CN107341562A - 一种融合需求响应的楼宇能源管理系统及能源管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种融合需求响应的楼宇能源管理系统和能源管理方法，需求响应的楼宇能源管理系统包括数据采集单元、数据存储单元、需求响应单元节能策略设置单元、数据分析单元、负荷预测单元、控制执行单元。本发明通过将需求响应管理和节能管理结合，基于不同情况进行策略控制，根据实际情况对用户给出最终的节能建议，制定最经济性用电策略，实现削峰填谷，减少电费支出。

Description

一种融合需求响应的楼宇能源管理系统及能源管理方法
技术领域
本发明涉及楼宇能源领域，尤其涉及一种融合需求响应的楼宇能源管理系统及能源管理方法。
背景技术
随着社会的进步和经济的迅猛发展，建筑市场的飞速发展，建筑能耗占总能耗比例逐年上升。资料显示，未来几年内写字楼、公寓、饭店、会展中心等大型公共建筑会大幅度增加，而我国约90%以上的大型公共建筑是典型的耗（电）能大户，对于一栋现代化的大楼而言，统计显示有35%~50%的能源因此而浪费。在能源需求日趋紧张的情况下，采用多种手段实现建筑节能是必然的选择。如何进行建筑能耗量化管理，降低建筑运行过程中所消耗的能量，从而降低运行成本，成为最为关注的问题。
另一方面，随着电力市场改革的深入进行，需求侧管理正进一步得到重视，2016年2月，为推进能源互联网发展, 国家发改委、能源局、工信部发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，其重点任务提出“加快推进能源消费智能化”，鼓励建设以智能终端和能源灵活交易为主要特征的智能家居、智能楼宇、智能小区和智能工厂，支撑智慧城市建设，加强电力需求侧管理，普及智能化用能监测和诊断技术，楼宇能源管理系统引入需求侧管理是未来的发展方向，目前国内对楼宇能源参与需求响应的研究较少，部分试点对楼宇的负荷管理进行了简单的研究，但是很多系统在节能和负荷不能兼顾，例如负荷的减少可能不能够满足预期要求，从而不得不支付更多的电费。
当前国内的楼宇能源管理系统主要集中在能源消耗监测和控制的层面上，系统只简单采集建筑能耗数据，人为制定控制策略，这就使得系统的管理大多集中在节能上，对于楼宇能源的负荷管理研究不够深入，对于楼宇能源的负荷管理研究不够深入。
发明内容
为克服现有技术的问题，本发明提供一种融合需求响应的楼宇能源管理系统，所述系统包括数据采集单元、据存储单元、需求响应单元、节能策略设置单元、数据分析单元、负荷预测单元及控制执行单元；
所述数据采集单元包括数据采集模块以及通信模块，所述采集模块以及通信模块通过网络与数据存储单元连接，并与数据存储单元连接并进行数据交换；
所述数据存储单元与所述数据采集单元相连，所述数据存储单元用于存储数据采集单元发送的用电设备用电数据和用电设备周围的环境信息；所述数据存储单元还用于存储节能策略设置单元发送的节能策略，以及存储数据分析单元分析的需求响应收益和节能策略收益后得到的最终执行策略；所述数据存储单元还通过网络与控制执行单元相连，用于向控制执行单元发送控制指令。
所述需求响应单元与负荷预测单元相连，所述需求响应单元用于获取负荷预测单元计算得到的负荷基线值数据，以及接收需求响应信号，制定需求响应策略，生成需求响应事件；
所述节能策略设置单元用于根据楼宇内能耗设备分类设置不同的节能策略，并将节能策略存储到数据存储单元中；
所述数据分析单元用于计算当前负荷值、需求响应收益和节能策略收益，得到最终执行策略，并发送到控制执行单元；数据分析单元与需求响应单元相连，通过获取需求响应单元中的需求响应信号，获得响应执行时间和需求响应收益，将分析得到的执行策略存储到数据存储单元中；
所述负荷预测单元用于根据历史数据存储单元存储的历史负荷数据，对未来的楼宇负荷进行预测分析，得到负荷基线值；
所述控制执行单元用于接收数据分析单元发送的控制策略，执行控制动作。
进一步的，所述楼宇能源管理系统还包括区域控制单元，所述区域控制单元用于根据不同区域和不同类型的用电设备进行集中远程控制和策略控制，并执行设备控制动作。
进一步的，所述楼宇能源管理系统还包括能耗数据展示单元，所述能耗数据展示单元与数据存储单元相连，所述能耗数据展示单元能获取数据存储单元中的设备用电数据，用于进行能耗数据统计与分析。
