CN104482654B - 基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法及其系统 - Google Patents
基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法及其系统，通过对电热水器设备进行建模，形成电热水器聚合负荷需求模型，将电热水器的用水量考虑在内，合理地控制电热水器的温度上下限和开关状态，以改变电热水器的动态过程和电能消耗情况；对影响电热水器响应的电热水器参数、外界因素、通讯过程等各种相关因素进行计算，形成对电热水器进行控制的控制框架，使电热水器有效地参与到DR中，为电网提供服务，提高电热水器参与DR的应用可靠性，有利于通过对相关因素进行调整提升其在DR领域的应用效果，不仅节约资源，并可提高电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网的技术领域，特别是涉及一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，以及一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统。
背景技术
随着智能电网概念的提出和发展，需求侧管理(Demand Side Management,DSM)逐渐成为电力行业研究的热点，其采用先进的测量通信技术以及有效的控制手段使得负荷成为一种响应调度的资源。
需求响应(Demand Response,DR)是DSM的重要手段，它是指当电力批发市场价格升高或系统可靠性受威胁时，电力用户接收到供电方发出的诱导性减少负荷的直接补偿通知或者电力价格上升信号后，改变其固有的习惯用电模式，达到减少或者推移某时段的用电负荷而响应电力供应，从而保障电网稳定，并抑制电价上升的短期行为。
热力学可控负荷因在电力负荷中占有较大比重，且具有良好的储能特性，因此可成为DR研究的重点，电热水器作为热力学可控负荷的一种，可以作为一种有效的响应资源参与DR。
然而，目前对于电热水器对DR能力的影响，以及如何有效地参与DR控制，尚未有突破性进展，电热水器一直难以参与电力需求侧的响应控制过程，使电力需求侧的响应控制中缺少重要的一环，无法做到更好的控制。
发明内容
针对现有的电热水器无法参与电力需求侧的响应控制过程，导致需求侧响应不充分的问题，本发明提供一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法及其系统，通过对电热水器的建模以及对影响电热水器响应的电热水器参数、外界因素等各种相关要素综合，使电力需求侧的响应控制过程能够融合电热水器的影响，能够提高电力需求侧的响应控制的准确性。
一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，包括以下步骤：
对各个电热水器设备进行建模，生成电热水器设备的聚合负荷需求模型，根据所述聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷；
当接收到供电方发出的负荷调节指令时，判断所述各个电热水器设备是否处于用水状态：
如果所述电热水器设备未处于用水状态，则获取其当前时刻的用电负荷；
根据获取的用电负荷以及所述需求控制指令，控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，包括：
负荷计算模块，用于对各个电热水器设备进行建模，生成电热水器设备的聚合负荷需求模型，根据所述聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷；
判断模块，用于当接收到供电方发出的负荷调节指令时，判断所述各个电热水器设备是否处于用水状态：
负荷获取模块，用于如果所述电热水器设备未处于用水状态，则获取其当前时刻的用电负荷；
控制模块，用于根据获取的用电负荷以及所述需求控制指令，控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
本发明的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法及其系统，通过所述电热水器设备的聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷，在接收到供电方发出的负荷调节指令时，将未处于用水状态的电热水器设备的用电负荷与需求控制指令中需调整的负荷相比，从而控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态，使得未处于用水状态的电热水器设备能够参与电力需求侧响应控制，提高了电力需求侧的响应控制的准确性。
附图说明
图1是本发明基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法的流程示意图；
图2为单个电热水器的动态响应曲线图；
图3为电热水器参与DR进行控制的控制框架图；
图4为基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法的流程示意图。
所述基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，包括以下步骤：
S101，对各个电热水器设备进行建模，生成电热水器设备的聚合负荷需求模型，根据所述聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷；
S102，当接收到供电方发出的负荷调节指令时，判断所述各个电热水器设备是否处于用水状态：
S103，如果所述电热水器设备未处于用水状态，则获取其当前时刻的用电负荷；
S104，根据获取的用电负荷以及所述需求控制指令，控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
本发明的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，通过所述电热水器设备的聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷，在接收到供电方发出的负荷调节指令时，将未处于用水状态的电热水器设备的用电负荷与需求控制指令中需调整的负荷相比，从而控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态，使得未处于用水状态的电热水器设备能够参与电力需求侧响应控制，提高了电力需求侧的响应控制的准确性。
其中，对于步骤S101，首先对各个电热水器设备进行建模，生成电热水器设备的聚合负荷需求模型。
