、時刻t可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷C6(t)和時刻t儲能 設備充放電開銷Cb(t)的權值。
5. 根據權利要求3或4所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其 特征在于， 所述時刻t從主電網購買電能的開銷Cg(t)的數學表達式為：Cg(t) =Pg(t)Eg(t);其 中Pg(t)表示t時刻的電價，Eg(t)表示t時刻智能微電網從主電網拉取的電能； 所述時刻t可再生能源發電開銷Ch(t)的數學表達式為：Ch(t) =PsEs(t)+PwEw(t);其 中Es(t)表示時刻t太陽能發電的電能，Ew(t)表示時刻t風能發電的電能，Ps表示單位太 陽能發電的開銷，Pw表示單位風能發電的開銷； 所述時刻t可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷Ce(t)的數學表達式為 =&(6品(〇+6而(〇)，其中？1表示單位溫室氣體排放量的費用，63表示每單位太陽能發 電帶來的生命周期溫室氣體排放量，6"表示每單位風能發電帶來的生命周期溫室氣體排放 量； 所述時刻t儲能設備充放電開銷Cb(t)的數學表達式為：Cb(t)=匕1。(〇+匕1[1(〇，其 中Pb表示一次充放電操作的開銷，I。(〇和Id(t)是一個布爾變量，若時刻t儲能設備進行 了充電操作則1。(0 = 1，否則1。(〇 = 0,若時刻t儲能設備進行了放電則操作Id(t) = 1， 否則Id(t) = 0。
6. 根據權利要求1所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征 在于，所述步驟S3中系統狀態信息包括當前時刻的電價、太陽輻射強度、風速和未來Q個時 段的電價信息。
7. 根據權利要求6所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征 在于，所述步驟S3中將最小化智能微電網總開銷的優化問題轉化為Lyapunov優化問題， 將用戶請求信息和系統狀態信息作為該優化問題的已知條件，將用戶延遲容忍請求的Q〇E 值、儲能設備的容量以及單位時刻智能微電網可為一個用戶供給的最大電能作為約束條 件，并同時設置一個可容忍Q〇E的下界來保證用戶體驗質量，然后解出最優解作為決策結 果。
8. 根據權利要求7所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征 在于，將對于儲能設備的約束條件轉化為基于隊列穩定性的條件，在該優化問題中定義一 個虛擬隊列B(t):
其中Ert(t)表示時刻t儲能設備的儲能水平，￡rx表示任意單位時刻最多放電的能量， 五表示儲能設備的最低能量水平，表示電價的最大值，V是一個調整參數； 根據Lyapunov優化框架，定義L(B(t))和A(B(t))如下：
L(B(t))用于衡量隊列的大小，△ (B(t))表示相鄰兩個時間段隊列的變化量； 根據Lyapunov優化框架，依據用戶用電請求信息和系統狀態信息在每一個時間段內 計算出滿足 "
的用戶延遲容忍載荷調度策略和 能量管理策略，完成本時刻的決策。
9. 根據權利要求8所述的應用于智能微電網的異質載荷調度和能量管理方法，其特征 在于，根據閾值判定求解出能量管理策略，其具體過程為：

其中Ejt)和Ed(t)分別表示時刻t儲能設備充電和放電的能量。
【文檔編號】G06Q10/06GK104484757SQ201410779106
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月15日 優先權日:2014年12月15日
【發明者】吳迪, 李高翔 申請人:中山大學