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淺析居民小區(qū)家庭電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　更新日期：2023-11-23　點(diǎn)擊量：315

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：現(xiàn)如今，分時(shí)電價(jià)的盛行改變了原來(lái)的用電模式，不僅要保證用電費(fèi)用降低，更要保證用戶(hù)用電的舒適度。因此提出了基于分時(shí)電價(jià)和多目標(biāo)優(yōu)化的家庭電能管理系統(tǒng)。首先，將常用的家用設(shè)備按照家用設(shè)備的用電特性進(jìn)行了分類(lèi)。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(hù)舒適度的提升和碳排放量的追蹤為目標(biāo)。對(duì)家庭電能管理系統(tǒng)模型使用改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證。通過(guò)使用 Matlab 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn) ，驗(yàn)證該方法在降低用電成本提高用戶(hù)舒適度和追蹤碳排放量方面有顯著的優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：家庭電能管理；分時(shí)電價(jià)；多目標(biāo)優(yōu)化；改進(jìn)的粒子群算法；優(yōu)化調(diào)度

0 引言

從目前國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，對(duì)于家庭微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題有大量的研究，提出如何將居民用電設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)。本文在沒(méi)有光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電等能源裝置，結(jié)合了已有的家庭電能管理系統(tǒng)研究基礎(chǔ)，考慮優(yōu)化目標(biāo)用戶(hù)舒適度、電價(jià)成本和碳排放量的追蹤建立在分時(shí)電價(jià)下的多目標(biāo)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(shí)電價(jià)和多目標(biāo)優(yōu)的家庭電能管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型，該模型對(duì)家用設(shè)備進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，管理使其合理的運(yùn)行達(dá)到的運(yùn)行狀態(tài)。*后通過(guò)Matlab仿真算例驗(yàn)證該模型對(duì)家庭用電設(shè)備有較好的適應(yīng)性，也保證用戶(hù)舒適度。

1 家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

家庭電能管理系統(tǒng)是電網(wǎng)在用戶(hù)消費(fèi)側(cè)的重要組成部分，它利用一定的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)家庭用電設(shè)備的檢測(cè)、管理和減少電費(fèi)開(kāi)支。在分時(shí)電價(jià)的大環(huán)境下合理地使用電器來(lái)達(dá)到減少電費(fèi)，控制以家庭為主的碳排放，起到保護(hù)環(huán)境的作用。利用多目標(biāo)優(yōu)化算法使用戶(hù)舒適度、電能消耗和碳排放達(dá)到其架構(gòu)如圖 1所示。

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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國(guó)家能源網(wǎng)），電網(wǎng)通過(guò)智能電表給用戶(hù)家庭提供電能和提供分時(shí)電價(jià)的價(jià)格。智能插座連接用戶(hù)的用電設(shè)備，獲取用電設(shè)備的基本數(shù)據(jù)，例如功率，電壓和用電時(shí)長(zhǎng)等，并且通過(guò)電閘進(jìn)一步來(lái)控制設(shè)備。收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)智能插座上傳給多目標(biāo)優(yōu)化器來(lái)進(jìn)行分析。多目標(biāo)優(yōu)化控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合三個(gè)優(yōu)化條件（用戶(hù)舒適度碳排放量和電能的消耗）和電網(wǎng)公布的分時(shí)電價(jià)及用戶(hù)對(duì)設(shè)備的使用意向來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，并把優(yōu)化的結(jié)果傳送給智能插座來(lái)控制設(shè)備的使用。

2 家庭電能管理系統(tǒng)優(yōu)化模型

家庭電能管理系統(tǒng)是針對(duì)擁有多個(gè)家居用電設(shè)備的單個(gè)用戶(hù)，這些設(shè)備通過(guò)智能插座全部與管理系統(tǒng)相連。當(dāng)HEMS開(kāi)始運(yùn)行后，這些設(shè)備就會(huì)立即作出反應(yīng)，在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程里，系統(tǒng)會(huì)將優(yōu)化的時(shí)間劃分為長(zhǎng)度相同的子時(shí)間段。

