CN104214912A - 一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法。该方法包括以下步骤：（1）通过双向信息通道采集各个空调聚合小组的温度设定值与室外温度预测值；（2）基于温度设定值调整估计各个空调聚合小组的负荷增/减方案；（3）获取上级调度部门下达的负荷增/减目标；（4）建立聚合空调调度决策模型并求解；（5）通过双向信息通道下达空调控制指令。本方法给出的聚合空调调度方法可以利用用户的空调设备在不影响用户舒适度的前提下为电力系统调度提供增/减负荷服务，使用户从电能使用者身变为电力系统的参与者，参与电力系统运行，同时本方法可以电网调度部门调度模式的改革提供技术指导。

Description

一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法

技术领域

本发明属于智能用电、需求响应技术领域，具体涉及一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法。

背景技术

随着国民经济发展，电力需求的增长成直线上升的态势,特别是近年来极端气候频现，空调的使用量逐步增多，使得夏季降温负荷及冬季取暖负荷成为这两季高峰负荷的主要组成部分。在电网的传统运行机制下，若遇到负荷高峰，或启用高峰机组，或对电力用户采用拉闸限电等负荷管理措施，但高峰机组往往成本过高，而拉闸限电则牺牲了用户利益。需求响应技术为这一问题的解决提供了许多灵活的方案，可以利用成本相对低廉的需求响应技术从用户侧角度实现负荷削减，保证供需平衡。

空调负荷作为温控负荷的一种，可以将电能转化为储存在房间内的热能，该能量转化及储存的特性使得空调成为最具需求响应潜力的负荷，通过对空调负荷合理控制，可以在不影响或者少影响用户舒适度的前提下，使用较小成本达到降低峰荷、缓解供需矛盾的目的。然而就一台空调而言，其负荷特性曲线具有周期性跃变特点，且功率较小，相比之下，聚合空调负荷则具有数量可观，调度方式灵活，参与系统调度潜力巨大等特点，所以对聚合空调控制方法的研究非常必要。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法，此方法给出的聚合空调调度方法可以利用用户的空调设备在不影响用户舒适度的前提下为电力系统调度提供增/减负荷服务，使用户从电能使用者身变为电力系统的参与者；同时本方法可以电网调度部门调度模式的改革提供技术指导。

本发明所述的一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法包括以下步骤：

1)通过双向信息通道采集各个空调聚合小组的温度设定值与室外温度预测值。空调聚合小组的温度设定值与室外温度预测值均影响到其负荷增减方案估计。

2)基于温度设定值调整估计各个空调聚合小组的负荷增/减方案。根据单台空调机组的等效热参数模型，空调所处房间温度、空调功率以及时间之间的关系为：

$\begin{array}{cc}{T}_i^{t+1}=T_o^{t+1}-(T_o^{t+1}-T_i^t)e^{-\mathrm{\Δt}/\mathrm{RC}}& s=0\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{cc}{T}_i^{t+1}=T_o^{t+1}-\mathrm{\ηPR}-(T_o^{t+1}-\mathrm{\ηPR}-T_i^t)e^{-\mathrm{\Δt}/\mathrm{RC}}& s=1\end{array}---\left(2\right)$

式中：表示t时刻的室内温度(℃)；表示t+1时刻的室外温度(℃)；C为等效热容(J/℃),R为等效热阻(℃/W)；s为空调启停状态变量，1表示空调启动，0表示空调停止；Δt为仿真时间间隔；P为空调机组的制冷/制热功率(kW),η为空调能效比，ηP为空调的制冷/制热量。

根据上述模型与各个空调聚合小组的温度设定值以及接下来一段时间内的室外温度预测值，利用蒙特卡洛模拟可估计不做温度设定值调整的空调聚合小组的运行负荷曲线，使用表示接下来第k时段的空调聚合小组的负荷；由于目前的空调温度设定值未达到用户所能耐受的最高/最低温度，故可以进行温度设定值向上或向下调整，根据向上或向下调整温度大小的不同，可形成多种温度调整方案，每一种温度调整方案对应一种负荷增/减方案。在夏天，空调温度设定值比室外温度高，向上温度调整方案对应减负荷方案，向下温度调整方案对应增负荷方案；冬天则反之。当进行温度设定值调整后，同样可以利用蒙特卡洛模拟来估计各种温度调整方案下的空调聚合小组负荷曲线，使用表示在使用第j种方案进行温度调整后的第k时段的空调聚合小组负荷，这样有：

