一种基于动态时隙的智能家居家庭器具优化调度方法与流程

本发明涉及一种基于动态时隙的家庭器具优化调度方法，属于智能家居
技术领域：
。
背景技术：
：家庭器具的优化调度不仅可以保证用户和供电方的利益，还可以达到节能减排，保护环境的作用。从用户自身角度来看，电力消费是一种经济选择，用户根据自身的电力需求和电力系统满足其需求的能力来调整用电时间和用电量，实现满足用电需求的同时减少电费开销。但是，一般用户缺乏经济学考虑分析与控制学技术知识，所以自动化的家庭器具调度方法可以帮助用户实时调度家庭器具，减少电力支付；从供电商角度来看，自动化的家庭器具调度方法可以通过调度器具的使用时间，避免器具集中在某个电价较低的时段运行，减少系统的峰均比，保证系统的稳定性。因此，对于家庭器具优化调度方法的研究得到了广泛的关注。但是目前，在家庭器具优化调度的研究过程中，研究者大部分偏重于优化求解算法的创新，没有详细研究器具调度过程中有关时隙方面的问题，如：器具调度中时隙划分依据的研究和时隙划分对电力成本和计算复杂度的影响方面的研究等问题均没有被考虑过，由于器具的调度是在时隙划分的基础上进行的，所以对于时隙问题的研究在家庭器具优化调度中有着重要的作用。针对这一问题，现有的技术方案是：在文献[1](A.H.Mohsenian-Rad,andA.Leon-Garcia,“Optimalresidentialloadcontrolwithpricepredictioninreal-timeelectricitypricingenvironments,”IEEETrans.SmartGrid,vol.1,no.2,pp.120–133,Sep.2010.)中，调度空间的时隙长度被划分为1小时，即将一天划分为了24个时隙。然后 在此调度空间中，将家庭器具优化调度问题公式化为用户最小电力支付问题。然而，在此文献中并没有研究其它时隙长度对于电力支付的影响，也没有说明文中将时隙长度划分为1小时的依据；在文献[2](P.Samadi,H.Mohsenian-Rad,W.S.Wong,andR.Schober,“Tacklingtheloaduncertaintychallengesforenergyconsumptionschedulinginsmartgrid,”IEEETrans.SmartGrid,vol.4,no.2,pp.1007–1016,June,2013.)，[3](K.C.Sou,J.Weimer,H.Sandberg,andK.H.Johansson,“Schedulingsmarthomeappliancesusingmixedintegerlinearprogramming,”inProc.IEEE.Conf.CDC-ECC,Orlando,FL,USA,2011,pp.5144-5149.)中，研究了不同时隙长度(1小时，30分钟，10分钟和5分钟)对算法计算复杂度的影响，并以其中一种时隙长度为基础，将用户最小电力支付问题公式化。但是这些时隙的划分间隔均是固定的时隙长度，没有考虑动态时隙对家庭器具优化调度的影响。经分析，发现现有技术存在如下缺点：1)时隙长度的划分没有客观依据，无法与客观因素结合；2)在家庭器具优化调度过程中，固定的时隙长度无法权衡用户的电力支付和计算复杂度，比如：当时隙长度为1小时时，调度空间的时隙个数较少，会导致在某一时隙内器具开启个数过多，影响系统的稳定性；而当时隙长度为10分钟时，调度空间的时隙个数增多，有效避免了器具集中运行，保证了系统的稳定性，但是却增加了系统的计算复杂度。技术实现要素：基于此，本发明提出一种基于动态时隙的家庭器具优化调度方法。这种方法首先根据实时电价高低和用户的用电情况，将设定的调度循环分为时隙长度不同的调度空间。然后考虑器具的调度运算复杂度和器具的运行时长，划分不同调度空间的时隙长度。最后在所划分的动态时隙的基础上对家庭器具进行优化调度。本发明采用下述的技术方案：一种基于动态时隙的家庭器具优化调度方法，其特征在于包括如 下步骤：步骤1，将调度循环T分为时隙长度不等的调度空间T1和T2；步骤2，家庭中某器具请求在某个时隙范围内运行；根据该器具的运行时段，将器具分配到相应的调度空间；步骤3，根据器具的特性将该器具进行分类，如果器具为不可调度的器具，则不对器具进行调度，到达指定时隙直接运行该器具；如果器具为可调度的器具，更新可调度器具在最小电力支付的线性规划模型中的调度变量；步骤4，重复以上过程，直到处理完家中所有器具；步骤5，利用matlab调用CPLEX对所述线性规划模型求解，确定各器具实际的工作时隙。