唐 捷，黃婧杰，徐志強(qiáng)，陳毅波，劉科明，楊洪明

（1.湖南省清潔能源與智能電網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心（長(zhǎng)沙理工大學(xué)），長(zhǎng)沙 410114；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，長(zhǎng)沙 410004；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司信息通信分公司，長(zhǎng)沙 410007）

隨著用戶側(cè)分布式光伏、儲(chǔ)能及智能家電的發(fā)展，居民用戶面臨著如何合理利用分布式光伏和儲(chǔ)能，提高家庭用電經(jīng)濟(jì)性和可靠性的問題。家庭能量管理系統(tǒng)HEMS（household energy management system）作為能量管理技術(shù)在用戶側(cè)的體現(xiàn)，可以基于系統(tǒng)中家庭能量管理和優(yōu)化模型[1-3]，實(shí)現(xiàn)各類用電設(shè)備及儲(chǔ)能的自動(dòng)控制，從而降低用戶用電成本[4-5]，對(duì)電力系統(tǒng)也可起到削峰填谷的作用[6]。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)HEMS中優(yōu)化模型研究主要集中在用電設(shè)備的分類和建模[7-9]、優(yōu)化模型建立[10-12]和求解算法上[13-15]。其中，制定出合理的優(yōu)化模型對(duì)降低用戶用電成本顯得至關(guān)重要。例如在現(xiàn)有的優(yōu)化模型建立方面，有研究計(jì)及自身賣電收益、買電成本和政府補(bǔ)貼等因素，考慮分時(shí)電價(jià)和階梯電價(jià)兩種電價(jià)機(jī)制，通過優(yōu)化家庭光儲(chǔ)系統(tǒng)的儲(chǔ)能運(yùn)行狀態(tài)，來達(dá)到自身用電成本最小的目標(biāo)[11]。在考慮儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)上，部分學(xué)者根據(jù)家庭用電設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，以用戶電能成本最小和負(fù)荷峰谷差最小為目標(biāo)，優(yōu)化用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間[7]?？紤]到優(yōu)化后用戶舒適度的問題，文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步根據(jù)不同負(fù)荷設(shè)置了相應(yīng)的舒適度指標(biāo)，建立了一種基于用電成本和舒適度的多目標(biāo)優(yōu)化模型。但是，上述研究在優(yōu)化用戶用電成本時(shí)，忽略了分布式光伏系統(tǒng)、家庭用電設(shè)備及儲(chǔ)能如何在分時(shí)電價(jià)下協(xié)調(diào)運(yùn)行的問題，導(dǎo)致最終的用電成本并不能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，現(xiàn)有研究往往只關(guān)注到了用戶用電經(jīng)濟(jì)性，很少有關(guān)注到電網(wǎng)的檢修、事故停電期，居民對(duì)自身基本生活用電的需求。因此，如何合理優(yōu)化儲(chǔ)能和家庭用電設(shè)備的運(yùn)行，使其在電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下配合分時(shí)電價(jià)、光伏發(fā)電系統(tǒng)來降低用戶用電成本，同時(shí)又能實(shí)時(shí)預(yù)留合適的備用容量以滿足電網(wǎng)停電情況下用戶基本生活用電的需求成為亟待解決的問題。而儲(chǔ)能因其具有電能“時(shí)空平移”、“低儲(chǔ)高放”的特點(diǎn)，不僅可以被用來提高用戶用電經(jīng)濟(jì)性，而且常常被用來作為系統(tǒng)故障時(shí)的備用電源。

因此，為了在兼顧用戶用電經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，考慮在儲(chǔ)能運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)預(yù)留合適的備用容量應(yīng)對(duì)可能存在的停電事故，提出了儲(chǔ)能備用系數(shù)。此系數(shù)由家庭中基礎(chǔ)用電設(shè)備功率和停電時(shí)長(zhǎng)設(shè)定，并將設(shè)定好的系數(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)能荷電狀態(tài)約束中，用以提高儲(chǔ)能荷電狀態(tài)最小值，這樣既可以有效降低用戶用電成本，又可以保障停電期用戶的基本生活用電，從而滿足用戶用電經(jīng)濟(jì)性和可靠性需求。

1 家庭用電設(shè)備及其控制系統(tǒng)

1.1 家庭用電設(shè)備及其控制系統(tǒng)組成

家庭用電設(shè)備及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括家庭用電設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能、智能插座、雙向電表、家庭網(wǎng)關(guān)、HEMS等。其中，HEMS包括設(shè)備層、通信層、控制層，可將所有發(fā)電、用電及儲(chǔ)能設(shè)備整合在一起進(jìn)行管理和控制。用戶在HEMS交互界面輸入用電設(shè)備參數(shù)，系統(tǒng)基于輸入?yún)?shù)求解用戶用電模型，生成最優(yōu)用電策略，并根據(jù)用電策略集中控制用電設(shè)備通斷，從而實(shí)現(xiàn)家庭用電智慧互動(dòng)。

