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1、基于市场需求响应和用户舒适度的家庭能源管理摘要：为了控制能源消耗，使需求响应项目得到实施，家庭的有效需求侧管理既是关键又是未来智能电网的重要组成部分。事实上，家庭能源管理是处于有截止期限的离散的家用电器调度问题和连续的加热，通风，制冷（HVC）设备控制问题之间的混合问题。在本文中，我们针对与有明确的用户舒适度限制的基于市场的需求响应项目激励相容的家庭能源管理提出了一个近似的最优算法。理论分析这方面，我们也通过基于韩国的真实的电价和能源消耗数据进行的仿真研究展示了我们算法的有效性。关键词，智能电网，需求响应，能量管理I.引言纵观全球，目前日益增长的能源需求率已经远远的超过了能源产能的增速。这一矛
2、盾的结果就是在过去十年日益显著的电价增长以及频繁的电量缩减和用电高峰时的突然断电。有效的需求侧能量管理是智能电网的重要组成部分，仅在美国，家庭能源消费就占了总能源消费的三分之一。在智能电网基础设施的边缘，一个家庭能源管理解决方案应该解决这样一个对偶问题：为用户提供有效的能源管理，并且担当需求响应项目的促成者。需求响应计划在美国自从1999年开始就一直很积极，它在缓解2001年夏天美国一些地区发生的电力系统危机中扮演了重要角色。需求响应项目的目的就是削峰，峰值需求为能源管理带来了一种不可预料性，并且是电网故障的主要原因。此外，大量的后备电厂（接近电厂总量的20%）不得不被维持来面对峰值需求。峰值
3、响应项目属于两大类：峰值限制和基于市场的电价。在峰值限制中，每个家庭被分配给一定的能源限额。在基于市场的电价中，电能的价格随着市场供需状况的改变而发生变化。基于市场的需求响应项目所提倡的是以一种经济有效和长期可行的方式去调节能源消耗。在本文中，我们所研究的是目前的市场定价方法，这是因为在不久的将来它更有可能成为需求响应项目的制度。事实上研究表明，家庭用户调整他们的需求来适应需求响应的价格，这反过来抑制长期的市场结算价格到一个平均水平。然而在美国纽约州进行的调查讲述了一个相当令人吃惊的故事：54%的有家庭的人宣称他们不能够抑制电量的使用，在研究中，我们发现主要的原因在于以下几个方面：1. 缺乏智
4、能调度：消费者没有必要的手段去监视每小时的电价，也没有意识到他们电能消费的具体问题。2. 担心不舒适：消费者不愿改变他们的生活习惯。3. 消费者害怕冒险：消费者不相信需求响应项目，害怕由此带来的不可预料的开销和额外的电能消耗。因此，我们相信针对用户所关心的问题，需求侧的能量管理是必要的。在POSTECH，我们建立了一个装备能量监控器和基于控制器的电力线通信的智能家庭（图1）。能量调度和电器控制自动地被一个为了减少累积的能量消耗5而使用的电器调度算法的电网家庭服务系统所实施。在本文中，我们通过将家庭能源管理问题作为一个介于有截止时间的离散电器调度问题和连续的基于市场需求响应项目的加热，通风，冷却
5、的设备控制问题之间的混合问题，采取一种更加综合的方式去解决它。我们建立了一个以能源消耗为目标最大最小值算法，并使其作为全球能源峰值削弱的推动者，且与家庭用户是激励相容的。我们使用电能作为案例来研究，并且在这里能源和电能代表的是相同的意思。我们所做的贡献有以下几个方面：首先，我们建立了一个以成本目标为目的的最大最小值算法，并且说明了它是激励相容的，峰值削弱和减少风险。第二，我们提出了极小化极大值算法作为非确定性多项式电器调度问题的一种近似最优解决方案。第三，我们扩展了我们的算法使得它能够满足可以被建模为最优的连续控制设置问题的加热，通风，冷却设备的要求。使用空调作为一个案例，我们提出了minMa
