PDF《基于需求侧响应的家庭电热水器优化调度》

第47 卷第2期电力系统保护与控制 Vol.

47 No.2

2019 年1 月16 日Power System Protection and Control Jan. 16,

2019 DOI: 10.7667/PSPC180006 基于需求侧响应的家庭电热水器优化调度 郝文斌 1,2 ,李银奇

2 ,张毓格

2 ,王继东

3 ,孔祥玉

3 (1.国网四川省电力公司电力科学研究院,四川 成都 610072;

2.国网成都供电公司, 四川 成都 610041;

3.天津大学,天津 300072) 摘要:电热水器是家庭中极为重要的负荷,对实时电价机制下家庭电热水器的优化调度问题进行分析是非常有意 义的.首先,将电热水器热力学模型归纳为一阶显式方程,并以此为基础,利用线性整数规划对电热水器的优化 调度问题进行求解.然后,对不同程度的舒适区间无选择性调整方案的经济性进行了讨论.最后,探讨了基于多 维度信息的综合权重排序法在有选择性舒适区间调整方案中的应用,并对两者进行了比较.仿真结果表明,调整 舒适区间上下限能够明显降低调度计划的用电费用.而且,基于多维度信息的综合权重排序法能够有效选择舒适 区间调整节点,在很短的调整时长内获得较好的经济效益. 关键词:家庭电热水器调度;

线性整数规划;

舒适区间调整;

综合权重排序法 Household electric water heater load scheduling based on demand response HAO Wenbin1,2 , LI Yinqi2 , ZHANG Yuge2 , WANG Jidong3 , KONG Xiangyu3 (1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, China;

2. State Grid Chengdu Power Supply Company, Chengdu 610041, China;

3. Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: Household Electric Water Heater (HEWH) is one of the most important services in a home. It is significant to study the household electric water heater load scheduling based on demand response in real time pricing tariffs. At first, a type of first-order explicit equation is utilized to describe the thermal dynamic modes of the HEWH. Under such a background, the HEWH load scheduling is addressed using linear integer programming. Then, the energy costs of different indistinctive adjusting schemes of comfort zone are discussed. For comparison'

s sake, the selective adjusting schemes with synthetic weight ranking method based on multi-dimensional information are also analyzed. Simulation results indicate that adjusting the upper and lower bounds of comfort zone is useful to reduce the energy cost. Moreover, the proposed synthetic weight ranking method based on multi-dimensional information is able to obtain well economic benefit through adjusting just a small part of comfort zone. This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0902902). Key words: household electric water heater load scheduling;

linear integer programming;

comfort zone adjustment;

synthetic weight ranking method

0 引言 随着智能家居概念的提出和家庭智能设备的逐 步普及,家庭负荷调度的研究变得越来越重要,其 代表需求侧管理在用户侧的具体应用[1-2] . 利用家庭 负荷调度算法,只需要用户设置好基本参数,便能 根据负荷特性、历史信息及电价等因素自动调度家 庭智能设备使家庭日用电计划达到全局最优.由于 用户往往并不在意或者说不能及时响应电价或其他 基金项目:国家重点研发计划项目课题 (2017YFB0902902) 信息.因此提出了此自动调度算法,不需要用户参 与便能使用户的用电经济性达到最优.一方面,家 庭负荷调度能够减少家庭的用电成本,提高用电效 率;

另一方面,家庭负荷调度能够有效减少用电负 荷与电网负荷率[3] .由于家庭中的智能电器多种多 样,并且各个电器之间的运行特性都不尽相同,所以,对全体智能电器统一进行调度过于复杂.为了 减少复杂度,以往文献将智能电器根据响应方式进 行了分类,在不同的负荷类型中,家居温控负荷是 以往文献中被频繁研究的一种[4-6] , 这是由于家居温 控负荷不仅是家庭智能电器中的主要能源消耗部 -

96 - 电力系统保护与控制 分,而且也具有很好的可调节特性[7-9] . 考虑到家居温控负荷良好的热储能力和可调度 特性,研究家居温控负荷在时变电价下的运行和经 济特性具有十分重要的现实意义.为了处理家居温 控负荷能量管理模型中存在的问题,以往文献提出 了多种解决方案.文献[10]对实时电价环境下空调 系统的优化调度问题进行了研究,提出了一种综合 考虑经济性和用户舒适度的多目标优化模型;

