本發(fā)明涉及智能家庭用電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及智能家電的用電安排優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，居民住宅用電設(shè)備在數(shù)量和容量上也在逐年增加，居民用電在電網(wǎng)二次側(cè)占的比重越來越大。通過利用智能控制設(shè)備平臺，實現(xiàn)居民智能用電。在面對火力發(fā)電污染日益嚴(yán)重的情況下，合理用電變得更加迫切。

然而現(xiàn)階段在居民用電方面存在諸多問題需要研究，一些學(xué)者對用電設(shè)備之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化進(jìn)行了研究，如：基于用戶對家電的偏愛程度，預(yù)先設(shè)定的用電設(shè)備優(yōu)先級，提出了可以協(xié)調(diào)用電設(shè)備用電時間的智能家庭能源管理模型。考慮電動汽車的用電成本和用戶用電舒適度，研究了優(yōu)化電動汽車用電策略的問題。以減小用電費用和尖峰用電量為總目標(biāo)，提出了家庭能源管理系統(tǒng)的基本框架和家電設(shè)備優(yōu)化用電的方法。

居民用戶智能用電策略優(yōu)化方法是構(gòu)建電網(wǎng)二次側(cè)健康、合理用電的重要支柱。用戶根據(jù)電價和自身的用電習(xí)慣，優(yōu)化安排用電設(shè)備未來一段時間內(nèi)的用電計劃，但目前并未有在分時電價機制下考慮用戶用電厭惡度的居民用戶智能用電優(yōu)化策略。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于分時電價下居民智能用電策略優(yōu)化方法。根據(jù)用戶用電行為和用電設(shè)備的負(fù)荷特性，分別建立負(fù)荷模型、用電厭惡度模型和用電費用模型以及智能用電調(diào)度總體模型，求解總體模型得到用電調(diào)度的最優(yōu)方法。

實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為：

居民用戶用電智能調(diào)度優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟一：收集近期各家電的用電數(shù)據(jù)；

步驟二：根據(jù)各用電設(shè)備的用電特性分別建立負(fù)荷模型；

步驟三：根據(jù)用戶用電需求構(gòu)建用戶用電厭惡度模型；

步驟四：建立用戶用電總費用模型；

步驟五：建立智能用電調(diào)度總體模型，求解總體模型得到智能用電調(diào)度的最優(yōu)方案。

進(jìn)一步，所述步驟一的實現(xiàn)包括：根據(jù)供電商提供的分時電價政策將一小時平均劃分成n段，即每小段時間為單位h，一天總時間段D＝24·n，其中取7:00～次日7:00為一天；收集最近一個月內(nèi)各個智能家電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，其中用電數(shù)據(jù)包括各用電設(shè)備的用電起始時間、用電結(jié)束時間、用電持續(xù)時間以及運行功率。

進(jìn)一步，所述步驟一還包括：對居民工作日在不同的季度的早、中、晚三個時段的到家、離家的時間建立函數(shù)，即早晨上班離家時間t₁，中午下班到家、離家時間t₂、t₃，晚上下班到家時間t₄。建立的到家-離家的時間模型如下：

其中季度A取值{-1,0,1}，A＝-1表示處于冬季，A＝0表示處于春秋季，A＝1表示處于夏季。

進(jìn)一步，所述步驟二的實現(xiàn)包括：建立儲能型設(shè)備的負(fù)荷模型；建立非儲能型設(shè)備的負(fù)荷模型；所述非儲能設(shè)備負(fù)荷模型包括離散型設(shè)備負(fù)荷模型與連續(xù)型設(shè)備負(fù)荷模型。

進(jìn)一步，建立儲能型設(shè)備的負(fù)荷模型的過程如下：

S1.1：建立儲能型設(shè)備Sto在運行時間段t內(nèi)的充電量表達(dá)式：

其中Z表示儲能設(shè)備的總數(shù)；P_z,t表示為設(shè)備z在時間段t的充電功率：

其P_N表示設(shè)備充電的額定功率；λ_z,t表示開關(guān)變量，當(dāng)λ_z,t＝0時，設(shè)備在時間段t斷開電源，當(dāng)λ_z,t＝1時，設(shè)備在時間段t連接電源充電。

