[科普中國(guó)]-智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)

背景

電力廣泛應(yīng)用于我們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，全社會(huì)的電力需求量持續(xù)增加，電力生產(chǎn)、傳輸、使用過程中的效率對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)等方面具有重要影響。居民側(cè)用電量占社會(huì)總用電量的36.6%，但研究表明該領(lǐng)域的用電效率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。為此，美國(guó)和部分歐洲國(guó)家于20世紀(jì)70年代開始了家庭能源管理系統(tǒng)(HEMS)的研究，提高該領(lǐng)域的用電效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

家庭能源管理系統(tǒng)利用傳感器采集室內(nèi)環(huán)境、人員活動(dòng)和設(shè)備工作狀態(tài)信息，通過對(duì)這些信息的分析來對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度和控制，在滿足用戶舒適度的前提下減少電能消耗，提高用電效率。近幾年智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為家庭能源管理系統(tǒng)的研究提供了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

智能電網(wǎng)是為解決傳統(tǒng)電網(wǎng)的不足而提出的，它是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)中只存在單向的能量流，智能電網(wǎng)中的能量流是雙向的，并且智能電網(wǎng)采用了先進(jìn)的信息通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中還存在雙向的信息流。家庭能源管理系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)在居民側(cè)的延伸，它是智能電網(wǎng)的重要組成部分。智能電網(wǎng)為家庭能源管理系統(tǒng)提高居民側(cè)用電效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供了新方法。同時(shí)，智能電網(wǎng)也為家庭能源管理系統(tǒng)提出了新的功能需求，智能電網(wǎng)眾多新功能的實(shí)現(xiàn)都需要家庭能源管理系統(tǒng)的支持1。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員和科研機(jī)構(gòu)正在對(duì)智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。首先總結(jié)了智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)新的功能需求;然后給出了實(shí)現(xiàn)這些功能所需的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和功能模塊;最后描述了智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)技術(shù)體系，并從檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和優(yōu)化調(diào)度算法三方面對(duì)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，討論了其中存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，指出了未來的研究方向。

智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)新需求在不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下家庭能源管理系統(tǒng)具有不同的功能，家庭能源管理系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的有機(jī)組成部分，智能電網(wǎng)為其提出了新的功能需求。

傳統(tǒng)電網(wǎng)的能量流向是單向的，即電能由少量大容量發(fā)電廠集中生產(chǎn)，然后通過大規(guī)模的輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)送至用戶側(cè)，最終由用戶消費(fèi)掉。在這種模式下，家庭用戶只是電能的消費(fèi)者，被動(dòng)參與電網(wǎng)的運(yùn)行，家庭能源管理系統(tǒng)的功能就是提高用電效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，功能單一；并且這種家庭能源管理系統(tǒng)主要考慮單一用戶用電效率的提高和舒適度的增加，并未考慮大量用戶協(xié)同工作對(duì)電網(wǎng)的影響。

智能電網(wǎng)除了大容量集中式發(fā)電廠外，還包含大量分布式電源和可再生能源，它具有復(fù)雜的潮流分布。電網(wǎng)和用戶之間的能量流是雙向的，家庭用戶不僅可以消費(fèi)來自電網(wǎng)的電能，而且可以將本地分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的多余電能售給電網(wǎng)以獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。

智能電網(wǎng)是一個(gè)完全自動(dòng)化的供電網(wǎng)絡(luò)，其中的每一個(gè)用戶和節(jié)點(diǎn)都得到實(shí)時(shí)的控制，并保證從發(fā)電廠到用戶端電氣之間的每一個(gè)點(diǎn)上的電流和信息的雙向流動(dòng)；能保證電網(wǎng)上各成員之間的無縫連接和實(shí)時(shí)互動(dòng)2。

除了提高居民側(cè)用電效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排外，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)需要具備以下新功能：

