基于分時(shí)電價(jià)和需求響應(yīng)的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同控制策略及其實(shí)現(xiàn)

仲志強(qiáng)，成海生，蔡華，張輝輝，江御龍

（南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇省 南京市 211106）

0 引言

面對(duì)全球節(jié)能減排以及能源安全的巨大挑戰(zhàn)，大力發(fā)展可再生能源將成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要手段[1]。利用光伏能源分布廣的特點(diǎn)，可在分散屋頂安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)直接為居民家庭負(fù)荷供電，這樣不僅減少了居民用戶(hù)的電費(fèi)支出，而且降低了電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷高峰期的壓力[2]。另外，隨著家庭電動(dòng)汽車(chē)的日益普及，多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)每天閑置不用的時(shí)間較長(zhǎng)[3]，這使得電動(dòng)汽車(chē)上的大容量電池參與居民家庭負(fù)荷供電成為了可能，電動(dòng)汽車(chē)作為電網(wǎng)的可控負(fù)載和分布式儲(chǔ)能，具有削峰填谷、后備電源、降低成本等作用[4-5]。居民家庭負(fù)荷、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)（動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能）以及家用蓄電池（靜態(tài)儲(chǔ)能）共同構(gòu)成了家庭微電網(wǎng)。家庭微電網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的重要組成部分和主要建設(shè)內(nèi)容[6-7]。隨著智能電網(wǎng)不斷發(fā)展，家庭居民用電將參與電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行，這對(duì)居民智能用電的發(fā)展提出了更高要求[8]。

家庭微電網(wǎng)作為典型的信息物理系統(tǒng)(cyber physical system, CPS)，是集信息采集、管理決策、控制與通信為一體的綜合系統(tǒng)，可最大限度地發(fā)揮分布式能源在經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)居民用戶(hù)的利益最大化。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，主要包括居民負(fù)荷分類(lèi)[9-10]、優(yōu)化調(diào)度模型[11-14]和求解算法[15-16]等，然而實(shí)現(xiàn)家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度仍存在諸多問(wèn)題。在分時(shí)電價(jià)環(huán)境下居民家庭負(fù)荷的優(yōu)化不僅決策變量過(guò)多，而且調(diào)度模型復(fù)雜，隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入[17-18]，居民用戶(hù)的用電需要家庭微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，如何實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及家庭負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化仍需要研究。文獻(xiàn)[19]提出的調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)了不同目標(biāo)和環(huán)境下的優(yōu)化調(diào)度，但卻忽略了對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)控制，無(wú)法確保蓄電池的安全運(yùn)行。或者未考慮電網(wǎng)負(fù)載壓力過(guò)大，臺(tái)變負(fù)載率大于臺(tái)變負(fù)載極限時(shí)，策略系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度的要求[20-21]。

綜上，本文以家庭可調(diào)度負(fù)荷、電動(dòng)汽車(chē)和家用蓄電池為優(yōu)化調(diào)度對(duì)象，提出了基于分時(shí)電價(jià)和需求響應(yīng)的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同控制策略，策略分為日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度和日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度兩部分，通過(guò)搭建家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了試點(diǎn)驗(yàn)證，試點(diǎn)結(jié)果表明策略能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)區(qū)負(fù)荷曲線平滑轉(zhuǎn)移，提高居民用能的經(jīng)濟(jì)性和臺(tái)區(qū)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)基于邊緣計(jì)算的理念和技術(shù)，構(gòu)建了以邊緣為核心的“云、管、邊、端”四層架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)用能設(shè)施便捷接入、狀態(tài)全面感知、用能智慧互動(dòng)。通過(guò)分散式的邊緣管理終端將標(biāo)準(zhǔn)化的模型、用能策略等控制軟件嵌入到物理設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)分散區(qū)域自治和分層控制，通過(guò)集中式的家庭智慧用能服務(wù)平臺(tái)提供增值應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)雙向云邊協(xié)同與分層運(yùn)作。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture of the system