为了充分利用需求侧可调度资源电热水器，使其有效地参与DR控制，为电网提供服务，提高电能质量，本发明通过对电热水器设备进行建模，形成电热水器聚合负荷需求模型，将电热水器的用水量考虑在内，合理地控制电热水器的温度上下限和开关状态，以改变电热水器的动态过程和电能消耗情况；
电热水器是以电作为能源，在一定时间内使冷水温度升高变成热水的一种装置，应用指数模型描述热水器的动态过程：
θt+1＝θen,t-(θen,t-θt)exp(-Δt/(RC))+ITCL,t·QR(1-exp(-Δt/(RC)) (1)
如果t时刻有热水消耗，则该时刻水箱中的热水温度由下式修正：
θt＝(θcur,t(M-dt)+θen,tdt)/M (2)
且在任意时刻，热水温度均应满足下式：
θlow≤θt≤θup (3)
其中：θt是水箱中的热水在t时刻的温度；θen,t是t时刻的环境温度；ITCL,t是t时刻热水器加热器的开关状态；Q、R和C分别是热水器的操作热功率、热阻和热容；θcur,t是t时刻水箱中的热水在热水使用前的温度；M是水箱满载时水的总质量；dt是t时刻的热水使用量；θlow和θup分别是热水温度的上下限值。
参见图2，为单个电热水器的动态响应曲线，反映了在一定水温设定点、环境温度和用水量下，水温和电热水器功率随着时间的变化情况。可以看出，当电热水器开启时，水温上升，电热水器消耗功率，直至到达水温上限，电热水器关闭，水温下降，电热水器不消耗功率，直至到达水温下限，电热水器重新开启，如此循环。在水温下降阶段，若用户用水量增加，水温下降程度提高，会在更短时间内到达水温下限，反之，若用户用水量减少，水温下降程度降低，会在更长时间内到达水温上限。在水温上升阶段，若用户用水量增加，水温上升程度降低，会在更长时间内到达水温上限，反之，若用户用水量减少，水温上升程度提高，会在更短时间内到达水温上限。因此，可以控制电热水器的开关状态从而控制电热水器消耗的功率。
因此，根据所述聚合负荷需求模型式(1)、(2)和(3)，采集各个热水器的相关参数，计算各个电热水器设备的用电负荷，即当前时刻是否开启，是否处于用水状态，以及操作热功率Q。
在步骤S102，当接收到供电方发出的负荷调节指令时，判断所述各个电热水器设备是否处于用水状态：
对热水器负荷群进行控制时，首先将其按照是否在用水分为两组，一组处于用水状态，一组处于未用水状态，为了不影响用户的用水，保证其舒适度，我们对处于未用水状态的热水器组群进行控制，参与DR，为电网提供相应的服务。
S103，如果所述电热水器设备未处于用水状态，则获取其当前时刻的用电负荷；
S104，根据获取的用电负荷以及所述需求控制指令，控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
所述负荷调节指令包括减少负荷的补偿通知或者电力价格上升通知等。并优选记载当前需要调节的负荷量，因此可根据所述负荷调节指令中记载的需要调整的负荷量，以及未处于用水状态的电热水器设备的用电负荷，以预设的调整规则可以获得对各个电热水器设备的调整指令，从而控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
当需要调低用电负荷量时(如电力价格上升)，可将各个电热水器设备的温度上下限降低，或者使其开关处于关闭状态；当允许增大用电负荷量时(例如电力价格下降，或者提供的供电电压充足)，可将各个电热水器设备的开关打开，并将温度上下限恢复到正常值，优先保证用户的使用。
在一个实施例中，根据所述电热水器设备的热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，获得电热水器最佳响应参数值，根据所述最佳响应参数值，控制电热水器的温度上下限和开关状态。
通过所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，可以计算出电热水器最佳响应参数值，即开关调整或者温度上下限调整的门限值，从而可以在满足相应门限值时，控制电热水器的温度上下限和开关状态进行调整，使调整更加快速，效率更高。
进一步还可根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，获得电热水器最佳响应参数值。
通过加入环境温度，可以使所述电热水器最佳响应参数值的计算更加准确，提高控制的准确度。
进一步地，还可以根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，以及所述电热水器设备与控制中心自建的通讯丢包、通讯延迟和通讯数据错误率，获得电热水器最佳响应参数值。
进一步考虑到所述电热水器设备与控制中心自建的通讯丢包、通讯延迟和通讯数据错误率也是造成电热水器设备的响应的重要因素，因此在计算所述电热水器最佳响应参数值时一并考虑此通信参数，可以进一步提高DR控制的准确度。
具体可参见图3，图3为电热水器参与DR进行控制的控制框架图。首先考虑不同电热水器参数、外界因素和通讯过程对电热水器参与DR控制的影响，得到电热水器的各种最佳响应参数，在最佳参数下，通过本发明的控制方式，使得电热水器设备更好的参与DR调节。
本发明通过对电热水器设备进行建模，形成电热水器聚合负荷需求模型，将电热水器的用水量考虑在内，合理地控制电热水器的温度上下限和开关状态，以改变电热水器的动态过程和电能消耗情况；对影响电热水器响应的电热水器参数、外界因素、通讯过程等各种相关因素进行分析，形成对电热水器进行控制的控制框架。
通过上述温控负荷电热水器参与DR的方式和控制框架，充分利用需求侧资源电热水器，使其有效参与DR，为电网提供削峰填谷，平滑由可再生能源集成所引起的功率波动等服务，考虑热水器数目、水温上下限、水温设定点、和热力学参数等电热水器参数，环境温度等外界因素以及通讯丢包、通讯延迟和通讯数据错误率等通讯过程等相关因素对电热水器参与DR控制的影响，形成对电热水器进行控制的控制框架，不仅提高了需求侧资源利用率，降低了控制成本，还提高了电能质量。
本发明还具有以下有益效果：将影响热水器响应的用水量变化考虑在内，合理的控制热水器的温度上下限和开关状态，改变其消耗的能量，从而有效地参与到DR中，为电网提供服务，并对影响电热水器响应的电热水器数目、水温设定点、环境温度、通讯过程等相关因素进行了计算，提高电热水器参与DR的应用可靠性，有利于通过对相关因素进行调整提升其在DR领域的应用效果，从而形成了对电热水器进行DR控制的控制框架，不仅节约了资源，而且提高了电能质量。
本发明还提供一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，如图4所示，所述基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统包括：
负荷计算模块10，用于对各个电热水器设备进行建模，生成电热水器设备的聚合负荷需求模型，根据所述聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷；