$P_{j,k}=P_{j,k}^{\mathrm{change}}-P_k^{\mathrm{original}}---\left(3\right)$

式中P_j,k表示在使用第j种方案进行温度调整后的第k时段的负荷增减值，也即空调聚合小组的负荷增/减方案。

3)获取上级调度部门下达的负荷增/减目标。负荷聚合商需要获取上级调度分配的系统功率缺额，并制定负荷增/减目标，使用表示。假设分配的缺额一旦确定则不会发生改变，对于由其它负荷用电行为改变或发电侧突发事件导致的功率不平衡量由上级调度通过其它方法吸收。

4)建立聚合空调调度决策模型并求解。

聚合空调负荷调度的目标为聚合空调负荷调度结果与负荷增/减目标最相近，即：

$\min \underset{t=1}{\overset{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}}{(P_t^{\mathrm{dispatch}}-P_t^{t\arg \mathrm{et}})}^2---\left(4\right)$

式中使用欧氏距离来表征调度结果与调度目标的相近程度，其中调度结果由下式计算：

$P_t^{\mathrm{dispatch}}=\underset{i=1}{\overset{N^{\mathrm{group}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j\∈N_i^{\mathrm{plan}}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{j,k}$ 其中 $k=\underset{l=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i,j,l}---\left(5\right)$

其中，表示时段t的经过调度决策后的负荷值；表示时段t的调度决策目标负荷值；s_i,j,l表示第i个空调聚合小组，在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值为1；N^group表示空调聚合小组总数；表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合；P_j,k表示第j个方案开始后的第k时段的负荷增减值。

5)通过双向信息通道下达空调控制指令。聚合空调调度决策模型的求解结果会为每个聚合小组选择温度调整方案，同时确定该方案的开始时间。聚合空调调度中心需要将包含温度调整时间信息、温度调整方向信息以及温度调整大小信息的指令下达至空调侧。

为了避免聚合空调负荷波动，步骤2)所述的温度调整方法并不是对温度设定值上下限统一调整，而是遵循如下原则：

(1)若在夏季，空调运行在制冷模式，假设空调机组原始温度设定值为现变为那么：

当且即温度设定值上调，需要首先按照温度设定值运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“打开/运行”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化；

当且即温度设定值下调，需要首先按照温度设定值运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“关闭/待机”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化；

(2)若在冬季，空调运行在制热模式，假设空调机组原始温度设定值为现变为那么：

当且即温度设定值上调，需要首先按照温度设定值运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“关闭/待机”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化；

当且即温度设定值下调，需要首先按照温度设定值运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“打开/运行”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化。

所述步骤4)的约束条件为：

(1)在1个调度周期的每个时段内，某个聚合小组不能同时实施2个或2个以上的方案。

$\underset{j\∈N_i^{\mathrm{plan}}}{\mathrm{\Σ}}{s}_{i,j,l}\≤1,\∀i\∈N^{\mathrm{group}},\∀l\∈[1,\mathrm{\Γ}]---\left(6\right)$

式中N^group表示空调聚合小组总数；s_i,j,l表示第i个空调聚合小组在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值为1；表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合。

(2)选择某种方案的聚合小组数不可超过该方案的最大可选次数。

$\frac{\underset{i=1}{\overset{N^{\mathrm{group}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i,j,l}}{{\mathrm{\Θ}}_j}\≤M_j,\∀j\∈N^{\mathrm{plan}}---\left(7\right)$

式中Γ表示调度总时段；N^plan表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合；Θ_j表示第j个方案的波动持续时段数，即温度调节后经过Θ_j个时段段才能进入稳定状态。

(3)对于第i个空调聚合小组的第j个方案，在调度周期范围内对决策变量s_i,j,l求和，须为以下2种结果：等于0表示该方案未被采用，等于Θ_j表示采用第j个方案，且此时的决策变量与第j个负荷增减方案须一致。下式决定了决策变量中若存在1，那么连续为1的个数至少为Θ_j，保证每次调度之前所有空调聚合小组均已结束过渡状态、处在稳定状态。