S1.2：建立設(shè)備z實際累計充電時間的表達(dá)式：

其中分別表示設(shè)備z所允許充電的最早開始時間和最遲結(jié)束時間。

S1.3：建立設(shè)備z的荷電狀態(tài)SOC的表達(dá)式：

當(dāng)Soc_z,t＝0時，儲能設(shè)備z放電完全，當(dāng)Soc_z,t＝1時，儲能設(shè)備z完全充滿；其中C_z,t,C_z,d分別表示設(shè)備z在時間段t時的剩余電量和設(shè)備z完全充電狀態(tài)下的容量，且其中分別表示儲能設(shè)備z保持正常工作所需的最低容量和設(shè)備z的額定容量。

S1.4：建立Sto設(shè)備在運行時間段t內(nèi)的放電量：

其中P'_z,t＝P'_N·λ'_z,t表示設(shè)備z在時間段t的放電功率，P'_N表示設(shè)備z放電的額定功率；λ'_z,t表示開關(guān)變量，當(dāng)λ'_z,t＝0時，設(shè)備z在時間段t斷開電源，當(dāng)λ'_z,t＝1時，設(shè)備z在時間段t連接電網(wǎng)放電，且λ'_z,t＝0，1；W'_z,t＝P'_z,t·τ表示設(shè)備z在時間段t內(nèi)的放電量。

S1.5：建立設(shè)備z實際累計放電時間表達(dá)式：

其中分別表示設(shè)備z所允許放電的最早開始時間和最遲結(jié)束時間。

S1.6：運用阿倫尼烏斯方程對S1.5的表達(dá)式分析，建立在其一個工作周期內(nèi)的電池容量表達(dá)式：

其中A表示Arrhenius常數(shù)系數(shù)，B表示Arrhenius修正系數(shù)，表示電池在常溫20℃下的標(biāo)稱容量，R表示摩爾氣體常量，T表示絕對溫度，E_a表示活化能。

進(jìn)一步，建立離散型設(shè)備負(fù)荷模型的過程如下：

S2.1：建立離散型設(shè)備x在運行時間段t內(nèi)的耗電量表達(dá)式：

其中X表示參與調(diào)度的Dis設(shè)備的總數(shù)；作為開關(guān)標(biāo)記量，當(dāng)時表示設(shè)備x在時間段t結(jié)束運行，當(dāng)時表示設(shè)備x在時間段t是在工序S_i下穩(wěn)定運行；約束條件：其中分別表示Dis設(shè)備x的最小運行功率和最大運行功率。

S2.2：建立離散型設(shè)備x的運行時間表達(dá)式：

進(jìn)一步，建立連續(xù)型用電設(shè)備負(fù)荷模型的過程如下：

S3.1：對連續(xù)型設(shè)備y建立模型，引入標(biāo)記變量λ_y,t，當(dāng)λ_y,t＝0時表示用電設(shè)備y在時間段t內(nèi)結(jié)束運行，當(dāng)λ_y,t＝1時表示用電設(shè)備y在時間段t內(nèi)保持運行，則設(shè)備y在運行時間段t內(nèi)的耗電量表達(dá)式：

其中約束條件：λ_y,t＝0，1；Y表示參與調(diào)度的Con設(shè)備的總數(shù)。

S3.2：建立連續(xù)型設(shè)備y的運行時間表達(dá)式：

進(jìn)一步，步驟三的實現(xiàn)包括：

S4.1：建立儲能型設(shè)備厭惡度模型：

其中Soc_z表示設(shè)備z在充電結(jié)束時的SOC，時間比例系數(shù)其中t”_z，t”'_z分別表示設(shè)備z在時間D內(nèi)的放電總時間和該設(shè)備在電價高峰期內(nèi)的放電總時間，非負(fù)權(quán)重系數(shù)取值0～1。

