淺析優化居民小區家庭電能管理系統的設計與應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：現如今，分時電價的盛行改變了原來的用電模式，不僅要保證用電費用降低，更要保證用戶用電的舒適度。因此提出了基于分時電價和多目標優化的家庭電能管理系統。首先 ，將常用的家用設備按照家用設備的用電特性進行了分類。然后，家庭電能管理系統優化調度模型的建立以家庭用電成本的優化，用戶舒適度的提升和碳排放量的追蹤為目標。對家庭電能管理系統模型使用改進的粒子群算法進行優化驗證。通過使用 Matlab 進行仿真實驗 ，驗證該方法在降低用電成本提高用戶舒適度和追蹤碳排放量方面有顯著的優化效果。

關鍵詞：家庭電能管理；分時電價；多目標優化；改進的粒子群算法；優化調度

0 引言

從目前國內外的研究來看，對于家庭微電網優化調度問題有大量的研究，提出如何將居民用電設備進行分類。本文在沒有光伏發電與風力發電等能源裝置，結合了已有的家庭電能管理系統研究基礎，考慮優化目標用戶舒適度、電價成本和碳排放量的追蹤建立在分時電價下的多目標模型，以保證不同家電用電行為下的調度。因此提出了基于分時電價和多目標優的家庭電能管理系統的優化模型，該模型對家用設備進行了分類，并對設備進行監控，管理使其合理的運行達到的運行狀態。*后通過Matlab仿真算例驗證該模型對家庭用電設備有較好的適應性，也保證用戶舒適度。

1 家庭電能管理系統架構

家庭電能管理系統是電網在用戶消費側的重要組成部分，它利用一定的技術手段來實現用戶對家庭用電設備的檢測、管理和減少電費開支。在分時電價的大環境下合理地使用電器來達到減少電費，控制以家庭為主的碳排放，起到保護環境的作用。利用多目標優化算法使用戶舒適度 、電能消耗和碳排放達到其架構如圖 1所示。

系統主要包括智能插座，智能電表。智能電表可以把家庭的用電情況上傳給國家能源網），電網通過智能電表給用戶家庭提供電能和提供分時電價的價格。智能插座連接用戶的用電設備，獲取用電設備的基本數據，例如功率，電壓和用電時長等，并且通過電閘進一步來控制設備。收集到的數據通過智能插座上傳給多目標優化器來進行分析。多目標優化控制器將得到的數據結合三個優化條件（用戶舒適度碳排放量和電能的消耗）和電網公布的分時電價及用戶對設備的使用意向來進行優化，并把優化的結果傳送給智能插座來控制設備的使用。

2 家庭電能管理系統優化模型

家庭電能管理系統是針對擁有多個家居用電設備的單個用戶，這些設備通過智能插座全部與管理系統相連。當HEMS開始運行后，這些設備就會立即作出反應，在整個優化過程里，系統會將優化的時間劃分為長度相同的子時間段。

2 .1 用電負荷模型

在日常生活里，每個用電設備都有不同的用電方式，本文依據設備間的用電特性將所有家用設備分為剛性設備柔性設備和 HVAC設備。剛性設備表示用電設備的使用時間不會根 據優化系統而改變，例如冰箱、電燈等。柔性設備又根據設備使用時間在平移過程中可否中 斷分為兩類： ①可平移不可中斷設備，如洗碗機、洗衣機，其運行時段可以進行移動、調整，但工作期間設備不可中斷；②可平移可中斷設備，表示此類家用設備的使用時間根據優化系統而發生變化，并且在運行期間可中斷使用，如電動車，熱水器。HVAC 設備表示此類設備的使用情況只與溫度有關，如空調。

2.1.1 剛性設備

該類設備直接影響著用戶的正常生活，不會隨著優化發生改變，例如電冰箱，電燈等。

剛性設備模型：

2.1.2 柔性設備

該類設備的用電時間較為靈活，依據用電特性和用電過程中可否中斷分為可平移不可中斷設備和可平移可中斷設備。

可平移可中斷設備模型：

2.1.3 HAVC設備

暖通空調系統（heating，ventilation and aircon- ditioning，HVAC）是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環的控制系統，因此室內外溫度，以及用戶自行設置的*佳溫度值和房屋的熱參數決定了該類設備的運行時間 。

