湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(論文)設(shè)計論文題目《基于需求側(cè)負(fù)荷管理的智能效優(yōu)化系統(tǒng)研究》學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年 月日摘要隨著社會的不斷發(fā)展，人類對電力越來越依賴，對電力能源的需求也是越來越高。智能電網(wǎng)的發(fā)展作為電力行業(yè)的一次工業(yè)革命，對全球的可再生能源的利用，環(huán)境和氣候的保護(hù)，都起了積極方面的作用。智能用電的能效優(yōu)化系統(tǒng)不僅能夠提高能源的利用效率，還能使電力用戶的利益得到最優(yōu)化的體現(xiàn)，是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電力用戶的參與度很低，用戶管理不規(guī)范。智能電網(wǎng)有智能友好等特征，采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，家域網(wǎng)，雙向通訊實現(xiàn)對電力需求側(cè)的管理，通過友好的互動，激勵電力用戶積極參與到電網(wǎng)運行中，以達(dá)到用電資源最優(yōu)化分配和用電能效的提高的目的。本文提出智能用電能效優(yōu)化系統(tǒng)，對電力用戶需求側(cè)進(jìn)行管理，目的是削減電力需求的高峰期，平滑負(fù)荷的形狀曲線、提高電力系統(tǒng)安全性和用電效率。仿真結(jié)果顯示，經(jīng)過該優(yōu)化系統(tǒng)能進(jìn)行短期的負(fù)荷預(yù)測以及負(fù)荷管理，并優(yōu)化電力用戶的用電效率。 關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；需求響應(yīng)負(fù)荷管理；能效優(yōu)化；控制策略；智能網(wǎng)關(guān)AbstractWiththecontinuousdevelopmentofsociety,humanbeingsofpowerismoreandmoredependenton,thedemandforelectricityisalsomoreandmorehigh.Thedevelopmentofsmartgridasanindustrialrevolutionofelectricpowerindustry,theglobalrenewableenergyuse,theprotectionoftheenvironmentandclimate,hasplayedapositiverole.Intelligentelectricityenergyefficiencyoptimizationsystemnotonlycanimprovetheefficiencyofenergyutilization,alsocanmakethepoweruser'sinterestsaretheembodimentoftheoptimization,isanimportantpartofthesmartgriddevelopment.Traditionalpowergrid,poweruserparticipationislow,theusermanagementisnotstandard.Smartgridintelligentcharacteristicssuchasfriendly,usetheremotecontroltechnology,thehomedomainnetwork,two-waycommunicationofelectricpowerdemandsidemanagement,throughfriendlyinteracive,motivationintheoperationofthepoweruserstoactivelyparticipateinthepowergrid,powerresourcesinordertoachieveoptimalallocationandefficientuseofenergyefficiency.Inthispaper,intelligentelectricityenergyefficiencyoptimizationsystemforpowerusersdemandsidemanagement,thepurposeistocutelectricitydemandpeak,theshapeofasmoothloadcurve,improvetheefficiencyofpowersystemsecurityandpower.Thesimulationresultsshowthat,afterthesystemisprovedtobeashort-termloadforecastingandloadmanagement,powerutilizationefficiencyandoptimizepowerusers.Keywords：SmartgridDemandresponseLoadmanagementTheoptimizationofenergyefficiencyControlstrategyIntelligentgateway目錄TOC\o"1-3"\h\u28570HUNANUNIVERSITY 19392摘要 224670Abstract 324369第1章緒論 5176801.1論文的選題背景和意義 5175631.1.1選題背景 5271241.1.2選題意義 5101551.2國內(nèi)外研究動態(tài) 6225801.2.1國外研究動態(tài) 6288571.2.2國內(nèi)研究動態(tài) 7131141.3論文研究的主要內(nèi)容 726678第2章需求側(cè)負(fù)荷管理的基本特征 8127282.1智能電網(wǎng)中需求側(cè)管理的概述 8169012.1.1智能電網(wǎng)需求側(cè)管理的基本特征 1061612.1.2需求響應(yīng)技術(shù) 10227272.2基于價格的需求響應(yīng) 1117982.5本章小結(jié) 1216462第3章智能用電能效優(yōu)化管理系統(tǒng)的介紹 