基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统，包括分类模块、运行参数采集模块、优化控制总费用计算模块、粒子群算法模块、运行状态执行模块。本发明还公开了一种利用上述所述的基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统的控制方法，包括对家用电器进行分类；获取每个家用电器的运行参数；计算家用电器优化控制后的总费用；利用粒子群算法得到优化控制后各个家用电器在下一个优化控制周期内的目标运行状态，根据目标运行状态控制各个家用电器的运行状态。本发明在实现家庭负荷的削峰填谷同时，还控制了电器的通断次数和控制参数的变化率，从而保证用户用电的满意度。

说明书

技术领域

本发明涉及家用电量优化技术领域，具体地指一种基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统及控制方法。

背景技术

能源问题是始终给社会经济发展进步带来严重挑战的问题，随着化石能源的日益枯竭，如何高效利用不可再生能源成为人类面对的越来越严峻的挑战。商业用电和家庭用电之和约占四分之三的电能总消耗量，在这其中约有三成的电能在使用过程中被浪费。因此，如果将这部分被浪费的电能进行重新利用将带来巨大的经济效益。家庭能源管理能够减少电能的需求量，特别是高峰负荷期，通过安排不同家用电器的使用时间，可以帮助用户减少整体的能源消耗，同时会兼顾用户的用电满意度。

在现有的基于需求响应的家庭负荷优化方法中，往往没有考虑家庭负荷优化调度后给用户带来的不方便性，这使得家庭负荷优化调度模型的目标函数不是很完善，不符合实际情况；同时在考虑激励对家庭负荷优化调度的影响中，现有的方案往往对每一时段采用固定激励的办法，这不利于用户将更多的负荷从峰时电价时段转移到谷时电价和平时电价时段，这使得削峰填谷的效果不是很显著。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统及控制方法，在实现家庭负荷的削峰填谷同时，保证用户用电的满意度。

为实现上述目的，本发明提供一种基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统，包括分类模块、运行参数采集模块、优化控制总费用计算模块、粒子群算法模块、运行状态执行模块；

所述分类模块用于将家用电器分类为运行状态不可控电器和运行状态可控电器，以及用于将运行状态可控电器按照控制参数的不同分为功率可控电器和温度可控电器；

所述运行参数采集模块用于采集家用电器在一个优化控制周期内的运行状态、待机功率、额定功率、控制参数；

所述优化控制总费用计算模块用于，根据家用电器的运行参数，得到一个优化控制周期内家用电器的用电量和通断次数、以及运行状态可控电器的控制参数变化率；根据家用电器的用电量和通断次数得到家用电器总电费，根据运行状态可控电器的控制参数变化率得到优化控制总成本，根据家用电器总电费和优化控制总成本进行求和得到家用电器优化控制后的总费用；

所述粒子群算法模块用于将家用电器的运行状态作为粒子群算法中每个粒子的维度，将家用电器优化控制后的总费用作为粒子群算法的目标函数，进行迭代计算直到收敛，得到优化控制后各个家用电器在下一个优化控制周期内的目标运行状态；

所述运行状态执行模块用于根据下一个优化控制周期内的目标运行状态控制家用电器的运行状态。

进一步地，所述优化控制总费用计算模块包括优化控制总成本计算模块，所述优化控制总成本计算模块用于获取每个运行状态可控电器的控制参数变化率与成本系数的乘积，得到每个运行状态可控电器的优化控制成本，然后求和得到优化控制总成本，所述成本系数为固定常数。

进一步地，所述优化控制总成本计算模块包括控制参数变化率计算模块，所述控制参数变化率计算模块用于获取每个采样周期内控制参数的变化率绝对值，然后对一个控制优化周期内的多个控制参数的变化率绝对值求和得到所述控制参数变化率。

进一步地，所述优化控制总费用计算模块包括家用电器总电费计算模块，所述家用电器总电费计算模块用于获取家用电器的总用电量与电价的乘积得到第一家用电器电费，以及用于获取家用电器的通断次数与通断成本系数的乘积得到第二家用电器电费，对第一家用电器电费和第二家用电器电费求和得到家用电器总电费，所述通断成本系数为固定常数。

进一步地，所述家用电器总电费计算模块包括总用电量计算模块，所述总用电量计算模块用于获取家用电器的运行状态在控制优化周期内对时间的积分、将所述积分乘以家用电器的额定功率后加上待机功率与优化控制周期的乘积得到每个家用电器的用电量，最后对每个家用电器的用电量进行求和得到总用电量。

