毕业论文-《基于需求侧负荷管理的智能效优化系统研究》

湖南大学毕业设计(论文)HUNANUNIVERSITY毕业设计(论文)设计论文题目《基于需求侧负荷管理的智能效优化系统研究》学生姓名学生学号专业班级学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年 月日摘要随着社会的不断发展，人类对电力越来越依赖，对电力能源的需求也是越来越高。智能电网的发展作为电力行业的一次工业革命，对全球的可再生能源的利用，环境和气候的保护，都起了积极方面的作用。智能用电的能效优化系统不仅能够提高能源的利用效率，还能使电力用户的利益得到最优化的体现，是智能电网发展的重要环节。传统电网中，电力用户的参与度很低，用户管理不规范。智能电网有智能友好等特征，采用远程控制技术，家域网，双向通讯实现对电力需求侧的管理，通过友好的互动，激励电力用户积极参与到电网运行中，以达到用电资源最优化分配和用电能效的提高的目的。本文提出智能用电能效优化系统，对电力用户需求侧进行管理，目的是削减电力需求的高峰期，平滑负荷的形状曲线、提高电力系统安全性和用电效率。仿真结果显示，经过该优化系统能进行短期的负荷预测以及负荷管理，并优化电力用户的用电效率。 关键词：智能电网；需求响应负荷管理；能效优化；控制策略；智能网关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目录TOC\o"1-3"\h\u28570HUNANUNIVERSITY 19392摘要 224670Abstract 324369第1章绪论 5176801.1论文的选题背景和意义 5175631.1.1选题背景 5271241.1.2选题意义 5101551.2国内外研究动态 6225801.2.1国外研究动态 6288571.2.2国内研究动态 7131141.3论文研究的主要内容 726678第2章需求侧负荷管理的基本特征 8127282.1智能电网中需求侧管理的概述 8169012.1.1智能电网需求侧管理的基本特征 1061612.1.2需求响应技术 10227272.2基于价格的需求响应 1117982.5本章小结 1216462第3章智能用电能效优化管理系统的介绍 13186473.1系统的整体构架 13206863.2智能用电能效管理控制策略 14225673.2.1控制目标 1462853.2.2控制策略 15305813.3基于需求侧负荷管理的用电能效优化的算法 18205133.3.1通过运行时间调度实现的接纳控制 1994443.3.2负荷平衡 1934463.4本章小结 2121919第四章实例仿真分析 2251744.1实例分析 22320434.2仿真结果讨论 24220934.3本章小结 2418519第五章总结 2534785.1论文结论 25288525.2论文展望 2624571致谢 26第1章绪论1.1论文的选题背景和意义1.1.1选题背景智能电网的能源效率优化，是从发电，输电，配电和功耗优化等方面进行讨论研究的的用电议题。它不仅降低线路损耗，改善有功和无功负荷优化分配，以及推展可再生能源的利用，提高能源效率，对负荷管理也具有重要的影响。随着智能电网的不断发展，智能用电能效优化管理技术也在慢慢进步，已从简单的能效计量、统计、分析，逐步发展到多方位的计量、通信、控制、管理技术的全方位结合，其中电力需求侧管理技术也逐步融入智能用电能效优化管理系统中去。电力需求侧指的是与供电侧相对应的电力能源消耗的一方面，主要集中在配电和用电环节，消耗整个电网80%的能源。负荷管理指的是用经济、技术、或者行政手段来控制电力系统负荷改变速度。