CN114111029A - 一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其核心步骤为：1)采用散热、水罐进出水、加热各环节先分离后综合的方法，分步建立变容量热水器水温模型；2)建立变容量热水器的舒适性约束及安全约束；3)获取变容量热水器水温水量状态、未来分时电价、预测的用水需求信息，生成电价趋势信号和用水趋势信号；4)建立基于变容量热水器控制动作优先级的优化策略；5)变容量热水器根据优化策略输出的加热、加水指令运行。本发明提出的方法计算速度快，对硬件条件要求低，能够对变容量热水器进行需求响应自动优化，实现节能、降低用户能源费用。

Description

一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统优化技术领域，具体地，涉及一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法。

背景技术

随着经济的快速发展，居民的生活条件不断提高，家用电器也逐步普及，家庭用电总量不断增长，家庭负荷参与需求响应是促进节能减排和可持续发展的重要措施。家庭热水的消耗是用户能源消耗的主要原因之一，根据统计，电热水器负荷占家庭能源总消耗15％左右，负荷总量庞大；热水器同时还具有储能特性，可以将消耗的电能转换为储存的热能，实现负荷转移，响应分时电价，综合以上两点，将热水器作为需求响应资源将有突出的现实意义。

当前多数家庭采用定容量热水器，其储水量始终保持不变，这导致热水器无法动态适应家庭中不同的用水情况，例如，家中的用水需求会随时间，居家人数，气候环境而改变，但是，在用水需求少甚至无需用水时，定容量热水器也必须加热保温整个水罐的热水，造成能量浪费。

同时传统的热水器控制方法是维持设定的温度，水温低于设定的温度时加热，高于设定的温度时不加热，这种方法的优点就是方案简单，可以普遍应用于各类电热水器，通过足够的水量、热量冗余来满足用户的舒适性需求。但这种控制方法完全不考虑分时电价和用户热水需求，在电价高时也维持着固定的水温，在用户无热水需求的时段也维持着满水罐的热水，水罐中的热水会随着时间向外散热，造成能量的浪费，产生了不必要的电费支出；同时，电价由电力系统根据电能供求关系指定，热水器不响应电价，意味着对电力系统来说，热水器将对电力系统的安全稳定经济运行造成负面影响，不利于社会节能减排。

当前已经有大量学者对热水器的需求响应进行了研究，1)用智能算法求解最优调度方案。这种方法先对需要调度的热水器进行数学建模，结合未来一段时间的分时电价，预测的用户热水需求以及环境温度，设定好相应的约束，把调度过程等效为数学问题进行求解。常用的求解方法有各类启发式算法和数学优化算法。此类方法通常可以求得调度的最优解，但要求建立热水器的精确数学模型，对于变容量热水器，其加热、加水、水的存量、水的需量、水垢对加热效率的影响等要素交叉耦合，具有很强的不确定性，导致精确建模困难。2)学习型需求响应优化。这种方法是通过具有学习能力的机器学习网络进行优化调度，这种网络可以在模型调度中不断产生训练数据，学习出现的各类情况，从一开始不断的试错和学习，训练收敛后就可以快速的结合当前热水器状态、环境、电价和热水需求等因素，给出相应的调度动作。此类方法还具有泛化性能，在单一工况下训练收敛的机器学习网络，可以迁移到其他工况下，在短期的训练后达到对应新工况的收敛；这类方法的缺点在于机器学习需要依赖高性能计算环境，难以普遍在家用热水器中推广。3)基于规则的需求响应优化。这类方法主要是根据未来一段时间的电价，用户热水需求等信息，结合当前时刻的热水器状态，根据一系列的规则来决定调度动作。这种方法的优点是求取调度解的成本低，速度快，不需要过多的计算资源和设备基础，具备实时性，且一定程度上可以应对不确定性，对各种工况和环境下的热水器都能适用；但目前的控制规则针对固定容量的热水器开发，难以用于变容量热水器。

本发明针对的问题包括：针对变容量热水器，开发轻量级计算的需求响应优化策略，是亟待解决的问题。

本发明提出一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，使用变容量热水器来动态适应家庭中变化的用水需求，提出的面向需求响应的变容量热水器优化调度方法兼具轻量级计算、易于工程化、能够高效调度变容量热水器进行需求响应优化的优点，使变容量热水器能自动适应分时电价、满足用户热水需求、满足变容量热水器安全约束，实现变容量热水器的自动化需求响应。

