基于粒子群算法的家庭能量管理系統(tǒng)成本優(yōu)化問題

董翔逸，邵曉根，管瑞林

摘要：該文主要研究家庭能源管理系統(tǒng)中對于電力調(diào)度優(yōu)化分配達到最小化成本的問題，通過建立家庭能源優(yōu)化調(diào)度模型，針對峰谷電價及用戶偏好設置結(jié)合粒子群算法進行模擬仿真，該文提出的分段負載使用具有較高的參考性和可行性，具有實際應用價值。

關鍵詞：粒子群算法;能量優(yōu)化調(diào)度;用戶偏好設置

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0122-03

1 背景

現(xiàn)今用戶的服務需求改變及能源利用形式的多樣化，使得曾經(jīng)的電力用戶逐漸從電網(wǎng)的被動參與者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c者，這種轉(zhuǎn)變?nèi)Q于電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律。隨著電網(wǎng)階梯電價和峰谷電價的推行，用戶將獲得更多改變用電行為的激勵，更加敏感用電成本的提高。此外，隨著用戶能源利用形式的變化，需求側(cè)的電源越來越多的接入電網(wǎng)，因此，建設與用戶雙向友好互動的智能電網(wǎng)，為用戶實時提供及時準確的用電信息，由用戶自主選擇用電模式，滿足多元化需求，將是未來智能用電的發(fā)展方向[1]。本文主要研究家庭能源管理系統(tǒng)中對于電力調(diào)度優(yōu)化分配達到最小化用電成本的問題。

2 家庭能源管理系統(tǒng)的問題描述

傳統(tǒng)的HEMS研究一直以優(yōu)化調(diào)度作為研究重點。為滿足居民主觀的舒適度體驗，用戶偏好設置成為除去電價、光照、室內(nèi)溫度等客觀因素的主要問題。

構(gòu)建基本的配電方案框架，系統(tǒng)通過整體評估結(jié)合用戶偏好設置做出初步調(diào)度計劃，在實際運行過程中根據(jù)客觀變化的因素進行實時修正，給出實時響應的環(huán)境適應方案[2]，如圖1所示。

3 家庭能源管理系統(tǒng)的模型建立

本文建立HEMS實時修正動態(tài)規(guī)劃模型用以制定環(huán)境自適應型電能調(diào)度方案，可將模型簡單描述為如下：

1）負載設備運作需要滿足正常工作的功率。

2）通過對工作負載的時間調(diào)度進行能量優(yōu)化。

3）儲能系統(tǒng)放電過程不超過額定功率。

4）最終能力優(yōu)化反應形式為家庭電網(wǎng)購電的成本最小化。

3.1 模型假設

在對HEMS電能優(yōu)化調(diào)度問題建模過程中，為保證模型的準確性、運算的簡便性，本文做出如下假設：

1）電能無傳導損耗，僅由負載設備消耗。

2）控制器與各模塊間信息交互為實時響應。

3）負載工作狀態(tài)以額定功率穩(wěn)定運行。

3.2 模型描述

本文首先結(jié)合用戶的偏好設置與客觀因素，以下為HEMS的基本工作流程如圖2所示：

3.2.1 預測總體能量優(yōu)化調(diào)度模型

根據(jù)偏好設置將日前計劃調(diào)度[2]設為[H]個小時，并將每個小時細分為[l]個時間段，則日前可調(diào)度時間為[D=l?H]。總的約束包括總用電量約束、總用電量成本、時段用電量約束和時段用電成本，主要表現(xiàn)形式如下：

[Et=a=1npat+pbat-CtWt=Et?itEt>0Et?etEt<0minW=t=1DWtEt≤Emax/l]

其中，在[t]時段內(nèi)，[Et]為HEMS通過電網(wǎng)購買的電量;[pat]為負荷用電量;[pbt]為儲能系統(tǒng)的放電量;[Ct]為光伏、風力預測電量;[it]為買入電價;[et]為饋電賣出電價;[W]為用電成本。

3.2.2 可再生能源發(fā)電預測

光伏、風力出電受到季節(jié)、天氣等不確定因素影響，能源輸出存在隨機性和波動性[3]，以下為模擬光伏、風力輸出預測公式：

[Ct=Ct1+Rp?Ep]

其中，[Ct]為[t]時段光伏、風力出電的歷史數(shù)據(jù);[Rp]為服從正態(tài)分布的隨機數(shù);[Ep]為對出電的預測不確定閾值，取8%。

3.2.3 儲能系統(tǒng)模型及約束條件

本文研究的HEMS系統(tǒng)通過儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)進行購電及饋電操作，其放電規(guī)律約束如下：

[minpbt≤pbt≤020%EB≤Ebt-1+η?pbt≤90%EB]

其中，[pbt]為儲能系統(tǒng)的放電量，取負;[Ebt-1]為[t-1]時刻的儲能;[EB]為儲能系統(tǒng)的最大儲電量;[η]為效率。

3.2.4 電能負載模型及約束

對于HMES中所包含的電能負載可大致分為：

1）剛性負載：該類負載彈性時間為零，使用狀態(tài)直接影響用戶正常生活，如電燈等。

2）柔性負載：該類負載根據(jù)工作狀態(tài)分為可中斷及不可中斷負荷，根據(jù)上述對于日前調(diào)度的劃分建立如下模型：

①不可中斷負荷：

[Tsa≤tsa≤t≤tea≤Teatea-tsa+1=dapa=PNa?SatTea-Tsa≥da]

其中，[tsa]，[tea]為負載[a]工作的起始時間;[Tsa]，[Tea]為負載[a]允許工作的起始時間;[da]為工作時長;[PNa]為負載[a]額定功率;[pa]為電量消耗。

②可中斷負載：

[Tsa≤t≤Teat=TsaTeaSat=dapat=PNa?SatTea-Tsa≥da]

其中，[Tsa]，[Tea]為負載允許工作的起始時間;[da]為工作時長。在此引入0-1變量[Sat]來表示設備的工作狀態(tài)如下：

[Sat0負載關閉1負載工作]

4 HEMS的粒子群算法設計

本文建立的HEMS能量優(yōu)化調(diào)度模型為非線性0-1整數(shù)規(guī)劃模型，因此采用二進制粒子群算法求解優(yōu)化問題。

4.1 HEMS的粒子群算法步驟

4.1.1 輸入基本條件

日前優(yōu)化調(diào)度模型中預測電價、可再生能源饋電、負載工作時間、負載工作狀態(tài)表示。