13186473.1系統(tǒng)的整體構(gòu)架 13206863.2智能用電能效管理控制策略 14225673.2.1控制目標(biāo) 1462853.2.2控制策略 15305813.3基于需求側(cè)負(fù)荷管理的用電能效優(yōu)化的算法 18205133.3.1通過運行時間調(diào)度實現(xiàn)的接納控制 1994443.3.2負(fù)荷平衡 1934463.4本章小結(jié) 2121919第四章實例仿真分析 2251744.1實例分析 22320434.2仿真結(jié)果討論 24220934.3本章小結(jié) 2418519第五章總結(jié) 2534785.1論文結(jié)論 25288525.2論文展望 2624571致謝 26第1章緒論1.1論文的選題背景和意義1.1.1選題背景智能電網(wǎng)的能源效率優(yōu)化，是從發(fā)電，輸電，配電和功耗優(yōu)化等方面進(jìn)行討論研究的的用電議題。它不僅降低線路損耗，改善有功和無功負(fù)荷優(yōu)化分配，以及推展可再生能源的利用，提高能源效率，對負(fù)荷管理也具有重要的影響。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能用電能效優(yōu)化管理技術(shù)也在慢慢進(jìn)步，已從簡單的能效計量、統(tǒng)計、分析，逐步發(fā)展到多方位的計量、通信、控制、管理技術(shù)的全方位結(jié)合，其中電力需求側(cè)管理技術(shù)也逐步融入智能用電能效優(yōu)化管理系統(tǒng)中去。電力需求側(cè)指的是與供電側(cè)相對應(yīng)的電力能源消耗的一方面，主要集中在配電和用電環(huán)節(jié)，消耗整個電網(wǎng)80%的能源。負(fù)荷管理指的是用經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、或者行政手段來控制電力系統(tǒng)負(fù)荷改變速度。電力系統(tǒng)規(guī)模日趨擴(kuò)大，電力基本設(shè)施建設(shè)的速度越來越緩慢。從整個國民經(jīng)濟(jì)考慮，有計劃地控制電力負(fù)荷的增長速率，指導(dǎo)負(fù)荷調(diào)整，限制非重要負(fù)荷在系統(tǒng)負(fù)荷高峰期間用電，盡可能最大限度地發(fā)揮已有發(fā)電和供電設(shè)備的利用率，這就是負(fù)荷管理的目的。能效優(yōu)化管理指的是在滿足消費者健康、舒適的前提下，節(jié)約能源、提高能效，降低費用的一套監(jiān)控管理系統(tǒng)。將電力需求側(cè)管理技術(shù)引入到智能用電能效優(yōu)化管理系統(tǒng)，不但可以幫助消費者在維持正常運營的時，合理計劃電價消費，對用電實現(xiàn)精細(xì)化控制，降低能耗開支，而且也能夠改善需求側(cè)耗能的管理機(jī)制和管理體系，將對降低城市高峰時期的用電負(fù)荷，減少政府在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的投資起到非常有利一面的作用。1.1.2選題意義傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)通常采取的是從電力網(wǎng)到電力用戶的單箭頭傳輸方式。而智能電網(wǎng)具備電力與信息的雙向流動的特點，通過分析實時的用電動態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備上即時的供需平衡。在電力需求側(cè)負(fù)荷管理中，伴隨著無線傳感器以及電力線載波技術(shù)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)中用戶以互動方式用電成為可能。從電網(wǎng)的角度來看，用戶需求側(cè)可被當(dāng)作是一類可管理的資源，它將作用于平衡供需關(guān)系，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。從電力用戶角度看，參與能效優(yōu)化的運行和管理，可以優(yōu)化購買以及使用電力的方式，以達(dá)到自身利益最大化的目的。用戶可以根據(jù)自身的電力需求及電力系統(tǒng)可以滿足其需求的能力調(diào)節(jié)電力的消費方式，使電力需求自電網(wǎng)負(fù)荷高峰期削減，轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，實現(xiàn)負(fù)荷管理。在我國基于電力需求側(cè)負(fù)荷的智能用電能效優(yōu)化管理的還是一個比較新的課題，具有較高的理論學(xué)習(xí)價值。本篇在前人研究的基礎(chǔ)之上，借鑒現(xiàn)有的研究成果，進(jìn)行理論和實踐研究方面的創(chuàng)新，并重點研究智能電網(wǎng)中用戶需求側(cè)能效優(yōu)化管理，本文的主要理論研究集中于下列幾個方面：分析并總結(jié)傳統(tǒng)電網(wǎng)中電力需求側(cè)管理的不足之處，依據(jù)智能電的特性，設(shè)計出新的電力用戶需求側(cè)智能用電能效優(yōu)化管理方法。該方法能突出智能電網(wǎng)與電力消費者友好互動的特點。二，對智能用電能效管理系統(tǒng)的總體構(gòu)架做闡述，提出基于空調(diào)運行的特性的智能用電能效管理控制的策略，并論述應(yīng)用于系統(tǒng)的智能用電能效優(yōu)化算法。通過該系統(tǒng)的有關(guān)算法理念進(jìn)行負(fù)荷能效優(yōu)化管理，實現(xiàn)用戶用電效率的最優(yōu)化。1.2國內(nèi)外研究動態(tài)1.2.1國外研究動態(tài)目前，智能電網(wǎng)已成為全球電力行業(yè)研究和探討的熱門焦點，各個國家開展了大量的工作應(yīng)用于智能電網(wǎng)的概念及其技術(shù)研究和工程實踐中。國外的專家學(xué)者對智能電網(wǎng)的需求側(cè)管理作出了一定的研究及展望。A.Ipakchi和F.Aibuyeh[4]兩位學(xué)者對智能電網(wǎng)作了全面深刻的研究。