王燕，楊秀媛，陳麒宇，卜思齊，徐智薔

（1.北京信息科技大學自動化學院，北京市海淀區(qū)100192；2.中國電力科學研究院有限公司，北京市海淀區(qū)100192；3.香港理工大學電機工程系，香港九龍999077；4.英國南安頓大學物理工程學院，英國南安普頓SO17 1BJ）

0 引言

伴隨著經濟的增長，電力負荷總量增長迅速，且由于極端天氣出現(xiàn)，最大負荷不斷突破上限，負荷曲線尖峰化趨勢明顯，導致在負荷高峰時段電力供需不平衡問題日益突出，電網運行成本增加。以北京地區(qū)為例，2020年8月4日北京電網最大負荷達到2005萬kW，再次突破2000萬kW·h，其中空調等降溫負荷增長明顯，占比達到了43.64%[1]。對需求側空調等負荷資源進行管理可應對出現(xiàn)電力負荷高峰的問題，從而改善電網負荷曲線。并且，目前我國居民家庭電器的保有量已達到較高水平[2]，導致了近年來我國居民用電量飛速增長，用電市場份額逐年增加，這也是造成高峰時段用電負荷更加緊張的原因。對需求側大量居民可控負荷資源進行合理調控參與需求響應，可實現(xiàn)家電負荷的削減和轉移，從而改善電網負荷曲線。而在智能電網[3-5]背景下，智能家電的普及、智能家庭能量管理系統(tǒng)（smart home energy management system，SHEMS）功 能 的 完善[6-7]，可更靈活的實現(xiàn)電網與用戶的雙向互動，最大限度的提升需求響應效果。

目前，國內外學者對居民可控負荷資源參與需求響應的調控策略已進行大量的研究。文獻[8]提出預設家電優(yōu)先級控制家庭負荷的方法，但未考慮家電的實時變化。文獻[9]提出了智能家電管理系統(tǒng)，以典型家電負荷，空調、熱水器和電動汽車作為控制對象，設計動態(tài)優(yōu)先級控制方案實現(xiàn)智能可控負荷參與需求響應，達到指導用戶合理錯峰用電的目的，但該方案不斷判斷設備優(yōu)先級及舒適度指數(shù)去切換允許工作的設備，未考慮設備是否完成任務而頻繁切換其工作狀態(tài)將影響家電實際使用壽命。文獻[10]提出家用設備控制系統(tǒng)，結合分時電價信息及用戶需求設計DR操作優(yōu)先級控制規(guī)則，對空調、熱水器進行控制，實現(xiàn)自動DR控制，該控制方案可減少用戶支出并優(yōu)化電網負荷曲線，但該控制方法不適合于電動汽車等部分家電，適應性不廣。在文獻[11]中，作者以成本最小化為目標，設計了計及負荷運行特性約束的家庭能源管理系統(tǒng)響應需求響應動態(tài)電價的策略。文獻[8-11]考慮的控制對象較片面，只對典型溫控負荷以及電動汽車負荷進行了考慮，但家庭中其他負荷，如：洗衣機、洗碗機、可預約電飯煲等，使用有一定規(guī)律性且具有工作時間可轉移的性質，也可參與到需求響應調控中。

文獻[12]針對不同家電負荷的運行時間、耗能特點等運行特性對負荷進行描述，通過各類特性組合搭配，可實現(xiàn)常見家居設備的建模。文獻[13]基于智能能量管理系統(tǒng)，對用戶多種用電設備進行分類建模，構建了一種考慮用戶滿意度的居民兩階段需求側響應調控模型，該模型對單戶典型用戶和集群用戶均可優(yōu)化用戶用電行為。文獻[14]針對用戶行為不確定因素進行研究，提出舒適度違反率概念。文獻[15]提出在泛在電力物聯(lián)網背景下將家電可控負荷轉化為智能負荷的研究方法，實現(xiàn)負荷曲線的削峰填谷，但在控制過程中未考慮室外溫度變化對溫控負荷的影響。文獻[12-15]雖對家庭中多類典型負荷進行了較全面的考慮，但多僅以用戶的用電滿意度作為控制的量化指標。

