家庭能源管理系统研究综述

家庭能源管理系统研究综述

贾明潇

上海电力大学电子与信息工程学院，上海，200090

摘要：随着新能源技术的广泛应用和智能化技术的兴起，电网结构从传统电网向智能电网变化。作为智能电网在居民侧的延伸，家庭能源管理系统（HEMS）也是智能电网的研究热点。与传统电网相比，智能电网能够提高电能质量、增强电网系统可靠性和安全性。在智能电网的背景下，家庭能源管理系统能够优化家庭中的能源使用情况，在保证用户舒适度的情况下提高能源的利用率和用电经济性。

关键词：智能电网；家庭能源管理系统；HEMS

Review of Home Energy Management Systems

JIA mingxiao

(Shanghai University of Electric Power, Shanghai, 200090)

Abstract: With the widespread application of new energy technologies and the rise of intelligent technologies, the structure of the power grid has changed from the traditional grid to the smart grid. As an extension of the smart grid on the residential side, the home energy management system (HEMS) is also a research hotspot of the smart grid. Compared with traditional power grids, smart grids can improve power quality and enhance grid system reliability and security. In the context of a smart grid, a home energy management system can optimize energy use in the home, and improve energy efficiency and power economy while ensuring user comfort.

Key words: smart grid; home energy management system; HEMS

1 引言

随着社会的不断发展，人们对于电力的需求也越来越高，据我国国家能源局发布的数据显示，2019年，全社会用电量72255亿千瓦时，同比增长4.5%,其中城乡居民生活用电量10250亿千瓦时，同比增长5.7%[1]。居民侧对于能源的需求也是越来越高，对于家庭微电网的研究也就成为了智能电网研究中的热点。微电网（MG）通常由可再生能源发电（如 PV、WT 和潮汐能等），电力负荷，能源存储系统（ESS），配电和控制系统组成[2]。微电网是一个可以实现自我控制、保护和管理的完整的电力系统，既可以与外部电网并行也可以孤立运行，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。传统电网中能量的流动是单向的，是由电厂生产电能然后通过电网传输给用户，用户只是电能的消费者。而智能电网的能量和信息的流动都是双向的，以便建立一个高度自动化的和广泛分布的能量交换网络.我们可以通过智能电网的这一特点进行能源和调度的优化，以达到提高电能质量和用电经济性的目的[3]。

基于微电网和智能电网的概念，考虑以家庭为主要单位，建立家庭微电网，利用智能化技术手段协调分布式发电、负荷和储能三者的运行[4]。而许多相邻的住宅用户组成了社区微电网。社区微电网内所有的用户都装有光伏发电系统，利用太阳能发电来满足自身的用电需求。当太阳能发电量少于自身用电量时，用户通过市场运营者从主电网购买电能。当太阳能发电量高于自身用电量时，用户将多余的电能并入到主电网或者储存在自家电池中。因为在家庭层面部署储能系统的成本很高，所以只有少部分用户安装了电池储能装置。光伏发电系统通过直流电/交流电转换器连接到负荷和交流电系统。如果用户同时拥有光伏发电系统和电池储能装置，则可以通过直流耦合拓扑或交流耦合拓扑连接它们。因为光伏发电受自然界气象因素影响波动性大，很难长期精确预测其发电量，所以在微电网电能交易中不适合采用远期合约交易方式。大多数研究微电网内电能交易的工作采用基于时间窗口的交易市场。具体来说，将一天平均划分成多个交易时间段，假设每个住宅用户在某一时间段内的电能生产和需求都是确定的，然后开展内部电能交易。在小区内构建一种考虑云储能的能量调度研究策略，同时探索一种电能收集和分配机制以激励用户参与云储能，并解决电能的定价以及分配问题，维持系统的稳定运行，具有很高的研究价值和重大的现实意义。

2 智能电网的相关技术研究

智能电网，顾名思义，就是智能化的电网，它以高速双向通信为基础，利用先进的测量技术、设备、控制策略和上层调度策略，从而实现电网的可靠运行。智能电网应具有以下特点：

（1）稳定。智能电网能够实现“自愈”，即无需或仅需少量人为干预，实现电力网络中存在问题元器件的隔离或使其恢复正常运行。智能电网能够实现系统的稳定运行，从而满足用户负荷电能质量的需求。

（2）兼容。容许各种不同类型发电和储能系统接入。由于可再生能源具有随机性和间歇性等特点，导致分布式电源的分布具有分散性。智能微电网可以将局部分散的分布式电源进行集中整合，从而实现多种分布式电源的兼容。

（3）经济。支持电力市场运营和电力交易的有效开展，实现资源的优化配置，降低电网损耗，提高能源利用效率。

（4）集成。实现电网信息的高度集成和共享，采用统一的平台和模型，实现标准化、规范化和精益化管理。

2.1新能源发电技术

近年来可再生能源发展迅速，可再生能源的发电量所占比例显著提高，目前智能微电网主要以多种可再生能源为主，电源输入主要为光伏、风力、氢、天然气、沼气等多种成熟发电技术。

