CN103472785A - 一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于家庭能量管理（HEM）系统的智能控制算法，该算法主要实现居民用户中，大功率用电负荷的DR控制，HEM系统用于居民用户中，针对大功率家电负荷，自动实施需求侧响应（DR）控制，执行算法前，首先由用户设定被控负荷的优先级及舒适度范围，然后HEM系统接收电力公司的用电限制及DR时间要求信号，通过比较用户实际用电量与用电限制，执行控制算法，做出控制决策，实现DR的自动控制，该算法充分考虑了用户的舒适度及家电的优先级，同时实现了家庭用电管理的全自动化。

Description

一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法

技术领域

本发明涉及一种智能控制算法，具体是一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法，属于需求侧响应控制技术领域。

背景技术

为实现电力供需平衡，传统方法是电力公司根据预测的用电负荷，来确定发电容量，从而满足电力需求水平。该方法可以保证高峰时段的用电需要，但非峰荷期间，大量发电机处于闲置状态，这大大降低了发电机的效率，也造成了资源浪费。

20世纪70年代，随着石油危机的出现，初级能源价格大幅上涨，西方国家开始针对用电侧，展开了通过削减需求侧负荷来解决电力供需矛盾的探索与实践，需求侧响应（demandresponse,DR）的理念随之诞生。

根据激励方式的不同，DR可分为价格型和激励机制型两大类。其中，高峰负荷期间，起决定作用的DR事件都属于激励型DR，如直接负荷控制、可中断负荷等，通过用户接收相关控制信号作出响应，而非通过电价实施DR。

目前，大部分激励型DR事件的研究对象是一些大电力用户，如工业及商业用户等，且其控制方式一般为半自动化或人工实施；而针对居民用户研究较少。鉴于此，有必要针对居民用电，展开相关DR控制方面的研究。美国的A.H Mohsenian等人提出了针对小功率家电开展DR响应，但其研究对总体家电功耗并无太大影响。

此外，智能电网的发展也可以解决精确供能、电力需求侧管理、电网自由接入、多电源互动以及分散储能等问题，它不仅服务于大电网而且服务于电力终端用户。因此，借助智能电网中的智能量测装置，针对居民用户中的大功率非重要负荷，通过相关智能控制算法，可实现居民用户中需求侧管理的自动控制，而非电力公司通过拉闸限电来被动控制用电量，提高用户参与需求侧管理的积极性与主动性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法，该算法主要用于家庭网络中对大功率电器的DR自动控制。该算法充分考虑了用户对家电优先级及舒适度的设定，提高了用户参与DR的主动性、积极性，而且实现了DR控制的自动化。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

根据家电作用，可将家电分为重要负荷（如电炉、照明设备等）和可控负荷（如热水器、空调、烘干器等）两部分。本算法针对大功率可控负荷进行控制，一方面可对居民生活造成最小影响；另一方面通过控制大功率家电，可对整体耗电量产生较大影响，从而使居民用户的DR事件具有更大的实际意义。

家庭能量管理系统包括家电管理控制系统和家电接口单元两大部分。家电管理控制系统执行智能控制算法，实现家庭中所有大功率用电器的管理及决策控制。家电接口单元实现大功率家电的功率数据采集、与家电管理控制系统通信、根据算法结果执行本地负荷状态控制等。

本发明用于家庭能量管理系统的智能控制算法：

（1）家电接口单元采集所有被控家电的相关数据，包括家电开关状态、家电功率数据（电压电流幅值、相角、有功功率、无功功率、视在功率等），并将上述数据上送至家电管理控制系统；

（2）用户输入相关设定，包括家电负荷优先级、舒适度设定等；控制时，应首先考虑用户设定，从而使控制结果给用户带来最小的影响；

（3）电热水器、空调类负载的温度传感器采集相关温度数据，包括水温、室温等数据，上送至家电接口单元；检测各家电舒适度是否超出设定值，包括热水温度、室温、烘干器最大断电时间、电动汽车充电时间等，当某家电发生状态改变请求时，作出决策；

（4）家电管理控制系统接收电力公司相关控制信号，包括用电限制（单位KW）、DR响应时间要求，将用电限制与用户实际耗电功率相比较，若实际耗电量小，则不改变家电状态；若实际用电量超出限制，作出决策；

所述决策具体流程如下：

1）当某负荷出现状态改变请求时，若总耗电量低于用电限制，则该请求允许；

2）若总耗电量高于用电限制，且此时无状态改变请求，则智能家庭用电管理系统将从优先级最低的家电开始控制，直至总用电功率满足要求；

3）若用电功率高于用电限制，且某家电舒适度超出了设定范围，则家庭能量管理系统首先将该用电器优先级与其他工作中的用电器相比较，找出其中优先级最低的用电器，然后开始动作；逐次关闭低优先级用电器，在保证总用电功率低于限制时，控制家电通电工作。