圖1 家庭用電設(shè)備及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Framework of household electrical equipment and its control system

1.2 光儲(chǔ)系統(tǒng)和家庭用電設(shè)備建模

1.2.1 分布式光伏及儲(chǔ)能模型

1.2.2 家庭用電設(shè)備建模

家庭用電設(shè)備分為可控用電設(shè)備和基礎(chǔ)用電設(shè)備兩類?？煽赜秒娫O(shè)備又稱為柔性用電設(shè)備，根據(jù)此類用電設(shè)備工作特點(diǎn)可細(xì)分為可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備、可中斷用電設(shè)備，這類設(shè)備工作時(shí)間相對(duì)靈活，具有參與需求側(cè)響應(yīng)的能力，能在用戶提前設(shè)定好的允許工作時(shí)間內(nèi)調(diào)整自己的用電方式。例如可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備可進(jìn)行工作時(shí)間的轉(zhuǎn)移或中斷，響應(yīng)后的結(jié)果對(duì)用戶生活和用電滿意度影響不大?；A(chǔ)用電設(shè)備又稱為剛性設(shè)備，此類設(shè)備保障了居民正常生活的需求，且使用隨機(jī)性較強(qiáng)，其用電方式的調(diào)整會(huì)對(duì)用戶日常生活和用電滿意度造成較大影響，通常不參與優(yōu)化[17-18]，例如家中常見的電燈、電腦等，因此HEMS優(yōu)化的主要用電設(shè)備是可控用電設(shè)備。

1）可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備

可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備可以在用戶提前設(shè)定好的時(shí)段內(nèi)工作，工作時(shí)間具有可轉(zhuǎn)移性，但是這類設(shè)備一旦開始運(yùn)行，在其開始運(yùn)行到結(jié)束運(yùn)行的時(shí)段內(nèi)常常表現(xiàn)為不可中斷性，直至運(yùn)行結(jié)束，運(yùn)行期間功率恒定，例如家庭中常見的洗衣機(jī)、電飯煲等。根據(jù)可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備以上特點(diǎn)，建立運(yùn)行控制數(shù)學(xué)模型，即

2）可中斷用電設(shè)備

可中斷用電設(shè)備通常可以在用戶設(shè)定的運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，在滿足設(shè)備最小運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的前提下進(jìn)行中斷，其正常工作時(shí)功率恒定，例如家用電動(dòng)汽車、加濕器等。根據(jù)可中斷用電設(shè)備以上特點(diǎn)，建立運(yùn)行控制模型，即

2 含儲(chǔ)能備用系數(shù)的家庭能量管理系統(tǒng)優(yōu)化模型

2.1 用電成本目標(biāo)函數(shù)

2.2 計(jì)及儲(chǔ)能備用系數(shù)的約束條件

2.2.1 儲(chǔ)能備用系數(shù)

2.2.2 用電可靠性指標(biāo)

為了評(píng)估所提儲(chǔ)能備用系數(shù)在保證用戶用電可靠性方面的作用，引用參考文獻(xiàn)[20]的方法將可靠性用停電時(shí)用戶用電功率缺額表示。用戶用電功率缺額是指停電時(shí)儲(chǔ)能當(dāng)前剩余容量按照先保障停電時(shí)段基礎(chǔ)用電設(shè)備用電，再保障可控用電設(shè)備用電的原則下，部分因儲(chǔ)能剩余容量不足而無法按原計(jì)劃開啟的用電設(shè)備功率之和。因此，用戶用電功率缺額越大，表明停電時(shí)段無法開啟的用電設(shè)備就越多，停電對(duì)用戶造成的影響就越大，反映出用戶用電可靠性越低；反之，功率缺額越小，用戶用電可靠性越高。因此，停電時(shí)用戶用電功率缺額可表示為

式中：ΔE為用戶用電功率缺額；tbre為停電時(shí)刻；P(t)為停電時(shí)長(zhǎng)內(nèi)用戶總用電負(fù)荷大小，包括基礎(chǔ)用電設(shè)備和可控用電設(shè)備；ηdis為儲(chǔ)能放電效率；Emin為儲(chǔ)能容量最小值。

由式（13）可知，不同停電時(shí)長(zhǎng)下用戶用電功率缺額由用戶總用電負(fù)荷與此時(shí)儲(chǔ)能電池放電功率相減得出。其中，儲(chǔ)能放電功率通過停電時(shí)刻儲(chǔ)能剩余可用容量（即E(t)-Emin）乘以儲(chǔ)能放電效率計(jì)算得出。

