在许多国家，分段定价方案有着广泛的使用。然而，关于智能家居动力办理体系使用这种通用费率的研讨却很少。在本文中，我们提出了一种依据混合整数线性规划优化技能的三时刻框架动力办理方案，用于光伏（PV）供电的并网智能家庭。本文供给了三个原创且新颖的智能家居动力办理算法，这些算法依靠于发展中国家最常见的居民费率。我们对一个典型的埃及房屋进行了三种不同的办理概念研讨。依据一般适用的阶梯费率，对负载搬运、车辆到家庭以及削减空调的概念进行了测验。所提出的方案考虑了家庭电池寿数延长的束缚。它还依据阿拉伯住所气候条件和文化，为家庭用户保留了舒适的生活方式界限。此外，依据埃及费率验证了所研讨家庭集成光伏模块的经济可行性。所提出的依据光伏的家庭动力办理方案在广泛的规模内明显降低了电费账单，依据选用的办理技能，从默认情况下的61%降低到仅19%。

智能家居，动力办理体系，递加阶梯电价，混合线性整数规划

导言

经济利益是任何动力办理体系的首要驱动力。定价方案界说了智能家居办理体系（SHEMS）的恰当特性，这些特性对SHEMS的复杂性和可靠性有着明显的影响[1]。最近，电网办理部门修正了住所电价，以鼓舞房主进行恰当的需方办理。此外，许多国家还推行补助方案，鼓舞在住所或商业屋顶上装置小型光伏体系，并将其发生的电力卖回给主电网[2,3]。

依据一天中的价格差异，电价能够分为两类[4]。首先，发展中国家一般选用全天恒定的电价，这种电价易于用户理解，并且只取决于用电量水平[5]。其次，发达国家选用动态电价，如分时电价（TOU）和实时定价方案。在分时电价方案中，依据预期的电网顶峰负荷期，预先界说了两到三个电价类别。在实时定价方案中，价格在预定的几小时至一小时内不断改变。经过这些定价方案，能够经过将负载从高电价时段搬运到低电价时段来首要削减电费账单。大多数现有的智能动力办理体系研讨考虑了分时电价[6-9]或实时定价方案[10-12]。

另一方面，许多国家对住所修建选用递加阶梯电价（IBR）。这种定价方式被称为阶梯电价。在这种方案中，月度用电价格被分为不同的类别。每个类别都有自己的固定单价。因而，SHEMS的首要方针是尽量削减总月度用电量，以防止高价类别的风险。在[5]中，评论了20个发展中国家的动力定价方案。这些国家都为住所设备选用了IBR电价。尽管在许多电网中使用了IBR电价，但并没有明显的研讨来调查这种盛行定价方案的典型案例，而最近提出的许多SHEMS是依据一种不存在的实时和IBR电价的混合，旨在降低负荷峰谷比或PAR，例如[13-16]。

动力办理方案一般除了经济方针外还考虑几个技能方针。在[17-19]中，家庭和电动汽车（EV）电池寿数被优化。正如[20]所评论的，削减电费之外，最小化CO2排放也被视为智能家居办理体系（SHEMS）的方针之一。此外，许多SHEMS研讨也重视了家庭用户的满意度要求[21-24]。

在这项研讨中，提出了一种新的智能动力办理体系（SHEMS），该体系经过三种不同的创新算法满意了阿拉伯发展中国家的关税、气候条件和社区消费文化。依据埃及住所特征研讨了一个典型案例。所提出的方案考虑了安全电池充电/放电过程的束缚。此外，还满意了家庭用户的供暖需求，以坚持舒适的生活方式。

1 智能家居模型

光伏修建在全世界广泛可用。与微型风力涡轮机比较，光伏发电具有低保护要求、相对廉价且重复发电形式的特色[25-29]。此外，非洲、亚洲和拉丁美洲的大多数发展中国家对光伏体系有着强劲的市场需求，并且全年大部分时刻都有晴朗的天气和相对稳定的重复太阳辐射形式。因而，本研讨将仅重视光伏体系作为一种智能家居可再生动力。研讨家庭电池是为了验证存储剩余的光伏电力而不是将其卖回公用电网的经济效益。详细的使用模型以及一切所需的数据都在在线补充数据中供给。不同家用电器型号和额定值总结在表1中。