2 .2 優化調度目標函數

2.2.1 經濟目標函數

經濟目標函數是把家庭用電費用作為優化目標。優化后的值越小表示優化效果越好。

2.2.2 用戶舒適度函數

用戶舒適度函數是將用戶對用電設備優化后的使用時間段的滿意度作為優化目標。優化 后的數值越大，表示用戶對于優化后的設備使用時間滿意度越高。

2.2.3 碳排放量函數

家庭側碳排放有很多種，例如汽車尾氣排放，煤氣灶生活做飯等，本文選擇煤炭發電導 致的碳排放，根據市場調查每消耗一度電的碳排放量是 0.785 kg。就目前國內的情況，小區沒有安裝光伏發電裝置，碳排放量與用電量消耗的線性關系如下：

在以后的發展中，小區里有了光伏發電裝置后，碳排放量與光伏發電的使用效率有關，當光伏發電的用電效率達到碳排放量；反之當光伏發電的用電效率達到，碳排放量達到*大。在光伏發電裝置中，需要有發電、儲電的過程。本文不再贅述。

2 .3 約束條件

2.3.1 功率對等約束條件

在家庭系統中電能需要守恒，即生產的電能與消耗的電能應該保持平衡。功率平衡約束如下：

2.3.2 溫度設備約束條件

用戶對于溫控設備的運作時間與工作時段并不關心，關心的是在特定的時間內由溫控設 備控制的溫度有沒有達到要求。所以對溫控設 備來說不存在時間約束，只存在溫度約束。其溫度約束如下：

2.3.3 工作時間約束條件

對某一電器設備來說，需要工作的時間片數為 N，HEMS需要保證每一個電器設備都能夠完成工作。所以每個電器設備工作的時間片數應該與 N 相等，即：

2 .4 多目標優化調度策略

2.4.1 多目標優化算法

在 2.2節介紹的3個目標（用電費用戶舒適度和碳排放量）中，如果僅將用電費用優化到低，在電價較低時才使用電，不可避免地會引起用戶的不滿。同樣，當一個目標達到佳時，會對其他兩個優化目標產生一定的影響。本文的多目標優化調度策略綜合考慮用電費用戶舒適度以及碳排放量的因素，使得達到優。

傳統多目標優化方法都是根據對不同目標的不同要求，將目標通過某種方式轉變為單目標優化可以求解的問題。缺點是僅能求出優化問題的局部優解，求解的結果強烈依賴于初始值。智能優化算法的提出改善了這方面的問題。目前的智能算法就是粒子群算法。

2.4.2 粒子群算法

粒子群（particleswarm optimization ，PSO）算法從隨機觸發，通過迭代尋找到優解。粒子群的標準算法容易陷入局部優，導致結果不準確，且不能解決離散及組合優化問題。因此本文使用改進的多目標粒子群算法，在該算法中每個粒子的速度和位置按照如下方程來更新：

2.4.3 算法比較

圖2是標準的粒子群算法流程圖，圖,3是改進的粒子群算法流程圖。比對圖2與圖3能看出，改進的粒子群算法，在標準的粒子群算法基礎上，改變了權重因子w和學習因子c的取值方法，提高了粒子群算法的全局搜索能力，避免陷入局部優。

3 家庭電能管理系統

家庭電能管理系統運作流程如下：

（1）在優化前，多目標優化控制器獲取到設備的所有參數，其包括用電設備的額定功率和工作時長，以及用戶希望設備工作的時間段。

（2）智能電表將獲取到的分時電價信息上傳給多目標優化控制器。

（3）多目標優化器通過平移柔性設備的運行時間來節省電費，通過每一天的電量使用檢測追蹤用戶側的碳排放量，通過使設備在用戶理想的時間段運行來保證用戶滿意度，后結合約束條件，制訂各柔性負荷的調度計劃。

（4）多目標優化控制器把調度計劃上傳給智能插座 ，使其在相應的時間段運行各用電設備。

調度流程圖如圖 4 所示。

4 實例分析

4 . 1 算例參數

本文以某一家庭數據為例進行分析。該用戶家庭安裝有智能電表和多目標優化控制器，根據設備的特性不同，其家庭用電負荷情況不同，剛性負荷如表1所示，柔性負荷如表2所示。

家居設備優化的目的在于保證各設備完成既定工作的前提下，盡可能壓縮用戶的電能成 本，同時保證負荷曲線峰谷差不致過大；用戶可以根據各自的習慣在HEMS中設置設備優化 參數，根據這些參數以及電網提供的分時電價信息，HEMS可對家居用電設備進行運行優化。 例如，用戶可設置在晚上回家后的18；00至次日7：00之間對電動車進行充電操作，為了不影響用戶在第二天對電動自行車的正常使用

