智能家庭能源管理系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究

于匯琳 石坤 胡純瑾

編者按：“雙碳”目標(biāo)對(duì)電網(wǎng)的發(fā)展提供了新方向和思路，電網(wǎng)正不斷提高可再生清潔能源接入比例，家庭能源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家庭用戶負(fù)荷調(diào)度、平抑電網(wǎng)波動(dòng)、減少能源消耗、消納清潔能源，符合新型電力系統(tǒng)配電側(cè)建設(shè)目標(biāo)。

引言

2020年9月22日，習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)一般性辯論時(shí)宣布中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。據(jù)統(tǒng)計(jì)，居民日常用電量占全世界總發(fā)電量的30%-40%，電網(wǎng)通過(guò)家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）對(duì)需求側(cè)居民用戶進(jìn)行負(fù)荷調(diào)度，優(yōu)先消納清潔能源，降低棄風(fēng)棄光量和火電消耗，從根本途徑上助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

智能家庭能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

電力系統(tǒng)收集臺(tái)區(qū)用電數(shù)據(jù)，電網(wǎng)公司根據(jù)采集的用電數(shù)據(jù)優(yōu)化能源調(diào)度，但無(wú)法預(yù)測(cè)單個(gè)用戶的消費(fèi)情況。圖1為新型電力系統(tǒng)下家庭能源管理系統(tǒng)，可以解決上述問(wèn)題。用戶用電數(shù)據(jù)由智能電表匯總上傳至電網(wǎng)，電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)電價(jià)進(jìn)行分段調(diào)整，發(fā)布需求響應(yīng)信號(hào)。HEMS系統(tǒng)結(jié)合電網(wǎng)發(fā)布的需求響應(yīng)和電價(jià)，在確保滿足用戶舒適度情況下合理安排用電活動(dòng)，調(diào)整或減少負(fù)荷的使用，更好地消納清潔能源、響應(yīng)電網(wǎng)需求、削減用電峰谷差和降低家庭總能耗，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)，并且為廣大地區(qū)的長(zhǎng)期電力消耗提供了可靠的預(yù)測(cè)和負(fù)荷分析。

家庭能源管理系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法

HEMS可結(jié)合各類(lèi)策略更好地實(shí)現(xiàn)能源管理、緩解用電高峰、降低碳排放量，比如結(jié)合人工智能（AI）算法、線性在線控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)等。

AI算法

如今，許多AI算法可被用于HEMS控制家用負(fù)荷。AI算法主要用于在用電預(yù)測(cè)或高峰時(shí)段優(yōu)化能源分配。采用AI算法的用電預(yù)測(cè)模型使用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以找到在用電器運(yùn)行最佳策略。比如可利用預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)用戶家中空調(diào)設(shè)備的最佳溫度，以減少能源消耗。或使用預(yù)測(cè)模型，根據(jù)能源價(jià)格和天氣條件優(yōu)化能源消耗量。

線性在線控制

線性在線控制通過(guò)實(shí)時(shí)算法或在線調(diào)度來(lái)控制熱負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷設(shè)備或降低能耗、降低電費(fèi)。在這種方法中，HEMS負(fù)責(zé)通過(guò)監(jiān)控和分析負(fù)荷的數(shù)據(jù)來(lái)確定負(fù)荷的狀態(tài)。在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，任一負(fù)荷想要工作并且沒(méi)有違反需求限制，HEMS將決定開(kāi)啟負(fù)荷。可使用在線控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)度大功率負(fù)荷的運(yùn)行，根據(jù)電網(wǎng)公司發(fā)布的價(jià)格信號(hào)關(guān)閉可削減的負(fù)荷或使用電成本保持在預(yù)定值以下。

儲(chǔ)能系統(tǒng)

目前，儲(chǔ)能設(shè)備成本和損耗成本比較高，電池充放電次數(shù)有限，HEMS中儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用受限，但隨著大幅度清潔能源接入電網(wǎng)中，為了降低棄風(fēng)棄光量，解決清潔能源供應(yīng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，儲(chǔ)能的作用不可忽視。儲(chǔ)能設(shè)備和可再生能源作為HEMS的補(bǔ)充，能源儲(chǔ)存對(duì)控制高峰時(shí)段的能源消耗有顯著的影響。

智能家庭能源管理系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向

在未來(lái)HEMS可以繼續(xù)研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，復(fù)雜的控制算法和清潔能源不穩(wěn)定輸出可能會(huì)加大HEMS的工作難度和提高系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性，這些問(wèn)題都可以通過(guò)加入儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)解決。因此，儲(chǔ)能設(shè)備在HEMS中有很好的應(yīng)用前景。

總結(jié)

相比采用傳統(tǒng)控制方法的HEMS而言，優(yōu)化后的HEMS控制方法實(shí)現(xiàn)更優(yōu)負(fù)荷控制，并且可以看出，存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)效率的影響很大，具有更好的指標(biāo)改善結(jié)果。發(fā)展HEMS能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)公司發(fā)布需求信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移或減少負(fù)荷來(lái)減少高峰時(shí)段的負(fù)荷，并在非高峰時(shí)段或電力過(guò)剩時(shí)增加需求，降低了總能消耗，提高清潔能源的接入效率，加快實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程。

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第一作者：于匯琳（1998—），女，漢族，黑龍江，在讀碩士研究生，華北電力大學(xué)，主要從事需求響應(yīng)、家庭能源管理系統(tǒng)等研究工作。