家庭能源管理論文范文

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1智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)新需求

在不同的電網(wǎng)結構下家庭能源管理系統(tǒng)具有不同的功能，家庭能源管理系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的有機組成部分，智能電網(wǎng)為其提出了新的功能需求。傳統(tǒng)電網(wǎng)的能量流向是單向的，即電能由少量大容量發(fā)電廠集中生產(chǎn)，然后通過大規(guī)模的輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)送至用戶側(cè)，最終由用戶消費掉。在這種模式下，家庭用戶只是電能的消費者，被動參與電網(wǎng)的運行，家庭能源管理系統(tǒng)的功能就是提高用電效率，實現(xiàn)節(jié)能減排，功能單一；并且這種家庭能源管理系統(tǒng)主要考慮單一用戶用電效率的提高和舒適度的增加[8]，并未考慮大量用戶協(xié)同工作對電網(wǎng)的影響。智能電網(wǎng)除了大容量集中式發(fā)電廠外，還包含大量分布式電源和可再生能源，它具有復雜的潮流分布。電網(wǎng)和用戶之間的能量流是雙向的，家庭用戶不僅可以消費來自電網(wǎng)的電能，而且可以將本地分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的多余電能售給電網(wǎng)以獲得相應的經(jīng)濟效益。智能電網(wǎng)是一個完全自動化的供電網(wǎng)絡，其中的每一個用戶和節(jié)點都得到實時的控制，并保證從發(fā)電廠到用戶端電氣之間的每一個點上的電流和信息的雙向流動；能保證電網(wǎng)上各成員之間的無縫連接和實時互動。除了提高居民側(cè)用電效率、實現(xiàn)節(jié)能減排外，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)需要具備以下新功能：

1）支持需求響應在居民側(cè)的實施。目前電力資產(chǎn)利用效率低，研究表明20%的系統(tǒng)容量僅用于滿足電力峰值需求，其運行時間僅占系統(tǒng)運行時間的5%。通過實施需求響應可以降低電力需求的“峰谷比”和電力資產(chǎn)投資額，提高電力資產(chǎn)的利用效率，增強電力系統(tǒng)運行的安全性。需求響應在大工業(yè)用戶和商業(yè)用戶中已經(jīng)得到了實施；然而單個家庭用戶用電量少，而用戶數(shù)量眾多，在傳統(tǒng)電網(wǎng)下無法有效實施需求響應。但據(jù)美國能源管理委員會（FederalEnergyRegulatoryCommission）報告，居民用戶側(cè)是通過實施需求響應來削減電力峰值需求的最大潛在領域。在智能電網(wǎng)環(huán)境下，借助于家庭能源管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)這一功能。此外，居民用戶通過家庭能源管理系統(tǒng)對電力公司的動態(tài)電價信號進行合適的響應，對用電設備進行優(yōu)化控制可以降低用戶用電費用。

2）支持風力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式可再生能源接入電網(wǎng)。智能電網(wǎng)中存在大量的分布式電源，其中風電和光伏發(fā)電是居民側(cè)最常見的分布式可再生能源形式，它們對于提高可再生能源的利用率、優(yōu)化能源結構、降低用戶用能費用具有重要意義，但同時使配電網(wǎng)中的潮流復雜化。另外風能、太陽能具有間歇性和隨機性的特點，風電和光伏發(fā)電的大規(guī)模接入會給電網(wǎng)電能質(zhì)量和電網(wǎng)的安全運行帶來挑戰(zhàn)。家庭能源管理系統(tǒng)需要為家庭用戶擁有的分布式可再生能源接入電網(wǎng)提供支持。

