湖南大學畢業設計(論文)HUNANUNIVERSITY畢業設計(論文)設計論文題目《基于需求側負荷管理的智能效優化系統研究》學生姓名學生學號專業班級學院名稱電氣與信息工程學院指導老師學院院長2015年 月日摘要隨著社會的不斷發展，人類對電力越來越依賴，對電力能源的需求也是越來越高。智能電網的發展作為電力行業的一次工業革命，對全球的可再生能源的利用，環境和氣候的保護，都起了積極方面的作用。智能用電的能效優化系統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化的體現，是智能電網發展的重要環節。傳統電網中，電力用戶的參與度很低，用戶管理不規范。智能電網有智能友好等特征，采用遠程控制技術，家域網，雙向通訊實現對電力需求側的管理，通過友好的互動，激勵電力用戶積極參與到電網運行中，以達到用電資源最優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化系統，對電力用戶需求側進行管理，目的是削減電力需求的高峰期，平滑負荷的形狀曲線、提高電力系統安全性和用電效率。仿真結果顯示，經過該優化系統能進行短期的負荷預測以及負荷管理，并優化電力用戶的用電效率。 關鍵詞：智能電網；需求響應負荷管理；能效優化；控制策略；智能網關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國內外研究動態 6225801.2.1國外研究動態 6288571.2.2國內研究動態 7131141.3論文研究的主要內容 726678第2章需求側負荷管理的基本特征 8127282.1智能電網中需求側管理的概述 8169012.1.1智能電網需求側管理的基本特征 1061612.1.2需求響應技術 10227272.2基于價格的需求響應 1117982.5本章小結 1216462第3章智能用電能效優化管理系統的介紹 13186473.1系統的整體構架 13206863.2智能用電能效管理控制策略 14225673.2.1控制目標 1462853.2.2控制策略 15305813.3基于需求側負荷管理的用電能效優化的算法 18205133.3.1通過運行時間調度實現的接納控制 1994443.3.2負荷平衡 1934463.4本章小結 2121919第四章實例仿真分析 2251744.1實例分析 22320434.2仿真結果討論 24220934.3本章小結 2418519第五章總結 2534785.1論文結論 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選題背景智能電網的能源效率優化，是從發電，輸電，配電和功耗優化等方面進行討論研究的的用電議題。它不僅降低線路損耗，改善有功和無功負荷優化分配，以及推展可再生能源的利用，提高能源效率，對負荷管理也具有重要的影響。隨著智能電網的不斷發展，智能用電能效優化管理技術也在慢慢進步，已從簡單的能效計量、統計、分析，逐步發展到多方位的計量、通信、控制、管理技術的全方位結合，其中電力需求側管理技術也逐步融入智能用電能效優化管理系統中去。電力需求側指的是與供電側相對應的電力能源消耗的一方面，主要集中在配電和用電環節，消耗整個電網80%的能源。負荷管理指的是用經濟、技術、或者行政手段來控制電力系統負荷改變速度。電力系統規模日趨擴大，電力基本設施建設的速度越來越緩慢。從整個國民經濟考慮，有計劃地控制電力負荷的增長速率，指導負荷調整，限制非重要負荷在系統負荷高峰期間用電，盡可能最大限度地發揮已有發電和供電設備的利用率，這就是負荷管理的目的。能效優化管理指的是在滿足消費者健康、舒適的前提下，節約能源、提高能效，降低費用的一套監控管理系統。將電力需求側管理技術引入到智能用電能效優化管理系統，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，對用電實現精細化控制，降低能耗開支，而且也能夠改善需求側耗能的管理機制和管理體系，將對降低城市高峰時期的用電負荷，減少政府在電網基礎設施中的投資起到非常有利一面的作用。1.1.2選題意義傳統電網系統通常采取的是從電力網到電力用戶的單箭頭傳輸方式。而智能電網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，實現設備上即時的供需平衡。