CN112561263B - 一种居民用户节能控制装置及控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种居民用户节能控制装置及控制策略，包括通信模块、存储模块、计算模块、微处理器模块和居民用电设备接口，节能服务公司通过通信模块向居民用户传达需求响应信息；居民用电设备插入接口进行通信；存储通信模块中采集的信息及装置正常工作时的控制策略与相关配置参数；微处理器模块基于通信信息用于控制居民用电设备运行；基于采集到的居民用电设备实际运行状态计算居民负荷削减量及节能收益。本发明能够实现对居民用户用电设备的控制，参与需求响应项目，增大电能利用率，节约能耗，缓解电网调峰压力，提高电网运行的安全性；为节能服务公司等第三方节能服务机构制定节能策略、推广节能业务等提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及居民用户用电设备参与电力市场需求响应领域，具体涉及一种居民用户节能控制装置及控制策略。
背景技术
社会经济的快速发展，人们的用电需求逐渐上升，居民用户的用电量占社会总用电量的比例持续增大，但居民用户用电效率较低，负荷高峰增长快速，负荷峰谷差逐步增大。同时家用分布式电源及电动汽车等新型负荷大规模接入电网，电网调峰、电网运行稳定性及新能源消纳问题日益严峻。居民负荷作为需求响应资源的重要组成部分，居民用户节能控制成为需求侧管理的重要研究内容。
居民用户用电设备的负荷特性、需求响应能力和潜力存在差异性，且不同用户的用电习惯、用电满意度以及对用电设备的使用需求也是不一样的，因此，对于居民用户用电设备的节能控制方式是不同的。现有技术中针对居民用户用电设备的控制有相关介绍，但多数集中在单个用电设备或某一类用电设备的负荷控制上。智能家居的普及提高了居民负荷的双向通信能力、自动控制能力、与远程服务平台的互联互通能力，为居民负荷参与需求响应项目提供了技术支撑，但将通信技术与需求响应项目相结合的方案还不太理想，因此对于较全面的居民用户用电设备的节能控制系统还有待进一步的研究。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种居民节能控制装置，能够有效居民用户用电设备的控制，增大电能利用率，节约能耗，缓解电网调峰压力，提高电网运行的安全性。
本发明采用的技术方案为：一种居民节能控制装置，包括：
通信模块，用于支撑居民用户节能控制装置与居民用户内部通信网关间的通信，执行模块初始化、通信总线读写及数据的发送和接收设置；
存储模块，用于存储居民用户节能控制装置所采集的居民用电设备负荷数据、居民用户设置的相关参数及居民用户选择的负荷控制策略；
计算模块，用于节能服务商根据采集的实际居民用电设备运行数据计算负荷削减量及节能收益；
微处理器模块，用于基于所述居民用电设备负荷控制策略以控制居民用户节能控制装置运行；
居民用电设备，用于基于接口向居民用户节能控制装置传达负荷数据及用电设备运行状态信息。
进一步，所述通信模块，包括：
节能服务公司利用远程通信服务平台通过居民用户节能控制装置向居民用户传达需求响应信息；
居民用户节能控制装置通过通信模块向节能服务公司输送居民用户用电设备实际运行情况、用电数据和温度设置信息；
居民用户通过网络平台可远程登录其控制页面，对相关参数进行设置、选择负荷控制策略。
进一步，所述存储模块，包括：
存储通信模块所采集的居民用电设备用电数据、居民用户设置的相关参数及居民用户选择的负荷控制策略；
存储居民用户节能装置在运行过程中的相关数据。
进一步，所述计算模块，包括：
计算居民用户用电设备总体负荷削减量；
根据当日电价及所述总负荷削减量计算居民用户节能收益。
进一步，所述微处理器模块，包括：
结合所接收的节能服务公司的需求响应信息、所采集的居民用电设备负荷数据及居民用户选择的负荷控制策略，控制与其相连接的居民用电设备，通过接口向用电设备发出控制命令。
进一步，接口模块，用于连接居民用户用电设备电源及内部控制器。
进一步，居民用电设备模块，包括：
连接居民用户节能控制装置与空调、电热水器、家用分布式电源或电动汽车用电设备。
一种居民用户节能控制策略，采用上述控制装置，并包括如下步骤：
步骤一，确定参与需求响应的居民用户并安装节能控制装置，节能服务公司根据实际情况向居民下达需求响应信息，通过通信模块采集居民用户用电设备用电数据、负荷控制策略及温度设定值信息。