3）支持大規(guī)模電動汽車安全接入電網(wǎng)。電動汽車具有節(jié)能環(huán)保、運行費用低的優(yōu)點，對于減少交通運輸領域的能量消耗和溫室氣體排放具有重要的作用。但電動汽車具有電池容量大、充電功率高、接入電網(wǎng)充電時間集中的特點。大量電動汽車無序接入電網(wǎng)充電會造成電力需求峰值增加，電網(wǎng)供需失衡，輸電線路和變壓器過載等后果，降低電力資產(chǎn)利用率，壽命，威脅電網(wǎng)的安全運行。通過家庭用電網(wǎng)絡接入電網(wǎng)是電動汽車入網(wǎng)充電的重要方式之一，利用家庭能源管理系統(tǒng)對電動汽車的充電過程進行控制可以削弱或消除電動汽車上網(wǎng)充電對電網(wǎng)的不利影響[14]，同時減少用戶的用電費用。綜上，智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)除了實現(xiàn)提高用電效率、節(jié)能減排的基本功能外，還要為居民側(cè)需求響應的實施、分布式可再生能源和大規(guī)模電動汽車安全接入電網(wǎng)、降低用戶用能費用提供支持，這些新需求的實現(xiàn)為該領域的研究提出了新挑戰(zhàn)。

2智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)組成

與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能更多、更復雜，需要全新的系統(tǒng)結構支持這些功能的實現(xiàn)。智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)示意圖如圖1，它主要包括三類設備：用電負載、儲能設備和分布式電源。根據(jù)用電模式和用戶需求不同，用電負載分為可調(diào)度負載和不可調(diào)度負載。HVAC（Heating,VentilationandAirConditioning）系統(tǒng)、洗衣機、干衣機、熱水器、洗碗機、電動汽車、用于家庭泳池的抽水泵等，在一定條件下對這些設備的運行進行調(diào)度不會影響到用戶的舒適度，它們是可調(diào)度負載。不可調(diào)度負載主要包括計算機、打印機、冰箱、家庭娛樂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安保系統(tǒng)等，對這些負載進行調(diào)度會嚴重影響用戶的需求滿意度。對可調(diào)度負載的運行進行優(yōu)化調(diào)度是實現(xiàn)居民側(cè)需求響應的重要途徑之一。電動汽車是一種特殊的可調(diào)度負載，它不僅可以通過G2V（GridtoVehicle）從電網(wǎng)中吸收電能滿足用戶的交通需求，而且還可以通過V2H（VehicletoHome）向家庭環(huán)境內(nèi)的其他用電負載提供應急電能。大量電動汽車在集合者（Aggregator）的協(xié)調(diào)下可以組成大規(guī)模的電動汽車群（VehicleFleet）協(xié)同工作，通過V2G（VehicletoGrid）功能在用電高峰期間將電動汽車存儲的電能回饋給電網(wǎng)，起到調(diào)峰等輔助作用。電動汽車需要在家庭能源管理系統(tǒng)的控制下有序接入電網(wǎng)，以消除大量電動汽車無序接入電網(wǎng)造成的危害。目前，居民側(cè)的分布式可再生能源主要是風力發(fā)電和光伏發(fā)電。