客戶(hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)是家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的核心環(huán)節(jié)，是數(shù)據(jù)匯聚、邊緣計(jì)算和應(yīng)用集成的開(kāi)放式平臺(tái)，設(shè)備基于“統(tǒng)一硬件平臺(tái)+邊緣操作系統(tǒng)+APP 業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件”的技術(shù)架構(gòu)，通過(guò)“軟件APP 化”方式，在邊緣節(jié)點(diǎn)可部署微應(yīng)用，支持靈活升級(jí)和業(yè)務(wù)功能擴(kuò)展，是云計(jì)算在邊端的延伸和演進(jìn)，具備通信、采集、計(jì)算、分析和控制的功能。設(shè)備基于模組化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由主控模塊、交采模塊、HPLC 模塊、4G+以太網(wǎng)+光纖模塊、RS485+遙信模塊、LoRa 模塊、MBus 模塊、RS-232 模塊、遙控模塊，共9 個(gè)模塊組成，可根據(jù)實(shí)際需要靈活配置。

能源路由器是具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、通信、功率控制、策略執(zhí)行等功能的新型智能電表，可接收來(lái)自客戶(hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)下發(fā)的定時(shí)或周期控制任務(wù)計(jì)劃，并根據(jù)計(jì)劃在指定時(shí)間點(diǎn)向設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)、停止、工作模式切換等控制指令。

智能插座主要連接居民的空調(diào)以及其他普通用電設(shè)備，可以采集用電設(shè)備的電壓、電流、功率、電量等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行跳閘控制，插座還可通過(guò)紅外通信對(duì)空調(diào)進(jìn)行溫度和工作模式的重新設(shè)定，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)。

2 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度對(duì)象主要是居民用電負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)采用按時(shí)間段調(diào)度的方式，可將調(diào)度周期T 拆分成多個(gè)長(zhǎng)度相等的子時(shí)段t。

2.1 居民用電負(fù)荷模型

居民用電負(fù)荷分為可調(diào)度負(fù)荷和不可調(diào)度負(fù)荷。不可調(diào)度負(fù)荷由于其使用狀態(tài)對(duì)居民的日常生活影響較大（如：電燈、電視、電腦等），此類(lèi)負(fù)荷系統(tǒng)不作為調(diào)節(jié)對(duì)象，僅作為調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)?？烧{(diào)度負(fù)荷又分為不可中斷負(fù)荷和可中斷負(fù)荷。不可中斷負(fù)荷在其工作時(shí)間內(nèi)不能隨意開(kāi)關(guān)（如：洗衣機(jī)、電飯鍋、洗碗機(jī)等），而可中斷負(fù)荷能夠間隙性地工作，在滿(mǎn)足最小運(yùn)行的時(shí)間的情況下隨意開(kāi)關(guān)（如：電動(dòng)自行車(chē)、掃地機(jī)器人、除濕器等）。不可中斷負(fù)荷和可中斷負(fù)荷模型[22]如下式：

式中：Pa(t)、Pb(t)為不可中斷負(fù)荷a 和可中斷負(fù)荷b 在時(shí)段t 中消耗的電能；為不可中斷負(fù)荷a 和可中斷負(fù)荷b 的額定功率；sa(t)、sb(t)為0/1 變量(0 表示關(guān)閉，1 表示開(kāi)啟)；和分別表示不可中斷負(fù)荷a 和可中斷負(fù)荷b 工作的起止時(shí)間；Ha、Hb為不可中斷負(fù)荷a和可中斷負(fù)荷b 需要工作的時(shí)間段。

已有研究表明，在較小影響甚至不影響用戶(hù)舒適度的情況下，空調(diào)和熱水器可以通過(guò)工作模式切換或斷網(wǎng)來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)度需求[23]，空調(diào)和熱水器負(fù)荷模型如下式。

空調(diào)可分為制冷和制熱兩種工作狀態(tài)，負(fù)荷模型分別如下式：

式中：TAC,C,S、TAC,H,S為空調(diào)制冷、制熱狀態(tài)設(shè)定的溫度值；： ΔTAC,C、 ΔTAC,H為空調(diào)制冷、制熱狀態(tài)下室溫設(shè)定的范圍；TAC,t為t 時(shí)間段室內(nèi)的溫度；SAC,C(t)、SAC,H(t)為t 時(shí)間段內(nèi)空調(diào)制冷、制熱的工作狀態(tài)（0 表示停止，1 表示運(yùn)行）。

熱水器負(fù)荷模型為

式中：TWH,S為熱水器設(shè)定的溫度值； ΔTWH為熱水器水溫設(shè)定的范圍；TWH,t為t 時(shí)間段熱水器的水溫；SWH(t)為t 時(shí)間段內(nèi)熱水器的工作狀態(tài)（0表示停止，1 表示運(yùn)行）。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