步骤二，居民用户根据用电设备负荷特性、自身用电习惯、用电舒适度及用电需求，选择合适的负荷控制策略，通过微处理器模块对各用电设备发布控制命令，用电设备根据控制命令执行需求响应计划。
进一步，所述负荷控制策略包括开关控制、温度设定值控制和周期性暂停控制；
所述开关控制，一般用于紧急状况下直接开启或关闭用电设备，因此这种控制方式往往会影响用户的用电舒适性；
所述温度设定值控制，在某一固定的温度设定值的基础上附加温度的波动范围；设备实际运行时的温度与设定值之间是存在温度阈值的，当实时温度超过最大设定值时，设备关闭；当实时温度在设定温度范围内时，设备保持原有的运行状态；当实时温度低于最小设定值时，设备启动；当该类设备的温度在设定范围内时，其开启时间和关闭时间分别为：
式中，R为等效热阻；C为等效热容量；
为t时刻环境温度；θmax、θmin分别为设定的最大和最小温度值；Qi为等效热量；
所述周期性暂停控制，即一个循环周期内，实际运行时间占总时间的比值，即：
式中，ton为用电设备运行时长；toff为用电设备关闭时长。
进一步，在步骤二中，节能服务公司根据采集到的实际负荷信息，建立居民负荷优化调度模型，计算居民用户实际负荷削减量与节能收益，即：
规定用户i对用电设备a在t时段采用第m种控制方式，则用户i的用电设备a在t时段的实际负荷为：
Pi,a,t＝Pa·Si,a,m(t)·hi,a,m
式中，Pa为用电设备a的额定功率；Si,a,m(t)为用户i的用电设备a在t时段选择第m种控制方式的运行状态；hi,a,m为选择第m中控制方式的运行持续时长；
用户i在t时段总的负荷削减量为：
式中，A为居民用电设备的集合；Pi',a,t为参与需求响应前的原始负荷；
全部用户在t时段的总负荷削减量为：
式中，I为时段总数；
用户的节能收益模型如下：
式中，F为用户节能收益；γ为当日电价；Pi,t,0为用户i在t时段的原始用电量；Pi,t为用户i在t时段的实际用电量；△t为用户参与需求响应的时长；
为保证电力系统的稳定性，起到削峰填谷的作用，需满足以下约束条件：
式中，fmax、fmin分别为最大峰值和最小谷值；α为该区域允许的峰谷差率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的居民用户节能控制装置，可以实现对居民用户用电设备的控制，参与需求响应项目，增大电能利用率，节约能耗，缓解电网调峰压力，提高电网运行的安全性；为节能服务公司等第三方节能服务机构制定节能策略、推广节能业务等提供可靠依据。
本发明通过采集居民用户用电设备负荷信息与负荷控制策略选择信息，为电网企业与节能服务公司了解用户用能习惯，刻画用户用电行为提供了基础。
本发明针对居民用电设备负荷特性，节能服务公司提供负荷控制策略，用户基于自身用电习惯、用电满意度及用能需求，选择相对应的负荷控制方式，为居民负荷参与电网调峰提供了基础。
本发明通过计算居民用户负荷削减量及产生的节能收益，验证了本节能装置的有效性，降低了用户的购电成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中居民用户节能控制策略的流程图；
图3为本发明中居民用户负荷调度框架示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种居民用户节能控制装置，包括通信模块、存储模块、计算模块、微处理器模块、接口、居民用电设备。
通信模块，用于支撑居民用户节能控制装置与居民用户内部通信网关间的通信，执行模块初始化、通信总线读写及数据的发送和接收设置；
存储模块，用于存储居民用户节能控制装置所采集的居民用电设备负荷数据、居民用户设置的相关参数及居民用户选择的负荷控制策略；
计算模块，用于节能服务商根据采集的实际居民用电设备运行数据计算负荷削减量及节能收益；
微处理器模块，用于基于所述居民用电设备负荷控制策略以控制居民用户节能控制装置运行；
居民用电设备模块，用于基于接口向居民用户节能控制装置传达负荷数据及用电设备运行状态信息。
利用图2所示的结构图对本发明提供的居民用户节能控制装置进行具体描述，包括以下步骤：
(1)确定参与需求响应的居民用户并安装节能控制装置，节能服务公司根据实际情况向居民下达需求响应信息，通过通信模块采集居民用户用电设备用电数据、负荷控制策略及温度设定值信息。
