CN113285463A - 一种基于排序的可控负荷多目标控制方法 - Google Patents

一种基于排序的可控负荷多目标控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于排序的可控负荷多目标控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1：基于该控制算法的控制器接收上级电网或其他控制器等产生的调度指令；步骤2:该控制器采集其控制的所有可控负荷的相关信息，步骤3：以控制目标最优值为基准，计算运行状态值偏离最优值的差值，步骤4：折算的数值在此处命名为可控负荷的“容忍值”，步骤5：定义容忍值为正是指可控负荷需要降低功率才能接近最优目标等；该技术方案通过目标控制方法，单个或同类负荷分别设置控制目标，实现差异化、人性化的控制。

Description

一种基于排序的可控负荷多目标控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种基于排序的可控负荷多目标控制方法，属于用户侧负荷需求响应的技术领域。
背景技术
现有文献的状态队列控制(state queueing)和基于参数序列化的控制方法与本文有一定的相似性，这两种方法原理有相通之处，都是对同类设备数学建模，然后设定一个统一的控制目标(比如温度)进行控制，而设备根据具体的运行工况排序后参与同类设备的控制。
两种控制方法都是针对具有相同控制目标的同类设备进行控制。由于可控负荷的多样性，难以将具有不同控制目标的可控负荷捏合在一起进行统一控制，比如降低二氧化碳排放与人体舒适度是两个背道而驰的目标，难以取得平衡。目前的一般做法是选择其中一个目标作为总目标，对所有设备进行控制，这可能导致其他控制目标偏离过大。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于排序的可控负荷多目标控制方法，该技术方案通过目标控制方法，单个或同类负荷分别设置控制目标，实现差异化、人性化的控制。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于排序的可控负荷多目标控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：基于该控制算法的控制器接收上级电网或其他控制器等产生的调度指令；
步骤2:该控制器采集其控制的所有可控负荷的相关信息，主要包括较通用的可控负荷的可调节上限、可调节下限、调节速率等，以及可控负荷的特有信息，比如空调设备的出水回水温度、储能的SOC值等信息。计算各负荷当前运行状态值，各可控设备的运行状态值计算过程并不相同，以空调为例，其回水温度的高低可以反映室内温度的情况，温度越高则室温越高，影响舒适度，所以其回水温度可以直接作为运行状态值，如果是多个空调作为一组可控负荷，可以用平均回水温度或最高回水温度作为运行状态值；储能可以采用SOC作为运行状态值，或在SOC值合理时以充放电功率大小作为运行状态值。每个可控负荷的运行状态值选择或计算要根据具体情况具体分析，此处不再一一列举；
步骤3：以控制目标最优值为基准，计算运行状态值偏离最优值的差值，并根据负荷的控制目标特性折算出一个数值。以室内空调为例，采用回水温度T1作为运行状态值，控制目标最优值为T0，随着T1偏离T0越来越大(增大或减小都会引起舒适度变化)，人体舒适度值F会越来越差，所以舒适度与温度有对应关系:F＝f(T1-T0)。F即可作为空调折算的数值。而对于储能，其本身的SOC值偏离最佳SOC值的多少可以作为折算的数值，另外还可以给储能赋予其他目标值，比如根据储能的特点，其可以参与电压、电网频率调节等作用。所以，可以将电压、频率偏离额定值的多少作为临时性的优先级更高的折算数值；
步骤4：折算的数值在此处命名为可控负荷的“容忍值”，并定义偏离最优目标值越大则“容忍值”的绝对值越大，所有可控负荷的容忍值没有单位，具有相同的范围(比如-100到100)以便于横向比较；以空调为例，F为其容忍值，0代表最高舒适度，-100代表温度过高，100代表温度过低；储能的SOC值不能过低或过高，同时，其如果参与电压、频率等系统控制，则被控目标同样不能偏离给定值过大，偏离越大容忍值绝对值越大；
步骤5：定义容忍值为正是指可控负荷需要降低功率才能接近最优目标，为负是指需要升高功率才能接近最优目标值；