发明内容

本发明目的在于提供一种变容量热水器建模方法，可以动态适应家庭中不同的用水情况，并且提供一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，所需的设备简单，计算成本低，优化速度快，可以普适不同工况的变容量热水器，在满足用户用水需求和舒适性的同时，响应分时电价，对变容量热水器进行快速，准确的调度。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，包括：

步骤S1：针对变容量热水器，采用散热、水罐进出水、加热各环节先分离后综合的方法，分步建立变容量热水器水温模型；

步骤S2：获取变容量热水器标定的安全工作条件，建立变容量热水器安全约束，包括水温安全约束、水量安全约束；获取用户设定的热水温度舒适性区间，建立变容量热水器的水温舒适性约束；

步骤S3：在目标调度时段，获取变容量热水器水罐内的热水温度以及热水水量，获取电网未来24小时分时电价数据以及预测的用户未来24小时热水需求数据，并根据分时电价数据生成电价趋势信号，根据预测的用水需求数据生成用水趋势信号；

步骤S4：针对变容量热水器，建立基于控制动作优先级的优化策略，其方法是：在目标调度时段，综合电价趋势信号、用水趋势信号、水温和水量信息，对变容量热水器所有可能的控制动作组合设定优先级；将控制动作组合按照优先级从高到低的顺序，结合变容量热水器当前工况，进行变容量热水器水温仿真，仿真过程遍历所有控制动作组合，记录仿真结果并对其设定优先级；对仿真结果进行舒适性约束和安全约束核查，结合仿真结果的优先级给出优化结果；

步骤S5：变容量热水器根据基于控制动作优先级的优化策略输出的优化结果进行加热、加水操作，维持变容量热水器运行。

优选的，步骤S1所述的“采用散热、水罐进出水、加热各环节先分离后综合的方法，分步建立变容量热水器水温模型”包含以下步骤：

获取变容量热水器的水罐容积与表面积、水罐总体热阻、热水加热装置的加热额定功率、热水加热装置将电能转化为热能的热转换效率参数；

仅考虑散热损失单独作用对于变容量热水器水罐内水温的影响，建立变容量热水器的第一温度模型；散热损失的能量通过水罐表面积、水罐总体热阻和水罐内热水温度计算；

仅考虑水罐进出水的情况，水量变化单独作用对于变容量热水器水罐内水温及水量的影响，建立变容量热水器的第二温度模型；水罐内热水温度和水量的变化通过未加水前水罐内热水的温度及水量、加水开关的状态、加入水罐冷水的水量和温度计算；

仅考虑加热单独作用对于变容量热水器水罐内水温的影响，建立变容量热水器的第三温度模型；加热过程由加热开关控制，加热的能量通过加热开关的状态、加热装置的额定功率、加热装置将电能转化为热能的热转换效率计算；

综合变容量热水器的第一温度模型、第二温度模型、第三温度模型，建立变容量热水器的水温模型。

优选的，步骤S2包含以下步骤：

获取变容量热水器标定的热水温度安全区间，建立对变容量热水器调度需要满足的水温安全约束为：变容量热水器运行过程中，水罐内热水温度处于标定的热水温度安全区间内；

获取变容量热水器标定的热水水量安全区间，记水量安全中值为水量安全区间上下限的平均值，建立对变容量热水器调度需要满足的水量安全约束为：变容量热水器运行过程中，水罐内热水水量处于标定的热水水量安全区间内；

获取用户设定的热水温度舒适性区间，记水温舒适性中值为水温舒适性区间上下限的平均值，建立对变容量热水器调度需要满足的水温舒适性约束为：变容量热水器运行过程中，水罐内热水水温处于用户设定的热水温度舒适性区间内。

优选的，步骤S3所述的“根据分时电价数据生成电价趋势信号，根据预测的用水需求数据生成用水趋势信号”包含以下步骤：

将目标调度时段的电价和与它相邻的未来一段时间的平均电价进行对比，生成电价趋势信号：其规则是，与目标调度时段的电价相比，如果未来一段时间的平均电价更高，则电价趋势信号赋值为上升；与目标调度时段的电价相比，如果未来一段时间的平均电价更低，则电价趋势信号赋值为下降；与目标调度时段的电价相比，如果未来一段时间的平均电价与目标调度时段电价相同，则电价趋势信号赋值为维持；

将未来一段时间的用水需求与变容量热水器最大容积进行对比，生成用水趋势信号：其规则是，如果用水需求与变容量热水器最大容积之比的值大于给定的阈值，则用水趋势信号赋值为大，小于或等于给定的阈值，则用水趋势信号赋值为小。

