时下流行的家庭能源管理系统(Home Energy Management System, HEMS)是智能电网需求侧响应项目在居民侧的拓展^[1]。HEMS的主要目标是节约能源、降低用户能源消耗成本以及提高用户的舒适度^[2]。

家庭用电设备的运行调度是HEMS的核心问题。最近, 一些研究提出了针对HEMS的用电调度策略。在分时电价机制下, 对居民侧的多种用电设备进行调度, 为用户节省电费。文献[3]通过实时优化调度, 降低光伏(Photovaltaic, PV)发电和用户用电不确定的影响, 进而降低实际用电调度的成本。在文献[4]提出的HEMS优化调度模型中, 将调温设备、蓄电设备和其他用电设备结合起来进行建模, 其调度目标也是为了减少系统运行成本。

不同用户的用电习惯不同, 同一个用户在不同日期的用电情况也不同, 因此在家庭微电网中会存在用电过剩或者用电缺额的情况。在传统的HEMS中, 用电不足时用户只能从电网购买电能进行补充; 用电过剩时只能出售给电网。这种仅存在用户与电网之间的电能交换往往忽视了用户与用户之间电能交换可以进一步降低用电费用的潜能。

本文提出的基于共享蓄电池下的多用户HEMS调度模型, 不仅具有蓄电池模型的优点, 而且可以让多个用户间的电能互济, 从而进一步节约用电电费。

HEMS是由智能家居和智能电网构成的, 并且借助智能化的电表测量, 将小区家庭用户全部用电、发电和储能设备整合为一体的小区家庭智能化网络下的控制系统。在本文考虑的HEMS中, 电力公司发布的电价信号和需求响应信号通过智能电表传给HEMS的控制器, HEMS的控制器通过家庭局域网利用无线(例如ZigBee)的方式与智能电器或智能插座进行通信交流, 并结合用户设置的参数, 以满足用户需求, 且以最小化电费为目的自动调度用电设备的运行。

传统的HEMS使得用户与电网之间存在电能交流, 如图 1所示。当用户发电不足时只能从电网购买电能, 电能过剩时则保存在蓄电池中或出售给电网^[5]。该模型的缺点是用户与用户之间的能源无法交流, 导致电能不能得到充分利用。

本文提出一个基于共享的HEMS, 如图 2所示。这里的用户象征着用电设备, 用电量不足时除了可以向电网买电外, 还可以通过共享蓄电池得到其他用户的剩余电能; 过剩时, 不仅可以出售给电网, 还可以出售给其他的用户。单个用户通过共享蓄电池进行了多用户之间的联系, 使得电能得到充分的利用。

一般认为, 小区家庭里的电气设备可分为刚性负荷和柔性负荷两类^[6]。刚性负荷和柔性负荷的区别在于其具有的调度时间弹性。刚性负荷没有时间弹性, 用户并不会为了降低电费而去降低用电体验, 故这类设备的用电需求应优先被满足。本文对刚性负荷不进行建模, 但在计算用户总用电需求时, 要将其消耗的电能包括在内; 而对于柔性负荷, 如洗碗机、洗衣机、烘干机和水泵等, 用户只关心用电任务是否在给定时间内完成, 因此根据其用电灵活性来缓解电网负荷在最高峰时供电紧张的状况, 下面主要对这类设备进行建模。

将一天切割为H个连续的时间间段, 每个间段的长度为Δh_step=24×60/H (min)。用a=1, 2, 3, …, A表示柔性负荷的编号。引入一个二进制数s_a(h)表示设备a在时隙h的工作状态:s_a(h)=1表示设备处于工作状态; s_a(h)=0表示设备处于闲置状态。用[α_a, β_a]表示用户设定的设备a允许工作时间区域, d_a为设备a完成某项任务所需要的工作时长, 那么设备a应符合的基本时间约束^[7]为

$ \sum\limits_{h=\alpha_{a}}^{\beta_{a}} s_{a}(h)=d_{a} $

(1)

$s_{a}(h)=0 \quad h \in \frac{H}{\left[\alpha_{a}, \beta_{a}\right]}$

(2)

上述约束适用于所有柔性负荷。为了使模型更具有实用性, 本文将柔性负荷进一步分类。根据供电的持续性, 分为可中断设备和不可中断设备。下面讨论它们各自的约束条件。

可中断设备(如热水器等)在允许工作范围内可以开启或暂停, 不可中断设备(如电饭煲等)一旦开始运行就必须保证在开始时隙与结束时隙之间一次性完成工作需求。因此, 二者在符合以上基本时间约束的前提下, 还需符合如下约束条件。

(1) 可中断设备

$s_{a}(h)=\{0,1\}, h \in\left[\alpha_{a}, \beta_{a}\right]$

(3)