在電力需求側負荷管理中，伴隨著無線傳感器以及電力線載波技術的快速發展，智能電網中用戶以互動方式用電成為可能。從電網的角度來看，用戶需求側可被當作是一類可管理的資源，它將作用于平衡供需關系，以確保電力系統的穩定性以及可靠性。從電力用戶角度看，參與能效優化的運行和管理，可以優化購買以及使用電力的方式，以達到自身利益最大化的目的。用戶可以根據自身的電力需求及電力系統可以滿足其需求的能力調節電力的消費方式，使電力需求自電網負荷高峰期削減，轉移到電網負荷低谷期，實現負荷管理。在我國基于電力需求側負荷的智能用電能效優化管理的還是一個比較新的課題，具有較高的理論學習價值。本篇在前人研究的基礎之上，借鑒現有的研究成果，進行理論和實踐研究方面的創新，并重點研究智能電網中用戶需求側能效優化管理，本文的主要理論研究集中于下列幾個方面：分析并總結傳統電網中電力需求側管理的不足之處，依據智能電的特性，設計出新的電力用戶需求側智能用電能效優化管理方法。該方法能突出智能電網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的總體構架做闡述，提出基于空調運行的特性的智能用電能效管理控制的策略，并論述應用于系統的智能用電能效優化算法。通過該系統的有關算法理念進行負荷能效優化管理，實現用戶用電效率的最優化。1.2國內外研究動態1.2.1國外研究動態目前，智能電網已成為全球電力行業研究和探討的熱門焦點，各個國家開展了大量的工作應用于智能電網的概念及其技術研究和工程實踐中。國外的專家學者對智能電網的需求側管理作出了一定的研究及展望。A.Ipakchi和F.Aibuyeh[4]兩位學者對智能電網作了全面深刻的研究。負荷管理一項技術源于1980年代末期，直接對負荷的控制和削峰移峰技術取得了一定的成果。隨著社會的進步，能源短缺以及環境壓力和需求側響應的技術得到了快速的發展。相比較于傳統負荷管理，高級的計量架構以及家庭局域網的試用使得相關系統操作人員能夠直接（間接）通過電價信號管理相應用電需求。由傳統負荷到當前負荷整形，發、用電側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。可以假定一個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，可以建立一優化模型，由仿真結果可以發現，即時很大一部分家庭同時使用此優化模型，移峰填谷的問題依舊無法鏟除，所以有必要考慮社區用電情況，然后再通過分布式時間安排控制機制減小社區的總體高峰負荷時期用電需求。S.N.Shao,S.Rahman，M.Pipattanasomporn[6]由用戶選擇的角度出發，研究智能電網的集成電動汽車需求響應。電動汽車的日益普及，這將導致電動汽車充電時期可能會給配電網帶來超過系統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機制來減少電力汽車充電高峰時期對電網的沖擊。通過這種機制，電力系統的用戶可以決定何時控制何種負荷，并且保留自己的用電隱私。1.2.2國內研究動態在智能電網需求側管理方面，我國學者已經做了許多研究。王蓓蓓，李揚和高賜威[7]分析了傳統電網需求側控制管理技術中的問題，系統中引入智能電網相關控制管理技術后，需求側將會發生變化，本文對此進行了展望，并對智能電網中的需求側控制管理建設提出了一些寶貴建議：在電網各環節安裝先進計量、通訊設備（無線傳感器）建立電力供應與需求信息雙向傳輸體系，以此實現電網與用戶之間的互動；電力用戶使用分布式電源，參與需求響應計劃，提高電網運行的安全性和可靠性。湯墨竹[8]由智能電網的需求側管理控制系統建設的必要性出發，對智能電力需求側管理系統軟件功能和分層分布式邏輯結構進行設計和研究。功能舉例：負荷平衡分析功能，該模塊主要功能是動態分析電力用戶的負荷率，由數據挖掘技術找出電網內用電結構需要優化的電力用戶，再自動生成節能用電策略，以此降低電網內電力用戶的電力消費。袁飛研究了智能電網電力需求側管理控制系統的建設，設計出了一套需求管理系統的總體框架，并且對網損模型和負荷預測模型等進行實現。在文中的輸電線負荷研究和計算方法：將某條線路中的電表負荷值累加，系統將通過圖形和文字顯示負荷情況，如通過曲線圖對比連續負荷。