本发明涉及基于合作博弈的智能家庭能量管理实验系统。
背景技术：
目前，智能电网已成为世界电网发展的大趋势，符合社会和经济发展的必然要求。需求响应(dr)是指电力用户根据市场的价格信号或激励机制主动调整用电方式，以保证系统运行的安全性和可靠性，从而达到节能降耗、提高终端用电效率的目的。为改善电网负荷曲线，传统dr主要针对工商业等大型用户展开，针对居民用户则主要采取拉闸限电的调峰策略，用电方式较为被动。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，居民用户的大功率家电(如空调、电热水器等)在数量和容量上都在逐年增加，成为形成电网高峰负荷乃至尖峰负荷的重要原因。随着居民用户家电智能化程度的不断提高，通过先进的通信及控制技术，使得居民用户与电网之间的互动成为可能。通过智能家电运行时段的合理安排和优化运行，可以有效减少用电费用，降低居民用户用电负荷峰值，现已成为电力需求侧管理的重要发展方向。
在电力需求侧管理中，合作博弈可以用来协调居民用户之间的经济利益关系。合作博弈理论近年来已经成为了解决复杂决策问题以及多目标优化问题的一种科学的研究方法。合作博弈侧重于研究如何合作以使得集体的利益最大，以及在合作完成后集体利益如何进行有效分配，因而它强调参与者集体都需要理性地协商以确定合作的策略。当博弈中的各参与者采取合作的方式形成合作博弈时，各参与者的利益都至少不会减少，即或者都有所增加、或者部分参与者的收益保持不变。
家庭能量管理作为智能电网的直观展示平台，同时也是智能电网中的一个重要环节。如何根据电力公司的电价信息，引导用户经济用电和管理用电习惯及电价响应已成为家庭能量管理技术的发展方向。然而，现阶段，用户电能表只记录家庭总的电能消耗，无法分析各家用设备的能耗情况，并缺少与电力公司互动的手段，无法实现能量流、信息流的双向互动；当前家庭用户普遍缺乏对需求响应、电价策略及激励政策等知识的了解；且当前市场上缺乏可辅助用户进行用电决策的家庭能源优化管理系统，这些问题极大削弱了用户在电价市场中的影响力。
通过以上分析可以发现，开发一套基于合作博弈的智能家庭能量管理实验系统，对于研究居民用户与电力公司灵活双向互动的运行模式、以及实现家庭用户侧用电的智能化、经济化具有重要意义。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于合作博弈的智能家庭能量管理实验系统。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于合作博弈的智能家庭能量管理实验系统，包括上位机和n个模拟家庭用户，市电由交流电转化为直流电后给上位机和模拟家庭用户供电，模拟家庭用户内部的设备包括光伏板、蓄电池、控制器、智能插座、智能电表以及负荷；智能插座用于采集光伏发电利用量、各类负荷用电量以及负荷开关状态，通过双向通信网络上传至智能电表，接收并执行智能电表下达的负荷控制指令；智能电表用于接收智能插座采集的信息以及上位机发布的电价信号和负荷控制指令；上位机用于模拟电力公司控制中心，制定并发布电价政策，接收用户用电信息，执行合作博弈优化算法，并向各模拟家庭用户智能电表下达负荷控制指令。
进一步，所述负荷包括不可转移负荷和可转移负荷。
进一步，所述不可转移负荷包括照明设备和电冰箱，可转移负荷包括洗衣机、洗碗机和充电汽车；其中，照明设备通过直流灯泡和功率电阻来模拟，电冰箱、洗衣机和洗碗机通过直流电机和功率电阻来模拟，充电汽车通过直流电机、功率电阻和锂电池来模拟。
进一步，所述双向通信网络涉及智能电表、智能插座和上位机，具体地：智能插座和智能电表之间通过wifi通信模块或zigbee通信模块进行双向数据交互，智能电表和上位机之间以wifi通信模块或zigbee通信模块进行双向数据交互。
进一步，所述双向通信网络采用modbus-rtu协议。
进一步，所述上位机通过运行matlab软件执行集中式合作博弈优化算法，并将优化结果以图形用户界面gui显示，通过在matlabgui中进行串口通信编程，从而将各模拟家庭用户的负荷优化控制策略以无线通信方式发送给对应智能电表。
有益效果：本发明公开了一种基于合作博弈的智能家庭能量管理实验系统，该实验系统可实现家庭内部能耗可视化，提供了用户与电力公司之间互动用电的手段，为家用负荷(如洗衣机、洗碗机、电动汽车等)用电提供辅助决策，从而实现一种基于价格响应的优化控制策略，有利于在实验室范围内实验研究居民用户与电力公司灵活双向互动的运行模式、实现家庭用户侧用电的智能化、经济化。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的实验系统的总体结构图；