步骤6：控制器对所有可控负荷的容忍值排序；排序方法为冒泡法等排序方法；
步骤7：控制器比较调度指令与所有可控负荷当前功率之和，若相等，保持当前控制，若调度值小则可控负荷参与削峰，否则参与填谷；也有一些调度指令是削峰、填谷值，所以直接执行削峰填谷命令即可；
步骤8：如果为削峰，则选择容忍值最大的设备参与调度，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次大的负荷参与；如果为填谷，则选择容忍值最小的参与，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次小的负荷参与；由于可控负荷的功率调节裕度并不能完全反应可控负荷的情况，所以本发明充分考虑不同负荷的差异性，比如空调以人体舒适为目标、储能以电网稳定为目标等，引入容忍值的概念，在不影响个可控负荷运行的情况下，充分发挥所有可控负荷的可调能力；
步骤9：如果可控负荷容忍值为100，则该可控负荷只能降低功率运行，不能升功率运行，即不参与填谷，如果为-100，则该可控负荷只能升功率运行，不能降功率运行，即不参与削峰；
步骤10：同时，判断所有可控负荷容忍值，如果有两个或多个可控负荷的容忍值差值过大，在这些可控负荷中可匹配同等功率(不影响调度指令)的可控负荷进行功率交换，容忍值大的降功率运行，容忍值小的升高同等功率运行。这样，这些负荷的容忍值会更接近，实现可控负荷内部的优化控制；
步骤11：控制器对可控负荷的容忍值排序，然后根据调度指令计算得出需要参与调解的可控负荷及其功率值。例如，调度指令要降功率P1运行，储能容忍值为80，可调功率P2，空调容忍值为90，可调功率P3，则如果P2+P3>P1,则空调降P3功率运行，储能降(P1-P3)功率运行。控制器计算完成后，下发各可控负荷控制指令；
步骤12：另外，如果有多个区域独立且采用上述控制方法，那么同等级区域可根据本区域所有可控负荷的容忍值折算出一个代表本区域的容忍值(比如去本区域负荷容忍值的平均值)上送到上一级采用同种控制方法的更大的区域中，上一级控制器同样会采用排序方法对下级各区域的容忍值排序，然后根据其上级调度指令计算各下级区域控制器的升降功率命令，下发到各下级控制器，这样可以实现多个区域多级联合控制。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：1)可控负荷具有多样性，各种可控负荷的控制目标并不相同，比如空调是以人体舒适为目标，而充电桩是以充满电为目标，还有以发电成本最低、网损最小、碳排放最小等为目标，这些目标可能存在矛盾和冲突。本发明开发出一种能够兼顾各可控负荷多种控制目标的控制策略，实现差异化、人性化的控制；2)本发明中，容忍值的提出是核心所在，其可以明确反映各可控负荷的运行状态，是否能够容忍继续参与调控等；3)本发明将同类负荷聚合控制，不同负荷差异化控制，实现更大区域的可控负荷控制；而不同的区域同样能够采用这种控制方法控制，实现市级、省级设置全国性的可控负荷控制；4)本发明通过将各可控负荷的控制目标折算成统一的量纲(容忍值)，从而实现了将具有不同控制目标的可控负荷进行统一排序，参与到电网调度中；5)同时，针对控制器控制的本区域内部可控负荷的过度参与削峰与填谷的负荷，可以通过内部功率交换，实现同时向最优控制目标靠拢；6)另外，每个区域可以折算出本区域的容忍值上送，上级控制器调度指令，可实现多个同级区域的统一调度，逐级上送与控制，可以覆盖更广的控制范围。
附图说明
图1为基于排序的可控负荷多目标控制方法流程图；
图2基于本发明的控制器实施例；
图3为采用基于排序的可控负荷多目标控制方法的多层级多区域控制架构。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
该方案中，所涉及的技术术语如下：
需求响应：指电力用户根据价格信号或激励机制做出响应，改变固有习惯用电模式的行为；排序：通过冒泡法等方法对数据进行从大到小或从小到大排序的方法；
可控负荷：指用户根据协议可参与到电网调度中的、可控制的负荷，其可实现削峰(关断或降低功率消耗，如空调降温)、填谷(增加功率消耗，如储能放电等)等功能；
状态队列：建立反应系统运行状态的控制信号(如功率)与可控设备之间状态的函数关系，从而达到设定负荷调节的目标；
参数序列化：一种将同类设备建立通用化数学模型，然后基于此模型设计调控策略；
削峰：在用电高峰期，通过降低可控负荷的功率，实现用电量的下降，缓解供电紧张；