我國對智能電網的研究，在電力需求側管理控制方面做了一定量的分析與研究，但缺少考慮電網內電力用戶對需求管理的接受程度。而智能電網的核心功能就是實現電網與用戶交互，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論文研究的主要內容本文主要研究工作如下：首先對智能電網中用電用戶需求側管理的特征及其特殊性進行闡述，建立智能電網供應、需求信息雙向通信系統模型，對提出智能用電能效優化系統構架，進行了可視化的研究和分析。對削峰填谷問題設計算法，對仿真結果進行比較和分析。本文在第二章中，介紹了智能電網及智能電網中需求側負荷管理及能效優化的基本概念和主要特點。第三章對智能電網能效優化系統構架做出描述，提出智能用電能效管理控制的策略，并論述應用于系統的優化算法。第四章提出實例數據對系統和算法進行驗證。在最后一章中，對本文的研究內容進行了總結和展望。需求側負荷管理的基本特征2.1智能電網中需求側管理的概述全球范圍內，各國家經濟發展現狀、電力系統建設水平和發展條件不一樣，這導致了各個地區對于智能電網建設的意愿及其側重點也各不相同。目前，智能電網的概念沒有統一的理解，人們對于智能電網，仍處于不斷豐富和認識的過程。目前已經達到的共識是，智能電網作為下一代電網，集成了先進的傳感技術、通訊技術和控制方法論的，以智能和用戶友好的方式提供電能的系統。智能電網系統圖如下所示：智能電網與傳統電網最大的不同點是支持需求響應和用戶服務，支持電力用戶與電網之間的雙向互動。這有利于電網的運行和控制，并且更加方便為電力用戶服務，這也是智能電網的最終功能。電網需求側管理將會加強電力成本控制，并且能夠減少環境污染，平衡電能的供應需求關系。智能電網對電力用戶的用電行為進行合理安排與規劃，制定有效的節能方案，緩解用戶對于新增發電容量的需求，智能電網提高了用電設備的電能利用率，解決了電力市場環境不斷變化所帶來的各方面問題。本文中涉及的、有關電力需求側管理的一些基本概念概括如下[10]。需求側管理：指的是通過制定電力規劃和方案，影響電力用戶的用電行為，從而達到電網內預期的負荷改變的目的。電力需求側管理主要有項目規劃、項目實施方案評估、和監管。需求側管理電力用戶主要包括居民住宅用戶、工業用戶、商業用戶等。需求側規劃：指的是影響電力用戶用電行為的設計和評估。期望產生的負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，用來替代原有傳統能源。需求側執行：指的是在需求側管理方案成本確定后，實際具體實施與需求側計劃所相關的活動。負荷形狀目標：通過需求側管理控制計劃的實施，用戶的用電行為發生期望的變化，從而達到確定的負荷曲線形狀目標。負荷形狀目標可用來判斷需求側管理計劃的潛在影響因素，其可分為削峰、填谷、負荷轉移、保護和新用電設備使用所帶來的負荷改變與需求響應負荷形狀。負荷管理、需求響應和節能措施都屬于需求側管理包含的內容。削峰是負荷管理形式之一，傳統上一般認為削峰是使用直接控制手段減少峰值時期的負荷需求量。在電力系統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，此外直接負荷控制還可以通過經濟優化調度等方法來降低運行成本和對燃料的依賴度。填谷是傳統的負荷管理形式，實際應用中具體是指提升非高峰時期的負荷水平，對于長期新增成本低于平均電價水平的地區，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的平均成本。實施填谷的常用方法是采用新儲能技術，如水加熱/空間加熱技術來取代傳統石化燃料的消耗。負荷轉移是將高峰期負荷轉移到非高峰期。負荷轉移常見的應用包括儲藏空間加熱和儲水式熱水器等。負荷轉移的應用，使儲存設備轉移的負荷代替了傳統的電力供應設備。節能措施指的是為了使得負荷形狀產生期望中的變化，電網內電力用戶直接采取相關行動。終端能源消費用戶的節能措施能夠在一定程度上改變電網負荷形狀。而節能措施的實施策劃者必須考慮到這些節能行為能自然發生，然后再科學評估這些節能計劃的成本，從而推動這些節能措施的執行，如在不同季節設置不同的空調溫度，采用不同的節能裝置。使用新的高能效的用電設備，包括對現有使用傳統石化燃料的電能終端進行電氣設備改造等方面。新的高能效的用電設備和技術包括工業過程加熱技術、電動汽車和自動化技術。