家庭微電網(wǎng)中存在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)光伏出力的跨時(shí)段轉(zhuǎn)移，并結(jié)合分時(shí)電價(jià)信息，在提高分布式能源的利用率的同時(shí)，促進(jìn)家庭微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行[24-25]。儲(chǔ)能系統(tǒng)出力包含家用蓄電池出力和閑置的電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能電池出力模型分別為：

式中：SOCBT(t)、SOCEV(t)時(shí)段t 蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的荷電狀態(tài)；CBT,net(t)、CEV,net(t)為時(shí)段t 蓄電池、電動(dòng)汽車(chē)的剩余電量；PBT,c(t)、PBT,d(t)和PEV,c(t)、PEV,d(t)分別為時(shí)段t 蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的充、放電功率，θBT,c、θBT,d和θEV,c、θEV,d分別為蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的充、放電效率；PBT,c,max、PBT,d,max和PEV,c,max、PEV,d,max分別為蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)最大充、放電功率，SOCBT,max、SOCBT,min和SOCEV,max、SOCEV,min為蓄電池、電動(dòng)汽車(chē)最大、最小荷電狀態(tài)值，避免出現(xiàn)過(guò)度充、放電；UBT(t)、UEV(t)為時(shí)段t 蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，充電為0，放電為1；λBT、λEV為充放電次數(shù)限值；考慮用戶(hù)的上下班出行規(guī)律，表示電動(dòng)汽車(chē)不參與負(fù)荷調(diào)度的起止時(shí)間。

2.3 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

2.3.1 居民用電成本

居民的用電成本主要考慮從電網(wǎng)購(gòu)電產(chǎn)生的費(fèi)用以及向電網(wǎng)賣(mài)電獲得收益，其最小模型如下式：

式中：Bc為用戶(hù)在調(diào)度周期T 內(nèi)的成本；Bc(t)為用戶(hù)在t 時(shí)段的用電費(fèi)用；Pdownload(t)為t 時(shí)段用戶(hù)向電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)的電量；Pupload(t)為t 時(shí)段用戶(hù)賣(mài)給電網(wǎng)的電量；RPricebuy(t)和RPricesale(t)分別為時(shí)段t的電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)和賣(mài)電價(jià)格。

2.3.2 系統(tǒng)凈負(fù)荷平坦度成本

家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)為配合電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)負(fù)荷平滑，配合臺(tái)區(qū)進(jìn)行削峰填谷，系統(tǒng)引入了凈負(fù)荷的概念，即：凈負(fù)荷=不可調(diào)度負(fù)荷用電功率+可調(diào)度負(fù)荷功率-分布式能源發(fā)電功率±蓄電池充放電功率±電動(dòng)汽車(chē)充放電功率。同時(shí)將負(fù)荷曲線的平坦度乘以對(duì)相應(yīng)的系數(shù)φ[22]，將其轉(zhuǎn)化為凈負(fù)荷平坦度成本BF，如下式所示：

式中：φ 為轉(zhuǎn)化系數(shù)；Pn(t)為時(shí)段t 的凈負(fù)荷功率；Pmust(t)為時(shí)段t 的不可調(diào)度負(fù)荷總功率；為時(shí)段t 可調(diào)度負(fù)荷的總功率；PDG(t)為時(shí)段t 分布式能源發(fā)電功率；PBT(t)和PEV(t)分別為時(shí)段t 蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的充放電功率。

基于負(fù)荷和儲(chǔ)能的約束條件和目標(biāo)函數(shù)，家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型如式(12)所示。由于模型的求解是時(shí)段內(nèi)各設(shè)備的0 和1 調(diào)度規(guī)劃，故可采用二進(jìn)制粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解：

3 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度策略

3.1 日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度策略

在家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中，為提高居民用戶(hù)的用電經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)避免蓄電池SOCBT和電動(dòng)汽車(chē)SOCEV出現(xiàn)越限，保證蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的安全運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)分時(shí)電價(jià)動(dòng)態(tài)調(diào)整家用蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為。分布式能源出力和負(fù)荷功率偏差為 Δ P(t)，可表示為