由于風能和光能的間歇性、隨機性，以及風能的反調(diào)節(jié)特性，需要利用儲能裝置改善風電和光伏發(fā)電的電能質(zhì)量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，提高其利用率。風電、光伏發(fā)電主要供給用戶自身使用，多余的電能賣給電網(wǎng)。儲能系統(tǒng)除了用于提高可再生能源的電能質(zhì)量和電能利用率外，還可以在電力需求的“谷底”從電網(wǎng)吸取電能，在用電高峰時期供給家庭用電負載使用，或者售給電網(wǎng)來獲取經(jīng)濟效益，降低用戶的用電費用。家庭能源管理系統(tǒng)與外界既有能量的交換，也有信息的交換。它通過智能電表與外部電網(wǎng)實現(xiàn)雙向能量流動和計量。智能電表也是電力公司和家庭能源管理系統(tǒng)進行通信的信息接口。用戶可以通過Internet網(wǎng)絡和家庭能源管理系統(tǒng)進行交互，比如通過Web頁面監(jiān)測當前家庭用能情況，對家庭用電設備進行控制。用戶還可以與朋友、同事等進行節(jié)能比賽，獲取節(jié)能建議等]。用戶也可以通過移動網(wǎng)絡與家庭能源管理系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)上述功能。智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)主要包含以下五個功能模塊：1）用戶設置模塊。用戶通過人機界面對家庭環(huán)境內(nèi)的設備進行參數(shù)設置，比如室內(nèi)環(huán)境溫度上下限、洗碗機的開始工作時間、電動汽車的充電完成時間等；可以設定不同用電設備的優(yōu)先級；選定不同的控制模式。用戶通過此模塊完成與系統(tǒng)相關的所有設置。2）檢測模塊。檢測模塊用于實現(xiàn)環(huán)境檢測、設備檢測和用戶行為檢測。環(huán)境檢測包括室內(nèi)的溫度、濕度、光照等因素的檢測；設備檢測指用電負載、儲能系統(tǒng)、分布式電源的工作狀態(tài)檢測，比如電動汽車的當前連接狀態(tài)、充電功率、電池荷電狀態(tài)等；用戶行為檢測包括用戶物理位置檢測和家庭環(huán)境內(nèi)用戶行為模式的識別。3）預測模塊。風電、光伏發(fā)電具有出力不穩(wěn)定的特點，利用預測算法對其功率輸出進行預測有利于提高它們的利用率。若用戶采用實時電價，還需要對電價進行預測；另外，也可以對家庭環(huán)境內(nèi)的負載進行預測，這些預測結果用于優(yōu)化調(diào)度過程以提高系統(tǒng)性能。4）優(yōu)化調(diào)度模塊。該模塊是家庭能源管理系統(tǒng)的核心，它根據(jù)用戶設置、設備工作狀態(tài)、環(huán)境信息、人員活動信息、電價信息、可再生能源的出力預測等信息對家庭環(huán)境內(nèi)的可調(diào)度用電負載及儲能系統(tǒng)的運行進行優(yōu)化調(diào)度，達到用戶預先設定的某一最優(yōu)目標，比如最小化用戶用電費用等。5）設備監(jiān)控模塊。該模塊根據(jù)優(yōu)化調(diào)度模塊計算的結果對用電負載、儲能系統(tǒng)的運行進行控制，實時監(jiān)測設備的工作狀態(tài)，并將設備的工作狀態(tài)和當前的用電狀態(tài)通過人機界面實時反映給用戶。家庭能源管理系統(tǒng)利用通信技術將家庭環(huán)境內(nèi)的用電負載、分布式電源、儲能裝置及檢測控制裝置組成網(wǎng)絡，實現(xiàn)用能的監(jiān)控，并實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡信息流的雙向流動。