(2)居民用户根据用电设备负荷特性、自身用电习惯、用电舒适度及用电需求，选择合适的负荷控制策略，通过微处理器模块对各用电设备发布控制命令，用电设备根据控制命令执行需求响应计划。其中负荷控制策略包括：
1)开关控制，一般用于紧急状况下直接开启或关闭用电设备，因此这种控制方式往往会影响用户的用电舒适性。采用这种控制方式的设备多为功率不可调节设备，只有开和关这两种运行状态。
2)温度设定值控制，在某一固定的温度设定值的基础上附加温度的波动范围，使温度在更大范围内周期性波动，进而达到削峰、节能的目的。这种控制方式适用于温控类设备，如空调、电热水器、地暖等。其核心思想是依据该时刻的室温与温度设定值之间的关系来决定用电设备的运行状态。设备实际运行时的温度与设定值之间是存在温度阈值的，当实时温度超过最大设定值时，设备关闭；当实时温度在设定温度范围内时，设备保持原有的运行状态；当实时温度低于最小设定值时，设备启动。当该类设备的温度在设定范围内时，其开启时间和关闭时间分别为：
式中，R为等效热阻；C为等效热容量；
为t时刻环境温度；θmax、θmin分别为设定的最大和最小温度值；Qi为等效热量。
3)周期性暂停控制，即一个循环周期内，实际运行时间占总时间的比值，也称为占空比控制。在用户参与需求响应项目时，控制用电设备的占空比小于参与需求响应项目签的占空比，即减少用电设备的运行时长，以减少设备用电量，同时不影响居民用户的正常生活。占空比的数学表达式如下：
式中，ton为用电设备运行时长；toff为用电设备关闭时长。
(3)节能服务公司根据采集到的实际负荷信息，建立居民负荷优化调度模型，计算居民用户实际负荷削减量与节能收益，具体如下：
规定用户i对用电设备a在t时段采用第m种控制方式，则用户i的用电设备a在t时段的实际负荷为：
Pi,a,t＝Pa·Si,a,m(t)·hi,a,m (3)
式中，Pa为用电设备a的额定功率；Si,a,m(t)为用户i的用电设备a在t时段选择第m种控制方式的运行状态；hi,a,m为选择第m中控制方式的运行持续时长。
用户i在t时段总的负荷削减量为：
式中，A为居民用电设备的集合；Pi',a,t为参与需求响应前的原始负荷。
全部用户在t时段的总负荷削减量为：
式中，I为时段总数。
用户的节能收益模型如下：
式中，F为用户节能收益；γ为当日电价；Pi,t,0为用户i在t时段的原始用电量；Pi,t为用户i在t时段的实际用电量；△t为用户参与需求响应的时长。
为保证电力系统的稳定性，起到削峰填谷的作用，需满足以下约束条件：
式中，fmax、fmin分别为最大峰值和最小谷值；α为该区域允许的峰谷差率。
如图3所示，选取某居民区域的夏季典型日负荷实施负荷调度，其夏季典型日负荷数据，如表1所示。以一天24小时为研究对象，按一个小时的时长执行调度，采用平均电价p＝0.425元/(kW·h)作为该日固定电价，峰谷时段的划分如表2所示。并在此基础上，设定峰平谷时段的用电概率分别服从正太分布N(0.9,0.05)、N(1,0.05)、N(1.05，0.05)，以用电概率代替居民用户对个用电设备负荷控制方式的选择结果。
表1某居民区夏季典型日负荷数据
表2峰平谷时段划分
| 峰时段 | 06:00-12:00 | 17:00-22:00 |
| 平时段 | 12:00-17:00 | 22:00-23:00 |
| 谷时段 | 00:00-06:00 | 23:00-24:00 |
运用本发明中所述方法，通过下式计算居民用户节能控制装置减少的用电量和产生的收益：
特点为：居民用户在用电低估时段的用电量增加，在用电高峰时段的用电量明显减少，负荷曲线相比于原始曲线更加平缓，峰谷差率减小，降低了自身购电费用，且负荷曲线和原始负荷变化趋势基本一致，即在参与需求响应改善峰谷差的同时保证了自身用电舒适性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种居民用户节能控制策略，包括
通信模块，用于支撑居民用户节能控制装置与居民用户内部通信网关间的通信，执行模块初始化、通信总线读写及数据的发送和接收设置；
存储模块，用于存储居民用户节能控制装置所采集的居民用电设备负荷数据、居民用户设置的相关参数及居民用户选择的负荷控制策略；
计算模块，用于节能服务商根据采集的实际居民用电设备运行数据计算负荷削减量及节能收益；
微处理器模块，用于基于居民用电设备负荷控制策略以控制居民用户节能控制装置运行；