負(fù)荷管理一項技術(shù)源于1980年代末期，直接對負(fù)荷的控制和削峰移峰技術(shù)取得了一定的成果。隨著社會的進(jìn)步，能源短缺以及環(huán)境壓力和需求側(cè)響應(yīng)的技術(shù)得到了快速的發(fā)展。相比較于傳統(tǒng)負(fù)荷管理，高級的計量架構(gòu)以及家庭局域網(wǎng)的試用使得相關(guān)系統(tǒng)操作人員能夠直接（間接）通過電價信號管理相應(yīng)用電需求。由傳統(tǒng)負(fù)荷到當(dāng)前負(fù)荷整形，發(fā)、用電側(cè)的電力資源在任何時間均可滿足平衡條件。L.V.Snyder和S.Kishore[5]對居民用電需求的控制做了研究?？梢约俣ㄒ粋€家庭里由能源管理控制器控制電器使用時間，我們通過分時電價來確定電器的使用時間，可以建立一優(yōu)化模型，由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，即時很大一部分家庭同時使用此優(yōu)化模型，移峰填谷的問題依舊無法鏟除，所以有必要考慮社區(qū)用電情況，然后再通過分布式時間安排控制機(jī)制減小社區(qū)的總體高峰負(fù)荷時期用電需求。S.N.Shao,S.Rahman，M.Pipattanasomporn[6]由用戶選擇的角度出發(fā)，研究智能電網(wǎng)的集成電動汽車需求響應(yīng)。電動汽車的日益普及，這將導(dǎo)致電動汽車充電時期可能會給配電網(wǎng)帶來超過系統(tǒng)上限的高電力需求峰值。本文采用了考慮電力用戶選擇的需求響應(yīng)機(jī)制來減少電力汽車充電高峰時期對電網(wǎng)的沖擊。通過這種機(jī)制，電力系統(tǒng)的用戶可以決定何時控制何種負(fù)荷，并且保留自己的用電隱私。1.2.2國內(nèi)研究動態(tài)在智能電網(wǎng)需求側(cè)管理方面，我國學(xué)者已經(jīng)做了許多研究。王蓓蓓，李揚和高賜威[7]分析了傳統(tǒng)電網(wǎng)需求側(cè)控制管理技術(shù)中的問題，系統(tǒng)中引入智能電網(wǎng)相關(guān)控制管理技術(shù)后，需求側(cè)將會發(fā)生變化，本文對此進(jìn)行了展望，并對智能電網(wǎng)中的需求側(cè)控制管理建設(shè)提出了一些寶貴建議：在電網(wǎng)各環(huán)節(jié)安裝先進(jìn)計量、通訊設(shè)備（無線傳感器）建立電力供應(yīng)與需求信息雙向傳輸體系，以此實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間的互動；電力用戶使用分布式電源，參與需求響應(yīng)計劃，提高電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。湯墨竹[8]由智能電網(wǎng)的需求側(cè)管理控制系統(tǒng)建設(shè)的必要性出發(fā)，對智能電力需求側(cè)管理系統(tǒng)軟件功能和分層分布式邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和研究。功能舉例：負(fù)荷平衡分析功能，該模塊主要功能是動態(tài)分析電力用戶的負(fù)荷率，由數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)找出電網(wǎng)內(nèi)用電結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化的電力用戶，再自動生成節(jié)能用電策略，以此降低電網(wǎng)內(nèi)電力用戶的電力消費。袁飛研究了智能電網(wǎng)電力需求側(cè)管理控制系統(tǒng)的建設(shè)，設(shè)計出了一套需求管理系統(tǒng)的總體框架，并且對網(wǎng)損模型和負(fù)荷預(yù)測模型等進(jìn)行實現(xiàn)。在文中的輸電線負(fù)荷研究和計算方法：將某條線路中的電表負(fù)荷值累加，系統(tǒng)將通過圖形和文字顯示負(fù)荷情況，如通過曲線圖對比連續(xù)負(fù)荷。我國對智能電網(wǎng)的研究，在電力需求側(cè)管理控制方面做了一定量的分析與研究，但缺少考慮電網(wǎng)內(nèi)電力用戶對需求管理的接受程度。而智能電網(wǎng)的核心功能就是實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶交互，所以以電力用戶的接受度作為研究電力需求側(cè)管理的重點具有很重要的研究價值和意義。1.3論文研究的主要內(nèi)容本文主要研究工作如下：首先對智能電網(wǎng)中用電用戶需求側(cè)管理的特征及其特殊性進(jìn)行闡述，建立智能電網(wǎng)供應(yīng)、需求信息雙向通信系統(tǒng)模型，對提出智能用電能效優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架，進(jìn)行了可視化的研究和分析。對削峰填谷問題設(shè)計算法，對仿真結(jié)果進(jìn)行比較和分析。本文在第二章中，介紹了智能電網(wǎng)及智能電網(wǎng)中需求側(cè)負(fù)荷管理及能效優(yōu)化的基本概念和主要特點。第三章對智能電網(wǎng)能效優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架做出描述，提出智能用電能效管理控制的策略，并論述應(yīng)用于系統(tǒng)的優(yōu)化算法。第四章提出實例數(shù)據(jù)對系統(tǒng)和算法進(jìn)行驗證。在最后一章中，對本文的研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。需求側(cè)負(fù)荷管理的基本特征2.1智能電網(wǎng)中需求側(cè)管理的概述全球范圍內(nèi)，各國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀、電力系統(tǒng)建設(shè)水平和發(fā)展條件不一樣，這導(dǎo)致了各個地區(qū)對于智能電網(wǎng)建設(shè)的意愿及其側(cè)重點也各不相同。