优选的，步骤S4所述的“综合电价趋势信号、用水趋势信号、水温和水量信息，对变容量热水器所有可能的控制动作组合设定优先级”包含以下步骤：

归纳变容量热水器所有可能的控制动作组合：变容量热水器的可控开关为加热开关、加水开关和出水安保开关，定义加热开关和加水开关用于变容量热水器调度，加热开关开表示变容量热水器的加热装置以额定功率加热，加热开关关表示变容量热水器不加热，加水开关开表示变容量热水器以额定流速向水罐中加水，加水开关关表示变容量热水器不加水，出水安保开关开表示允许变容量热水器向外放水，出水安保开关关表示不允许变容量热水器向外放水；生成变容量热水器可能的控制动作组合为：加热开关开且加水开关开、加热开关开且加水开关关、加热开关关且加水开关开、加热开关关且加水开关关，以上四种组合依次分别记为(1,1)、(1,0)、(0,1)、(0,0)；

对变容量热水器的控制设定两层优先级，并定义第一层级优先级较第二层级优先级的优先级高：

将变容量热水器的安全控制设定为第一层级优先级，并采用事件触发机制进行开关操作以保证变容量热水器的安全，具体方法为：只要变容量热水器的水量大于或等于水量安全区间上限，立即令加水开关关；只要变容量热水器的水量小于或等于水量安全区间下限，立即令出水安保开关关；只要变容量热水器的水量大于水量安全区间下限而小于水量安全区间的上限，立即令出水安保开关开；只要变容量热水器的水温大于或等于水温安全区间上限，立即令加热开关关；只要变容量热水器的水温小于或等于水温安全区间下限，立即令加热开关开；

将变容量热水器的优化控制设定为第二层级优先级，并采用时间触发机制进行开关操作以优化变容量热水器的运行，具体方法为：优化控制中，在每个目标调度时段对所有可能的控制动作组合设定优先级，不同情况下优化控制的控制动作组合优先级排布如表1所示，表 1中第五列某行的值表示在同时满足第一列到第四列对应行所列条件下，控制动作组合优先级从高到低的顺序。

表1.优化控制的优化控制动作组合优先级排布表

优选的，步骤S4所述的“将控制动作组合按照优先级从高到低的顺序，结合变容量热水器当前工况，进行变容量热水器水温仿真，仿真中遍历所有控制动作组合，记录仿真结果并对其设定优先级”包含以下步骤：

变容量热水器优化控制中，按第二层级优先级从高到低的顺序选取控制动作组合，将变容量热水器水罐内热水温度、热水水量、预测的用户热水需求以及环境温度代入变容量热水器水温模型中，仿真得到调度时段结束时刻的变容量热水器水罐内热水温度和热水水量；

遍历第二层级优先级中所有控制动作组合，记录对应的仿真结果，并对仿真结果设定优先级，仿真结果的优先级与对应控制动作组合优先级相同。

优选的，步骤S4所述的“对仿真结果进行舒适性约束、安全约束核查，结合仿真结果的优先级给出优化结果”包含以下步骤：

对第二层级优先级所有控制动作仿真结果进行水温舒适性约束、水量安全约束核查，如果存在仿真结果既满足水温舒适性约束又满足水量安全约束，则在满足约束的仿真结果中，选取优先级最高的仿真结果，直接输出此仿真结果对应的控制动作组合作为优化结果；

如果不存在既满足水温舒适性约束又满足水量安全约束的仿真结果，则对第二层级优先级所有控制动作仿真结果进行水温安全约束、水量安全约束核查，在既满足水温安全约束又满足水量安全约束的仿真结果中，选取优先级最高的仿真结果，输出此仿真结果对应的控制动作组合作为优化结果。

优选的，步骤S5包含以下步骤：

在目标调度时段，基于控制动作优先级的优化策略输出的加热动作、加水动作的开、关指令，变容量热水器依照输出指令运行；

变容量热水器运行中的任何时刻，如果发现水量达到或超出安全上下限、水温达到或超出安全上下限，则立即采用对应的第一层级优先级控制动作，如果第一层级优先级控制动作与第二层级优先级控制动作矛盾，则采用第一层级优先级控制动作。

本发明还提供了一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器；存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法。

相对于现有技术，本发明有如下优点：

1)本发明给出了一种变容量热水器的水温模型建模方法；变容量热水器相比于现有的定容量热水器水量灵活可调，可以动态适应用户热水需求的变化，节约能源消耗和用电支出。2) 相比于智能算法求解的方法和学习型变容量热水器控制方法，本发明的计算成本低，决策速度快，对硬件的要求和安装成本也很低，本发明只需要进行简单的计算就能给出优化结果，几乎是实时的，并且没有学习成本。3)相比于一般基于规则的变容量热水器控制方法，本发明的基于控制动作优先级的优化策略实现了对未来状态的预见性评估，能应对更复杂的工况，泛化性能更好，同时违约的风险更低，能产生较优的调度结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明适用的变容量热水器示意图