(2) 不可中断设备

$ \sum\limits_{\tau=h+1}^{h+d_{a}} s_{a}(\tau) \geqslant d_{a}\left[s_{a}(h+1)-s_{a}(h)\right] $

(4)

式(4)表示设备a在允许时隙内为连续d_a个1。

对于柔性设备(如电饭煲), 它在非工作状态的功率为零, 而在工作状态的功率为P_a。为了简化计算, 假设这种设备在工作时均以其额定功率P_a运行, 则其在时隙h的耗电量P_DEFE(h)的计算式为

$ P_{\mathrm{DEFE}}(h)=\sum\limits_{a=1}^{A} s_{a}(h) P_{a} $

(5)

本文将蓄电池作为家庭储能装置。荷电的状态(State of Charging, SOC)表示蓄电池的剩余容量与其额定容量的比值。在不同时刻下蓄电池的充放电过程会影响其SOC, 则其动态过程^[6]为

$\begin{aligned} S_{\mathrm{OC}}(h+1)=& S_{\mathrm{OC}}(h)+\\ & \frac{\left(P_{\mathrm{bat}}^{\mathrm{ch}}(h)-P_{\mathrm{bat}}^{\mathrm{dch}}(h)\right) \Delta h_{\mathrm{step}}}{E_{\mathrm{bat}}} \end{aligned}$

(6)

式中: 在不同时刻充入蓄电池的电能和其所释放出的电能;

E_bat——蓄电池的额定容量。

为了增加电池的用电寿命, 需要将其SOC限制在一定范围内, 其约束条件为

$ S_{\mathrm{OC}}^{\mathrm{min}} \leqslant S_{\mathrm{OC}}(h) \leqslant S_{\mathrm{OC}}^{\max } $

(7)

式中: 蓄电池荷电状态的上下界限。

当蓄电池放电至下界限时, 则不可以接着放电; 当蓄电池充电到上界限时, 则不可以继续充电。由于同一时刻蓄电池只允许是充电或放电中的一种, 因此引入一个二进制变量s_bat(h)表示电池的充放电状态。在时隙h下, 若电池处于充电状态, 则S_bat(h)=1;若电池处于放电状态, 则S_bat(h)=0。

考虑到蓄电池的充放电效率, 在任何一时刻蓄电池的充放电量限制如下:

$ 0 \leqslant \frac{P_{\mathrm{bat}}^{\mathrm{ch}}(h)}{\eta_{\mathrm{ch}}} \leqslant s_{\mathrm{bat}}(h) P_{\mathrm{ch}}^{\max } $

(8)

$0 \leqslant P_{\text {bat }}^{\text {dch }}(h) \eta_{\text {dch }} \leqslant\left(1-s_{\text {bat }}(h)\right) P_{\text {dch }}^{\max }$

(9)

式中:η_ch, η_dch——电池的充电和放电效率;

电池充放电量的最大值。

电池在各个时隙的输出功率的计算式为

$ P_{\text {bat }}(h)=\frac{P_{\text {bat }}^{\mathrm{ch}}(h)}{\eta_{\mathrm{ch}}}-P_{\mathrm{bat}}^{\mathrm{dch}}(h) \eta_{\mathrm{dch}} $

(10)

其正值表示充电, 负值表示放电。

在多用户里, 可以假设共享的蓄电池容量和充放电功率与单用户的蓄电池成正比, 其他约束不变。

不共享蓄电池下, 小区电能规划的对象是蓄电池的充放电行为以及对负荷的控制。首先根据实时电价来对负荷进行控制, 然后规划蓄电池的充放电行为。小区所安装的蓄电池, 通过弹性的充放电行为, 将蓄电池视为发电设备(当电网电价过高时或者阴雨天光伏发电不够时)进行放电, 同时将蓄电池看作负荷(电网的电价处于低谷时段以及晴朗的天气光伏发电充裕时)进行充电。将蓄电池加入小区中, 可以间接起到削峰填谷的作用, 同时也可以节省电费。加入蓄电池后的电能优化调度方法的思想是, 在一天里的充放电行为根据可再生能源的充裕度和电网的电价进行合理的调配, 以减少用电的波动性。

家庭能源控制系统的基本调度目标是节省用户用电费用。单用户调度目标函数可表示为

$\min C_{\mathrm{OS}, T_{\mathrm{elec}}}=\min \sum\limits_{h=1}^{H}\left[R_{\mathrm{TP}}(h) P_{\mathrm{GRID}}(h)\right]$

(11)

$\begin{aligned} P_{\mathrm{GRID}}(h)=& P_{\mathrm{NDEFE}}(h)+P_{\mathrm{DEFE}}(h)+\\ & P_{\mathrm{bat}}(h)-P_{\mathrm{pv}}(h) \end{aligned}$

(12)

式中:R_TP(h)——电力公司发布的实时电价;

