一種應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，是基于用戶延遲容忍用電請求模型和智能微電網(wǎng)總開銷模型的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，具體包括：將智能微電網(wǎng)運行周期切割成T個時間段；在每一個時間段內(nèi)，獲取各用戶的延遲容忍和延遲敏感用電請求信息；根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)信息以及用戶請求信息決策出用戶延遲容忍用電請求調(diào)度策略與能量管理策略，決策的約束條件為：滿足用戶延遲容忍用電請求QoE的同時最小化智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的總開銷；儲能設(shè)備的能量水平始終處于其上下界之內(nèi)。該方法利用了用戶延遲容忍用電請求和電價的波動，能有效節(jié)省智能微電網(wǎng)的運營成本。
【專利說明】一種應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)的任務(wù)調(diào)度和能量管理領(lǐng)域，具體涉及了一種應(yīng)用于智能微 電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 進(jìn)入21世紀(jì)，人們的用電需求不斷增長，電網(wǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，而在全球環(huán)境 不斷惡化的背景下，采用可再生能源發(fā)電的重要性不言而喻。"InternationalEnergy Agency,WorldEnergyOutlook2012, 2012."公開了預(yù)計到2035年風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電 將占到全球總發(fā)電的25%和7. 5%，同時世界各國都開始關(guān)注一種新的環(huán)保、靈活的發(fā)電 方式一一分布式發(fā)電。分布式發(fā)電是指利用各種可用和分散的能源（包括可再生能源和不 可再生能源）進(jìn)行發(fā)電功能的技術(shù)。
[0003] 基于分布式發(fā)電，R.H.Lasseter, "MicroGrids, "inIEEEPowerEngineering SocietyWinterMeeting, 2002.提出了一種新形智能電網(wǎng)-智能微電網(wǎng)，智能微電網(wǎng)將局 部可再生能源、不可再生能源、能量存儲設(shè)備及控制裝置等系統(tǒng)地結(jié)合成一個可控的單元， 智能微電網(wǎng)通常可以工作在獨立模式和連接模式，獨立模式是指智能微電網(wǎng)自行發(fā)電滿足 用戶需求，連接模式則聯(lián)合主電網(wǎng)一起供電滿足用戶需求。
[0004] H.S.V.S.K.NunnaandS.Ashok,^OptimalManagementofMicrogrids,in ProceedingsofIEEEConferenceonInnovativeTechnologiesforanEfficient andReliableElectricitySupply, 2010.公開一種智能微電網(wǎng)的架構(gòu)如圖I所示。其中智 能微電網(wǎng)包括了可再生能源（如風(fēng)能、太陽能等）發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備中央控制單元，以及 通向居民和主電網(wǎng)的電線。當(dāng)智能微電網(wǎng)工作在獨立模式時，可再生能源和儲能設(shè)備負(fù)責(zé) 所有居民的用電需求；當(dāng)智能微電網(wǎng)工作在連接模式時，可以從主電網(wǎng)拉取電能或?qū)⒍嘤?電能回賣給主電網(wǎng)。
[0005] 居民的用電需求可分為兩類，延遲容忍用電請求和延遲敏感用電請求。延遲容忍 用電請求主要包括洗衣、洗碗和抽濕等，這類用電請求在一定的延時內(nèi)滿足即可。延遲敏感 用電請求則包括照明、電視等，這類用電請求必須立即得到滿足。
[0006] 從智能微電網(wǎng)的運營者角度來看，在保障用戶延遲容忍用電請求QoE的同時應(yīng)該 盡可能的減小智能微電網(wǎng)的運行總開銷。從圖1可以分析出智能微電網(wǎng)的開銷主要來包括 四個部分：
[0007] (1)從主電網(wǎng)購買電能
[0008] (2)可再生能源發(fā)電
[0009] (3)可再生能源的生命周期溫室氣體排放量
[0010] (4)儲能設(shè)備充放電
[0011] 其中可再生能源的生命周期溫室氣體排放量是指電能的生成、傳輸、使用以及可 再生能源發(fā)電設(shè)備的維修與回收等過程中的溫室氣體排放量。用生命周期溫室氣體排放量 來衡量智能微電網(wǎng)對環(huán)境造成的影響要比碳排放量更為全面。
[0012] 綜上所述，智能微電網(wǎng)需要設(shè)計一個異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，滿足用戶延 遲容忍用電請求QoE的同時減小其總開銷，節(jié)省運營成本。
[0013] 針對異質(zhì)載荷調(diào)度，只考慮用戶延遲容忍用電請求QoE，即所有用戶的延遲容忍用 電請求立即得到滿足。在該技術(shù)方案下，用戶的延遲容忍用電請求QoE將達(dá)到最大，因為所 有請求立即得到滿足，沒有延遲。該技術(shù)只考慮用戶延遲容忍用電請求的Q〇E，沒有利用可 接受的QoE下降和波動的電價來減少智能微電網(wǎng)的總開銷。
[0014] 針對異質(zhì)載荷調(diào)度，只考慮運營開銷，即用戶的延遲容忍用電請求都盡量安排在 電價較低的時刻滿足。運用該技術(shù)方案，能有效減少智能微電網(wǎng)的總開銷，因為用戶的延遲 容忍用電任務(wù)都被調(diào)度到電價較低的時刻執(zhí)行。在該技術(shù)中，智能微電網(wǎng)將用戶的延遲容 忍請求調(diào)度到了電價較低的時刻，但其忽略了用戶延遲容忍用電請求的Q〇E。雖然減少了系 統(tǒng)的總開銷，但同時造成了用戶QoE的大幅下降。