图2是本发明某一实施例提供的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法流程示意图

图3是本发明某一实施例提供的基于控制动作优先级的优化策略流程示意图

图4是本发明某一实施例提供的计算机终端设备的结构示意图

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的，特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。本发明的核心步骤为：1)采用散热、水罐进出水、加热各环节先分离后综合的方法，分步建立变容量热水器水温模型；2)建立变容量热水器的舒适性约束及安全约束；3)获取变容量热水器水温水量状态、未来分时电价、预测的用水需求信息，生成电价趋势信号和用水趋势信号；4)建立基于变容量热水器控制动作优先级的优化策略； 5)变容量热水器根据优化策略输出的加热、加水指令运行。上述步骤4)主要涉及基于变容量热水器控制动作优先级的优化策略的建立，如图3所示。

请参阅图1，图1为本发明适用的变容量热水器示意图，1表示变容量热水器水罐，2表示控制器，3表示通信线，4表示传感信号接收线，5表示出水开关，6表示出水安保开关，7表示出水管，8表示加水开关，9表示进水管，10表示加热装置，11表示加热开关，12表示控制线；

热水储存在变容量热水器水罐1中，罐体材料为隔热保温材料；控制器2可运行基于控制动作优先级的优化策略调度变容量热水器运行；控制器2通过通信线3、传感信号接收线4 接收信号，以控制线12控制变容量热水器的运行；传感信号接收线4与液位传感器、水温传感器相连，用于获取水温和水量信号，通信线3与外部通信系统相连，用于获取未来分时电价数据信号和预测的未来用水需求数据信号；出水安保开关6、加水开关8和加热开关11与控制线12相连，接受控制器调度，而出水开关5受用户控制；控制器2控制出水安保开关6 为开时，允许变容量热水器向外放水，由出水开关5控制热水是否从出水管7流出，用户控制出水开关5开时，热水从出水管7流出，出水管7高度可自动调节，用户控制出水开关5关时，变容量热水器没有出水，出水安保开关6关时不允许变容量热水器向外放水，出水开关5失效；控制器2控制加水开关8向水罐中加水，加水开关8开时水流以额定流速从进水管9加入到水罐中，加水开关8关时不进行加水；控制器2控制加热开关11对水罐中的热水加热，加热开关11开时加热装置10以额定功率工作，加热开关11关时加热装置10不工作；

基于图2给出的变容量热水器需求响应优化流程图，结合图1本发明适用的变容量热水器示意图，一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法具体实施方式包括以下步骤：

步骤S1：针对变容量热水器，采用散热、水罐进出水、加热各环节先分离后综合的方法，分步建立变容量热水器水温模型，具体包括以下步骤：

步骤S101：获取变容量热水器所含水罐的容积、表面积、水罐总体热阻、加热装置额定功率和加热装置将电能转化为热能的热转换效率参数；

步骤S102：仅考虑散热单独作用对于变容量热水器水罐内水温的影响，变容量热水器的第一温度模型如式(1)-式(3)所示：

T_t＝(θ_1,t-1-θ_out,(t-1,t))/(V_t-1·D·C_P) (1)

θ_1,t-1＝V_t-1·D·T_t-1·C_p (2)

其中，T_t为t时刻的热水温度，θ_1,t-1表示t-1时刻水罐内热水的总热量，V_t-1为t-1时刻水罐内的热水水量，T_t-1为t-1时刻水罐内的热水温度，D为水的密度，C_p为水的比热容；θ_out,(t-1,t)表示[t-1,t]时段热水通过罐体向外散热所损失的热量，S_a为水罐表面积，R为水罐总体热阻， T_out,t-1为t-1时刻的环境温度，Δt为[t-1,t]时段的时长；

步骤S103：仅考虑水罐进出水的情况，水量变化单独作用对于变容量热水器水罐内水温及水量的影响，变容量热水器的第二温度模型如式(4)-式(7)所示：

T_t＝(θ_1,t-1+θ_{water_in,(t-1,t)}-θ_{water_use,(t-1,t)})/[(V_t-1+X_2,t-1·W_in,t-1-W_D,t-1)·D·C_P] (4)

V_t＝V_t-1-W_D,t-1+X_2,t-1·W_in,t-1 (5)

θ_{water_in,(t-1,t)}＝X_2,t-1·W_in,t-1·D·T_in,t-1·C_p (6)

