吳　橋，盧樹(shù)峰，楊世海，陳　堅(jiān)，李志新

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院國(guó)家電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210019；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江杭州310018）

需求側(cè)響應(yīng)條件下的家庭用電管理研究

吳橋1，盧樹(shù)峰1，楊世海1，陳堅(jiān)2，李志新1

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院國(guó)家電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210019；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江杭州310018）

需求側(cè)響應(yīng)對(duì)電網(wǎng)公司和電力用戶(hù)都是互利的。介紹了需求側(cè)響應(yīng)的相關(guān)概念，研究了需求側(cè)響應(yīng)條件下家庭用電管理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和用電策略，根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)、分時(shí)電價(jià)，考慮溫度控制和綜合能源對(duì)現(xiàn)有的用電策略進(jìn)行分類(lèi)，總結(jié)了這些研究策略的不足和優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)家庭用電管理的發(fā)展方向提出了一些意見(jiàn)。

需求側(cè)響應(yīng)；家庭用電管理；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；用電策略

在電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中引入需求響應(yīng)，通過(guò)價(jià)格信號(hào)和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制來(lái)引導(dǎo)用戶(hù)參與電力市場(chǎng)，從而加強(qiáng)需求側(cè)在市場(chǎng)里供需平衡的作用，近些年來(lái)已經(jīng)成為電力市場(chǎng)研究和實(shí)踐的重要內(nèi)容［1］。家庭用電管理，作為需求響應(yīng)機(jī)制下研究的重要方向，對(duì)電網(wǎng)公司削峰填谷有很大的幫助，不僅降低電網(wǎng)公司的調(diào)峰成本，而且能減輕用戶(hù)的用電成本，對(duì)電網(wǎng)公司和家庭電力用戶(hù)都是一個(gè)雙贏的措施。文中介紹了需求側(cè)響應(yīng)的相關(guān)概念，對(duì)國(guó)內(nèi)外在需求側(cè)響應(yīng)條件下的家庭用電管理的研究與發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析，并提出幾點(diǎn)未來(lái)家庭用電管理可發(fā)展的方向。

1　需求側(cè)響應(yīng)

需求側(cè)響應(yīng)，是指當(dāng)電力批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格升高或系統(tǒng)可靠性受威脅時(shí)，電力用戶(hù)接收到供電方發(fā)出的誘導(dǎo)性減少負(fù)荷的直接補(bǔ)償通知或者電力價(jià)格上升信號(hào)后，改變其固有的習(xí)慣用電模式，達(dá)到減少或者推移某時(shí)段的用電負(fù)荷而響應(yīng)電力供應(yīng)，從而保障電網(wǎng)穩(wěn)定，并抑制電價(jià)上升的短期行為［2］。

需求側(cè)響應(yīng)按照刺激類(lèi)別不同可以分為價(jià)格型需求響應(yīng)和激勵(lì)性需求響應(yīng)兩類(lèi)。

1.1價(jià)格型需求響應(yīng)

價(jià)格型需求響應(yīng)是指電力用戶(hù)根據(jù)電價(jià)的變化對(duì)自身的用電行為進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以達(dá)到降低用電成本的目的。目前國(guó)內(nèi)外正在實(shí)施的電價(jià)類(lèi)型可以分為尖峰電價(jià)、分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)。分時(shí)電價(jià)即電力需求高峰期間提高電價(jià)，在電力供應(yīng)有多余的時(shí)段降低電價(jià)，電力用戶(hù)可以根據(jù)這2個(gè)時(shí)間段電價(jià)的不同，合理安排電器的用電時(shí)間，達(dá)到削峰填谷和降低用電成本的效果，它的定義如表1所示。

實(shí)時(shí)電價(jià)是一種動(dòng)態(tài)定價(jià)機(jī)制，其更新周期可以達(dá)到1 h或者更短，通過(guò)將用戶(hù)側(cè)的價(jià)格與電能供給市場(chǎng)的出清電價(jià)聯(lián)動(dòng)，可以精確反映每天各時(shí)段供電成本的變化并有效傳達(dá)電價(jià)信號(hào)［3］。雖然我國(guó)目前還未達(dá)到實(shí)施實(shí)時(shí)電價(jià)的技術(shù)性和政策型的要求，但是實(shí)時(shí)電價(jià)對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)的利好是顯而易見(jiàn)的。