算法假定电动汽车可随时充电或结束充电，以满足用户的使用需求；当有高优先级负荷需要工作时，可随时停止电动汽车充电；当家庭能量管理系统预测到在规定时间内，电动汽车不能完成充电时，可提高电动汽车优先级，提前对其充电。

用户可随时根据需要更改各被控家电的优先级及舒适度设定，从而使控制结果满足实际需求。

本发明有益效果：

（1）完全自动化。高峰负荷期间，输电线路更容易出现过载压力。因此，当大规模事故出现时，可能导致用电限制。传统的控制方法，或者是电力公司直接拉闸限电，或者是由用户操作某用电器断电来实施DR。该算法实现了DR控制的完全自动化。

（2）用户主动性及自由性强。与其他DR控制算法相比，该算法允许用户自行设置家电优先级及舒适度，然后根据输入及用电限制产生控制信号，提高了用户参与DR的主动性与自由性，减小了用电限制给用户的生活造成的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明算法的整体流程图。

图2为本发明中决策流程图。

具体实施方式

本发明算法的控制对象为居民用户中大功率家电，包括电热水器、空调、烘干器、电动汽车等，其用电功率为2KW（空调）～3.3KW-9KW（电动汽车）。执行算法前，首先应对所有被控负荷进行优先级及舒适度范围设定，其设定数据如表1所示。

表1被控负荷优先级及舒适度范围设定

其中，优先级从高到低分别为：电热水器-空调-烘干器-电动汽车；对热水器，水温最适温度为43.33℃-48.89℃；对空调，室温可设为24.4℃(±2℃)；对于烘干器，可人为设置工作完成时间、最大断电时间及最小通电时间（均指加热部分）；对于电动汽车，可设置其充电完成时间，如本例中为早晨8点钟。

如图1所示，每种家电工作及家庭能量管理（HEM）控制情况如下：

（1）电热水器：水温设定值有一个温度限定范围。当水温低于最低温度限制时，热水器通电；当水温高于最高温度限制时，热水器断电；当水温属于舒适度范围内时，热水器保持原来的工作状态。如式（1）所示。

$S_{\mathrm{WH},n}=\left\{\begin{array}{cc}0,& T_{\mathrm{WH},n}>T_{\mathrm{WH},s}\\ 1,& T_{\mathrm{WH},n}<T_{\mathrm{WH},s}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{WH}}\\ S_{\mathrm{WH},n-1}& T_{\mathrm{WH},s}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{WH}}<T_{\mathrm{WH},n}<T_{\mathrm{WH},s}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，T_WH,s表示水温设定值；

ΔT_WH水温舒适度范围；

T_WH,n表示时间段n时水温；

S_WH,n表示时间段n时热水器工作状态（0=断电；1=通电）；

电热水器的HEM控制算法：当出现用电限制时，若电热水器处于开启状态，则根据其优先级，HEM将控制其关断。若热水器具有最高优先级，则将是最后一个断电。

（2）空调：室温设定值有一个设定范围。当室温高于最高值时，空调开始工作；当室温低于最低值时，空调断电停止工作。当室温在舒适度范围内时，空调保持原来的工作状态，如式（2）

$S_{\mathrm{AC},n}=\left\{\begin{array}{cc}0,& T_{\mathrm{AC},n}<T_{\mathrm{AC},s}-{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{AC}}\\ 1,& T_{\mathrm{AC},n}>T_{\mathrm{AC},s}+{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{AC}}\\ S_{\mathrm{AC},n-1},& -{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{AC}}<T_{\mathrm{AC},n}<T_{\mathrm{AC},s}+{\mathrm{\&Delta;T}}_{\mathrm{AC}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，T_AC,s表示室温设定值；

ΔT_AC水温舒适度范围；

T_AC,n表示时间段n时室温；

S_AC,n表示时间段n时空调工作状态（0=断电；1=通电）；

空调HEM控制算法：当出现用电限制时，若空调处于工作状态，则根据需要关闭空调；若室温高于设定值时，在保证用电量满足限定值要求下，空调通电开始工作。

（3）烘干器：烘干器由电机转动部分和加热部分组成。电机部分功耗较小，通常为几十到几百瓦，而加热部分功耗较大，一般为几千瓦。为完成工作，当烘干器通电时间小于通电时间设定值时，烘干器将处于通电状态。当通电时间达到设定值时，烘干器断电，如式（3）所示。

$S_{\mathrm{CD},n}=\left\{\begin{array}{c}0,{\mathrm{CT}}_n\&GreaterEqual;{\mathrm{CT}}_{\max }\\ 1,{\mathrm{CT}}_n<{\mathrm{CT}}_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，CT_n表示烘干器通电时间；