进一步地，调度空间T1和T2根据电价高低与用户用电高峰时段进行划分。优选地，将电价较低且用电高峰时段设定为调度空间T1，其它时段设定为调度空间T2。进一步地，根据器具调度运算复杂度问题和器具运行时长，划分调度空间T1和T2的时隙长度。优选地，将调度空间T1划分较小的时隙长度，调度空间T2划分较长的时隙长度。所述线性规划模型如下所示：minimizeΣt1∈T1Ct1(lAt1)lAt1uat1+Σt2∈T2Ct2(lAt2)lAt2uat2s.t.Σt1=αanaeat1uat1+Σt2=θaβaeat2uat2=Ra,a∈A,t1∈T1,t2∈T2Σa∈Aeat1uat1≤Et1,max,a∈A,t1∈T1Σa∈Aeat2uat2≤Et2,max,a∈A,t2∈T2uat1∈{0,1},a∈A,t1∈T1uat2∈{0,1},a∈A,t2∈T2]]>其中，k1和k2分别表示所划分的两个调度空间T1和T2的时隙个数，其中时隙t1∈T1＝[1,2,3,…,k1],时隙t2∈T2＝[1,2,3,…,k2]；A代表家庭中的可调度器具的集合，a表示其中一个可调度器具；为器具a∈A在时隙t1∈T1的能耗，为在时隙t1所有可调度器具的总能耗，表示在时隙t1时的电价；二进制变量和为 器具的开关状态，当时，表示器具a在时隙t1开启；反之，当时，表示器具a在时隙t1关闭；当时，表示器具a在时隙t2开启；反之，当时，表示器具a在时隙t2关闭；αa和ηa是调度空间T1内器具a的开始运行时隙和运行结束时隙，θa和βa是调度空间T2内器具a的开始运行时隙和运行结束时隙；Ea是器具a完成操作的能耗；Et,max表示在时隙t能够承受的最大能耗上限。本发明需要根据一些客观因素(电价高低、用户用电情况和器具运行时长等)对调度循环进行动态时隙划分，这种动态时隙的划分规格是：将电价较低且用电高峰时段划分为较小的时隙长度，这样可以分散器具的开启时间，保证系统的稳定性；而在其它时段划分较长的时隙长度，这样可以降低计算复杂度。因此，这种动态时隙的划分方法权衡了用户的电力支付和计算复杂度。附图说明图1是动态时隙划分原理图；图2是基于动态时隙的家庭器具优化调度流程图；图3是一天中的实时电价示意图；图4描述了基于固定时隙长度(时隙长度为1小时)优化调度后器具的操作分配；图5描述了基于动态时隙划分的优化调度后器具的操作分配；图6描述了基于固定时隙长度的优化调度前与优化调度后的电力成本；以及图7描述了基于动态时隙划分的优化调度后的电力成本。具体实施方式为使本发明的技术方案更加清楚明白，结合参照附图，对本发明进一步详细说明。这里以将调度循环划分为两个调度空间T1和T2为例说明本发明的技术方案。如图1的动态时隙划分原理图所示，将24小时设定为一个调度循环，用户的用电高峰时段为07:00-10:00和17:00-22:00，电价较低的时段为07:00-11:00和17:00-06:00。则将 用户用电高峰和低电价时段设定为调度空间T1，将其它时段设定为调度空间T2，其中调度空间T1的时隙长度较短，而调度空间T2的时隙长度较长。这种根据实际用电情况和电价情况来划分动态时隙的方法，可以使用户根据每天的实际情况合理的安排器具。并且在调度空间T1中时隙个数相对较多，可以分散器具的开启时间，在调度空间T2中时隙个数相对较少，可以降低计算复杂度。这样，既保证了系统稳定性，又降低了计算复杂度。根据图1中动态时隙的划分方法，分别用k1和k2表示所划分的两个调度空间T1和T2的时隙个数，其中时隙t1∈T1＝[1,2,3,…,k1],时隙t2∈T2＝[1,2,3,…,k2]。A代表家庭中的可调度器具的集合，a表示其中一个可调度器具。假设为器具a∈A在时隙t1∈T1的能耗，为在时隙t1所有可调度器具的总能耗，表示在时隙t1时的电价。因此，可调度器具在调度空间T1运行时总的电力支付为：同上面原理相同，可调度器具在调度空间T2运行时总的电力支付为：这里定义二进制变量和为器具的开关状态，当时，表示器具a在时隙t1开启；反之，当时，表示器具a在时隙t1关闭。同理，当时，表示器具a在时隙t2开启；反之，当时，表示器具a在时隙t2关闭。则用户可调度器具的最小电力支付可以被公式化为一个线性规划模型，如公式(1)所示：minimizeΣt1∈T1Ct1(lAt1)lAt1uat1+Σt2∈T2Ct2(lAt2)lAt2uat2s.t.