进一步的，所述数据采集模块用于采集用电设备的用电数据；所述数据采集单元还包括传感器，用于感知周围的环境信息包括温度、光线、人体感应，所述传感器将用电设备的用电数据和用电设备周围的环境信息发送到通讯模块，所述通讯模块通过网络将数据发送到数据存储单元。
进一步的，所述通信模块的通信方式可以是Wi-Fi 无线网络、Zigbee网络或RS485有线以太网等多种方式。
所述需求响应信号包括负荷调整目标值、响应开始时间、响应执行时间和激励信息。
所述节能策略包括选择控制区域、触发时间、触发次数、触发条件、触发动作。
不同区域可以设置为不同的优先级权重，区域中的用电设备可以选择参与需求响应或者不参与需求响应。
用电设备的控制优先级可以通过对不同用电设备设置不同优先级权重，根据优先级大小自动生成排序。
本发明还提供一种能源管理方法，包括以下步骤：
1）接收需求响应信号，获取负荷调整目标值、响应开始时间、响应执行时间和激励信息；
2）根据用电设备的控制策略计算可调整负荷，根据负荷基线值和负荷调整目标值，按照用电设备的控制优先级，依次将设备添加到需求响应列表中，生成需求响应策略；
3）根据需求响应策略中的用电设备，查询响应执行时间期间用电设备对应的节能策略；
4）根据节能策略和响应执行时间估算列入需求响应策略中用电设备能够获得的节能收益，根据需求响应策略和激励信息预估需求响应收益；
5）将节能收益与需求响应收益做对比，如果激励信息大于节能收益，则根据需求响应策略、响应执行时间生成需求响应事件，按照需求响应事件执行用电设备控制动作。
所述需求响应信号可以由负荷集成商、电力调度单位或者其他电力公司等机构发布，所述负荷调整目标值包括调高负荷和削减负荷两种，所述激励信息是约定降低负荷后的补贴标准。
所述步骤2）中，所述负荷基线值计算步骤包括：
选取选择从待计算日向前N 天对应时段的历史负荷；
剔除周末、节假日的日期以及数据值偏离预期或大量统计数据值的日期，并往前将与剔除天数相同天数的日期加入到待计算日期中；
计算日前N 天的对应小时负荷值的均值作为基线负荷。
进一步的，在负荷基线值的计算过程中，还可以用气象作为调节因子，一般为0.8~1.2。
进一步的，所述步骤2）中所述用电设备通过区域设置进行分组，分为日常削减负荷分组以及备用削减负荷分组。
所述日常削减负荷分组是指第一序列无条件被控制执行的用电设备；所述备用削减负荷分组是指按照用电设备对用户影响度权重，设置不同优先级，根据优先级大小自动生成排序并添加到需求响应列表中。
不同区域可以设置为不同的优先级权重，区域中的用电设备可以选择参与需求响应或者不参与需求响应。
进一步的，所述步骤2）中，所述生成需求响应策略步骤包括：
获取日常削减负荷分组中用电设备的可调整负荷总量；
判断日常削减负荷分组中用电设备的可调整负荷总量是否满足需求响应信号中的负荷调整目标值；
如果不满足需求响应信号中的负荷调整目标值，则将备用削减负荷分组中的用电设备根据优先级添加到需求响应列表中，直至可调整负荷总量满足负荷调整目标值，生成需求响应策略。
进一步的，所述步骤4中），节能收益的计算步骤包括：估算在响应执行期间，节能策略所降低的负荷值，将降低的负荷值乘以响应执行时间预估能够获得的节能收益。
进一步的，所述步骤4中），需求响应收益的计算步骤包括：估算在响应执行期间，需求响应策略所降低的负荷值，根据激励信息预估能够获得的需求响应收益。
采用上述的技术方案，本发明的有益效果主要表现为：本发明通过将需求响应管理和节能管理结合，基于不同情况进行策略控制，根据实际情况对用户给出最终的节能建议，制定最经济性用电策略，实现削峰填谷，减少电费支出。本发明系统布局合理，能高效的将不同楼宇的用电需求进行多方位数据分析、积极反馈及高效响应，能合理安排能源，绿色环保，且具有良好的经济效益。
附图说明
图1 是本发明提供的一种融合需求响应的楼宇能源管理系统结构图；
图2 是本发明提供的数据采集单元内部结构图。
图3 是本发明提供的负荷基线值的计算方法流程图；
图4是本发明提供的用于管理能源消耗的方法的流程图；
图5是本发明提供的需求响应执行过程中负荷变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
在本文中，根据一个或更多优选实施例的楼宇能源管理系统可被理解为适用于各种大型建筑或者别墅等范围场地。
参照附图1，是根据本发明的实施例提供的一种融合需求响应的楼宇能源管理系统结构图。一般来说楼宇能源管理系统包括数据采集单元101、数据存储单元102、需求响应单元103、节能策略设置单元104、数据分析单元105、负荷预测单元106、控制执行单元107。