电力系统规模日趋扩大，电力基本设施建设的速度越来越缓慢。从整个国民经济考虑，有计划地控制电力负荷的增长速率，指导负荷调整，限制非重要负荷在系统负荷高峰期间用电，尽可能最大限度地发挥已有发电和供电设备的利用率，这就是负荷管理的目的。能效优化管理指的是在满足消费者健康、舒适的前提下，节约能源、提高能效，降低费用的一套监控管理系统。将电力需求侧管理技术引入到智能用电能效优化管理系统，不但可以帮助消费者在维持正常运营的时，合理计划电价消费，对用电实现精细化控制，降低能耗开支，而且也能够改善需求侧耗能的管理机制和管理体系，将对降低城市高峰时期的用电负荷，减少政府在电网基础设施中的投资起到非常有利一面的作用。1.1.2选题意义传统电网系统通常采取的是从电力网到电力用户的单箭头传输方式。而智能电网具备电力与信息的双向流动的特点，通过分析实时的用电动态，实现设备上即时的供需平衡。在电力需求侧负荷管理中，伴随着无线传感器以及电力线载波技术的快速发展，智能电网中用户以互动方式用电成为可能。从电网的角度来看，用户需求侧可被当作是一类可管理的资源，它将作用于平衡供需关系，以确保电力系统的稳定性以及可靠性。从电力用户角度看，参与能效优化的运行和管理，可以优化购买以及使用电力的方式，以达到自身利益最大化的目的。用户可以根据自身的电力需求及电力系统可以满足其需求的能力调节电力的消费方式，使电力需求自电网负荷高峰期削减，转移到电网负荷低谷期，实现负荷管理。在我国基于电力需求侧负荷的智能用电能效优化管理的还是一个比较新的课题，具有较高的理论学习价值。本篇在前人研究的基础之上，借鉴现有的研究成果，进行理论和实践研究方面的创新，并重点研究智能电网中用户需求侧能效优化管理，本文的主要理论研究集中于下列几个方面：分析并总结传统电网中电力需求侧管理的不足之处，依据智能电的特性，设计出新的电力用户需求侧智能用电能效优化管理方法。该方法能突出智能电网与电力消费者友好互动的特点。二，对智能用电能效管理系统的总体构架做阐述，提出基于空调运行的特性的智能用电能效管理控制的策略，并论述应用于系统的智能用电能效优化算法。通过该系统的有关算法理念进行负荷能效优化管理，实现用户用电效率的最优化。1.2国内外研究动态1.2.1国外研究动态目前，智能电网已成为全球电力行业研究和探讨的热门焦点，各个国家开展了大量的工作应用于智能电网的概念及其技术研究和工程实践中。国外的专家学者对智能电网的需求侧管理作出了一定的研究及展望。A.Ipakchi和F.Aibuyeh[4]两位学者对智能电网作了全面深刻的研究。负荷管理一项技术源于1980年代末期，直接对负荷的控制和削峰移峰技术取得了一定的成果。随着社会的进步，能源短缺以及环境压力和需求侧响应的技术得到了快速的发展。相比较于传统负荷管理，高级的计量架构以及家庭局域网的试用使得相关系统操作人员能够直接（间接）通过电价信号管理相应用电需求。由传统负荷到当前负荷整形，发、用电侧的电力资源在任何时间均可满足平衡条件。L.V.Snyder和S.Kishore[5]对居民用电需求的控制做了研究。可以假定一个家庭里由能源管理控制器控制电器使用时间，我们通过分时电价来确定电器的使用时间，可以建立一优化模型，由仿真结果可以发现，即时很大一部分家庭同时使用此优化模型，移峰填谷的问题依旧无法铲除，所以有必要考虑社区用电情况，然后再通过分布式时间安排控制机制减小社区的总体高峰负荷时期用电需求。S.N.Shao,S.Rahman，M.Pipattanasomporn[6]由用户选择的角度出发，研究智能电网的集成电动汽车需求响应。电动汽车的日益普及，这将导致电动汽车充电时期可能会给配电网带来超过系统上限的高电力需求峰值。本文采用了考虑电力用户选择的需求响应机制来减少电力汽车充电高峰时期对电网的冲击。