S4.2：建立離散型設(shè)備厭惡度模型：

S4.3：建立連續(xù)型設(shè)備厭惡度模型：

其中正權(quán)重系數(shù)ζ₁，ζ₂的取值為ζ₁+ζ₂＝1。

S4.4：上述三類厭惡度模型求得居民用戶總體平均厭惡度模型：

γ＝σ₁·γ_Sto+σ₂·γ_Dis+σ₃·γ_Con

其中σ₁，σ₂，σ₃為引入的非負(fù)權(quán)重系數(shù)，用戶根據(jù)需求設(shè)定各個權(quán)重系數(shù)的值，其值的大小與用戶對設(shè)備用電的需求程度成正比，約束條件：σ₁+σ₂+σ₃＝1。

進(jìn)一步，步驟四的實現(xiàn)包括：建立居民用戶智能用電花費ε模型：

其中W_t＝W_Sto,t+W_Dis,t+W_Con,t表示居民家中參與本次調(diào)度的各個用電設(shè)備在時間段t的耗電量總和；表示為Sto設(shè)備在時間段t時的放電量，表示供電商提供的在時間t時的電價即分時電價；約束條件其中E₀表示居民用戶家中導(dǎo)線所允許通過的最大功率。

進(jìn)一步，步驟五的實現(xiàn)包括：建立優(yōu)化總體目標(biāo)：

min{σ₄·ε+σ₅·γ}

其中σ₄+σ₅＝1，σ₄和σ₅為非負(fù)權(quán)重系數(shù)；

采用遺傳算法對所述優(yōu)化總體目標(biāo)進(jìn)行求解，得到以繳納電費用和厭惡度兩者加權(quán)和最低為目標(biāo)的優(yōu)化方案的負(fù)荷分布。

本發(fā)明的有益效果：

和現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明能夠讓用戶根據(jù)個人習(xí)慣作出適時的調(diào)整，大型儲能設(shè)備使電網(wǎng)的削峰填谷能夠達(dá)到更加理想的效果，進(jìn)而使電網(wǎng)更加穩(wěn)定、健康。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的總流程圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

步驟一：收集近期各家電的用電數(shù)據(jù)

根據(jù)供電商提供的分時電價政策將一小時平均劃分成n段，即每小段時間為單位h，一天總時間段D＝24·n，其中取7:00～次日7:00為一天。收集最近一個月內(nèi)各個智能家電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，其中用電數(shù)據(jù)包括各用電設(shè)備的用電起始時間、用電結(jié)束時間、用電持續(xù)時間以及運行功率，進(jìn)而確定居民用戶用電習(xí)慣。

對居民工作日在不同的季度的早、中、晚三個時段的到家、離家的時間建立函數(shù)，即早晨上班離家時間t₁，中午下班到家、離家時間t₂、t₃，晚上下班到家時間t₄。建立的到家-離家的時間模型如下：

其中季度A取值{-1,0,1}，A＝-1表示處于冬季，A＝0表示處于春秋季，A＝1表示處于夏季。

步驟二：根據(jù)主要用電設(shè)備負(fù)荷特性建立數(shù)學(xué)模型

居民用電設(shè)備分可控設(shè)備和不可控設(shè)備兩類，為了簡化分析只考慮可控家電。按照各家電是否具有存儲電能的特性可以將居民用電設(shè)備分為儲能設(shè)備和非儲能設(shè)備兩類。其中非儲能設(shè)備分為離散型設(shè)備與連續(xù)型設(shè)備。

(1)儲能型設(shè)備

在居民日常用電設(shè)備中，儲能設(shè)備z即電池類儲電設(shè)備，記為Sto。對Sto設(shè)備建立模型，設(shè)備Sto在運行時間段t內(nèi)的充電量：

其中Z表示儲能設(shè)備z的總數(shù)；P_z,t表示為設(shè)備z在時間段t的充電功率：

其P_N表示設(shè)備z充電的額定功率；λ_z,t表示開關(guān)變量，當(dāng)λ_z,t＝0時，設(shè)備z在時間段t斷開電源，當(dāng)λ_z,t＝1時，設(shè)備z在時間段t連接電源充電。

