CN106300349A - 一种区域用电智能管理系统 - Google Patents

Abstract

一种区域用电智能管理系统，该技术通过构建具有自动化、智能化、网络化、功能全、测量范围广、适应性强的区域用能监测系统，测量区域内用户多种用电设备(电器)实时用电能耗信息，记录、存储、分析用电行为，通过机器学习形成用户用电方式优化方案，开发优化算法，结合需求侧自动响应策略，由智能网关通过接入用电设备的控制器对用电终端进行负荷管理(调度控制)，最终实现合理有序用电、终端能源使用效率提高和优化用电行为，达到节能增效的目的。

Description

一种区域用电智能管理系统

技术领域

本发明涉及节能监测，特别涉及一种区域用电智能管理系统。

背景技术

电力需求侧管理对于优化能源结构、指导用户科学用电、提高电能利用效率和节能减排具有重要意义。实现电力需求侧的管理需要构建用能采集监测与能效控制系统，从需求侧负荷用能信息量测、智能分析、数据传输、智能调控等系统化的技术方案。目前电力需求侧应用的系统包括用电信息采集系统、负荷控制系统、电能服务管理平台、需求响应管理平台、能效监测平台等。但随着全自动化需求响应等应用的出现，还存在以下技术问题：

传统的电力负荷监测系统需要在所有监测的每一个负荷上加装硬件装置，并采用无线电、电力线载波等通信技术将数据传输到数据管理系统。虽然这种方法简单、方便，但由于采用“侵入式”技术方案，在系统建设、维护等方面需要大量的时间和费用，限制推广应用。

目前电网运行和管理对需求侧的信息采集量少(主要是电能量)、数据采集频度低(每天一次，最快每15分钟一次)，需求侧用户电力特性可观测性差；对用户用电行为分析主要从用电信息采集系统主站获取数据分析，由于数据种类少、采集频度低，分析局限性大，无法为区域性自动需求响应服务提供支持。

为此，提出了基于“非侵入式”区域用能监测系统，它包括在电力入口处安装一个智能用能监测网关，通过采集该处电压、电流等信号就可以分析得到负荷群体中单个负荷的种类和用电行为特性，智能网关根据优化用电策略发出控制命令，控制用电负荷的接入与离网，达到负荷平衡、科学用电和节约用能的目的。这里的用电区域可能是一户家庭、一栋楼宇、一个小区或工业园区，包含各类用电负荷及客户侧分布式电源、电动汽车、储能等装置构成的微型智能配电网。电力入口可能对应家庭用户智能电表、楼宇负荷监控终端、小区或工业园区负荷监控终端。

申请号为CN201410389560的发明专利公开了一种非侵入式电力负荷监测与分解技术体系架构，包括：部署在技术服务提供方一端的非侵入式电力负荷监测与分解技术服务管理模块，部署在用户一端的非侵入式电力负荷监测与分解功能模块，分布式网络拓展功能模块和双向通信网络传输模块。

申请号为CN200910069133提出一种非侵入式用电设备单元电流在线量测方法，用于电力系统负荷能耗分解与监测、用电分析、负荷节能、负荷预测和负荷建模，有如下步骤：在电力负荷入口处监测电压、电流信息，并判断是否有用电设备投入，如果没有则继续监测，如果有则转入下一步；记录用电设备投入前、后电力负荷的稳态电压、电流数据；对上一步所记录的数据进行谐波分析得到电流表达式；计算用电设备投入前后电力负荷稳态电流的差值；对上一步所计算的电流的差值进行单元化，得到用电设备的单元电流参数。该方案能够在不影响电力用户正常生产、生活的情况下得到其内部主要用电设备单元电流的参数，其更有利于非侵入式电力负荷分解的开展。