1)支持需求響應(yīng)在居民側(cè)的實(shí)施。目前電力資產(chǎn)利用效率低，研究表明20%的系統(tǒng)容量?jī)H用于滿足電力峰值需求，其運(yùn)行時(shí)間僅占系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的5%。通過實(shí)施需求響應(yīng)可以降低電力需求的“峰谷比”和電力資產(chǎn)投資額，提高電力資產(chǎn)的利用效率，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。需求響應(yīng)在大工業(yè)用戶和商業(yè)用戶中已經(jīng)得到了實(shí)施;然而單個(gè)家庭用戶用電量少，而用戶數(shù)量眾多，在傳統(tǒng)電網(wǎng)下無法有效實(shí)施需求響應(yīng)。但據(jù)美國(guó)能源管理委員會(huì)報(bào)告，居民用戶側(cè)是通過實(shí)施需求響應(yīng)來削減電力峰值需求的最大潛在領(lǐng)域。在智能電網(wǎng)環(huán)境下，借助于家庭能源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這一功能。此外，居民用戶通過家庭能源管理系統(tǒng)對(duì)電力公司發(fā)布的動(dòng)態(tài)電價(jià)信號(hào)進(jìn)行合適的響應(yīng)，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制可以降低用戶用電費(fèi)用。

2)支持風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式可再生能源接入電網(wǎng)。智能電網(wǎng)中存在大量的分布式電源，其中風(fēng)電和光伏發(fā)電是居民側(cè)最常見的分布式可再生能源形式，它們對(duì)于提高可再生能源的利用率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、降低用戶用能費(fèi)用具有重要意義，但同時(shí)使配電網(wǎng)中的潮流復(fù)雜化。另外風(fēng)能、太陽(yáng)能具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，風(fēng)電和光伏發(fā)電的大規(guī)模接入會(huì)給電網(wǎng)電能質(zhì)量和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。家庭能源管理系統(tǒng)需要為家庭用戶擁有的分布式可再生能源接入電網(wǎng)提供支持。

3)支持大規(guī)模電動(dòng)汽車安全接入電網(wǎng)。電動(dòng)汽車具有節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于減少交通運(yùn)輸領(lǐng)域的能量消耗和溫室氣體排放具有重要的作用。但電動(dòng)汽車具有電池容量大、充電功率高、接入電網(wǎng)充電時(shí)間集中的特點(diǎn)。大量電動(dòng)汽車無序接入電網(wǎng)充電會(huì)造成電力需求峰值增加，電網(wǎng)供需失衡，輸電線路和變壓器過載等后果，降低電力資產(chǎn)利用率，縮短設(shè)備壽命，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。通過家庭用電網(wǎng)絡(luò)接入電網(wǎng)是電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電的重要方式之一，利用家庭能源管理系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車的充電過程進(jìn)行控制可以削弱或消除電動(dòng)汽車上網(wǎng)充電對(duì)電網(wǎng)的不利影響，同時(shí)減少用戶的用電費(fèi)用。

綜上，智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)提高用電效率、節(jié)能減排的基本功能外，還要為居民側(cè)需求響應(yīng)的實(shí)施、分布式可再生能源和大規(guī)模電動(dòng)汽車安全接入電網(wǎng)、降低用戶用能費(fèi)用提供支持，這些新需求的實(shí)現(xiàn)為該領(lǐng)域的研究提出了新挑戰(zhàn)。

智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)組成與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能更多、更復(fù)雜，需要全新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支持這些功能的實(shí)現(xiàn)。智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)主要包括三類設(shè)備：用電負(fù)載、儲(chǔ)能設(shè)備和分布式電源。根據(jù)用電模式和用戶需求不同，用電負(fù)載分為可調(diào)度負(fù)載和不可調(diào)度負(fù)載。高壓交流輸電系統(tǒng)、洗衣機(jī)、干衣機(jī)、熱水器、洗碗機(jī)、電動(dòng)汽車、用于家庭泳池的抽水泵等，在一定條件下對(duì)這些設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度不會(huì)影響到用戶的舒適度，它們是可調(diào)度負(fù)載。不可調(diào)度負(fù)載主要包括計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、冰箱、家庭娛樂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安保系統(tǒng)等，對(duì)這些負(fù)載進(jìn)行調(diào)度會(huì)嚴(yán)重影響用戶的需求滿意度。對(duì)可調(diào)度負(fù)載的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度是實(shí)現(xiàn)居民側(cè)需求響應(yīng)的重要途徑之

電動(dòng)汽車是一種特殊的可調(diào)度負(fù)載，它不僅可以從電網(wǎng)中吸收電能滿足用戶的交通需求，而且還可以向家庭環(huán)境內(nèi)的其他用電負(fù)載提供應(yīng)急電能。大量電動(dòng)汽車在集合者的協(xié)調(diào)下可以組成大規(guī)模的電動(dòng)汽車群協(xié)同工作，通過聯(lián)網(wǎng)功能在用電高峰期間將電動(dòng)汽車存儲(chǔ)的電能回饋給電網(wǎng)，起到調(diào)峰等輔助作用。電動(dòng)汽車需要在家庭能源管理系統(tǒng)的控制下有序接入電網(wǎng)，以消除大量電動(dòng)汽車無序接入電網(wǎng)造成的危害3。

目前，居民側(cè)的分布式可再生能源主要是風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電。由于風(fēng)能和光能的間歇性、隨機(jī)性，以及風(fēng)能的反調(diào)節(jié)特性，需要利用儲(chǔ)能裝置改善風(fēng)電和光伏發(fā)電的電能質(zhì)量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，提高其利用率。風(fēng)電、光伏發(fā)電主要供給用戶自身使用，多余的電能賣給電網(wǎng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)除了用于提高可再生能源的電能質(zhì)量和電能利用率外，還可以在電力需求的“谷底”從電網(wǎng)吸取電能，在用電高峰時(shí)期供給家庭用電負(fù)載使用，或者售給電網(wǎng)來獲取經(jīng)濟(jì)效益，降低用戶的用電費(fèi)用。

家庭能源管理系統(tǒng)與外界既有能量的交換，也有信息的交換。它通過智能電表與外部電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙向能量流動(dòng)和計(jì)量。智能電表也是電力公司和家庭能源管理系統(tǒng)進(jìn)行通信的信息接口。

用戶可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)和家庭能源管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，比如通過Web頁(yè)面監(jiān)測(cè)當(dāng)前家庭用能情況，對(duì)家庭用電設(shè)備進(jìn)行控制。用戶還可以與朋友、同事等進(jìn)行節(jié)能比賽，獲取節(jié)能建議等。用戶也可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與家庭能源管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)上述功能。

智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)主要包含以下五個(gè)功能模塊：

1)用戶設(shè)置模塊。用戶通過人機(jī)界面對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，比如室內(nèi)環(huán)境溫度上下限、洗碗機(jī)的開始工作時(shí)間、電動(dòng)汽車的充電完成時(shí)間等;可以設(shè)定不同用電設(shè)備的優(yōu)先級(jí);選定不同的控制模式。用戶通過此模塊完成與系統(tǒng)相關(guān)的所有設(shè)置。

2)檢測(cè)模塊。檢測(cè)模塊用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)、設(shè)備檢測(cè)和用戶行為檢測(cè)。環(huán)境檢測(cè)包括室內(nèi)的溫度、濕度、光照等因素的檢測(cè);設(shè)備檢測(cè)指用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式電源的工作狀態(tài)檢測(cè)，比如電動(dòng)汽車的當(dāng)前連接狀態(tài)、充電功率、電池荷電狀態(tài)等;用戶行為檢測(cè)包括用戶物理位置檢測(cè)和家庭環(huán)境內(nèi)用戶行為模式的識(shí)別。

3)預(yù)測(cè)模塊。風(fēng)電、光伏發(fā)電具有出力不穩(wěn)定的特點(diǎn)，利用預(yù)測(cè)算法對(duì)其功率輸出進(jìn)行預(yù)測(cè)有利于提高它們的利用率。若用戶采用實(shí)時(shí)電價(jià)，還需要對(duì)電價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè);另外，也可以對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)，這些預(yù)測(cè)結(jié)果用于優(yōu)化調(diào)度過程以提高系統(tǒng)性能。

4)優(yōu)化調(diào)度模塊。該模塊是家庭能源管理系統(tǒng)的核心，它根據(jù)用戶設(shè)置、設(shè)備工作狀態(tài)、環(huán)境信息、人員活動(dòng)信息、電價(jià)信息、可再生能源的出力預(yù)測(cè)等信息對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的可調(diào)度用電負(fù)載及儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，達(dá)到用戶預(yù)先設(shè)定的某一最優(yōu)目標(biāo)，比如最小化用戶用電費(fèi)用等。

5)設(shè)備監(jiān)控模塊。該模塊根據(jù)優(yōu)化調(diào)度模塊計(jì)算的結(jié)果對(duì)用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，并將設(shè)備的工作狀態(tài)和當(dāng)前的用電狀態(tài)通過人機(jī)界面實(shí)時(shí)反映給用戶。

家庭能源管理系統(tǒng)利用通信技術(shù)將家庭環(huán)境內(nèi)的用電負(fù)載、分布式電源、儲(chǔ)能裝置及檢測(cè)控制裝置組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)用能的監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)信息流的雙向流動(dòng)。

關(guān)鍵技術(shù)及其未來研究方向智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的技術(shù)體系如右圖所示。物理層由負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源三類設(shè)備構(gòu)成;在中間層檢測(cè)、預(yù)測(cè)、用戶設(shè)置的基礎(chǔ)上對(duì)物理層設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果通過設(shè)備監(jiān)控作用于物理層設(shè)備上，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)成家庭能源管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)；在中間層的支持下可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、需求響應(yīng)、可再生能源接入、電動(dòng)汽車接入等系統(tǒng)功能。

在此技術(shù)體系中，檢測(cè)是進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度和監(jiān)控的基礎(chǔ)，優(yōu)化調(diào)度是核心，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一4。另一方面，風(fēng)電、光伏發(fā)電出力預(yù)測(cè)、電價(jià)預(yù)測(cè)和負(fù)載預(yù)測(cè)可直接采用已有的預(yù)測(cè)算法。因此，從檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和優(yōu)化調(diào)度算法三方面總結(jié)智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究取得的成果，討論存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，并指出未來的研究方向。

家庭能源管理系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)檢測(cè)的物理量范圍更廣、頻率更高、粒度更細(xì)。以檢測(cè)用電設(shè)備的耗電量為例，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)不僅要檢測(cè)家庭用戶的總用電量，還要將用電量細(xì)化到具體的用電設(shè)備和用電時(shí)段上。傳統(tǒng)檢測(cè)方法需要為每個(gè)檢測(cè)對(duì)象安裝傳感器，成本高，安裝、維護(hù)難，并且它是一種侵入式檢測(cè)方法，難以被用戶接受1。

非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。它由MIT的George Hart提出，最初用于居民樓負(fù)載監(jiān)測(cè)。該方法通過分析負(fù)載的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特征實(shí)現(xiàn)負(fù)載的識(shí)別。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法只需要在家庭環(huán)境內(nèi)安裝少量傳感器檢測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的用電量，然后通過算法來確定具體設(shè)備的工作狀態(tài)和耗電量。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法中設(shè)備特征選取和識(shí)別算法設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，目前的算法有時(shí)間序列法、維特比算法、整數(shù)規(guī)劃法、模糊聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等。

非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法采用的儀表少、成本低、安裝維護(hù)容易，易于被用戶接受，但對(duì)于能耗小、工作模式復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行識(shí)別比較困難，并且隨著設(shè)備數(shù)量的增加，識(shí)別精度下降；大部分算法需要大量的訓(xùn)練和標(biāo)定過程。

對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)用戶的物理位置和行為進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，采用一定的方法對(duì)用戶的行為模式進(jìn)行預(yù)測(cè)有利于家庭能源管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。檢測(cè)手段除了傳統(tǒng)的紅外法、RFID標(biāo)簽法外，還可以通過嵌入在家用電器中的無線收發(fā)器接收信號(hào)強(qiáng)度的變化來檢測(cè)人員活動(dòng)信息。

除了傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)為中心的人員行為檢測(cè)，也可以采用知識(shí)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行家庭環(huán)境內(nèi)人員行為檢測(cè)，比如利用本體對(duì)家庭環(huán)境和人員行為進(jìn)行表示、建模，采用語(yǔ)義推理、分類和領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行人員行為識(shí)別。

目前，家庭環(huán)境內(nèi)人員活動(dòng)行為的檢測(cè)和識(shí)別主要集中在單用戶方面，在實(shí)際家庭環(huán)境內(nèi)往往存在多個(gè)用戶，他們之間的行為具有藕合性，增大了行為識(shí)別和預(yù)測(cè)的難度，但識(shí)別和預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)提高家庭能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度性能具有重要價(jià)值。

因此，非侵入式檢測(cè)識(shí)別算法、多用戶用能行為檢測(cè)和識(shí)別是家庭能源管理系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)。

家庭能源管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與傳統(tǒng)的家庭能源管理系統(tǒng)不同，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)不僅要對(duì)單個(gè)家庭環(huán)境內(nèi)的用能進(jìn)行優(yōu)化、管理，而且多個(gè)家庭還要協(xié)同工作，因此，智能電網(wǎng)環(huán)境下的家庭能源管理系統(tǒng)需要家域網(wǎng)、小區(qū)網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)的支持。每個(gè)家庭能源管理系統(tǒng)含有一個(gè)智能電表，它是家域網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換的接口。同一區(qū)域的眾多智能電表構(gòu)成小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，來自各個(gè)智能電表的數(shù)據(jù)在小區(qū)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合中心進(jìn)行聚合，再通過廣域網(wǎng)送到電力公司用于實(shí)現(xiàn)用能計(jì)量、負(fù)載預(yù)測(cè)等功能;電力公司發(fā)布的需求響應(yīng)控制命令、電價(jià)等信息沿相反的路徑傳輸。三種網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系如右圖所示。

由于用戶移動(dòng)、增減用電負(fù)載等操作會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁改變，因此不適于采用有線方式組建家庭能源管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。無線通信技術(shù)是當(dāng)前組建家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)的主流技術(shù)，其中ZigBee技術(shù)由于具有低功耗、自組織、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、低成本等優(yōu)點(diǎn)，是家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)最常用的通信方式5。

家庭環(huán)境內(nèi)含有大量種類多樣的設(shè)備，由不同的制造商生產(chǎn)，采用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，盡管ZigBee技術(shù)在該領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但尚未形成家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)的統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)。這增加了系統(tǒng)集成的難度。

另外，目前家庭環(huán)境內(nèi)的大部分用電設(shè)備檢測(cè)、通信功能有限，需要外置的檢測(cè)、通信模塊來檢測(cè)自身用能情況和組成網(wǎng)絡(luò)，這種方式使家庭能源管理系統(tǒng)實(shí)施難度大、成本高、不易被用戶接受。

互操作研究仍是家庭能源管理系統(tǒng)家域網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。通過和智能家電制造商聯(lián)合制定家庭能源管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，未來的智能家電自身含有能量檢測(cè)和通信組網(wǎng)能力，來自不同制造商的智能家電能夠按照同一標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)組網(wǎng)，自我報(bào)告自身用能情況。這種標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于解決目前家庭能源管理系統(tǒng)存在的能量檢測(cè)精度低、設(shè)備互操作難的問題，降低家庭能源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本，提高用戶接受度。

網(wǎng)絡(luò)安全問題是智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域另外一個(gè)研究熱點(diǎn)。在智能電網(wǎng)環(huán)境下，用戶通過Internet和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)家庭能源管理系統(tǒng)采集大量的用戶用電數(shù)據(jù)。非法用戶可以通過用戶用電數(shù)據(jù)的分析推斷出用戶的生活習(xí)慣，造成用戶隱私泄露;非法的網(wǎng)絡(luò)入侵會(huì)威脅到系統(tǒng)的安全運(yùn)行，造成用戶的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)對(duì)于保障家庭能源管理系統(tǒng)的安全運(yùn)行和用戶隱私及經(jīng)濟(jì)利益具有重要的意義。

但家庭能源管理系統(tǒng)中的設(shè)備存在資源受限、計(jì)算能力弱的特點(diǎn)，比如，智能洗衣機(jī)的控制器是典型的中低端嵌入式微處理器，其計(jì)算能力有限。并且家庭能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中涉及控制的信息傳輸要滿足硬實(shí)時(shí)性的要求。所以傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)不能滿足系統(tǒng)需求，因此計(jì)算資源受限情況下滿足實(shí)時(shí)性要求的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)是未來的研究重點(diǎn)。

另外，家庭能源管理系統(tǒng)采集大量的用戶用電數(shù)據(jù)，內(nèi)含用戶隱私，如何在滿足電力公司正常需求的前提下盡量保護(hù)用戶隱私也是值得研究的方向之一。

家庭能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度算法對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度減少設(shè)備的空閑損耗、提高用電效率是傳統(tǒng)家庭能源管理系統(tǒng)的主要調(diào)度目的。智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的多樣性、可再生能源出力的不確定性、動(dòng)態(tài)電價(jià)、能量流動(dòng)的復(fù)雜性等因素都增大了優(yōu)化調(diào)度的難度。管理系統(tǒng)中的右圖所示是智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源能量流圖，箭頭表示能量流動(dòng)的方向，箭頭上的符號(hào)表示功率的大小。

虛線框內(nèi)的部分為單個(gè)家庭用戶擁有，它和大電網(wǎng)之間存在雙向的能量流動(dòng)關(guān)系：家庭用戶可以從大電網(wǎng)購(gòu)買電能供用電負(fù)載消耗，或由存儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)存，并為此支付相應(yīng)費(fèi)用;在動(dòng)態(tài)電價(jià)機(jī)制下，購(gòu)買電能時(shí)段的選擇直接影響到用戶支付費(fèi)用的多少。用戶也可以將分布式電源產(chǎn)生的多余電能和儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能出售給電網(wǎng)來獲得相應(yīng)的收益，并且售電時(shí)段的選擇也與其收益大小密切相關(guān)。

分布式電源產(chǎn)生的電能可以供給用電負(fù)載消耗、儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)和售給大電網(wǎng)，在一特定的時(shí)刻，不同的選擇會(huì)對(duì)用戶的用能費(fèi)用產(chǎn)生不同的影響。同樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)能量存儲(chǔ)、釋放策略的選擇也影響著用戶的用能費(fèi)用。因此，對(duì)虛線框內(nèi)用戶擁有的部件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各組成部分之間的能量流動(dòng)方向和大小進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度對(duì)降低用戶總用能費(fèi)用具有重要的意義。

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的功率輸出不穩(wěn)定，根據(jù)它們的出力預(yù)測(cè)對(duì)可調(diào)度用電負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度，能夠提高可再生能源的利用率。此外，需求響應(yīng)的實(shí)施和大規(guī)模電動(dòng)汽車的安全接入電網(wǎng)都需要優(yōu)化調(diào)度算法的支持，因此優(yōu)化調(diào)度問題是智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的核心問題。

