應對停電的儲能備用系數及家庭能量管理系統優化控制模型

唐 捷，黃婧杰，徐志強，陳毅波，劉科明，楊洪明

（1.湖南省清潔能源與智能電網協同創新中心（長沙理工大學），長沙 410114；2.國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院，長沙 410004；3.國網湖南省電力有限公司信息通信分公司，長沙 410007）

隨著用戶側分布式光伏、儲能及智能家電的發展，居民用戶面臨著如何合理利用分布式光伏和儲能，提高家庭用電經濟性和可靠性的問題。家庭能量管理系統HEMS（household energy management system）作為能量管理技術在用戶側的體現，可以基于系統中家庭能量管理和優化模型[1-3]，實現各類用電設備及儲能的自動控制，從而降低用戶用電成本[4-5]，對電力系統也可起到削峰填谷的作用[6]。

現階段，國內外學者針對HEMS中優化模型研究主要集中在用電設備的分類和建模[7-9]、優化模型建立[10-12]和求解算法上[13-15]。其中，制定出合理的優化模型對降低用戶用電成本顯得至關重要。例如在現有的優化模型建立方面，有研究計及自身賣電收益、買電成本和政府補貼等因素，考慮分時電價和階梯電價兩種電價機制，通過優化家庭光儲系統的儲能運行狀態，來達到自身用電成本最小的目標[11]。在考慮儲能優化運行的基礎上，部分學者根據家庭用電設備運行特點，以用戶電能成本最小和負荷峰谷差最小為目標，優化用電設備運行時間[7]。考慮到優化后用戶舒適度的問題，文獻[10]進一步根據不同負荷設置了相應的舒適度指標，建立了一種基于用電成本和舒適度的多目標優化模型。但是，上述研究在優化用戶用電成本時，忽略了分布式光伏系統、家庭用電設備及儲能如何在分時電價下協調運行的問題，導致最終的用電成本并不能達到最優。同時，現有研究往往只關注到了用戶用電經濟性，很少有關注到電網的檢修、事故停電期，居民對自身基本生活用電的需求。因此，如何合理優化儲能和家庭用電設備的運行，使其在電網正常運行情況下配合分時電價、光伏發電系統來降低用戶用電成本，同時又能實時預留合適的備用容量以滿足電網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。而儲能因其具有電能“時空平移”、“低儲高放”的特點，不僅可以被用來提高用戶用電經濟性，而且常常被用來作為系統故障時的備用電源。

因此，為了在兼顧用戶用電經濟性的同時，考慮在儲能運行過程中實時預留合適的備用容量應對可能存在的停電事故，提出了儲能備用系數。此系數由家庭中基礎用電設備功率和停電時長設定，并將設定好的系數應用于儲能荷電狀態約束中，用以提高儲能荷電狀態最小值，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濟性和可靠性需求。

1 家庭用電設備及其控制系統

1.1 家庭用電設備及其控制系統組成

家庭用電設備及其控制系統結構如圖1所示，主要包括家庭用電設備、光伏發電系統、儲能、智能插座、雙向電表、家庭網關、HEMS等。其中，HEMS包括設備層、通信層、控制層，可將所有發電、用電及儲能設備整合在一起進行管理和控制。用戶在HEMS交互界面輸入用電設備參數，系統基于輸入參數求解用戶用電模型，生成最優用電策略，并根據用電策略集中控制用電設備通斷，從而實現家庭用電智慧互動。

圖1 家庭用電設備及其控制系統結構Fig.1 Framework of household electrical equipment and its control system

