[论文解读] Coordinated Home Energy Management for Real-Time Power Balancing

Tsung‐Hui Chang, Mahnoosh Alizadeh+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2012

Smart Grid Energy Management参考文献 14被引用 9

一句话总结

本文提出了一种协同家庭能源管理系统（HEMS），使住宅单元能够协作调度可推迟负荷（如插电式混合动力汽车PHEV和家用电器），以最小化实时市场成本并改善电网功率平衡。通过近似动态规划与对偶分解方法，该系统相比独立HEMS将实时负荷偏差降低了53%，以分布式方式实现了接近集中式优化的性能。

ABSTRACT

This paper proposes a coordinated home energy management system (HEMS) architecture where the distributed residential units cooperate with each other to achieve real-time power balancing. The economic benefits for the retailer and incentives for the customers to participate in the proposed coordinated HEMS program are given. We formulate the coordinated HEMS design problem as a dynamic programming (DP) and use approximate DP approaches to efficiently handle the design problem. A distributed implementation algorithm based on the convex optimization based dual decomposition technique is also presented. Our focus in the current paper is on the deferrable appliances, such as Plug-in (Hybrid) Electric Vehicles (PHEV), in view of their higher impact on the grid stability. Simulation results shows that the proposed coordinated HEMS architecture can efficiently improve the real-time power balancing.

研究动机与目标

• 解决由于独立HEMS单元同时将负荷转移至低价时段而引发的反弹峰值负荷问题。
• 通过协调住宅能源调度，最小化零售商的实时市场成本。
• 在不增加用户个体成本的前提下，实现分布式、具有激励相容性的客户参与。
• 通过使住宅负荷与实时供电相匹配，尤其是针对PHEV等可推迟电器，提升电网稳定性。
• 提供基于对偶分解的可扩展凸优化实现方案，适用于实际部署。

提出的方法

• 将协同HEMS设计建模为动态规划（DP）问题，以最小化实时市场成本。
• 应用近似DP技术，包括交叉熵方法（CEC），以高效求解大规模DP问题。
• 基于凸优化与对偶分解开发分布式算法，实现去中心化部署。
• 对电器调度进行建模，考虑时变功率需求、随机请求时间及固定负荷曲线。
• 引入日前与实时电价信号，并对负荷-供电不平衡施加惩罚。
• 采用结合零售商实时市场成本与用户不满程度的成本函数，通过可调权重实现权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 与独立响应动态定价的HEMS相比，协同HEMS调度是否能降低实时负荷失衡？
• RQ2 所提出的分布式算法在实现接近集中优化性能方面效果如何？
• RQ3 在剩余电能可按-0.5美元/千瓦时价格反向售回的情况下，负荷协调对实时市场成本有何影响？
• RQ4 该系统如何在不增加个体电费成本的前提下维持客户激励？
• RQ5 在多大程度上可利用PHEV等可推迟电器实现实时电网功率的稳定？

主要发现

• 与能源供应相比，协同HEMS将实时负荷偏差从2450（独立HEMS）降低至698，改善幅度达71.4%。
• 分布式实现方案的性能与集中式最优解相差仅0.5%，证明了其近乎最优性。
• 在剩余电能可按-0.5美元/千瓦时价格反售的场景下，协同HEMS将实时成本降至-246，而独立HEMS的成本为276。
• 系统通过避免在低价时段同时调度，有效防止了反弹峰值负荷的出现。
• 所提方法维持了客户激励，因为与独立HEMS相比，个体成本保持不变。
• 仿真结果证实，协同方法显著提升了实时功率平衡与电网稳定性。