经济利益是任何动力处理系统的首要驱动力。定价方案定义了智能家居处理系统（SHEMS）的恰当特性，这些特性对SHEMS的复杂性和可靠性有着显着的影响[1]。最近，电网处理部分修正了居处电价，以鼓动房主进行恰当的需方处理。此外，许多国家还推行补助方案，鼓动在居处或商业房顶上设备小型光伏系统，并将其发生的电力卖回给主电网[2,3]。

根据一天中的价格差异，电价可以分为两类[4]。首要，发展中国家一般选用全天稳定的电价，这种电价易于用户了解，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，根据预期的电网顶峰负荷期，预先定义了两到三个电价类别。在实时定价方案中，价格在预订的几小时至一小时内不断改动。通过这些定价方案，可以通过将负载从高电价时段转移到低电价时段来首要减少电费账单。大多数现有的智能动力处理系统研讨考虑了分时电价[6-9]或实时定价方案[10-12]。

另一方面，许多国家对居处修建选用递加阶梯电价（IBR）。这种定价办法被称为阶梯电价。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。因此，SHEMS的首要政策是尽量减少总月度用电量，以避免高价类别的危险。在[5]中，谈论了20个发展中国家的动力定价方案。这些国家都为居处设备选用了IBR电价。虽然在许多电网中使用了IBR电价，但并没有显着的研讨来查询这种盛行定价方案的典型案例，而最近提出的许多SHEMS是根据一种不存在的实时和IBR电价的混合，旨在下降负荷峰谷比或PAR，例如[13-16]。

动力处理方案一般除了经济政策外还考虑几个技术政策。在[17-19]中，家庭和电动汽车（EV）电池寿数被优化。正如[20]所谈论的，减少电费之外，最小化CO2排放也被视为智能家居处理系统（SHEMS）的政策之一。此外，许多SHEMS研讨也注重了家庭用户的满足度要求[21-24]。

在这项研讨中，提出了一种新的智能动力处理系统（SHEMS），该系统通过三种不同的立异算法满足了阿拉伯发展中国家的关税、气候条件和社区消费文化。根据埃及居处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/放电进程的捆绑。此外，还满足了家庭用户的供暖需求，以坚持舒适的日子办法。

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，光伏发电具有低维护要求、相对廉价且重复发电方式的特色[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系统有着微弱的市场需求，并且全年大部分时间都有晴朗的气候和相对安稳的重复太阳辐射方式。因此，本研讨将仅注重光伏系统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下的光伏电力而不是将其卖回共用电网的经济效益。详细的使用模型以及全部所需的数据都在在线补偿数据中供应。不同家用电器类型和额定值总结在表1中。

智能家居设备模型

组件	模型特征	加载/源类型	评分	参看
光伏模块	依托太阳辐射模型	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	情况空间模型	受控的舒适区范围	3,5,6 马力	[ 35 ]
电烤箱	情况空间模型	用户依托的非移位负载	2400瓦特	[ 36 ]
冰箱	情况空间集中热模型	无法处理的负载	200瓦	[ 37 ]
家用铁制品	微分热模型	根据用户方案安排	1300瓦特	[ 36 ]
洗碗机	运转周期内固定功率方式	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方式	可切换的不间断操作周期	1200瓦	[ 37 ]
临界负荷	恒功率模型	用户希望运用依托电力负荷（如灯、电视、电脑）	470瓦特	[ 38 ]

由于埃及全年大部分时间都是炽热晴朗的气候，因此将只研讨空调的冷却系统。

根据答应的功率消耗和环境温度，将和谐洗衣机枯燥进程。

2 办法论

在IBR定价方案中，动力消耗价格率根据当月累计消耗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。这个方案通过为低能耗类别供应不同的补助费率，鼓动房主节省动力。

在所提出的智能家庭动力处理系统（SHEMS）中，家庭负载/发电曲线被安排在三个时间结构内，如图1所示。首要，离线每周负荷调度根据家庭用户的偏好/历史数据、每日环境温度和太阳辐射曲线预测均匀每日能耗。处理方案根据本月总累计消费量改动而改动的电价类别来安排不同的家用电器。

Fig. 1:

三个拟议的SHEMS时间结构。

其次，每日负荷调度考虑了更新后的家庭用户需求，并具有更精确的温度/太阳辐射剖面图。在这个时间结构内，智能动力处理系统每天建议一个小时的负荷调度，为房主供应预期的价格节省，并使用任何用户建议的必要修正。

第三，一个实时负载从头调度方案每15分钟持续查看不同的用户和家庭组件，以应对用户需求的任何突发改动。它还通过根据家庭测量系统更新预期的光伏发电量来减少光伏功率曲线的不承认性。

所提出的家庭健康动力处理系统考虑了三个首要特征，以坚持家庭用户舒适的日子办法。环境温度根据用户的选择调整到选定的理想区域。最近的智能家居有多个房间居住的或许性。根据这项研讨，居住房间的最佳时间表，即舒适区，被定义并建议给房主，跟着每周/每日方案的改动而改动。只由空调掩盖的区域通过定义舒适区（即根据家庭居住人数和可用类别IBR关税）来操控，以最小化动力消耗。其次，每15分钟从头安排电器，以考虑到家庭用户的任何改动需求。第三，全部电器的手动切换都是可用的，以满足家庭居住者遽然的愿望。