通過鼓勵減少傳統石化燃料和原材料的消耗，提高社會的生產力水平，并且能夠減輕環境污染。需求響應指的是，為減輕電力需求高峰壓力，改變電網內電力用戶短期用電需求的活動。在同樣的規劃時期內，供電系統的規劃者通過研究如何優化供電策略來改變負荷形狀。在當前現有的供電優化指標中，最經常使用的指標是可靠性指標。在通常情況下，影響電網內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、直接負荷控制等。負荷管理：指的是所設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。對于大多數的電力用戶來說，負荷管理目標包括削峰填谷和負荷轉移等。需求側選擇權：指的是需求側管理中影響電力用戶用電行為的產品和服務，其中包括了需求側計劃希望達到的負荷形狀的改變、需求側規劃涉及的相關技術和設備、被影響的電力用戶終端用電方式、能達到的市場執行方式。2.1.1智能電網需求側管理的基本特征電網需求側管理是電網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，以此來提高電力網終端用戶的用電效率，降低高峰負荷需求并且滿足同樣用電功能，降低了運行成本，減輕了環境污染[11]。智能電網中的需求側管理相比于傳統電網中的需求側管理，其特征包括：第一，電網電力用戶需求側管理運用先進的通訊設備。傳統電網以“發電——輸電——配電——用電”的單向電力傳輸的供電模式為核心，信息流動也是從設備側到控制中心的單向流動，電網中的高峰負荷在所難免。智能電網運用了高速、開放的通訊系統，使得智能電網成為一個具有強交互能力的網絡，其實現了電力和信息的雙向流動。第二，電網電力用戶需求側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的交互終端獲得電價和電網目前狀況等信息，再結合自身電力需求，電力用戶可以制定最優的用電方案來減少消費。與此同時，通過減少或轉移高峰電力需求，電力公司能夠減少運行費用和燃料費用。2.1.2需求響應技術在傳統的電力市場中，電網內電力用戶只是接受供電，電力用戶之間是相互獨立的，電力供應和需求由調度中心決定。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量提出更高要求。需求響應是指當通過用戶對供電條件進行回應以此管理電力需求的機制，是需求側管理的解決方案之一[12]。需求響應通過電力用戶對電價等信息作出響應，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，可以將電力市場中的需求響應分為基于激勵機制的需求響應和基于價格的需求響應[13]。2.2基于價格的需求響應在傳統的電網中，電價是一固定常數。然而在電力需求的高峰時期，電廠的發電成本增加，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，用戶通過響應電價的變化相應地調整用電需求，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負荷特性制定峰谷電價，這指導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荷轉移到低峰時段，從而實現了負荷平衡的目標。對于分時電價，可根據歷史數據擬合得出響應度曲線和采用需求彈性，以此研究分析用戶響應。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荷曲線特征。電力用戶響應的建模是合理定價決策的基礎，峰谷電價差變化時，電力用戶綜合響應曲線如下圖所示。上圖中的水平坐標為拉開比，縱坐標則是由峰值時段向其他時段轉移的負荷電量水平，圖中曲線的斜率代表峰值時段需求側的響應度。分時電價決策的目標函數可以是單個或者多個，包括最小化系統的最大負荷、最大化實施方的收益、最小化系統的峰谷差、最大化用戶滿意度等。對電力用戶的電力消費行為進行分析，量化電力用戶滿意度，構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化目標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慣的滿意度。