通过这种机制，电力系统的用户可以决定何时控制何种负荷，并且保留自己的用电隐私。1.2.2国内研究动态在智能电网需求侧管理方面，我国学者已经做了许多研究。王蓓蓓，李扬和高赐威[7]分析了传统电网需求侧控制管理技术中的问题，系统中引入智能电网相关控制管理技术后，需求侧将会发生变化，本文对此进行了展望，并对智能电网中的需求侧控制管理建设提出了一些宝贵建议：在电网各环节安装先进计量、通讯设备（无线传感器）建立电力供应与需求信息双向传输体系，以此实现电网与用户之间的互动；电力用户使用分布式电源，参与需求响应计划，提高电网运行的安全性和可靠性。汤墨竹[8]由智能电网的需求侧管理控制系统建设的必要性出发，对智能电力需求侧管理系统软件功能和分层分布式逻辑结构进行设计和研究。功能举例：负荷平衡分析功能，该模块主要功能是动态分析电力用户的负荷率，由数据挖掘技术找出电网内用电结构需要优化的电力用户，再自动生成节能用电策略，以此降低电网内电力用户的电力消费。袁飞研究了智能电网电力需求侧管理控制系统的建设，设计出了一套需求管理系统的总体框架，并且对网损模型和负荷预测模型等进行实现。在文中的输电线负荷研究和计算方法：将某条线路中的电表负荷值累加，系统将通过图形和文字显示负荷情况，如通过曲线图对比连续负荷。我国对智能电网的研究，在电力需求侧管理控制方面做了一定量的分析与研究，但缺少考虑电网内电力用户对需求管理的接受程度。而智能电网的核心功能就是实现电网与用户交互，所以以电力用户的接受度作为研究电力需求侧管理的重点具有很重要的研究价值和意义。1.3论文研究的主要内容本文主要研究工作如下：首先对智能电网中用电用户需求侧管理的特征及其特殊性进行阐述，建立智能电网供应、需求信息双向通信系统模型，对提出智能用电能效优化系统构架，进行了可视化的研究和分析。对削峰填谷问题设计算法，对仿真结果进行比较和分析。本文在第二章中，介绍了智能电网及智能电网中需求侧负荷管理及能效优化的基本概念和主要特点。第三章对智能电网能效优化系统构架做出描述，提出智能用电能效管理控制的策略，并论述应用于系统的优化算法。第四章提出实例数据对系统和算法进行验证。在最后一章中，对本文的研究内容进行了总结和展望。需求侧负荷管理的基本特征2.1智能电网中需求侧管理的概述全球范围内，各国家经济发展现状、电力系统建设水平和发展条件不一样，这导致了各个地区对于智能电网建设的意愿及其侧重点也各不相同。目前，智能电网的概念没有统一的理解，人们对于智能电网，仍处于不断丰富和认识的过程。目前已经达到的共识是，智能电网作为下一代电网，集成了先进的传感技术、通讯技术和控制方法论的，以智能和用户友好的方式提供电能的系统。智能电网系统图如下所示：智能电网与传统电网最大的不同点是支持需求响应和用户服务，支持电力用户与电网之间的双向互动。这有利于电网的运行和控制，并且更加方便为电力用户服务，这也是智能电网的最终功能。电网需求侧管理将会加强电力成本控制，并且能够减少环境污染，平衡电能的供应需求关系。智能电网对电力用户的用电行为进行合理安排与规划，制定有效的节能方案，缓解用户对于新增发电容量的需求，智能电网提高了用电设备的电能利用率，解决了电力市场环境不断变化所带来的各方面问题。本文中涉及的、有关电力需求侧管理的一些基本概念概括如下[10]。需求侧管理：指的是通过制定电力规划和方案，影响电力用户的用电行为，从而达到电网内预期的负荷改变的目的。电力需求侧管理主要有项目规划、项目实施方案评估、和监管。需求侧管理电力用户主要包括居民住宅用户、工业用户、商业用户等。需求侧规划：指的是影响电力用户用电行为的设计和评估。期望产生的负荷形状改变主要包括用电量的改变和用电时间模式的改变，或者通过使用新电力技术，用来替代原有传统能源。