3智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)關鍵技術及其未來研究方向

智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的技術體系如圖2所示。物理層由負載、儲能系統(tǒng)和可再生能源三類設備構成；在中間層檢測、預測、用戶設置的基礎上對物理層設備的運行進行優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化調(diào)度的結果通過設備監(jiān)控作用于物理層設備上，利用網(wǎng)絡通信技術構成家庭能源管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡；在中間層的支持下可以實現(xiàn)節(jié)能減排、需求響應、可再生能源接入、電動汽車接入等系統(tǒng)功能。在此技術體系中，檢測是進行優(yōu)化調(diào)度和監(jiān)控的基礎，優(yōu)化調(diào)度是核心，網(wǎng)絡通信技術是實現(xiàn)系統(tǒng)的關鍵技術之一。另一方面，風電、光伏發(fā)電出力預測、電價預測和負載預測可直接采用已有的預測算法。因此，本節(jié)從檢測技術、網(wǎng)絡通信技術和優(yōu)化調(diào)度算法三方面總結智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的關鍵技術研究取得的成果，討論存在的技術挑戰(zhàn)，并指出未來的研究方向。

3.1家庭能源管理系統(tǒng)的檢測技術與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)檢測的物理量范圍更廣、頻率更高、粒度更細。以檢測用電設備的耗電量為例，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)不僅要檢測家庭用戶的總用電量，還要將用電量細化到具體的用電設備和用電時段上。傳統(tǒng)檢測方法需要為每個檢測對象安裝傳感器，成本高，安裝、維護難，并且它是一種侵入式檢測方法，難以被用戶接受。非侵入式負載檢測方法可以彌補傳統(tǒng)方法的不足，是當前的研究熱點。它由MIT的GeorgeHart提出，最初用于居民樓負載監(jiān)測。該方法通過分析負載的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特征實現(xiàn)負載的識別。非侵入式負載檢測方法只需要在家庭環(huán)境內(nèi)安裝少量傳感器檢測關鍵節(jié)點的用電量，然后通過算法來確定具體設備的工作狀態(tài)和耗電量。圖3所示是安裝在用戶側(cè)的智能電表在一段時間內(nèi)測量的用戶用電功率實時曲線圖，可以采用基于“時間窗口”的方法以窗口期功率信號的邊沿特征、順序特征、變化趨勢和持續(xù)時間為特征量，通過與特征數(shù)據(jù)庫中的特征匹配來識別設備，從而將智能電表測量的總功耗分解到具體的用電負載。非侵入式負載檢測方法中設備特征選取和識別算法設計是關鍵，目前的算法有時間序列法、維特比算法、整數(shù)規(guī)劃法、模糊聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法等。非侵入式負載檢測方法采用的儀表少、成本低、安裝維護容易，易于被用戶接受，但對于能耗小、工作模式復雜的設備進行識別比較困難，并且隨著設備數(shù)量的增加，識別精度下降；大部分算法需要大量的訓練和標定過程。對家庭環(huán)境內(nèi)用戶的物理位置和行為進行檢測和識別，采用一定的方法對用戶的行為模式進行預測有利于家庭能源管理系統(tǒng)對設備的運行進行優(yōu)化調(diào)度。檢測手段除了傳統(tǒng)的紅外法、RFID標簽法外，還可以通過嵌入在家用電器中的無線收發(fā)器接收信號強度的變化來檢測人員活動信息。除了傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)為中心的人員行為檢測，也可以采用知識驅(qū)動的方式進行家庭環(huán)境內(nèi)人員行為檢測，比如利用本體對家庭環(huán)境和人員行為進行表示、建模，采用語義推理、分類和領域知識進行人員行為識別。目前，家庭環(huán)境內(nèi)人員活動行為的檢測和識別主要集中在單用戶方面，在實際家庭環(huán)境內(nèi)往往存在多個用戶，他們之間的行為具有耦合性，增大了行為識別和預測的難度，但識別和預測的結果對提高家庭能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度性能具有重要價值。因此，非侵入式檢測識別算法、多用戶用能行為檢測和識別是家庭能源管理系統(tǒng)檢測技術領域未來的研究重點。