2.2.3 含儲(chǔ)能備用系數(shù)的約束條件

（1）含儲(chǔ)能備用系數(shù)的儲(chǔ)能荷電狀態(tài)約束。求解過程中儲(chǔ)能荷電狀態(tài)應(yīng)滿足

（2）有功功率平衡約束為

（3）家庭用電設(shè)備控制約束。在家庭用電設(shè)備和儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行求解過程中需要滿足用電設(shè)備的用電控制模型，約束如式（3）和式（4）所示。

（4）儲(chǔ)能充放電功率約束為

式中：sch(t)為儲(chǔ)能充電0-1狀態(tài)變量，0表示充電停止，1表示儲(chǔ)能開始充電；sdis(t)為儲(chǔ)能放電0-1狀態(tài)變量，0表示儲(chǔ)能放電停止，1表示儲(chǔ)能開始放電；分別為儲(chǔ)能最大充電和放電功率。

3 模型計(jì)算流程

圖2 模型計(jì)算流程Fig.2 Flow chart of model calculation

4 算例仿真分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

以湖南省株洲市示范鄉(xiāng)村用戶夏季日常用電情況為例設(shè)置仿真參數(shù)。算例仿真中，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)T=24 h、步長(zhǎng)Δt=1 h；用戶售電電價(jià)（kW?h），停電時(shí)長(zhǎng)取0.5 h[21]；儲(chǔ)能參數(shù)見表1；分時(shí)電價(jià)、光伏輸出功率及用戶基礎(chǔ)用電設(shè)備曲線如圖3所示；可中斷用電設(shè)備、可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備參數(shù)如表2和表3所示。

表1 儲(chǔ)能參數(shù)Tab.1 Parameters of energy storage

圖3 分時(shí)電價(jià)以及光伏、基礎(chǔ)用電設(shè)備功率Fig.3 Time-of-use price,photovoltaic output power,and power of basic electrical equipment

表2 可中斷用電設(shè)備參數(shù)Tab.2 Parameters of interruptible electrical equipment

表3 可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備參數(shù)Tab.3 Parameters of transferable electrical equipment

4.2 算例仿真結(jié)果及分析

4.2.1 可控用電設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

圖4展示了可中斷用電設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。電動(dòng)車被調(diào)整到了谷時(shí)電價(jià)時(shí)段充電；用戶對(duì)空調(diào)的使用分別在中午和晚上，中午時(shí)段空調(diào)工作時(shí)間被調(diào)整到了平時(shí)電價(jià)時(shí)段；水泵的工作時(shí)間被調(diào)整到了谷時(shí)電價(jià)時(shí)段，且表現(xiàn)出可中斷性；加濕器工作時(shí)間則被調(diào)整到了允許用電時(shí)間中的谷時(shí)電價(jià)時(shí)段。

圖4 可中斷用電設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果Fig.4 Optimal operation results of interruptible electrical equipment

圖5給出了可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備的優(yōu)化結(jié)果。熱水器工作時(shí)間被調(diào)整到谷時(shí)電價(jià)時(shí)段；掃地機(jī)器人（機(jī)器人）充電時(shí)間、洗衣機(jī)及洗碗機(jī)的工作時(shí)間都被轉(zhuǎn)移到了谷時(shí)電價(jià)時(shí)段且工作時(shí)間連續(xù)；電飯煲開啟時(shí)間則被調(diào)整到允許工作時(shí)間中的平時(shí)電價(jià)時(shí)段。今后，隨著更多智能用電設(shè)備進(jìn)入居民家中，例如新能源電動(dòng)汽車等，用戶可根據(jù)自身實(shí)際情況在HEMS中增加設(shè)備參數(shù)，使更多設(shè)備參與到HEMS的優(yōu)化中來。

圖5 可轉(zhuǎn)移用電設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果Fig.5 Optimal operation results of transferable electrical equipment

4.2.2 儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，儲(chǔ)能通過“低儲(chǔ)高放”的方式來降低用戶用電成本。值得注意的是，儲(chǔ)能在12～13時(shí)段進(jìn)行了充電操作，但此時(shí)卻是峰時(shí)電價(jià)，原因是在12～13時(shí)段，光伏輸出功率較大，因此該時(shí)段對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行充電。

圖6 儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果Fig.6 Optimal operation results of energy storage

4.2.3 優(yōu)化前后用戶用電成本對(duì)比

本節(jié)設(shè)置3個(gè)場(chǎng)景分析對(duì)比用戶用電成本：場(chǎng)景1使用所提優(yōu)化模型，設(shè)置停電時(shí)間為20：00，停電時(shí)長(zhǎng)0.50 h；場(chǎng)景2使用優(yōu)化模型，但不計(jì)儲(chǔ)能備用系數(shù)；場(chǎng)景3不使用所提優(yōu)化模型。3種場(chǎng)景下用戶用電成本如表4所示。