需求侧执行：指的是在需求侧管理方案成本确定后，实际具体实施与需求侧计划所相关的活动。负荷形状目标：通过需求侧管理控制计划的实施，用户的用电行为发生期望的变化，从而达到确定的负荷曲线形状目标。负荷形状目标可用来判断需求侧管理计划的潜在影响因素，其可分为削峰、填谷、负荷转移、保护和新用电设备使用所带来的负荷改变与需求响应负荷形状。负荷管理、需求响应和节能措施都属于需求侧管理包含的内容。削峰是负荷管理形式之一，传统上一般认为削峰是使用直接控制手段减少峰值时期的负荷需求量。在电力系统的高峰时期减少峰值容量、降低用户购买能力，是简单有效的手段，此外直接负荷控制还可以通过经济优化调度等方法来降低运行成本和对燃料的依赖度。填谷是传统的负荷管理形式，实际应用中具体是指提升非高峰时期的负荷水平，对于长期新增成本低于平均电价水平的地区，此方式较为有效。由于峰值时期的电价因素，填谷能有效地降低电网的平均成本。实施填谷的常用方法是采用新储能技术，如水加热/空间加热技术来取代传统石化燃料的消耗。负荷转移是将高峰期负荷转移到非高峰期。负荷转移常见的应用包括储藏空间加热和储水式热水器等。负荷转移的应用，使储存设备转移的负荷代替了传统的电力供应设备。节能措施指的是为了使得负荷形状产生期望中的变化，电网内电力用户直接采取相关行动。终端能源消费用户的节能措施能够在一定程度上改变电网负荷形状。而节能措施的实施策划者必须考虑到这些节能行为能自然发生，然后再科学评估这些节能计划的成本，从而推动这些节能措施的执行，如在不同季节设置不同的空调温度，采用不同的节能装置。使用新的高能效的用电设备，包括对现有使用传统石化燃料的电能终端进行电气设备改造等方面。新的高能效的用电设备和技术包括工业过程加热技术、电动汽车和自动化技术。通过鼓励减少传统石化燃料和原材料的消耗，提高社会的生产力水平，并且能够减轻环境污染。需求响应指的是，为减轻电力需求高峰压力，改变电网内电力用户短期用电需求的活动。在同样的规划时期内，供电系统的规划者通过研究如何优化供电策略来改变负荷形状。在当前现有的供电优化指标中，最经常使用的指标是可靠性指标。在通常情况下，影响电网内电力用户短期用电需求的活动包括实时电价或峰谷电价、分时段用电、直接负荷控制等。负荷管理：指的是所设计的以用于影响电力用户用电模式和用电时间的各类活动。对于大多数的电力用户来说，负荷管理目标包括削峰填谷和负荷转移等。需求侧选择权：指的是需求侧管理中影响电力用户用电行为的产品和服务，其中包括了需求侧计划希望达到的负荷形状的改变、需求侧规划涉及的相关技术和设备、被影响的电力用户终端用电方式、能达到的市场执行方式。2.1.1智能电网需求侧管理的基本特征电网需求侧管理是电网能源控制管理中的重要功能，其通过适宜的运作方式以及采取有效的激励，为电力市场的管理提供支持，以此来提高电力网终端用户的用电效率，降低高峰负荷需求并且满足同样用电功能，降低了运行成本，减轻了环境污染[11]。智能电网中的需求侧管理相比于传统电网中的需求侧管理，其特征包括：第一，电网电力用户需求侧管理运用先进的通讯设备。传统电网以“发电——输电——配电——用电”的单向电力传输的供电模式为核心，信息流动也是从设备侧到控制中心的单向流动，电网中的高峰负荷在所难免。智能电网运用了高速、开放的通讯系统，使得智能电网成为一个具有强交互能力的网络，其实现了电力和信息的双向流动。第二，电网电力用户需求侧管理广泛运用互动式用电。通过实时双向通信，电力用户可以从智能电网的交互终端获得电价和电网目前状况等信息，再结合自身电力需求，电力用户可以制定最优的用电方案来减少消费。与此同时，通过减少或转移高峰电力需求，电力公司能够减少运行费用和燃料费用。