图2为本发明具体实施方式的具体实现流程。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于合作博弈的智能家庭能量管理实验系统，该实验系统可实现家庭内部能耗可视化，提供了用户与电力公司之间互动用电的手段，为家用负荷(如洗衣机、洗碗机、电动汽车等)用电提供辅助决策，从而实现一种基于价格响应的优化控制策略，有利于实验研究居民用户与电力公司灵活双向互动的运行模式、实现家庭用户侧用电的智能化、经济化。该实验系统包括上位机和3个模拟家庭用户，市电通过ac/dc模块由交流电转化为直流电后给上位机和模拟家庭用户供电，模拟家庭用户内部的设备包括光伏板、蓄电池、控制器、智能插座、智能电表以及负荷。
其中，ac/dc模块选用ac220v转dc12v模块，即实验系统的直流供电电压为12v；光伏板的开路电压为18v，蓄电池、控制器、智能插座、智能电表及负荷的额定电压均为12v；控制器具有光伏、电池及负荷三个接口，可防止反接、短路、过流，控制器的负荷接口经智能插座接电力线；智能插座具备直流电压电流采集、功率电能计量、负荷控制及通信功能，无线通信方式选用wifi通信；智能电表具备电能计量、数据处理、控制及通信功能，其外接lcd显示屏模块，无线通信方式同样采用wifi通信；所述负荷中的照明负荷由12v直流灯泡加功率电阻模拟，电冰箱、洗衣机、洗碗机由12v直流电机加功率电阻模拟，充电汽车由12v直流电机、功率电阻和12v锂电池模拟，功率电阻的功率大小可选。
智能插座负责采集光伏发电利用量、各类负荷用电量以及负荷开关状态等信息，并通过双向通信网络上传至智能电表，其次负责接收并执行智能电表下达的负荷控制指令。其中，智能插座所接负载包括：光伏发出、可转移负荷和不可转移负荷，负载均可通过插座采集用电数据或智能控制开断，此外，用户还可在智能插座中设定所接负载的正常运行时段、及所接负载的工作特性，智能插座采集的信息包括带有时标的光伏发出的开关状态及光伏利用量、各家用负荷开关状态、功率及用电量信息，接收的控制指令主要包括带有时标的读取各负载的用电数据、或控制负载的开关状态及运行时段。
智能电表负责接收智能插座采集的信息以及上位机发布的电价信号和负荷控制指令。智能电表显示信息包括当前电价、各负载当前开关状态、功率、以及用电量信息，智能插座采集的信息包括3个模拟家庭用户中所有负载的运行特性、运行时间及可转移时段、可中断次数，负荷控制指令包括3个模拟家庭用户中所有负载的优化调度方法。
上位机用于模拟电力公司控制中心，负责制定并发布电价政策，接收用户用电信息，执行合作博弈优化算法，并向各家庭智能电表下达负荷控制指令。pc上位机通过usb转串口模块接wifi通信模块，和智能电表之间以wifi通信方式进行双向数据交互，通信采用modbus-rtu协议，电价政策采用分时电价，上位机通过运行matlab软件执行集中式合作博弈优化算法，并将优化结果以gui图形用户界面显示，通过在matlabgui中进行串口通信编程，从而将各家庭的负荷优化控制策略以无线通信方式发送给对应智能电表。
基于本发明实施例中的实验系统，基于合作博弈的智能家庭能量管理实验具体实现流程如下：
(1)确定实验周期t，并将t划分成m个时间段。由于智能插座的采样周期为ms级，在实验中可灵活配置周期t和m的大小，以模拟家庭用户一天24h的用电情况，例如可选择t＝24min，m＝24，再将结果按照比例放大即可。
(2)用户i(i＝1,2,3)通过智能插座设定负载k(k＝1,2,3,4,5,6)的用电特性。负载具体包括光伏发出、照明、电冰箱、洗衣机、洗碗机以及充电汽车，用电特性包括负载的额定功率、正常工作运行时间、可转移时段及可中断次数。
(3)用户i的智能电表汇总家庭总的用电特性，并上传用电需求至pc上位机。用电需求的传输过程遵循modbus-rtu通信协议。
(4)上位机解析用电需求，确定分时电价机制、各负载运行约束条件。该步骤构成了后续建立合作博弈模型的基础。
(5)根据各负载初始运行时段及电价，计算负荷曲线、用电量及电费，并通过matlabgui显示。该步骤主要目的是计算出博弈优化前的负荷曲线、各家庭用户的用电量及用电费用。
(6)在matlab中建立3个用户用电的合作博弈模型，并求解其纳什均衡解。通过在matlab中运行集中式合作博弈优化算法，确定出3个家庭用户中所有负载的优化调度方法。
(7)gui显示出用户i负载k的运行时段，负荷曲线，总用电量及用电费用。该步骤将优化结果通过matlabgui显示，便于实验人员观察，通过计算优化后的负荷曲线、各家庭用电量及用电费用，可以与步骤(5)中数据进行对比。
(8)将优化所得的用户i的各负载控制策略发送给对应用户的智能电表。该步骤中通过上位机将各负载的控制策略下发给对应智能电表。
(9)智能电表解析接收到的控制策略信号，并下发控制指令给对应智能插座。
(10)智能插座解析接收到的控制指令，执行对应负载的用电安排。