6、xHVC 算法，这是一种混合了离散电器调度和连续HVC控制在一起的集成的近似最优方案。我们通过对minMax 算法和minMaxHVC 算法设置限制来明确地对用户舒适度进行建模。理论分析这方面，我们也通过韩国的真实的电价和电量消耗数据来展示了我们算法的表现。为了使我们的知识达到最完善，一些文献方面的工作检验了家庭能源管理问题，将此问题作为一个在明确用户舒适度限制下的介于离散电器调度和连续HVC控制问题之间的混合问题来研究。我们是第一批研究用户舒适度与电能峰值削弱的关系的人。这篇文章的余下部分分为以下几个方面：第二部分提出了相关的工作，第三部分阐述了家庭能源管理问题，并且提出了minMax 算法
7、，第四部分涉及的是HVC设备，并且我们提出了minMaxHVC 算法，第五部分对我们算法的研究作了报告，在第六部分我们进行了全文的总结并得出了结论。II相关工作优化技术已经被应用来解决能源管理问题。例如，在文献6的工作聚焦于电力供应商方面，指出来源于微电网（也就是当地的风能和太阳能发电）的可再生能源的使用可以减少对批发电力的依赖，但是电的质量一定要得到控制。优化家庭用电使用78方面的工作聚焦于热电器的最优开关，这样当一个一贯的舒适度等级被维持的时候可以使得电能消耗最小化。其他的文献例如文献9建议能源消耗的最优化以基于主体的供需市场的竞卖为基础。他们也通过无截止期限的时间转移来研究消费者侧能源消
8、耗的最优化。能源消耗调度方面的工作聚焦于建立一个激励式的调度对于源自智能家庭能源调度的交互式能源使用。每一个使用者的调度被假定成是灵活的无截止时间的。在他们后来的工作里11，他们将家庭能源调度建模为一个游戏，在这个游戏里，每个电器的能源消耗率都是一系列真实的价值，并且考虑了全局状态。基于严格的截止时间的用户舒适度和任务转移能力没有被建模，为了得到稳态而存在的适当价格设定也没有被确定。在本篇文章中，我们明确地要解决这两个问题。我们观察到，消费者测的能源调度通常伴随着硬性的截止时间，并且需要任务的原子性。此外，一旦电器运转，它就不能够中途停止。这些需求的特性支持作为调度问题家庭水平的需求侧能源消耗
9、的最优化。工作很少专注于这方面的任务调度所定义的经典调度问题例如以非完全多项式问题知名的longest process time（LPT）和just-in time(JIT)。尝试提供一个近似的算法去解决这个问题的工作，但是这个推荐的解决方案不解释任务长度和电力价格的可变性。迄今为止，一些关于家庭能源管理方面的议题已经被研究。Hobby等人研究了居民区的电力消耗模型，他们发现家庭能源消耗可以分成家用电器消耗和HVC/照明消耗。Pedrasa将家庭能源调度问题建模为一个以效用最大化为目标的处理决策问题。基于粒子群理论的探索正在进行。Conejo将需求侧的能源调度假设为一个基于固定的日常能源使用限
10、制的效用最大化问题。线性调度算法被推荐来确定最优的分配。Barbato提出了一个优化模型来处理拥有缓冲电源的家庭的电器调度问题。它们都遵循一个总的成本削减模型。由于能源消耗被建模为一个通用的splitable价值，没有原子任务的概念。Du和Lu通过两个步骤的调度过程解决了家庭用水加热控制问题，他们明确的考虑了用户舒适度。我们的HVC模型有一个更加通用和集合的形式，以至于对于我们的离散电器调度适用于一个集成的解决方案。III.家庭能源管理算法A. 问题阐述我们考虑将一个家庭的调度分成n个时间段，每个时间段有不同的电价。家用电器使用需求可以以任务的形式分配到这些时间段内。这些任务中的一些是持续性的
11、，因为他们全天都需要消耗电能（例如冰箱），然而其他电器在时间段内的工作时间是可变的（例如洗衣机/甩干机）。一旦一个任务开始（例如洗衣机或电磁炉），中间是不能中断的。因此，将它们建模为离散原子任务的形式是很自然的。相关的参数都总结在表1中，给出一个任务i，我们描述它的需求特性为di. =(si,fi,li,ri) D,1 i m。si和fi是任务i各自的起始和结束时间限制, ri 是任务i的期望的能源消耗率（也就是每个小时的），li 是任务i的时间长度。我们假定ri 对于非HVC电气来说是固定的，si 和fi 是任务i的上下限截止时间，任务i必须被调度在这个时间段内。通过这种方式，我们引入在问题