2.1.2需求响应技术在传统的电力市场中，电网内电力用户只是接受供电，电力用户之间是相互独立的，电力供应和需求由调度中心决定。而在实际中，电力资源并未合理利用，造成了能源和费用的损失。电力用户对电力的依赖程度不断增加，使电力用户对供电的可靠性和电能质量提出更高要求。需求响应是指当通过用户对供电条件进行回应以此管理电力需求的机制，是需求侧管理的解决方案之一[12]。需求响应通过电力用户对电价等信息作出响应，利用电力需求的弹性特点，减少高峰时段的电能损耗。由消费者不同的响应，可以将电力市场中的需求响应分为基于激励机制的需求响应和基于价格的需求响应[13]。2.2基于价格的需求响应在传统的电网中，电价是一固定常数。然而在电力需求的高峰时期，电厂的发电成本增加，电力用户却没有受到任何的激励来限制和改变用电模式。对于基于价格的需求响应，用户通过响应电价的变化相应地调整用电需求，包括分时电价、尖峰电价、实时电价等。分时电价分时电价由电网负荷特性制定峰谷电价，这指导了电力用户采用合理的用电策略，高峰时段的一部分非重要负荷转移到低峰时段，从而实现了负荷平衡的目标。对于分时电价，可根据历史数据拟合得出响应度曲线和采用需求弹性，以此研究分析用户响应。电力价格需求弹性被用来衡量用电量的相对变动对电价相对变动的响应程度。分时电价需考虑峰值电价和谷值电价的拉开比和平均段的基本价格。峰谷划分的基本原则是在实施分时电价后，其仍然能够基本反映出负荷曲线特征。电力用户响应的建模是合理定价决策的基础，峰谷电价差变化时，电力用户综合响应曲线如下图所示。上图中的水平坐标为拉开比，纵坐标则是由峰值时段向其他时段转移的负荷电量水平，图中曲线的斜率代表峰值时段需求侧的响应度。分时电价决策的目标函数可以是单个或者多个，包括最小化系统的最大负荷、最大化实施方的收益、最小化系统的峰谷差、最大化用户满意度等。对电力用户的电力消费行为进行分析，量化电力用户满意度，构建用户满意度最大的分时电价决策模型。而将最大化用户满意度作为优化目标是激励用户参与分时电价的重要因素。电力用户满意度包括用户对总电量需求和用电习惯的满意度。(2)实时电价实时电价对通信技术支持相比于分时电价要求更高，其为一种动态的定价机制。实时电价精确反映各时段供电成本的变化，并有效地向用户传达电价信号[14]。（3）尖峰电价与分时电价和实时电价不同，尖峰电价是通过在分时电价上叠加尖峰费用率而得到的[15]。费率体系包括尖峰时期费率和非尖峰时期费率。电力用户将尖峰时段负荷进行削减或者转移到非尖峰时段，电力用户由此获得电价折扣，这也将有效地激励电力用户参与到尖峰电价机制中。二、基于激励机制的需求响应通过合同或者政策来影响电力用户平常的用电方式，其中包括负荷中断、对负荷的直接控制等方案[16]，一般对小型商业用电和居民用电的管理比较适用。在不同的空间尺度，我们可以紧密结合这两种需求响应策略，以实现缓解电力系统备用不足，削减用电高峰的目的[17]。2.5本章小结本章对需求响应、智能电网和需求侧管理等概念进行了论述，并参阅了很多文献资料，总结出智能电网中需求侧管理相比较与传统电网的基本特点。本章还对需求响应中的基于激励机制和基于价格的两种模式进行了阐述，分析了实施需求响应项目的意义，为文章的进一步开展提供了理论支撑。第3章智能用电能效优化管理系统的介绍3.1系统的整体构架本文提出的智能用电能效管理系统，其总体框架如图1所示，主要包括感应层、数据层、应用层以及控制层。1）感应层主要是采集电网以及智能用电设备的各类有效信息，比如用电数据和电压、功率等物理传感数据；2）数据层主要是对感应层通过无线ZIGBEE、光缆、无线Wi-Fi等通信技术传输来的数据信息进行抽取、挖掘和预测等一系列优化处理；3）应用层主要是智能控制终端等应用层面接入端设备，通过对有效信息进行分析，基于自身能效管理系统的控制策略，对电网需求侧进行友好型响应，达到移峰填谷和能效优化的目的。