(2)實時電價實時電價對通信技術支持相比于分時電價要求更高，其為一種動態的定價機制。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荷進行削減或者轉移到非尖峰時段，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制中。二、基于激勵機制的需求響應通過合同或者政策來影響電力用戶平常的用電方式，其中包括負荷中斷、對負荷的直接控制等方案[16]，一般對小型商業用電和居民用電的管理比較適用。在不同的空間尺度，我們可以緊密結合這兩種需求響應策略，以實現緩解電力系統備用不足，削減用電高峰的目的[17]。2.5本章小結本章對需求響應、智能電網和需求側管理等概念進行了論述，并參閱了很多文獻資料，總結出智能電網中需求側管理相比較與傳統電網的基本特點。本章還對需求響應中的基于激勵機制和基于價格的兩種模式進行了闡述，分析了實施需求響應項目的意義，為文章的進一步開展提供了理論支撐。第3章智能用電能效優化管理系統的介紹3.1系統的整體構架本文提出的智能用電能效管理系統，其總體框架如圖1所示，主要包括感應層、數據層、應用層以及控制層。1）感應層主要是采集電網以及智能用電設備的各類有效信息，比如用電數據和電壓、功率等物理傳感數據；2）數據層主要是對感應層通過無線ZIGBEE、光纜、無線Wi-Fi等通信技術傳輸來的數據信息進行抽取、挖掘和預測等一系列優化處理；3）應用層主要是智能控制終端等應用層面接入端設備，通過對有效信息進行分析，基于自身能效管理系統的控制策略，對電網需求側進行友好型響應，達到移峰填谷和能效優化的目的。4）控制層主要是智能網關、智能終端和智能插座進行信息交互，信息處理的實際應用，是智能用電能效管理系統作用的實際運用。圖3.1（SEEMS整體框架圖）以網關和終端等設備為基礎形成的SEEMS系統模型如圖3.2所示。智能用電控制終端位于系統的子站層，作為聯系電網數據平臺與量測層智能網關及智能插座等設備傳感器完成電網友好型響應及能效優化數據采集、需求側空調系統資源之間協調控制以及策略的優化分解。智能插座采集空調設備用電信息，通過無線ZIGBEE通信技術將數據傳輸給智能網關，而智能網關主要完成同智能用電設備、智能控制終端之間的通信,并實現智能設備的智能化組網。圖3.2（網管總體構圖）基于智能用電能效管理系統，本文以典型用電設備（如空調）為研究對象，綜合考慮電網實時運行狀況、實際用電環境和用戶用電感受，利用智能網關、用戶能效智能控制終端等設備，完成智能用電能效管理系統的綜合優化，協助電網實現節點電壓波動的抑制和電力負荷的移峰填谷。3.2智能用電能效管理控制策略3.2.1控制目標本文提出以實現電力負荷的移峰填谷為控制策略的目標，因此需要進行有序用電。電力公司根據聚合空調負荷特性來確定用電高峰和低谷時段，從而制定相應的電能價格，用戶根據電價高低采取相應的措施，改變自身用電情況，在系統高峰負載時段減少用電量，在系統用電低谷時段增多用電量，減少發電設備容量，降低有功電力損耗，從而達到移峰填谷、調整負荷曲線的目的。3.2.2控制策略基于空調負荷的運行特性分析，本文提出一種新的直接負荷控制策略，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電網實時數據制定的控制策略表，根據電網實時數據，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：實測電壓數值低于正常電壓；實測電壓數值高于正常電壓。根據這以上兩種情況可得出2控制策略：自動切除、自動調節。自動切除：根據電壓高低直接關閉空調。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，當電壓低于響應閥值時，且在m個周期內一直滿足該條件，則自動切除；2)按照周期T對電壓采樣，當電壓高于恢復閥值時，且在m個周期內一直滿足該條件，則手動開機；3)強制開啟空調幾分鐘后，才允許控制策略繼續進行控制，可避免反復開啟影響空調壽命；4)系統會對恢復閥值和響應閥值進行隨機化處理，偏差范圍為±1%，即2.2V。圖3.3（自動切除流程圖）自動調節：根據空調負荷節點電壓高低調節空調設定溫度。