申请号为CN201410157578公开了一种带电力线通信功能的家庭网关设备，包括网络侧宽带接入模块、网络交换芯片模块和有线以太网模块；它还包括电力线载波通信模块：与网络交换芯片模块相连接，用于将宽带信号调制生成能够在电力线上传输的电力线载波信号并将该电力线载波信号发送到分布于室内各处的市电电源的接电位置处，电力线载波通信模块还接收分布于室内各处的市电电源的接电位置处向电力线上传送的电力线载波信号并从电力线载波信号中解调出宽带信号，实现宽带信号与电力线载波信号的协议、介质互转换。该方案在家庭网关设备的用户侧接口中增加了电力线通信接口，为家庭用户提供基于有线以太网、WiFi无线网络和电力线网络的室内宽带网络全覆盖服务。

以上发明专利分别涉及到非侵入式电力负荷监测与分解技术体系架构、非侵入式用电设备单元在线量测方法、带电力线通信功能的家庭网关设备，但是采用上述方法并不能对区域内的用电设备的用电起到优化作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种区域用电智能管理系统，用于优化区域用能和科学高效用电的目的。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种区域用电智能管理系统，该区域用电负荷包括各类有源、无源负荷，包括智能网关和受控智能网关动作并控制各类有源、无源负荷启闭的若干控制器，其中，智能网关包括

部署在区域用电电力输入端的用电监测模块，所述用电监测模块用于实时采集电力输入端的用电信息，并建立数据库；

用电行为分析模块，连接用电监测模块，用于对数据库内的用电信息的数据变化和时间特性进行用电分解并识别用电负荷类型，自动存入数据库，并对每一类用电负荷的历史用电行为在数据库内建立子模块；

用电管理模块，连接用电行为分析模块，依据用电设备的历史用电行为进行预测，并结合预先设定条件，自动向控制器输出调控命令以通过上述控制器控制各类负荷的启/闭。

进一步的，所述智能网关还包括

网络接入模块，实现网络侧通讯服务的宽带接入；

网络交换模块，与网络接入模块连接，实现网络交换模块与外部宽带网络的物理层匹配、线路驱动和协议转换；

以太网模块，与网络交换模块和用电行为分析模块连接，实现用电行为分析模块与网络交换模块的通信信号的相互传输；

电力线载波通信模块，与网络交换模块连接，用于将用电管理模块输出的调控命令调制生成能够在电力线输出的电力线载波信号，以便将该载波信号发送至每一控制器位置处。

进一步的，所述电力线载波通信模块包含有加密和解密模块，用于对通讯数据进行加密和解密运算。

进一步的，所述用电行为分析模块还包括机器学习系统以不断精确识别和匹配各类负荷。

进一步的，所述用电信息包括电力入口处的额定电压、电流、功率以及最大功率。

进一步的，所述电力入口可以为家庭的电表箱、楼宇的配电箱、小区的配电室或者工业园区的关口表箱。

进一步的，所述用电行为分析模块包括如下步骤：

第一步，记录各类用电负荷投入前、后的稳态电压、电流数据、电流数据；

第二步，对第一步所记录的稳态电压、电流数据进行谐波分析得到电流表达式；

第三步，计算用电设备投入前后电力负荷稳态电流的差值；

第四步，对第三步所计算的电流差值进行单元化，与各类负荷参数进行分析与校对，确定该用电负荷为哪一类用电设备；

第五步，依据第四步用电设备的参数和计算公式P＝UIT，得到用电时间；

第六步，把上述步骤的用电时间与用电参数信息存入与该用电设备相对应的子模块。

综上所述，本发明具有以下有益效果：该技术通过构建具有自动化、智能化、网络化、功能全、测量范围广、适应性强的区域用能监测系统，测量区域内用户多种用电设备(电器)实时用电能耗信息，记录、存储、分析用电行为，通过机器学习形成用户用电方式优化方案，开发优化算法，结合需求侧自动响应策略，由智能网关通过接入用电设备的控制器对用电终端进行负荷管理(调度控制)，最终实现合理有序用电、终端能源使用效率提高和优化用电行为，达到节能增效的目的。