2 .1 用電負(fù)荷模型

在日常生活里，每個(gè)用電設(shè)備都有不同的用電方式，本文依據(jù)設(shè)備間的用電特性將所有家用設(shè)備分為剛性設(shè)備柔性設(shè)備和 HVAC設(shè)備。剛性設(shè)備表示用電設(shè)備的使用時(shí)間不會(huì)根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而改變，例如冰箱、電燈等。柔性設(shè)備又根據(jù)設(shè)備使用時(shí)間在平移過(guò)程中可否中斷分為兩類(lèi)： ①可平移不可中斷設(shè)備，如洗碗機(jī)、洗衣機(jī)，其運(yùn)行時(shí)段可以進(jìn)行移動(dòng)、調(diào)整，但工作期間設(shè)備不可中斷；②可平移可中斷設(shè)備，表示此類(lèi)家用設(shè)備的使用時(shí)間根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)而發(fā)生變化，并且在運(yùn)行期間可中斷使用，如電動(dòng)車(chē)，熱水器。HVAC 設(shè)備表示此類(lèi)設(shè)備的使用情況只與溫度有關(guān)，如空調(diào)。

2.1.1 剛性設(shè)備

該類(lèi)設(shè)備直接影響著用戶(hù)的正常生活，不會(huì)隨著優(yōu)化發(fā)生改變，例如電冰箱，電燈等。

剛性設(shè)備模型：

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2.1.2 柔性設(shè)備

該類(lèi)設(shè)備的用電時(shí)間較為靈活，依據(jù)用電特性和用電過(guò)程中可否中斷分為可平移不可中斷設(shè)備和可平移可中斷設(shè)備。

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可平移可中斷設(shè)備模型：

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2.1.3 HAVC設(shè)備

暖通空調(diào)系統(tǒng)（heating，ventilation and aircon- ditioning，HVAC）是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng)，因此室內(nèi)外溫度，以及用戶(hù)自行設(shè)置的*佳溫度值和房屋的熱參數(shù)決定了該類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。

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2 .2 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

2.2.1 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)是把家庭用電費(fèi)用作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化后的值越小表示優(yōu)化效果越好。 1691633819466

2.2.2 用戶(hù)舒適度函數(shù)

用戶(hù)舒適度函數(shù)是將用戶(hù)對(duì)用電設(shè)備優(yōu)化后的使用時(shí)間段的滿(mǎn)意度作為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化后的數(shù)值越大，表示用戶(hù)對(duì)于優(yōu)化后的設(shè)備使用時(shí)間滿(mǎn)意度越高。

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2.2.3 碳排放量函數(shù)

家庭側(cè)碳排放有很多種，例如汽車(chē)尾氣排放，煤氣灶生活做飯等，本文選擇煤炭發(fā)電導(dǎo) 致的碳排放，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查每消耗一度電的碳排放量是 0.785 kg。就目前國(guó)內(nèi)的情況，小區(qū)沒(méi)有安裝光伏發(fā)電裝置，碳排放量與用電量消耗的線性關(guān)系如下：

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在以后的發(fā)展中，小區(qū)里有了光伏發(fā)電裝置后，碳排放量與光伏發(fā)電的使用效率有關(guān)，當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達(dá)到碳排放量；反之當(dāng)光伏發(fā)電的用電效率達(dá)到，碳排放量達(dá)到*大。在光伏發(fā)電裝置中，需要有發(fā)電、儲(chǔ)電的過(guò)程。本文不再贅述。

2 .3 約束條件

2.3.1 功率對(duì)等約束條件

在家庭系統(tǒng)中電能需要守恒，即生產(chǎn)的電能與消耗的電能應(yīng)該保持平衡。功率平衡約束如下：

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2.3.2 溫度設(shè)備約束條件

用戶(hù)對(duì)于溫控設(shè)備的運(yùn)作時(shí)間與工作時(shí)段并不關(guān)心，關(guān)心的是在特定的時(shí)間內(nèi)由溫控設(shè) 備控制的溫度有沒(méi)有達(dá)到要求。所以對(duì)溫控設(shè) 備來(lái)說(shuō)不存在時(shí)間約束，只存在溫度約束。其溫度約束如下：

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2.3.3 工作時(shí)間約束條件

對(duì)某一電器設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要工作的時(shí)間片數(shù)為 N，HEMS需要保證每一個(gè)電器設(shè)備都能夠完成工作。所以每個(gè)電器設(shè)備工作的時(shí)間片數(shù)應(yīng)該與 N 相等，即：

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2 .4 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略