尖峰電價(jià)也屬于分時(shí)電價(jià)的范疇，是在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上引入了實(shí)時(shí)電價(jià)，因此相比分時(shí)電價(jià)，有了更好的削峰填谷效果，對(duì)用戶(hù)的改變用電行為的激勵(lì)和引導(dǎo)作用更強(qiáng)。

1.2激勵(lì)型需求響應(yīng)

激勵(lì)型需求響應(yīng)是直接采用獎(jiǎng)勵(lì)方式來(lái)激勵(lì)和引導(dǎo)用戶(hù)參與各種系統(tǒng)所需的負(fù)荷削減項(xiàng)目［4］。目前國(guó)際上比較常用的激勵(lì)型需求響應(yīng)項(xiàng)目可以分為：直接負(fù)荷控制項(xiàng)目、可中斷負(fù)荷項(xiàng)目、容量/輔助服務(wù)市場(chǎng)計(jì)劃、緊急需求響應(yīng)和需求側(cè)競(jìng)價(jià)。

國(guó)外的激勵(lì)機(jī)制按照對(duì)象可以分為對(duì)電力公司的激勵(lì)機(jī)制和對(duì)電力用戶(hù)的激勵(lì)機(jī)制［5］，如圖1所示。由于需求側(cè)響應(yīng)在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，因此國(guó)內(nèi)還未形成成熟的激勵(lì)機(jī)制。

表1　分時(shí)電價(jià)定義

2　需求側(cè)響應(yīng)條件下的家庭用電管理

2.1家庭用電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

家庭用電管理系統(tǒng)包括溫控設(shè)備非溫控設(shè)備，新能源設(shè)備如小型戶(hù)用風(fēng)機(jī)、小型屋頂光伏、新能源電動(dòng)汽車(chē)、蓄電池、智能插座、智能交互終端、無(wú)線通信設(shè)備等。圖2為常見(jiàn)的家庭用電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，k1至k6為智能邏輯控制開(kāi)關(guān)，k7為功率控制開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)信息流的信號(hào)來(lái)控制電氣流中的設(shè)備。

圖1　激勵(lì)機(jī)制分類(lèi)

圖2　家庭用電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2基于分時(shí)電價(jià)的家庭用電管理

目前大部分研究都是鼓勵(lì)電力用戶(hù)的家用電器從高峰期轉(zhuǎn)移到較便宜的中等峰期或非高峰期，從而降低電網(wǎng)整體高峰負(fù)荷，并同時(shí)達(dá)到降低溫室氣體排放量的目標(biāo)［6-8］。另外也有研究對(duì)負(fù)荷種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)，或者對(duì)負(fù)荷特性進(jìn)行研究，建立了負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型和分時(shí)電價(jià)環(huán)境下的家居設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行決策模型，達(dá)到省電的目的［9-11］。上述方法在一定程度上降低了家庭用電成本，但是由于分時(shí)電價(jià)的電價(jià)分類(lèi)較少，延長(zhǎng)電器的用電時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)降低用戶(hù)用電舒適感。因此文獻(xiàn)［12］基于分時(shí)電價(jià)來(lái)監(jiān)督和控制家用電器，同時(shí)考慮多個(gè)居民共享一個(gè)家庭和它的電器，這種算法還能根據(jù)多個(gè)居民對(duì)電器的偏好程度來(lái)安排和管理電器的使用，一定程度上提高了用戶(hù)用電的舒適感。

