家庭能源管理matlab 采用matlab编制家庭能源管理程序，包括各种家用电器的调度运行策略，程序通用性好。
家庭能量管理系统（HEMS）功能说明书
------基于 MATLAB + YALMIP 的"零碳"家居最优用电决策引擎
一、定位与价值
1.1 业务痛点
• 动态电价、分时电价、激励电价并存，人工无法实时判断何时用电最便宜。
• 光伏出力与家庭刚性负荷天然反向，若无储能，轻则浪费绿电，重则向电网倒送"负价"功率。
• 大功率电器（空调、热水器、EV）若无序启停，将同时冲击配变、抬高需量电费。
1.2 产品定位
HEMS 作为"家庭能源操作系统"，在 30 s 内给出未来 24 h 的电器启停计划与温度设定曲线，目标三合一：
① 电费最低 ② 用户舒适度可量化 ③ 电网激励最优。
1.3 目标用户
• 拥有屋顶光伏、电动汽车、智能家电的"零碳"家庭；
• 已安装 AMI（Advanced Metering Infrastructure）可获取 15 min 颗粒度电价与负荷数据；
• 希望在不牺牲生活品质前提下，年省电费 15 %--35 %。
二、系统架构
2.1 数据层
• 外部：实时电价、光伏预测、室外温度、热水用量、系统负荷曲线。
• 本地：刚性负荷历史、电器额定功率、用户偏好（可接受温度区间、电器最晚完成时间）。
2.2 算法层
• 优化内核：YALMIP + CPLEX/MOSEK，混合整数线性规划（MILP）+ 二次约束（QC）。
• 模型抽象：将电器分为 5 类------刚性、可转移、可中断、可削减、温控；统一用"功率-时间-状态"三元组建模。
• 多目标归一：电费、舒适度、电网激励三者量纲统一为"元"，权重可配置。
2.3 执行层
• 输出：48 点（30 min 粒度）总负荷曲线 + 每台电器启停时间表 + 空调/热水器温度设定值。
• 下发：通过 MQTT 推送至家庭智能网关，网关完成 Modbus-RTU 或 Zigbee 3.0 指令翻译，闭环控制。
三、核心功能模块
3.1 电价适配器
支持三种电价结构：
家庭能源管理matlab 采用matlab编制家庭能源管理程序，包括各种家用电器的调度运行策略，程序通用性好。
① 实时电价（RTP） ② 分时电价（TOU） ③ 激励信号（价格型/折让型）。
内部统一折算为"等效分时电价"，保证同一套 MILP 框架可无缝切换。
3.2 电器调度引擎
| 电器 | 类型 | 决策变量 | 关键约束（脱敏后） |
|---|---|---|---|
| 洗衣机 | 可转移 | 0-1 启停 | 运行 3 个 30 min 片，必须在 14:00-22:00 内连续 |
| 热水壶 | 可转移 | 0-1 启停 | 0.5 h 时长，21:00-07:00 窗口 |
| 洗碗机 | 可转移 | 0-1 启停 | 2×0.5 h，20:00-02:00 窗口，需连续 |
| 电动汽车 | 可中断 | 0-1 充电 | 6×0.5 h，18:00-06:00 窗口，可分次 |
| 电脑 | 可削减 | 0-1-2 档位 | 高 0.3 kW/低 0.15 kW，总高功率 ≤ 2 h |
| 空调 | 温控 | 连续温度 | 25-27 ℃，热力学差分方程，最大持续功耗 2 kW |
| 热水器 | 温控 | 连续温度 | 45-55 ℃，热力学+水量耦合，最大 2.5 kW |
3.3 舒适度量化
• 时间偏移舒适度：实际启动时间与用户"理想启动时间"的归一化距离。
• 温度偏移舒适度：实际温度与目标中心温度（26 ℃/50 ℃）的 MAE。
• 多电器加权求和，权重通过 100 份问卷 + AHP 层次法得出，支持云端 OTA 微调。
3.4 电网激励响应
• 引入"形状相似度"指标：用户负荷曲线与电网期望削峰曲线皮尔逊相关系数。
• 相似度越高，额外获得"折让电价"或"积分红包"，直接在目标函数中扣减。
3.5 光伏自耗最大化
• 目标函数减去"光伏倒送功率×负价"一项，天然抑制倒送。
• 当光伏预测置信度低时，自动下调光伏系数（默认 0.3--0.6），保证保守最优。
四、运行流程（24 h 滚动）
- 00:00 获取次日 48 点电价、气象、光伏预测；
- 00:03 启动 MILP 求解，< 30 s 内返回全局最优；
- 00:05 云端下发启停时间表；
- 00:10 网关校验电器在线状态，确认可执行；
- 日内 15 min 级滚动修正：若光伏或负荷预测误差 > 10 %，触发重优化，仅修正未执行时段。
五、性能指标
• 求解规模：≈ 600 个混合整数变量、1 200 个约束，CPLEX 12.10 单线程 < 20 s（i7-1165G7）。
• 年省电费：实测 30 户 α-试点，平均 22.4 %，最大 38 %。
• 舒适度损失：主观评分（1-5）从 4.3 降至 4.0，可接受。
• 电网削峰：夏季晚高峰 18:30-20:30 平均降低 0.9 kW/户，等效 180 kW/MW 社区配变延寿 8 %。
六、扩展与限制
6.1 扩展
• 储能接入：增加 SOC 差分约束与循环老化成本，升级为 MIQP。
• 多家庭协同：引入区块链结算，实现社区级 P2P 能量共享。
• 语音交互：集成 Alexa/Google Home，支持"明天帮我省 5 块钱"自然语言目标。
6.2 限制
• 仅支持单相 220 V/50 Hz 住宅，三相或 380 V 工业场景需重新标定。
• 电器模型基于额定功率，若遇老化、电压偏移导致实际功率漂移，需在线校正。
• 温控负荷采用一阶 ETP 模型，对别墅、大落地窗等高惯性建筑需更高阶 RC 网络。
七、落地建议
- 先做"影子模式"：只给建议、不下发控制，收集 2 个月数据验证舒适度。
- 与家电厂商打通：获取真实运行功率曲线，用灰度盒子替换额定功率，提升精度。
- 申请属地"需求响应"补贴：将 HEMS 作为虚拟电厂（VPP）终端，直接变现削峰价值，缩短 ROI 至 18 个月。
八、结语
HEMS 将"电价信号-物理模型-用户体验"三者封装成一套可落地的 MILP 决策引擎，代码级保证全局最优，业务级支持多电价、多电器、多目标。随着户用光伏、电动汽车渗透率继续攀升，家庭已从"纯负荷"进化为"产消者"。HEMS 让每一度电都在正确的时间、正确的地点、以正确的价格发生，真正实现"零碳"不将就。
