一种家庭电力能效优化方法及系统与流程

智能家居系统可通过AI算法优化能源使用效率 #生活知识# #家居生活# #智能家居系统#

本发明涉及电力需求侧管理领域，具体涉及一种家庭电力能效优化方法及系统。
背景技术：
：随着社会经济的不断发展，居民用电占全社会总用电量的比重逐步增加，但是电力的综合利用效率依然很低，家庭用户的节能减排工作已经受到越来越多的关注。同时，智能家庭用电设备以及负荷监测技术的发展，使得电网公司能够获得大量的家庭用电信息，这些用户侧的电力数据为实施电力需求侧管理方法提供了数据支撑。如何将这些信息利用起来，对家庭用户的电力能效进行评估，针对能效较低的用户制定个性化的解决方案，从而提高家庭用户的用电效率，对优化电力行业的资源配置具有重要意义。技术实现要素：为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种家庭电力能效优化方法，包括：基于获取的各家庭用户的用电信息利用预先构建的能效评估模型对各家庭电力能效指标体系进行综合评估；基于各家庭用户的评估结果、家庭用户的用电设备中各可控负荷的运行参数和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量；基于家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量，以负荷峰谷差最小为目标对家庭用电行为进行优化。优选的，所述能效评估模型的构建，包括：建立多级家庭电力能效指标体系；对所述家庭电力能效指标体系中的指标进行无量纲化预处理；依次对家庭电力能效指标体系中各个级别的指标权重向量进行计算；基于多级家庭电力能效指标体系中所有上级指标的权重向量和每个上级指标对应的下级指标的权重向量，利用递阶综合评价方法建立能效评估模型。优选的，按下式对所述家庭电力能效指标体系中的指标进行无量纲化预处理：式中：x*表示无量纲化后的指标值，xi表示第i个指标无量纲化前的值，表示第i个指标的最小值，表示第i个指标的最大值，n表示指标总数量。优选的，所述依次对家庭电力能效指标体系中各个级别的指标权重向量进行计算，包括：基于层次分析法或g1群组法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量；利用熵权法获得所述家庭电力能效指标体系中每个一级指标下二级指标的权重向量；所述家庭电力能效指标体系为二级指标体系。优选的，所述家庭电力能效指标体系中第一级包括家庭用户信息、用电设备用电信息和家庭不同用电时段用电量信息；所述家庭用户信息的第二级指标包括：家庭人均年用电量和家庭单位面积年用电量；所述用电设备用电信息的第二级指标包括：可转移用电设备年用电量、空调系统年用电量和照明及娱乐设备年用电量；所述家庭不同用电时段用电量信息的第二级指标包括：家庭年用电低谷期用电量、家庭年用电高峰期用电量和家庭年用电平缓期用电量。优选的，所述基于层次分析法或g1群组法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量，包括：对家庭电力能效指标体系中的一级指标进行两两比较，建立判断矩阵；当所述判断矩阵的一致性指标符合要求时，基于层次分析法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量；否则基于g1群组法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量。优选的，所述能效评估模型，如下式所示：式中：e为家庭用户的用电能效；λi表示第i个一级指标的权重；n为一级指标的数量；ηij表示第i个一级指标下二级指标的向量权重；m为第i个一级指标下二级指标的数量；zij为第i个一级指标下的第j个二级指标。优选的，所述可控负荷模型的构建，包括：以获取设定周期内各时间间隔对应的可控负荷的状态为目标函数；以可控负荷的状态调整需要在用户允许的工作时间区间、可控负荷允许工作时间区间需要大于其完成任务所需的时间，以及在用户允许的工作时间区间内可控负荷的工作状态总和要等于其完成任务所需要的总工作时长为约束条件；当可控负荷为电动汽车时，约束条件还需满足：电动汽车的充电功率小于其最大充电功率和电动汽车的荷电状态要维持在最小荷电状态和最大荷电状态之间；其中，所述可控负荷包括洗衣机、空调、热水器和电动汽车。