2.3基于實(shí)時(shí)電價(jià)的家庭用電管理

目前大部分研究基于實(shí)時(shí)電價(jià)的家庭用電管理，都集中于通過(guò)使用各種算法如粒子群算法、遺傳算法、線性?xún)?yōu)化技術(shù)等復(fù)雜的調(diào)度程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)達(dá)到降低電費(fèi)的目標(biāo)［13-15］。在其他研究中，提出了使用蒙特卡洛模擬［16］和馬爾科夫決策過(guò)程［17］來(lái)隨機(jī)優(yōu)化最小化用電成本的方法。文獻(xiàn)［18］在基于實(shí)時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上提出一種算法來(lái)減少用電成本，提出的算法工作在3個(gè)階段：實(shí)時(shí)監(jiān)控階段、隨機(jī)調(diào)度階段和實(shí)時(shí)控制階段。所提算法會(huì)考慮實(shí)時(shí)電價(jià)和各種電器能量消耗模式的不確定性，在實(shí)時(shí)監(jiān)控階段根據(jù)電器的特性歸類(lèi)從而減輕控制過(guò)程的復(fù)雜，并減少控制命令的產(chǎn)生。

但這些方法未考慮分布式新能源在住宅領(lǐng)域的普及。分布式發(fā)電供電量由于環(huán)境因素?zé)o法時(shí)刻滿(mǎn)足家用電器的供電量，因此文獻(xiàn)［19］提出了一種基于改進(jìn)的遺傳算法的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，建立了減少用電成本與尋求電量供需平衡為雙重目標(biāo)的多目標(biāo)整數(shù)不等式規(guī)劃問(wèn)題。

2.4考慮溫度控制的家庭用電管理

考慮溫度控制的家庭用電管理一般根據(jù)用戶(hù)對(duì)室內(nèi)溫度和熱水溫度的需求，結(jié)合當(dāng)前電網(wǎng)電價(jià)，實(shí)時(shí)控制溫控設(shè)備的功率輸入，達(dá)到節(jié)省電費(fèi)和提高用戶(hù)用電舒適度目標(biāo)［20］。也有通過(guò)改變當(dāng)前溫度設(shè)定點(diǎn)來(lái)降低用電成本的研究［21］。上述方法實(shí)質(zhì)上都是通過(guò)改變溫控設(shè)備的輸入功率來(lái)降低用電成本。

2.5考慮綜合能源的家庭用電管理

天然氣和電力已經(jīng)成為滿(mǎn)足民居能源需求的2個(gè)主要能源載體。同時(shí)為了探討智能家居中可選擇的能源載體的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)，可能的管理，住宅能源中心這個(gè)概念在文獻(xiàn)［22］里提到。文獻(xiàn)［23］給出了如圖3所示的住宅能源中心架構(gòu)。電網(wǎng)、分布式新能源發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組單元的輸出能源能對(duì)電力需求進(jìn)行供電。同時(shí)考慮到V2G，新能源電動(dòng)汽車(chē)可以用自己存儲(chǔ)的能量對(duì)家庭電器進(jìn)行供電。電網(wǎng)和能源中心的雙向功率流表示沒(méi)有被使用或存儲(chǔ)的能源可以賣(mài)給電網(wǎng)。輸入能源中心的天然氣將會(huì)分為兩部分，一部分輸送到熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組單元，另一部分輸送到消耗天然氣的設(shè)備。

圖3　住宅能源中心架構(gòu)

3　家庭用電管理的未來(lái)探討

未來(lái)的家庭用電管理還可從以下幾方面考慮。

3.1對(duì)家庭用戶(hù)進(jìn)行分類(lèi)

目前不管是城市還是農(nóng)村，家庭人員的組成都是多樣的。不同的人有不同的用電習(xí)慣，同時(shí)不同的家庭又有不同的人員構(gòu)成。表2為家庭用戶(hù)種類(lèi)，所列出的家庭用戶(hù)種類(lèi)肯定不全面，這里需指出的是日后的家庭用電管理可利用大數(shù)據(jù)分析手段對(duì)用戶(hù)進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)不同戶(hù)型的用戶(hù)的用電習(xí)慣進(jìn)行總結(jié)，然后根據(jù)這些總結(jié)來(lái)合理安排用戶(hù)用電。

表2　家庭用戶(hù)種類(lèi)