Σt1=αanaeat1uat1+Σt2=θaβaeat2uat2=Ra,a∈A,t1∈T1,t2∈T2Σa∈Aeat1uat1≤Et1,max,a∈A,t1∈T1Σa∈Aeat2uat2≤Et2,max,a∈A,t2∈T2uat1∈{0,1},a∈A,t1∈T1uat2∈{0,1},a∈A,t2∈T2---(1)]]>其中，αa和ηa是调度空间T1内器具a的开始运行时隙和运行结束时隙，θa和βa是调度空间T2内器具a的开始运行时隙和运行结束时隙；Ea是器具a完成操作的能耗；Et,max表示在时隙t能够承 受的最大能耗上限。基于动态时隙的家庭器具优化调度的具体实施步骤如图2的流程图所示：1、根据电价高低与用户用电高峰时段将调度循环T分为时隙长度不等的调度空间T1和T2；2、根据器具调度运算复杂度问题和器具运行时长，划分调度空间T1和T2的时隙长度，时隙长度分别为△1和△2，则调度空间T1包括k1个时隙，调度空间T2包括k2个时隙；3、家庭中某器具请求在某个时隙范围内运行；4、根据该器具的运行时段，将器具分配到相应的调度空间；5、根据器具的特性将该器具进行分类，如果器具为不可调度的器具，则不对器具进行调度，到达指定时隙直接运行该器具；如果器具为可调度的器具，更新公式(1)中有关此器具的调度变量，用a表示该可调度器具，则更新的调度变量包括：和Ea等；6、重复以上过程，直到处理完家中所有器具；7、利用matlab调用CPLEX对公式(1)求解。使用本发明的方法，根据当天的电价高低、用户用电情况等客观因素划分动态时隙，可以根据当天具体情况实时地调度器具。并且基于动态时隙的家庭器具调度，可以分散在电价较低且用电高峰时段器具的开启时间，保证系统的稳定性，还可以权衡用户的电力支付和计算复杂度。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。表1中是这个家庭中所运行的可调度器具的参数设定。根据表1中的参数对本发明进行仿真验证。根据表1中器具的种类以及器具的工作时段，将公式(1)中的整数变量和约束条件进行更新，我们在表2中列出了以三种不同时隙长度划分为基础构建的模型中整数变量、约束条件的数量个数和求解这三种模型的运行时间，可以发现本发明提出的时隙划分方法要比把24小时平均划分为10分钟的等间隔时隙的复杂度低很多，虽然本发明提出的方法相比于把一天24小时划分为 1小时的等间隔时隙的复杂度高，但是本发明提出的在电价较低的用电高峰期时段内将时隙间隔进一步细化可以分散器具的开启时间，使每个时隙器具的运行数量减少，避免了在某一个时间点产生过高的能耗。表1表2图3是某天7点到第二天6点的实时电价示意图。根据图3中的实时电价和用户的用电高峰(07:00-10:00和17:00-22:00)，将07:00-10:00和17:00-22:00时段设定为调度空间T1，其时隙长度为10分钟，即t1∈T1＝[1,2,…,60]；将11:00-16:00和23:00-06:00时段设定为调度空间T2，其时隙长度为1小时，即t2∈T2＝[1,2,…,14]。利用现有的固定时隙划分方法，对家庭器具进行调度，图4描述了基于固定时隙长度(时隙长度为1小时)优化调度后器具的操作分配。图5描述了基于动态时隙划分的优化调度后器具的操作分配。从图4中可观察到，采用基于1小时时隙长度的优化调度后，在第1个时隙有3种器具同时开启，导致这一时隙的能耗过高，对系统的稳定性产生影响；而采用本发明中提出的在电价较低且用电高峰时段划分较短时隙长度的方法，分散了器具的开启时间，如图5所示，这样就保证了系统的稳定性。同样，以现有的固定时隙划分方法为基础，对家庭器具进行调度，调度前和调度后的电力成本如图6所示，经计算，优化调度前的用户24小时的电力支付为83.25分，当家庭器具调度的时隙长度为1小时，优化调度后用户24小时的电力支付为70.58分，降低了15.2％；在图7中，利用本发明提出的动态时隙划分方法进行家庭器具优化调度，经过优化调度后用户24小时的电力支付为57.38分，相比于基于1小时固定时隙长度优化调度后的电力支付又降低了18.7％。可见，本发明提出的这种动态时隙划分方法，不仅可以分散器具的开启时间，避免在某个时隙产生过高的功耗，还能降低用户的电力支付。从以上所述的具体实施例，可以说明本发明可以分散器具的开启 时间，权衡用户的电力支付和计算复杂度。根据一些客观因素(电价高低、用户用电情况和器具运行时长等)对调度循环进行动态时隙划分；在动态时隙划分的基础上，进行家庭器具的优化调度。本发明的技术方法适用于任何家庭器具调度方案，当划分动态时隙的依据改变时，可以将调度循环划分为其它的调度空间，然后对不同调度空间分配不同时隙长度，进而在此动态时隙的基础上进行家庭器具优化调度。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3