在時(shí)段t 內(nèi)，可根據(jù) ΔP(t)來(lái)確定家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度策略，調(diào)度策略如下：

1）Δ P(t)＞0， Δ P(t)優(yōu)先給電動(dòng)汽車(chē)充電，充電功率 PEV,c(t)由 式(14)確定；若求得 ΔP(t)＞PEV,c(t)，則給蓄電池充電，充電功率 PBT,c(t)由式(15)確定；若ΔP(t)＞PEV,c(t)+PBT,c(t)，將多余電量賣(mài)給電網(wǎng)形成收益， Pupload(t)=ΔP(t)?PEV,c(t)?PBT,c(t)。

2） ΔP(t)＜0，且時(shí)段t 處于谷時(shí)電價(jià)，則由電網(wǎng)補(bǔ)充用電不足部分，同時(shí)從電網(wǎng)購(gòu)電對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和蓄電池進(jìn)行充電，充電功率 PEV,c(t)和 PBT,c(t)分別由式(16)、式(17)確定。

3）Δ P(t)＜0，且時(shí)段t 處于平時(shí)電價(jià)，則由電網(wǎng)補(bǔ)充用電不足部分，蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)不動(dòng)作。

4） ΔP(t)＜0，且時(shí)段t 處于峰時(shí)電價(jià)，則由蓄電池來(lái)優(yōu)先補(bǔ)充用電不足部分，蓄電池放電功率 PBT,d(t)由 式(18)確定；若 |ΔP(t)|＞PBT,d(t)，則由電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)充用電不足部分，電動(dòng)汽車(chē)放電功率PEV,d(t)由 式(19)確定；若| ΔP(t)|＞PBT,d(t)+PEV,d(t)，則由電網(wǎng)補(bǔ)充用電不足部分來(lái)平衡負(fù)荷缺額，Pdownload(t)=|ΔP(t)|?PBT,d(t)?PEV,d(t)。

3.2 日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度策略

當(dāng)日內(nèi)電網(wǎng)負(fù)載壓力過(guò)大或者臺(tái)變負(fù)載率大于臺(tái)變負(fù)載極限時(shí)，家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)可以進(jìn)行日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度，以緩解電網(wǎng)供電系統(tǒng)的壓力，同時(shí)享受電網(wǎng)的需求響應(yīng)激勵(lì)獎(jiǎng)勵(lì)，如：北京約定需求響應(yīng)每次20 元/kW，實(shí)時(shí)需求響應(yīng)每次30 元/kW；河南省約定需求響應(yīng)每次12 元/kW，實(shí)時(shí)需求響應(yīng)每次18 元/kW；山東省需求響應(yīng)價(jià)格采用單邊市場(chǎng)（供方）集中競(jìng)價(jià)方式確定，以系統(tǒng)邊際價(jià)格為出清價(jià)，并設(shè)置了30 元/kW 的報(bào)價(jià)上限。

根據(jù)最新調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，空調(diào)和熱水器耗電量約占全天用電量的50%，中午及晚間高峰時(shí)期占比均在70%左右。因此本系統(tǒng)將空調(diào)和電熱水器視為日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度的主要負(fù)荷設(shè)備，根據(jù)電網(wǎng)設(shè)定的功率限定值，家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度策略如下文所述。

1）分布式能源優(yōu)先消納：系統(tǒng)按分布式光伏發(fā)電、家用蓄電池儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能的出力順序依次出力供電。

2）負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)：盡可能讓電熱水器在進(jìn)入負(fù)荷限制時(shí)段前速熱或慢熱，限制時(shí)段以保溫運(yùn)行或者停止工作，避免不需要熱水的時(shí)候浪費(fèi)電能；空調(diào)盡量在進(jìn)入負(fù)荷限制時(shí)段前制冷或者制熱，限制時(shí)段盡量讓預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指標(biāo)(predicted mean vote，PMV)值處于1 或者?1 的狀態(tài)，控制空調(diào)運(yùn)行在ECO 節(jié)能模式。

3）多設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行：通過(guò)構(gòu)建家庭微電網(wǎng)用能行為模型，在負(fù)荷限制時(shí)段，針對(duì)空調(diào)和熱水器同時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將熱水器的加熱時(shí)間和空調(diào)交替送風(fēng)模式結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用空調(diào)和熱水器錯(cuò)時(shí)運(yùn)行、多空調(diào)錯(cuò)時(shí)運(yùn)行的模式，降低系統(tǒng)的用電負(fù)荷。多設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行如圖2所示。