附图说明

图1是区域用电智能管理系统结构示意图；

图2是实施例1的智能网关结构示意图；

图3是用电行为分析模块分解流程图；

图4是实施例2的智能网关结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1，

参照图1所示，一种区域用电智能管理系统，该系统有区域智能网关、各类用电负荷以及用于控制各类用电负荷启/闭，其中，用电负荷包括有源负荷和无源负荷，无源负荷主要包括各类家用电器(如空调、电视、洗衣机、热水器、照明等)、楼宇公共用电设施(如电梯、水泵、供热锅炉等)、商业用户、中小型工业用户等无源负荷；区域内有源负荷主要包括电动车充电装置、客户侧分布式电源(如太阳能光伏、微型风力发电等)、储能装置等。上述的各类有源或无源负荷均串接有一控制器，该控制器通过智能网关统一调控。

参照图2所示，智能网络包括用电监测模块、用电行为分析模块以及用电管理模块，其中，用电监测模块部署在区域用电电力输入端，用于是实时监测电力输入端的额定电压、电流、功率以及最大功率等用电信息，并在智能网关内建立数据库，该电力输入端可以为家庭的电表箱、楼宇的配电箱、小区的配电室或者工业园区的关口表箱；用电行为分析模块连接用电监测模块，用于对数据库内的用电信息的数据变化和时间特性进行用电分解并识别同用电负荷类型，自动存入数据库，并对每一类用电负荷的历史用电行为在数据库内建立子模块，方便使用者随时查看各类用电负荷的当前用电数据以及历史用电信息；用电管理模块，连接用电行为分析模块，依据用电设备的历史用电行为进行预测，并结合预先设定条件，自动向控制器输出调控命令以通过上述控制器控制各类负荷的启/闭。

参照图3所示，上述的用电行为分析模块，其中一种分析、分解方法为，

第一步，记录每一用电设置投入前、后的稳态电压、电流数据；

第二步，对第一步记录的稳态电压、电流数据进行谐波分析得到电流表达式，当电流基波幅值的标幺值为1时的电流具有一定的统计规律，可表示成如下形式：

$i_a^{\′}\left(i\right)=\underset{\∀k\∈n}{\Σ}{a}_{k,a}\·\cos (k\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\θ}}_{k,a})---\left(1\right)$

式中，i′_a是某一用电设备的单元电流，下标a表示用电设备；k∈N*，即k是一个正整数；kω表示单元电流中第k次谐波分量的角频率；θ_k，a表示单元电流中第k次谐波分量的初相角；a_1，a＝1，当k＞1时，a_k，a是一个小于1的非负实数。

用电设备投入使用前电力负荷的稳态电流可表示成如下形式：

i_l(t)＝I_l1·[1·cos(ωt+θ_l1)+……+a_lk·cos(kwt+θ_lk)+……] (2)

式中，i_l(t)表示电力负荷稳态电流的瞬时值；下标l表示电力负荷；I_l1表示电流负荷稳态电流基波分量的幅值；ω是电力负荷稳态电流基波分量的角频率；θ_l1是电力负荷稳态电流基波分量的初相角；a_l1表示电力负荷稳态电流第k次谐波分量幅值与基波分量幅值的比例系数；θ_lk表示电力负荷稳态电流第k次谐波分量的初相角；kω表示电力负荷稳态电流第k次谐波分量的角频率。

第三步：计算用电设备投入前后电力负荷稳态电流的差值；

当电力负荷内部有一主要用电设备投入使用后，其新的稳态电流如下：

i_l，new(t)＝I_l1，new·[1·cos(ωt+θ_l1，new)+……+a_lk，new·cos(kwt+θ_lk，new)+……] (3)

式中，i_l，new(t)、I_l1，new、θ_l1，new、a_l1，new和θ_l1，new，new分别表示用电设备投入使用后i_l(t)、I_l1、θ_l1、a_l1和θ_l1的新值。

该用电设备的稳态工作电流可近似用其投入使用后的负荷稳态电流减去其投入使用前的负荷稳态电流得到，如式(4)所示：

i_a(t)＝i_l，new(t)-i_l(t)＝I_l1，new·[1·cos(ωt+θ_l1，new)+……+a_lk，new·cos(kwt+θ_lk，new)+……]-I_l1·[1·cos(ωt+θ_l1)+……+a_lk·cos(kwt+θ_lk)+……] (4)＝Ia₁·[1·cos(ωt+θa₁)+……+a_ak·cos(kwt+θ_ak)+……]