$\begin{array}{c}(s_{i,j,l}-s_{i,j,l-1})+(s_{i,j,l+{\mathrm{\Θ}}_j-1}-s_{i,j,l+{\mathrm{\Θ}}_j})\≤1,\\ \∀i\∈N^{\mathrm{group}},\∀j\∈N_i^{\mathrm{plan}},\∀l\∈[1,\mathrm{\Γ}-1]\end{array}---\left(8\right)$

采用本发明的技术方案，可实现如下有益效果：本发明提供了一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法，其优点是聚集了大量的原本闲散的空调负荷资源，通过聚合空调调度为电力系统调度提供负荷增/减方案；同时本发明对聚合空调的控制基于温度设定值调整而非直接对空调进行通断控制，所以可以保证在不影响或者少影响用户舒适度的前提下，使用需求侧资源达到降低峰荷、缓解供需矛盾的目的。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图；

图2为减负荷方案效果估计图；

图3为增负荷方案效果估计图；

图4为调度结果图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

首先说明实施例的参数设置情况。假设调度实例发生在夏天，空调聚合调度中心有30000台可参与调度空调，将共分为N^group个空调聚合小组，将500台空调机组作为一个小组，共计60个聚合小组；假设空调平均额定功率为2.5kW，平均制冷能效比为2.7，等效热容为0.18kWh/℃，等效热阻为5.56℃/kW，保证用户舒适度温度区域为[20.0℃，22.0℃]，温度设定值区间限制为1℃(即T_max-T_min＝1℃)；假设在本次调度开始之前，系统出现电力缺额，需要空调聚合调度中心在接下来1小时内的10min-50min区间中承担一段维持40min的、大小为2.0MW的负荷削减任务。本发明所述的一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法按照以下步骤操作(如图1所示)：

1)通过双向信息通道采集各个空调聚合小组的温度设定值与室外温度预测值；假设通过采集获得的调度周期内(1小时)室外温度预测值恒为32℃；假设空调机组温度设定值较为平均，60组内温度设定为[20.0℃，21.0℃]，[20.2℃，21.2℃]，[20.4℃，21.4℃]，[20.6℃，21.6℃]，[20.8℃，21.8℃]，[21.0℃，22.0℃]的空调聚合小组分别有10组。

2)基于温度设定值调整估计各个空调聚合小组的负荷增/减方案；根据单台空调机组的等效热参数模型，空调所处房间温度、空调功率以及时间之间的关系为：

$\begin{array}{cc}{T}_i^{t+1}=T_o^{t+1}-(T_o^{t+1}-T_i^t)e^{-\mathrm{\Δt}/\mathrm{RC}}& s=0\end{array}$

$\begin{array}{cc}{T}_i^{t+1}=T_o^{t+1}-\mathrm{\ηPR}-(T_o^{t+1}-\mathrm{\ηPR}-T_i^t)e^{-\mathrm{\Δt}/\mathrm{RC}}& s=1\end{array}$

式中：表示t时刻的室内温度(℃)；表示t+1时刻的室外温度(℃)；C为等效热容(J/℃),R为等效热阻(℃/W)；s为空调启停状态变量，1表示空调启动，0表示空调停止；Δt为仿真时间间隔；P为空调机组的制冷/制热功率(kW),η为空调能效比，ηP为空调的制冷/制热量。

根据上述模型与各个空调聚合小组的温度设定值以及接下来一段时间内的室外温度预测值，利用蒙特卡洛模拟可估计不做温度设定值调整的空调聚合小组的运行负荷曲线，使用表示接下来第k时段的空调聚合小组的负荷。

由于目前的空调温度设定值未达到用户所能耐受的最高/最低温度，以不超过用户舒适度温度区域[20.0℃，22.0℃]为原则，可有如表1所示8种温度调整方案，并可以估算每种方案的最大可选次数：

表1温度调整方案

方案编号	方案类型	方案描述	最大可选次数
				1	减负荷	温度提高0.2℃	50
2	减负荷	温度提高0.4℃	40
				3	减负荷	温度提高0.6℃	30
4	减负荷	温度提高0.8℃	20
				5	增负荷	温度降低0.2℃	50
6	增负荷	温度降低0.4℃	40
				7	增负荷	温度降低0.6℃	30
8	增负荷	温度降低0.8℃	20

上述每一种温度调整方案对应一种负荷增/减方案。同样利用蒙特卡洛模拟来估计各种温度调整方案下的空调聚合小组负荷曲线，使用表示在使用第j种方案进行温度调整后的第k时段的空调聚合小组负荷，这样有：