填谷：在用电低谷期，通过增加可控负荷的功率，实现用电量的上升，维持电网平衡。
实施例1：一种基于排序的可控负荷多目标控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：基于该控制算法的控制器接收上级电网或其他控制器等产生的调度指令；
步骤2:该控制器采集其控制的所有可控负荷的相关信息，主要包括较通用的可控负荷的可调节上限、可调节下限、调节速率等，以及可控负荷的特有信息，比如空调设备的出水回水温度、储能的SOC值等信息。计算各负荷当前运行状态值，各可控设备的运行状态值计算过程并不相同，以空调为例，其回水温度的高低可以反映室内温度的情况，温度越高则室温越高，影响舒适度，所以其回水温度可以直接作为运行状态值，如果是多个空调作为一组可控负荷，可以用平均回水温度或最高回水温度作为运行状态值；储能可以采用SOC作为运行状态值，或在SOC值合理时以充放电功率大小作为运行状态值。每个可控负荷的运行状态值选择或计算要根据具体情况具体分析，此处不再一一列举；步骤3：以控制目标最优值为基准，计算运行状态值偏离最优值的差值，并根据负荷的控制目标特性折算出一个数值。以室内空调为例，采用回水温度T1作为运行状态值，控制目标最优值为T0，随着T1偏离T0越来越大(增大或减小都会引起舒适度变化)，人体舒适度值F会越来越差，所以舒适度与温度有对应关系:F＝f(T1-T0)。F即可作为空调折算的数值。而对于储能，其本身的SOC值偏离最佳SOC值的多少可以作为折算的数值，另外还可以给储能赋予其他目标值，比如根据储能的特点，其可以参与电压、电网频率调节等作用。所以，可以将电压、频率偏离额定值的多少作为临时性的优先级更高的折算数值；
步骤4：折算的数值在此处命名为可控负荷的“容忍值”，并定义偏离最优目标值越大则“容忍值”的绝对值越大，所有可控负荷的容忍值没有单位，具有相同的范围(比如-100到100)以便于横向比较；以空调为例，F为其容忍值，0代表最高舒适度，-100代表温度过高，100代表温度过低；储能的SOC值不能过低或过高，同时，其如果参与电压、频率等系统控制，则被控目标同样不能偏离给定值过大，偏离越大容忍值绝对值越大；
步骤5：定义容忍值为正是指可控负荷需要降低功率才能接近最优目标，为负是指需要升高功率才能接近最优目标值；
步骤6：控制器对所有可控负荷的容忍值排序；排序方法为冒泡法等排序方法；
步骤7：控制器比较调度指令与所有可控负荷当前功率之和，若相等，保持当前控制，若调度值小则可控负荷参与削峰，否则参与填谷；也有一些调度指令是削峰、填谷值，所以直接执行削峰填谷命令即可；
步骤8：如果为削峰，则选择容忍值最大的设备参与调度，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次大的负荷参与；如果为填谷，则选择容忍值最小的参与，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次小的负荷参与；由于可控负荷的功率调节裕度并不能完全反应可控负荷的情况，所以本发明充分考虑不同负荷的差异性，比如空调以人体舒适为目标、储能以电网稳定为目标等，引入容忍值的概念，在不影响个可控负荷运行的情况下，充分发挥所有可控负荷的可调能力；
步骤9：如果可控负荷容忍值为100，则该可控负荷只能降低功率运行，不能升功率运行，即不参与填谷，如果为-100，则该可控负荷只能升功率运行，不能降功率运行，即不参与削峰；
步骤10：同时，判断所有可控负荷容忍值，如果有两个或多个可控负荷的容忍值差值过大，在这些可控负荷中可匹配同等功率(不影响调度指令)的可控负荷进行功率交换，容忍值大的降功率运行，容忍值小的升高同等功率运行。这样，这些负荷的容忍值会更接近，实现可控负荷内部的优化控制；
步骤11：控制器对可控负荷的容忍值排序，然后根据调度指令计算得出需要参与调解的可控负荷及其功率值。例如，调度指令要降功率P1运行，储能容忍值为80，可调功率P2，空调容忍值为90，可调功率P3，则如果P2+P3>P1,则空调降P3功率运行，储能降(P1-P3)功率运行。控制器计算完成后，下发各可控负荷控制指令；
步骤12：另外，如果有多个区域独立且采用上述控制方法，那么同等级区域可根据本区域所有可控负荷的容忍值折算出一个代表本区域的容忍值(比如去本区域负荷容忍值的平均值)上送到上一级采用同种控制方法的更大的区域中，上一级控制器同样会采用排序方法对下级各区域的容忍值排序，然后根据其上级调度指令计算各下级区域控制器的升降功率命令，下发到各下级控制器，这样可以实现多个区域多级联合控制。
具体实施例：
本发明的控制流程图如图1所示，而采用本发明的控制器的实施例如图2所示。
图2中，控制器接收上级电网产生的调度指令Porder；并与控制区域内的空调、储能两个设备通讯(此处只以两个可控设备为例，实际可以控制多个可控负荷)。
控制器采集储能的相关信息(SOC值、当前运行功率、充放电速率、上下限、可调功率等)以及空调的相关信息(出水、回水温度，以及当前功率、可调功率等)；将储能的SOC值、空调的回水温度作为它们的运行状态值；
以控制目标最优值为基准，计算运行状态值偏离最优值的差值，并根据负荷的控制目标特性折算出一个数值。对于空调，采用回水温度T1作为运行状态值，控制目标最优值为T0，随着T1偏离T0越来越大(增大或减小都会引起舒适度变化)，人体舒适度值F会越来越差，所以舒适度与温度有对应关系:F_kt＝f(T1-T0)。F_kt即可作为空调折算的数值。而对于储能，其本身的SOC1值偏离最佳SOC0值的多少可以作为折算的数值，则折算值F_cn1＝f(SOC1-SOC0)。另外，当电网电压波动时，也会影响折算值，而且优先级比SOC值更高，F_cn2＝f(Uac1-Uac0),式中Uac1为实际电压幅值，Uac0为最优电压幅值。比较F_cn1与F_cn2绝对值的大小，储能的实际容忍值F_cn取绝对值大的那一个。
折算的数值在此处命名为可控负荷的“容忍值”，并定义偏离最优目标值越大则“容忍值”的绝对值越大，所有可控负荷的容忍值没有单位，具有相同的范围(比如-100到100)以便于横向比较；对于空调，此处只采用线性函数作为示例：当T1>T0时，F_kt＝-(T1-T0)/(Tmax-T0)；当T1<T0时，F_kt＝-(T0-T1)/(T0-Tmin)；F_kt为其容忍值，0代表最高舒适度，-100代表温度过高，100代表温度过低；储能采用与空调同样的方法，偏离值越大，百分比线性越大，当电压偏离计算得到的容忍值大于SOC偏离时，优先输出电压偏离计算得到的容忍值。
定义容忍值为正是指可控负荷需要降低功率才能接近最优目标，为负是指需要升高功率才能接近最优目标值；
控制器对储能与空调的容忍值排序(此处只有两个可控负荷，只为示例，比较两个可控负荷的大小即可)；排序方法为冒泡法等排序方法。
控制器比较调度指令Porder与储能、空调当前运行功率之和，若相等，保持当前控制不变，若调度值小则可控负荷参与削峰(即空调与储能降功率运行)，否则参与填谷(即空调与储能升功率运行)；
比较F_kt与F_cn的大小，如果为削峰，则选择容忍值大的设备参与调度，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次大的负荷参与；如果为填谷，则选择容忍值最小的参与，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次小的负荷参与；此处根据采集的储能与空调的可调节功率P_cn、P_kt直接与Porder比较即可。例如，调度指令要降功率Porder运行，储能容忍值为80，可调功率P_cn，空调容忍值为90，可调功率P_kt，则如果P_cn+P_kt>Porder,则空调降P_kt功率运行，储能降(Porder-P_kt)功率运行。
另外，也可以根据各可控负荷的容忍值与调节功率的关系优化调节功率，使得在一个控制周期后，两个可控负荷的容忍值较为接近，但是这种方法过于繁琐，此处不再展开。如果F_kt或F_cn为100，则该可控负荷只能降低功率运行，不能升功率运行，即不参与填谷，如果F_kt或F_cn为-100，则该可控负荷只能升功率运行，不能降功率运行，即不参与削峰；同时，判断F_kt与F_cn，如果这两个负荷的容忍值差值过大(设定一个阈值Fx)，可匹配同等功率(不影响调度指令)的可控负荷进行功率交换，容忍值大的降功率运行，容忍值小的升高同等功率运行。当F_kt过大时(正值)，说明室内温度过冷，需降功率运行，而当电压稳定而F_cn过小(负值)，说明储能需充电，此时取空调与储能都能够调节的共同功率Px，空调降低Px运行，而储能升高Px运行，这样，两个可控负荷的对外总功率保持不变，但是通过功率交换，储能SOC值以及空调控制的室内温度都在向最优值靠近。
控制器计算完成后，下发储能与空调的控制指令；另外，如图3所示，如果有多个区域独立且采用上述控制方法，那么同等级区域可根据本区域所有可控负荷的容忍值折算出一个代表本区域的容忍值(比如去本区域负荷容忍值的平均值)上送到上一级采用同种控制方法的更大的区域中，上一级控制器同样会采用排序方法对下级各区域的容忍值排序，然后根据其上级调度指令计算各下级区域控制器的升降功率命令，下发到各下级控制器，这样可以实现多个区域多级联合控制。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于排序的可控负荷多目标控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤
步骤1：基于该控制算法的控制器接收上级电网或其他控制器等产生的调度指令；
步骤2：该控制器采集其控制的所有可控负荷的相关信息，主要包括较通用的可控负荷的可调节上限、可调节下限、调节速率以及可控负荷的特有信息，
步骤3：以控制目标最优值为基准，计算运行状态值偏离最优值的差值，并根据负荷的控制目标特性折算出一个数值；
步骤4：折算的数值在此处命名为可控负荷的“容忍值”，并定义偏离最优目标值越大则“容忍值”的绝对值越大，所有可控负荷的容忍值没有单位，具有相同的范围以便于横向比较；
步骤5：定义容忍值为正是指可控负荷需要降低功率才能接近最优目标，为负是指需要升高功率才能接近最优目标值；
步骤6：控制器对所有可控负荷的容忍值排序；排序方法为冒泡法等排序方法；
步骤7：控制器比较调度指令与所有可控负荷当前功率之和，若相等，保持当前控制，若调度值小则可控负荷参与削峰，否则参与填谷；也有一些调度指令是削峰、填谷值，所以直接执行削峰填谷命令即可；
步骤8：如果为削峰，则选择容忍值最大的设备参与调度，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次大的负荷参与；如果为填谷，则选择容忍值最小的参与，若调节裕度不够，则依次选择容忍值次小的负荷参与；由于可控负荷的功率调节裕度并不能完全反应可控负荷的情况，
步骤9：如果可控负荷容忍值为100，则该可控负荷只能降低功率运行，不能升功率运行，即不参与填谷，如果为-100，则该可控负荷只能升功率运行，不能降功率运行，即不参与削峰；
步骤10：同时，判断所有可控负荷容忍值，如果有两个或多个可控负荷的容忍值差值过大，在这些可控负荷中可匹配同等功率的可控负荷进行功率交换，容忍值大的降功率运行，容忍值小的升高同等功率运行；
步骤11：控制器对可控负荷的容忍值排序，然后根据调度指令计算得出需要参与调解的可控负荷及其功率值；
步骤12：另外，如果有多个区域独立且采用上述控制方法，那么同等级区域可根据本区域所有可控负荷的容忍值折算出一个代表本区域的容忍值上送到上一级采用同种控制方法的更大的区域中，上一级控制器同样会采用排序方法对下级各区域的容忍值排序，然后根据其上级调度指令计算各下级区域控制器的升降功率命令，下发到各下级控制器，实现多个区域多级联合控制。
2.根据权利要求1所述的基于排序的可控负荷多目标控制方法，其特征在于，所述步骤2中该控制器采集其控制的所有可控负荷的相关信息，空调设备的出水回水温度、储能的SOC值等信息，计算各负荷当前运行状态值，各可控设备的运行状态值计算过程并不相同，储能采用SOC作为运行状态值，或在SOC值合理时以充放电功率大小作为运行状态值。
3.根据权利要求1所述的基于排序的可控负荷多目标控制方法，其特征在于，所述步骤3中,以控制目标最优值为基准，计算运行状态值偏离最优值的差值，并根据负荷的控制目标特性折算出一个数值，以室内空调为例，采用回水温度T1作为运行状态值，控制目标最优值为T0，随着T1偏离T0越来越大，人体舒适度值F会越来越差，所以舒适度与温度有对应关系:F＝f(T1-T0)，F即可作为空调折算的数值。
4.根据权利要求1所述的基于排序的可控负荷多目标控制方法，其特征在于，所述步骤4中,折算的数值在此处命名为可控负荷的“容忍值”，并定义偏离最优目标值越大则“容忍值”的绝对值越大，所有可控负荷的容忍值没有单位，具有相同的范围，以空调为例，F为其容忍值，0代表最高舒适度，-100代表温度过高，100代表温度过低；储能的SOC值不能过低或过高，同时，其如果参与电压、频率系统控制，则被控目标同样不能偏离给定值过大，偏离越大容忍值绝对值越大。
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