式中，i′_a(t)是计算得到的该用电设备稳态工作电流的瞬时值；I_a1是用电设备稳态工作电流基波分量的幅值；θ_a1是用电设备稳态工作电流基波分量的初相角；a_ak表示用电设备稳态工作电流第k次谐波分量幅值与基波分量幅值的比例系数；θ_ak表示用电设备稳态工作电流中第k次谐波分量的初相角。

第四步：对上一步所计算的电流的差值进行单元化，得到用电设备的单元电流参数。

根据其稳态工作电流可得到这一用电设备的单元电流，如下所示：

i′_a(t)＝I_a1·[1·cos(ωt+θ_a1)+……+a_ak·cos(kwt+θ_ak)+……] (5)

式中，i′a(t)是这一用电设备的单元电流；θa1是用电设备稳态工作电流基波分量的初相角；a_ak表示用电设备稳态工作电流第k次谐波分量幅值与基波分量幅值的比例系数；θ_ak表示用电设备稳态工作电流中第k次谐波分量的初相角。

因此，当负荷内部有主要用电设备投入，且其它用电设备没有变化时，只要得到其投入前、后的负荷稳态电流就可近似的计算出这一用电设备的单元电流；

第五步，通过计算该用电设备用电的总功率，通过计算公式P＝Uit，得到用电时间；

第六步，把最新的用电时间和用电参数重新存入与用电设备相对应的子模块。

实施例2，

参照图4所示，与实施例1不同之处在于，智能网关包括有用电监测模块、用电行为分析模块、网络接入模块、网络交换模块、以太网模块、电力线载波通信模块以及用电管理模块，其中，用电监测模块部署在区域用电电力输入端，用于实时监测电力输入端的额定电压、电流、功率以及最大功率等用电信息，并在智能网关内建立数据库，网络接入模块用于实现网络侧通讯服务的宽带的接入，网络交换模块与网络接入模块连接实现网络侧通讯服务的宽带接入；网络交换模块与网络接入模块连接，实现网络交换模块与外部宽带网络的物理层匹配、线路驱动和协议转换；用电行为分析模块连接用电监测模块，用于对数据库内的用电信息的数据变化和时间特性进行用电分解，依据预录入在智能网关中的各类负荷参数进行分析与校对，以识别出哪一类用电设备工作，并对每一类用电设备的历史用电行为在数据库内建立子模块，方便使用者随时查看各类用电负荷的当前用电数据以及历史用电信息；以太网模块，与网络交换模块和用电行为分析模块连接，实现用电行为分析模块与网络交换模块的通信信号的相互传输，从而在用电行为分析模块内设置机器学习系统，通过网络交换模块连接至网络接入模块，从互联网中实时数据传输，达到自学习的目的，以不断优化学习算法，通过日积月累的数据不断精确识别和匹配各种设备，达到小负荷接入的实时辨别和各类有源用电设备和有源发电储能设备的用能分析；用电管理模块连接用电行为分析模块，在用户同意的情况下，依据用电设备的历史用电行为进行预测，并结合电力需求侧自动需求响应方法向控制器输出调控命令；电力线载波通信模块与网络交换模块连接，用于将用电管理模块输出的调控命令调制生成能够在电力线输出的电力线载波信号，该电力线载波通信模块包含有加密和解密模块，用于对通讯数据进行加密和解密运算，以便将该载波信号无遗漏的发送至每一控制器位置处，从而调控控制器控制各类负荷的启/闭。

其具体工作方式，以有源负荷的电动汽车的充电装置为例，一个车库有若干充电装置，而该充电系统仅能够保证对N个电动汽车达到正常充电，当有第N+1个电动汽车接入时，通过用电行为分析模块分析出每一个电动汽车的充电信息，对每一电动汽车建立标识，依照每一电动汽车子模块中的历史数据判定，这些电动汽车使用的先后顺序，并通过用电管理模块自动剔除最后使用的电动汽车，优先对先使用的电动汽车进行充电，当其中一个电动汽车充满电后，接入剔除的电动汽车。