圖2 負(fù)荷限制時(shí)段多設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行Fig.2 Coordinated operation of multi equipment during load limiting period

4）負(fù)荷實(shí)時(shí)控制：根據(jù)設(shè)定的負(fù)荷優(yōu)先級(jí)，按由低到高的順序依次關(guān)閉負(fù)荷設(shè)備，直到滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷限制的要求，并實(shí)時(shí)檢查各個(gè)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的舒適度情況（熱水器的水溫，空調(diào)的室溫），在滿(mǎn)足負(fù)荷要求的前提下進(jìn)行工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

4 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)控制流程

家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)控制可分為日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度和日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度兩個(gè)階段，日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度具有全局性和計(jì)劃性，主要指明優(yōu)化調(diào)度的總體方向，在減少居民用戶(hù)用電成本的同時(shí)降低儲(chǔ)能的動(dòng)作次數(shù)，平滑凈負(fù)荷曲線；日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度主要針對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的計(jì)劃外事件使臺(tái)變出現(xiàn)過(guò)載，不能滿(mǎn)足安全運(yùn)行要求時(shí)，則需進(jìn)行日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度，緩解電網(wǎng)供電系統(tǒng)的壓力，系統(tǒng)控制流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig.3 Control process of household microgrid system

在日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度階段，客戶(hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)以1 天的時(shí)間為尺度，通過(guò)歷史家庭負(fù)荷數(shù)據(jù)、分布式光伏出力數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、日類(lèi)型數(shù)據(jù)以及用戶(hù)隨機(jī)活動(dòng)數(shù)據(jù)，調(diào)用相似日負(fù)荷預(yù)測(cè)模型和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行組合預(yù)測(cè)，求得下一日的家庭負(fù)荷功率以及分布式光伏出力。并根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、可調(diào)負(fù)荷設(shè)備信息和分時(shí)電價(jià)，結(jié)合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度策略求解目標(biāo)函數(shù)，得到下一日家庭蓄電池SOCBT(t)、電動(dòng)汽車(chē)SOCEV(t)以及可調(diào)度負(fù)荷的工作狀態(tài)s(t)，生成最優(yōu)用電計(jì)劃?？蛻?hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)將用電計(jì)劃同步給家庭智慧用能服務(wù)平臺(tái)，并通過(guò)智能插座直接調(diào)節(jié)控制家庭用電負(fù)荷，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)以及蓄電池的調(diào)節(jié)控制則通過(guò)能源路由器進(jìn)行。

在日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度階段，客戶(hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)內(nèi)分布式能源和家庭負(fù)荷設(shè)備的電壓、電流、功率、電量等信息，并通過(guò)省級(jí)物聯(lián)管理平臺(tái)主動(dòng)上報(bào)給家庭智慧能源服務(wù)平臺(tái)，家庭智慧用能服務(wù)平臺(tái)根據(jù)上報(bào)的家庭負(fù)荷數(shù)據(jù)，并通過(guò)15 min 超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)評(píng)估各臺(tái)變運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)整體調(diào)度。當(dāng)實(shí)時(shí)或預(yù)測(cè)臺(tái)變發(fā)生負(fù)載率大于臺(tái)變負(fù)載極限，配變負(fù)荷上升到配變?nèi)萘繒r(shí)，則給客戶(hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)下達(dá)實(shí)時(shí)或?qū)?yīng)預(yù)測(cè)時(shí)段負(fù)荷限制的控制指令?？蛻?hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)根據(jù)負(fù)荷限制要求，調(diào)用日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度策略，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)家用蓄電池、電動(dòng)汽車(chē)以及空調(diào)和熱水器進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成最佳的負(fù)荷控制計(jì)劃，并通過(guò)路由器和智能插座實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)節(jié)控制，響應(yīng)家庭智慧能源服務(wù)平臺(tái)下發(fā)的負(fù)載限制要求，避免負(fù)載越限，同時(shí)享受電網(wǎng)給予的需求響應(yīng)激勵(lì)補(bǔ)貼。