4）控制层主要是智能网关、智能终端和智能插座进行信息交互，信息处理的实际应用，是智能用电能效管理系统作用的实际运用。图3.1（SEEMS整体框架图）以网关和终端等设备为基础形成的SEEMS系统模型如图3.2所示。智能用电控制终端位于系统的子站层，作为联系电网数据平台与量测层智能网关及智能插座等设备传感器完成电网友好型响应及能效优化数据采集、需求侧空调系统资源之间协调控制以及策略的优化分解。智能插座采集空调设备用电信息，通过无线ZIGBEE通信技术将数据传输给智能网关，而智能网关主要完成同智能用电设备、智能控制终端之间的通信,并实现智能设备的智能化组网。图3.2（网管总体构图）基于智能用电能效管理系统，本文以典型用电设备（如空调）为研究对象，综合考虑电网实时运行状况、实际用电环境和用户用电感受，利用智能网关、用户能效智能控制终端等设备，完成智能用电能效管理系统的综合优化，协助电网实现节点电压波动的抑制和电力负荷的移峰填谷。3.2智能用电能效管理控制策略3.2.1控制目标本文提出以实现电力负荷的移峰填谷为控制策略的目标，因此需要进行有序用电。电力公司根据聚合空调负荷特性来确定用电高峰和低谷时段，从而制定相应的电能价格，用户根据电价高低采取相应的措施，改变自身用电情况，在系统高峰负载时段减少用电量，在系统用电低谷时段增多用电量，减少发电设备容量，降低有功电力损耗，从而达到移峰填谷、调整负荷曲线的目的。3.2.2控制策略基于空调负荷的运行特性分析，本文提出一种新的直接负荷控制策略，具体方案如下：在图2的用户能效智能终端控制平台中嵌入根据电网实时数据制定的控制策略表，根据电网实时数据，控制模式分为制冷和制热两个模式。每个模式各包含2方面情况：实测电压数值低于正常电压；实测电压数值高于正常电压。根据这以上两种情况可得出2控制策略：自动切除、自动调节。自动切除：根据电压高低直接关闭空调。自动切除流程图如图3.3所示，分为四个方面:1)按照周期T对电压采样，当电压低于响应阀值时，且在m个周期内一直满足该条件，则自动切除；2)按照周期T对电压采样，当电压高于恢复阀值时，且在m个周期内一直满足该条件，则手动开机；3)强制开启空调几分钟后，才允许控制策略继续进行控制，可避免反复开启影响空调寿命；4)系统会对恢复阀值和响应阀值进行随机化处理，偏差范围为±1%，即2.2V。图3.3（自动切除流程图）自动调节：根据空调负荷节点电压高低调节空调设定温度。自动调节流程图如图3.4所示：图3.4（自动调节流程图）按照周期T对电压采样，当电压低于正常范围(220V±7%)，控制器自动调整空调的预设温度，由T0调整至T1，根据公式T1=T0+kv(V-V0)其中温度电压调节系数(℃/V)设定为kv，制冷时取负值，制热时取正值，V为所测电压，V0=220*(1-7%)=204.6V。当空调处在制冷模式时，空调处于初始状态，制冷20℃，电压值为220V，当电压产生偏移保持在204.6V以上时，空调仍处于20℃，不进行调整，当电压偏移到203V，空调设置温度将上调为21℃，以此类推，当电压为200V时，温度上调为22℃。如果电压偏移恢复到204.6V以上的正常范围，则空调设置温度将恢复到原来的初始状态。当空调处于制热模式时，空调处于初始状态，制热25℃，电压值为220V，当电压产生偏移保持在204.6V以上时，空调仍处于25℃，不进行调整，当电压偏移到203V，空调设置温度将下调为24℃，以此类推，当电压为200V时，温度下调为23℃，如果电压偏移恢复到204.6V以上的正常范围，则空调设置温度将恢复到原来的初始状态。