根据现有的电价，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显着购买层次的~70%[39]。因此，出售动力的价格与通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，仅在设备光伏系统而没有储能的情况下，才会考虑出售回馈动力，以满足基本的经济动机。

混合整数线性规划（MILP）现已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，这些问题具有线性捆绑[41]。由于其简单性，MILP技术已被使用于许多调度进程中[42, 43]。

一个典型的MILP模型分为政策最小化函数和若干线性捆绑。根据MILP优化技术，提出了一种负荷调度方案，以最小化电费，如下所示：

 
(1)

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

(2)

优化捆绑根据所研讨的SHEMS战略而改动，将在下一节中谈论。

3 结果与谈论

在本研讨中，研讨了一个总面积为200平方米的居处。它包括两个卧室、两个客厅、一个厨房和一个浴室，如图2所示。为了研讨规划和智能家居动力处理系统（SHEMS）在最大化家庭经济效益方面的作用，模拟了不同的电力源装备，将在下一末节中谈论。

Fig. 2: 

研讨中的家。

3.1 默许情况

基准案例是一个未处理的案例，其负荷曲线由业主根据表2所示的每周方案选择。在两个卧室和客厅都设备了四台空调，以坚持室内温度约为25摄氏度，根据六月份开罗的温度曲线（介于22摄氏度和41摄氏度之间），如图3所示。均匀月能耗可以估计为1684千瓦时，根据埃及的电价方案，本钱为162.79美元，如表3所示。

 

研讨中的周方案

家用电器	营业时间	运转天数
冰箱	持续地	每一天
烤箱	19:00–21:00	星期一
	20:00–21:30	星期二
	19:00–21:00	周四
	10:00–11:00	星期六
	11:00–13:00	周日
铁	21:00–22:00	星期一
	20:00–21:00	星期五
	18:00–19:00	周日
空调	16:00–23:00	星期一
	16:00–23:00	星期二
	16:00–23:00	星期三
	16:00–23:00	周四
	16:00–23:00	星期五
	上午8:00至11:00和下午5:00至晚上11:00	星期六
	上午8:00至10:00和下午5:00至晚上10:00	周日
洗衣机	17:30–18:55	星期一
	10:00–11:30	星期六
	12:00–13:30	周日
灯具	17:00–23:30	每一天
电视	17:00–23:30	Mon-Fri
	上午10:00至下午2:00和晚上7:00至9:00	星期六
	上午9:00至下午1:00和晚上8:00至11:00	周日
电动汽车电池	18:00–07:00	每一天

埃及电价表

电气板	能耗	关税（美元/千瓦时）
0–100	0–50
	51–100
101–1000	0–200
	201–350
	351–650
	651–1000
大于一千	固定费率
出售	固定费率

Fig. 3:

研讨中的温度曲线（开罗，六月）。

3.2 带光伏系统的居处

研讨了默许情况，即一个掩盖面积为192平方米、均匀效率为30%的8千瓦光伏系统[44]。该光伏系统作为一个可以售电给国家电网的电力来历。根据6月（晴朗天空）的均匀太阳辐射日核算每周/每日光伏发电量。在这种情况下，研讨了相同的默许负载曲线，没有进行任何负载转移进程，以评价向共用事业电网出售剩下电力的经济效益。

光伏系统将每周购买电力从默许情况的420千瓦时减少到340千瓦时。此外，每周向电网出售约270千瓦时的电力。根据埃及的电价，月度消费本钱下降至141.5美元，售电收入为42.3美元。因此，终究的电费账单下降至99.22美元，约为默许情况本钱的61%。

3.3 负荷转移

根据这种负荷概括情况，出售电价十分低，约为购买电价的70%。所提出的方案依托于将可调度负荷转移到阳光明媚的时段，以掩盖最大或许的负荷，而不是廉价地将动力卖回电网。两个家用电器被选为可转移负荷：洗碗机和洗衣机。

通过运用MILP，根据它们的优先级来调度可移动负载。可移动负载的优先级根据预期的可用光伏功率进行处理。额定的满足的光伏功率启动了不间断的洗刷操作周期，如图4所示。

Fig. 4:

负荷转移流程图。

SHEMS为家庭用户举荐了每周和每日的时间结构内最佳运转时间。图5和图6展示了可转移负载在转移前后归一化为光伏最大功率的电力。

图5：

加载功率曲线后搬家。

Fig. 6:

加载偏移后的功率曲线。

 

通过比较图5和图6，所提出的系统将可移动负载转移到光伏电力满足的时间段。虽然可移动负载的功率与光伏电力比较可以忽略不计，但更多的可移动负载或许会提高这种常见能量处理概念的可行性，但这将严重影响家庭用户的满足度。

