CN102148534B - 电网系统及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网系统及其管理方法，所述电网系统包括供电设备、用电设备、至少一个控制中心、远程服务器。每个供电设备和用电设备均配备一个采集控制器，用于采集电路参数；控制中心用于接收电路参数，生成能源管理参数；远程服务器用于接收控制中心发送的能源管理参数，生成优化能源管理方案；控制中心根据远程服务器发送的优化能源管理方案，向采集控制器发送控制指令；采集控制器根据控制指令闭合或断开供电及用电设备与电路的连接。上述电网系统及其管理方法通过采集供电设备和用电设备的电路参数，生成优化能源管理方案来对电网系统进行优化管理，从而有效的降低了用电成本。

Description

电网系统及其管理方法

【技术领域】

本申请涉及一种电网系统及其管理方法。

【背景技术】

当今世界对于能源的消耗日益提高，对于环境造成的压力也越来越大，能源的价格也越来越高。太阳能平板、燃气单元、风力发电等新型能源的应用正在家庭和企业中被日益采用。但是这些新能源和新技术的普及却受到了如下因素的制约：缺少能源的统筹管理、电力供应的不稳定和难以预测、难以跟传统电网融合等。

如何安排复合能源的工作，使其既能满足用电需求，又可以将供电成本、供电损耗降到最低；如何控制用电设备的开断时间，使用电设备的能源需求与复合电源供电成本相结合，达到最低的用电成本。对于上述复合能源用电管理领域的两个基本问题，行业内的研究尚处于起步阶段，没有形成系统而综合的成熟方案。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能降低用电成本的电网系统及其管理方法。

为实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种电网系统，包括供电设备、用电设备、至少一个控制中心、远程服务器；每个供电设备和用电设备均配备一个采集控制器，所述采集控制器用于采集电路参数；所述至少一个控制中心用于接收电路参数，生成能源管理参数；所述远程服务器用于接收至少一个控制中心发送的能源管理参数，生成优化能源管理方案；所述控制中心还用于根据远程服务器发送的优化能源管理方案，向采集控制器发送控制指令；所述采集控制器用于根据控制指令闭合或断开供电设备及用电设备与电路的连接。

优选的，还包括至少一远程操控终端，所述远程操控终端用于登录远程服务器，显示用电设备和供电设备的运行状态，接收用户输入的能源管理参数，对优化能源管理方案进行调整，生成预计用电方案。

优选的，还包括储能设备，每个储能设备配备一个采集控制器。

优选的，所述控制中心包括管理模块、存储模块、通信模块、优化模块；所述管理模块用于管理存储模块、通信模块、优化模块之间的协调工作；所述存储模块用于数据的存储和调用；所述通信模块用于与远程服务器及采集控制器之间的数据、控制指令的交互；所述优化模块用于在实际供电、用电状况发生变化时生成新的能源管理方案。

优选的，所述控制中心还包括I/O设备，所述I/O设备用于显示信息、接收用户输入的能源管理参数、调整优化能源管理方案。

优选的，所述控制中心还包括与所述存储模块相连接的扩展存储器。

优选的，所述采集控制器包括微处理器、传感器、通信模块、继电开关以及存储模块；所述微处理器用于管理传感器、通信模块、继电开关、存储模块之间的协调工作；所述传感器将采集的信号传送至微处理器，由微处理器对信号实行傅里叶变换，得到电路参数；所述通信模块用于与控制中心之间的数据、控制指令的交互；所述继电开关根据微处理器发出的控制指令，实现闭合或断开的功能；所述存储模块用于储存数据和控制指令。

优选的，所述供电设备提供交流供电和直流供电两种供电方式。

优选的，所述供电设备包括传统电网和分布式能源供电设备。

优选的，所述用电设备包括交流用电器和直流用电器。

优选的，所述电路参数包括电流、电压、功率、电能。

一种电网系统的管理方法，包括：获取能源管理参数；建立最低成本能源分配模型；生成优化能源管理方案；调整并生成预计用电方案；生成控制指令。

优选的，所述能源管理参数包括能源供应能力描述参数、用电设备需求描述参数。

优选的，所述建立最低成本能源分配模型包括供电能力预测、建立电能分配模型、建立能源供应成本模型三个步骤，且该三个步骤是同时进行的。

优选的，所述供电能力预测是根据能源供应能力描述参数进行分布式能源供电能力的预测，并且基于历史数据对预测值做出修正；所述电能分配模型是根据用电设备需求描述参数建立的，描述了各用电器可能的工作时间和用电功率；所述建立能源供应成本模型用于确定不同时间段各能源的选用顺序，以及这些能源的供电成本。

