多层级家庭能量管理系统以及适用于多层级家庭能量管理系统的能量管理方法

技术领域

本公开的至少一个实施例涉及多层级家庭能量管理系统以及适用于多层级家庭能量管理系统的能量管理方法。

背景技术

随着智能家居、物联网、再生能源技术的发展以及国家颁布的一系列新能源扶持政策，分布式光伏发电、户用储能、智能家电正在居民家庭中快速推广。家庭能量管理系统(HEMS，Home Energy Management System)作为能量管理技术在用户侧的体现，可通过结合家庭中各种分布式电源、户用储能、多种家用设备及实时电价信息等，以实现用户用电消费最低或者能源消耗最小为目标，给出满足用户需求的各类负荷及分布式能源的优化控制策略，同时还可以结合负荷变化、环境变化对系统调度策略进一步进行优化，甚至对电网调峰做出显著贡献。

在一个低压配电区域内，往往同时存在多个家庭微网，每个家庭分布式电源配置和负荷需求并不一致，家庭微网间往往存在能量的双向流动，彼此的电能可相互支撑，如果仅考虑单一家庭微网的运行特征，难以提高整个区域多家庭微网系统的能源利用率和经济性。因此如何对多个家庭微电网系统采取行之有效的优化能量管理策略，是实现家庭微网规模化应用、提高家庭微网运行效益的关键。

发明内容

本公开的至少一个实施例提供了一种多层级家庭能量管理系统，包括：

多个家庭微网，包括至少一个第一家庭微网和至少一个第二家庭微网，所述多个家庭微网均包括下层能量管理系统，所述下层能量管理系统包括光储一体机或家庭能量管理系统中的一种，所述第一家庭微网和所述第二家庭微网的下层能量管理系统不同，其中，所述多个家庭微网之间电力连接，构成区域配电网络，并与电网连接；

上层能量管理系统控制器，配置为与所述多个家庭微网的下层能量管理系统通信连接，并调整所述下层能量管理系统的工作模式，在所述多个家庭微网之间进行能量调配，使得所述多个家庭微网的总运行成本最低。

在本公开的一个实施例中，所述第一家庭微网包括第一入户双向电表，所述下层能量管理系统为光储一体机，所述第一入户双向电表与所述光储一体机通信连接且电力连接，所述第二家庭网络包括第二入户双向电表，所述第二入户双向电表与所述家庭能量管理系统通信连接，所述第一入户双向电表和所述第二入户双向电表相互电力连接，并与所述区域配电网络电力连接。

在本公开的一个实施例中，所述第一家庭微网还包括第一光伏组件和第一储能电池，所述光储一体机与所述第一光伏组件电力连接，所述光储一体机与所述第一储能电池通信连接且电力连接。

在本公开的一个实施例中，所述第二家庭微网还包括光伏逆变器和第二光伏组件，所述下层能量管理系统为家庭能量管理系统，所述光伏逆变器与所述家庭能量管理系统通信连接，并与所述第二入户双向电表以及所述第二光伏组件电力连接。

在本公开的一个实施例中，所述第二家庭微网还包括储能变流器和第二储能电池，所述储能变流器与所述家庭能量管理系统以及所述第二储能电池通信连接，并与所述第二入户双向电表以及所述第二储能电池电力连接。

在本公开的一个实施例中，所述上层能量管理系统控制器通信连接至云平台，所述云平台配置为对所述多层级家庭能量管理系统进行远程业务管理。

在本公开的一个实施例中，所述总运行成本包括所述第一家庭微网的第一微源发电成本、从所述电网购电的第一购电成本、向所述电网售电的第一售电成本、第一设备维护成本以及第一可靠性惩罚成本、所述第二家庭微网的第二微源发电成本、从所述电网购电的第二购电成本、向所述电网售电的第二售电成本、第二设备维护成本以及第二可靠性惩罚成本。

在本公开的一个实施例中，所述第一微源发电成本包括第一家庭微网的光伏发电成本以及第一家庭微网的蓄电池放电成本，以及第二微源发电成本包括第二家庭微网的光伏发电成本以及第二家庭微网的蓄电池放电成本；

第一购电成本包括分时电价对应的购电费率与第一家庭微网向所述电网分时购电的功率的乘积，第二购电成本包括分时电价对应的购电费率与第二家庭微网向所述电网分时购电的功率的乘积；

第一售电成本包括分时微电网余电上网的售电费率与第一家庭微网向所述电网分时售电的功率的乘积，第二售电成本包括分时微电网余电上网的售电费率与第二家庭微网向所述电网分时售电的功率的乘积；

第一设备维护成本包括第一家庭微网光伏设备维护及折旧成本以及第一家庭微网的蓄电池维护成本，第二设备维护成本包括第二家庭微网光伏设备维护及折旧成本以及第二家庭微网的蓄电池维护成本；以及

第一可靠性惩罚成本包括：网损惩罚成本、三相不平衡惩罚成本、电压偏移不合格率惩罚成本、谐波超标惩罚成本。

在本公开的一个实施例中，所述上层能量管理系统控制器基于约束条件，根据总成本最小，确定所述至少一个第一家庭微网和所述至少一个第二家庭微网中的每一个家庭微网对应的调度功率值，并将调度功率值下发给对应的家庭微网中的所述光储一体机或所述家庭能量管理系统。

本公开的至少一个实施例提供了一种适用于多层级家庭能量管理系统的能量管理方法，所述多层级家庭能量管理系统包括：

多个家庭微网，所述多个家庭微网包括至少一个第一家庭微网和至少一个第二家庭微网，所述多个家庭微网之间电力连接，构成区域配电网络，并与电网连接，所述多个家庭微网均包括下层能量管理系统，所述下层能量管理系统包括光储一体机或家庭能量管理系统中的一种，所述第一家庭微网和所述第二家庭微网的下层能量管理系统不同；以及

上层能量管理系统；

所述能量管理方法包括：

基于多个家庭微网的总运行成本最低，结合多个约束条件，确定对应于各个家庭微网的各个调度功率值；以及

所述能量管理系统根据所述各个调度功率值，生成各个家庭微网的功率调度指令。

在本公开的一个实施例中，所述总运行成本包括各个家庭微网的微源发电成本、从所述电网购电的购电成本、向所述电网售电的售电成本、设备维护成本以及可靠性惩罚成本。

在本公开的一个实施例中，生成各个家庭微网的功率调度指令之后，对于所述多个家庭微网中的一个家庭微网，所述能量管理方法还包括：

读取能量管理系统控制器调度功率指令；

读取所述家庭微网的下层能量管理系统的类型；

确定所述家庭能量管理系统是否为光储一体机；

在所述家庭能量管理系统为光储一体机的情况下，确定所述光储一体机的工作模式；

确定调度功率是否为正；

在调度功率为正的情况下，确定所述光储一体机是否为余电上网模式；

在所述光储一体机为余电上网模式的情况下，控制家庭微网的储能装置的充放电功率，使之与所述调度功率匹配。

在本公开的一个实施例中，所述能量管理方法还包括：在所述家庭能量管理系统不为光储一体机的情况下，控制家庭微网系统的光伏逆变器和储能变流器，执行所述调度功率指令。

在本公开的一个实施例中，所述能量管理方法还包括：

在调度功率不为正的情况下，判断调度功率是否为负；以及

在调度功率不为负的情况下，切换所述光储一体机的工作模式为自发自用。

在本公开的一个实施例中，在确定调度功率为负的情况下，所述能量管理方法还包括：切换光储一体机的工作模式为电池维护。

在本公开的一个实施例中，在确定所述光储一体机不为余电上网模式的情况下，所述能量管理方法还包括：将所述光储一体机的工作模式切换为余电上网模式。

在本公开的实施例中，在多个家庭微网已经安装家庭能量管理系统的基础上，通过在未安装家庭能量管理系统的家庭微网中安装光储一体机，并在家庭微网之上设置能量管理系统控制器作为区域配电网络的能量管理系统的控制器。这样，即使在在上述区域配电网络中的多个家庭微网的分布式电源配置(即光伏组件)和负荷需求并不一致的情况下，通过上述的硬件架构，可以使能量管理系统控制器作为区域配电网络的能量管理系统的控制器，统筹安排该区域配电网络的能量管理，通过结合各个家庭微网中的光伏组件、户用储能、家用电器设备等家庭负荷以及实时电价信息，实现家庭微网间的能量的双向流动，使得彼此的电能可以相互支撑，提高整个区域多家庭微网系统的能源利用率和经济性。可以实现用户用电消费最低或者能源消耗最小的目标，提供满足用户需求的各类负荷及分布式能源的优化控制策略，同时还可以结合负荷变化、环境变化对系统调度策略进一步进行优化，甚至对电网调峰做出显著贡献。

附图说明

图1示出了根据本公开实施例的多层级家庭能量管理系统的示意性结构框图；

图2示出了根据本公开实施例的适用于多层级家庭能量管理系统的能量管理方法的流程图；以及

图3示出了根据本公开的一个实施例的适用于多层级家庭能量管理系统的能量管理方法的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本申请进一步详细说明。通过这些说明，本申请的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在专利申请公开CN 105576702 A中通过将社区能源网络管理平台、户用能源路由器将光储一体机、户用可控负荷结合在一起，使户用能源路由器与公共电网除的潮流具有一定的可控性。在专利申请公开CN 113183814 A中采用了服务器向多个能量路由器发送命令以及接收信息来实现能量调度管理。

在现有技术中均为考虑真实适用场景。在区域配电网络内，很多家庭微网已经安装有单独的家庭能量管理系统。现有家庭能量管理系统可分为两种，一种是光储一体机，通过内部集成家庭能量管理系统的功能，采集家庭入户双向电表数据，并结合自身采集的光伏、储能系统信息对整个家庭供用电系统进行调度管理，但是光储一体机存在工作模式固定且控制策略简单的问题。另外一种是单独家庭能量管理系统装置，通过数据采集模块来读取双向电表、户用光伏逆变器、户用储能变流器信息，并通过数据处理模块对家庭内的能量进行调度控制。

但如何在尽量不破坏现有网络且投入改动资金最小的情况下，实现多个家庭微网的能量调度优化，存在一定的困难。

针对上述问题，本公开的至少一个实施例提供了一种多层级家庭能量管理系统，包括：

多个家庭微网，包括至少一个第一家庭微网和至少一个第二家庭微网，所述多个家庭微网均包括下层能量管理系统，所述下层能量管理系统包括光储一体机或家庭能量管理系统中的一种，所述第一家庭微网和所述第二家庭微网的下层能量管理系统不同，其中，所述多个家庭微网之间电力连接，构成区域配电网络，并与电网连接；

上层能量管理系统控制器，配置为与所述多个家庭微网的下层能量管理系统通信连接，并调整所述下层能量管理系统的工作模式，在所述多个家庭微网之间进行能量调配，使得所述多个家庭微网的总运行成本最低。

图1示出了根据本公开一个实施例的多层级家庭能量管理系统的示意图。如图1所示，多层级家庭能量管理系统包括多个家庭微网以及能量管理系统管理器。所述多个家庭微网包括多个家庭微网，在图1中示出为1号家庭微网、2号家庭微网、3号家庭微网以及4号家庭微网等，其中，1号家庭微网和3号家庭微网的构造相同，2号家庭微网和4号家庭微网的构造相同。但在实际的构造中，多个家庭微网包括至少一个(可以为两个或更多个)与1号家庭微网构造相同的家庭微网，还包括至少一个(可以为两个或更多个)与2号家庭微网构造相同的家庭微网。

1号家庭微网包括第一入户双向电表、光储一体机、第一光伏组件以及第一储能电池，其中，所述光储一体机与所述第一入户双向电表和第一储能电池电力连接且通信连接，所述光储一体机与所述第一光伏组件电力连接，所述光储一体机与所述第一储能电池电力连接且通信连接，以及，所述第一入户双向电表与家庭负荷电力连接。在本公开的一个实施例中，所述第一光伏组件可以为5kW光伏组件，所述第一储能电池可以为9.6kWh储能电池。当然，所述第一光伏组件和所述第一储能电池还可以是其他规格的。

2号家庭微网包括第二入户双向电表、家庭能量管理系统、光伏逆变器、储能变流器、第二光伏组件以及第二储能电池。所述第二入户双向电表与所述家庭能量管理系统通信连接，所述第二入户双向电表与所述光伏逆变器、所述储能变流器以及第二家庭负荷电力连接。所述光伏逆变器与所述家庭能量管理系统通信连接，并与所述第二光伏组件电力连接。所述储能变流器与所述家庭能量管理系统通信连接，并与所述第二储能电池电力连接并通信连接。

1号家庭微网的光储一体机和2号家庭微网的家庭能量管理系统均与能量管理系统控制器通信连接。

1号家庭微网的第一入户双向电表和2号家庭微网的第二入户双向电表连接在一起，形成包括多个家庭微网的区域配电网络，并与交流电网电力连接。

所述多层级家庭能量管理系统的能量管理系统控制器还通信连接至云平台，所述云平台配置为对所述多层级家庭能量管理系统进行远程业务管理。

在多个家庭微网已经安装家庭能量管理系统的基础上，通过在未安装家庭能量管理系统的家庭微网中安装光储一体机，并在家庭微网之上设置能量管理系统控制器作为区域配电网络的能量管理系统的控制器。这样，即使在在上述区域配电网络中的多个家庭微网的分布式电源配置(即光伏组件)和负荷需求并不一致的情况下，通过上述的硬件架构，可以使能量管理系统控制器作为区域配电网络的能量管理系统的控制器，统筹安排该区域配电网络的能量管理，通过结合各个家庭微网中的光伏组件、户用储能、家用电器设备等家庭负荷以及实时电价信息，实现家庭微网间的能量的双向流动，使得彼此的电能可以相互支撑，提高整个区域多家庭微网系统的能源利用率和经济性。可以实现用户用电消费最低或者能源消耗最小的目标，提供满足用户需求的各类负荷及分布式能源的优化控制策略，同时还可以结合负荷变化、环境变化对系统调度策略进一步进行优化，甚至对电网调峰做出显著贡献。

根据本公开实施例的多层级家庭能量管理系统与大型光储微网系统采用本地SCADA监控平台不同，多层级家庭能量管理系统采用云平台用于实现远程业务管理，增加上层能量控制系统控制器来执行调度优化算法，并实现对各个家庭微网控制指令的下发，反馈控制效果，同时收集各个家庭微网系统的家庭能量管理系统或光储一体机上传的设备信息，控制各个家庭微网间的电能平衡控制，保证局域电网的安全稳定运行。

在本公开的实施例中，为了实现用户用电消费最低或者能量消耗最小的目标，同时兼顾系统的可靠性，建立以下目标函数：

min C＝C

其中，其中C为区域配电网络的总运行成本，C

在本公开的一个实施例中，微源发电成本C

在本公开的一个实施例中，区域配电网络与公共电网的购售电成本

在本公开的一个实施例中，区域配电网络设备维护成本C

在本公开的一个实施例中，区域配电网络的可靠性惩罚成本C

在建立了上述目标函数之后，考虑各种约束条件，例如，系统整体功率平衡约束、区域配电网络与电网交互功率约束、光伏组件出力功率约束、储能充放电功率约束、储能SOC约束等，根据目标函数得到各个家庭微网调度功率值，并通过能量关系系统管理器下发给各个家庭微网的家庭能量管理系统或者光储一体机，实现各个家庭微网的功率调度。

下文将结合本公开的适用于多层级家庭能量管理系统的方法，对通过能量关系系统管理器下发给各个家庭微网的家庭能量管理系统或者光储一体机，实现各个家庭微网的功率调度进行说明。

本公开的至少一个实施例提供了一种适用于多层级家庭能量管理系统的能量管理方法，所述多层级家庭能量管理系统包括：

多个家庭微网，所述多个家庭微网包括至少一个第一家庭微网和至少一个第二家庭微网，所述多个家庭微网之间电力连接，构成区域配电网络，并与电网连接，所述多个家庭微网均包括下层能量管理系统，所述下层能量管理系统包括光储一体机或家庭能量管理系统中的一种，所述第一家庭微网和所述第二家庭微网的下层能量管理系统不同；以及

上层能量管理系统；

如图2所示，所述能量管理方法包括：

S01，基于多个家庭微网的总运行成本最低，结合多个约束条件，确定对应于各个家庭微网的各个调度功率值；以及

S02，根据所述各个调度功率值，生成各个家庭微网的功率调度指令。

如上文所述，总运行成本最低指的是minC＝C

区域配电网络的微源发电成本包括各个家庭微网光伏发电成本以及各个家庭微网的蓄电池充放电成本之和；区域配电网络与公共电网的购售电成本包括分时电价对应的购电费率与区域配电网络向公共电网购电的功率的乘积以及区域配电网络余电上网的功率与余电上网价格对应的余电上网费率的乘积之和；区域配电网络设备维护成本包括各个家庭微网光伏设备维护及折旧成本与各个家庭微网的蓄电池维护成本之和；以及，区域配电网络的可靠性惩罚成本包括：网损惩罚成本、三相不平衡惩罚成本、电压偏移不合格率惩罚成本、谐波超标惩罚成本。

以上述目标函数最小为目标，综合考量各种约束条件，例如，系统整体功率平衡约束、区域微电网与配网交互功率约束、光伏出力功率约束、储能充放电功率约束、储能SOC约束等，并结合目标函数，可以得到区域配电网络中的各个家庭微网的各个调度功率值，能量管理系统控制器根据所述各个调度功率值，生成各个家庭微网的功率调度指令，并将功率调度指令下发给对应的家庭微网。

图3示出了生成各个家庭微网的功率调度指令之后，所述能量管理方法还包括：

S101，读取能量管理系统控制器调度功率指令；

S102，读取家庭能量管理系统类型；

S103，确定所述下层能量管理系统是否为光储一体机；

S104，在所述下层能量管理系统为光储一体机的情况下，确定所述光储一体机的工作模式；

S105，确定调度功率是否为正；

S106，在调度功率为正的情况下，确定所述光储一体机是否为余电上网模式；

S107，在所述光储一体机为余电上网模式的情况下，控制家庭微网的储能装置的充放电功率，使之与所述调度功率匹配。

在本公开的一个实施例中，如图3所示，所述能量管理方法还包括：S1031，在所述下层能量管理系统不为光储一体机的情况下，控制家庭微网系统的光伏逆变器和储能变流器，执行所述调度功率指令。

在确定下位能量管理系统不为光储一体机的情况下，可以确定下位能量管理系统为家庭能量管理系统，如上文所述以及如图1所示，家庭能量管理系统与光伏逆变器和储能变流器通信连接，此时，家庭能量管理系统通过控制光伏逆变器和储能变流器，即可执行所述调度功率指令。

在本公开的一个实施例中，如图3所示，所述能量管理方法还包括：S1051，判断调度功率是否为负，以及，S1053，在调度功率为负的情况下，切换所述光储一体机的工作模式为自发自用。

在S1051中，判断调度功率是否为负的含义是，确定家庭微网是否从电网接收功率。如果确定调度功率为负，则确定家庭微网从电网接收功率，如果确定调度功率为零，则确定家庭微网不从电网接收功率，再结合S105中判断调度功率不为正，即，家庭微网不向电网提供功率，则可以确定家庭微网的工作模式为自发自用，此时，将光储一体机的工作模式切换为自发自用。

在本公开的一个实施例中，如图3所示，在确定调度功率为负的情况下，所述能量管理方法还包括：S1052，切换光储一体机的工作模式为电池维护。即，在S1051中确定调度功率为负时，表示家庭微网从电网接收功率，此时，将光储一体机的工作模式调整为储能电池维护，储能电池从电网接收功率。

如图3所示，在本公开的一个实施例中，在S106中确定所述光储一体机不为余电上网模式时，所述能量管理方法还包括，S1061，将所述光储一体机的工作模式切换为余电上网模式。

在根据本公开实施例的适用于多层级家庭能量管理系统的方法中，基于多个家庭微网的总运行成本最低，结合多个约束条件，确定对应于各个家庭微网的各个调度功率值；并根据所述各个调度功率值，生成各个家庭微网的功率调度指令，之后，将对应于各个家庭微网的功率调度指令下发给各个家庭微网，读取能量管理系统控制器调度功率指令，确定下位能量管理系统类型，在下位能量管理系统不为光储一体机的情况下，控制光伏逆变器和储能变流器执行调度功率指令，在下位能量管理系统为光储一体机情况下，确定光储一体机的工作模式，请确定调度功率的值，根据调度功率的值切换光储一体机的工作模式，控制家庭微网的储能装置的充放电功率，使之与所述调度功率匹配。通过上述方法，可以在区域配电网络中兼容光储一体机和家庭能量管理系统，降低了改造现有网络的成本，并能够实现区域配电网络的总运行成本最小的目标，同时结合了各种约束条件，兼顾了系统的整体可靠性。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于本申请工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本申请进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本申请进行多种替换和改进，这些均落入本申请的保护范围内。