CN103280893A - 一种工业用户能量管理装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业用户能量管理装置及其控制方法，该装置包括采集模块、交互模块、通讯模块和控制功能模块。基于用户层面针对电网侧各种激励政策和运行信息，提供智能响应一体化解决思路，实现经济效益最佳的能源管理方式。通过与电网侧和用户之间双向互动获得有效的负荷调度方案，使得工业用户的生产行为能够较好的适应电力系统运行情况和需求响应激励措施的变化，为削减电力高峰负荷、缓解缺电压力提供了支持。

Description

一种工业用户能量管理装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种工业用户能量管理装置及其控制方法，属于电力控制领域。

背景技术

智能用电是智能电网的重要组成部分，其功能是将供电侧到用户侧的重要设备，通过灵活的电力网络和信息网络相连，形成高效完整的用电和信息服务体系，并对其中信息加以整合分析，通过互动化策略调动用户参与需求响应或直接进行远程优化控制，实现电力负荷的柔性化，指导用户和直接进行用电方式优化，支撑供电侧可靠、经济运行。需求响应（demand response，DR）是指电力用户根据价格信号或通过激励，改变自己固有习惯用电模式的行为，强调电力用户直接根据市场情况（价格信号）主动做出调整负荷需求的反应，从而作为一种资源对市场的稳定和电网的可靠性起到促进作用。目前国内外对需求响应进行了大量的研究，主要集中在需求响应实施机制、对系统的影响、用户响应规律等方面，其中对用户响应规律的研究主要从系统侧的角度分析用户响应方式、响应程度、响应率等问题，对用户侧的关注远远低于系统侧。

工业是国家最大的电力消耗行业，工业用电在全社会用电量中起着举足轻重的作用，其负荷特性对该地区电力系统的负荷特性起着决定性的影响。目前对工业用户能源管理方面的研究多集中在系统框架层面，对用户能量管理系统功能主要关注于电气设备运行状态采集和处理、企业配用电设备运行监控和管理、企业电量负荷统计分析和预测、用电成本分析和降耗措施管理、企业电量负荷分配控制和优化等。其中电量负荷分配控制和优化主要包括企业内部电网潮流计算、动态无功优化调度、分布式电源的调度以及企业能量平衡分析等，其系统对于电网侧信号尤其是需求响应信号无法进行精细全面的反馈，较难给出基于企业实际生产情况的能量管理解决方案。智能用电环境下，基于用户尤其是工业用户层面研究电网侧各种激励政策和运行信息，为用户提供经济效益最佳的能源管理方案显得十分必要。

发明内容

发明目的：本发明提出一种工业用户能量管理装置及其控制方法，使得工业用户的生产计划和调度行为能够较好的适应电力系统运行情况和电网激励信息的变化。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种工业用户能量管理装置，包括采集模块、交互模块、通讯模块和控制功能模块；

其中采集模块，从电网侧主站获取电网电价信息；

控制功能模块，对其他模块的信息进行整合，为电力用户提供经济效益最佳的用电方案；

通讯模块，负责系统内部各个模块之间，系统与电网主站，用户与用电设备之间的信息交互；

交互模块，用户通过该交互模块对控制功能模块进行设置，并通过交互模块的界面了解设备运行情况。

作为本发明的进一步改进，所述控制功能模块基于电价以及用户用电习惯制定用电计划，同时又能够根据电网激励削减电量的信息对所述用电计划做出相应调整。

一种用于所述工业用户能量管理装置的控制方法，包括下述步骤：

1）从采集模块获取设备运行数据、实时电价，并根据下列公式计算计划用电量F，

$\min F=\underset{k=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ijk}}*(P_j*A_k*\mathrm{\ΔT}+\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{ik}})$

其中决策变量X_ijk是任务i在j设备k时刻上的开启情况，P_j是被选中的设备的功率，A_k为k时刻的电价，ΔC_ij为与任务及设备相关的附加成本，ΔC_ik为任务i在k时刻生产的附加成本，△T为交货时间被划分的最小时间间隔；

2）控制功能模块监听用电设备任务完成情况，当运行周期结束时，进行下一次用电优化，若运行周期尚未结束，则判断实际运行用电量与计划用电量是否存在偏差；

3）若步骤2）中实际用电量与计划用电量不存在偏差则继续监听用电设备的任务完成情况，若存在偏差，则对本周期内的剩余时间按照步骤1）中的公式重新制定用电计划，该重新制定的用电计划通过监控模块发送给各个用电器，并继续进行监听；