5 實(shí)例分析

以北京某小區(qū)典型家庭進(jìn)行分析，家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式發(fā)電為額定容量6 kW 的光伏電源，家用蓄電池容量為10 kW·h，電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能電池容量為16 kW·h，熱水器為80 L 額定功率3 kW，4 臺(tái)變頻空調(diào)（3 匹1 臺(tái)，制冷1.96 kW，制熱3 kW；1.5 匹3 臺(tái)，制冷0.78 kW，制熱1.5 kW）。蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)的充、放電效率θBT,c、θBT,d和θEV,c、θEV,d均取0.8，最大充、放電功率PBT,c,max、PBT,d,max和PEV,c,max、PEV,d,max均取2 kW、1.8 kW，最大、最小荷電狀態(tài)SOCBT,max、SOCBT,min和SOCEV,max、 SOCEV,min均 取0.9 和0.2，充放電次數(shù)限值λBT、λEV為8 和6，轉(zhuǎn)化系數(shù)φ為0.05，用戶(hù)上網(wǎng)售電價(jià)格按0.45 元/(kW·h)，電動(dòng)汽車(chē)不參與負(fù)荷調(diào)度的起、止時(shí)間為07:00:00、18:00:00。日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度周期考慮1 天的時(shí)間，可劃分為長(zhǎng)度為1 小時(shí)的24 個(gè)子時(shí)段，即：T=24，Δt=1。系統(tǒng)可調(diào)負(fù)荷設(shè)備見(jiàn)表1，北京地區(qū)的分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表2 所示。

表1 系統(tǒng)可調(diào)負(fù)荷設(shè)備Table 1 Adjustable load equipments in household microgrid system

表2 北京地區(qū)分時(shí)電價(jià)定義Table 2 Definition of TOU pricein Beijing

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，分布式光伏發(fā)電出力和家庭負(fù)荷的預(yù)測(cè)如圖4 所示，日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖4 分布式光伏出力和家庭負(fù)荷功率預(yù)測(cè)Fig.4 Distributed photovoltaic output and prediction of household load power

圖5 可調(diào)度負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.5 Optimal dispatching results of schedulable load

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.6 Optimal dispatching results of energy storage system

根據(jù)圖5 可調(diào)度負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果可知，電動(dòng)自行車(chē)、電飯煲和洗碗機(jī)都安排到了谷電價(jià)時(shí)段工作，洗衣機(jī)、除濕機(jī)和掃地機(jī)器人被安排到了平電價(jià)時(shí)段工作，而且掃地機(jī)器人安排到了2 個(gè)時(shí)間段分別工作，通過(guò)優(yōu)化，可調(diào)度負(fù)荷設(shè)備都被安排到了低電價(jià)時(shí)段或較低電價(jià)時(shí)段運(yùn)行。

根據(jù)圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在谷電價(jià)時(shí)段，電動(dòng)汽車(chē)和蓄電池分別于23:00:00 和02:00:00 開(kāi)始充電，并且于04:00:00 和06:00:00 完成充電，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能電池SOC 達(dá)到了最大；在07:00:00～18:00:00，電動(dòng)汽車(chē)滿(mǎn)足正常上班出行需求并消耗電能，不參與系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度；在07:00:00～10:00:00 平電價(jià)時(shí)段，蓄電池?zé)o任何動(dòng)作；在10:00:00～15:00:00 第一個(gè)峰電價(jià)時(shí)段，蓄電池開(kāi)始放電，在13:00:00 結(jié)束放電轉(zhuǎn)為充電，此時(shí)分布式光伏發(fā)電大于家庭負(fù)荷；在18:00:00～21:00:00 第二個(gè)峰電價(jià)時(shí)段，家庭負(fù)荷達(dá)到最大高峰，家用蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)放電提供電能，在20:00:00 蓄電池SOC 達(dá)到最小值停止放電，而電動(dòng)汽車(chē)持續(xù)放電出力直至峰電價(jià)時(shí)段結(jié)束。

圖7 為使用日前優(yōu)化調(diào)度策略前后的費(fèi)用對(duì)比，家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)日前負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果充分說(shuō)明了系統(tǒng)策略調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性，可以看出峰時(shí)段和平時(shí)段購(gòu)電支出都有所降低，谷時(shí)段略有升高，家庭用戶(hù)支出費(fèi)用整體降低了7.128 元。同時(shí)家庭微電網(wǎng)凈負(fù)荷平坦度成本得到了降低，由2.4823 降低為1.8669，系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線更加平滑。另外，家用蓄電池充放電均為2 次，電動(dòng)汽車(chē)充放電均為1 次，并且未發(fā)生電池SOC 越限的情況，在減少了蓄電池動(dòng)作次數(shù)的同時(shí)保證了蓄電池的安全運(yùn)行。