自動調節流程圖如圖3.4所示：圖3.4（自動調節流程圖）按照周期T對電壓采樣，當電壓低于正常范圍(220V±7%)，控制器自動調整空調的預設溫度，由T0調整至T1，根據公式T1=T0+kv(V-V0)其中溫度電壓調節系數(℃/V)設定為kv，制冷時取負值，制熱時取正值，V為所測電壓，V0=220*(1-7%)=204.6V。當空調處在制冷模式時，空調處于初始狀態，制冷20℃，電壓值為220V，當電壓產生偏移保持在204.6V以上時，空調仍處于20℃，不進行調整，當電壓偏移到203V，空調設置溫度將上調為21℃，以此類推，當電壓為200V時，溫度上調為22℃。如果電壓偏移恢復到204.6V以上的正常范圍，則空調設置溫度將恢復到原來的初始狀態。當空調處于制熱模式時，空調處于初始狀態，制熱25℃，電壓值為220V，當電壓產生偏移保持在204.6V以上時，空調仍處于25℃，不進行調整，當電壓偏移到203V，空調設置溫度將下調為24℃，以此類推，當電壓為200V時，溫度下調為23℃，如果電壓偏移恢復到204.6V以上的正常范圍，則空調設置溫度將恢復到原來的初始狀態。在制定控制策略后，通過實時掌握空調負荷節點的電壓變化，智能終端做出相應的指令下達，智能網關和智能插座根據指令信息動作，對電網電壓做出實時響應，電網中的負荷特性檢測模塊將檢測到的實時數據信息傳送到智能終端進行處理，控制平臺對接收到的數據信息進行綜合分析，然后查詢控制策略表，調整用電功率和參數，在實時電價激勵下，對有功負荷曲線進行有效的削峰填谷的處理，達到用電量合理利用的目的，最后達到移峰填谷和改善電能質量的目的。如圖3.5所示。圖4.5（移峰填谷示意圖）智能網關中的響應控制模塊接收到智能終端發出的響應信號之后，發出參數調整命令，同時終止檢測過程，在達到預設的響應動作時間后，終止響應過程，并發出響應終止信號，智能插座接到信號后恢復檢測模塊的正常運行。由于可調參數的調節范圍小，因此可實現短期調整負荷，以提高電網保持平衡的能力。此外，人機交互界面在進行空調負荷短時調整時可以同步顯示當前空調設定溫度、室溫等實時狀態參數，供用戶查詢。3.3基于需求側負荷管理的用電能效優化的算法3.3.1通過運行時間調度實現的接納控制運行時間調度的基本作用是控制設備的操作以遵守電源容量的限制，同時滿足特定的驗收標準，例如家用應用設備的舒適度。因此，針對每個設備，我們使用一個任務進行表示，然后根據電力負荷、搶占狀態和優先次序特征在一個特定時間窗口中對這些任務進行處理。需要注意的是，如果沒有充足的可用容量，一些任務將被延遲。為了符合驗收標準，調度程序（接入控制器控制器和負載平衡器）可能需要使用DRM（需求響應管理）來更改容量限制，而這反過來又需要與網格進行“交易”。在本工作中，我們假設每個接入控制器控制器調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，例如優先關系、資源限制、任意性任務到達、非搶占性和重要性級別，這些約束條件可能引發非確定性多項式（NP-Hard）難題。針對實時計算系統調度算法，有很多相關的文獻（例如，請參見[22]），其中最流行的當屬最早截止時間優先算法(EDF)、Bratley算法、最小空閑時間優先算法(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，需要使用啟發式函數H來驅動Spring算法中的搜索，該函數可以主動指示調度。在每個級別的搜索中，函數H將被應用到有待調度的任務之中。這些由啟發式函數所確定的具有最小值的任務被稱為啟發式值，選擇該值可以擴展當前時間表。在執行中，啟發式值是介于0和1之間的比例因子，代表任務的緊迫性。例如家用電器，如冰箱和熱水器，達到所需的溫度時，其啟發式值為0，當溫度處于限定區域邊界，即“舒適區域”時，其啟發式值則為1。對于具有截止時間的任務，它們的啟發式值也是最遲開始時間之前剩余時間的函數，可以解釋為：為及時完成任務應該開始執行任務的最遲時間[請參見（10）和（11）]。為了適應具體的應用設備，我們對基礎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行任務期間可能出現的任務優先次序的變化。優先次序是一個啟發式值、搶占狀態和截止時間函數。每次調用調度程序時，優先次序會重新計算所有接受任務的執行池。