优选的，所述基于各家庭用户的评估结果、家庭用户的用电设备中各可控负荷的运行参数和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量，包括：基于各家庭用户的评估结果，获的评估结果中用电能效评价得分低于阈值的家庭用户；基于家庭用户允许安排可控负荷用电的时间和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内各时间间隔的状态；基于家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内各时间间隔的状态和可控负荷的功率，得到家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内各时间间隔的用电量。优选的，按下式对家庭用电行为进行优化：mind＝max(tnew)-min(tnew)式中：d为负荷峰谷差，tnew为优化后设定周期内的负荷值向量，由各时间间隔内可控负荷的用电量组成。基于同一发明构思，本发明还提供了一种家庭电力能效优化系统，包括：评估模块，用于基于获取的各家庭用户的用电信息利用预先构建的能效评估模型对各家庭电力能效指标体系进行综合评估；计算模块，用于基于各家庭用户的评估结果、家庭用户的用电设备中各可控负荷的运行参数和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量；优化模块，用于基于家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量，以负荷峰谷差最小为目标对家庭用电行为进行优化。优选的，所述系统还包括构建模块，用于构建能效评估模型；所述构建模块具体用于：建立多级家庭电力能效指标体系；对所述家庭电力能效指标体系中的指标进行无量纲化预处理；依次对家庭电力能效指标体系中各个级别的指标权重向量进行计算；基于多级家庭电力能效指标体系中所有上级指标的权重向量和每个上级指标对应的下级指标的权重向量，利用递阶综合评价方法建立能效评估模型。本发明提供的技术方案具有以下有益效果：本发明提供的技术方案，基于获取的各家庭用户的用电信息利用预先构建的能效评估模型对各家庭电力能效指标体系进行综合评估；基于各家庭用户的评估结果、家庭用户的用电设备中各可控负荷的运行参数和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量；基于家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量，以负荷峰谷差最小为目标对家庭用电行为进行优化。该技术方案通过构建的能效评估模型对家庭能效评估指标体系进行综合全面的评估，不仅考虑了主客观评价信息，而且能够准确的得到对家庭能效的评估结果，同时针对用电能效较低的用户提供了用电优化方案，为评估电力客户用电能效，制定用户节能方案，挖掘用户的节能潜力提供了依据。附图说明图1为本发明提供的一种家庭电力能效优化方法流程图；图2为本发明实施例中一种家庭电力能效优化方法的详细流程图；图3为本发明建立的两级家庭能效评价指标体系。具体实施方式为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。实施例1：如图1所示，本发明提供了一种家庭电力能效优化方法，包括：s1基于获取的各家庭用户的用电信息利用预先构建的能效评估模型对各家庭电力能效指标体系进行综合评估；s2基于各家庭用户的评估结果、家庭用户的用电设备中各可控负荷的运行参数和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量；s3基于家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量，以负荷峰谷差最小为目标对家庭用电行为进行优化。利用图2对图1所示的技术方案进行具体介绍：步骤1)、建立的入图3所示的家庭电力能效评价指标体系，其中第一级包括家庭用户信息、用电设备用电信息、家庭不同用电时段用电量信息，第二级指标中，家庭用户信息包括：家庭人均年用电量、家庭单位面积年用电量，家庭人均年用电量为家庭一年总的用电量除以家庭人数，家庭单位面积年用电量为家庭一年总的用电量除以家庭的面积；用电设备用电信息包括：可转移用电设备年用电量、空调系统年用电量、照明及娱乐设备年用电量，可转移用电设备是指用电时间可以灵活选择的用电设备，包括洗衣机、热水器、电动汽车，娱乐设备包括电脑、电视机。家庭不同用电时段用电量信息包括家庭年用电低谷期用电量、家庭年用电高峰期用电量、家庭年用电平缓期用电量，参考中国的分时电价信息，高峰期时段为：9:00-11:59、15：00-21:59；平期时段为：6:00-8:59、12：00-14:59、22：00-23:59；低谷时段为：0:00-5：59。步骤2)、为了使不同单位或者量级的指标数据能够进行加权比较，通过无量纲化处理公式对指标进行无量纲化处理，公式如下：其中x*表示无量纲化后的指标值，xi表示第i个指标无量纲化前的值，表示第i个指标的最小值，表示第i个指标的最大值。