在制定控制策略后，通过实时掌握空调负荷节点的电压变化，智能终端做出相应的指令下达，智能网关和智能插座根据指令信息动作，对电网电压做出实时响应，电网中的负荷特性检测模块将检测到的实时数据信息传送到智能终端进行处理，控制平台对接收到的数据信息进行综合分析，然后查询控制策略表，调整用电功率和参数，在实时电价激励下，对有功负荷曲线进行有效的削峰填谷的处理，达到用电量合理利用的目的，最后达到移峰填谷和改善电能质量的目的。如图3.5所示。图4.5（移峰填谷示意图）智能网关中的响应控制模块接收到智能终端发出的响应信号之后，发出参数调整命令，同时终止检测过程，在达到预设的响应动作时间后，终止响应过程，并发出响应终止信号，智能插座接到信号后恢复检测模块的正常运行。由于可调参数的调节范围小，因此可实现短期调整负荷，以提高电网保持平衡的能力。此外，人机交互界面在进行空调负荷短时调整时可以同步显示当前空调设定温度、室温等实时状态参数，供用户查询。3.3基于需求侧负荷管理的用电能效优化的算法3.3.1通过运行时间调度实现的接纳控制运行时间调度的基本作用是控制设备的操作以遵守电源容量的限制，同时满足特定的验收标准，例如家用应用设备的舒适度。因此，针对每个设备，我们使用一个任务进行表示，然后根据电力负荷、抢占状态和优先次序特征在一个特定时间窗口中对这些任务进行处理。需要注意的是，如果没有充足的可用容量，一些任务将被延迟。为了符合验收标准，调度程序（接入控制器控制器和负载平衡器）可能需要使用DRM（需求响应管理）来更改容量限制，而这反过来又需要与网格进行“交易”。在本工作中，我们假设每个接入控制器控制器调用中都有固定的可用容量。接入控制器控制器须处理各种不同类型的约束条件，例如优先关系、资源限制、任意性任务到达、非抢占性和重要性级别，这些约束条件可能引发非确定性多项式（NP-Hard）难题。针对实时计算系统调度算法，有很多相关的文献（例如，请参见[22]），其中最流行的当属最早截止时间优先算法(EDF)、Bratley算法、最小空闲时间优先算法(LST)和Spring算法。后一种算法是由Stankovic和Ramamritham[23]提出的，特别适用于本工作中所讨论的问题。更具体地说，如[22]所述，为了即使是在最坏的情况下能够使代替的算法在计算上可控，需要使用启发式函数H来驱动Spring算法中的搜索，该函数可以主动指示调度。在每个级别的搜索中，函数H将被应用到有待调度的任务之中。这些由启发式函数所确定的具有最小值的任务被称为启发式值，选择该值可以扩展当前时间表。在执行中，启发式值是介于0和1之间的比例因子，代表任务的紧迫性。例如家用电器，如冰箱和热水器，达到所需的温度时，其启发式值为0，当温度处于限定区域边界，即“舒适区域”时，其启发式值则为1。对于具有截止时间的任务，它们的启发式值也是最迟开始时间之前剩余时间的函数，可以解释为：为及时完成任务应该开始执行任务的最迟时间[请参见（10）和（11）]。为了适应具体的应用设备，我们对基础Spring算法提出了一些修改。更具体地说就是我们考虑到了在执行任务期间可能出现的任务优先次序的变化。优先次序是一个启发式值、抢占状态和截止时间函数。每次调用调度程序时，优先次序会重新计算所有接受任务的执行池。基本Spring算法的主要差异在于在未完成任务前不会调度任务，而是只提前一个时间片。这其实是一种接纳控制，使调度程序“目光短浅”，但相对于新建任务、任务优先次序变化和抢占状态变化来说非常灵活。3.3.2负荷平衡负载平衡器在一个时间范围内分布电力负载，以便适当地调度被接纳控制所拒绝的请求，同时尽量减小与能量价格相关的成本函数。