目前，智能電網(wǎng)的概念沒有統(tǒng)一的理解，人們對于智能電網(wǎng)，仍處于不斷豐富和認(rèn)識的過程。目前已經(jīng)達(dá)到的共識是，智能電網(wǎng)作為下一代電網(wǎng)，集成了先進(jìn)的傳感技術(shù)、通訊技術(shù)和控制方法論的，以智能和用戶友好的方式提供電能的系統(tǒng)。智能電網(wǎng)系統(tǒng)圖如下所示：智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)最大的不同點是支持需求響應(yīng)和用戶服務(wù)，支持電力用戶與電網(wǎng)之間的雙向互動。這有利于電網(wǎng)的運行和控制，并且更加方便為電力用戶服務(wù)，這也是智能電網(wǎng)的最終功能。電網(wǎng)需求側(cè)管理將會加強(qiáng)電力成本控制，并且能夠減少環(huán)境污染，平衡電能的供應(yīng)需求關(guān)系。智能電網(wǎng)對電力用戶的用電行為進(jìn)行合理安排與規(guī)劃，制定有效的節(jié)能方案，緩解用戶對于新增發(fā)電容量的需求，智能電網(wǎng)提高了用電設(shè)備的電能利用率，解決了電力市場環(huán)境不斷變化所帶來的各方面問題。本文中涉及的、有關(guān)電力需求側(cè)管理的一些基本概念概括如下[10]。需求側(cè)管理：指的是通過制定電力規(guī)劃和方案，影響電力用戶的用電行為，從而達(dá)到電網(wǎng)內(nèi)預(yù)期的負(fù)荷改變的目的。電力需求側(cè)管理主要有項目規(guī)劃、項目實施方案評估、和監(jiān)管。需求側(cè)管理電力用戶主要包括居民住宅用戶、工業(yè)用戶、商業(yè)用戶等。需求側(cè)規(guī)劃：指的是影響電力用戶用電行為的設(shè)計和評估。期望產(chǎn)生的負(fù)荷形狀改變主要包括用電量的改變和用電時間模式的改變，或者通過使用新電力技術(shù)，用來替代原有傳統(tǒng)能源。需求側(cè)執(zhí)行：指的是在需求側(cè)管理方案成本確定后，實際具體實施與需求側(cè)計劃所相關(guān)的活動。負(fù)荷形狀目標(biāo)：通過需求側(cè)管理控制計劃的實施，用戶的用電行為發(fā)生期望的變化，從而達(dá)到確定的負(fù)荷曲線形狀目標(biāo)。負(fù)荷形狀目標(biāo)可用來判斷需求側(cè)管理計劃的潛在影響因素，其可分為削峰、填谷、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、保護(hù)和新用電設(shè)備使用所帶來的負(fù)荷改變與需求響應(yīng)負(fù)荷形狀。負(fù)荷管理、需求響應(yīng)和節(jié)能措施都屬于需求側(cè)管理包含的內(nèi)容。削峰是負(fù)荷管理形式之一，傳統(tǒng)上一般認(rèn)為削峰是使用直接控制手段減少峰值時期的負(fù)荷需求量。在電力系統(tǒng)的高峰時期減少峰值容量、降低用戶購買能力，是簡單有效的手段，此外直接負(fù)荷控制還可以通過經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度等方法來降低運行成本和對燃料的依賴度。填谷是傳統(tǒng)的負(fù)荷管理形式，實際應(yīng)用中具體是指提升非高峰時期的負(fù)荷水平，對于長期新增成本低于平均電價水平的地區(qū)，此方式較為有效。由于峰值時期的電價因素，填谷能有效地降低電網(wǎng)的平均成本。實施填谷的常用方法是采用新儲能技術(shù)，如水加熱/空間加熱技術(shù)來取代傳統(tǒng)石化燃料的消耗。負(fù)荷轉(zhuǎn)移是將高峰期負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非高峰期。負(fù)荷轉(zhuǎn)移常見的應(yīng)用包括儲藏空間加熱和儲水式熱水器等。負(fù)荷轉(zhuǎn)移的應(yīng)用，使儲存設(shè)備轉(zhuǎn)移的負(fù)荷代替了傳統(tǒng)的電力供應(yīng)設(shè)備。節(jié)能措施指的是為了使得負(fù)荷形狀產(chǎn)生期望中的變化，電網(wǎng)內(nèi)電力用戶直接采取相關(guān)行動。終端能源消費用戶的節(jié)能措施能夠在一定程度上改變電網(wǎng)負(fù)荷形狀。而節(jié)能措施的實施策劃者必須考慮到這些節(jié)能行為能自然發(fā)生，然后再科學(xué)評估這些節(jié)能計劃的成本，從而推動這些節(jié)能措施的執(zhí)行，如在不同季節(jié)設(shè)置不同的空調(diào)溫度，采用不同的節(jié)能裝置。使用新的高能效的用電設(shè)備，包括對現(xiàn)有使用傳統(tǒng)石化燃料的電能終端進(jìn)行電氣設(shè)備改造等方面。新的高能效的用電設(shè)備和技術(shù)包括工業(yè)過程加熱技術(shù)、電動汽車和自動化技術(shù)。通過鼓勵減少傳統(tǒng)石化燃料和原材料的消耗，提高社會的生產(chǎn)力水平，并且能夠減輕環(huán)境污染。需求響應(yīng)指的是，為減輕電力需求高峰壓力，改變電網(wǎng)內(nèi)電力用戶短期用電需求的活動。在同樣的規(guī)劃時期內(nèi)，供電系統(tǒng)的規(guī)劃者通過研究如何優(yōu)化供電策略來改變負(fù)荷形狀。在當(dāng)前現(xiàn)有的供電優(yōu)化指標(biāo)中，最經(jīng)常使用的指標(biāo)是可靠性指標(biāo)。在通常情況下，影響電網(wǎng)內(nèi)電力用戶短期用電需求的活動包括實時電價或峰谷電價、分時段用電、直接負(fù)荷控制等。負(fù)荷管理：指的是所設(shè)計的以用于影響電力用戶用電模式和用電時間的各類活動。對于大多數(shù)的電力用戶來說，負(fù)荷管理目標(biāo)包括削峰填谷和負(fù)荷轉(zhuǎn)移等。