$P_{j,k}=P_{j,k}^{\mathrm{change}}-P_k^{\mathrm{original}}---\left(3\right)$

式中P_j,k表示在使用第j种方案进行温度调整后的第k时段的负荷增减值，也即空调聚合小组的负荷增/减方案。上述8种温度调整方案的蒙特卡洛模拟结果见图2与图3。

3)获取上级调度部门下达的负荷增/减目标；从上级调度部门获取的调度目标为：需要在接下来1小时内的10min-50min区间中承担一段维持40min的、大小为2.0MW的负荷削减任务。

4)建立聚合空调调度决策模型并求解；

聚合空调负荷调度的目标为聚合空调负荷调度结果与负荷增/减目标最相近，即：

$\min \underset{t=1}{\overset{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}}{(P_t^{\mathrm{dispatch}}-P_t^{t\arg \mathrm{et}})}^2---\left(4\right)$

式中使用欧氏距离来表征调度结果与调度目标的相近程度，其中调度结果由下式计算：

$P_t^{\mathrm{dispatch}}=\underset{i=1}{\overset{N^{\mathrm{group}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j\∈N_i^{\mathrm{plan}}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{j,k}$ 其中 $k=\underset{l=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i,j,l}---\left(5\right)$

其中，表示时段t的经过调度决策后的负荷值；表示时段t的调度决策目标负荷值；s_i,j,l表示第i个空调聚合小组，在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值为1；N^group表示空调聚合小组总数；表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合；P_j,k表示第j个方案开始后的第k时段的负荷增减值。

聚合空调调度结果如图4所示。可以看出经过上述负荷增减方案的组合，控制结果与调度目标较为相近，基本达到了削减负荷的目的。

5)通过双向信息通道下达空调控制指令。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过双向信息通道采集各个空调聚合小组的温度设定值与室外温度预测值；

2)基于温度设定值调整估计各个空调聚合小组的负荷增/减方案；根据单台空调机组的等效热参数模型，空调所处房间温度、空调功率以及时间之间的关系为：

$\begin{array}{cc}{T}_i^{t+1}=T_o^{t+1}-(T_o^{t+1}-T_i^t)e^{-\mathrm{\Δt}/\mathrm{RC}}& s=0\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{cc}{T}_i^{t+1}=T_o^{t+1}-\mathrm{\ηPR}-(T_o^{t+1}-\mathrm{\ηPR}-T_i^t)e^{-\mathrm{\Δt}/\mathrm{RC}}& s=1\end{array}---\left(2\right)$

式中：表示t时刻的室内温度(℃)；表示t+1时刻的室外温度(℃)；C为等效热容(J/℃),R为等效热阻(℃/W)；s为空调启停状态变量，1表示空调启动，0表示空调停止；Δt为仿真时间间隔；P为空调机组的制冷/制热功率(kW)，η为空调能效比，ηP为空调的制冷/制热量；

根据上述模型与各个空调聚合小组的温度设定值以及接下来一段时间内的室外温度预测值，利用蒙特卡洛模拟可估计不做温度设定值调整的空调聚合小组的运行负荷曲线，使用表示接下来第k时段的空调聚合小组的负荷；由于目前的空调温度设定值未达到用户所能耐受的最高/最低温度，故可以进行温度设定值向上或向下调整，根据向上或向下调整温度大小的不同，可形成多种温度调整方案，每一种温度调整方案对应一种负荷增/减方案；在夏天，空调温度设定值比室外温度高，向上温度调整方案对应减负荷方案，向下温度调整方案对应增负荷方案；冬天则反之；当进行温度设定值调整后，同样利用蒙特卡洛模拟来估计各种温度调整方案下的空调聚合小组负荷曲线，使用表示在使用第j种方案进行温度调整后的第k时段的空调聚合小组负荷，这样有：

$P_{j,k}=P_{j,k}^{\mathrm{change}}-P_k^{\mathrm{original}}---\left(3\right)$

式中P_j,k表示在使用第j种方案进行温度调整后的第k时段的负荷增减值，也即空调聚合小组的负荷增/减方案；

3)获取上级调度部门下达的负荷增/减目标；负荷聚合商需要获取上级调度分配的系统功率缺额，并制定负荷增/减目标，使用表示，假设分配的缺额一旦确定则不会发生改变，对于由其它负荷用电行为改变或发电侧突发事件导致的功率不平衡量由上级调度通过其它方法吸收；