根据用户的周/日方案，估算出每月节省的电费，以明确建议的调度方案对用户的优点。在这些研讨条件下，总月度购电量为1454千瓦时，花费为4140.55埃及镑，而总月度售电量则为606.8千瓦时，花费为41.44美元。总支付费用仅减少了99.11美元，约为无负荷转移情况下的支付账单的约99.89%。

3.4 装备光伏/电池系统的居处

电池设备在这个设备中以贮存光伏动力，而不是廉价地将其卖回电网。根据预先核算的每日剩下的光伏动力，运用混合优化多个动力资源（HOMER）软件[45]选择电池规格。充电/放电进程在答应的充电情况范围内根据光伏功率和家庭负载之间的差异进行操控，以坚持电池寿数[46]。由于没有剩下的光伏电力或预期的过/欠充电进程，电池在浮动方式下与家庭电网断开衔接，如图7所示。

Fig. 7:

带光伏/电池流程图的智能家居系统。

电网总耗电量为882.8千瓦时，本钱为56.576美元，约占总月费用的57%。在本研讨案例中，车辆到家庭（V2H）选项没有用处。电动汽车抵达时间不在有用日照期内。由于埃及IBR关税的性质，本例中运用车辆电池作为电源没有经济效益。相反，V2H进程将由于不必要的充电/放电循环添加而减少EV电池的运用寿数。

3.5 最小化日常消耗

在这种情况下，空调情况是通过定义舒适区域来操控的，这些区域根据家庭中居住人数的不同而不同。由于每周/每日方案，可以承认家庭用户数量，并提出相关的小时激活空调供房主同意。工作日家庭居住人数假设为三人，周末则更多。因此，周末空调掩盖的区域添加，以满足舒适日子办法的要求。图8和图9分别显示了最小化其掩盖区域之前的空调负载曲线和之后的空调负载曲线。

Fig. 8:

空调加载电力未经处理。

Fig. 9:

空调负荷功率处理后。

研讨期间气候相对炽热。因此，在每天阳光满足的时间内，负载消耗显着减少。在这种情况下，光伏发电量超过了负载曲线和电池充电进程。因此，剩下的光伏电力被卖回电网。

如图9所示，根据家庭居住人数定义舒适的空调房间后，沟通电能比图8显着减少。月能耗为652.8千瓦时，费用为39.56美元，而售回电网的电能为124.48千瓦时，费用为8.502美元。总支付本钱为31.06美元，约为未减少负载情况下光伏/电池系统本钱的55%。表4总结了全部研讨中的联网家庭月能耗和本钱情况。

如表4所示，光伏系统将均匀月总电费下降了约39%。一个设备的光伏系统的均匀本钱约为10666.7美元，运用寿数为25年。因此，节省的消费本钱将在短短14年内归还光伏系统的出资。在所研讨的情况下，由于分时电价只注重消耗的能量，而不考虑峰值负载功率的时间，因此在SHEMS中常见的负荷转移概念是无用的。所研讨的PV/电池系统将月度本钱从默许情况下的65%下降，与向电网出售动力的情况比较，这是举荐的。此外，由于研讨期间（即六月）埃及气候相对炽热，减少沟通负载显着下降了总账单，使其仅占默许情况的19%。

家庭病例总结

案例	购电（千瓦时）	售电（千瓦时）	净本钱（美元）	本钱（%）
默许
带光伏发电的家庭
负荷转移
装备光伏/电池系统的居处
减载

4 定论

许多发展中国家，如埃及，对居处修建或“家庭”征收IBR关税。关于这种盛行的关税使用于智能家居，现在还没有重要的研讨。区块费率首要注重每月累计消耗的电能，而不考虑负载功率行为。它将每月消耗的电能划分为不同的层次。关于高能耗水平，跟着供电电力的补助减少，电价也会添加。

现有的智能动力处理系统首要依托于负荷转移战略，通过将可控负荷转移到低电价时段来避免顶峰时段的高负载。许多系统中还选用了减少空谐和照明等部分负荷的办法以下降总耗电量。V2H（车辆到家庭）也被研讨作为智能家居的代替动力来历。全部这些战略都现已在IBR定价方案下进行了查验。

本研讨考虑了一个发展中国家家庭动力处理系统，该系统使用了埃及的阶梯电价。提出了一种三时间结构的处理方案：每周、每日和每小时。研讨了许多家庭和处理技术的特征，如下所述：

• 普通居处的默许情况是其他处理案例的参看。

• 设备了并网家用光伏系统，可以选择将剩下电力卖回电网；在这种情况下，与默许情况比较，电费大约减少了39%。

• 由于分段电价性质，像洗衣机这样的移峰用电对总电费几乎没有影响。

• 设备电池添加了家庭光伏系统的经济收益。研讨了贮存剩下的光伏动力而不是将其卖回电网的情况；月度电费下降到了本研讨默许情况的35%。

根据这些研讨条件，车辆到电网的概念与负载曲线没有有用匹配。因此，在所研讨的电价条件下，将电动汽车电池作为家庭电源源是没有经济效益的。

由于埃及气候相对炽热，通过定义舒适区来减少空调功率对月总电费影响显着。月总费用可以下降到默许值的约19%。