4）当电网发布削减用电量的激励信息时，根据削减用电量的多少采用自动需求响应、预设方案响应和生产计划调整响应中的一种来响应激励信息，完成响应后回到步骤1）重新计算用电计划量。

有益效果：本发明提供一种工业用户能量管理装置及其控制方法，基于用户层面针对电网侧各种激励政策和运行信息，提供智能响应一体化解决思路，实现经济效益最佳的能源管理方式。通过与电网侧和用户之间双向互动获得有效的负荷调度方案，使得工业用户的生产行为能够较好的适应电力系统运行情况和需求响应激励措施的变化，为削减电力高峰负荷、缓解缺电压力提供了支持。

附图说明

图1为本发明一种工业用户能量管理装置的结构示意图；

图2为本发明一种工业用户能量管理装置中控制功能模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2所示，本发明一种工业用户能量管理装置，该装置安装在上级主站和用户/其他系统之间，包括采集模块、交互模块、监控模块、通讯模块以及控制功能模块。其中采集模块从用户以及上级主站获取电网电价信息。监控模块负责获取用电器运行的各种状态数据以及监测用电计划的执行情况，同时还给各个用电器发布各种操作命令。通讯模块负责装置内各个模块之间的通信。控制功能模块获取采集模块和监控模块的信息，制定用电计划以及调整用电计划。交互模块提供人机交互界面，使得操作人员可以通过交互模块了解设备运行情况、用电计划等信息，选择优化方案，并输入生产数据，用户生产习惯等数据。

控制功能模块基于电价以及用户用电习惯制定用电计划，同时又能够根据电价激励信息决定是否对所述用电计划做出相应调整。用于控制功能模块的控制方法包括主循环和激励区两个部分。在主循环中，控制功能模块从采集模块和监控模块读取电网电价、用电器功率和相关附加成本的信息，然后按照式（1）制定用电计划。

$\min F=\underset{k=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ijk}}*(P_j*A_k*\mathrm{\ΔT}+{\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\ΔC}{\mathrm{ik}}_{})---\left(1\right)$

其中F为与用电计划相关的生产成本，用电计划X_ijk表示任务i在j设备k时刻上的开启情况，P_j是被选中的设备的功率，A_k为k时刻的电价，ΔC_ij为与任务及设备相关的附加成本（如其他生产成本，磨损成本等），ΔC_ik为任务i在k时刻生产的附加成本（如夜班的人员工资等），将交货时间即完成生产计划的最大时长分为T个时段，每个时段的时长为△T。

制定出来的用电计划由监控模块发送给各个用电器，同时监控模块对每个用电器的任务完成情况进行监听。如果优化周期结束，则回到式（1）进行下一次用电计划的制定。如果优化周期尚未结束，则根据监控模块得到的设备运行数据计算实际运行情况与用电计划是否存在偏差。若不存在偏差则继续进行监听。若存在偏差，则对本周期内的剩余时间按照式（1）重新制定用电计划，该重新制定的用电计划通过监控模块发送给各个用电器，并继续进行监听。

在激励区中，设有自动需求响应、预设方案响应和生产计划调整响应。当电网公司发布激励信息（即电网要求削减用电量）时，控制功能模块首先对本次激励削减量进行判断，若激励在自动需求响应或预设方案响应的范围内时，可直接调用这些响应。在生产计划调整响应的范围内时，需要判断响应本次激励对整体用电计划的完成是否存在影响；如不存在影响，则直接响应本次激励，如存在影响，则由控制功能模块给出牺牲部分指标（延长交货期、减少响应量等）的响应方案供用户进行选择。

自动需求响应被调用时，根据系统初始化时用户设置的削减方案，控制功能模块通过监控模块对空调、照明、电梯等非生产性负荷用电计划进行调整，如关停30%、50%或全部的照明等。如果自动需求响应中的对非生产性负荷用电量的削减仍不能满足电网侧下达的削减量，则在本响应完成后，由控制功能模块再调用预设方案响应。

对用电计划的优化是为了进一步削减用电量，优化模型有以下三种：

以削减量偏差Q最小为目标的用电优化模型采用式（2）进行计算：

$\min Q=\frac{1}{T}*\underset{k=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ik}}^q*P_i-P_{\max k}}{P_{\max k}}\right|---\left(2\right)$