每次触发负载平衡器，都可以解决混合整数规划问题，最大限度地减少总能量成本，同时也遵守了任务截止时间和消费能力的约束条件。在一个有限调度范围内根据适当数量的连续时间帧来安排每个任务。负载平衡的两个基本的假设是：•在调度时间范围内运行时，每个设备都具有一个给定的用电负荷；•D/R模块提供与能量价格和电力容量限制有关的信息。为了展示负载平衡的模型公式，我们假设一个n个设备在m个相同时间帧范围内进行调度的问题。我们使用N=｛1，…,n｝和M=｛1，…,m｝分别表示与设备组和时间帧对应的两个指标集。假设，是代表值为0或1的第i个设备在第j时间帧内激活状态的二元变量，分别代表“非激活状态”（OFF）和“激活状态”（ON）。假设是能量消耗，是单位时间内的能源成本。然后，使用定义一个设备i在时间帧j内运行的成本。此外，针对需要在连续时间间隔内运行的设备，我们提出了附加变量，如果安排设备i在时间帧j开始运行，那么使用值1。这些变量利用约束条件（3）强制分配连续时间帧。一般情况下，我们也可以关联到由表示的每个启动成本在应用设备的背景下，计算负载平衡总量，然后建立一个适当的时间表，在一个时间范围内分散电力负载，这样就可以在容量限制条件下最大程度地减少总能量成本。求解下面的混合整数规划问题，可以实现这一目标：其中是时间帧j的可用容量,的定义如下：是设备i连续时间帧的数量，需要的能量总量进行运行，而和分别为设备i的最早和最迟启动时间。在此问题中有四组约束条件，具体为：1)各时间帧的总功耗必须符合规定的容量限制[约束条件（2）]。2)为每个请求分配适当数量的连续时间帧，这样每个设备就可以在足够长的时间内运行，以保证在截止时间前完成工作循环[约束条件（3）]。3)每个任务只调度一次[约束条件（4）]。可以根据任务的特点和要求相应地修改该数字。4)在一个允许的操作期间调度各任务，这样，每个设备都可以在一个特定的时间间隔内运行[约束条件（5）]。当将一个特定的设置为1时，第二组约束条件迫使的总数设为值1。即，当优化器决定启动设备i的最佳时间帧j时，的值全部被强制设为1。在到达时间之前或在截止时间之后，第三组约束条件将对应于相关设备操作的所有设置为0。最后，第四组约束条件保证每个任务只被调度一次。请注意，负载平衡器的一个有趣的特征是它能捕获所有受控设备的总功率消耗。因此，与文献中的其他程序相比，它能提供需求响应的更简单的模型（例如，请参见[15]-[17]）。通过此功能，可以独立于环境而执行此模块。还需注意，上述公式中提出的模型适用于以时间耦合和可变功率请求为特征的应用设备，例如HV接入控制器控制器或电动车电池充电。在这种情况下，假如设备具有所需的智能水平，那么一个复杂任务将被分割成一系列的请求，这些请求是具有适当时间约束的恒功率需求。此方法的优点在于，它促进了对具有不可预知行为的设备的管理。3.4本章小结本章对智能用电能效管理系统的总体构架做了阐述，基于空调运行的特性提出了智能用电能效管理控制的策略，最后论述了应用于系统的智能用电能效优化算法。为接下来的实例仿真分析做了理论的铺垫。第四章实例仿真分析4.1实例分析图4.1所示为本文实际运用的小型监测实验系统，此系统用于监测一台空调的用电量、电压和有功功率等数据。为了实现能效管理控制策略，整体实施方案是智能插座通过无线ZIGBEE通信技术将采集到的空调实时数据整理成一个数据包发送给智能网关，智能网关通过网线将数据包传输给用户终端，用户终端通过用户控制面板来对智能插座发送各项功能指令，从而采集空调数据，实时控制空调的通断，实时监控空调情况以及设定特殊的通断时间，电脑智能终端上装有控制面板平台，根据实时的电压变化而产生的总用电量变化进行电压的上下限和报警设置，从而控制空调的通断来维持总用电量