12、形成时有明确限制的用户舒适度的概念。(fi si)/li 1是任务可转移因素，直观上，有着更高的任务转移能力的家庭能够更好的优化能源消耗。需求设备di或者是被家庭明确的作为输入给出，或者是通过历史上的家用电器使用模式来推测。在我们研究中，我们遵循后一种方法。我们的目标就是最优地安排di D以致于每一个di占据连续的时间段tj, tj+1, .tj+li，并且要遵循截止时间（也就是j si and j + li fi）。这最终形成了我们的离散家用电器调度的形成。我们设定了一个随时间变化的定价函数Prc(tj)，在本文中，我们用每小时的价格来处理日前定价。然后接下来它就是理所应当的如果我们调度每一
13、个有截止期限的任务i使得到的总的能源消耗最小化，以致于最小化。然而两个主要的问题出现了：第一，全球的峰值削弱的目标不是轻易能实现的，这个问题能被一个例子解释。由于一个统一的电价函数不提供对于家庭的激励来转变能源消耗模式，我们考虑一个基于市场供求状况计算的不统一的定价函数Prc()。让时间tj是峰值能源定价的时间，让时间tj是非峰值定价的时间。如果我们考虑一个没有截止时间的家用电器的简单例子（也就是任务时可以实现完美转移的），然后一个使总的能源消耗最小化的解决方案就会从时间tj到时间tj来安排所有的任务，导致一个峰值的转移而不是削除它，在第五部分我们也观察到结果。第二，最小化总的能源消耗不是规避
14、风险，我们考虑当前的电价因为我们要处理日前的定价。我们把风险规避定义为由两个外在因素所引起的不确定性的最小化：这两个外在因素是断电和未知电器使用。对于家庭用户来说，意想不到的断电会导致计划工作的损失。如果我们考虑断电的可能性是完美随机的，然后风险规避就能被定义为在为整个时间段内的极小化极大值，是一个的家庭能量削峰过程。对于供电商来说，非计划内的电器使用能够导致家庭偏离计划内的能源消耗行为，或者导致在需求预测方面的错误。如果我们考虑非计划内的电器的使用是完美一致的，风险规避可以定义为累积的能源缝制的最大值或最小值。同样，最小化总的能源消耗不是最合适的最优目标据此，我们可以定义能源调度问题为：给出
15、一系列任务需求di. =(si,fi,li,ri) D,1 i m,找到每个任务对应的分配时段：di (tj, tj+1, .tj+li1)遵循截止期限j si和 j + li 1 fi，以致于有下面的式子：极小化极大值算法的目标既包括削峰，也包括风险规避。既然我们优化我们在花费领域的目标，我们的目的就是达到与家庭用户激励相容。需求响应价格的设定所扮演的角色就是减少能源领域的期望需求的形成。在第五部分我们研究了价格的设定。如果我们不关心任务的分散性，而假定一个统一的价格函数Prc()，然后这问题就能被归纳为分配多个有截止期限的计算任务给一系列相同的处理器，它以作为非确定性多项式难题而知名。B.
16、 家用电器的家庭能量管理极小化极大值根据家用电器使用的截止期限来调度他们的使用。首先，有固定调度的任务被固定下来，然后，算法以能源使用率ri的减少为主要次序,以任务长度li为次要次序来调度任务，对于每一项任务，算法检验为有特定截止期限的任务检验所有可能的时间段安排，并安排每项任务，以致于使累计的能源消耗最小化达到最大限度。算法1 普通用电器的极小化极大值调度input：tk T where 1 k ndi = (si, fi, ri, li) D where 1 i mPrc()Output:Scheduled start time of appliance tasks schi = tk where 1 i m, 1 k nc1.n1: sch1.n = 02: c1.n = 03: tmpC1.n = 04:
