CN106972498B - 电力需求响应控制系统及其负荷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力需求响应控制系统及方法，包括控制器和设置于各个用户处的智能插座，所述智能插座被配置为实现电器起停控制、电流数据采集及将电流数据发送至控制器，所述控制器根据住宅用户家中各用电设备的负荷类型，建立对应的时段耗电量与其工作时间的关系模型，结合各时段的电费，以最小电费支出为前确定电器运行时间，制定电器控制策略发送给智能插座，使得用户自动参与基于分时电价的需求响应。本发明所提负荷控制方法计算量小，易于在常见嵌入式控制器中实现，具有较高的实用价值。

Description

电力需求响应控制系统及其负荷控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力需求响应控制系统及其负荷控制方法。

背景技术

随着居民用户用电量逐年增加，电力负荷峰谷差逐渐加大，不利于电网经济运行。为解决这一问题，基于分时电价的电力需求响应项目被广泛实施。但是由于缺少一个能够自动运行的需求响应控制器，而居民负载用电具有时效性和紧迫性，所以即使大部分时间的用电成本较高居民也不愿意调整电器的运行时间和降低用电费用。因此需针对居民用户设计需求响应控制器与促进其参与电力需求响应。

目前针对住宅用户如何参与需求响应的研究，或是仅考虑了住宅用户中部分负荷的需求响应调度问题，不能充分挖掘用户需求侧可控资源；或是建立了精确而复杂的电器能耗描述模型与调度策略，需要经过大量计算后才能获得调度结果。所以还需研究如何通过合适的电器负荷模型与控制方法，充分挖掘用户需求侧可控资源，促进住宅用户参与需求响应。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种电力需求响应控制系统及其负荷控制方法，本发明能够充分挖掘用户需求侧可控资源，帮助居民用户自动参与电力需求响应，减少电费支出。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力需求响应控制系统，包括控制器和设置于住宅用户家中各电器的智能插座，所述智能插座被配置为实现电器起停控制、电流数据采集及将电流数据发送至控制器，所述控制器根据各电器的负荷类型，建立对应的时段耗电量与其工作时间的关系模型，结合各时段的电费，以最小电费支出为目标确定电器运行时间，制定电器控制策略发送给智能插座，使得用户自动参与基于分时电价的需求响应。

所述控制器设置有人机交互界面。

所述控制器通过以太网联入通讯网络，所述控制器通过ZigBee与智能插座连接。

所述智能插座，包括红外遥控与继电器控制接口，以根据控制器的控制策略对用户的家电用电进行自动启停控制。

所述智能插座，包括ZigBee模块、电流互感器和交流峰值检波电路，利用电流互感器将大电流信号转换为小电流信号并通过电阻转换为交流电压信号，利用交流峰值检波电路将交流电压信号转换为直流电压信号并送至ZigBee模块。

基于上述控制系统的负荷控制方法，包括以下步骤：

(1)根据电器使用规律及改变电器工作时间后对居民生活造成的影响，判定电器种类，将电器总体分为可控负荷电器与不可控负荷电器，其中可控负荷电器又分为可转移负荷电器与可削减负荷电器；

(2)针对不同类型的可控负荷，分别建立其在每个时段耗电量与其工作时间的关系模型；

(3)建立电费与电器工作时间的关系，以最小电费支出为目标，求解电器运行时间，制定相应的控制策略。

所述步骤(2)中，构建可转移负荷电器的每个时段耗电量与其工作时间的关系，同时在该类电器的转移时间的约束条件下，确定该类电器在每个时段工作时长与其转移时间的关系。

所述步骤(2)中，构建可削减负荷电器的每个时段耗电量与其工作时间的关系，根据该类电器工作时间的削减方式，当为在开始或结束工作时段削减，保证电器工作连续性的削减方式，构建电器工作时间与削减时段的关系，根据设置的不同的负荷削减度来限制负荷削减的程度，表达负荷削减度与削减时间的关系。

所述步骤(2)中，构建可削减负荷电器的每个时段耗电量与其工作时间的关系，根据该类电器工作时间的削减方式，当为在电器整个工作时段内插入停止运行时段，会出现电器工作不连续的情况的削减方式，设置的不同的负荷削减度来限制限制停止运行的次数，构建电器每次停止运行时段开始时间点的关系。

所述步骤(3)中，以负荷电器工作时段确定其对应的电价，时段电价乘以各电器时段能耗并求和得到用户花费，进而建立用户花费与电器工作时间的关系。

所述步骤(3)中，针对可转移负荷电器，用户花费只会在负荷平移至不同电价区间才发生增长趋势的改变，且花费与电价成线性关系，分别求出负荷平移时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间。

所述步骤(3)中，针对可削减负荷电器，调整电器负荷开始与结束时段削减时间比例，同样花费只会在电价区间发生变化时才改变增长趋势，分别求出调整电器负荷开始与结束时段削减时间比例时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所提电力需求响应控制器及其负荷控制方法能够帮助用户自动参与基于分时电价的需求响应项目，进而有效减少用户用电花费。本发明所提需求响应控制器方案的人机交互界面为浏览器，便于用户录入配置信息。本发明所提负荷控制方法计算量小，易于在常见嵌入式控制器中实现，具有较高的实用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为电力需求响应控制系统模块结构示意图；

图2为负荷控制方法流程图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的目前针对住宅用户如何参与需求响应的研究，或是仅考虑了住宅用户中部分负荷的需求响应调度问题，不能充分挖掘用户需求侧可控资源；或是建立了精确而复杂的电器能耗描述模型与调度策略，需要经过大量计算后才能获得调度结果的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电力需求响应控制系统及其负荷控制方法。

需求响应控制系统包括控制器与智能插座两部分。控制器完成制订电器控制策略、发送控制策略至智能插座以及提供人机交互界面的功能。智能插座完成电器起停控制、电流数据采集及将电流数据发送至控制器的功能。

负荷控制方法分为以下几个步骤：

步骤一：根据电器使用规律及改变电器工作时间后对居民生活造成的影响，判定电器种类。电器总体分为可控负荷电器与不可控负荷电器，其中可控负荷电器又分为可转移负荷电器与可削减负荷电器；

步骤二：针对不同类型的可控负荷电器，分别建立其在一天每个时段耗电量与其工作时间的关系模型；

步骤三：建立用户花费与电器工作时间的关系；

步骤四：使用合适的方法求得以最小电费支出为前提的电器运行时间。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，包含控制器与智能插座两个模块。

控制器模块完成以下功能：

制订电器控制策略，该功能在控制器MCU中完成，根据用户提供的电价信息与电器工作计划，通过合适的负荷控制算法调整电器工作时间，以期减少用户电费支出；

发送控制策略至智能插座，控制器MCU中完成的控制策略通过串口发送至ZigBee模块，控制器中的ZigBee模块作为协调器，将控制策略发送至智能插座中的终端ZigBee模块，完成将控制策略发送至智能插座的功能；

提供人机交互界面，控制器MCU通过SPI接口与以太网通信控制器芯片W5500通信，W5500通过RJ45接口与普通电脑通信，实现控制器与电脑的信息交互；在控制器MCU中搭建web server，用户通过电脑浏览器访问web server中的网页，查看电器运行状态与修改电器运行计划，实现人机交互功能。

智能插座模块完成以下功能：

电器起停控制，智能插座含有红外遥控与继电器两种硬件控制接口，能够完成大部分家用电器自动起停控制的功能，终端ZigBee模块作为智能插座的控制核心；

电流数据采集，电器能耗量的测量精度要求不高，所以默认电器工作电压为交流220V，通过测量电流获得电器耗电量；的利用电流互感器将大电流信号转换为小电流信号并通过电阻转换为交流电压信号，利用交流峰值检波电路将交流电压信号转换为直流电压信号并送至终端ZigBee模块模拟信号检测引脚，终端ZigBee模块从该引脚读取电压值，完成电流数据采集的功能；

发送电流数据至控制器，智能插座通过终端ZigBee模块将采集到的电流信息发送至控制器的协调器ZigBee模块，进而通过串口发送至控制器的MCU中，完成发送电流数据至控制器的功能。

负荷控制方法如图2所示，可分为以下几个步骤：

步骤一：根据电器使用规律及改变电器工作时间后对居民生活造成的影响，判定电器种类。电器总体分为可控负荷电器与不可控负荷电器，其中可控负荷电器又分为可转移负荷电器与可削减负荷电器，居民用户常见电器分类如表1所示，用户可根据自己实际情况修改具体电器所属的种类；

表1居民用户常见电器分类表

步骤二：针对可转移负荷电器，每个时段耗电量与其工作时间的关系如下：

e^A _n(t)＝P^A _n(t)·t^work,A _n(t),t＝0,1,2,...,23 (1)

式中，e^A _n(t)为可转移负荷电器n在t时段内用电量，P^A _n(t)为该类电器n在t时段的功率，t^work,A _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长。

该类电器在每个时段工作时长与其转移时间的关系如下：

式中，t^work,A _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长，t^sta _n为该类电器n转移前的起始工作时间点，t^end _n为该类电器n负荷转移前的终止工作时间点，t^cha _n为该类电器n负荷转移时长，可正可负，最小转移时长单位为1分钟，即为1/60。

该类电器的负荷转移时间不能是任意的，即需满足如下条件：

式中，t^sta _n为该类电器n转移前的起始工作时间点，t^end _n为该类电器n负荷转移前的终止工作时间点，t^cha _n为该类电器n负荷转移时长，T^sta _n用户设定的该类电器n最早可开始运行的时间点，T^end _n用户设定的该类电器n最迟可结束运行的时间点。

步骤三：针对可削减负荷电器，每个时段耗电量与其工作时间的关系如下：

e^B _n(t)＝P^B _n(t)·t^work,B _n(t),t＝0,1,2,...,23 (4)

式中，e^B _n(t)为可削减负荷电器n在t时段内用电量，P^B _n(t)为该类电器n在t时段的功率，t^work,B _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长。

该类电器工作时间有两种削减方式可供用户选择，方式一为在开始或结束工作时段削减，保证电器工作连续性；方式二在电器整个工作时段内插入停止运行时段，会出现电器工作不连续的情况。

削减方式一的电器工作时间与削减时段的关系如下：

式中，t^work,B _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长，t^sta _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^cuts _n为该类电器n在起始工作时段削减时长，t^end _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点，t^cute _n为该类电器n在结束工作时段削减时长。

用户通过设置不同的负荷削减度来限制负荷削减的程度，该方式下的负荷削减度与削减时间的关系如下：

式中，δ¹ _n为该方式下的负荷削减度，t^sta _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^cuts _n为该类电器n在起始工作时段削减时长，t^end _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点，t^cute _n为该类电器n在结束工作时段削减时长。

削减方式二的电器工作时间与削减时段的关系如下：

式中，t^work,B _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长，T^cut _n为电器n停止运行的固定时长，可设为15分钟，I_n表示该类电器n一次工作过程中停止运行的次数，t^cut _n,i表示该类电器n第i次停止运行时段的开始时间点。

用户通过设置不同的负荷削减度来限制停止运行的次数，该方式下的电器停止运行的次数与削减度的关系如下：

式中，δ² _n为该方式下的负荷削减度，i_n为中间变量，无实际意义，I_n表示该类电器n一次工作过程中停止运行的次数，通过对i_n取整得到，t^sta _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^end _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点。

该类电器每次停止运行时段开始时间点的计算方式如下：

式中，t^cut _n,i表示该类电器n第i次停止运行时段的开始时间点，t^sta _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^end _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点，I_n表示该类电器n一次工作过程中停止运行的次数。

步骤四：建立用户花费与电器工作时间的关系。电器运行时间与用户电费支出的关系如下：

式中，Cost表示用户可转移负荷电器与可削减负荷电器的能耗电费支出，P^A _n(t)为可转移负荷电器n在t时段的功率，t^work,A _n(t)表示可转移负荷电器n在t时段内工作时长，P^B _n(t)为可削减负荷电器n在t时段的功率，t^work,B _n(t)表示可削减负荷电器n在t时段内工作时长，pr(t)表示时段t内的电价，为分时电价，由用户设定。

步骤五：使用合适的方法求得以最小电费支出为前提的电器运行时间。

针对可转移负荷电器，用户花费只会在负荷平移至不同电价区间才发生增长趋势的改变，且花费与电价成线性关系，分别求出负荷平移时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间。

针对可削减负荷电器，调整电器开始与结束时段削减时间比例，同样花费只会在电价区间发生变化时才改变增长趋势，所以分别求出调整电器开始与结束时段削减时间比例时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种电力需求响应控制系统，其特征是：包括控制器和设置于住宅用户家中各用电设备处的智能插座，所述智能插座被配置为实现电器起停控制、电流数据采集及将电流数据发送至控制器，所述控制器根据各用电设备的负荷类型，建立对应的时段耗电量与其工作时间的关系模型，结合各时段的电费，以最小电费支出为前确定电器运行时间，制定电器控制策略发送给智能插座，使得用户自动参与基于分时电价的需求响应；

(1)、控制器根据电器使用规律及改变电器工作时间后对居民生活造成的影响，判定电器种类；电器总体分为可控负荷电器与不可控负荷电器；其中可控负荷电器又分为可转移负荷电器与可削减负荷电器；

(2)、针对可转移负荷电器，每个时段耗电量与其工作时间的关系如下：

e^A _n(t)＝P^A _n(t)·t^work,A _n(t),t＝0,1,2,...,23

式中，e^A _n(t)为可转移负荷电器n在t时段内用电量，P^A _n(t)为该类电器n在t时段的功率；

该类电器在每个时段工作时长与其转移时间的关系如下：

式中，t^work,A _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长，t^sta _n为该类电器n转移前的起始工作时间点，t^end _n为该类电器n负荷转移前的终止工作时间点，t^cha _n为该类电器n负荷转移时长，可正可负，最小转移时长单位为1分钟；

该类电器的负荷转移时间不能是任意的，即需满足如下条件：

式中，T^sta _n为用户设定的该类电器n最早可开始运行的时间点，T^end _n为用户设定的该类电器n最迟可结束运行的时间点；

(3)、针对可削减负荷电器，每个时段耗电量与其工作时间的关系如下：

e^B _n(t)＝P^B _n(t)·t^work,B _n(t),t＝0,1,2,...,23

式中，e^B _n(t)为可削减负荷电器n在t时段内用电量，P^B _n(t)为该类电器n在t时段的功率；

该类电器工作时间与削减时段的关系如下：

式中，t^work,B _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长，t^sta' _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^cuts' _n为该类电器n在起始工作时段削减时长，t^end' _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点，t^cute' _n为该类电器n在结束工作时段削减时长；

用户通过设置不同的负荷削减度来限制负荷削减的程度，负荷削减度与削减时间的关系如下：

式中，δ¹ _n为负荷削减度，t^sta' _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^cuts' _n为该类电器n在起始工作时段削减时长，t^end' _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点，t^cute' _n为该类电器n在结束工作时段削减时长；

(4)、建立用户花费与电器工作时间的关系；电器运行时间与用户电费支出的关系如下：

式中，Cost表示用户可转移负荷电器与可削减负荷电器的能耗电费支出，P^A _n(t)为可转移负荷电器n在t时段的功率，t^work,A _n(t)表示可转移负荷电器n在t时段内工作时长，P^B _n(t)为可削减负荷电器n在t时段的功率，t^work,B _n(t)表示可削减负荷电器n在t时段内工作时长，pr(t)表示时段t内的电价，为分时电价，由用户设定；

(5)、使用合适的方法求得以最小电费支出为前提的电器运行时间；

针对可转移负荷电器，分别求出负荷平移时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间；

针对可削减负荷电器，分别求出调整电器开始与结束时段削减时间比例时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间。

2.如权利要求1所述的一种电力需求响应控制系统，其特征是：所述控制器设置有人机交互界面；所述控制器通过以太网联入通讯网络，所述控制器通过ZigBee与智能插座连接。

3.如权利要求1所述的一种电力需求响应控制系统，其特征是：所述智能插座，包括红外遥控与继电器控制接口，以根据控制器的控制策略对用户的家用电器进行自动启停控制。

4.如权利要求1所述的一种电力需求响应控制系统，其特征是：所述智能插座，包括ZigBee模块、电流互感器和交流峰值检波电路，利用电流互感器将大电流信号转换为小电流信号并通过电阻转换为交流电压信号，利用交流峰值检波电路将交流电压信号转换为直流电压信号并送至ZigBee模块。

5.基于如权利要求1-4任一项所述的控制系统的负荷控制方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)、根据电器使用规律及改变电器工作时间后对居民生活造成的影响，判定电器种类，将电器总体分为可控负荷电器与不可控负荷电器，其中可控负荷电器又分为可转移负荷电器与可削减负荷电器；

(2)、针对不同类型的可控负荷电器，分别建立其在每个时段耗电量与其工作时间的关系模型；

针对可转移负荷电器，每个时段耗电量与其工作时间的关系如下：

e^A _n(t)＝P^A _n(t)·t^work,A _n(t),t＝0,1,2,...,23；

式中，e^A _n(t)为可转移负荷电器n在t时段内用电量，P^A _n(t)为该类电器n在t时段的功率；

该类电器在每个时段工作时长与其转移时间的关系如下：

式中，t^work,A _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长，t^sta _n为该类电器n转移前的起始工作时间点，t^end _n为该类电器n负荷转移前的终止工作时间点，t^cha _n为该类电器n负荷转移时长，可正可负，最小转移时长单位为1分钟；

该类电器的负荷转移时间不能是任意的，即需满足如下条件：

式中，t^sta _n为该类电器n转移前的起始工作时间点，t^end _n为该类电器n负荷转移前的终止工作时间点，t^cha _n为该类电器n负荷转移时长，T^sta _n为用户设定的该类电器n最早可开始运行的时间点，T^end _n为用户设定的该类电器n最迟可结束运行的时间点；

(3)、针对可削减负荷电器，每个时段耗电量与其工作时间的关系如下：

e^B _n(t)＝P^B _n(t)·t^work,B _n(t),t＝0,1,2,...,23；

式中，e^B _n(t)为可削减负荷电器n在t时段内用电量，P^B _n(t)为该类电器n在t时段的功率；

该类电器工作时间与削减时段的关系如下：

式中，t^work,B _n(t)表示该类电器n在t时段内工作时长，t^sta' _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^cuts' _n为该类电器n在起始工作时段削减时长，t^end' _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点，t^cute' _n为该类电器n在结束工作时段削减时长；

用户通过设置不同的负荷削减度来限制负荷削减的程度，负荷削减度与削减时间的关系如下：

式中，δ¹ _n为负荷削减度，t^sta' _n为该类电器n负荷削减前的起始工作时间点，t^cuts' _n为该类电器n在起始工作时段削减时长，t^end' _n为该类电器n负荷削减前的终止工作时间点，t^cute' _n为该类电器n在结束工作时段削减时长；

(4)、建立用户花费与电器工作时间的关系；电器运行时间与用户电费支出的关系如下：

式中，Cost表示用户可转移负荷电器与可削减负荷电器的能耗电费支出，P^A _n(t)为可转移负荷电器n在t时段的功率，t^work,A _n(t)表示可转移负荷电器n在t时段内工作时长，P^B _n(t)为可削减负荷电器n在t时段的功率，t^work,B _n(t)表示可削减负荷电器n在t时段内工作时长，pr(t)表示时段t内的电价，为分时电价，由用户设定；

(5)、使用合适的方法求得以最小电费支出为前提的电器运行时间；

针对可转移负荷电器，分别求出负荷平移时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间；

针对可削减负荷电器，分别求出调整电器开始与结束时段削减时间比例时遇到电价区间发生变化时间点的花费，进而得到花费曲线，即可得到花费最小的电器运行时间。

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