P_GRID(h)——每个时间段家庭向大电网购入或卖出的电量, 正值表示购入的电量, 负值表示卖出的电量;

P_NDEFE(h)——所有刚性负荷在时隙h的总耗电量, 这类设备的用电量和用电时段不可调节, 需要实时监测以叠加到所有设备的总耗电量中;

P_DEFE(h)——柔性负荷的电力消耗量;

P_pv(h)——PV模块在h时隙的输出功率。

此外, 蓄电池在h时隙的输出功率P_bat(h)的正值为充电, 负值为放电。根据电网的需求响应机制, 每个时隙的P_pv(h)都应有上限的约束限制。

基于共享蓄电池能够实现小区用户间的电能互补, 使用户侧的可再生发电得到合理利用, 蓄电池充分发挥其储能功能, 同时也能满足小区内各个家庭的用电需求。因为单个用户通过共享蓄电池进行了多用户之间的联系, 进而使得用电费用更少。每个用户建模的思想是一致的。小区共享蓄电池下的最优经济调度目标为

$\min C \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} T_{\mathrm{all}}= \\ \min \left\{C_{\mathrm{OS}, T_{u 1}}+C_{\mathrm{OS}, T_{u 2}}+\cdots+C_{\mathrm{OS}, T_{u n}}\right\}$

(13)

式中:C_{OS, Tall}——小区内n个用户的总用电成本;

C_{OS, Tui}——第i个用户的用电成本, i=1, 2, 3, …, n。

该调度目标的约束为每个单用户的约束。

为了证明多用户基于共享下的HEMS具有更优的经济性, 本文假设某小区包含用户A和用户B, 分别在传统的HEMS和共享蓄电池的HEMS下进行仿真分析。本文讨论的HEMS包含用电设备、储能设备和屋顶光伏发电模块。对一天的用电任务进行优化, 将一天24 h分成48个连续的时间段。在调度执行前, 用户可以通过人机交互界面将柔性负荷的相关参数提供给调度控制器。假设两个用户的柔性用电器参数如表 1所示。表 1中, 用户A和用户B下的数字1表示有这个设备, 数字0表示没有该设备。在是否中断这列里, 1表示可以中断, 0表示不可以中断。

两个用户的刚性负荷功率以及光伏发电的功率如图 3所示。单个用户的储能设备为铅锌蓄电池, 其容量为40 kWh, 充放电功率最大值为5 kW, 充放电效率都为0.98, 其SOC需维持在0.2~0.9, 初始SOC都为0.5。

此外, 电力公司会将实时电价信息通过智能电表发送给用户。本文采用美国Ameren公司提供的实时电价数据。

用户A在传统HEMS下的调度结果如图 4所示, 其一天的用电费用为108.97 。由图 4可知, 用户A用电较多, 光伏发电没有剩余, 所以只能向电网买电而不卖电。在电网给定的买卖功率限制下, 根据实时电价曲线, 在电价低的时候买入电能为用电器供电和蓄电池充电储能; 在电价高的时候不买, 而是由蓄电池进行供电。同时, 根据电池SOC的限制, 在买电价格低时将买入的多余的电能储存起来, 在买电价格高时将之前储存的电能发出。因为储能设备的影响, 储能设备的充放电决策为中间调控手段, 可加强整体经济效益。

用户B在传统HEMS下的调度结果如图 5所示, 其一天的用电费用为-24.73 。由图 5(a)可知, 用户B为用电量较小的用户, 光伏发电提供的能源已经够用, 所以不必向电网买电, 甚至可以向电网卖电。在电网的卖电功率限制下, 卖电价格高的时候尽量卖出最大量的电。由图 5(b)可知, 在光伏发电多的时候将电能储存起来, 在设备用电量大时将电能发出。因为储能设备的影响, 储能设备的充放电决策为中间调控手段, 可加强整体经济效益。

用户A和用户B在基于共享的HEMS下的调度结果如图 6所示, 两者一天的用电费用为52.71 。由图 6可知, 用户B多余的电给了用户A而不是卖给了电网, 由此减少了与电网进行交换功率的时间段, 使得小区整体用电费用大大减少。

对比前后的优化结果, 可知基于多用户共享蓄电池后可以实现小区内部电能的合理分配, 减少了与电网交换功率的时段, 使得整个小区的用电费用大大减少。

本文介绍了面向HEMS的多用电设备运行调度方法。所提出的调度模型中包含了柔性负荷、刚性负荷和储能设备。在单用户建模过程中, 还考虑了储能设备的影响, 储能设备的充放电决策为中间调控手段, 可加强整体经济效益。仿真结果表明:多用户基于共享蓄电池的用电费用可以进一步优化, 节省电费; 将剩余的光伏电能进行合理调度, 可使多家庭用户间进行电能的互补共享, 电能得到合理的使用, 最终让小区能够在一定程度上降低购电费用。