需求側(cè)選擇權(quán)：指的是需求側(cè)管理中影響電力用戶用電行為的產(chǎn)品和服務(wù)，其中包括了需求側(cè)計劃希望達(dá)到的負(fù)荷形狀的改變、需求側(cè)規(guī)劃涉及的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備、被影響的電力用戶終端用電方式、能達(dá)到的市場執(zhí)行方式。2.1.1智能電網(wǎng)需求側(cè)管理的基本特征電網(wǎng)需求側(cè)管理是電網(wǎng)能源控制管理中的重要功能，其通過適宜的運作方式以及采取有效的激勵，為電力市場的管理提供支持，以此來提高電力網(wǎng)終端用戶的用電效率，降低高峰負(fù)荷需求并且滿足同樣用電功能，降低了運行成本，減輕了環(huán)境污染[11]。智能電網(wǎng)中的需求側(cè)管理相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)中的需求側(cè)管理，其特征包括：第一，電網(wǎng)電力用戶需求側(cè)管理運用先進(jìn)的通訊設(shè)備。傳統(tǒng)電網(wǎng)以“發(fā)電——輸電——配電——用電”的單向電力傳輸?shù)墓╇娔Ｊ綖楹诵模畔⒘鲃右彩菑脑O(shè)備側(cè)到控制中心的單向流動，電網(wǎng)中的高峰負(fù)荷在所難免。智能電網(wǎng)運用了高速、開放的通訊系統(tǒng)，使得智能電網(wǎng)成為一個具有強(qiáng)交互能力的網(wǎng)絡(luò)，其實現(xiàn)了電力和信息的雙向流動。第二，電網(wǎng)電力用戶需求側(cè)管理廣泛運用互動式用電。通過實時雙向通信，電力用戶可以從智能電網(wǎng)的交互終端獲得電價和電網(wǎng)目前狀況等信息，再結(jié)合自身電力需求，電力用戶可以制定最優(yōu)的用電方案來減少消費。與此同時，通過減少或轉(zhuǎn)移高峰電力需求，電力公司能夠減少運行費用和燃料費用。2.1.2需求響應(yīng)技術(shù)在傳統(tǒng)的電力市場中，電網(wǎng)內(nèi)電力用戶只是接受供電，電力用戶之間是相互獨立的，電力供應(yīng)和需求由調(diào)度中心決定。而在實際中，電力資源并未合理利用，造成了能源和費用的損失。電力用戶對電力的依賴程度不斷增加，使電力用戶對供電的可靠性和電能質(zhì)量提出更高要求。需求響應(yīng)是指當(dāng)通過用戶對供電條件進(jìn)行回應(yīng)以此管理電力需求的機(jī)制，是需求側(cè)管理的解決方案之一[12]。需求響應(yīng)通過電力用戶對電價等信息作出響應(yīng)，利用電力需求的彈性特點，減少高峰時段的電能損耗。由消費者不同的響應(yīng)，可以將電力市場中的需求響應(yīng)分為基于激勵機(jī)制的需求響應(yīng)和基于價格的需求響應(yīng)[13]。2.2基于價格的需求響應(yīng)在傳統(tǒng)的電網(wǎng)中，電價是一固定常數(shù)。然而在電力需求的高峰時期，電廠的發(fā)電成本增加，電力用戶卻沒有受到任何的激勵來限制和改變用電模式。對于基于價格的需求響應(yīng)，用戶通過響應(yīng)電價的變化相應(yīng)地調(diào)整用電需求，包括分時電價、尖峰電價、實時電價等。分時電價分時電價由電網(wǎng)負(fù)荷特性制定峰谷電價，這指導(dǎo)了電力用戶采用合理的用電策略，高峰時段的一部分非重要負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低峰時段，從而實現(xiàn)了負(fù)荷平衡的目標(biāo)。對于分時電價，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)擬合得出響應(yīng)度曲線和采用需求彈性，以此研究分析用戶響應(yīng)。電力價格需求彈性被用來衡量用電量的相對變動對電價相對變動的響應(yīng)程度。分時電價需考慮峰值電價和谷值電價的拉開比和平均段的基本價格。峰谷劃分的基本原則是在實施分時電價后，其仍然能夠基本反映出負(fù)荷曲線特征。電力用戶響應(yīng)的建模是合理定價決策的基礎(chǔ)，峰谷電價差變化時，電力用戶綜合響應(yīng)曲線如下圖所示。上圖中的水平坐標(biāo)為拉開比，縱坐標(biāo)則是由峰值時段向其他時段轉(zhuǎn)移的負(fù)荷電量水平，圖中曲線的斜率代表峰值時段需求側(cè)的響應(yīng)度。分時電價決策的目標(biāo)函數(shù)可以是單個或者多個，包括最小化系統(tǒng)的最大負(fù)荷、最大化實施方的收益、最小化系統(tǒng)的峰谷差、最大化用戶滿意度等。對電力用戶的電力消費行為進(jìn)行分析，量化電力用戶滿意度，構(gòu)建用戶滿意度最大的分時電價決策模型。而將最大化用戶滿意度作為優(yōu)化目標(biāo)是激勵用戶參與分時電價的重要因素。電力用戶滿意度包括用戶對總電量需求和用電習(xí)慣的滿意度。(2)實時電價實時電價對通信技術(shù)支持相比于分時電價要求更高，其為一種動態(tài)的定價機(jī)制。實時電價精確反映各時段供電成本的變化，并有效地向用戶傳達(dá)電價信號[14]。（3）尖峰電價與分時電價和實時電價不同，尖峰電價是通過在分時電價上疊加尖峰費用率而得到的[15]。費率體系包括尖峰時期費率和非尖峰時期費率。電力用戶將尖峰時段負(fù)荷進(jìn)行削減或者轉(zhuǎn)移到非尖峰時段，電力用戶由此獲得電價折扣，這也將有效地激勵電力用戶參與到尖峰電價機(jī)制中。二、基于激勵機(jī)制的需求響應(yīng)通過合同或者政策來影響電力用戶平常的用電方式，其中包括負(fù)荷中斷、對負(fù)荷的直接控制等方案[16]，一般對小型商業(yè)用電和居民用電的管理比較適用。在不同的空間尺度，我們可以緊密結(jié)合這兩種需求響應(yīng)策略，以實現(xiàn)緩解電力系統(tǒng)備用不足，削減用電高峰的目的[17]。2.5本章小結(jié)本章對需求響應(yīng)、智能電網(wǎng)和需求側(cè)管理等概念進(jìn)行了論述，并參閱了很多文獻(xiàn)資料，總結(jié)出智能電網(wǎng)中需求側(cè)管理相比較與傳統(tǒng)電網(wǎng)的基本特點。