[0015] 針對能量管理問題，通過類似C.StewartandK.Shen,"Somejoulesare morepreciousthanothers!Managingrenewableenergyinthedatacenter, "in ProceedingsoftheWorkshoponPowerAwareComputingandSystems, 2009.公開的思 路設(shè)定閾值決定充點還是放電。具體地，如果當(dāng)前時刻的可再生能源高于某個先前設(shè)定的 閾值，就對儲能設(shè)備充電操作，否則就進(jìn)行放電操作。該技術(shù)通過靜態(tài)設(shè)定的閾值來決定儲 能設(shè)備的充放電操作，沒有考慮到可再生能源的間歇性以及電價的波動性。
[0016] 針對能量管理問題，還有通過比較當(dāng)前時刻與前一個時刻的電價來決定儲能設(shè)備 是充電還是放電。如果當(dāng)前時刻的電價比前一個時刻高，那么就執(zhí)行放電操作；如果當(dāng)前時 刻的電價比前一個時刻低就進(jìn)行充電。該技術(shù)能減少智能微電網(wǎng)運營開銷，但因其僅對比 了前一個時刻，性能不會得到很大提升。除此之外，在電價較高的時段（如晚上），只要當(dāng)前 時刻的電價比前一個時刻低，該技術(shù)也會執(zhí)行充電操作，顯然與低價充電、高價放電的思想 相悖。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明結(jié)合可再生能源的間斷性、用戶用電行為的不確定性以及電價波動性等因 素，提出一種智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法來減少智能微電網(wǎng)的總開銷。
[0018] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0019] 一種應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，是基于用戶延遲容忍用 電請求模型和智能微電網(wǎng)總開銷模型的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，具體包括以下步 驟：
[0020] Sl:將智能微電網(wǎng)運行周期切割成T個時間段；
[0021] S2 :在每一個時間段內(nèi)，獲取各用戶的延遲容忍和延遲敏感用電請求信息；
[0022] S3:根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)信息以及用戶請求信息決策出用戶延遲容忍請求調(diào)度策略與能 量管理策略，決策的約束條件為：用戶延遲容忍用電請求的QoE的同時能最小化智能微電 網(wǎng)系統(tǒng)的總開銷，儲能設(shè)備的能量水平始終處于其上下界之內(nèi)；
[0023] S4:根據(jù)決策策略對用戶延遲容忍用電請求進(jìn)行調(diào)度并執(zhí)行儲能設(shè)備充放電操 作。
[0024] 本發(fā)明是基于用戶延遲容忍用電請求模型和智能微電網(wǎng)總開銷模型的異質(zhì)載荷 調(diào)度和能量管理方法，能夠減少智能微電網(wǎng)的總開銷；且本發(fā)明充分利用了用戶延遲容忍 用電請求和電價的波動，能有效節(jié)省智能微電網(wǎng)的運營成本。
[0025] 優(yōu)選的，所述用戶延遲容忍用電請求模型具體為：
[0026] 設(shè)智能微電網(wǎng)服務(wù)的用戶數(shù)量為N，定義所有用戶在時刻t產(chǎn)生的延遲容忍請求 ^ r (t) ：r (t) = r0(t) + r1(t)+- + ri(t)+- + rN_1(t)
[0027] 其中rjt)是一個多元組(Μ4Γ，盡(〇)，i表示用戶索引，t表示當(dāng)前時刻，Ck 表示單位時刻智能微電網(wǎng)為一個用戶供給的最大電能，Ei (t)表示用戶i在時刻t提出的延 遲容忍用電請求，Ei (t)進(jìn)一步表示為：
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征在于，是基于用戶 延遲容忍用電請求模型和智能微電網(wǎng)總開銷模型的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，具體包 括以下步驟： 51 :將智能微電網(wǎng)運行周期切割成T個時間段； 52 :在每一個時間段內(nèi)，獲取各用戶的延遲容忍和延遲敏感用電請求信息； 53 :根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)信息以及用戶請求信息決策出用戶延遲容忍請求調(diào)度策略與能量管 理策略，決策的約束條件為：用戶延遲容忍用電請求的Q〇E的同時能最小化智能微電網(wǎng)系 統(tǒng)的總開銷； S4:根據(jù)決策策略對用戶延遲容忍用電請求進(jìn)行調(diào)度并執(zhí)行儲能設(shè)備充放電操作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征 在于，所述用戶延遲容忍用電請求模型具體為： 設(shè)智能微電網(wǎng)服務(wù)的用戶數(shù)量為N，定義所有用戶在時刻t產(chǎn)生的延遲容忍請求為
其中r\(t)是一個多元組盡(0)，i表示用戶索引，t表示當(dāng)前時刻，盡胃表示 單位時刻智能微電網(wǎng)為一個用戶延遲容忍用電請求供給的最大電能，Ei(t)表示用戶i在時 刻t提出的延遲容忍用電請求，Edt)可進(jìn)一步表示為：
其中〇 + ./)表示智能微電網(wǎng)在t+j時刻為用戶i在時刻t提出的延遲容忍用電請求 分配的電能，D_表示智能微電網(wǎng)對延遲容忍用電請求支持的最大延時； 即在時刻t智能微電網(wǎng)為所有用戶的延遲容忍用電請求提供的電能Edt(t)為：