2.4.1 多目標(biāo)優(yōu)化算法

在 2.2節(jié)介紹的3個(gè)目標(biāo)（用電費(fèi)用戶(hù)舒適度和碳排放量）中，如果僅將用電費(fèi)用優(yōu)化到低，在電價(jià)較低時(shí)才使用電，不可避免地會(huì)引起用戶(hù)的不滿(mǎn)。同樣，當(dāng)一個(gè)目標(biāo)達(dá)到佳時(shí)，會(huì)對(duì)其他兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。本文的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略綜合考慮用電費(fèi)用戶(hù)舒適度以及碳排放量的因素，使得達(dá)到優(yōu)。

傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法都是根據(jù)對(duì)不同目標(biāo)的不同要求，將目標(biāo)通過(guò)某種方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化可以求解的問(wèn)題。缺點(diǎn)是僅能求出優(yōu)化問(wèn)題的局部?jī)?yōu)解，求解的結(jié)果強(qiáng)烈依賴(lài)于初始值。智能優(yōu)化算法的提出改善了這方面的問(wèn)題。目前的智能算法就是粒子群算法。

2.4.2 粒子群算法

粒子群（particleswarm optimization ，PSO）算法從隨機(jī)觸發(fā)，通過(guò)迭代尋找到優(yōu)解。粒子群的標(biāo)準(zhǔn)算法容易陷入局部?jī)?yōu)，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，且不能解決離散及組合優(yōu)化問(wèn)題。因此本文使用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法，在該算法中每個(gè)粒子的速度和位置按照如下方程來(lái)更新：

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2.4.3 算法比較

圖2是標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法流程圖，圖,3是改進(jìn)的粒子群算法流程圖。比對(duì)圖2與圖3能看出，改進(jìn)的粒子群算法，在標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法基礎(chǔ)上，改變了權(quán)重因子w和學(xué)習(xí)因子c的取值方法，提高了粒子群算法的全局搜索能力，避免陷入局部?jī)?yōu)。

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3 家庭電能管理系統(tǒng)

家庭電能管理系統(tǒng)運(yùn)作流程如下：

（1）在優(yōu)化前，多目標(biāo)優(yōu)化控制器獲取到設(shè)備的所有參數(shù)，其包括用電設(shè)備的額定功率和工作時(shí)長(zhǎng)，以及用戶(hù)希望設(shè)備工作的時(shí)間段。

（2）智能電表將獲取到的分時(shí)電價(jià)信息上傳給多目標(biāo)優(yōu)化控制器。

（3）多目標(biāo)優(yōu)化器通過(guò)平移柔性設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間來(lái)節(jié)省電費(fèi)，通過(guò)每一天的電量使用檢測(cè)追蹤用戶(hù)側(cè)的碳排放量，通過(guò)使設(shè)備在用戶(hù)理想的時(shí)間段運(yùn)行來(lái)保證用戶(hù)滿(mǎn)意度，后結(jié)合約束條件，制訂各柔性負(fù)荷的調(diào)度計(jì)劃。

（4）多目標(biāo)優(yōu)化控制器把調(diào)度計(jì)劃上傳給智能插座，使其在相應(yīng)的時(shí)間段運(yùn)行各用電設(shè)備。

調(diào)度流程圖如圖 4 所示。

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4 實(shí)例分析

4 . 1 算例參數(shù)

本文以某一家庭數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。該用戶(hù)家庭安裝有智能電表和多目標(biāo)優(yōu)化控制器，根據(jù)設(shè)備的特性不同，其家庭用電負(fù)荷情況不同，剛性負(fù)荷如表1所示，柔性負(fù)荷如表2所示。

家居設(shè)備優(yōu)化的目的在于保證各設(shè)備完成既定工作的前提下，盡可能壓縮用戶(hù)的電能成本，同時(shí)保證負(fù)荷曲線峰谷差不致過(guò)大；用戶(hù)可以根據(jù)各自的習(xí)慣在HEMS中設(shè)置設(shè)備優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)以及電網(wǎng)提供的分時(shí)電價(jià)信息，HEMS可對(duì)家居用電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。例如，用戶(hù)可設(shè)置在晚上回家后的18；00至次日7：00之間對(duì)電動(dòng)車(chē)進(jìn)行充電操作，為了不影響用戶(hù)在第二天對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的正常使用

須保證充電結(jié)束時(shí)充電量達(dá)到其總?cè)萘康?0%以上，HEMS會(huì)根據(jù)電網(wǎng)提供的分時(shí)電價(jià)信息選擇合適的充電時(shí)段，達(dá)到壓縮電能成本的目標(biāo)。其次對(duì)于空調(diào)的使用，全時(shí)段待機(jī)等候命令，當(dāng)室內(nèi)溫度不在規(guī)定的溫度范圍時(shí)，空調(diào)開(kāi)始運(yùn)作，直到溫度達(dá)到用戶(hù)設(shè)定的溫度則停止運(yùn)作?？照{(diào)的參數(shù)設(shè)置如表 3 所示。

4 .2 仿真結(jié)果

在對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過(guò)程中，使用了Matlab軟件，并將得到的結(jié)果以圖的方式表現(xiàn)出來(lái)。從圖 5 可以看出，當(dāng)室外溫度大于室內(nèi)溫度時(shí)，空調(diào)開(kāi)始運(yùn)作，直到室溫保持在溫度設(shè)定范圍內(nèi)則停止工作當(dāng)空調(diào)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)消耗的電量可忽略不計(jì)。圖 6 是標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法下的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，圖7是改進(jìn)的粒子群算法優(yōu)化后調(diào)度結(jié)果。從兩幅圖可知，將負(fù)荷從峰時(shí)段平移到谷時(shí)段或者平時(shí)段，來(lái)減少電費(fèi)。

圖8為使用多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)前后各個(gè)時(shí)段的電量費(fèi)用對(duì)比，家庭電能管理系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果充分說(shuō)明了系統(tǒng)策略調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性電費(fèi)大部分都產(chǎn)生在峰時(shí)段，而優(yōu)化后HEMS系統(tǒng) 將一部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到平時(shí)段和谷時(shí)段，從而減少了峰時(shí)段電量的高運(yùn)作。圖9多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)前后各個(gè)時(shí)段的電量總費(fèi)用對(duì)比，可以看出優(yōu)化后的費(fèi)用增加平緩，并低于優(yōu)化前電費(fèi)。從兩幅圖中能夠明顯地對(duì)比出，峰時(shí)段和平時(shí)段購(gòu)電支出都有所降低，谷時(shí)段略有升高。從圖8和圖9能看出，使用標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法和改進(jìn)的粒子群算法都能夠減少電費(fèi)，標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法比優(yōu)化前減少了7.2%，改進(jìn)的粒子群算法減少了4.3%。

圖10 為使用多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)前后各個(gè)時(shí)段的功率對(duì)比圖，使用優(yōu)化系統(tǒng)之前，大部分的柔性設(shè)備都集中在了峰時(shí)段，也就是11：00— 13：00， 19：00—21：00；在優(yōu)化后，將一部分設(shè)備從峰時(shí)段移動(dòng)到谷時(shí)段，有效避開(kāi)了峰值電價(jià)時(shí)間段，達(dá)到了設(shè)備平移的目的起到了有效的削峰填谷作用。

表 5 為優(yōu)化前后關(guān)于電費(fèi)、滿(mǎn)意度和碳排放量的數(shù)據(jù)對(duì)比。從表中可以清晰地看出使用了優(yōu)化算法后電費(fèi)都減少了，但用戶(hù)對(duì)設(shè)備的使用時(shí)間滿(mǎn)意度，改進(jìn)的粒子群算法比標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法要高，標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法的電費(fèi)降低了7.2%，滿(mǎn)意度降低了23.9%，改進(jìn)的粒子群算法電費(fèi)降低了4.3%，滿(mǎn)意度降低了11.8%，從數(shù)據(jù)能夠看出，標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法容易陷入局部的優(yōu)化結(jié)果不是很理想。

5 安科瑞電能管理系統(tǒng)

5.1概述

用戶(hù)端消耗著整個(gè)電網(wǎng)百分之八十的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對(duì)用戶(hù)可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶(hù)端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對(duì)用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，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(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，節(jié)約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè)場(chǎng)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(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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5.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

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2）電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶(hù)可以查詢(xún)自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來(lái)任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護(hù)計(jì)量體系的正確性。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps10.jpg$

3）詳細(xì)電參量查詢(xún)

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。

4）運(yùn)行報(bào)表

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數(shù)、規(guī)定時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過(guò)報(bào)表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶(hù)要求導(dǎo)出PDF格式文件。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps3.jpg$