本章還對需求響應(yīng)中的基于激勵機(jī)制和基于價格的兩種模式進(jìn)行了闡述，分析了實施需求響應(yīng)項目的意義，為文章的進(jìn)一步開展提供了理論支撐。第3章智能用電能效優(yōu)化管理系統(tǒng)的介紹3.1系統(tǒng)的整體構(gòu)架本文提出的智能用電能效管理系統(tǒng)，其總體框架如圖1所示，主要包括感應(yīng)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層以及控制層。1）感應(yīng)層主要是采集電網(wǎng)以及智能用電設(shè)備的各類有效信息，比如用電數(shù)據(jù)和電壓、功率等物理傳感數(shù)據(jù)；2）數(shù)據(jù)層主要是對感應(yīng)層通過無線ZIGBEE、光纜、無線Wi-Fi等通信技術(shù)傳輸來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行抽取、挖掘和預(yù)測等一系列優(yōu)化處理；3）應(yīng)用層主要是智能控制終端等應(yīng)用層面接入端設(shè)備，通過對有效信息進(jìn)行分析，基于自身能效管理系統(tǒng)的控制策略，對電網(wǎng)需求側(cè)進(jìn)行友好型響應(yīng)，達(dá)到移峰填谷和能效優(yōu)化的目的。4）控制層主要是智能網(wǎng)關(guān)、智能終端和智能插座進(jìn)行信息交互，信息處理的實際應(yīng)用，是智能用電能效管理系統(tǒng)作用的實際運用。圖3.1（SEEMS整體框架圖）以網(wǎng)關(guān)和終端等設(shè)備為基礎(chǔ)形成的SEEMS系統(tǒng)模型如圖3.2所示。智能用電控制終端位于系統(tǒng)的子站層，作為聯(lián)系電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺與量測層智能網(wǎng)關(guān)及智能插座等設(shè)備傳感器完成電網(wǎng)友好型響應(yīng)及能效優(yōu)化數(shù)據(jù)采集、需求側(cè)空調(diào)系統(tǒng)資源之間協(xié)調(diào)控制以及策略的優(yōu)化分解。智能插座采集空調(diào)設(shè)備用電信息，通過無線ZIGBEE通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸給智能網(wǎng)關(guān)，而智能網(wǎng)關(guān)主要完成同智能用電設(shè)備、智能控制終端之間的通信,并實現(xiàn)智能設(shè)備的智能化組網(wǎng)。圖3.2（網(wǎng)管總體構(gòu)圖）基于智能用電能效管理系統(tǒng)，本文以典型用電設(shè)備（如空調(diào)）為研究對象，綜合考慮電網(wǎng)實時運行狀況、實際用電環(huán)境和用戶用電感受，利用智能網(wǎng)關(guān)、用戶能效智能控制終端等設(shè)備，完成智能用電能效管理系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，協(xié)助電網(wǎng)實現(xiàn)節(jié)點電壓波動的抑制和電力負(fù)荷的移峰填谷。3.2智能用電能效管理控制策略3.2.1控制目標(biāo)本文提出以實現(xiàn)電力負(fù)荷的移峰填谷為控制策略的目標(biāo)，因此需要進(jìn)行有序用電。電力公司根據(jù)聚合空調(diào)負(fù)荷特性來確定用電高峰和低谷時段，從而制定相應(yīng)的電能價格，用戶根據(jù)電價高低采取相應(yīng)的措施，改變自身用電情況，在系統(tǒng)高峰負(fù)載時段減少用電量，在系統(tǒng)用電低谷時段增多用電量，減少發(fā)電設(shè)備容量，降低有功電力損耗，從而達(dá)到移峰填谷、調(diào)整負(fù)荷曲線的目的。3.2.2控制策略基于空調(diào)負(fù)荷的運行特性分析，本文提出一種新的直接負(fù)荷控制策略，具體方案如下：在圖2的用戶能效智能終端控制平臺中嵌入根據(jù)電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)制定的控制策略表，根據(jù)電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，控制模式分為制冷和制熱兩個模式。每個模式各包含2方面情況：實測電壓數(shù)值低于正常電壓；實測電壓數(shù)值高于正常電壓。根據(jù)這以上兩種情況可得出2控制策略：自動切除、自動調(diào)節(jié)。自動切除：根據(jù)電壓高低直接關(guān)閉空調(diào)。自動切除流程圖如圖3.3所示，分為四個方面:1)按照周期T對電壓采樣，當(dāng)電壓低于響應(yīng)閥值時，且在m個周期內(nèi)一直滿足該條件，則自動切除；2)按照周期T對電壓采樣，當(dāng)電壓高于恢復(fù)閥值時，且在m個周期內(nèi)一直滿足該條件，則手動開機(jī)；3)強(qiáng)制開啟空調(diào)幾分鐘后，才允許控制策略繼續(xù)進(jìn)行控制，可避免反復(fù)開啟影響空調(diào)壽命；4)系統(tǒng)會對恢復(fù)閥值和響應(yīng)閥值進(jìn)行隨機(jī)化處理，偏差范圍為±1%，即2.2V。圖3.3（自動切除流程圖）自動調(diào)節(jié)：根據(jù)空調(diào)負(fù)荷節(jié)點電壓高低調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)定溫度。自動調(diào)節(jié)流程圖如圖3.4所示：圖3.4（自動調(diào)節(jié)流程圖）按照周期T對電壓采樣，當(dāng)電壓低于正常范圍(220V±7%)，控制器自動調(diào)整空調(diào)的預(yù)設(shè)溫度，由T0調(diào)整至T1，根據(jù)公式T1=T0+kv(V-V0)其中溫度電壓調(diào)節(jié)系數(shù)(℃/V)設(shè)定為kv，制冷時取負(fù)值，制熱時取正值，V為所測電壓，V0=220*(1-7%)=204.6V。