根據(jù)優(yōu)化調(diào)度的目的不同，當(dāng)前的優(yōu)化調(diào)度算法主要分為以下三類:總用電功耗小于目標(biāo)值的調(diào)度算法、最大化可再生能源利用率的調(diào)度算法、最小化用戶用能費(fèi)用的調(diào)度算法。

1)總用電功耗小于目標(biāo)值的調(diào)度算法。在居民側(cè)實(shí)施需求響應(yīng)除了利用動(dòng)態(tài)電價(jià)信號(hào)通過經(jīng)濟(jì)刺激方法引導(dǎo)用戶改變用電模式外，電力公司還可以根據(jù)當(dāng)前的電力供應(yīng)情況，直接向用戶發(fā)布需求響應(yīng)控制信號(hào)，向用戶指定需求響應(yīng)的持續(xù)時(shí)段和在此期間該用戶的家庭用電上限，電力公司根據(jù)事先與用戶簽訂的協(xié)議為用戶支付相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。用戶收到需求響應(yīng)控制信號(hào)后，通過家庭能源管理系統(tǒng)中的優(yōu)化調(diào)度模塊對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，確保滿足需求響應(yīng)控制信號(hào)的要求，必要時(shí)可以犧牲用戶的部分舒適度。

優(yōu)化調(diào)度算法不僅要考慮可調(diào)度負(fù)載對(duì)家庭總用電量的影響，還要考慮不可調(diào)度負(fù)載及可再生能源出力不確定性對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響。

2)最大化可再生能源利用率的調(diào)度算法。光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的出力不確定性不利于它們大規(guī)模接入電網(wǎng)，限制了它們的利用率，通過大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以削弱出力波動(dòng)，提高可再生能源的利用率，但該方法成本高，不便推廣。同時(shí)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的出力波動(dòng)大，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量不易確定，儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率低。家庭能源管理系統(tǒng)通過對(duì)用電負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度，優(yōu)先消納本地光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源產(chǎn)生的電能，有利于提高可再生能源的利用率，降低可再生能源出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響。

家庭能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)站分小時(shí)發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)信息對(duì)可再生能源的出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后根據(jù)電價(jià)的預(yù)測(cè)結(jié)果和用電負(fù)載的優(yōu)先級(jí)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，從而最大化可再生能源的利用率，并最小化用戶用能費(fèi)用。

將電動(dòng)汽車的充/放電與可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)相結(jié)合，建立一個(gè)同時(shí)計(jì)及具有V2G功能的電動(dòng)汽車、風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)出力不確定性的電力系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度模型，可平抑可再生能源的出力波動(dòng)，改善電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，提高可再生能源的利用率。

3)最小化用戶用能費(fèi)用的優(yōu)化調(diào)度算法。在智能電網(wǎng)環(huán)境下，家庭能源管理系統(tǒng)除了降低負(fù)載的空閑損耗來降低用電費(fèi)用外，可以采取多種方法來降低用戶用電費(fèi)用:響應(yīng)電價(jià)信號(hào)，將部分負(fù)載從“高電價(jià)時(shí)段”調(diào)度到“低電價(jià)時(shí)段”;根據(jù)可再生能源發(fā)電的出力狀況協(xié)同控制用電設(shè)備增加低成本可再生能源的利用量，減少?gòu)碾娋W(wǎng)購(gòu)買的電能；將可再生能源產(chǎn)生的多余電量售給電網(wǎng)；利用儲(chǔ)能系統(tǒng)在低電價(jià)時(shí)存儲(chǔ)電能，在高電價(jià)時(shí)供給用電負(fù)載或售給電網(wǎng)獲取經(jīng)濟(jì)效益等。