5）變壓器運(yùn)行監(jiān)視

系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電可靠。

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6）實(shí)時(shí)提醒

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)提醒功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)提醒時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)提醒窗口，并發(fā)出聲音提醒。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps4.jpg$

7）歷史事件查詢(xún)

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)事件和提醒進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、事故分析。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps5.jpg$

8）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)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(shí)采取相應(yīng)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(cè)功能的電力儀表，不需要可刪除。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps8.jpg$

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對(duì)于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

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10）用戶(hù)權(quán)限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶(hù)權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps6.jpg$

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps9.jpg$

12）畫(huà)面監(jiān)控

畫(huà)面監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫(huà)面（畫(huà)面直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)畫(huà)面信息。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps11.jpg$

13）用戶(hù)報(bào)告

用戶(hù)報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml89248\wps12.jpg$

14）APP支持

電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“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(bào)警查詢(xún)，設(shè)備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。

$C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml28664\wps46.jpg$ $C:\Users\Auser\AppData\Local\Temp\ksohtml28664\wps47.jpg$

5.5系統(tǒng)硬件配置

應(yīng)用場(chǎng)合	型號(hào)	圖片	功能
電能管理軟件	Acrel-3000WEB		Acrel-3000WEB電能管理軟件全方監(jiān)視用戶(hù)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)，為用戶(hù)提供更好的運(yùn)維服務(wù)。平臺(tái)提供用戶(hù)概況、電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析、用電分析、日/月/年用能數(shù)據(jù)報(bào)表、異常事件報(bào)警和記錄、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能，并支持多平臺(tái)、多終端數(shù)據(jù)訪問(wèn)。
智能網(wǎng)關(guān)	Anet-2E8S1		8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳，支持不同協(xié)議向多平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);輸入電源:AC/DC 22ov，導(dǎo)軌式安裝。
	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104(主、從）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC 12 V ~36 V .支持4G擴(kuò)展模塊，485擴(kuò)展模塊。
	ANet-485		M485模塊:4路光耦隔離RS485
	ANet-M4G		M4G模塊:支持4G全網(wǎng)通
35kV/10kV/6kV微機(jī)保護(hù)裝置	AM6系列		35kV及以下配電系統(tǒng)線路、主變、配電變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器、PT監(jiān)測(cè)/PT并列、母聯(lián)/備自投等保護(hù)。
35kV/10kV/6kV弧光保護(hù)	ARB5-M		主控單元，可接20路弧光信號(hào)或4個(gè)擴(kuò)展單元，弧光保護(hù)<8組）、失靈保護(hù)(4組）、TA斷線監(jiān)測(cè)（4組）、非電量保護(hù)、裝置故障告警
	ARB5-E		擴(kuò)展單元，每個(gè)擴(kuò)展插件可以采集5路弧光信號(hào)
	ARB5-S		弧光探頭，建議安裝地點(diǎn)包括（但不僅限于）斷路器室、電纜室、母線室，可面板開(kāi)孔安裝，亦可支架式安裝?；」馓筋^的檢測(cè)范圍是一個(gè)角度為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域。
35kV/10kV/6kV進(jìn)線柜電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)	APView500		裝置1024點(diǎn)波形采樣，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測(cè)、電壓不平衡度監(jiān)測(cè)、事件記錄、測(cè)量控制等功能為一體，能夠滿(mǎn)足110kV及以下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節(jié)點(diǎn)測(cè)溫	ASD500		液晶屏顯示一次回路動(dòng)態(tài)模擬圖、彈簧儲(chǔ)能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗(yàn)電、核相、3路溫濕度控制及顯示、遠(yuǎn)方/就地、分合閘、儲(chǔ)能旋鈕、預(yù)分預(yù)合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測(cè)量、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對(duì)時(shí)、高壓內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫、全電參量測(cè)溫、脈沖輸出、4~20mA輸出
35kV/10kV/6kV傳感器	ATE400		合金片固定，CT感應(yīng)取電，啟動(dòng)電流大于5A，測(cè)溫范圍-50-125℃，測(cè)量精度±1℃;傳輸距離空曠150米
35kV/10kV/6kV間隔電參量測(cè)量	APM830		三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos），零序電流In，四象限電能，電流、電壓不平衡度，66種報(bào)警類(lèi)型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴(kuò)展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示
高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜	APM810		三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序電流In，四象限電能，電流、電壓不平衡度，負(fù)載電流柱狀圖顯示，66種報(bào)警類(lèi)型及外部事件（SOE)各16條事件記錄，支持SD卡擴(kuò)展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示
	AEM96		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量，總正反向有功電能統(tǒng)計(jì)，正反向無(wú)功電能統(tǒng)計(jì);2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率)﹔電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級(jí),無(wú)功電能精度2級(jí)
	ADW300/4G		三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率測(cè)量;電壓電流相角、電壓電流不平衡度測(cè)量;電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測(cè)量當(dāng)月及上三月的電壓、電流、功率記錄;上十二月歷史需量記錄;事件記錄、復(fù)費(fèi)率、四象限電能及歷史電能記錄;支持4路開(kāi)關(guān)量輸入、2路開(kāi)關(guān)量輸出;支持4路測(cè)溫;支持1路剩余電流測(cè)量;支持本地顯示及按鍵設(shè)置;有功電能精度1級(jí)。通訊方式:支持RS485通訊、Lora無(wú)線通訊、4G通訊;WIFI通訊
0.4kV出線	AEM72		三相電參量U、I、P、0、s、PF、F測(cè)量，總正反向有功電能統(tǒng)計(jì)，正反向無(wú)功電能統(tǒng)計(jì);2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）﹔電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級(jí).無(wú)功電能精度2級(jí)
	DTSD1352		三相電參量u、I、P、Q、s、PF、F測(cè)量，分相正向有功電能統(tǒng)計(jì)，總正反向有功電能統(tǒng)計(jì)，總正反向無(wú)功電能統(tǒng)計(jì)﹔紅外通訊;電流規(guī)格:經(jīng)互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功電能精度0.5S級(jí)，無(wú)功電能精度2級(jí)。
	ACR120EL		LCD顯示、全電參量測(cè)量(U、1、P、Q、PF、F);四象限電能計(jì)量;RS485/Modbus;可選復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì);4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議
照明箱	DDSD1352		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量，正反向電能計(jì)量;紅外及RS485通訊;電流規(guī)格:10(60）A，有功電能精度1級(jí)，無(wú)功精度2級(jí);可選配復(fù)費(fèi)率
照明箱	DDS1352		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量，正反向電能計(jì)量;RS485通訊;電流規(guī)格:10(60)A，有功電能精度1級(jí)，無(wú)功精度2級(jí);尺寸:1P
電流互感器	AKH-0.66/K型		開(kāi)口式電流互感器

