在智能电网背景下,需求响应作为一种高效负荷管理工具,可以改变终端电力用户固有的能源消费模式,发挥电力需求侧的调节能力,提高资源利用效率和电网的稳定运行能力。家庭能量管理系统(Home energy management system,HEMS)作为智能电网最为直观的展示平台,融合了先进的通信及控制技术,为家庭用户参与需求响应创造了条件。本文基于智能电价,研究HEMS的优化控制策略,开发HEMS实验系统,实验模拟多个家庭用户参与需求响应的整个过程。本文的主要研究工作如下:首先,设计家庭能量管理系统的整体架构,并建立系统的基础模型,包括智能电价模型、家庭用户的能耗模型以及家用设备的用电模型;其次,在无户用光伏接入和有户用光伏接入的两种不同情形下,以所有家庭用户整体用电费用最低为目标,建立HEMS的优化调度模型,通过整数规划算法实现优化求解,在实时和分时两种典型电价机制下分别进行了算例仿真,通过仿真结果分析家庭用户参与需求响应对自身用电方式以及购电费用的影响。再次,以家用设备能耗可视化、负荷智能控制及辅助用电决策为设计目标,开发家庭能量管理实验系统,并给出实验系统软硬件部分的详细设计流程,硬件部分包括光伏发电系统、智能插座、通信模块和系统建筑模型,软件部分包括智能插座程序、上位机程序以及用户管理界面。最后,将HEMS的优化控制策略和开发的实验系统相结合,实验研究多个家庭用户以响应实时电价的方式参与需求响应的整个过程,利用实验系统模拟执行优化控制之前、之后所有家庭的负荷功率、负荷用电时段、用电费用等数据,并对上述统计数据进行对比和分析。本文的研究结果表明:家庭能量管理实验系统具备家用设备能耗可视化、负荷智能控制和辅助用电决策功能,可以指导需求侧管理算法的实验研究;同时,实验系统还可为HEMS的实际应用推广提供参考,HEMS可实现电力公司和家庭用户之间的灵活双向互动,辅助家庭用户参与需求响应,降低家庭用电费用和负荷峰值。