优选的，所述优化能源管理方案是在该最低成本能源分配模型的基础上，采用能源优化算法生成的；所述预计用电方案是在优化能源管理方案的基础上，根据实际用电需求调整生成的未来一段时间内的用电方案。

上述电网系统及其管理方法通过采集供电设备和用电设备的电路参数，生成优化能源管理方案来对电网系统进行优化管理，从而有效的降低了用电成本。

【附图说明】

图1是电网系统的示意图。

图2是电网系统的拓扑结构图。

图3是控制中心的示意图。

图4是采集控制器的示意图。

图5是远程服务器的工作流程图。

图6是电能分配的示意图。

图7是能源供应成本模型的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式的详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

图1是电网系统的示意图，图2是电网系统的拓扑结构图。电网系统包括用电设备102、供电设备104、储能设备106、控制中心110、远程服务器112、远程操控终端114。

用电设备102包括交流用电器204、直流用电器202和采集控制器。每个用电器的前端都配备一个采集控制器。

供电设备104包括传统电网214、分布式能源供电设备212和采集控制器，传统电网214和每个分布式能源供电设备212之前都配备一个采集控制器。分布式能源供电设备212可以是太阳能发电装置、风力发电装置、微型水力发电装置、微型燃气发电装置等等，各种分布式能源供电设备212经过融合、并网后形成复合能源供电，并且可以提供交流和直流两种供电方式。

储能设备106包括储能装置216和采集控制器，储能装置216可以是蓄电池、微型水力发电装置、空气压缩装置等，每个储能装置216都配备有一个采集控制器。当分布式能源供电设备212的供电功率大于用电设备102消耗的功率时，储能设备106将多余的电能储存起来，以备将来使用。

采集控制器用于采集电流、电压、功率、电能等电路参数，并将这些电路参数传送到控制中心110；同时，采集控制器能接收控制中心110传来的控制参数，执行继电开关的开断任务。采集控制器和控制中心110可以通过有线通信方式连接，如RS485、RS232等，也可以通过无线通信方式连接，如433模块、WLAN、蓝牙等。

控制中心110用于向远程服务器112传递采集到的电路参数，并根据远程服务器112提供的预计用电方案，向采集控制器发送控制指令，实现对用电设备102、供电设备104以及储能设备106的控制，完成对电能的实时管理。控制中心110跟远程服务器之112间采用无线或者有线的方式连接，其通信协议可以是开放的TCP/IP协议，也可以自定义协议；连接方式可以采用GPRS、3G、光纤或者xDSL等。

远程服务器112用于生成能源管理方案，通过控制中心110和远程操控终端114获得必要的能源管理参数，然后通过能源优化算法生成优化能源管理方案。远程服务器112接入了互联网。远程服务器112还为用户提供了一个交互平台，用户可以通过远程操控终端114访问远程服务器112，查看用电设备102、供电设备104以及储能设备106的运行状态，并输入能源管理参数或调整能源管理方案。远程服务器112跟远程操控终端114之间采用无线或者有线的方式连接，其通信协议可以采用TCP/IP协议，也可以自定义协议。连接方式可以采用GPRS、3G、光纤或者xDSL等。需要指出的是，一台远程服务器112可以与多个控制中心110和远程操控终端114配合使用，比如一个小区或者更大的范围内只需设置一台远程服务器112，就能完成对该辖区内所有控制中心的管理，实现了资源的集中配置。

远程操控终端114是安装了配套软件的移动终端，如手机、PDA、笔记本电脑等，用于查看用电设备102、供电设备104以及储能设备106的运行状态，输入能源管理参数，调整能源管理方案。