設(shè)備z實際累計充電時間：

其中分別表示設(shè)備z所允許充電的最早開始時間和最遲結(jié)束時間。

設(shè)備z的荷電狀態(tài)SOC：

當(dāng)Soc_z,t＝0時，儲能設(shè)備z放電完全，當(dāng)Soc_z,t＝1時，儲能設(shè)備z完全充滿；其中C_z,t,C_z,d分別表示設(shè)備z在時間段t時的剩余電量和設(shè)備z完全充電狀態(tài)下的容量，且其中分別表示儲能設(shè)備z保持正常工作所需的最低容量和設(shè)備z的額定容量。

Sto設(shè)備在運行時間段t的放電量：

其中P'_z,t＝P'_N·λ'_z,t表示設(shè)備z在時間段t的放電功率，P'_N表示設(shè)備z放電的額定功率；λ'_z,t表示開關(guān)變量，當(dāng)λ'_z,t＝0時，設(shè)備z在時間段t斷開電源，當(dāng)λ'_z,t＝1時，設(shè)備z在時間段t連接電網(wǎng)放電，且λ'_z,t＝0，1；W'_z,t＝P'_z,t·τ表示設(shè)備z在時間段t內(nèi)的放電量。

設(shè)備z實際累計放電時間：

其中分別表示設(shè)備z所允許放電的最早開始時間和最遲結(jié)束時間。

本發(fā)明中的電池選擇鋰離子電池，運用阿倫尼烏斯方程對其分析，在其一個工作周期內(nèi)的電池容量：

其中A表示Arrhenius常數(shù)系數(shù)，B表示Arrhenius修正系數(shù)，表示電池在常溫20℃下的標(biāo)稱容量，R表示摩爾氣體常量，T表示絕對溫度，E_a表示活化能。為了方便計算，認(rèn)定溫度在儲能設(shè)備z的一個工作周期內(nèi)保持不變。

(2)非儲能設(shè)備

1)離散型用電設(shè)備

有些家居用電設(shè)備x是在以用戶給予的開關(guān)信號在運行的，當(dāng)該類設(shè)備接收到用戶的命令，開始進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，運行過程依次經(jīng)歷S₁,...,S_i,...,S_I道工序，其中I_x表示用電設(shè)備x的工序數(shù)目，其數(shù)值由設(shè)備本身運行特性所決定，即I＝I_x，其用電功率保持在額定功率其中表示設(shè)備x穩(wěn)定運行在S_i道工序下所需的額定功率，每道工序之間無時間間隔且整個運行過程均無人為干預(yù)因素。當(dāng)設(shè)備結(jié)束運行時，用電功率變?yōu)?。若設(shè)備x運行過程只有單一的功率保持，則取值I_x＝1，即例如家用電飯煲，智能電熱壺等，該類設(shè)備工作過程中存在加熱-保溫兩道工序，每個模式下的穩(wěn)態(tài)功率也不一樣。該類設(shè)備被定義為離散型用電設(shè)備，記為Dis。

對于Dis設(shè)備在運行時間段t內(nèi)的耗電量：

其中X表示參與調(diào)度的Dis設(shè)備的總數(shù)；作為開關(guān)標(biāo)記量，當(dāng)時表示設(shè)備x在時間段t結(jié)束運行，當(dāng)時表示設(shè)備x在時間段t是在工序S_i下穩(wěn)定運行。約束條件：其中分別表示Dis設(shè)備x的最小運行功率和最大運行功率。

Dis設(shè)備x的運行時間：

2)連續(xù)型用電設(shè)備

一些家居用電設(shè)備y有一定的額定功率，穩(wěn)定運行功率根據(jù)用戶的需求可以選擇處在最大運行功率和最小運行功率之間的任意數(shù)值的額定功率，即設(shè)備y的功率連續(xù)可調(diào)，例如可調(diào)節(jié)亮度的照明設(shè)備，其運行額定功率在一定范圍內(nèi)上下可調(diào)，即該類設(shè)備被定義為連續(xù)型用電設(shè)備，記為Con。