进一步地，所述粒子群算法模块用于对粒子群进行初始化，计算每个粒子的目标函数值F(x

进一步地，所述粒子群算法模块还用于更新粒子速度和位置，将标准粒子群算法中的全局最优粒子g

一种利用上述所述的基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统的控制方法，将家用电器分为运行状态可控电器和运行状态不可控电器，运行状态可控电器按照控制参数的不同分为功率可控电器和温度可控电器；获取每个家用电器的运行参数，得到一个优化控制周期内家用电器的用电量和通断次数、以及运行状态可控电器的控制参数变化率；根据家用电器的用电量和通断次数得到家用电器总电费，根据运行状态可控电器的控制参数变化率得到优化控制总成本，根据家用电器总电费和优化控制总成本进行求和得到家用电器优化控制后的总费用；将家用电器的运行状态作为粒子群算法中每个粒子的维度，将家用电器优化控制后的总费用作为粒子群算法的目标函数，进行迭代计算直到收敛，得到优化控制后各个家用电器在下一个优化控制周期内的目标运行状态，根据目标运行状态控制各个家用电器的运行状态。

进一步地，所述优化控制总成本的确定方法包括，获取每个运行状态可控电器的控制参数变化率与成本系数的乘积，得到每个运行状态可控电器的优化控制成本，然后求和得到；所述家用电器总电费的确定方法包括，获取家用电器的用电量与电价的乘积得到第一家用电器电费，以及用于获取家用电器的通断次数与通断成本系数的乘积得到第二家用电器电费，对第一家用电器电费和第二家用电器电费求和得到。

进一步地，所述粒子群算法还包括，粒子群进行初始化，计算每个粒子的目标函数值F(x

进一步地，更新粒子速度和位置的方法包括，将标准粒子群算法中的全局最优粒子g

本发明的有益效果是：家庭负荷的削峰填谷同时，保证用户用电的满意度。本发明将一个优化控制周期内的各个电器运行状态作为控制目标，利用粒子群算法将家用电器优化控制后的总费用作为目标函数，其中家用电器优化控制后的总费用还额外考虑到了由于电器的频繁通断带来的第二家用电器电费、以及由于对电器的运行状态进行优化控制带来的优化控制总成本，这样为了使得家用电器优化控制后的总费用最小，不能仅仅只是通过降低用电量来减小第一家用电器电费，而是要综合降低用电量、减小电器通断次数以及减小控制参数变化率来确保优化控制后的总费用最小，这样在家庭负荷的削峰填谷同时，还控制了电器的通断次数和控制参数的变化率，从而保证用户用电的满意度。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构图。

图2为本发明的控制方法流程图。

图中各部件标号如下：分类模块100、运行参数采集模块200、优化控制总费用计算模块300、优化控制总成本计算模块310、家用电器总电费计算模块320、粒子群算法模块400、运行状态执行模块500。

具体实施方式

下面具体实施方式用于对本发明的权利要求技术方案作进一步的详细说明，便于本领域的技术人员更清楚地了解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下面具体的实施例。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统，包括通讯连接的分类模块100、运行参数采集模块200、优化控制总费用计算模块300、粒子群算法模块400、运行状态执行模块500。

分类模块100包括分类选择界面，分类选择界面上包括家用电器的类别和家用电器的名称，家用电器的类别包括运行状态不可控电器和运行状态可控电器，运行状态可控电器按照控制参数的不同分为功率可控电器和温度可控电器，用户在分类选择界面上的三个家用电器的类别一栏选择家用电器的名称，完成家用电器的分类。

其中，运行状态不可控电器是指该电器的运行状态不能够进行优化控制，其运行状态必须严格按照使用者的需求来确定，例如：照明灯、个人电脑、电冰箱。运行状态可控电器是指该电器的运行状态可以进行优化控制，而功率可控电器和温度可控电器是指该电器的控制参数，温度可控电器包括空调、热水器，功率可控电器包括洗衣机、微波炉、洗碗机。

运行参数采集模块200用于采集家用电器在一个优化控制周期内的运行状态、待机功率、额定功率、控制参数，采样周期t

优化控制总费用计算模块300用于，根据家用电器的运行参数，得到一个优化控制周期内家用电器的用电量和通断次数、以及运行状态可控电器的控制参数变化率；根据家用电器的用电量和通断次数得到家用电器总电费f

