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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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面向智能电网需求侧管理的ICT优化调度

N.Naslin Sithara1, V.Saminathan2
  1. PG学者[AE]，欧洲经委会Maharaja工程学院，阿维纳西，泰米尔纳德邦，印度
  2. 印度泰米尔纳德邦阿维那西的王公工程学院欧洲经委会系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

电网被认为是一个工程奇迹;一种新的电网正在开发中，它包含了由信息和通信技术(ICT)提供的附加功能。智能电网的特点是电力和信息的双向流动，本文列举了智能电表的结合。它支持实时在线电费计费概念。提出了家电的优化调度，以实现住宅用户的高效能源管理，保证负荷曲线的良好平衡。在此基础上，本文提出了整合可再生能源以降低电力系统碳足迹的方法。所提出的调度算法以及额外的需求侧管理选项确保了负载平衡、先进计量和环境改善的结合。

关键字
智能电网，需求侧管理，优化调度，实时定价，智能电表。

I.INTRODUCTION
电网是20世纪最重要的工程成就。电网改造为智能电网的必要性在于:1)由于大家都依赖同一电网，负荷曲线高度不平衡。这导致负载管理效率低下，导致在需要断电的高峰时间出现过载。2)传统电表只能测量总消耗，因此不能提供消耗多少能源的信息。它们的可配置性很差，而且是按月手动读取的，这隐藏了客户的不时使用情况。这个计费过程相当麻烦而且过时。3)全球约40%的二氧化碳排放来自发电，通过燃烧化石燃料产生蒸汽涡轮机所需的热量。燃烧这些燃料会产生导致全球变暖的二氧化碳。4)与维护负担过重的配电基础设施有关的困难。
使用可再生能源来发电，而不是传统的火力发电厂，将会节约化石燃料和改善环境，因为减少了由火力发电产生的温室气体(特别是二氧化碳)。因此，智能电网为减少全球变暖的影响提供了一种方法。设备的优化调度有助于通过高峰时段的需求响应来管理峰值负载，从而形成良好的平衡负载曲线。这种方法结合了信息和通信技术(ICT)的特点。智能电表是公用事业公司使用的电子测量设备，用于为计费客户沟通信息并运行他们的电力系统。电子表与调度单元相结合，便于数据采集、监测和控制。它通常被称为高级计量基础设施(AMI)。该系统的这些特点有助于转移电网高峰时段的工作负荷。该项目的主要优势包括峰值平级、能源民主化、自愈等商业利益。
构建智能电网的电网附加组件包括可再生能源发电基础设施、能源存储选项和需求侧管理设施。该系统将太阳能作为绿色能源的一种选择。光伏模块可以被住宅用户用于能量收集。对存储设备的需求来自于从峰值时间移动负载曲线以及基于实时定价信息的场景。更好的选择是使用电池作为临时能量储存的手段。通过将能耗工作量从高峰时段转移到非高峰时段，可以有效地管理智能家居系统的能源需求，实现负载平衡，最大限度地减少消费者的金钱支出。有两种类型的能量需求，即弹性和非弹性。如果客户的能源需求在一定时间内得到满足，则属于弹性能源需求。另一方面，当电器根据需要供电时，它们可以被称为非弹性。除了传统的人工数据采集方法外，智能电网还包括借助智能电表进行自动和系统数据采集的选项。

2相关工作
在智能电网基础设施中，高质量的需求侧管理已成为增强节能和系统控制不可或缺的一部分。本文提出了一种新的需求侧管理技术，即一种新的节能调度算法，在时变定价模型的基础上，对家电产品进行调度，使客户的货币支出最小化。该算法考虑了家电运行时间的不确定性和可再生能源的间歇性发电。此外，还考虑了变频驱动和容量有限的储能。我们的技术首先使用线性规划来有效地计算不考虑不确定性的确定性调度解决方案。针对家用电器运行时间和能耗的不确定性，采用随机调度技术，引入能耗适应变量，对各类家用电器的随机能耗模式进行建模。[1]