判断模块20，用于当接收到供电方发出的负荷调节指令时，判断所述各个电热水器设备是否处于用水状态：
负荷获取模块30，用于如果所述电热水器设备未处于用水状态，则获取其当前时刻的用电负荷；
控制模块40，用于根据获取的用电负荷以及所述需求控制指令，控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
本发明的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，通过所述电热水器设备的聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷，在接收到供电方发出的负荷调节指令时，将未处于用水状态的电热水器设备的用电负荷与需求控制指令中需调整的负荷相比，从而控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态，使得未处于用水状态的电热水器设备能够参与电力需求侧响应控制，提高了电力需求侧的响应控制的准确性。
优选地，在一个实施例中，所述控制模块40根据所述电热水器设备的热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，获得电热水器最佳响应参数值，根据所述最佳响应参数值，控制电热水器的温度上下限和开关状态。
在一个实施例中，所述控制模块40可进一步根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，获得电热水器最佳响应参数值。
在一个实施例中，所述控制模块40可进一步根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，以及所述电热水器设备与控制中心自建的通讯丢包、通讯延迟和通讯数据错误率，获得电热水器最佳响应参数值。
在一个实施例中，所述负荷调节指令包括减少负荷的补偿通知或者电力价格上升通知。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施方式中的全部或部分流程以及对应的系统、所述音乐播放器，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各实施方式的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
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 (10)
1.一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对各个电热水器设备进行建模，生成电热水器设备的聚合负荷需求模型，根据所述聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷；
当接收到供电方发出的负荷调节指令时，根据所述电热水器设备的用电负荷判断所述各个电热水器设备是否处于用水状态：
如果所述电热水器设备未处于用水状态，则获取其当前时刻的用电负荷；
根据获取的用电负荷以及需求控制指令，控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
2.如权利要求1所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，其特征在于：
根据所述电热水器设备的热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，获得电热水器最佳响应参数值，根据所述最佳响应参数值，控制电热水器的温度上下限和开关状态。
3.如权利要求2所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，其特征在于，进一步根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，获得电热水器最佳响应参数值。
4.如权利要求2所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，其特征在于，进一步根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，以及所述电热水器设备与控制中心自建的通讯丢包、通讯延迟和通讯数据错误率，获得电热水器最佳响应参数值。
5.如权利要求1至4任意一项所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制方法，其特征在于，所述负荷调节指令包括减少负荷的补偿通知或者电力价格上升通知。
6.一种基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，其特征在于，包括：
负荷计算模块，用于对各个电热水器设备进行建模，生成电热水器设备的聚合负荷需求模型，根据所述聚合负荷需求模型，计算各个电热水器设备的用电负荷；
判断模块，用于当接收到供电方发出的负荷调节指令时，根据所述电热水器设备的用电负荷判断所述各个电热水器设备是否处于用水状态：
负荷获取模块，用于如果所述电热水器设备未处于用水状态，则获取其当前时刻的用电负荷；
控制模块，用于根据获取的用电负荷以及需求控制指令，控制各个电热水器设备的温度上下限和开关状态。
7.如权利要求6所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，其特征在于，所述控制模块根据所述电热水器设备的热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，获得电热水器最佳响应参数值，根据所述最佳响应参数值，控制电热水器的温度上下限和开关状态。
8.如权利要求7所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，其特征在于，所述控制模块进一步根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，获得电热水器最佳响应参数值。
9.如权利要求8所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，其特征在于，所述控制模块进一步根据所述热水器数目、水温上下限、水温设定点和电热水器设备的热力学参数，以及环境温度，以及所述电热水器设备与控制中心自建的通讯丢包、通讯延迟和通讯数据错误率，获得电热水器最佳响应参数值。
10.如权利要求8所述的基于温控负荷电热水器的需求侧响应控制系统，其特征在于，所述负荷调节指令包括减少负荷的补偿通知或者电力价格上升通知。
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