1.2 光儲系統和家庭用電設備建模

1.2.1 分布式光伏及儲能模型

1.2.2 家庭用電設備建模

家庭用電設備分為可控用電設備和基礎用電設備兩類。可控用電設備又稱為柔性用電設備，根據此類用電設備工作特點可細分為可轉移用電設備、可中斷用電設備，這類設備工作時間相對靈活，具有參與需求側響應的能力，能在用戶提前設定好的允許工作時間內調整自己的用電方式。例如可轉移用電設備可進行工作時間的轉移或中斷，響應后的結果對用戶生活和用電滿意度影響不大。基礎用電設備又稱為剛性設備，此類設備保障了居民正常生活的需求，且使用隨機性較強，其用電方式的調整會對用戶日常生活和用電滿意度造成較大影響，通常不參與優化[17-18]，例如家中常見的電燈、電腦等，因此HEMS優化的主要用電設備是可控用電設備。

1）可轉移用電設備

可轉移用電設備可以在用戶提前設定好的時段內工作，工作時間具有可轉移性，但是這類設備一旦開始運行，在其開始運行到結束運行的時段內常常表現為不可中斷性，直至運行結束，運行期間功率恒定，例如家庭中常見的洗衣機、電飯煲等。根據可轉移用電設備以上特點，建立運行控制數學模型，即

2）可中斷用電設備

可中斷用電設備通常可以在用戶設定的運行時段內，在滿足設備最小運行時長的前提下進行中斷，其正常工作時功率恒定，例如家用電動汽車、加濕器等。根據可中斷用電設備以上特點，建立運行控制模型，即

2 含儲能備用系數的家庭能量管理系統優化模型

2.1 用電成本目標函數

2.2 計及儲能備用系數的約束條件

2.2.1 儲能備用系數

2.2.2 用電可靠性指標

為了評估所提儲能備用系數在保證用戶用電可靠性方面的作用，引用參考文獻[20]的方法將可靠性用停電時用戶用電功率缺額表示。用戶用電功率缺額是指停電時儲能當前剩余容量按照先保障停電時段基礎用電設備用電，再保障可控用電設備用電的原則下，部分因儲能剩余容量不足而無法按原計劃開啟的用電設備功率之和。因此，用戶用電功率缺額越大，表明停電時段無法開啟的用電設備就越多，停電對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為停電時刻；P(t)為停電時長內用戶總用電負荷大小，包括基礎用電設備和可控用電設備；ηdis為儲能放電效率；Emin為儲能容量最小值。

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

2.2.3 含儲能備用系數的約束條件

（1）含儲能備用系數的儲能荷電狀態約束。求解過程中儲能荷電狀態應滿足

（2）有功功率平衡約束為

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

（4）儲能充放電功率約束為

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

3 模型計算流程

圖2 模型計算流程Fig.2 Flow chart of model calculation

4 算例仿真分析

4.1 參數設置

以湖南省株洲市示范鄉村用戶夏季日常用電情況為例設置仿真參數。算例仿真中，設置仿真時長T=24 h、步長Δt=1 h；用戶售電電價（kW?h），停電時長取0.5 h[21]；儲能參數見表1；分時電價、光伏輸出功率及用戶基礎用電設備曲線如圖3所示；可中斷用電設備、可轉移用電設備參數如表2和表3所示。

表1 儲能參數Tab.1 Parameters of energy storage

圖3 分時電價以及光伏、基礎用電設備功率Fig.3 Time-of-use price,photovoltaic output power,and power of basic electrical equipment

表2 可中斷用電設備參數Tab.2 Parameters of interruptible electrical equipment

表3 可轉移用電設備參數Tab.3 Parameters of transferable electrical equipment

4.2 算例仿真結果及分析

4.2.1 可控用電設備優化運行結果

圖4展示了可中斷用電設備優化運行結果。電動車被調整到了谷時電價時段充電；用戶對空調的使用分別在中午和晚上，中午時段空調工作時間被調整到了平時電價時段；水泵的工作時間被調整到了谷時電價時段，且表現出可中斷性；加濕器工作時間則被調整到了允許用電時間中的谷時電價時段。

圖4 可中斷用電設備優化運行結果Fig.4 Optimal operation results of interruptible electrical equipment