4)建立聚合空调调度决策模型并求解；

聚合空调负荷调度的目标为聚合空调负荷调度结果与负荷增/减目标最相近，即：

$\min \underset{t=1}{\overset{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}}{(P_t^{\mathrm{dispatch}}-P_t^{t\arg \mathrm{et}})}^2---\left(4\right)$

式中使用欧氏距离来表征调度结果与调度目标的相近程度，其中调度结果由下式计算：

$P_t^{\mathrm{dispatch}}=\underset{i=1}{\overset{N^{\mathrm{group}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j\∈N_i^{\mathrm{plan}}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{j,k}$ 其中 $k=\underset{l=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i,j,l}---\left(5\right)$

其中，表示时段t的经过调度决策后的负荷值；表示时段t的调度决策目标负荷值；s_i,j,l表示第i个空调聚合小组，在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值为1；N^group表示空调聚合小组总数；表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合；P_j,k表示第j个方案开始后的第k时段的负荷增减值；

5)通过双向信息通道下达空调控制指令；聚合空调调度决策模型的求解结果会为每个聚合小组选择温度调整方案，同时确定该方案的开始时间，聚合空调调度中心需要将包含温度调整时间信息、温度调整方向信息以及温度调整大小信息的指令下达至空调侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法，其特征在于，为了避免聚合空调负荷波动，步骤2)所述的温度调整方法并不是对温度设定值上下限统一调整，而是遵循如下原则：

(1)若在夏季，空调运行在制冷模式，假设空调机组原始温度设定值为 现变为那么：

当且即温度设定值上调，需要首先按照温度设定值 运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“打开/运行”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化；

当且即温度设定值下调，需要首先按照温度设定值 运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“关闭/待机”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化；

(2)若在冬季，空调运行在制热模式，假设空调机组原始温度设定值为 现变为那么：

当且即温度设定值上调，需要首先按照温度设定值 运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“关闭/待机”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化；

当且即温度设定值下调，需要首先按照温度设定值 运行；接着监测这些空调机组的运行状态，一旦发现这些机组转变为“打开/运行”状态，则依次地将这些机组的温度设定值修改为即完成转化。

3.根据权利要求1所述的一种基于温度设定值调整的聚合空调负荷调度方法，其特征在于，所述步骤4)建立的聚合空调调度决策模型必须同时满足如下约束条件：

(1)在1个调度周期的每个时段内，某个聚合小组不能同时实施2个或2个以上的方案：

$\underset{j\∈N_i^{\mathrm{plan}}}{\mathrm{\Σ}}{s}_{i,j,l}\≤1,\∀i\∈N^{\mathrm{group}},\∀l\∈[1,\mathrm{\Γ}]---\left(6\right)$

式中N^group表示空调聚合小组总数；s_i,j,l表示第i个空调聚合小组在时段l是否执行了第j个方案，若执行则值为1；表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合；

(2)选择某种方案的聚合小组数不可超过该方案的最大可选次数：

$\frac{\underset{i=1}{\overset{N^{\mathrm{group}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i,j,l}}{{\mathrm{\Θ}}_j}\≤M_j,\∀j\∈N^{\mathrm{plan}}---\left(7\right)$

式中Γ表示调度总时段；N^plan表示第i个空调聚合小组可行温度调节方案的集合；Θ_j表示第j个方案的波动持续时段数，即温度调节后经过Θ_j个时段段才能进入稳定状态；

(3)对于第i个空调聚合小组的第j个方案，在调度周期范围内对决策变量s_i,j,l求和，须为以下2种结果：等于0表示该方案未被采用，等于Θ_j表示采用第j个方案，且此时的决策变量与第j个负荷增减方案须一致；下式决定了决策变量中若存在1，那么连续为1的个数至少为Θ_j，保证每次调度之前所有空调聚合小组均已结束过渡状态、处在稳定状态：

$\begin{array}{c}(s_{i,j,l}-s_{i,j,l-1})+(s_{i,j,l+{\mathrm{\Θ}}_j-1}-s_{i,j,l+{\mathrm{\Θ}}_j})\≤1,\\ \∀i\∈N^{\mathrm{group}},\∀j\∈N_i^{\mathrm{plan}},\∀l\∈[1,\mathrm{\Γ}-1]\end{array}---\left(8\right)$