居民用电设备，用于基于接口向居民用户节能控制装置传达负荷数据及用电设备运行状态信息；
其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，确定参与需求响应的居民用户并安装节能控制装置，节能服务公司根据实际情况向居民下达需求响应信息，通过通信模块采集居民用户用电设备用电数据、负荷控制策略及温度设定值信息；
步骤二，居民用户根据用电设备负荷特性、自身用电习惯、用电舒适度及用电需求，选择合适的负荷控制策略，通过微处理器模块对各用电设备发布控制命令，用电设备根据控制命令执行需求响应计划；
所述负荷控制策略包括开关控制、温度设定值控制和周期性暂停控制；
所述开关控制，用于紧急状况下直接开启或关闭用电设备，因此这种控制方式会影响用户的用电舒适性；
所述温度设定值控制，在某一固定的温度设定值的基础上附加温度的波动范围；设备实际运行时的温度与设定值之间是存在温度阈值的，当实时温度超过最大设定值时，设备关闭；当实时温度在设定温度范围内时，设备保持原有的运行状态；当实时温度低于最小设定值时，设备启动；当该类设备的温度在设定范围内时，其开启时间和关闭时间分别为：
式中，R为等效热阻；C为等效热容量；为t时刻环境温度；θmax、θmin分别为设定的最大和最小温度值；Qi为等效热量；
所述周期性暂停控制，即一个循环周期内，实际运行时间占总时间的比值，即：
式中，ton为用电设备运行时长；toff为用电设备关闭时长。
2.根据权利要求1所述的一种居民用户节能控制策略，其特征在于：在步骤二中，节能服务公司根据采集到的实际负荷信息，建立居民负荷优化调度模型，计算居民用户实际负荷削减量与节能收益，即：
规定用户i对用电设备a在t时段采用第m种控制方式，则用户i的用电设备a在t时段的实际负荷为：
Pi,a,t＝Pa·Si,a,m(t)·hi,a,m
式中，Pa为用电设备a的额定功率；Si,a,m(t)为用户i的用电设备a在t时段选择第m种控制方式的运行状态；hi,a,m为选择第m中控制方式的运行持续时长；
用户i在t时段总的负荷削减量为：
式中，A为居民用电设备的集合；Pi',a,t为参与需求响应前的原始负荷；
全部用户在t时段的总负荷削减量为：
式中，I为时段总数；
用户的节能收益模型如下：
式中，F为用户节能收益；γ为当日电价；Pi,t,0为用户i在t时段的原始用电量；Pi,t为用户i在t时段的实际用电量；Δt为用户参与需求响应的时长；
为保证电力系统的稳定性，起到削峰填谷的作用，需满足以下约束条件：
式中，fmax、fmin分别为最大峰值和最小谷值；α为区域允许的峰谷差率。
3.根据权利要求1所述的一种居民用户节能控制策略，其特征在于：所述通信模块，包括：
节能服务公司利用远程通信服务平台通过居民用户节能控制装置向居民用户传达需求响应信息；
居民用户节能控制装置通过通信模块向节能服务公司输送居民用户用电设备实际运行情况、用电数据和温度设置信息；
居民用户通过网络平台可远程登录其控制页面，对相关参数进行设置、选择负荷控制策略。
4.根据权利要求1所述的一种居民用户节能控制策略，其特征在于：所述存储模块，包括：
存储通信模块所采集的居民用电设备用电数据、居民用户设置的相关参数及居民用户选择的负荷控制策略；
存储居民用户节能装置在运行过程中的相关数据。
5.根据权利要求1所述的一种居民用户节能控制策略，其特征在于：所述计算模块，包括：
计算居民用户用电设备总体负荷削减量；
根据当日电价及总负荷削减量计算居民用户节能收益。
6.根据权利要求1所述的一种居民用户节能控制策略，其特征在于：所述微处理器模块，包括结合所接收的节能服务公司的需求响应信息、所采集的居民用电设备负荷数据及居民用户选择的负荷控制策略，控制与其相连接的居民用电设备，通过接口向用电设备发出控制命令。
7.根据权利要求1所述的一种居民用户节能控制策略，其特征在于：还包括接口模块，用于连接居民用户用电设备电源及内部控制器。
8.根据权利要求1所述的一种居民用户节能控制策略，其特征在于：所述居民用电设备，包括连接居民用户节能控制装置与空调、电热水器、家用分布式电源或电动汽车用电设备。
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2020
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