3.2家庭能源管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信技術與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)不同，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)不僅要對單個家庭環(huán)境內(nèi)的用能進行優(yōu)化、管理，而且多個家庭還要協(xié)同作，因此，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)需要家域網(wǎng)(HomeAreaNetwork)、小區(qū)網(wǎng)絡（NeighborhoodAreaNetwork）和廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork）三種網(wǎng)絡的支持。每個家庭能源管理系統(tǒng)含有一個智能電表，它是家域網(wǎng)與外部網(wǎng)絡進行信息交換的接口。同一區(qū)域的眾多智能電表構成小區(qū)網(wǎng)絡，來自各個智能電表的數(shù)據(jù)在小區(qū)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)聚合中心進行聚合，再通過廣域網(wǎng)送到電力公司用于實現(xiàn)用能計量、負載預測等功能；電力公司的需求響應控制命令、電價等信息沿相反的路徑傳輸。三種網(wǎng)絡之間的關系如圖4所示。目前，可用于組建家域網(wǎng)的通信網(wǎng)絡技術如表1所示。由于用戶移動、增減用電負載等操作會造成網(wǎng)絡拓撲結構頻繁改變，因此不適于采用有線方式組建家庭能源管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡。無線通信技術是當前組建家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)的主流技術，其中ZigBee技術由于具有低功耗、自組織、拓撲結構靈活、低成本等優(yōu)點，是家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)最常用的通信方式。家庭環(huán)境內(nèi)含有大量種類多樣的設備，由不同的制造商生產(chǎn)，采用不同的通信標準，盡管ZigBee技術在該領域得到了廣泛應用，但尚未形成家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)的統(tǒng)一通信標準。這增加了系統(tǒng)集成的難度。另外，目前家庭環(huán)境內(nèi)的大部分用電設備檢測、通信功能有限，需要外置的檢測、通信模塊來檢測自身用能情況和組成網(wǎng)絡，這種方式使家庭能源管理系統(tǒng)實施難度大、成本高、不易被用戶接受。互操作研究仍是家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)領域研究的熱點。通過和智能家電制造商聯(lián)合制定家庭能源管理系統(tǒng)的標準，未來的智能家電自身含有能量檢測和通信組網(wǎng)能力，來自不同制造商的智能家電能夠按照同一標準自動組網(wǎng)，自我報告自身用能情況。這種標準的制定有利于解決目前家庭能源管理系統(tǒng)存在的能量檢測精度低、設備互操作難的問題，降低家庭能源管理系統(tǒng)的實現(xiàn)成本，提高用戶接受度。網(wǎng)絡安全問題是智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡通信領域另外一個研究熱點。在智能電網(wǎng)環(huán)境下，用戶通過Internet和移動網(wǎng)絡可以對家庭環(huán)境內(nèi)的設備進行監(jiān)控，同時家庭能源管理系統(tǒng)采集大量的用戶用電數(shù)據(jù)。非法用戶可以通過用戶用電數(shù)據(jù)的分析推斷出用戶的生活習慣，造成用戶隱私泄露；非法的網(wǎng)絡入侵會威脅到系統(tǒng)的安全運行，造成用戶的經(jīng)濟損失。因此，研究相應的網(wǎng)絡安全技術對于保障家庭能源管理系統(tǒng)的安全運行和用戶隱私及經(jīng)濟利益具有重要的意義。但家庭能源管理系統(tǒng)中的設備存在資源受限、計算能力弱的特點，比如，智能洗衣機的控制器是典型的中低端嵌入式微處理器，其計算能力有限。并且家庭能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡中涉及控制的信息傳輸要滿足硬實時性的要求。所以傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡安全技術不能滿足系統(tǒng)需求，因此計算資源受限情況下滿足實時性要求的網(wǎng)絡安全技術是未來的研究重點。另外，家庭能源管理系統(tǒng)采集大量的用戶用電數(shù)據(jù)，內(nèi)含用戶隱私，如何在滿足電力公司正常需求的前提下盡量保護用戶隱私也是值得研究的方向之一。