以计划任务完成量最大为目标的用电优化模型采用式（3）进行计算：

$\max P=\underset{k=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ik}}^q---\left(3\right)$

以最小最大完成时间为目标的用电优化模型采用式（4）进行计算：

$\min T_{\mathrm{end}}=\max (k*X_{\mathrm{ik}}^q)---\left(4\right)$

其中，优化目标Q为工业用户实际用电量与计划削减量基线之间的偏差，P为用户预设的生产任务的完成度，T_end为在当前情况下生产计划的最小完成时间，决策变量

为等级q的任务i在k时刻的开启情况即用电计划，q＝1,…，Q为负荷优先级，q=1时优先级最高，P_i为任务i对应的设备的功率，P_maxk为去除确定生产计划的k时刻的负荷上限，T为激励的负荷削减时段。

预设方案响应从以上三种优化模型中任选一种，在装置启动时即载入到控制功能模块。当预设方案响应被触发时，控制功能模块根据的优化模型对辅助生产性负荷进行削减。辅助生产性负荷包括检修、清洗等辅助生产设备。在本生产计划周期内削减后不需要进行补偿，当本生产计划周期完成后进行下一周期的再调度时，需要补偿削减掉的用电计划。当辅助生产性负荷被全部削减仍无法满足电网侧要求时，控制功能模块调用生产计划调整响应。

所述的生产计划调整响应中，控制功能模块首先对电网激励削减用电量条件下，原调度模式、作业属性和性能指标情况下是否影响交货期进行判断。当不影响交货期时，则以经济最优为目标对主要生产性负荷进行调度，在生产计划周期完成后进行再调度予以补偿。当影响交货期时，因为会影响企业生产经营，交互模块会先询问操作人员是否要满足电网激励削减的用电量。如果操作人员选择满足削减的用电量推迟交货期，则控制功能模块提供以削减量偏差最小为目标(式2)、计划任务完成量最大为目标（式3）、最小最大完成时间为目标（式4）的用电方案通过交互模块提供给操作人员选择，在电网激励结束后进行再调度，并对所做调整或削减进行补偿。如果操作人员选择不满足削减的用电量确保原交货期，则不参与本次基于激励的需求响应，并反馈至上级电网公司。

激励区内的自动需求响应、预设方案响应和生产计划调整响应在完成优化后，进入主循环区，按照式（1）重新制定用电计划。

Claims (3)

1.一种工业用户能量管理装置，其特征在于，包括采集模块、交互模块、通讯模块和控制功能模块；

其中采集模块，从电网侧主站获取电网电价信息；

控制功能模块，对其他模块的信息进行整合，为电力用户提供经济效益最佳的用电方案；

通讯模块，负责系统内部各个模块之间，系统与电网主站，用户与用电设备之间的信息交互；

交互模块，用户通过该交互模块对控制功能模块进行设置，并通过交互模块的界面了解设备运行情况。

2.根据权利要求1所述的工业用户能量管理装置，其特征在于，所述控制功能模块基于电价以及用户用电习惯制定用电计划，同时又能够根据电网激励削减电量的信息对所述用电计划做出相应调整。

3.一种用于权利要求2所述工业用户能量管理装置的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

1）从采集模块获取设备运行数据、实时电价，并根据下列公式以经济最优F为目标计算用电计划X_ijk表示任务i在j设备k时刻上的开启情况，

$\min F=\underset{k=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{ijk}}*(P_j*A_k*\mathrm{\ΔT}+{\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{ik}})$

其中F为与用电计划相关的生产成本，P_j是被选中的设备的功率，A_k为k时刻的电价，ΔC_ij为与任务及设备相关的附加成本，ΔC_ik为任务i在k时刻生产的附加成本，△T为交货时间被划分的最小时间间隔；

2）控制功能模块监听用电设备任务完成情况，当运行周期结束时，进行下一次用电优化，若运行周期尚未结束，则判断实际运行状况与用电计划X_ijk是否存在偏差；

3）若步骤2）中实际用电状况与用电计划X_ijk不存在偏差则继续监听用电设备的任务完成情况，若存在偏差，则对本周期内的剩余时间按照步骤1）中的公式重新制定用电计划，该重新制定的用电计划通过监控模块发送给各个用电器，并继续进行监听；

4）当电网发布削减用电量的激励信息时，根据削减用电量的多少采用自动需求响应、预设方案响应和生产计划调整响应中的一种来响应激励信息，完成响应后回到步骤1）重新计算用电计划X_ijk。

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