CT_max表示烘干器通电时间设定值；

S_CD,n表示烘干器工作状态（0=断电；1=通电）。

烘干器的HEM控制算法：在对烘干器进行控制时，只对其加热部分进行断电控制，而保持电机部分持续工作。当出现用电限制时，若烘干器处于通电状态，根据其优先级将对断电；通过设定最小通电时间，可保证烘干器在规定时间内完成工作。同时，也可设定烘干器最大断电时间，从而在其工作时间内，防止因长时间断电导致其温降过大。然而，当出现高优先级负荷时，烘干器工作状态可不再满足其舒适度设定。

（4）电动汽车：当接通电源时，电动汽车开始充电，直至达到满充状态，如式（4）所示。

$S_{\mathrm{EV},n}=\left\{\begin{array}{c}0,{\mathrm{SOC}}_n\&GreaterEqual;{\mathrm{SOC}}_{\max }\\ 1,{\mathrm{SOC}}_n<{\mathrm{SOC}}_{\max }\end{array}\right.---\left(4\right)$

电动汽车HEM控制算法：假定电动汽车可随时充电或结束充电，以满足用户的使用需求。当有高优先级负荷需要工作时，可随时停止电动汽车充电。然而，当HEM系统预测到规定时间内，电动汽车不能完成充电时，可提高电动汽车优先级，提前对其充电。

如图2所示，决策具体流程如下：

（1）当某负荷出现状态改变请求（S_APP通电请求）时，若总耗电量低于用电限制，则该请求允许；

（2）若总耗电量高于用电限制，且此时无状态改变请求，则HEM系统将从优先级最低的家电开始控制，直至总用电功率满足要求；

（3）若用电功率高于用电限制，且某家电舒适度超出了设定范围，则HEM算法首先将该用电器优先级与其他工作中的用电器相比较，找出其中优先级最低的用电器，然后开始动作；逐次关闭低优先级用电器，在保证总用电功率低于限制时，控制家电通电工作。

与现有技术相比较，本发明的家庭能量管理系统智能控制控制算法，主要针对居民用户中大功率家电负荷进行DR控制，且在充分考虑用户舒适度及负荷优先级的前提下，实现了控制的全自动化。本发明算法提高了用户参与DR的主动性，随着居民消费水平的提高，居民耗电量也将持续增加。因此，该发明具有广泛的应用前景。

本实施例中，S_APP表示舒适度超出设定的用电器状态；DL表示用电限制；TP表示家电总功耗；LP表示负荷优先级；S_WH、W_AC、S_CD、S_EV分别表示电热水器、空调、烘干器、电动汽车当前状态。EV、CD、AC、WH分别表示电动汽车、烘干器、空调、电热水器。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法，其特征在于包括以下步骤：

（1）家电接口单元采集所有被控家电的相关数据，包括家电开关状态、家电功率数据，并将上述数据上送至家电管理控制系统；

（2）用户输入相关设定，包括家电负荷优先级、舒适度设定；控制时，应首先考虑用户设定，从而使控制结果给用户带来最小的影响；

（3）电热水器、空调类负载的温度传感器采集相关温度数据，上送至家电接口单元；检测各家电舒适度是否超出设定值，当某家电发生状态改变请求时，作出决策；

（4）家电管理控制系统接收电力公司相关控制信号，将用电限制与用户实际耗电功率相比较，若实际耗电量小，则不改变家电状态；若实际用电量超出限制，作出决策；

所述决策具体流程如下：

1）当某负荷出现状态改变请求时，若总耗电量低于用电限制，则该请求允许；

2）若总耗电量高于用电限制，且此时无状态改变请求，则智能家庭用电管理系统将从优先级最低的家电开始控制，直至总用电功率满足要求；

3）若用电功率高于用电限制，且某家电舒适度超出了设定范围，则家庭能量管理系统首先将该用电器优先级与其他工作中的用电器相比较，找出其中优先级最低的用电器，然后开始动作；逐次关闭低优先级用电器，在保证总用电功率低于限制时，控制家电通电工作。

2.按照权利要求1所述的一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法，其特征在于：所述家电包括电动汽车，假定电动汽车可随时充电或结束充电，以满足用户的使用需求；当有高优先级负荷需要工作时，可随时停止电动汽车充电；当家庭能量管理系统预测到在规定时间内，电动汽车不能完成充电时，可提高电动汽车优先级，提前对其充电。

3.按照权利要求1或2所述的一种用于家庭能量管理系统的智能控制算法，其特征在于：用户可随时根据需要更改各被控家电的优先级及舒适度设定，从而使控制结果满足实际需求。

Images