須保證充電結束時充電量達到其總容量的90%以上，HEMS會根據電網提供的分時電價信息選擇合適的充電時段，達到壓縮電能成本的目標。其次對于空調的使用，全時段待機等候命令，當室內溫度不在規定的溫度范圍時，空調開始運作，直到溫度達到用戶設定的溫度則停止運作?？照{的參數設置如表 3 所示。

4 .2 仿真結果

在對整個數據進行分析的過程中，使用了Matlab軟件，并將得到的結果以圖的方式表現出來。從圖 5 可以看出，當室外溫度大于室內溫度時，空調開始運作，直到室溫保持在溫度設定范圍內則停止工作當空調處于待機狀態時消耗的電量可忽略不計。圖 6 是標準的粒子群算法下的優化調度結果，圖7是改進的粒子群算法優化后調度結果。從兩幅圖可知，將負荷從峰時段平移到谷時段或者平時段，來減少電費。

圖8為使用多目標優化系統前后各個時段的電量費用對比，家庭電能管理系統負荷優化調度結果充分說明了系統策略調度的經濟性電費大部分都產生在峰時段，而優化后HEMS系統 將一部分負荷轉移到平時段和谷時段，從而減少了峰時段電量的高運作。圖9多目標優化系統前后各個時段的電量總費用對比，可以看出優化后的費用增加平緩 ， 并低于優化前電費。從兩幅圖中能夠明顯地對比出，峰時段和平時段購電支出都有所降低 ， 谷時段略有升高。從圖8和圖9能看出，使用標準的粒子群算法和改進的粒子群算法都能夠減少電費，標準的粒子群算法比優化前減少了7.2%，改進的粒子群算法減少了4.3%。

圖10 為使用多目標優化系統前后各個時段的功率對比圖，使用優化系統之前，大部分的柔性設備都集中在了峰時段，也就是11：00— 13：00， 19：00—21：00；在優化后，將一部分設備從峰時段移動到谷時段，有效避開了峰值電價時間段，達到了設備平移的目的起到了有效的削峰填谷作用。

表 5 為優化前后關于電費、滿意度和碳排放量的數據對比。從表中可以清晰地看出使用了優化算法后電費都減少了，但用戶對設備的使用時間滿意度，改進的粒子群算法比標準的粒子群算法要高，標準的粒子群算法的電費降低了7.2%，滿意度降低了23.9%，改進的粒子群算法電費降低了4.3%，滿意度降低了11.8%，從數據能夠看出，標準的粒子群算法容易陷入局部的優化結果不是很理想。

5 安科瑞電能管理系統

5.1概述

用戶端消耗著整個電網百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，節約電能，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

5.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫用衛生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統結構

5.4系統功能

1）實時監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。

2）電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變為手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、指ding時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監視

系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電可靠。

6）實時提醒

系統具有實時提醒功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監測，并根據事件等級發出告警。系統提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發出聲音提醒。

7）歷史事件查詢

系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和提醒進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

8）電能質量監測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續性的監測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶權限管理

系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

12）畫面監控

畫面監控展示了當前實時畫面（畫面直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內畫面信息。

13）用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

5.5系統硬件配置

6 結語

本文在構建家庭電能管理系統架構，家庭用電負荷模型的基礎上，提出了一種基于實時電價和多目標優化的家庭電能管理系統的調度與實現。以某一個家庭用戶為例，在Matlab平臺下進行了數據的仿真模擬。通過數據的仿真結果，我們可以得出：本文提出的家庭電能管理系統能夠更好地兼顧用戶側的用電成本和用戶對用電設備的舒適度，也從家庭方面針對碳排放做了檢測與追蹤，對環境保護起到一定的作用，對以后減少碳排放做出貢獻。在未來，以小區為單位有了光伏發電裝置之后，可進一步優化電費，同時對碳排放量的減少也可進行優化，來增加HEMS的經濟效益。并且小區的所有用戶都使用了能量管理系統后，與區塊鏈技術相結合，以此來共享發電成本。每個家庭都采用其*佳策略來*小化能源消耗成本，用戶可以維護自己的能源消耗隱私。此外，能量管理系統分布在區塊鏈上，為參與者提供一個可信的通信媒介。穩固智能合約旨在交易的執行，無需智能社區第三方的參與。

【參考文獻】

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【3】周中.智能電網用戶端電力監控與電能管理系統 產品選型及解決方案[M] .北京：機械工業出版社，2012.

【4】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05

作者簡介：任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理研究發展。