在图2中，实线表示电信号的传输路径，虚线表示控制信号的传输路径。分布式能源供电设备212将其产生的电能经过调压和稳压设备(图未示)接入直流母线210，供直流用电器202使用。直流母线210和交流母线220间通过逆变设备208或整流设备206进行交直流转换，每个逆变设备208和整流设备206也需要配备一个采集控制器。控制中心110根据采集到的各种电路参数来调配电能：当直流母线中的供电功率大于直流用电器202消耗的功率时，控制采集控制器4开启逆变设备208，使得部分直流电能补偿到交流母线中，供交流用电器204使用；当直流供电功率不足时，则控制采集控制器5开启整流设备206，从传统电网214中为直流母线补充电能。

图3是控制中心110的示意图。控制中心110包括管理模块1102、存储模块1104、通信模块1106、优化模块1108以及I/O设备1110。

管理模块1102分别与存储模块1104、通信模块1106、优化模块1108以及I/O设备1110连接，用于控制和管理与其相连的各个模块间的协调工作。

存储模块1104在管理模块的控制下实现数据的存储和调用，并与扩展存储器302相连接。

控制中心110还可以进一步包括扩展存储器302，扩展存储器302与存储模块1104连接，用于数据的备份或扩展储存。扩展存储器302可以是存储卡(例如flash、SD、CF等)、移动硬盘等存储器。

通信模块1106在管理模块1102的控制下实现与远程服务器112及采集控制器之间的数据、控制指令的交互。

优化模块1108用于当实际供电、用电状况发生变化时，生成新的能源管理方案：若供电大于用电，则将多余电能储存在储能设备106；若供电小于用电，则从传统电网214调电，以保证用电设备102的运行。

I/O设备1110是控制中心110集成的输入、输出设备，包括显示器、扬声器等输出设备和键盘、按钮等输入设备。输出设备用于显示必要的数据和信息(如当前的功率、电能消耗情况、各设备工作情况、远程服务器112发来的预计用电方案等)；输入设备用于输入数据和信息，例如远程服务器112需要的能源管理参数或者调整能源管理方案。I/O设备1110是对远程操控终端114的补充。

图4是采集控制器的示意图。包括微处理器402、传感器404、通信模块406、继电开关408以及存储模块410。

微处理器402分别与传感器404、通信模块406、继电开关408以及存储模块410连接，用于控制和管理与其相连的各个模块间的协调工作。

传感器404用于采集电流、电压、功率、电能等电路参数，具体方式为将采集到的信号传送至微处理器402，由微处理器402对信号实行傅里叶变换，得到电路中的电压、电流、有功功率、无功功率、电能等电路参数。

通信模块406在微处理器402的控制下实现与控制中心110之间的数据、控制指令的交互。

继电开关408根据微处理器402发出的控制指令，实现开关的开断功能，该继电开关408可以采用可控硅和继电器相结合的方式。

存储模块410用于储存必要的数据和控制指令。

图5是远程服务器112的工作流程图。远程服务器112的具体工作流程包括以下步骤：

S502：获取能源管理参数。

首先远程服务器112获取必要的参数和信息，包括能源供应能力描述参数、用电设备需求描述参数以及更多的能源信息如市电价格、燃油价格、电网电压、天气情况等。能源供应能力描述参数指影响分布式能源供电设备212的供应能力的参数，如对于描述家庭太阳能的发电能力，需给出其发电时间、天气状况、太阳能发电板面积、太阳能转换效率等参数。用电设备需求描述参数包括用电设备的功率、计划工作时长、可以工作的时间段等。这些参数可以是用户通过远程操控终端114登入远程服务器输入的，也可以通过控制中心110积累的历史数据获得，还可以通过互联网上的其他信息源自动获取(如与气象局网站合作获取详细的天气预报情况)。

S504a：供电能力预测。

根据前述的能源供应能力描述参数进行分布式能源供电设备212供电能力的预测。由于新能源如太阳能、风能等发电能力受自然天气和外部环境影响较大，所以为了安排未来一段时间的用电方案，需要预测其发电能力。以太阳能发电为例，发电能力跟光伏材料性能、太阳能发电板面积、日照强度、日照时间、周围环境温度等都有关系。对于特定的用户，光伏材料性能、发电板面积可以视为常量，变量主要体现为太阳光强度、日照时间、周围环境温度等。由于不同的太阳能面板其发电能力跟光强、周围温度等参数对应的关系也是不同的，(如有的太阳能面板发电能力跟光强的关系可以近似视为线性关系，更多情况则可能为指数关系)，因此如何修正未来一段时间的发电能力，需要基于历史数据得出。如前所述，远程服务器112获得必要的参数和数据，其中包括该太阳能电源的历史发电数据及与之相对应的光强、日照时间、周围温度。根据获得的未来一段时间的日照强度、日照时间、周围温度预报数据，找出与之相接近的历史数据，然后再根据上述三个参数之间的差别做出修正。