步骤3)、利用层次分析法和g1群组法相结合确定一级指标的权重值，具体包括：首先对第一级的能效指标进行两两比较，建立判断矩阵b。式中，ωij为第一级评价指标体系中第i个指标相对于第j个指标的重要程度。利用矩阵乘积方根的方法确定式(2)的特征向量γi。根据确定的特征向量γi，求最大特征值λmax。根据λmax计算判断矩阵b的一致性指标β。根据矩阵b的一致性指标β与同阶平均随机一致性指标的比值，若其比值小于0.1，则认为判断矩阵b满足一致性，特征向量γi为第一级指标的权重。否则按照g1群组法确定第一级指标权重。其中，g1群组法是改进层次分析法的一种无需进行一致性检验的指标权重确定方法，是一种主观经验判断法，不用构建判断矩阵，计算量少，不限制同一层次中指标个数；本实施例中g1群组法的步骤如下：首先确定指标之间的序关系：如果家庭用户能效评估中某一指标xi的重要程度大于xj，则记为xi＞xj。若指标x1,x2,...,xm相对于评价指标集x＝{x1,x2,...,xm}，可按下述步骤确定它们的序列关系：首先从指标集x中选出m个指标中最重要一个指标，标记为xi；然后再从剩下的指标中，选取出最重要的一个指标，标记为xj；以此类推；这样唯一的指标序关系就可以确定了。然后判断两个指标之间的重要程度，假设两个评价指标xk-1和xk的重要性程度之比为κk-1/κk，记作rk，见公式：rk＝κk-1/κk(7)其中，k＝m,m-1,m-2,...,3,2，κk表示指标集中第k个指标对应的权重。ωij和ri的取值参考表如下所示：表1ωij和ri的取值参考表ωij或ri描述1.0两个指标具有同等重要性1.2前一个指标比后一个指标稍微重要1.4前一个指标比后一个指标明显重要1.6前一个指标比后一个指标强烈重要1.8前一个指标比后一个指标极端重要1.1，1.3，1.5，1.7对应以上两相邻判断的中间情况同时有公式：递推可得：κk-1＝κkrk(9)其中，k＝m,m-1,m-2,...,3,2。步骤4)、设第i项一级指标下有m个二级指标y1,y2,...,ym，利用熵权法对这m个二级指标进行权重配置，具体包括：计算各指标的信息熵，设每个指标的信息熵为ej，计算公式如下：最后计算每个指标的权重，计算公式如下：步骤5)、设家庭用户的3个一级能效指标权重向量λ＝[λ1,λ2,...,λn]，第i项一级能效指标下的二级能效指标向量权重为ηi＝[ηi1,ηi2,...,ηim]，则基于递阶综合评价方法建立的家庭电力能效评估模型为：式中，e为家庭用户的用电能效；λi表示第i个一级指标的权重；n为一级指标的数量；ηij表示第i个一级指标下二级指标的向量权重；m为第i个一级指标下二级指标的数量；zij为第i个一级指标下第j个二级指标。步骤6)、对家庭中的可控负荷建模，这类负荷具有的共同特点是可以在用户允许的时间范围内灵活安排其用电时间，其用电数学模型如下：αh≤t≤βhh∈h(14)式中，h表示可控用电设备集合，h表示某个可控用电设备；[αh,βh]表示该可控负荷的h用户允许工作时间；可控负荷h允许工作时间区间需要大于其完成任务所需的时间，如下式所示：βh-αh≥dh(15)式中，dh表示可控设备完成所需任务所需的工作时间；可控用电设备的状态调整需要在用户允许的工作时间区间[αh,βh]内，如下式所示：式中，sh,t为可控负荷的工作状态变量，当其为1时代表可控用电设备处于工作状态，为0时代表可控用电设备处于关闭状态；在用户允许的工作时间区间内可控用电设备的工作状态总和要等于其完成任务所需要的总工作时长，如下式所示：另外，对于电动汽车等充电设备，其工作特性还需要满足如下约束：电动汽车的充电功率小于其最大充电功率如下式所示：电动汽车的荷电状态要维持在最小荷电状态smin和最大荷电状态smax之间，如下式所示：smin≤s(t)≤smax(20)式中，s(t+1)和s(t)分别为t+1时刻和t时刻电动汽车的荷电状态；pch为电动汽车的充电功率；e为电动汽车电池的额定容量。针对用电能效评价得分较低的用户，以负荷峰谷差为目标对其进行用电优化，提升其用电能效，其中优化目标公式如下式所示：mind＝max(tnew)-min(tnew)(21)式中，d为负荷峰谷差，tnew为优化后一天24小时负荷值向量，由每小时可控负荷的状态与可控负荷的功率计算得到的用电量组成。以式(21)为目标对家庭中的可控负荷使用时间进行优化，以可控负荷的状态变量sh,t作为变量，尽可能的将可控负荷从高峰时段转移到低谷时段使用，以此来降低用户的用电费用，减小用电峰谷差。