3.3家庭能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度算法對家庭環(huán)境內(nèi)的用電設備進行調(diào)度減少設備的空閑損耗、提高用電效率是傳統(tǒng)家庭能源管理系統(tǒng)的主要調(diào)度目的。智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)功能的多樣性、可再生能源出力的不確定性、動態(tài)電價、能量流動的復雜性等因素都增大了優(yōu)化調(diào)度的難度。圖5所示是智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)中的能量流圖，箭頭表示能量流動的方向，箭頭上的符號表示功率的大小。虛線框內(nèi)的部分為單個家庭用戶擁有，它和大電網(wǎng)之間存在雙向的能量流動關系：家庭用戶可以從大電網(wǎng)購買電能供用電負載消耗，或由存儲系統(tǒng)儲存，并為此支付相應費用；在動態(tài)電價機制下，購買電能時段的選擇直接影響到用戶支付費用的多少。用戶也可以將分布式電源產(chǎn)生的多余電能和儲能系統(tǒng)儲存的電能出售給電網(wǎng)來獲得相應的收益，并且售電時段的選擇也與其收益大小密切相關。在一段時間內(nèi)用戶需要支付的總用電費用由式（1）表示。分布式電源產(chǎn)生的電能可以供給用電負載消耗、儲能系統(tǒng)存儲和售給大電網(wǎng)，在一特定的時刻，不同的選擇會對用戶的用能費用產(chǎn)生不同的影響。同樣，儲能系統(tǒng)能量存儲、釋放策略的選擇也影響著用戶的用能費用。因此，對虛線框內(nèi)用戶擁有的部件進行控制，實現(xiàn)對圖5所示各組成部分之間的能量流動方向和大小進行優(yōu)化調(diào)度對降低用戶總用能費用具有重要的意義。光伏發(fā)電和風力發(fā)電的功率輸出不穩(wěn)定，根據(jù)它們的出力預測對可調(diào)度用電負載和儲能系統(tǒng)的運行進行調(diào)度，能夠提高可再生能源的利用率。此外，需求響應的實施和大規(guī)模電動汽車的安全接入電網(wǎng)都需要優(yōu)化調(diào)度算法的支持，因此優(yōu)化調(diào)度問題是智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的核心問題。根據(jù)優(yōu)化調(diào)度的目的不同，當前的優(yōu)化調(diào)度算法主要分為以下三類：總用電功耗小于目標值的調(diào)度算法、最大化可再生能源利用率的調(diào)度算法、最小化用戶用能費用的調(diào)度算法。1）總用電功耗小于目標值的調(diào)度算法。在居民側(cè)實施需求響應除了利用動態(tài)電價信號通過經(jīng)濟刺激方法引導用戶改變用電模式外，電力公司還可以根據(jù)當前的電力供應情況，直接向用戶需求響應控制信號，向用戶指定需求響應的持續(xù)時段和在此期間該用戶的家庭用電上限，電力公司根據(jù)事先與用戶簽訂的協(xié)議為用戶支付相應的經(jīng)濟補償。用戶收到需求響應控制信號后，通過家庭能源管理系統(tǒng)中的優(yōu)化調(diào)度模塊對家庭環(huán)境內(nèi)的用電設備進行調(diào)度，確保滿足需求響應控制信號的要求，必要時可以犧牲用戶的部分舒適度。優(yōu)化調(diào)度算法不僅要考慮可調(diào)度負載對家庭總用電量的影響，還要考慮不可調(diào)度負載及可再生能源出力不確定性對調(diào)度結果的影響。2）最大化可再生能源利用率的調(diào)度算法。光伏發(fā)電和風力發(fā)電的出力不確定性不利于它們大規(guī)模接入電網(wǎng)，限制了它們的利用率，通過大容量的儲能系統(tǒng)可以削弱出力波動，提高可再生能源的利用率，但該方法成本高，不便推廣。同時光伏發(fā)電、風力發(fā)電的出力波動大，儲能系統(tǒng)的容量不易確定，儲能系統(tǒng)的利用效率低。家庭能源管理系統(tǒng)通過對用電負載和儲能系統(tǒng)的調(diào)度，優(yōu)先消納本地光伏發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源產(chǎn)生的電能，有利于提高可再生能源的利用率，降低可再生能源出力波動對電網(wǎng)的不利影響。家庭能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)天氣預報網(wǎng)站分小時的天氣預報信息對可再生能源的出力進行預測，然后根據(jù)電價的預測結果和用電負載的優(yōu)先級對用電設備進行調(diào)度，從而最大化可再生能源的利用率，并最小化用戶用能費用。將電動汽車的充/放電與可再生能源發(fā)電預測相結合，建立一個同時計及具有V2G功能的電動汽車、風電和光伏發(fā)電系統(tǒng)出力不確定性的電力系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度模型，可平抑可再生能源的出力波動，改善電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，提高可再生能源的利用率。3）最小化用戶用能費用的優(yōu)化調(diào)度算法。