6 結(jié)語(yǔ)

本文在構(gòu)建家庭電能管理系統(tǒng)架構(gòu)，家庭用電負(fù)荷模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于實(shí)時(shí)電價(jià)和多目標(biāo)優(yōu)化的家庭電能管理系統(tǒng)的調(diào)度與實(shí)現(xiàn)。以某一個(gè)家庭用戶(hù)為例，在Matlab平臺(tái)下進(jìn)行了數(shù)據(jù)的仿真模擬。通過(guò)數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果，我們可以得出：本文提出的家庭電能管理系統(tǒng)能夠更好地兼顧用戶(hù)側(cè)的用電成本和用戶(hù)對(duì)用電設(shè)備的舒適度，也從家庭方面針對(duì)碳排放做了檢測(cè)與追蹤，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到一定的作用，對(duì)以后減少碳排放做出貢獻(xiàn)。在未來(lái)，以小區(qū)為單位有了光伏發(fā)電裝置之后，可進(jìn)一步優(yōu)化電費(fèi)，同時(shí)對(duì)碳排放量的減少也可進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)增加HEMS的經(jīng)濟(jì)效益。并且小區(qū)的所有用戶(hù)都使用了能量管理系統(tǒng)后，與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，以此來(lái)共享發(fā)電成本。每個(gè)家庭都采用其*佳策略來(lái)*小化能源消耗成本，用戶(hù)可以維護(hù)自己的能源消耗隱私。此外，能量管理系統(tǒng)分布在區(qū)塊鏈上，為參與者提供一個(gè)可信的通信媒介。穩(wěn)固智能合約旨在交易的執(zhí)行，無(wú)需智能社區(qū)第三方的參與。

【參考文獻(xiàn)】

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【2】武東升. 家庭能量管理系統(tǒng)用電與電能調(diào)度優(yōu)化策略研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

【3】周中.智能電網(wǎng)用戶(hù)端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng) 產(chǎn)品選型及解決方案[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05

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