在日內(nèi)運(yùn)行階段，電網(wǎng)在19:00:00 預(yù)測(cè)晚高峰20:00:00～21:00:00 將出現(xiàn)用電負(fù)載壓力過(guò)大，家庭智慧用能服務(wù)平臺(tái)給簽約的家庭微電網(wǎng)用戶(hù)下發(fā)負(fù)荷限制要求，在20:00:00～21:00:00 時(shí)間段家庭微電網(wǎng)整體負(fù)荷不超過(guò)2 kW，約定需求響應(yīng)激勵(lì)20 元/kW。

圖7 用戶(hù)收支費(fèi)用對(duì)比Fig.7 Contrast of user’s income and expenditure

根據(jù)19:00:00 超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，20:00:00 家庭負(fù)荷將經(jīng)達(dá)到6.3 kW，即使考慮電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能的出力（蓄電池SOC 已到最低），家庭負(fù)荷仍超過(guò)負(fù)荷限制要求，為4.3 kW，不滿(mǎn)足要求。客戶(hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)調(diào)用日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化，首先暫停蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)出力供電，保存電量到20:00:00 恢復(fù)供電；同時(shí)熱水器采用保溫和加熱方式，先保溫至42 ℃，19:30:00 點(diǎn)加熱至75 ℃；客廳空調(diào)由于全天運(yùn)行，無(wú)需提前調(diào)節(jié)，3 臺(tái)臥室空調(diào)分批錯(cuò)時(shí)提前開(kāi)啟。在進(jìn)入20:00:00～21:00:00 時(shí)間段，開(kāi)啟蓄電池和電動(dòng)汽車(chē)出力供電；熱水器和空調(diào)采用節(jié)能策略，即熱水器采用保溫模式，4 臺(tái)空調(diào)采用動(dòng)態(tài)調(diào)溫模式，溫度升高1～2 ℃。通過(guò)測(cè)試，家庭負(fù)荷降低為1.8 kW，完成了電網(wǎng)負(fù)荷限制要求，可享受電網(wǎng)需求響應(yīng)激勵(lì)補(bǔ)貼86 元（有效響應(yīng)日內(nèi)負(fù)荷調(diào)節(jié)4.3 kW 一小時(shí)），同時(shí)避免了違約責(zé)任。另外若電網(wǎng)根據(jù)配變臺(tái)區(qū)實(shí)時(shí)負(fù)載情況，20:30 繼續(xù)下發(fā)實(shí)時(shí)需求響應(yīng)需求，限制家庭微電網(wǎng)整體負(fù)荷不超過(guò)1.5 kW，則系統(tǒng)可根據(jù)優(yōu)先級(jí)先后順序依次強(qiáng)行關(guān)閉對(duì)應(yīng)設(shè)備，并實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)荷情況和用戶(hù)舒適度，以滿(mǎn)足電網(wǎng)實(shí)時(shí)負(fù)荷響應(yīng)的需求。

6 結(jié)論

本文建立的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏發(fā)電、家用蓄電池、電動(dòng)汽車(chē)、家庭負(fù)荷設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度和控制。

1）以用戶(hù)用電成本最低和凈負(fù)荷曲線平坦度為優(yōu)化目標(biāo)建立了優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度策略，能夠在減少居民用戶(hù)用電成本的同時(shí)降低儲(chǔ)能電池的動(dòng)作次數(shù)，提高了家庭用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)收益，系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線更加平滑；

2）結(jié)合空調(diào)和熱水器的工作負(fù)荷特性，通過(guò)日內(nèi)需求響應(yīng)調(diào)度策略，系統(tǒng)可響應(yīng)臺(tái)區(qū)負(fù)載過(guò)大時(shí)的負(fù)荷限制需求，完成家庭微電網(wǎng)的負(fù)荷限制控制；

3）家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)基于邊緣計(jì)算的理念和技術(shù)，通過(guò)部署模組化的客戶(hù)側(cè)能源控制網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和模塊化，能夠有效提高臺(tái)區(qū)運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。