當(dāng)空調(diào)處在制冷模式時，空調(diào)處于初始狀態(tài)，制冷20℃，電壓值為220V，當(dāng)電壓產(chǎn)生偏移保持在204.6V以上時，空調(diào)仍處于20℃，不進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)電壓偏移到203V，空調(diào)設(shè)置溫度將上調(diào)為21℃，以此類推，當(dāng)電壓為200V時，溫度上調(diào)為22℃。如果電壓偏移恢復(fù)到204.6V以上的正常范圍，則空調(diào)設(shè)置溫度將恢復(fù)到原來的初始狀態(tài)。當(dāng)空調(diào)處于制熱模式時，空調(diào)處于初始狀態(tài)，制熱25℃，電壓值為220V，當(dāng)電壓產(chǎn)生偏移保持在204.6V以上時，空調(diào)仍處于25℃，不進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)電壓偏移到203V，空調(diào)設(shè)置溫度將下調(diào)為24℃，以此類推，當(dāng)電壓為200V時，溫度下調(diào)為23℃，如果電壓偏移恢復(fù)到204.6V以上的正常范圍，則空調(diào)設(shè)置溫度將恢復(fù)到原來的初始狀態(tài)。在制定控制策略后，通過實時掌握空調(diào)負(fù)荷節(jié)點的電壓變化，智能終端做出相應(yīng)的指令下達(dá)，智能網(wǎng)關(guān)和智能插座根據(jù)指令信息動作，對電網(wǎng)電壓做出實時響應(yīng)，電網(wǎng)中的負(fù)荷特性檢測模塊將檢測到的實時數(shù)據(jù)信息傳送到智能終端進(jìn)行處理，控制平臺對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析，然后查詢控制策略表，調(diào)整用電功率和參數(shù)，在實時電價激勵下，對有功負(fù)荷曲線進(jìn)行有效的削峰填谷的處理，達(dá)到用電量合理利用的目的，最后達(dá)到移峰填谷和改善電能質(zhì)量的目的。如圖3.5所示。圖4.5（移峰填谷示意圖）智能網(wǎng)關(guān)中的響應(yīng)控制模塊接收到智能終端發(fā)出的響應(yīng)信號之后，發(fā)出參數(shù)調(diào)整命令，同時終止檢測過程，在達(dá)到預(yù)設(shè)的響應(yīng)動作時間后，終止響應(yīng)過程，并發(fā)出響應(yīng)終止信號，智能插座接到信號后恢復(fù)檢測模塊的正常運行。由于可調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍小，因此可實現(xiàn)短期調(diào)整負(fù)荷，以提高電網(wǎng)保持平衡的能力。此外，人機(jī)交互界面在進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷短時調(diào)整時可以同步顯示當(dāng)前空調(diào)設(shè)定溫度、室溫等實時狀態(tài)參數(shù)，供用戶查詢。3.3基于需求側(cè)負(fù)荷管理的用電能效優(yōu)化的算法3.3.1通過運行時間調(diào)度實現(xiàn)的接納控制運行時間調(diào)度的基本作用是控制設(shè)備的操作以遵守電源容量的限制，同時滿足特定的驗收標(biāo)準(zhǔn)，例如家用應(yīng)用設(shè)備的舒適度。因此，針對每個設(shè)備，我們使用一個任務(wù)進(jìn)行表示，然后根據(jù)電力負(fù)荷、搶占狀態(tài)和優(yōu)先次序特征在一個特定時間窗口中對這些任務(wù)進(jìn)行處理。需要注意的是，如果沒有充足的可用容量，一些任務(wù)將被延遲。為了符合驗收標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)度程序（接入控制器控制器和負(fù)載平衡器）可能需要使用DRM（需求響應(yīng)管理）來更改容量限制，而這反過來又需要與網(wǎng)格進(jìn)行“交易”。在本工作中，我們假設(shè)每個接入控制器控制器調(diào)用中都有固定的可用容量。接入控制器控制器須處理各種不同類型的約束條件，例如優(yōu)先關(guān)系、資源限制、任意性任務(wù)到達(dá)、非搶占性和重要性級別，這些約束條件可能引發(fā)非確定性多項式（NP-Hard）難題。針對實時計算系統(tǒng)調(diào)度算法，有很多相關(guān)的文獻(xiàn)（例如，請參見[22]），其中最流行的當(dāng)屬最早截止時間優(yōu)先算法(EDF)、Bratley算法、最小空閑時間優(yōu)先算法(LST)和Spring算法。后一種算法是由Stankovic和Ramamritham[23]提出的，特別適用于本工作中所討論的問題。更具體地說，如[22]所述，為了即使是在最壞的情況下能夠使代替的算法在計算上可控，需要使用啟發(fā)式函數(shù)H來驅(qū)動Spring算法中的搜索，該函數(shù)可以主動指示調(diào)度。在每個級別的搜索中，函數(shù)H將被應(yīng)用到有待調(diào)度的任務(wù)之中。這些由啟發(fā)式函數(shù)所確定的具有最小值的任務(wù)被稱為啟發(fā)式值，選擇該值可以擴(kuò)展當(dāng)前時間表。在執(zhí)行中，啟發(fā)式值是介于0和1之間的比例因子，代表任務(wù)的緊迫性。例如家用電器，如冰箱和熱水器，達(dá)到所需的溫度時，其啟發(fā)式值為0，當(dāng)溫度處于限定區(qū)域邊界，即“舒適區(qū)域”時，其啟發(fā)式值則為1。對于具有截止時間的任務(wù)，它們的啟發(fā)式值也是最遲開始時間之前剩余時間的函數(shù)，可以解釋為：為及時完成任務(wù)應(yīng)該開始執(zhí)行任務(wù)的最遲時間[請參見（10）和（11）]。為了適應(yīng)具體的應(yīng)用設(shè)備，我們對基礎(chǔ)Spring算法提出了一些修改。更具體地說就是我們考慮到了在執(zhí)行任務(wù)期間可能出現(xiàn)的任務(wù)優(yōu)先次序的變化。優(yōu)先次序是一個啟發(fā)式值、搶占狀態(tài)和截止時間函數(shù)。