目前，我國大部分地區(qū)實行的是較為傳統(tǒng)的階梯電價，即按實際用電量劃分電費標準，向用戶分檔收費。但由于居民用電量一直呈現(xiàn)出增長的趨勢，導致某些時段會出現(xiàn)較大的用電高峰，沖擊電網的穩(wěn)定性。而階梯電價不具有解決這個問題的作用，因此國內陸續(xù)有很多城市開始試行分時電價[16]，激勵用戶用電行為由峰時段向谷時段轉移。

現(xiàn)對家電負荷控制模型研究相對完善，控制對象的選擇多針對空調、熱水器[17]、電動汽車[18]幾類典型負荷，且對于優(yōu)先級控制策略的研究多以用戶舒適度為主要調控指標，因此本文基于SHEMS對家庭中多類負荷參與需求響應進行研究，在調控過程中考慮分時電價影響，實現(xiàn)用戶舒適性與經濟性的兼顧，通過多類負荷的協(xié)調控制實現(xiàn)需求響應，改善負荷曲線，并通過仿真驗證所提優(yōu)化策略的有效性。

1 SHEMS結構及負荷模型

1.1 SHEMS結構

本文所提出的SHEMS主要包括智能電表、家電控制器、可控負荷、用戶便攜控制設備及通訊模塊等，其結構如圖1所示。在家庭內部，采用無線方式進行通訊，完成信息的傳遞以及設備的控制。

該系統(tǒng)主要對家庭中可控負荷進行控制，同時考慮不可控的基礎負荷。由圖1可知，基礎負荷包括，照明，娛樂設備等；可將可控負荷分為2類，可削減負荷，主要指功率可通過溫度來調節(jié)控制的溫控負荷，如熱水器、空調；可轉移負荷，指工作時段可轉移的負荷。可轉移負荷又可分為2類：Ⅰ類可轉移負荷，指工作時間可在一定范圍內轉移，但工作過程不可中斷的負荷，如洗衣機、洗碗機、電飯煲等；Ⅱ類可轉移負荷，指工作時間可轉移，工作過程也可適當中斷的負荷，如電動汽車。智能電表可實現(xiàn)用戶與智能電網間信息與能量的交互。家電控制器通過對需求響應中心下發(fā)的需求響應事件、分時電價以及外界環(huán)境等信息，智能電表傳輸?shù)碾娋W配電信息和用戶通過便攜設備所設置的喜好、負荷運行時段、室溫及水溫范圍等信息進行整合，設計出負荷優(yōu)化控制策略，向智能插座發(fā)送控制指令，實現(xiàn)可控負荷的控制，并將優(yōu)化信息反饋給需求響應中心，實現(xiàn)閉環(huán)動態(tài)調控。最終達到優(yōu)化負荷曲線，減少用戶用電費用的目標。

圖1 SHEMS結構示意圖Fig.1 SHEMS’s structure diagram

1.2 可控負荷分類及模型

1.2.1 可削減負荷

該類負荷為可承受一定中斷或降功率、減少時間運行的負荷，根據(jù)供需情況對其進行部分或全部削減，如空調、熱水器，可以在用電高峰時期通過調節(jié)設備設定溫度的方式對其用電功率進行削減調節(jié)。

1）空調。

空調負荷采用典型二階等效熱參數(shù)模型（equivalent thermal parameters,ETP）[19]，如 圖2所示。

圖2 空調機組等效熱參數(shù)模型Fig.2 Equivalent thermal parameter model of air conditioning unit

圖中：PAC為空調機組的制冷/制熱功率；η為空調能效比；ηPAC為 空調的制冷/制熱量；Cair為氣體比熱容；Cm為固體比熱容；Rair為氣體熱阻；Rm為 固體熱阻；Tout為室外溫度；Tair為室內氣體溫度；Tm為室內固體溫度。根據(jù)該模型及控制方式可得出空調的運行特性：

式中：Tin(t)表 示t時刻的室內溫度；Tin(t+1)表示t+1時刻的室內溫度；Tout(t+1)表示t+1時刻的室外溫度；ε為空調散熱系數(shù)，為仿真時間間隔；R為等效熱阻；C為等效熱容；sAC(t)為t時刻的空調啟停狀態(tài)變量（1表示運行，0表示關斷）；PAC(t)為t時刻空調的取用功率。