文献 [11]综合考虑了可再生能源出力和空调系统运行的 联合调度问题,以家庭用电的经济性为目标函数, 利用遗传算法进行了求解.上述两篇文章都对基于 需求侧响应的家居温控负荷调度问题进行了有效求 解,但是两者都是用智能算法作为家庭能量管理系 统的求解器.智能算法一般适用于处理高阶非线性 规划问题,而家居温控负荷调度问题的模型一般是 线性的,考虑到智能算法计算时间长、对初始值要 求很高且难以得到最优解,在家居温控负荷调度问 题的求解中使用智能算法并不是很好的选择. 文献[12]提出了一种线性优先排序算法,考虑 电价信息和舒适度,对电热水器调度问题进行迭代 求解.该方法简单易行,但是只能得出较优解,并 不能得出最优解,牺牲了经济性.针对这个问题, 文献[13]对家庭电热水器的优化调度问题提出了一 种基于二叉树的遍历剪枝算法,能够在有限时间内 得到经济性更好的解.但是该方法的成功很大程度 上取决于对优先剪枝起始层数的选择,对用户的熟 练程度有一定要求. 本文以电热水器作为家居温控负荷的代表,分 析了基于需求侧响应的家庭电热水器优化调度问 题.首先归纳了电热水器热力学模型的显式方程, 并以此为基础,将电热水器的优化调度处理为线性 整数规划问题,使其能够在很短时间内得出最优调 度方案.另外,以往文献很少考虑时变舒适区间对 于调度经济性的影响,文献[12]虽然讨论了某段时 间内下调舒适区间的经济性问题,但是由于没有对 舒适区间下调时间进行合理选择,所以并没有对调 度经济性有显著改善.因此,本文提出了一种同时 考虑电价、用水量和环境温度等多维度信息的综合权 重排序方法,对时变舒适区间的变化时间进行指导.

1 电热水器热力学模型 电热水器是家居温控负荷中极为重要的设备, 在居民用电负荷中所占的比例能够高达20%~30%[14] .电热水器的热力学模型中涉及到热 水使用量和散热对于水温的影响, 而空调系统仅需 要考虑散热对于室内温度的影响. 因此, 适用于电 热水器的调度优化算法对于空调系统的调度有很 好的借鉴作用. 当仅考虑散热对于水温的影响时, 电热水器的 热力学模型如式(1)所示[15-17] . e,

1 1 e,

1 1

1 1 ( )exp[ h h h h h h h h x QR x QR t t RC ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1) 式中:?h 为第 h 个时间节点的热水温度;

e,

1 h ? ? 为第1?h个时间节点的环境温度;

1 h ? ? 为在

1 h ? 时刻 的热水温度;

Q 、 R 、 C 分别为电热水器的等效 功率、热阻和热容. 仅考虑热交换时所带来的热量损失时, 电热水 器的热力学模型更新为式(2)所示.

1 e,

1 1 [ ( ) ]/ h c h h h M d d V ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2) 式中:

1 ? h d 为在

1 h ? 时刻的热水使用量;

V 为电热 水器的水箱容量. 综合考虑式(1)和式(2), 推导归纳出电热水器显 式方程如式(3)―式(6)所示.

1 1

1 1

0 e,

1 1

1 1

1 1 heat,

1 (1 ) (1 ) h h h h i h j j i i i j j i h h h i j i i j i f f f f U ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3) heat,

1 1 h h U X QR ? ? ? (4)

1 exp[ h h t t RC ? ? ? ? ? (5)

1 1

1 / h h f d V ? ? ? ? (6) 用户设定的电热水器舒适区间如式(7)所示. low low low high high high

0 0 , I ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (7) 式中: high

0 ? 和low

0 ? 为基准舒适区间的上下限;

high ? ? 和low ? ? 为舒适区间上下限的标准调整值;

high ? 和low ? 为舒适区间上下限的调整等级. 电热水器调度 需要满足水温约束如式(8)所示. low low low high high high

0 0 h ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (8) 为方便建模求解,将式(7)代入式(8),并进行变 换,如式(9)、式(10)所示.

1 high high high

0 1

1 1

1 1 heat,

1 1

1 1 e,

1 1 (1 ) (1 ) h j h h j h i j i h h i j i h i j i i i j i f f U f f ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (9)

1 low low low

1 0

1 1

1 1 heat,

1 1

1 1 e,

1 1 (1 ) (1 ) h j h h j h i j i h h i j i h i j i i i j i f f U f f ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?........