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摘要：現(xiàn)如今，分時電價的盛行改變了原來的用電模式，不僅要保證用電費用降低，更要保證用戶用電的舒適度。因此提出了基于分時電價和多目標優(yōu)化的家庭電能管理系統(tǒng)。首先 ，將常用的家用設備按照家用設備的用電特性進行了分類。然后，家庭電能管理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的建立以家庭用電成本的優(yōu)化，用戶舒適度的提升和碳排放量的追蹤為目標。對家庭電能管理系統(tǒng)模型使用改進的粒子群算法進行優(yōu)化驗證。通過使用 Matlab 進行仿真實驗 ，驗證該方法在降低用電成本提高用戶舒適度和追蹤碳排放量方面有顯著的優(yōu)化效果。

關鍵詞：家庭電能管理；分時電價；多目標優(yōu)化；改進的粒子群算法；優(yōu)化調(diào)度

1. 引言

從目前國內(nèi)外的研究來看，對于家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題有大量的研究，提出如何將居民用電設備進行分類。本文在沒有光伏發(fā)電與風力發(fā)電等能源裝置，結合了已有的家庭電能管理系統(tǒng)研究基礎，考慮優(yōu)化目標用戶舒適度、電價成本和碳排放量的追蹤建立在分時電價下的多目標模型，以保證不同家電用電行為下的調(diào)度。因此提出了基于分時電價和多目標優(yōu)的家庭電能管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型，該模型對家用設備進行了分類，并對設備進行監(jiān)控，管理使其合理的運行達到的運行狀態(tài)。*后通過Matlab仿真算例驗證該模型對家庭用電設備有較好的適應性，也保證用戶舒適度。

2.家庭電能管理系統(tǒng)架構

家庭電能管理系統(tǒng)是電網(wǎng)在用戶消費側的重要組成部分，它利用一定的技術手段來實現(xiàn)用戶對家庭用電設備的檢測、管理和減少電費開支。在分時電價的大環(huán)境下合理地使用電器來達到減少電費，控制以家庭為主的碳排放，起到保護環(huán)境的作用。利用多目標優(yōu)化算法使用戶舒適度 、電能消耗和碳排放達到其架構如圖 1所示。

系統(tǒng)主要包括智能插座，智能電表。智能電表可以把家庭的用電情況上傳給*能源網(wǎng)），電網(wǎng)通過智能電表給用戶家庭提供電能和提供分時電價的價格。智能插座連接用戶的用電設備，獲取用電設備的基本數(shù)據(jù)，例如功率，電壓和用電時長等，并且通過電閘進一步來控制設備。收集到的數(shù)據(jù)通過智能插座上傳給多目標優(yōu)化器來進行分析。多目標優(yōu)化控制器將得到的數(shù)據(jù)結合三個優(yōu)化條件（用戶舒適度碳排放量和電能的消耗）和電網(wǎng)公布的分時電價及用戶對設備的使用意向來進行優(yōu)化，并把優(yōu)化的結果傳送給智能插座來控制設備的使用。

3. 家庭電能管理系統(tǒng)

家庭電能管理系統(tǒng)運作流程如下：

（1）在優(yōu)化前，多目標優(yōu)化控制器獲取到設備的所有參數(shù)，其包括用電設備的額定功率和工作時長，以及用戶希望設備工作的時間段。

（2）智能電表將獲取到的分時電價信息上傳給多目標優(yōu)化控制器。

（3）多目標優(yōu)化器通過平移柔性設備的運行時間來節(jié)省電費，通過每*的電量使用檢測追蹤用戶側的碳排放量，通過使設備在用戶理想的時間段運行來保證用戶滿意度，后結合約束條件，制訂各柔性負荷的調(diào)度計劃。

（4）多目標優(yōu)化控制器把調(diào)度計劃上傳給智能插座 ，使其在相應的時間段運行各用電設備。

調(diào)度流程圖如圖 4 所示。

4.安科瑞電能管理系統(tǒng)

4.1概述

用戶端消耗著整個電網(wǎng)百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側管理等課題。

Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能慣，節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)用衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統(tǒng)結構

4.4系統(tǒng)功能

1）實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

2）電能統(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯統(tǒng)計功能，用戶可以查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相有功功率、無功功率、功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電可靠。

6）實時提醒

系統(tǒng)具有實時提醒功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發(fā)出聲音提醒。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和提醒進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

8）電能質(zhì)量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶權限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

12）畫面監(jiān)控

畫面監(jiān)控展示了當前實時畫面（畫面直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)畫面信息。

13）用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。