3提出的方法和讨论
最优调度算法为客户找到一系列价格阈值带来显著收益。建议的框架试图在最大限度地减少货币费用和最大限度地减少家庭中每个电器操作的等待时间之间实现理想的权衡。在一定的时间间隔内，每个家庭的总负荷需求是有限制的。当家用电器的总负荷需求超过家庭给定的负荷限制时，家庭电网就会跳闸。图1显示了家电监控系统的体系结构。
如图1所示为住宅用户智能电网主要组件组成的实际系统模型。住宅客户可以使用屋顶光伏(PV)系统，因为它对环境的影响最小，容量可扩展，以及成本降低。一个基本的PV电池利用光电效应将特定波长的阳光转换成直流电。不幸的是，一个基本的光伏电池通常只产生少量的电力，这可能不足以为整个家庭供电。然而，由于其模块化和可移植性，光伏电池可以很容易地相互连接，形成一个光伏面板，以满足任何电气要求，无论它有多大或多小。因此，本文选择光伏系统作为可再生能源。然而，它是相当灵活的，可以很容易地适应其他形式的可再生能源。
储能可以减轻在需要的时候发电的需求，可以平滑由于电力需求的随机性和能源供应的不确定性造成的能源效用的变化。确保消费者和公用事业公司之间的双向通信，以实现篡改检测，在泄漏检测或不付款的情况下切断供应，远程配置等。由于太阳能不能被分配，而且太阳辐照度的波动可能发生在每分钟的时间尺度上，光伏系统的能量生成剖面在大多数时间内与住宅能源需求剖面不一致。白天光伏发电量高时可能出现溢电现象，夜间光伏发电量低时可能出现缺电现象。为了应对这种不匹配，可能不得不使用能源储存。白天将多余的电能储存起来，晚上再释放出来，补充家庭用电。直观地说，通过这种方法，从电力公用电网中获得的总电量可以减少。
DC-to-DC升压变换器用于太阳能电池板发电低时，产生的输出电压大于输入电压。不幸的是，电池的充放电会影响电池的使用寿命。为了防止电池过充和过放电，需要一个控制器来调节充放电过程。由于储能容量有限，部分光伏发电仍有可能溢出。
由于光伏板产生的电力是直流电，需要逆变器将直流电转换为交流电，才能用于家用电器。此外，还需要同步装置来调节逆变器输出功率的电压相位和幅值，使输出功率与从电网抽取的功率顺利结合，共同向家用电器供电。这种组合通常在主熔合箱完成。在智能电网中，客户将被纳入实时电价环境，其中电价是随时间变化的。从电网中获得的电能也可以通过电池充电器储存在电池中，以便以后可以重复使用。直观地看，在电价低时向电网充电，在电价高时向电网放电，可以降低总电力成本。
每个住宅用户都配备了一个连接到配电系统的智能电表。每个智能电表包括一个调度单元，实现上述工作负载转移。它定期从公用事业公司收到最新的价格资料，并安排不同的家用电器在不同的时段运作。由于在流行的实时定价模型中，不同的电价可以适用于不同的时间段，因此它可以有效地减少向最终用户收取的货币费用。
在实时定价环境下，通过优化调度每个设备的运行和能源消耗，最大限度地降低单个客户的货币支出。通常，在一定的时间间隔内，每个家庭的总负荷需求是有限制的。当家用电器的总负荷需求超过给定的负荷限制时，家庭电网就会跳闸。这将导致客户舒适度的下降。将家庭电网在一段时间内发生跳闸的概率定义为跳闸率。由于家用电器和可再生能源发电的能源消耗存在不确定性，因此在实践中只能将行程率最小化到一个非常小的值。

