智能家庭能源管理系统运行优化研究

于汇琳 石坤 胡纯瑾

编者按：“双碳”目标对电网的发展提供了新方向和思路，电网正不断提高可再生清洁能源接入比例，家庭能源管理系统可以实现家庭用户负荷调度、平抑电网波动、减少能源消耗、消纳清洁能源，符合新型电力系统配电侧建设目标。

引言

2020年9月22日，习近平主席在联合国一般性辩论时宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。据统计，居民日常用电量占全世界总发电量的30%-40%，电网通过家庭能源管理系统（HEMS）对需求侧居民用户进行负荷调度，优先消纳清洁能源，降低弃风弃光量和火电消耗，从根本途径上助力“双碳”目标实现。

智能家庭能源管理系统架构

电力系统收集台区用电数据，电网公司根据采集的用电数据优化能源调度，但无法预测单个用户的消费情况。图1为新型电力系统下家庭能源管理系统，可以解决上述问题。用户用电数据由智能电表汇总上传至电网，电网进行数据分析，对电价进行分段调整，发布需求响应信号。HEMS系统结合电网发布的需求响应和电价，在确保满足用户舒适度情况下合理安排用电活动，调整或减少负荷的使用，更好地消纳清洁能源、响应电网需求、削减用电峰谷差和降低家庭总能耗，实现源网荷储互动，并且为广大地区的长期电力消耗提供了可靠的预测和负荷分析。

家庭能源管理系统运行优化方法

HEMS可结合各类策略更好地实现能源管理、缓解用电高峰、降低碳排放量，比如结合人工智能（AI）算法、线性在线控制和储能系统等。

AI算法

如今，许多AI算法可被用于HEMS控制家用负荷。AI算法主要用于在用电预测或高峰时段优化能源分配。采用AI算法的用电预测模型使用历史数据进行预测，以找到在用电器运行最佳策略。比如可利用预测模型来预测用户家中空调设备的最佳温度，以减少能源消耗。或使用预测模型，根据能源价格和天气条件优化能源消耗量。

线性在线控制

线性在线控制通过实时算法或在线调度来控制热负荷、可转移负荷设备或降低能耗、降低电费。在这种方法中，HEMS负责通过监控和分析负荷的数据来确定负荷的状态。在每个时间段内，任一负荷想要工作并且没有违反需求限制，HEMS将决定开启负荷。可使用在线控制系统来调度大功率负荷的运行，根据电网公司发布的价格信号关闭可削减的负荷或使用电成本保持在预定值以下。

储能系统

目前，储能设备成本和损耗成本比较高，电池充放电次数有限，HEMS中储能设备应用受限，但随着大幅度清洁能源接入电网中，为了降低弃风弃光量，解决清洁能源供应不稳定的问题，储能的作用不可忽视。储能设备和可再生能源作为HEMS的补充，能源储存对控制高峰时段的能源消耗有显著的影响。

智能家庭能源管理系统未来发展方向

在未来HEMS可以继续研究储能系统，复杂的控制算法和清洁能源不稳定输出可能会加大HEMS的工作难度和提高系统运行的不确定性，这些问题都可以通过加入储能设备来解决。因此，储能设备在HEMS中有很好的应用前景。

总结

相比采用传统控制方法的HEMS而言，优化后的HEMS控制方法实现更优负荷控制，并且可以看出，存储设备对系统效率的影响很大，具有更好的指标改善结果。发展HEMS能够实现电网公司发布需求信号，实现转移或减少负荷来减少高峰时段的负荷，并在非高峰时段或电力过剩时增加需求，降低了总能消耗，提高清洁能源的接入效率，加快实现“双碳”目标的进程。

参考文献：

[1]盘和林. 数字电网，用数字技术实现“双碳目标”[N]. 国际金融报，2021-06-14（003）.

[2]Jeddi Babak，Mishra Yateendra，Ledwich Gerard. Distributed load scheduling in residential neighborhoods for coordinated operation of multiple home energy management systems[J]. Applied Energy，2021.

[3]薛树强.新型家庭能源管理优化策略[J].科技创新与应用，2021（07）：107-110.

[4]张春雁，冯霜霜，张立群.基于混合整数规划的家庭能源管理系统能源调度策略研究[J].上海节能，2019（12）：1007-1012.

[5]戴雪梅. 家庭能源管理系统的研究[D].青岛科技大学，2018.

第一作者：于汇琳（1998—），女，汉族，黑龙江，在读硕士研究生，华北电力大学，主要从事需求响应、家庭能源管理系統等研究工作。