夏季空調工作過程可描述為當空調開啟時，室內溫度不斷下降，降至溫度下限TAC,min后，空調關閉，由于室外溫度高于室內溫度，室內溫度慢慢回升，待溫度高于溫度上限TAC,max后，空調開啟，在室內溫度在[TAC,min,TAC,max]區(qū)間內時，空調啟停狀態(tài)與上一時刻保持一致，如圖3所示。

圖3 空調壓縮機工作特性Fig.3 Working characteristics of air conditioning compressor

2）熱水器。

熱水器與空調同為溫控負荷，運行特性相似，用戶的水溫設定值、冷水溫度、用戶用水量和熱水器的參數(shù)（熱傳遞和熱水器的容積）決定熱水器的能耗?？刂茻崴鞯乃疁卦O定值可以調節(jié)熱水器耗電量的增大和減小。熱水器運行特性為：

式中：TWH(t)表示t時刻電熱水器水箱里面的溫度；TWH(t+1)分別表示t+1時刻電熱水器水箱里面的溫度；αWH表示散熱系數(shù)；c表示水的比熱；ρ表示水的密度；Lmax表示電熱水器水箱的容積；L(t)表示Δt時段內用戶使用的水量；Tcold表示進入熱水器水箱的冷水溫度；β表示電能與熱能之間變換系數(shù)；PWH(t)表 示熱水器水溫從TWH(t)到TWH(t+1)的平均運行功率；TWH,max、TWH,min表示設定熱水器內熱水的溫度上下限。

類似于空調的控制方式，當熱水器內熱水溫度低于設定溫度下限TWH,min時，熱水器開啟，當熱水器水箱溫度高于設定溫度上限TWH,max時，熱水器關閉，當熱水器內熱水溫度在設定區(qū)間[TWH,min,TWH,max]內時，運行狀態(tài)與上一時刻保持一致。

1.2.2 Ⅰ類可轉移負荷

該類負荷的用電時段靈活性強，但是一旦工作開始直至完成用電任務，期間不可中斷，若暫停工作會造成不必要損失?？山Y合電價信息并根據(jù)此類負荷可運行時間范圍合理規(guī)劃負荷開始運行的時間，優(yōu)化家庭用電管理。如：洗衣機、洗碗機等。

1）洗衣機。

洗衣機只要累計運行時間達到要求的運行時間，洗衣機的運行程序就可以完成洗滌工作。當累計時間達到要求的時間時，洗衣機將自動關閉。對洗衣機控制主要為根據(jù)用戶的用電習慣調整設備在可運行時間段[ts,te]內的開啟時間。其運行特性為：

式中：Twash,n表示洗衣機累計工作時間；Twash,set表示洗衣機運行需求時間；swash(t)為洗衣機在t時刻的工作狀態(tài)（值為1表示洗衣機工作，值為0表示洗衣機關斷）；Pwash為洗衣機的額定功率；Pwash(t)為t時刻洗衣機實際運行功率。當洗衣機自開啟后累計工作時間Twash,n未達到規(guī)定運行時間Twash,set時持續(xù)工作，直至達到規(guī)定運行時間。

2）洗碗機。

洗碗機作為與洗衣機同類型負荷，工作特性與洗衣機相似。只要自開啟后累積運行時間等于所需的運行時間，洗碗機就可以完成洗碗和烘干過程。當累積時間達到要求的時間時，洗碗機將自動關閉。其運行特性為：

式中：Tdish,n表 示洗碗機累計工作時間；Tdish,set表示洗碗機運行需求時間；sdish(t)為洗碗機在t時刻的工作狀態(tài)（值為1表示洗碗機運行，值為0表示洗碗機停止）；Pdish為洗碗機的額定功率；Pdish(t)為t時刻洗碗機實際運行功率。當洗碗機自開啟后累計工作時間Tdish,n未達到規(guī)定運行時間Tdish,set時持續(xù)工作，直至完成洗碗、烘干任務。

1.2.3 Ⅱ類可轉移負荷

該類負荷的用電時段用電量可靈活調節(jié)，用電時段允許中斷且持續(xù)時間不固定，只需滿足轉移前后的負荷需求總量不變，如電動汽車此類具有儲能性質的負荷，只需保證在規(guī)定時間節(jié)點前完成充電。