在智能電網(wǎng)環(huán)境下，家庭能源管理系統(tǒng)除了降低負載的空閑損耗來降低用電費用外，可以采取多種方法來降低用戶用電費用：響應電價信號，將部分負載從“高電價時段”調(diào)度到“低電價時段”；根據(jù)可再生能源發(fā)電的出力狀況協(xié)同控制用電設備增加低成本可再生能源的利用量，減少從電網(wǎng)購買的電能；將可再生能源產(chǎn)生的多余電量售給電網(wǎng)；利用儲能系統(tǒng)在低電價時存儲電能，在高電價時供給用電負載或售給電網(wǎng)獲取經(jīng)濟效益等。這種算法是目前最常見的優(yōu)化調(diào)度算法，可表示為如式（2）所示的約束優(yōu)化問題。不同的調(diào)度算法考慮的對象范圍不同，HVAC系統(tǒng)用電占整個家庭電能消耗的22.3%，提高HVAC系統(tǒng)的效率是實現(xiàn)節(jié)能減排、用戶側(cè)需求響應的重要手段，對降低用戶用電費用具有重要意義。因此，HVAC系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度算法是該領域當前的研究重點之一。根據(jù)動態(tài)變化的電價和室外溫度的變化對未來時段HVAC系統(tǒng)的溫度設定進行優(yōu)化調(diào)度，能夠在保證用戶舒適度的條件下降低用戶用能費用。檢測室內(nèi)人員活動信息，分析用戶行為模式，有針對性地對HVAC系統(tǒng)的運行進行優(yōu)化調(diào)度也可以提高使用HVAC系統(tǒng)的效率，降低用戶用能費用。利用房屋具有的儲能特性，根據(jù)可再生能源的出力狀況對HVAC系統(tǒng)進行控制，通過提高可再生能源的利用率來降低用戶用能費用。家庭用戶不僅關心HVAC系統(tǒng)的用能費用，更關心整個家庭環(huán)境內(nèi)的總用能費用，因此優(yōu)化調(diào)度算法還要考慮其他用電負載、儲能系統(tǒng)和分布式電源對優(yōu)化調(diào)度結果的影響。對家庭環(huán)境內(nèi)的分布式能源資源和儲能系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度，也可以降低用戶的用能費用[55-56]。與只考慮用電負載、儲能系統(tǒng)、分布式能源中的某一類或幾類的優(yōu)化調(diào)度算法相比，在統(tǒng)一的框架下綜合考慮用電負載、儲能系統(tǒng)和分布式電源的優(yōu)化調(diào)度模型和算法能夠獲得更優(yōu)的結果。在實際應用中，并非所有用戶都同時擁有用電負載、儲能系統(tǒng)、分布式能源和向電網(wǎng)出售電能的能力，但研究表明用戶擁有儲能系統(tǒng)、分布式電源和向電網(wǎng)出售電能的能力有助于降低用戶的用能費用。T.Hurbet和S.Grijalva在優(yōu)化調(diào)度算法僅考慮用電負載的基礎上，依次加入儲能系統(tǒng)、用戶向電網(wǎng)售電能力、光伏發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電機組，每種情況下都用三種不同的算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度，相應的用戶用能費用如表2所示。從表2可見每種優(yōu)化調(diào)度算法下用戶用能費用都隨著新設備和用戶向電網(wǎng)售電能力的加入而減少。智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度算法除了以上三類主要算法之外，一些研究人員提出了通過對一定數(shù)量的HVAC系統(tǒng)、熱水器、電動汽車進行協(xié)同調(diào)度控制，為電力系統(tǒng)的運行提供調(diào)頻、調(diào)峰等服務的算法。研究表明用戶的用能費用與用電負載、儲能系統(tǒng)、分布式電源和向電網(wǎng)出售電能等因素均有關系，但在統(tǒng)一的優(yōu)化框架下綜合考慮這些因素的研究目前較少。另外，已有的調(diào)度算法對可再生能源出力預測、負載預測、電價預測、用戶用能不確定性和環(huán)境因素（比如室外環(huán)境溫度）等不確定性因素對優(yōu)化調(diào)度結果的影響研究不足。因此，在不確定性環(huán)境下基于統(tǒng)一優(yōu)化框架綜合考慮各種因素的調(diào)度算法是該領域未來的研究方向之一。

4結語

在智能電網(wǎng)環(huán)境下，居民用戶擁有用電負載、儲能系統(tǒng)、分布式電源等設備，家庭環(huán)境內(nèi)的用電網(wǎng)絡已經(jīng)構成一個家域微電網(wǎng)。家庭能源管理系統(tǒng)為節(jié)能減排、提高用電效率及智能電網(wǎng)環(huán)境下的居民側(cè)需求響應實施、分布式電源和電動汽車接入網(wǎng)絡提供支持。研究人員在家庭能源管理系統(tǒng)結構、檢測技術、網(wǎng)絡通信技術、優(yōu)化調(diào)度算法等領域進行了深入研究，但仍存在一些挑戰(zhàn)尚未解決。對智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的研究有助于智能電網(wǎng)技術在居民側(cè)的實施，能夠促進智能電網(wǎng)技術的健康發(fā)展。

作者：張延宇曾鵬臧傳治單位：網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)重點實驗室中國科學院沈陽自動化研究所河南大學計算機與信息工程學院中國科學院大學