数据采集单元101，包括数据采集模块1011以及通信模块1012，数据采集模块1011与通信模块1012相连，数据采集单元101通过通信模块1012与网络120通信，并与数据存储单元102连接并进行数据交换。数据采集模块1011用于采集用电设备的用电数据，例如，楼宇建筑中像饮水机、电冰箱之类的小型电器，通过带通信功能的智能插座来采集用电信息，中央空调可以带通信功能的智能温控器来实现。通信模块1012的通信方式可以是Wi-Fi 无线网络、Zigbee网络或RS485有线以太网等多种方式。
另外数据采集单元101可以包括一些传感器，例如温度传感器、湿度传感器、人体感应传感器等，上述传感器可以感知周围的环境信息包括温度、光线、人体感应等信息，可以将用电设备的用电数据和环境信息发送到通讯模块，通过网络120发送到数据存储单元102。
数据存储单元102，用于存储数据采集单元101发送的用电设备用电数据和周围的环境信息。用于存储策略设置单元104定制的节能策略，以及数据分析单元105分析需求响应收益和节能策略收益后得到的最终执行策略。数据存储单元102还可以通过网络120与气象部门进行连接，获取气象数据并存储在数据存储单元中，数据存储单元102与控制执行单元107相连，通过网络向控制执行单元107发送控制指令。
需求响应单元103，用于接收需求响应信号，制定需求响应策略，生成需求响应事件。需求响应信号可以由负荷集成商、电力调度单位或者其他电力公司发布，主要包含负荷调整目标值、响应开始时间、响应执行时间和激励信息，上述需求响应信号可表述为在某一时刻开始，在一段时间内在当前的负荷基础上调整目标值的负荷量，并获得对应的经济激励。需求响应单元103获取负荷预测单元106计算得到的负荷基线值数据以及负荷调整目标值，制定需求响应策略，生成需求响应事件，需求响应策略是一组用电设备在某一时刻时的控制动作。
节能策略设置单元104，用于根据楼宇内能耗设备分类设置不同的节能策略，并将节能策略存储到数据存储单元102中，节能策略包括选择控制区域、触发时间、触发次数、触发条件、触发动作。可以设置将用电设备添加到多个控制区域，分别设置触发条件。触发条件，包括时间、用电设备状态以及数据存储单元102中的环境信息等，例如可以选择16:00触发，或者温控器开启时触发，或者当感应到人体活动并且温度大于28℃时触发等。触发动作可以让用电设备选择控制模式，例如可以选择开关、调节温控器模式加热或者升温等控制方式。
数据分析单元105，用于计算当前负荷值，以及需求响应收益和节能策略收益，得到最终执行策略。通过获取需求响应单元103中的需求响应信号，获得响应执行时间和需求响应收益，根据需求响应策略中的用电设备，在数据存储单元102中查询用电设备对应的节能策略，根据节能策略和响应执行时间计算节能收益，得到最终执行策略，将执行策略存储到数据存储单元102中。
负荷预测单元106，通过获取数据存储单元102存储的历史负荷数据，对楼宇负荷进行预测分析，得到负荷基线值。
控制执行单元107，用于接收数据分析单元105发送的控制策略，执行控制动作。
在备选实施例中，楼宇能源管理系统还包括区域控制单元108，用于根据不同区域和不同类型的用电设备进行集中远程控制和策略控制，执行设备控制动作，包括设备单独控制以及设备集中控制。可以按照电器类型或者场景区域统一管理，例如可以将楼宇中的所有饮水机设置为一类，统一设置策略为“当感应到人体活动时开启饮水机”。
楼宇能源管理系统还包括能耗数据展示单元109，获取数据存储单元102中的设备用电数据，用于进行能耗数据统计与分析，按照区域、用电设备类型、逐时、逐日、逐月、逐季、逐年提供统计图表，包括电量、峰谷电量、负荷等各类用电数据。
图3示意了负荷基线值的计算方法，包括：
S201，选取选择从待计算日向前N 天对应时段的历史负荷；
S202，剔除非典型日期数据，并往前将与剔除天数相同天数的日期加入到待计算日期中；
非典型日期数据包括周末、节假日的日期以及数据值偏离预期或大量统计数据值的日期。数据值偏离预期或大量统计数据值的日期是指用电数据远小于平均用电量的日期，一般设置偏离比例为20%。
S203，计算日前N 天的对应小时负荷值的均值作为基线负荷。
具体公式如下：
式中P为基线负荷预测值，L为实际负荷值，下标d为日期、h为时刻。