智能家居设备模型

组件	模型特征	加载/源类型	评分	参阅
光伏模块	依靠太阳辐射模型	来历	8千瓦	[ 30–33 ]
电池	电路电学等效电路	受限充电周期	30千瓦时	[ 34 ]
空调a	状况空间模型	受控的舒适区规模	3,5,6 马力	[ 35 ]
电烤箱	状况空间模型	用户依靠的非移位负载	2400瓦特	[ 36 ]
冰箱	状况空间集中热模型	无法办理的负载	200瓦	[ 37 ]
家用铁制品	微分热模型	依据用户方案组织	1300瓦特	[ 36 ]
洗碗机	运转周期内固定功率形式	可切换的不间断操作周期	1440瓦特	[ 37 ]
洗衣机B	运转周期内固定功率形式	可切换的不间断操作周期	1200瓦	[ 37 ]
临界负荷	恒功率模型	用户期望使用依靠电力负荷（如灯、电视、电脑）	470瓦特	[ 38 ]

因为埃及全年大部分时刻都是炎热晴朗的天气，因而将只研讨空调的冷却体系。

依据答应的功率耗费和环境温度，将协调洗衣机干燥过程。

2 方法论

在IBR定价方案中，动力耗费价格率依据当月累计耗费的动力量分为不同的类别。每个类别都有自己的固定费率，关于高能耗地区，该费率会提高。这个方案经过为低能耗类别供给不同的补助费率，鼓舞房主节约动力。

在所提出的智能家庭动力办理体系（SHEMS）中，家庭负载/发电曲线被组织在三个时刻框架内，如图1所示。首先，离线每周负荷调度依据家庭用户的偏好/历史数据、每日环境温度和太阳辐射曲线猜测平均每日能耗。办理方案依据本月总累计消费量改变而改变的电价类别来组织不同的家用电器。

Fig. 1:

三个拟议的SHEMS时刻框架。

其次，每日负荷调度考虑了更新后的家庭用户需求，并具有更准确的温度/太阳辐射剖面图。在这个时刻框架内，智能动力办理体系每天主张一个小时的负荷调度，为房主供给预期的价格节约，并使用任何用户主张的必要修正。

第三，一个实时负载从头调度方案每15分钟继续检查不同的用户和家庭组件，以应对用户需求的任何突发改变。它还经过依据家庭丈量体系更新预期的光伏发电量来削减光伏功率曲线的不确定性。

所提出的家庭健康动力办理体系考虑了三个首要特征，以坚持家庭用户舒适的生活方式。环境温度依据用户的选择调整到选定的抱负区域。最近的智能家居有多个房间寓居的可能性。依据这项研讨，寓居房间的最佳时刻表，即舒适区，被界说并主张给房主，随着每周/每日方案的改变而改变。只由空调覆盖的区域经过界说舒适区（即依据家庭寓居人数和可用类别IBR关税）来操控，以最小化动力耗费。其次，每15分钟从头组织电器，以考虑到家庭用户的任何改变需求。第三，一切电器的手动切换都是可用的，以满意家庭寓居者突然的欲望。

依据现有的电价，出售动力价格依照固定费率核算，该费率约为埃及电力关税中明显购买层次的~70%[39]。因而，出售动力的价格与经过电池存储并依照需求从头消费比较没有竞争力。在本研讨中，仅在装置光伏体系而没有储能的情况下，才会考虑出售回馈动力，以满意基本的经济动机。

混合整数线性规划（MILP）已经被用于解决许多领域中的优化问题超过五十年了[40]。MILP对整数和非整数变量的问题进行优化，这些问题具有线性束缚[41]。因为其简单性，MILP技能已被使用于许多调度过程中[42, 43]。

一个典型的MILP模型分为方针最小化函数和若干线性束缚。依据MILP优化技能，提出了一种负荷调度方案，以最小化电费，如下所示：

 
(1)

其间PPV表明家庭光伏发电；PCh.BESS和PDis.BESS别离表明家庭电池在充电和放电期间的功率；PCh.EV和PDis.EV别离表明电动汽车电池在充电和放电期间的功率；Ptot表明总的家庭负荷功率，Pbought表明从电网购买的功率，其核算公式如下：

(2)

优化束缚依据所研讨的SHEMS战略而改变，将在下一节中评论。