本发明提供的技术方案：首先根据家庭用户的用电信息，建立包含两级的家庭电力能效指标体系，对用户的能效指标体系中的指标进行无量纲化预处理，然后利用基于层次分析法或g1群组法对一级指标进行评估、利用熵权法对二级指标进行评估，最后构建基于递阶综合评价方法的能效评估模型，对家庭的电力能效情况进行综合评估；根据评估结果，对家庭用电设备中的可控负荷进行数学建模，针对能效评估较低的用户，以负荷峰谷差最小为目标，对其进行用电优化，提升其用电能效。该技术方案建立了全面的家庭能效评估指标体系，建立的综合评价模型综合的考虑了主客观评价信息，能够准确的对家庭能效进行评估，为电力公司为用户制定节能方案，充分挖掘用户的节能潜力提供了依据。实施例2：基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种家庭电力能效优化系统，包括：评估模块，用于基于获取的各家庭用户的用电信息利用预先构建的能效评估模型对各家庭电力能效指标体系进行综合评估；计算模块，用于基于各家庭用户的评估结果、家庭用户的用电设备中各可控负荷的运行参数和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量；优化模块，用于基于家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内的用电量，以负荷峰谷差最小为目标对家庭用电行为进行优化。实施例中，所述系统还包括构建模块，用于构建能效评估模型；所述构建模块具体用于：建立多级家庭电力能效指标体系；对所述家庭电力能效指标体系中的指标进行无量纲化预处理；依次对家庭电力能效指标体系中各个级别的指标权重向量进行计算；基于多级家庭电力能效指标体系中所有上级指标的权重向量和每个上级指标对应的下级指标的权重向量，利用递阶综合评价方法建立能效评估模型。实施例中，所述依次对家庭电力能效指标体系中各个级别的指标权重向量进行计算，具体包括：基于层次分析法或g1群组法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量；利用熵权法获得所述家庭电力能效指标体系中每个一级指标下二级指标的权重向量；所述家庭电力能效指标体系为二级指标体系。实施例中，所述家庭电力能效指标体系中第一级包括家庭用户信息、用电设备用电信息和家庭不同用电时段用电量信息；所述家庭用户信息的第二级指标包括：家庭人均年用电量和家庭单位面积年用电量；所述用电设备用电信息的第二级指标包括：可转移用电设备年用电量、空调系统年用电量和照明及娱乐设备年用电量；所述家庭不同用电时段用电量信息的第二级指标包括：家庭年用电低谷期用电量、家庭年用电高峰期用电量和家庭年用电平缓期用电量。实施例中，所述基于层次分析法或g1群组法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量，包括：对家庭电力能效指标体系中的一级指标进行两两比较，建立判断矩阵；当所述判断矩阵的一致性指标符合要求时，基于层次分析法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量；否则基于g1群组法对所述家庭电力能效指标体系中的一级指标进行评估，获得各一级指标的权重向量。实施例中，所述可控负荷模型的构建，包括：以获取设定周期内各时间间隔对应的可控负荷的状态为目标函数；以可控负荷的状态调整需要在用户允许的工作时间区间、可控负荷允许工作时间区间需要大于其完成任务所需的时间，以及在用户允许的工作时间区间内可控负荷的工作状态总和要等于其完成任务所需要的总工作时长为约束条件；当可控负荷为电动汽车时，约束条件还需满足：电动汽车的充电功率小于其最大充电功率和电动汽车的荷电状态要维持在最小荷电状态和最大荷电状态之间；其中，所述可控负荷包括洗衣机、空调、热水器和电动汽车。实施例中，所述计算模块，包括：选择单元，用于基于各家庭用户的评估结果，获的评估结果中用电能效评价得分低于阈值的家庭用户；第一计算单元，用于基于家庭用户允许安排可控负荷用电的时间和预先构建的可控负荷模型，获得家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内各时间间隔的状态；第二计算单元，用于基于家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内各时间间隔的状态和可控负荷的功率，得到家庭用电设备中所有可控负荷在设定周期内各时间间隔的用电量。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。当前第1页12

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