另外，在负荷基线值的计算过程中，还可以用气象作为调节因子，一般为0.8~1.2，气象数据一般包括气温等，对气象温度进行分类，例如温度大于25摄氏度时，设置调节因子为1.1，即最终预测负荷数据是计算结果再乘以1.1。
图4示意了根据示例实施例的用于管理能源消耗的方法的流程图，如图所示，包括以下步骤：
S301、接收需求响应信号，获取负荷调整目标值、响应开始时间、响应执行时间和激励信息；
当能源管理系统到需求响应信号后，对需求响应信号进行解析，得到负荷调整目标值、响应开始时间、响应执行时间和激励信息。需求响应信号可以由负荷集成商、电力调度单位或者其他电力公司等机构发布，负荷调整目标值包括调高负荷和削减负荷两种。激励信息是约定降低负荷后的补贴标准，一般是以单位负荷削减量的补贴金额，比如100元/kW，即每削减负荷1kW的负荷补贴100元。
S302、根据用电设备的控制策略计算可调整负荷，根据负荷基线值和负荷调整目标值，按照用电设备的控制优先级，依次将设备添加到需求响应列表中，生成需求响应策略；
用电设备通过区域设置进行分组，分为日常削减负荷分组以及备用削减负荷分组。日常削减负荷分组是将不影响生活的用电设备设置为一组，在需求响应过程中被添加到需求响应列表，是第一序列被执行控制的用电设备；备用削减负荷分组是按照用电设备对用户影响度权重，设置不同优先级，根据优先级大小自动生成排序并添加到需求响应列表中，在日常削减负荷分组不满足需要调整负荷值时，按照优先级大小依次进行控制。不同区域可以设置为不同的优先级权重，区域中的用电设备可以选择参与需求响应或者不参与需求响应。
用电设备在参与需求响应前，通过管理平台设置控制策略，通过数据采集单元获取对应的控制策略所能调控的负荷。例如一台200W的饮水机，控制策略设置为关闭，那么可以得知饮水机可调整负荷为200W；一台空调，通过数据采集单元采集到制热运行时功率为2000W，控制策略设置为送风，从数据采集单元采集到送风时的运行功率为50W，可以得知该空调的可调整负荷为1950W。同理可以得到日常削减负荷分组中用电设备的可调整负荷总量，当日常削减负荷分组中用电设备的可调整负荷总量小于需求响应信号中的负荷调整目标值时，将备用削减负荷分组中的用电设备根据优先级添加到需求响应列表中，生成需求响应策略。
S303、根据需求响应策略中的用电设备，查询响应执行时间期间用电设备对应的节能策略；
获取计算需求响应列表中的设备在响应执行期间的节能策略，在列入需求响应列表中的设备，部分本身就是在节能策略中，例如一台温控器在节能策略中可能是制冷改为送风，而需求响应策略中则是降低温度2℃。
S304、根据节能策略和响应执行时间估算列入需求响应策略中用电设备能够获得的节能收益，根据需求响应策略和激励信息预估需求响应收益；
估算在响应执行期间，节能策略所降低的负荷值，将降低的负荷值乘以响应执行时间预估能够获得的节能收益。
估算在响应执行期间，需求响应策略所降低的负荷值，根据激励信息预估能够获得的需求响应收益。
S305、将节能收益与需求响应收益做对比，如果激励信息大于节能收益，则根据需求响应策略、响应执行时间生成需求响应事件，按照需求响应事件执行用电设备控制动作。
参考附图5，需求响应执行时，首先控制日常削减负荷分组的用电设备，用负荷基线值减去当前负荷值得到负荷差值，判断负荷差值是否达到负荷调整目标值，如果小于负荷调整目标值，则按照优先级顺序控制备用削减负荷分组的用电设备，直到负荷差值满足负荷调整目标值的要求。
上述实施例用于对本发明作进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

Claims (10)

1.一种融合需求响应的楼宇能源管理系统，其特征在于，所述系统包括数据采集单元、据存储单元、需求响应单元、节能策略设置单元、数据分析单元、负荷预测单元及控制执行单元；
所述数据采集单元包括数据采集模块以及通信模块，所述采集模块以及通信模块通过网络与数据存储单元连接，并与数据存储单元连接并进行数据交换；
所述数据存储单元与所述数据采集单元相连，所述数据存储单元用于存储数据采集单元发送的用电设备用电数据和用电设备周围的环境信息；所述数据存储单元还用于存储节能策略设置单元发送的节能策略，以及存储数据分析单元分析的需求响应收益和节能策略收益后得到的最终执行策略；所述数据存储单元还通过网络与控制执行单元相连，用于向控制执行单元发送控制指令；
所述需求响应单元与负荷预测单元相连，所述需求响应单元用于获取负荷预测单元计算得到的负荷基线值数据，以及接收需求响应信号，制定需求响应策略，生成需求响应事件；