表4 不同場(chǎng)景下用電成本Tab.4 Electricity cost in different scenarios

由表4可知，場(chǎng)景1相較于場(chǎng)景3的用電成本降低了約36.97%，但是場(chǎng)景1中用戶用電成本較場(chǎng)景2有所增加，這是因?yàn)閳?chǎng)景1考慮了儲(chǔ)能備用系數(shù)，提高了儲(chǔ)能荷電狀態(tài)下限，進(jìn)而減小了儲(chǔ)能容量的可用空間，導(dǎo)致用戶不得不向電網(wǎng)多購電，從而造成用電成本有所偏高。雖然場(chǎng)景1經(jīng)濟(jì)性略有降低，但是從兩個(gè)場(chǎng)景下的用電功率缺可以看出，場(chǎng)景1的用電功率缺額遠(yuǎn)小于場(chǎng)景2。根據(jù)用電功率缺額與用戶用電可靠性的關(guān)系可知，場(chǎng)景1比場(chǎng)景2的用戶用電可靠性有大幅提升。

4.2.4 不同停電時(shí)長(zhǎng)下用戶用電經(jīng)濟(jì)性和可靠性對(duì)比

為了驗(yàn)證儲(chǔ)能備用系數(shù)與用戶用電經(jīng)濟(jì)性、可靠性的關(guān)系，本節(jié)設(shè)定停電時(shí)間為20：00，取停電時(shí)長(zhǎng)分別為0.25 h、0.50 h、0.75 h，計(jì)算不同停電時(shí)長(zhǎng)下，用戶的儲(chǔ)能備用系數(shù)均值、用電成本及用戶用電功率缺額，計(jì)算結(jié)果如表5所示。不同停電時(shí)長(zhǎng)下的用電功率缺額計(jì)算方法如式（13）所示。根據(jù)停電時(shí)儲(chǔ)能電池剩余可用容量，求出不同停電時(shí)長(zhǎng)下儲(chǔ)能電池放電功率。利用用戶總用電負(fù)荷減去儲(chǔ)能此時(shí)的放電功率，即可求得不同停電時(shí)長(zhǎng)下用戶用電功率缺額。不同停電時(shí)長(zhǎng)下的儲(chǔ)能剩余容量由優(yōu)化結(jié)果求出。

表5 不同停電時(shí)長(zhǎng)下用電經(jīng)濟(jì)性和可靠性Tab.5 Power economy and reliability under different outage durations

由表5可知，隨著用戶設(shè)定停電時(shí)間的增長(zhǎng)，用戶用電成本略有增加，但是由停電造成的用戶用電功率缺額在減小，表明用電可靠性提升，相較于停電時(shí)長(zhǎng)為0.25 h，停電時(shí)長(zhǎng)為0.50 h和0.75 h時(shí)用戶用電可靠性分別提升了23.7%和26.9%。這是因?yàn)橛脩粼O(shè)定的停電時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，儲(chǔ)能備用系數(shù)均值越大，優(yōu)化過程中可利用的儲(chǔ)能容量就越小。這樣會(huì)造成用戶用電成本適當(dāng)增加，但是由于備用容量增加，一旦發(fā)生停電事故，由此造成的用電功率缺額將會(huì)減小，提高了用電可靠性。

5 結(jié)語

本文提出了一種應(yīng)對(duì)停電的儲(chǔ)能備用系數(shù)及HEMS優(yōu)化控制模型，該模型不但可降低用戶用電成本，而且提高了停電期用戶自我應(yīng)急供電能力。雖然考慮儲(chǔ)能備用系數(shù)后，用戶用電經(jīng)濟(jì)性相較不考慮備用系數(shù)時(shí)略有下降，但是卻極大提高了用戶用電可靠性。根據(jù)不同用戶對(duì)自身用電經(jīng)濟(jì)性和可靠性的側(cè)重，可通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)能備用系數(shù)滿足用戶需求。

今后，繼續(xù)對(duì)嵌套該模型的智能用電技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用，既可以為用戶服務(wù)商提供服務(wù)市場(chǎng)，又會(huì)推動(dòng)分布式光伏和用戶側(cè)電儲(chǔ)能的發(fā)展，促進(jìn)用戶對(duì)分時(shí)電價(jià)的接納程度。同時(shí)，分時(shí)電價(jià)、用戶側(cè)電儲(chǔ)能、光伏發(fā)電的充分利用，也將有效降低用戶用電成本、系統(tǒng)峰谷差及全社會(huì)用電的碳排放量。