2.2储能关键技术

储能在电力系统中的价值逐渐增加，光伏、风力等可再生能源多具有间歇性和随机性等特点，如果对其加以合理利用，它在微电网中能够起到削峰填谷的作用，极大的提高间歇式能源的利用效率。但就目前来说，储能技术发展成本高，世界各国都在研究这项技术，力求实现低成本、高储能。文献[5-7]提出基于储能设施共享的云储能可能成为未来电力系统新的形态特征之一。受到共享经济的启发，基于大规模使用可再生能源从而造成发电具有很大间歇性而提出了云储能这一概念。使用云储能的用户免去了安装和维护实体储能设备所要付出的成本，将原本分散在用户侧的储能装置集中到云端，用云端的虚拟储能容量来代替用户侧的实体储能，但是要根据实际需求向云储能提供商购买一定期限内的虚拟储能的使用权，用户可以随时按需使用共享储能资源池中的资源，可以显著地降低提供储能服务的成本。文章解释了云储能的概念，并从运营商和用户两个方面对云储能商业模式的各个要素进行了详细阐述。

2.3 能量优化调度技术

智能微电网调度系统属于横向的多种能源互补的优化调度技术，可充分挖掘和利用不同能源直接的互补替代性。现有的优化调度方法主要针对3个领域：可再生能源侧、微网系统以及输电网中[8]。主要是把家庭负荷根据刚性与柔性（负荷是否在使用途中可中断）分为不同的类别，再基于提前一天预测的实时电价，进行负荷迁移，调整负荷工作时间，使与实时电价相匹配，使购电花费最少。

3 家庭能源管理系统研究现状

能源管理就是通过一些检测装置和控制装置对能源的使用过程进行检测与优化，以期达到提高耗能的利用率，并且抑制不必要的电能浪费。而家庭能源管理则是以优化家庭用户的用电使用情况为目标，以分布式能源和储能设备的调度为依托，利用优化算法或者调度策略来减少整个家庭的电能。随着煤炭等一次能源的过度消耗，环境问题日益突出，考虑以风能、太阳能等清洁能源进行发电是解决这一问题的重要途径。智能电网技的高速发展，带动了以家庭为单位的小型微电网的发展，因此家庭能源管理系统成为了未来智能电网在配电侧发展的重要研究方向。通过需求响应等技术可以在满足用户对电能质量和供电需求的基础上，实现节能降耗和环境保护。不仅提高了家庭用户的自主参与性，而且也增强了供电的可靠性和能耗利用率。优化的目的一般有两个，一是减小系统的运行成本，二是减少用户电费。

3.1 减少系统运行成本

   文献[9]提出了居民侧楼宇能源管理系统的优化调度模型，在该模型中，作者将调温设备、蓄电设备和其他用电设备结合起来进行建模，其调度目标也是为了减少系统运行成本；文献[10]微电网模型中考虑了蓄电池的寿命，提出一种加权的吞吐量法来计算寿命损耗,并提出一种可以将之转化为混合整数线性规划问题的方法。文中同时阐述了一种各微源通用的线性化方法。通过这些方法，将微电网模型转化为混合整数规划问题求解。

3.2 减少用户电费

家庭范围内的用电设备很多，通过对设备进行合理的用电安排和调度来提高用电效率，最小化用户的电费。根据设备的工作特性和用户需求的不同将一般用电设备分为不可调度设备和可调度设备进行研究，不可调度设备的运行不能随意改变否则可能降低用户的用电舒适度，而可调度设备的运行时间或功率可在一定范围内灵活变化因此可以进行优化。利用需求的弹性优化可调度设备找到一个最佳运营计划，显著降低了运营的成本。在对家庭能源管理系统进行调度时不仅应该以最小化用户电费为目标，还应该兼顾了用户的用电舒适度，实现降低用电费用的同时提高用户的用电舒适性。

智能电网环境下的家庭能源管理系统（HEMS）需要通过智能电表采集用户侧能量消费数据。但是这些数据包含着用户的电力消耗模式，有可能会导致隐私泄露问题。近年来，用户用电隐私保护的问题开始受到各国的广泛关注，部分国家出台了相关法律，但用户的用电隐私问题不能仅靠法律法规，还要从技术层面上来解决。在技术上进行改进，在考虑到在最小化用户电费的同时还要保护用户的隐私。将隐私保护加入HEMS调度策略中，提出一种计及隐私保护的HEMS用电调度方法，在考虑用电经济性的基础上，采用蓄电池的充放电技术建立了计及隐私保护的优化调度模型，即先经过智能电表与HEMS的调度器通信，调度器作出决策后安排蓄电池和电网单独或同时向家庭用电设备供电，这样智能电表测到的用电数据就不能直接反映具体设备的用电信息。并引入偏好因子以解决用电经济性和隐私保护之间的权衡问题。采用数据注入技术，即向智能电表数据注入一些新数据以干扰电表数据，这种技术可能会造成计费不准确，不利于电网管理。或者可以利用加密的方法将多个用户具体的用电信息聚合成总用电量以模糊用户用电模式。

4 总结

本文智能电网的相关技术及智能电网环境下的家庭能源管理系统。在智能电网环境下，居民用户拥有用电负载、储能系统、分布式电源等设备，家庭环境内的用电网络已经构成一个家域微电网。家庭能源管理系统在提高用户用电效率、节能减排、为用户节省电费等方面起到了很大作用。智能电网是当今电力行业的研究热点，也仍存在许多挑战未能解决。居民用电占全社会用电量的很大比例，对居民侧微电网的研究有利于促进智能电网技术的研究。

参考文献

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