以无源负荷的小区灯光照明为例，正常情况下该小区的灯光照明每天的凌晨断电熄灯，依据用电设备的历史用电行为进行预测，下一天的灯光照明也理应凌晨断电，但是由于工作人员疏忽大意忘记了关灯，通过用电管理模块向管理人员发出请求指令，受理则按照管理人员方式进行处理，未受理则自行切断电源。

该技术通过构建具有自动化、智能化、网络化、功能全、测量范围广、适应性强的区域用能监测系统，测量区域内用户多种用电设备(电器)实时用电能耗信息，记录、存储、分析用电行为，通过机器学习形成用户用电方式优化方案，开发优化算法，结合需求侧自动响应策略，由智能网关通过接入用电设备的控制器对用电终端进行负荷管理(调度控制)，最终实现合理有序用电、终端能源使用效率提高和优化用电行为，达到节能增效的目的。

其成果可在电网公司、售电公司、需求侧响应服务公司、以及用户推广应用，事先用户节能节点，面向用户优化电力供应效率(需求侧响应、负荷曲线优化)，具有非常大的应用和推广前景。

Claims (7)

1.一种区域用电智能管理系统，该区域用电负荷包括各类有源、无源负荷，其特征在于：包括智能网关和受控智能网关动作并控制各类有源、无源负荷启闭的若干控制器，其中，智能网关包括

部署在区域用电电力输入端的用电监测模块，所述用电监测模块用于实时采集电力输入端的用电信息，并建立数据库；

用电行为分析模块，连接用电监测模块，用于对数据库内的用电信息的数据变化和时间特性进行用电分解并识别用电负荷类型，自动存入数据库，并对每一类用电负荷的历史用电行为在数据库内建立子模块；

用电管理模块，连接用电行为分析模块，依据用电设备的历史用电行为进行预测，并结合预先设定条件，自动向控制器输出调控命令以通过上述控制器控制各类负荷的启/闭。

2.根据权利要求1所述的一种区域用电智能管理系统，其特征在于：所述智能网关还包括网络接入模块，实现网络侧通讯服务的宽带接入；

网络交换模块，与网络接入模块连接，实现网络交换模块与外部宽带网络的物理层匹配、线路驱动和协议转换；

以太网模块，与网络交换模块和用电行为分析模块连接，实现用电行为分析模块与网络交换模块的通信信号的相互传输；

电力线载波通信模块，与网络交换模块连接，用于将用电管理模块输出的调控命令调制生成能够在电力线输出的电力线载波信号，以便将该载波信号发送至每一控制器位置处。

3.根据权利要求2所述的一种区域用电智能管理系统，其特征在于：所述电力线载波通信模块包含有加密和解密模块，用于对通讯数据进行加密和解密运算。

4.根据权利要求2所述的一种区域用电智能管理系统，其特征在于：所述用电行为分析模块还包括机器学习系统以不断精确识别和匹配各类负荷。

5.根据权利要求1所述的一种区域用电智能管理系统，其特征在于：所述用电信息包括电力入口处的额定电压、电流、功率以及最大功率。

6.根据权利要求1所述的一种区域用电智能管理系统，其特征在于：所述电力入口可以为家庭的电表箱、楼宇的配电箱、小区的配电室或者工业园区的关口表箱。

7.根据权利要求1所述的一种区域用电智能管理系统，其特征在于：所述用电行为分析模块包括如下步骤：

第一步，记录各类用电负荷投入前、后的稳态电压、电流数据、电流数据；

第二步，对第一步所记录的稳态电压、电流数据进行谐波分析得到电流表达式；

第三步，计算用电设备投入前后电力负荷稳态电流的差值；

第四步，对第三步所计算的电流差值进行单元化，与各类负荷参数进行分析与校对，确定该用电负荷为哪一类用电设备；

第五步，依据第四步用电设备的参数和计算公式P＝UIT，得到用电时间；

第六步，把上述步骤的用电时间与用电参数信息存入与该用电设备相对应的子模块。