不同的調(diào)度算法考慮的對(duì)象范圍不同，高壓交流輸電系統(tǒng)用電占整個(gè)家庭電能消耗的22.3% 到49%，提高高壓交流輸電系統(tǒng)的效率是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、用戶側(cè)需求響應(yīng)的重要手段，對(duì)降低用戶用電費(fèi)用具有重要意義。因此，高壓交流輸電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度算法是該領(lǐng)域當(dāng)前的研究重點(diǎn)之一。根據(jù)動(dòng)態(tài)變化的電價(jià)和室外溫度的變化對(duì)未來時(shí)段高壓交流輸電系統(tǒng)的溫度設(shè)定進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，能夠在保證用戶舒適度的條件下降低用戶用能費(fèi)用。檢測(cè)室內(nèi)人員活動(dòng)信息，分析用戶行為模式，有針對(duì)性地高壓交流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度也可以提高使用高壓交流輸電系統(tǒng)的效率，降低用戶用能費(fèi)用。利用房屋具有的儲(chǔ)能特性，根據(jù)可再生能源的出力狀況對(duì)高壓交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過提高可再生能源的利用率來降低用戶用能費(fèi)用。

家庭用戶不僅關(guān)心高壓交流輸電系統(tǒng)的用能費(fèi)用，更關(guān)心整個(gè)家庭環(huán)境內(nèi)的總用能費(fèi)用，因此優(yōu)化調(diào)度算法還要考慮其他用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式電源對(duì)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的影響。對(duì)家庭環(huán)境內(nèi)的分布式能源資源和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，也可以降低用戶的用能費(fèi)用。與只考慮用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式能源中的某一類或幾類的優(yōu)化調(diào)度算法相比，在統(tǒng)一的框架下綜合考慮用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式電源的優(yōu)化調(diào)度模型和算法能夠獲得更優(yōu)的結(jié)果。

在實(shí)際應(yīng)用中，并非所有用戶都同時(shí)擁有用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式能源和向電網(wǎng)出售電能的能力，但研究表明用戶擁有儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式電源和向電網(wǎng)出售電能的能力有助于降低用戶的用能費(fèi)用。

T.Hurbet和S.Grijalva1在優(yōu)化調(diào)度算法僅考慮用電負(fù)載的基礎(chǔ)上，依次加入儲(chǔ)能系統(tǒng)、用戶向電網(wǎng)售電能力、光伏發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組，每種情況下都用三種不同的算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度算法除了以上三類主要算法之外，一些研究人員提出了通過對(duì)一定數(shù)量的高壓交流輸電系統(tǒng)、熱水器、電動(dòng)汽車進(jìn)行協(xié)同調(diào)度控制，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行提供調(diào)頻、調(diào)峰等服務(wù)的算法。

研究表明用戶的用能費(fèi)用與用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式電源和向電網(wǎng)出售電能等因素均有關(guān)系，但在統(tǒng)一的優(yōu)化框架下綜合考慮這些因素的研究目前較少。另外，已有的調(diào)度算法對(duì)可再生能源出力預(yù)測(cè)、負(fù)載預(yù)測(cè)、電價(jià)預(yù)測(cè)、用戶用能不確定性和環(huán)境因素(比如室外環(huán)境溫度)等不確定性因素對(duì)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的影響研究不足。因此，在不確定性環(huán)境下基于統(tǒng)一優(yōu)化框架綜合考慮各種因素的調(diào)度算法是該領(lǐng)域未來的研究方向之一。

結(jié)語(yǔ)在智能電網(wǎng)環(huán)境下，居民用戶擁有用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式電源等設(shè)備，家庭環(huán)境內(nèi)的用電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)家域微電網(wǎng)。家庭能源管理系統(tǒng)為節(jié)能減排、提高用電效率及智能電網(wǎng)環(huán)境下的居民側(cè)需求響應(yīng)實(shí)施、分布式電源和電動(dòng)汽車接入網(wǎng)絡(luò)提供支持。研究人員在家庭能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度算法等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，但仍存在一些挑戰(zhàn)尚未解決。對(duì)智能電網(wǎng)環(huán)境下家庭能源管理系統(tǒng)的研究有助于智能電網(wǎng)技術(shù)在居民側(cè)的實(shí)施，能夠促進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)的健康發(fā)展。