圖5給出了可轉移用電設備的優化結果。熱水器工作時間被調整到谷時電價時段；掃地機器人（機器人）充電時間、洗衣機及洗碗機的工作時間都被轉移到了谷時電價時段且工作時間連續；電飯煲開啟時間則被調整到允許工作時間中的平時電價時段。今后，隨著更多智能用電設備進入居民家中，例如新能源電動汽車等，用戶可根據自身實際情況在HEMS中增加設備參數，使更多設備參與到HEMS的優化中來。

圖5 可轉移用電設備優化運行結果Fig.5 Optimal operation results of transferable electrical equipment

4.2.2 儲能優化運行結果

儲能優化運行結果如圖6所示。由圖6可以看出，儲能通過“低儲高放”的方式來降低用戶用電成本。值得注意的是，儲能在12～13時段進行了充電操作，但此時卻是峰時電價，原因是在12～13時段，光伏輸出功率較大，因此該時段對儲能進行充電。

圖6 儲能優化運行結果Fig.6 Optimal operation results of energy storage

4.2.3 優化前后用戶用電成本對比

本節設置3個場景分析對比用戶用電成本：場景1使用所提優化模型，設置停電時間為20：00，停電時長0.50 h；場景2使用優化模型，但不計儲能備用系數；場景3不使用所提優化模型。3種場景下用戶用電成本如表4所示。

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

由表4可知，場景1相較于場景3的用電成本降低了約36.97%，但是場景1中用戶用電成本較場景2有所增加，這是因為場景1考慮了儲能備用系數，提高了儲能荷電狀態下限，進而減小了儲能容量的可用空間，導致用戶不得不向電網多購電，從而造成用電成本有所偏高。雖然場景1經濟性略有降低，但是從兩個場景下的用電功率缺可以看出，場景1的用電功率缺額遠小于場景2。根據用電功率缺額與用戶用電可靠性的關系可知，場景1比場景2的用戶用電可靠性有大幅提升。

4.2.4 不同停電時長下用戶用電經濟性和可靠性對比

為了驗證儲能備用系數與用戶用電經濟性、可靠性的關系，本節設定停電時間為20：00，取停電時長分別為0.25 h、0.50 h、0.75 h，計算不同停電時長下，用戶的儲能備用系數均值、用電成本及用戶用電功率缺額，計算結果如表5所示。不同停電時長下的用電功率缺額計算方法如式（13）所示。根據停電時儲能電池剩余可用容量，求出不同停電時長下儲能電池放電功率。利用用戶總用電負荷減去儲能此時的放電功率，即可求得不同停電時長下用戶用電功率缺額。不同停電時長下的儲能剩余容量由優化結果求出。

表5 不同停電時長下用電經濟性和可靠性Tab.5 Power economy and reliability under different outage durations

由表5可知，隨著用戶設定停電時間的增長，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，相較于停電時長為0.25 h，停電時長為0.50 h和0.75 h時用戶用電可靠性分別提升了23.7%和26.9%。這是因為用戶設定的停電時長越長，儲能備用系數均值越大，優化過程中可利用的儲能容量就越小。這樣會造成用戶用電成本適當增加，但是由于備用容量增加，一旦發生停電事故，由此造成的用電功率缺額將會減小，提高了用電可靠性。

5 結語

本文提出了一種應對停電的儲能備用系數及HEMS優化控制模型，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急供電能力。雖然考慮儲能備用系數后，用戶用電經濟性相較不考慮備用系數時略有下降，但是卻極大提高了用戶用電可靠性。根據不同用戶對自身用電經濟性和可靠性的側重，可通過調節儲能備用系數滿足用戶需求。

今后，繼續對嵌套該模型的智能用電技術進行開發和應用，既可以為用戶服務商提供服務市場，又會推動分布式光伏和用戶側電儲能的發展，促進用戶對分時電價的接納程度。同時，分時電價、用戶側電儲能、光伏發電的充分利用，也將有效降低用戶用電成本、系統峰谷差及全社會用電的碳排放量。