電動汽車充電負荷模型與初始充電時刻、車載電池額定充電功率、電池起始狀態(tài)SOC及最終滿充電量要求等相關。在無需求響應控制信號時，當電動汽車荷電狀態(tài)SOC未達到電量要求時，將處于持續(xù)充電階段，直至達到滿充電量要求。t時段電動汽車充電運行特性為：

式中：SOC(t)表 示t時刻電池的荷電狀態(tài)；PEV(t)為t時段電動汽車實際充電功率；PEV為電動汽車額定充電功率；QB為 電池額定容量；γ為電池充電效率；sEV(t)為t時刻電動汽車電池充電狀態(tài)（值為0表示斷電停止充電；值為1表示通電充電狀態(tài)）；當電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)低于電動汽車達到滿充狀態(tài)時電池SOC最大值時保持充電；為避免過充或過放，延長電池使用壽命設定SOC上下限。

2 融合分時電價的優(yōu)先級控制策略

2.1 可控負荷優(yōu)先級評估

可控負荷用電優(yōu)先級由用戶的用電舒適度決定，而不同家電在不同的時刻的通斷狀態(tài)由功率限制、優(yōu)先級以及負荷需求設定共同作用。針對家庭中的不同設備建立用戶舒適度模型Ceq,i，用來表示負荷實時狀態(tài)與用戶舒適度的關系，如下：

Ceq,i值越大，表示當前用戶的舒適度越低，用電優(yōu)先級應越高。對該式進行標幺化處理后，可作為所有可控負荷的典型狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)不同類負荷間參數(shù)比較。

2.1.1 可削減類負荷舒適度指標

該類負荷主要以溫控負荷為研究對象，其舒適度參數(shù)由溫度決定。

1）空調舒適度模型：

考慮空調制冷情況，室溫越高，CAC,t越大。

2）熱水器舒適度模型：

熱水器水箱水溫越低，CWH,t越大。

2.1.2 可轉移類負荷舒適度指標

該類負荷與可削減類負荷有所區(qū)別，其有一定工作時間要求，只有達到該設定時間，才算是完成了工作任務。因此在建立該類負荷的用電舒適度模型時，考慮設備是否可在用戶規(guī)定時限完成工作，當設備不能完成工作任務時，其用戶舒適度指標為無窮大，可完成工作時，模型如下文所述。

1）Ⅰ類可轉移負荷舒適度模型。

洗衣機舒適度模型：式中：twash,set指用戶設定的設備最佳開啟時刻。在用戶規(guī)定設備可運行時間范圍內，洗衣機開啟時間距用戶設定的最優(yōu)開啟時間越遠，Cwash,t越大。

洗碗機舒適度模型：

洗碗機與洗衣機同理。

2)Ⅱ類可轉移負荷舒適度模型。

電動汽車舒適度模型：

當前時刻的SOC值越小，CEV,t越大。若電動汽車無法在預計時間前完成充電，需更改其優(yōu)先級使其提前充電。

2.1.3 動態(tài)優(yōu)先級概念

用戶的用電習慣以及偏好會影響電器的用電順序。因此引入優(yōu)先級概念，來表示用電設備的用電先后次序，某電器設備的優(yōu)先級越高，在需求響應過程中，優(yōu)先對其供電，優(yōu)先級越低，優(yōu)先對其進行負荷轉移。

動態(tài)計算優(yōu)先級Ki是 根據(jù)電器設備的實時狀態(tài)計算設備的用戶舒適度指標，舒適度指標越高，表明居民對該設備的狀態(tài)越不滿意，因此需要對該設備通電。動態(tài)優(yōu)先級與用戶的舒適度指標直接相關，舒適度指標越高，設備供電的優(yōu)先級越高。

2.2 融合分時電價的優(yōu)先級控制流程

在SHEMS收到需求響應中心下發(fā)的需求響應事件時，執(zhí)行控制算法，實現(xiàn)電網削峰填谷及降低參與調控用戶的用電費用的目的。首先，家電控制器通過智能電表收集電網側信息，整合用戶便攜設備上傳的用戶側信息，如分時電價、設備運行狀態(tài)、用戶舒適度、室溫、水溫、持續(xù)工作時間等。在家電控制器內部執(zhí)行同時考慮用戶舒適度和分時電價信息的控制算法，流程如圖4所示，通過無線通訊方式發(fā)送控制決策信號到智能插座，對可控家電負荷進行控制。