四、随机优化算法
所提出的运行调度算法以电力公司提前发布的参数时变定价信息、分布式可再生能源发电和储能以及用户自定义的目标行程率为输入。通过所有这些输入，它在预定义的时间域上生成一个操作计划。所有这些都最小化了货币费用，并满足客户定义的行程费率。家用电器既可以利用电网的能源，也可以利用可再生能源。这些能源本质上可能是间歇性的，电网在操作家用电器时可能会造成一些不确定性。
设r(t)表示槽t产生的可再生能源量，我们假设这些能量首先储存在电池中，然后才能在下一个时间段使用。控制器是为每个槽t调节存储到电池中所产生的能量的γ(t)部分，以防止电池溢出。另一部分洒了。因此

0≤γ(t)≤1
r(t)有一个最大值rmax，即:
0≤γ(t)≤≤rmax

五、实时定价模型
电价在不同的时间间隔内趋于不同，而在每个时间间隔内保持平坦的性质，这就是实时定价(RTP)模型的性质。当住宅单元的能源消耗达到预定阈值时，倾斜块率(IBR)定价模型显示其价格急剧上升，并在其余时间显示相当大的电价评级。本文将RTP定价模型和IBR定价模型结合起来，得到了当前统一费率关税的保证模型。该模型在低电价期间从电网为电池充电，在电价高峰期间，电器从电池中获取电力。
智能电表是传统电表的改进或升级版本。它在短时间内记录电能的使用情况，并将相关细节发送给公用事业单位以供审查和计费。智能电表提供了电表与中央系统之间的双向通信。先进计量基础设施(AMI)是智能电表所采用的一种技术。这有助于减少在实时定价场景中向客户收取的货币费用。在智能电表环境中，保证了以下互补功能:消除了在EB办公室手动支付账单的风险和困难，它获取有关最新定价权使用的详细信息，它验证账单的准确性和真实性。

六、实验结果
在这个系统中，四个100W的灯泡作为负载。在关闭高峰时间，消费者可以在没有调度的情况下打开所有四个设备。如，在高峰时间，调度单元将自动关闭任何一个设备，以减少能源使用。
电路局维护一个数据库，记录每个用户在预定时间间隔内的单位使用量和账单金额。客户可以从他的PC上查看和监视这些信息。这样的方法使客户意识到他的房子的电力使用情况。该数据库可用于实时定价模块，以方便调度。
如图2所示，在OFF峰值时间，消费者有能力在不调度的情况下打开所有四个设备。但是电网和太阳能充电电池之间的切换是通过验证太阳能电池板的阈值来完成的。如果面板停电超过阈值，则所有负荷从该区域获得电力，否则常规电网本身就是电力来源。但调度单元必须考虑许多其他因素，如实时定价信息等。
如图3所示，调度单元在高峰时段会自动关闭其中一台设备，以减少能耗。它可以是消费者兴趣所偏好的任何设备。在实时场景中，连接的负载将是各种电器，如电视、冰箱、空调、灯泡、风扇、笔记本电脑等。根据客户的要求，可以对调度单元进行编程，以便在高峰时段关闭的设备对于住宅客户的意义较小。例如，冰箱可以选择在高峰时段关闭，因为它与灯泡、风扇和空调的关系较小。因此，在实施该系统之前，客户可以选择将要安排的设备。

7结论
本文提出了一种解决实时定价、非弹性和弹性能源需求、可再生能源发电和储能的优化管理的方法，以降低智能电网中住宅客户的电力成本。这种方法背后的直觉是利用能量存储来收集多余的可再生能源供以后使用，在电价低的时候给电池充电，在电价高的时候放电。在该系统中，电能表计费是自动的，无需人工干预，消费者可以直接知道要支付的金额。如果用户所消耗的机组超过一定的电源利用率，则自动切断与之相连的负载。这样就可以减少家庭电力的浪费。本文提出的方法是将过度产生的可再生能源储存起来以供进一步使用，从而在低电价时对电池充电，并在电价高峰时同时放电，以最大限度地减少货币费用。

数字一览
图1 图2 图3
图1 图2 图3

参考文献
















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