3.2加入用戶(hù)用電電能質(zhì)量要求

電能質(zhì)量對(duì)電力系統(tǒng)是十分重要的，由于目前的家庭電器種類(lèi)繁多，傳統(tǒng)電器例如電視機(jī)、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電腦等都會(huì)產(chǎn)生諧波污染，同時(shí)分布式新能源的加入也會(huì)帶來(lái)諧波污染。雖然這些電器所產(chǎn)生的諧波不多，但是這些電器在整個(gè)社會(huì)的數(shù)量是巨大的。因此家庭用電管理還應(yīng)考慮家用電器在每個(gè)時(shí)間段的諧波含量不要超標(biāo)。

3.3家庭用電管理系統(tǒng)實(shí)例

家庭用電管理系統(tǒng)可以根據(jù)圖4所示的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行構(gòu)建，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)設(shè)定實(shí)時(shí)電價(jià)，配網(wǎng)資源根據(jù)電價(jià)做出平衡資源的響應(yīng)，智能控制器根據(jù)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)、大數(shù)據(jù)分析得到的用戶(hù)數(shù)據(jù)，以及由智能量測(cè)裝置得到的電能質(zhì)量信息做出合理的用電安排。圖4中的DER設(shè)備包括（電動(dòng)汽車(chē)、熱泵、小型熱電聯(lián)產(chǎn)、戶(hù)用分布式電源）。

圖4　家庭用電管理應(yīng)用實(shí)例

3.4激勵(lì)型需求響應(yīng)的拓展

電力用戶(hù)在某一時(shí)間段響應(yīng)電力公司停止正在運(yùn)行的電器所得到的電力公司的補(bǔ)償機(jī)制還有待研究。同時(shí)一個(gè)小區(qū)每戶(hù)人家在響應(yīng)電力公司斷電時(shí)正在工作的家用電器的數(shù)量和類(lèi)型也是不同的，如何兼顧電力公司的獎(jiǎng)勵(lì)成本、原本的調(diào)峰成本以及用戶(hù)電器斷電舒適度也是一個(gè)值得研究的方向。

4　結(jié)束語(yǔ)

尖峰電價(jià)機(jī)制是一種行之有效的需求側(cè)響應(yīng)手段，而合理的激勵(lì)機(jī)制仍需要進(jìn)一步探索；從分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)、溫度控制、綜合能源的角度出發(fā)，可以勾畫(huà)出住宅能源中心等國(guó)內(nèi)可以借鑒的家庭能源管理架構(gòu)；未來(lái)家庭用電管理可以向?qū)彝ビ脩?hù)進(jìn)行分類(lèi)、加入用戶(hù)電能質(zhì)量要求以及激勵(lì)型需求響應(yīng)的拓展三方面發(fā)展；而家庭用電管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例可以在電力市場(chǎng)條件下充分利用價(jià)格、激勵(lì)、通信和先進(jìn)控制手段，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

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Research on Home Energy Management Under the Condition of Demand-side Response

WUQiao1，LU Shufeng1，YANG Shihai1，CHEN Jian2，LIZhixin1
（1.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering，State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 210019，China；2.China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

Demand-side response is beneficial to both the electricity grid com panies and power consumers.This paper introduces the concept of demand-side response，and studies the system structure and electricity strategy of home energy managementunder the condition of demand-side response.And then，the existing electricity strategiesare classified according to RTP，TOU，temperature control consideration and integrated energy，and the shortcomings and advantages of these strategies are summarized.Finally，some advices are given for the future development direction of the home energy management.

demand-side response；home energymanagement；system structure；electricity strategy

TM 73

A

1009-0665（2016）05-0028-04

吳橋（1967），男，江蘇武進(jìn)人，高級(jí)工程師，從事電力計(jì)量試驗(yàn)研究工作；

盧樹(shù)峰（1972），男，山東高唐人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事計(jì)量管理工作；

楊世海（1976），男，安徽淮北人，高級(jí)工程師，從事計(jì)量管理工作；

陳堅(jiān)（1992），男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苡秒姡?/p>

李志新（1986），男，遼寧朝陽(yáng)人，博士，工程師，從事配電系統(tǒng)與計(jì)量方向研究工作。

2016-06-16；

2016-07-22