圖4 融合分時電價的可控負荷優(yōu)先級調控算法流程圖Fig.4 Flowchart of controllable load priority regulation based on time of use price

圖4 中：P1為 可削減負荷總功率；P2為可轉移負荷總功率；PH為需求響應設定功率上限；PL為需求響應設定功率下限；Ki為設備i的動態(tài)優(yōu)先級；SAPPi表示設備i的運行狀態(tài)（1為開啟，0為關斷），[ts,te]表 示設備允許運行時間段；pt為當前時刻電價；表示當前時刻至設備允許運行的最后時刻相對低的電價。

首先判斷可控負荷總功率是否超過設定功率上限，若超過功率上限執(zhí)行削峰控制流程，若為超過，則判斷可控負荷總功率是否低于設定功率下限，若低于則執(zhí)行填谷控制流程。

削峰控制流程：在負荷高峰期關斷可轉移類負荷，對可削減類負荷進行動態(tài)優(yōu)先級計算并由低到高排序，然后判斷該家電負荷運行狀態(tài)，若為開啟狀態(tài)則令其關斷并更新P1；若為關斷狀態(tài)則判斷優(yōu)先級較高的家電負荷運行狀態(tài)；至功率值低于設定功率上限，進入下一時段的控制過程。

填谷控制流程：在負荷低谷期對所有可轉移類負荷計算動態(tài)優(yōu)先級并由高到底排序，然后判斷該家電負荷運行狀態(tài)，若為關斷狀態(tài)則首先判斷該時刻設備是否在用戶設定的允許運行時段內，若允許運行則判定該時刻電價是否為屬于可運行時間段內電價較低時段，若屬于則開啟設備，然后更新P2；否則判斷優(yōu)先級較低狀的家電負荷運行狀態(tài)，至功率高于設定功率下限但不超過功率上限或所有可轉移類負荷在該時刻均完成控制流程，進入下一時段控制過程。

3 算例分析

本算例以夏季某典型日，已實現(xiàn)智能用電的3個用戶的實際用電數(shù)據(jù)為研究依據(jù)，以分鐘為單位，對從6:00開始后的24 h（1440個時段）家庭用電進行優(yōu)化，在Matlab R2014b上對上述調控策略有效性進行仿真驗證。

3.1 算例參數(shù)

夏季某典型日溫度曲線如圖5所示，溫度變化較大，便于驗證控制策略有效性，分時電價有低谷、平時、高峰、尖峰4種電價，詳見表1[10]。為簡化研究，各設備運行功率為額定功率，詳見表2。