S504b：建立电能分配模型。

根据前述的用电设备需求描述参数建立电能分配模型。请参见图6的电能分配图，这是一个具体的实施例。假设用电设备m的功率为P_m千瓦，预计工作时长为t_m分钟，适合工作的时段为T_m1＜t＜T_m2.用电设备n的功率为P_n千瓦，预计工作时长为t_n分钟，适合工作的时段为T_n1＜t＜T_n2.用电设备l的功率为P_l千瓦，预计工作时长为t_l分钟，适合工作的时段为T_l1＜t＜T_l2。建立该模型的用意是与S504的另两个步骤结合，以便获得最低成本能源分配模型。

S504c：建立能源供应成本模型。

请参见图7，图7是通过一个具体实施例来说明如何建立能源供应成本模型，在图7中，实线702表示用电设备102的用电需求曲线，虚线704表示太阳能的供电功率曲线，点划线706表示A能源的供电功率曲线，实线716表示A能源的供电成本曲线，点划线718表示传统电网214的电价曲线。太阳能的供电运营成本计为0，A能源的供电成本716和供电功率706是固定不变的。假设传统电网电价718是浮动的，A能源的供电成本介于传统电网高电价和低电价之间。图7说明了能源的优先选用顺序，即在高电价期间，能源的优先选用顺序依次为：太阳能、A能源、传统电网，在低电价期间，能源的优先选用顺序依次为：太阳能、传统电网、A能源。能源的优先使用顺序确定后，如果用电设备的工作时间是确定的，那么就可以确定出满足用电设备102的用电需求的优化能源管理方案及其供电成本。

S504a、S504b、S504c是同时进行的，合称为建立最低成本能源分配模型。

S506：生成优化能源管理方案。

当用电器的开、断时间确定后，则可以生成相应的用电方案，同时还可以计算出用电成本。生成优化能源管理方案所采用的能源优化算法具体如下：假设用电器的适合工作时间为[T_i1，T_i2]，由于用电器的预计工作时长t_i≤T_i2-T_i1，所以用电器的开启时刻是可以变化的。为了确定开启时刻，使得用电成本达到最小，本发明采取微分的方法，即将[T_i1，T_i2]分为r个时间段，用电器将从其中的某个时间段开始运行，则用电设备的开启时间有(T_i2-T_i1-t_i)/r种。那么在附图6所示的实施例中，用电设备开启时间的方案共有：

$S=\frac{(T_{m2}-T_{m1}-t_m)(T_{n2}-T_{n1}-t_n)(T_{l2}-T_{l1}-t_l)}{r^3}$ 种

根据S504建立的最低成本能源分配模型，可以计算出S种方案各自的供电成本，其中成本最低的方案，即为优化能源管理方案。

S508：调整并生成预计用电方案。

优化能源管理方案生成后，用户可以根据实际需求，通过远程操控终端114再对该方案进行调整，然后生成预计用电方案。需要指出的是，该方案不仅包括对用电设备102的管理，还包括对供电设备104和储能设备106的管理。

S510：生成控制指令。

将生成的预计用电方案发送到控制中心110，该方案是未来一定时间内(如24小时)的管理方案。控制中心110根据预计用电方案中所列的各设备的开断时间，向相应设备的采集控制器发送控制指令。

由于预报的未来天气状况和环境温度等参数跟实际会存在一定的偏差，供电能力的预测难以精确，因此控制中心110还需要在用电设备102开启和关闭时间不改变的前提下，实时调整供电设备104，使其能够满足用电需求。如果控制中心的优化模块1108判断按照预计用电方案执行将不能满足用电设备102的需求时，则发出指令，通过增加传统电网214的电力调度来满足用电需求；反之，则将多余电能储存在储能设备106。