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征 在于，智能微電網(wǎng)總開銷包括從主電網(wǎng)購買電能的開銷Cg(t)、可再生能源發(fā)電開銷Ch(t)、 可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷(；(t)和儲能設(shè)備充放電開銷Cb(t)，智能微電 網(wǎng)總開銷模型具體為。
_
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征 在于，智能微電網(wǎng)總開銷包括時刻t從主電網(wǎng)購買電能的開銷Cg(t)、時刻t可再生能源發(fā) 電開銷Ch(t)、時刻t可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷Ce(t)和時刻t儲能設(shè)備 充放電開銷Cb (t)，智能微電網(wǎng)總開銷模型具體為：
其中Wpw2、w3和w4分別表示時刻t從主電網(wǎng)購買電能的開銷Cg(t)、時刻t可再生能 源發(fā)電開銷Ch(t)、時刻t可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷C6(t)和時刻t儲能 設(shè)備充放電開銷Cb(t)的權(quán)值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其 特征在于， 所述時刻t從主電網(wǎng)購買電能的開銷Cg(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Cg(t) =Pg(t)Eg(t);其 中Pg(t)表示t時刻的電價，Eg(t)表示t時刻智能微電網(wǎng)從主電網(wǎng)拉取的電能； 所述時刻t可再生能源發(fā)電開銷Ch(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Ch(t) =PsEs(t)+PwEw(t);其 中Es(t)表示時刻t太陽能發(fā)電的電能，Ew(t)表示時刻t風(fēng)能發(fā)電的電能，Ps表示單位太 陽能發(fā)電的開銷，Pw表示單位風(fēng)能發(fā)電的開銷； 所述時刻t可再生能源的生命周期溫室氣體排放量開銷Ce(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 =&(6品(〇+6而(〇)，其中？1表示單位溫室氣體排放量的費用，63表示每單位太陽能發(fā) 電帶來的生命周期溫室氣體排放量，6"表示每單位風(fēng)能發(fā)電帶來的生命周期溫室氣體排放 量； 所述時刻t儲能設(shè)備充放電開銷Cb(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Cb(t)=匕1。(〇+匕1[1(〇，其 中Pb表示一次充放電操作的開銷，I。(〇和Id(t)是一個布爾變量，若時刻t儲能設(shè)備進(jìn)行 了充電操作則1。(0 = 1，否則1。(〇 = 0,若時刻t儲能設(shè)備進(jìn)行了放電則操作Id(t) = 1， 否則Id(t) = 0。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征 在于，所述步驟S3中系統(tǒng)狀態(tài)信息包括當(dāng)前時刻的電價、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和未來Q個時 段的電價信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征 在于，所述步驟S3中將最小化智能微電網(wǎng)總開銷的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為Lyapunov優(yōu)化問題， 將用戶請求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息作為該優(yōu)化問題的已知條件，將用戶延遲容忍請求的Q〇E 值、儲能設(shè)備的容量以及單位時刻智能微電網(wǎng)可為一個用戶供給的最大電能作為約束條 件，并同時設(shè)置一個可容忍Q〇E的下界來保證用戶體驗質(zhì)量，然后解出最優(yōu)解作為決策結(jié) 果。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征 在于，將對于儲能設(shè)備的約束條件轉(zhuǎn)化為基于隊列穩(wěn)定性的條件，在該優(yōu)化問題中定義一 個虛擬隊列B(t):
其中Ert(t)表示時刻t儲能設(shè)備的儲能水平，￡rx表示任意單位時刻最多放電的能量， 五表示儲能設(shè)備的最低能量水平，表示電價的最大值，V是一個調(diào)整參數(shù)； 根據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，定義L(B(t))和A(B(t))如下：
L(B(t))用于衡量隊列的大小，△ (B(t))表示相鄰兩個時間段隊列的變化量； 根據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，依據(jù)用戶用電請求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息在每一個時間段內(nèi) 計算出滿足 "
的用戶延遲容忍載荷調(diào)度策略和 能量管理策略，完成本時刻的決策。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用于智能微電網(wǎng)的異質(zhì)載荷調(diào)度和能量管理方法，其特征 在于，根據(jù)閾值判定求解出能量管理策略，其具體過程為：

其中Ejt)和Ed(t)分別表示時刻t儲能設(shè)備充電和放電的能量。
【文檔編號】G06Q10/06GK104484757SQ201410779106
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】吳迪, 李高翔 申請人:中山大學(xué)