圖5 夏季某典型日溫度曲線Fig.5 Temperature curve of a typical day in summer

表1 分時電價信息Table 1 TOU price information

表2 各負荷額定功率Table 2 Rated power of each load

設定居民用電功率上限為4.5 kW，功率下限為1 kW，其他仿真參數(shù)參考文獻[20]。

3.2 算例仿真

3.2.1 用戶A參與控制

因不同家庭人員組成不同，用電習慣也不同，因此不同家庭需求設定不同，用戶A各用電設備需求設定見表3。

表3 用戶A各設備需求設定Table 3 User A's various equipment requirements settings

1）無控制行為。

如圖6所示，對各家電負荷均不進行控制，用戶按照自身用電習慣使用各類設備?？照{和熱水器全天處于運行狀態(tài)，由于受室外溫度影響，在夜間溫度低于用戶需求設定值，空調停止制冷，其他時段按照自身運行特性工作，在室內溫度高于用戶設定舒適度上限空調制冷在溫度低于舒適度溫度下限，停止工作，工作特點為隨溫度變化間歇性工作，由室溫—功率曲線關系可以看出在12:00—14:00由于氣溫較高，為滿足用戶對室內溫度的需求空調開啟時間明顯變長；熱水器用水主 要 集 中 在 早 晨06:00—07:00和 晚 上19:00—23:00，由于冷水的注入，水溫下降較快，在溫度低于設定溫度下限熱水器開啟，在到達溫度上限關閉，在日間熱水器短時工作是由于在未用水時段水箱內溫度由于熱量散失而降低造成；電動汽車由20:00開始充電至01:00完成充電，完成充電需5 h，初始SOC為20%，充電完成時SOC為95%；洗衣機和洗碗機用電時間不固定，均按照用戶用電習慣進行工作，洗碗機工作時間為三餐過后時段，在一天中需工作3次。從總功率曲線可以看出，若用戶僅按照自身用電習慣進行用電，會造成多設備集中用電的情況，出現(xiàn)短時負荷高峰，如圖6中的20:00~22:00。2）僅考慮用戶舒適度的優(yōu)先級控制。

圖6 用戶A無控制行為負荷用電曲線Fig.6 Load consumption curve ofuser A without control behavior

為實現(xiàn)負荷用電曲線的削峰填谷，對可控負荷進行控制，在不考慮電價因素，僅考慮用戶舒適度的控制策略下，優(yōu)化結果如圖7所示。與控制前對比，在晚19:30開始的用電高峰時段，可轉移類負荷均轉移用電時段，由于用戶用水行為，熱水器水溫下降，其動態(tài)優(yōu)先級升高，因此通電工作，空調斷電，之后空調和熱水器根據(jù)優(yōu)先級高低交替工作，直至由于室外溫度影響，室內溫度低于用戶設定空調工作的溫度下限，空調長時間關斷，熱水器在用戶結束用水行為后，僅出現(xiàn)由于水箱熱量自然散失導致的短時開啟；電動汽車、洗衣機、洗碗機則轉移至用電低谷期進行工作，在設備允許運行時段通過判定優(yōu)先級高低進行用電。通過調控后總功率曲線可得出結論優(yōu)先級控制策略可實現(xiàn)負荷曲線的削峰填谷。

圖7 考慮用戶舒適度優(yōu)先級控制策略優(yōu)化后用戶A的負荷用電曲線Fig.7 Load power consumption curve of user A after optimization of user comfort priority control strategy

3）考慮分時電價及用戶舒適度的優(yōu)先級控制。

本文控制策略為在優(yōu)化過程中，考慮用戶舒適度的優(yōu)先級控制基礎上考慮電價因素，優(yōu)化結果如圖8所示，與圖7對比可以看出在保證負荷曲線可實現(xiàn)削峰填谷的前提下，可轉移類負荷工作時段發(fā)生變化，由于洗衣機負荷全天任意時段均可進行工作，其開始工作時間由早晨07:00轉移至晚上23:00，結合分時電價表可知，晚23:00電價屬于低谷電價，早07:00后電價屬于平時電價；洗碗機同理在可運行時間段內選擇處于負荷低谷期且電價相對較低時刻開始工作；電動汽車充電行為均轉移至電價低谷時段。

圖8 本文控制策略優(yōu)化后用戶A的負荷用電曲線Fig.8 The load consumption curve of user A after optimization of control strategy in this paper

3.2.2 用戶B參與控制

用戶B具體用電設備需求設定見表4。

表4 用戶B各設備需求設定Table 4 User B's various equipment requirements settings

1）無控制行為。

用戶B為典型年輕上班族家庭，用電主要集中在晚間，同樣會出現(xiàn)各家電同時段運行的情況，導致負荷高峰的出現(xiàn)，各家電運行情況及總功率消耗如圖9所示。

圖9 用戶B無控制行為負荷用電曲線Fig.9 Load consumption curve ofuser B without control behavior

2）僅考慮用戶舒適度的優(yōu)先級控制。

由圖10可知，在僅考慮用戶舒適度的優(yōu)先級控制下，20:00前后空調與熱水器優(yōu)先級隨狀態(tài)不斷變化，導致出現(xiàn)2個設備通斷狀態(tài)的切換；電動汽車在17:00初始充電時間后的允許運行時間段內的用電低谷時段間斷工作直至充電完成，實現(xiàn)負荷曲線的削峰填谷。

圖10 考慮用戶舒適度優(yōu)先級控制策略優(yōu)化后用戶B的負荷用電曲線Fig.10 Load power consumption curve of user B after optimization of user comfort priority control strategy