基本Spring算法的主要差異在于在未完成任務前不會調度任務，而是只提前一個時間片。這其實是一種接納控制，使調度程序“目光短淺”，但相對于新建任務、任務優先次序變化和搶占狀態變化來說非常靈活。3.3.2負荷平衡負載平衡器在一個時間范圍內分布電力負載，以便適當地調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的成本函數。每次觸發負載平衡器，都可以解決混合整數規劃問題，最大限度地減少總能量成本，同時也遵守了任務截止時間和消費能力的約束條件。在一個有限調度范圍內根據適當數量的連續時間幀來安排每個任務。負載平衡的兩個基本的假設是：?在調度時間范圍內運行時，每個設備都具有一個給定的用電負荷；?D/R模塊提供與能量價格和電力容量限制有關的信息。為了展示負載平衡的模型公式，我們假設一個n個設備在m個相同時間幀范圍內進行調度的問題。我們使用N=｛1，…,n｝和M=｛1，…,m｝分別表示與設備組和時間幀對應的兩個指標集。假設，是代表值為0或1的第i個設備在第j時間幀內激活狀態的二元變量，分別代表“非激活狀態”（OFF）和“激活狀態”（ON）。假設是能量消耗，是單位時間內的能源成本。然后，使用定義一個設備i在時間幀j內運行的成本。此外，針對需要在連續時間間隔內運行的設備，我們提出了附加變量，如果安排設備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）強制分配連續時間幀。一般情況下，我們也可以關聯到由表示的每個啟動成本在應用設備的背景下，計算負載平衡總量，然后建立一個適當的時間表，在一個時間范圍內分散電力負載，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規劃問題，可以實現這一目標：其中是時間幀j的可用容量,的定義如下：是設備i連續時間幀的數量，需要的能量總量進行運行，而和分別為設備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定的容量限制[約束條件（2）]。2)為每個請求分配適當數量的連續時間幀，這樣每個設備就可以在足夠長的時間內運行，以保證在截止時間前完成工作循環[約束條件（3）]。3)每個任務只調度一次[約束條件（4）]。可以根據任務的特點和要求相應地修改該數字。4)在一個允許的操作期間調度各任務，這樣，每個設備都可以在一個特定的時間間隔內運行[約束條件（5）]。當將一個特定的設置為1時，第二組約束條件迫使的總數設為值1。即，當優化器決定啟動設備i的最佳時間幀j時，的值全部被強制設為1。在到達時間之前或在截止時間之后，第三組約束條件將對應于相關設備操作的所有設置為0。最后，第四組約束條件保證每個任務只被調度一次。請注意，負載平衡器的一個有趣的特征是它能捕獲所有受控設備的總功率消耗。因此，與文獻中的其他程序相比，它能提供需求響應的更簡單的模型（例如，請參見[15]-[17]）。通過此功能，可以獨立于環境而執行此模塊。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用設備，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，假如設備具有所需的智能水平，那么一個復雜任務將被分割成一系列的請求，這些請求是具有適當時間約束的恒功率需求。此方法的優點在于，它促進了對具有不可預知行為的設備的管理。3.4本章小結本章對智能用電能效管理系統的總體構架做了闡述，基于空調運行的特性提出了智能用電能效管理控制的策略，最后論述了應用于系統的智能用電能效優化算法。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測實驗系統，此系統用于監測一臺空調的用電量、電壓和有功功率等數據。為了實現能效管理控制策略，整體實施方案是智能插座通過無線ZIGBEE通信技術將采集到的空調實時數據整理成一個數據包發送給智能網關，智能網關通過網線將數據包傳輸給用戶終端，用戶終端通過用戶控制面板來對智能插座發送各項功能指令，從而采集空調數據，實時控制空調的通斷，實時監控空調情況以及設定特殊的通斷時間，電腦智能終端上裝有控制面板平臺，根據實時的電壓變化而產生的總用電量變化進行電壓的上下限和報警設置，從而控制空調的通斷來維持總用電量