优化控制总费用计算模块300包括优化控制总成本计算模块310，优化控制总成本计算模块310用于获取每个运行状态可控电器的控制参数变化率与成本系数的乘积，得到每个运行状态可控电器的优化控制成本，然后对每个运行状态可控电器的优化控制成本求和得到优化控制总成本，成本系数为固定常数，其将控制参数变化率转化为费用。

优化控制总成本计算模块310包括控制参数变化率计算模块，控制参数变化率计算模块用于获取每个采样周期内控制参数的变化率绝对值，然后对一个控制优化周期内的多个控制参数的变化率绝对值求和得到控制参数变化率，功率可控电器的控制参数变化率为功率变化率，温度可控电器的控制参数变化率为温度变化率。

优化控制总成本f

其中，δ为成本系数，N为运行状态可控电器的数量，n为第n个运行状态可控电器，θ

控制参数变化率θ包括功率变化率θ

功率变化率θ

其中，m为第m个采样周期，M为一个优化控制周期内采样周期的数量，即24×60＝1440，P

优化控制总费用计算模块300包括家用电器总电费计算模块320，家用电器总电费计算模块320用于获取家用电器的总用电量与电价的乘积得到第一家用电器电费，以及用于获取家用电器的通断次数与通断成本系数的乘积得到第二家用电器电费，对第一家用电器电费和第二家用电器电费求和得到家用电器总电费，通断成本系数为固定常数。

家用电器总电费f

f

其中，Q为总用电量，t为时间，W

家用电器总电费计算模块包括总用电量计算模块，总用电量计算模块用于获取家用电器的运行状态在控制优化周期内对时间的积分、将积分乘以家用电器的额定功率后加上待机功率与优化控制周期的乘积得到每个家用电器的用电量，最后对每个家用电器的用电量进行求和得到总用电量。

家用电器的总用电量Q的计算公式分别为

其中，Mt

粒子群算法模块400用于执行如下计算过程：

1、将家用电器的运行状态β

2、对粒子群进行初始化，随机生成250个粒子；

3、将家用电器优化控制后的总费用F作为粒子群算法的目标函数，计算每个粒子的目标函数值；

4、在闵可夫斯基距离中定义每个粒子的邻域，定义解空间中所有粒子的位置x

5、根据粒子定义的邻域利用K近邻查询法查询粒子到k个最近邻点为k个最优位置目标值l

6、更新学习样本，计算k个最近邻点的目标函数值F(l

7、更新粒子速度和位置，将标准粒子群算法中的全局最优粒子g

v

x

其中，v

8、继续进行迭代计算直到收敛，得到优化控制后各个家用电器在下一个优化控制周期内的目标运行状态β

运行状态执行模块500用于根据下一个优化控制周期内的目标运行状态控制家用电器的运行状态。这样便可以控制运行状态可控电器在下一个优化控制周期内任意时刻的运行状态。

如图2所示，利用上述的基于需求响应的家用电器负荷优化控制系统的控制方法如下：

一、利用分类模块100将家用电器分为运行状态可控电器和运行状态不可控电器，运行状态可控电器按照控制参数的不同分为功率可控电器和温度可控电器。

二、通过运行参数获取模块200获取每个家用电器的运行参数，得到一个优化控制周期内家用电器的用电量和通断次数、以及运行状态可控电器的控制参数变化率。

三、优化控制总费用计算模块300利用根据家用电器的用电量和通断次数得到家用电器总电费，根据运行状态可控电器的控制参数变化率得到优化控制总成本，根据家用电器总电费和优化控制总成本进行求和得到家用电器优化控制后的总费用。

四、利用粒子群算法模块400将家用电器的运行状态作为粒子群算法中每个粒子的维度，将家用电器优化控制后的总费用作为粒子群算法的目标函数，进行迭代计算直到收敛，得到优化控制后各个家用电器在下一个优化控制周期内的目标运行状态。

五、利用运行状态执行模块500根据目标运行状态控制各个家用电器的运行状态。

本发明将一个优化控制周期内的各个电器运行状态作为控制目标，利用粒子群算法将家用电器优化控制后的总费用作为目标函数，其中家用电器优化控制后的总费用还额外考虑到了由于电器的频繁通断带来的第二家用电器电费、以及由于对电器的运行状态进行优化控制带来的优化控制总成本，这样为了使得家用电器优化控制后的总费用最小，不能仅仅只是通过降低用电量来减小第一家用电器电费，而是要综合降低用电量、减小电器通断次数以及减小控制参数变化率来确保优化控制后的总费用最小，这样在家庭负荷的削峰填谷同时，还控制了电器的通断次数和控制参数的变化率，从而保证用户用电的满意度。