所述节能策略设置单元用于根据楼宇内能耗设备分类设置不同的节能策略，并将节能策略存储到数据存储单元中；
所述数据分析单元用于计算当前负荷值、需求响应收益和节能策略收益，得到最终执行策略，并发送到控制执行单元；数据分析单元与需求响应单元相连，通过获取需求响应单元中的需求响应信号，获得响应执行时间和需求响应收益，将分析得到的执行策略存储到数据存储单元中；
所述负荷预测单元用于根据历史数据存储单元存储的历史负荷数据，对未来的楼宇负荷进行预测分析，得到负荷基线值；
所述控制执行单元用于接收数据分析单元发送的控制策略，执行控制动作。
2.如权利要求1所述的一种融合需求响应的楼宇能源管理系统，其特征在于，所述楼宇能源管理系统还包括区域控制单元，所述区域控制单元用于根据不同区域和不同类型的用电设备进行集中远程控制和策略控制，并执行设备控制动作。
3.如权利要求1所述的一种融合需求响应的楼宇能源管理系统，其特征在于，所述楼宇能源管理系统还包括能耗数据展示单元，所述能耗数据展示单元与数据存储单元相连，所述能耗数据展示单元能获取数据存储单元中的设备用电数据，用于进行能耗数据统计与分析。
4.如权利要求1所述的一种融合需求响应的楼宇能源管理系统，其特征在于，所述数据采集模块用于采集用电设备的用电数据；所述数据采集单元包括传感器，所述传感器将用电设备的用电数据和用电设备周围的环境信息发送到通讯模块，所述通讯模块通过网络将数据发送到数据存储单元。
5.一种能源管理方法，包括以下步骤：
1）接收需求响应信号，获取负荷调整目标值、响应开始时间、响应执行时间和激励信息；
2）根据用电设备的控制策略计算可调整负荷，根据负荷基线值和负荷调整目标值，按照用电设备的控制优先级，依次将设备添加到需求响应列表中，生成需求响应策略；
3）根据需求响应策略中的用电设备，查询响应执行时间期间用电设备对应的节能策略；
4）根据节能策略和响应执行时间估算列入需求响应策略中用电设备能够获得的节能收益，根据需求响应策略和激励信息预估需求响应收益；
5）将节能收益与需求响应收益做对比，如果激励信息大于节能收益，则根据需求响应策略、响应执行时间生成需求响应事件，按照需求响应事件执行用电设备控制动作。
6.如权利要求5所述的一种能源管理方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述负荷调整目标值包括调高负荷和削减负荷两种。
7.如权利要求5所述的一种能源管理方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述负荷基线值计算步骤包括：
选取选择从待计算日向前N 天对应时段的历史负荷；
剔除周末、节假日的日期以及数据值偏离预期或大量统计数据值的日期，并往前将与剔除天数相同天数的日期加入到待计算日期中；
计算日前N 天的对应小时负荷值的均值作为基线负荷。
8.如权利要求5所述的一种能源管理方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述用电设备通过区域设置进行分组，分为日常削减负荷分组以及备用削减负荷分组；所述日常削减负荷分组是指第一序列无条件被控制执行的用电设备；所述备用削减负荷分组是指按照用电设备对用户影响度权重，设置不同优先级，根据优先级大小自动生成排序并添加到需求响应列表中。
9.如权利要求5所述的一种能源管理方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述生成需求响应策略步骤包括：
获取日常削减负荷分组中用电设备的可调整负荷总量；
判断日常削减负荷分组中用电设备的可调整负荷总量是否满足需求响应信号中的负荷调整目标值；
如果不满足需求响应信号中的负荷调整目标值，则将备用削减负荷分组中的用电设备根据优先级添加到需求响应列表中，直至可调整负荷总量满足负荷调整目标值，生成需求响应策略。
10.如权利要求5所述的一种能源管理方法，其特征在于，所述步骤4中），节能收益的计算步骤包括：估算在响应执行期间节能策略所降低的负荷值，再将降低的负荷值乘以响应执行时间预估能够获得的节能收益；所述步骤4中），需求响应收益的计算步骤包括：估算在响应执行期间需求响应策略所降低的负荷值，再根据激励信息预估能够获得的需求响应收益。
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