上述电网系统综合考虑了复合能源发电端和能源需求端的供需影响因素及成本，实现了错峰用电，在有效降低了用电高峰时期传统电网214的负载压力，节省了供电成本的同时，完成了对复合能源以及智能家电的控制管理。且用户能够通过远程操控终端114登录远程服务器112来进行能源消耗的查看和管理，生成能源使用的优化方案，提高了操作的便捷性。不仅如此，本申请还对能源优化算法做了改进，提高了算法的精度和适用范围。采用一台远程服务器112对应多个控制中心110和远程操控终端114的结构，把系统核心的管理方案生成部分置于一起，实现了资源的集中配置，节省了系统开销，提高了系统维护的便捷性。尤其重要的是，本系统设计了直流和交流供电的复合供电模式，减少了电能传输、转化的消耗，提高了能源的利用效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种电网系统，其特征在于，包括：供电设备、用电设备、至少一个控制中心、远程服务器；

每个供电设备和用电设备均配备一个采集控制器，所述采集控制器用于采集电路参数；

所述至少一个控制中心用于接收电路参数，生成能源管理参数；

所述远程服务器用于接收至少一个控制中心发送的能源管理参数，并在建立最低成本能源分配模型的基础上采用能源优化算法生成优化能源管理方案；

所述控制中心还用于根据远程服务器发送的优化能源管理方案，向采集控制器发送控制指令；

所述采集控制器用于根据控制指令闭合或断开供电设备及用电设备与电路的连接；

其中，所述控制中心包括管理模块、存储模块、通信模块、优化模块；所述管理模块用于管理存储模块、通信模块、优化模块之间的协调工作；所述存储模块用于数据的存储和调用；所述通信模块用于与远程服务器及采集控制器之间的数据、控制指令的交互；所述优化模块用于在实际供电、用电状况发生变化时生成新的能源管理方案。

2.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：所述采集控制器包括微处理器、传感器、通信模块、继电开关以及存储模块；所述微处理器用于管理传感器、通信模块、继电开关、存储模块之间的协调工作；所述传感器将采集的信号传送至微处理器，由微处理器对信号实行傅里叶变换，得到电路参数；所述通信模块用于与控制中心之间的数据、控制指令的交互；所述继电开关根据微处理器发出的控制指令，实现闭合或断开的功能；所述存储模块用于储存数据和控制指令。

3.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：所述供电设备提供交流供电和直流供电两种供电方式。

4.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：还包括储能设备，每个储能设备配备一个采集控制器。

5.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：还包括至少一个远程操控终端，所述远程操控终端用于登录远程服务器，显示用电设备和供电设备的运行状态，接收用户输入的能源管理参数，对优化能源管理方案进行调整，生成预计用电方案。

6.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：所述控制中心还包括I/O设备，所述I/O设备用于显示信息、接收用户输入的能源管理参数、调整优化能源管理方案。

7.根据权利要求1或6所述的电网系统，其特征在于：所述控制中心还包括与所述存储模块相连接的扩展存储器。

8.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：所述供电设备包括传统电网和分布式能源供电设备。

9.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：所述用电设备包括交流用电器和直流用电器。

10.根据权利要求1所述的电网系统，其特征在于：所述电路参数包括电流、电压、功率、电能。

11.一种电网系统的管理方法，包括：

采集电路参数；

生成能源管理参数；

建立最低成本能源分配模型；

生成优化能源管理方案；

调整并生成预计用电方案；

生成控制指令；

其中，所述优化能源管理方案是在最低成本能源分配模型的基础上，采用能源优化算法生成的；所述预计用电方案是在优化能源管理方案的基础上，根据实际用电需求调整生成的未来一段时间内的用电方案；

所述建立最低成本能源分配模型包括供电能力预测、建立电能分配模型、建立能源供应成本模型三个步骤，且这三个步骤是同时进行的；

所述能源管理参数包括能源供应能力描述参数和用电设备需求描述参数。

12.根据权利要求11所述的电网系统的管理方法，其特征在于：所述供电能力预测是根据能源供应能力描述参数进行分布式能源供电能力的预测，并且基于历史数据对预测值做出修正；所述电能分配模型是根据用电设备需求描述参数建立的，描述了各用电器可能的工作时间和用电功率；所述建立能源供应成本模型用于确定不同时间段各能源的选用顺序，以及这些能源的供电成本。