每次調(diào)用調(diào)度程序時，優(yōu)先次序會重新計算所有接受任務(wù)的執(zhí)行池?；維pring算法的主要差異在于在未完成任務(wù)前不會調(diào)度任務(wù)，而是只提前一個時間片。這其實是一種接納控制，使調(diào)度程序“目光短淺”，但相對于新建任務(wù)、任務(wù)優(yōu)先次序變化和搶占狀態(tài)變化來說非常靈活。3.3.2負(fù)荷平衡負(fù)載平衡器在一個時間范圍內(nèi)分布電力負(fù)載，以便適當(dāng)?shù)卣{(diào)度被接納控制所拒絕的請求，同時盡量減小與能量價格相關(guān)的成本函數(shù)。每次觸發(fā)負(fù)載平衡器，都可以解決混合整數(shù)規(guī)劃問題，最大限度地減少總能量成本，同時也遵守了任務(wù)截止時間和消費能力的約束條件。在一個有限調(diào)度范圍內(nèi)根據(jù)適當(dāng)數(shù)量的連續(xù)時間幀來安排每個任務(wù)。負(fù)載平衡的兩個基本的假設(shè)是：?在調(diào)度時間范圍內(nèi)運行時，每個設(shè)備都具有一個給定的用電負(fù)荷；?D/R模塊提供與能量價格和電力容量限制有關(guān)的信息。為了展示負(fù)載平衡的模型公式，我們假設(shè)一個n個設(shè)備在m個相同時間幀范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)度的問題。我們使用N=｛1，…,n｝和M=｛1，…,m｝分別表示與設(shè)備組和時間幀對應(yīng)的兩個指標(biāo)集。假設(shè)，是代表值為0或1的第i個設(shè)備在第j時間幀內(nèi)激活狀態(tài)的二元變量，分別代表“非激活狀態(tài)”（OFF）和“激活狀態(tài)”（ON）。假設(shè)是能量消耗，是單位時間內(nèi)的能源成本。然后，使用定義一個設(shè)備i在時間幀j內(nèi)運行的成本。此外，針對需要在連續(xù)時間間隔內(nèi)運行的設(shè)備，我們提出了附加變量，如果安排設(shè)備i在時間幀j開始運行，那么使用值1。這些變量利用約束條件（3）強(qiáng)制分配連續(xù)時間幀。一般情況下，我們也可以關(guān)聯(lián)到由表示的每個啟動成本在應(yīng)用設(shè)備的背景下，計算負(fù)載平衡總量，然后建立一個適當(dāng)?shù)臅r間表，在一個時間范圍內(nèi)分散電力負(fù)載，這樣就可以在容量限制條件下最大程度地減少總能量成本。求解下面的混合整數(shù)規(guī)劃問題，可以實現(xiàn)這一目標(biāo)：其中是時間幀j的可用容量,的定義如下：是設(shè)備i連續(xù)時間幀的數(shù)量，需要的能量總量進(jìn)行運行，而和分別為設(shè)備i的最早和最遲啟動時間。在此問題中有四組約束條件，具體為：1)各時間幀的總功耗必須符合規(guī)定的容量限制[約束條件（2）]。2)為每個請求分配適當(dāng)數(shù)量的連續(xù)時間幀，這樣每個設(shè)備就可以在足夠長的時間內(nèi)運行，以保證在截止時間前完成工作循環(huán)[約束條件（3）]。3)每個任務(wù)只調(diào)度一次[約束條件（4）]。可以根據(jù)任務(wù)的特點和要求相應(yīng)地修改該數(shù)字。4)在一個允許的操作期間調(diào)度各任務(wù)，這樣，每個設(shè)備都可以在一個特定的時間間隔內(nèi)運行[約束條件（5）]。當(dāng)將一個特定的設(shè)置為1時，第二組約束條件迫使的總數(shù)設(shè)為值1。即，當(dāng)優(yōu)化器決定啟動設(shè)備i的最佳時間幀j時，的值全部被強(qiáng)制設(shè)為1。在到達(dá)時間之前或在截止時間之后，第三組約束條件將對應(yīng)于相關(guān)設(shè)備操作的所有設(shè)置為0。最后，第四組約束條件保證每個任務(wù)只被調(diào)度一次。請注意，負(fù)載平衡器的一個有趣的特征是它能捕獲所有受控設(shè)備的總功率消耗。因此，與文獻(xiàn)中的其他程序相比，它能提供需求響應(yīng)的更簡單的模型（例如，請參見[15]-[17]）。通過此功能，可以獨立于環(huán)境而執(zhí)行此模塊。還需注意，上述公式中提出的模型適用于以時間耦合和可變功率請求為特征的應(yīng)用設(shè)備，例如HV接入控制器控制器或電動車電池充電。在這種情況下，假如設(shè)備具有所需的智能水平，那么一個復(fù)雜任務(wù)將被分割成一系列的請求，這些請求是具有適當(dāng)時間約束的恒功率需求。此方法的優(yōu)點在于，它促進(jìn)了對具有不可預(yù)知行為的設(shè)備的管理。3.4本章小結(jié)本章對智能用電能效管理系統(tǒng)的總體構(gòu)架做了闡述，基于空調(diào)運行的特性提出了智能用電能效管理控制的策略，最后論述了應(yīng)用于系統(tǒng)的智能用電能效優(yōu)化算法。為接下來的實例仿真分析做了理論的鋪墊。第四章實例仿真分析4.1實例分析圖4.1所示為本文實際運用的小型監(jiān)測實驗系統(tǒng)，此系統(tǒng)用于監(jiān)測一臺空調(diào)的用電量、電壓和有功功率等數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)能效管理控制策略，整體實施方案是智能插座通過無線ZIGBEE通信技術(shù)將采集到的空調(diào)實時數(shù)據(jù)整理成一個數(shù)據(jù)包發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)包傳輸給用戶終端，用戶終端通過用戶控制面板來對智能插座發(fā)送各項功能指令，從而采集空調(diào)數(shù)據(jù)，實時控制空調(diào)的通斷，實時監(jiān)控空調(diào)情況以及設(shè)定特殊的通斷時間，電腦智能終端上裝有控制面板平臺，根據(jù)實時的電壓變化而產(chǎn)生的總用電量變化進(jìn)行電壓的上下限和報警設(shè)置，從而控制空調(diào)的通斷來維持總用電量