對Con設(shè)備建立模型，引入標(biāo)記變量λ_y,t，當(dāng)λ_y,t＝0時表示用電設(shè)備y在時間段t內(nèi)結(jié)束運行，當(dāng)λ_y,t＝1時表示用電設(shè)備y在時間段t內(nèi)保持運行，則設(shè)備y在運行時間段t內(nèi)的耗電量：

其中約束條件：λ_y,t＝0，1；Y表示參與調(diào)度的Con設(shè)備的總數(shù)。

Con設(shè)備y的運行時間：

步驟三：構(gòu)建居民用戶對用電設(shè)備的厭惡度模型

根據(jù)用戶偏愛于設(shè)備的即時運行狀態(tài)或結(jié)束狀態(tài)，將用電設(shè)備分為即時需要設(shè)備和完時需要設(shè)備兩類，分別記為Im和Ov，其中Ov設(shè)備分為離家前需完成任務(wù)的設(shè)備和到家前需完成的設(shè)備兩類，分別記為Ov1Ov2。對于Im設(shè)備，用戶對其厭惡的是在用戶在家時間段內(nèi)，其運行時間不在用戶舒適的時間段內(nèi)；對于Ov設(shè)備，用戶厭惡其在用戶離家，到家時尚未完成任務(wù)，對設(shè)備w＝{x,y}建立的厭惡度模型表示為：

γ_w＝ξ_w·g(t_w,end)+(1-ξ_w)·h(t_w,start,t_w,end) (13)

其中0-1型參數(shù)ξ_w＝1時，表示設(shè)備w為用戶偏好于完時需要型設(shè)備Ov，ξ_w＝0時，表示設(shè)備w為用戶偏好于即時需要型設(shè)備Im。g(t_w,end)，h(t_w,start,t_w,end)分別表示為Ov型和Im型設(shè)備的厭惡度函數(shù)，其Ov設(shè)備的厭惡度模型具體如下：

g(t_w,end)＝δ_w·g₁(t_w,end)+(1-δ_w)·g₂(t_w,end) (14)

其中0-1型參數(shù)δ_w表示設(shè)備w是否為用戶所偏好于離家前需完成任務(wù)的Ov1設(shè)備，當(dāng)δ_w＝1時，表示設(shè)備w是Ov1型；當(dāng)δ_w＝0時，表示設(shè)備x是Ov2型。具體模型如下：

其中a取值2或4，b取值1或3；分別表示用戶設(shè)定設(shè)備w的最早，最晚結(jié)束時間；Δt_w,tq,Δt_w,yc分別表示用戶對于設(shè)備w所能忍受的最大提前完成的時間，最大延遲完成的時間。

此外，Im設(shè)備的厭惡度模型表示為：

其中Δt_w表示設(shè)備w的實際運行時間；表示用戶偏愛設(shè)備w運行的起始時間和結(jié)束時間；比重系數(shù)表示設(shè)備w在用戶偏愛的時間段的運行時間比例，其中表示設(shè)備w在區(qū)間內(nèi)的運行時間。

進(jìn)一步：對步驟二中的Sto，Dis，Con三類負(fù)荷，分別從時間、功率和任務(wù)完成程度三方面考慮用戶對用電負(fù)荷的厭惡程度，并建立相應(yīng)的厭惡度模型。

(1)儲能型設(shè)備

Sto設(shè)備充電結(jié)束時存儲的電量占完全充電狀態(tài)下容量的比例大小影響用戶對該類負(fù)荷運行的厭惡程度。此外，儲能型設(shè)備可以很好地參與電網(wǎng)二次側(cè)的削峰填谷，在用電高峰期，將日常剩余電量出售給需求方。在分時電價下，用戶必然厭惡儲能設(shè)備在結(jié)束運行狀態(tài)時過低的儲電量以及所花過高的電費，此外本發(fā)明考慮儲能型設(shè)備的壽命成本，一天充放電一次。該類負(fù)荷在運行的整個時段D內(nèi)的厭惡度模型如下：