3）考慮分時電價及用戶舒適度的優(yōu)先級控制。

將圖11與圖10對比可知電動汽車、洗衣機、洗碗機均將用電行為轉移至22:00后的低谷電價時段完成用電任務，為實現(xiàn)削峰填谷的前提下更大程度上減少用電成本。

圖11 本文控制策略優(yōu)化后用戶B的負荷用電曲線Fig.11 The load consumption curve of user B after optimization of control strategy in this paper

3.2.3 用戶C參與控制

用戶C具體用電設備需求設定見表5。

表5 用戶C各設備需求設定Table 5 User C's various equipment requirements settings

1）無控制行為。

用戶C為年紀較大的老年人家庭，對于空調的舒適溫度范圍較A、B家庭均有所提高，各設備運行情況如圖12所示，空調用電為日間溫度較高時段及晚間在家時段；熱水器用水行為除晚間19:30—22:30外，日間也有2次少量用水行為；電動汽車在17:00剩余電量40%時開始充電，至充電完成，洗衣機在中午運行一次，洗碗機運行2次，于18:00—21:00出現(xiàn)負荷高峰。

圖12 用戶C無控制行為負荷用電曲線Fig.12 Load consumption curve of user C without control behavior

2）僅考慮用戶舒適度的優(yōu)先級控制。

圖13 為考慮用戶舒適度優(yōu)先級控制策略優(yōu)化后用戶C的負荷用電曲線，由圖可知，由于空調在17:00~19:30處于關斷狀態(tài)，在19:30與熱水器同時產生通電行為，而此時室內溫度較高且熱水器用水量較大，2個設備用電舒適度均超過用戶設定范圍，在僅考慮用戶舒適度的優(yōu)先級控制下，交替通斷工作，實現(xiàn)降室溫升水溫的目的，其他可轉移類負荷在用電低谷時段進行工作實現(xiàn)負荷曲線的削峰填谷。

圖13 考慮用戶舒適度優(yōu)先級控制策略優(yōu)化后用戶C的負荷用電曲線Fig.13 Load power consumption curve of user C after optimization of user comfort priority control strategy

3）考慮分時電價及用戶舒適度的優(yōu)先級控制。

與用戶A、B控制效果相同，可轉移類負荷在低谷電價時段完成用電任務，如圖14所示。

圖14 本文控制策略優(yōu)化后用戶C的負荷用電曲線Fig.14 The load consumption curve of user C after optimization of control strategy in this paper

3.2.4 經濟性分析

對控制前后3戶家庭總能耗和用電費用進行計算，見表6。

表6 調控前后能耗及電費統(tǒng)計Table 6 Statistics of energy consumption and electricity charge before and after regulation

由表6可知，被控負荷總能耗基本保持不變，說明可轉移類負荷均完成用電任務，減少的少量能耗均發(fā)生在可削減類負荷上，能耗削減量少表示基本對用戶用電需求不產生影響，在此基礎上實現(xiàn)了負荷用電曲線的削峰填谷。2種控制策略均可實現(xiàn)降低用戶用電費用的目標，與無控制行為情況進行比較，僅考慮用戶舒適度的可控負荷優(yōu)先級，控制用戶A用電費用減少19.2%，用戶B減少33.4%，用戶C減少22.7%；本文所提的考慮分時電價和用戶舒適度的優(yōu)先級控制，用戶A用電費用減少25.3%，用戶B減少43.8%，用戶C減少34.8%。

綜上，本文所提控制策略可應用于用電習慣不同的用戶具有普適應，不僅可實現(xiàn)負荷曲線的削峰填谷，還可在更大程度上為用戶節(jié)約用電費用。

4 結論

1）從電網運行角度考慮，可實現(xiàn)負荷用電曲線的削峰填谷，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2）從用戶角度考慮，可在滿足用戶用電舒適度的同時，指導用戶合理錯峰用電，進一步節(jié)約用電費用。

本文控制方案應用于單戶家庭多類負荷，未來擴展至多戶家庭可實現(xiàn)區(qū)域化負荷群控制。下一步可研究大規(guī)?？煽刎摵扇河行騾⑴c需求響應如何實現(xiàn)新能源消納。