其中Soc_z表示設(shè)備z在充電結(jié)束時的SOC，時間比例系數(shù)其中t”_z，t”’_z分別表示設(shè)備z在時間D內(nèi)的放電總時間和該設(shè)備在電價高峰期內(nèi)的放電總時間，非負(fù)權(quán)重系數(shù)取值0～1。

(2)離散型設(shè)備

Dis設(shè)備作為功率離散型設(shè)備，可以參與智能家電的調(diào)度，該類設(shè)備的工作功率有其自身的負(fù)荷特性決定的，用戶對其用電厭惡度由其工作的時間因素來決定，所以這類負(fù)荷運行時的厭惡度模型如下：

其中γ_x＝γ_w,w＝x表示設(shè)備x的厭惡度。

(3)連續(xù)型設(shè)備

Con設(shè)備作為功率連續(xù)型設(shè)備，該類負(fù)荷的厭惡度主要由運行時間和功率兩個因素決定，時間因素用上述γ_w函數(shù)表示。運行功率方面，其工作功率在最大和最小功率之間，厭惡度在于其工作時的功率與其標(biāo)準(zhǔn)功率的偏差的比重，所以這類負(fù)荷運行時的厭惡度模型如下：

其中表示設(shè)備y的厭惡度；f_y'表示設(shè)備y的實際用電計劃；f_y表示設(shè)備y原來的用電計劃；表示用戶對設(shè)備y所容忍的最大用電計劃偏差，且γ_y表示屬于Im型或Ov型的設(shè)備y的厭惡度；引入的系數(shù)表示設(shè)備y是否屬于Im型或Ov型，當(dāng)表示設(shè)備y屬于Im型或Ov型，當(dāng)表示設(shè)備y既不屬于Im型也不屬于Ov型；ζ₁,ζ₂表示正權(quán)重系數(shù)，其取值為ζ₁+ζ₂＝1；P_y',分別表示設(shè)備y的實際運行功率和用戶設(shè)定的最佳運行功率；分別表示設(shè)備y的最小運行功率和最大運行功率。

由上述三類厭惡度模型求得居民用戶總體平均厭惡度模型：

γ＝σ₁·γ_Sto+σ₂·γ_Dis+σ₃·γ_Con (20)

其中σ₁，σ₂，σ₃為引入的非負(fù)權(quán)重系數(shù)，用戶根據(jù)需求設(shè)定各個權(quán)重系數(shù)的值，其值的大小與用戶對設(shè)備用電的需求程度成正比，約束條件：σ₁+σ₂+σ₃＝1。

步驟四：結(jié)合步驟一收集到的各個家電的用電數(shù)據(jù)和各地區(qū)供電商提供的分時電價政策，提出居民用戶智能用電花費ε模型：

其中W_t＝W_Sto,t+W_Dis,t+W_Con,t表示居民各個用電設(shè)備在時間段t的耗電量總和，其中W_Sto,t,W_Dis,t,W_Con,t分別表示上述的Sto設(shè)備、Dis設(shè)備以及Con設(shè)備在運行時間段t的用電量；表示供電商提供的在時間t時的電價即分時電價；約束條件其中E₀表示居民用戶家中導(dǎo)線所允許通過的最大功率。

步驟五：建立智能用電調(diào)度總模型并求解

本發(fā)明提出的智能用電建模方法，根據(jù)上述的用電設(shè)備的特性以及所處的分時電價環(huán)境下建立優(yōu)化總體目標(biāo)：

min{σ₄·ε+σ₅·γ} (22)

其中σ₄+σ₅＝1，σ₄和σ₅為非負(fù)權(quán)重系數(shù)。

采用遺傳算法對該目標(biāo)進(jìn)行求解，得到以繳納電費用和厭惡度兩者加權(quán)和最低為目標(biāo)的優(yōu)化方案的負(fù)荷分布。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。