θ_{water_use,(t-1,t)}＝W_D,t-1·D·T_t-1·C_p (7)

其中，θ_{water_in,(t-1,t)}表示[t-1,t]时段向变容量热水器水罐中加入的水中包含的热量，θ_{water_use,(t-1,t)}表示[t-1,t]时段用户使用的热水包含的热量，X_2,t-1为电热水器在[t-1,t]时段的加水开关状态，如果X_2,t-1＝1，即加水开关开，则变容量热水器在[t-1,t]时段以额定流速加水，由于控制周期长度固定，所以一个控制周期中加水的水量为固定值，W_in,t-1为[t-1,t]时段所加水量；如果X_2,t-1＝0，即加水开关关，则变容量热水器在[t-1,t]时段不加水；T_in,t-1为t-1时刻向变容量热水器水罐中加水的水温；W_D,t-1为调度时段[t-1,t]用户使用热水的水量，V_t表示t时刻水罐内的水量；

步骤S104：仅考虑加热单独作用对于变容量热水器水罐内水温的影响，变容量热水器的第三温度模型如式(8)、式(9)所示：

T_t＝(θ_1,t-1+θ_heat,(t-1,t))/(V_t-1·D·C_P) (8)

θ_heat,(t-1,t)＝X_1,t-1·P·η·Δt (9)

其中，θ_heat,(t-1,t)表示[t-1,t]时段变容量热水器加热装置所产生的热量，P为变容量热水器额定功率，η为变容量热水器的热转换效率，X_1,t-1为变容量热水器在[t-1,t]时段的加热开关状态，如果X_1,t-1＝1，即加热开关开，则变容量热水器在[t-1,t]时段以额定功率加热；如果 X_1,t-1＝0，即加热开关关，则变容量热水器在[t-1,t]时段不加热；

步骤S105：综合第一温度模型、第二温度模型、第三温度模型，变容量热水器的水温模型如式(10)所示：

步骤S2：获取变容量热水器标定的安全工作条件，建立变容量热水器安全约束，包括水温安全约束、水量安全约束；获取用户设定的热水温度舒适性区间，建立变容量热水器的水温舒适性约束，具体包括以下步骤：

步骤S201：获取变容量热水器标定的热水温度安全区间[T_{limit_low},T_{limit_high}]，其中，T_{limit_low}为变容量热水器的水温安全下限，其默认值为1℃，T_{limit_high}为变容量热水器的水温安全上限，其默认值为75℃，建立变容量热水器调度的水温安全约束的数学表达式为式(11)：

T_{limit_low}＜T_t＜T_{limit_high} (11)

获取变容量热水器标定的热水水量安全区间[V_{limit_low},V_{limit_high}]，其中，V_{limit_low}为变容量热水器的水量安全下限，V_{limit_high}为变容量热水器的水量安全上限，建立变容量热水器调度的水量安全约束的数学表达式为式(12)，设定水量安全中值V_{limit_mid}为水量安全区间上下限的平均值，如式(13)：

V_{limit_low}＜V_t＜V_{limit_high} (12)

V_{limit_mid}＝(V_{limit_low}+V_{limit_high})/2 (13)

步骤S202：获取用户设定的热水温度舒适性区间[T_{dm_low},T_{dm_high}]，其中，T_{dm_low}为满足用户舒适性需求的水温下限，T_{dm_high}为满足用户舒适性需求的水温上限，建立变容量热水器调度的水温舒适性约束的数学表达式为式(14)，设定水温舒适性中值T_{dm_mid}为水温舒适性区间上下限的平均值，如式(15)：

T_{dm_low}＜T_t＜T_{dm_high} (14)

T_{dm_mid}＝(T_{dm_low}+T_{dm_high})/2 (15)

步骤S3：在目标调度时段，获取变容量热水器水罐内的热水温度以及热水水量，获取电网未来24小时分时电价数据以及预测的用户未来24小时热水需求数据，并根据分时电价数据生成电价趋势信号，根据预测的用水需求数据生成用水趋势信号，具体包括以下步骤：

步骤S301：设热水器的调度时段长度为Δt，Δt的值不大于1.5小时且不小于0.25小时，默认取Δt＝0.25小时，调度时刻的表示以一天24小时为周期，t＝0为24小时的起始时刻，以调度时段长度Δt为间隔对一天的时间进行分段，按自然数顺序对每个时段的起始时刻依次编号，记为t，t∈[0,96]；

步骤S302：获取t时刻水罐内的热水温度T_t以及热水水量V_t，获取电网未来24小时分时电价数据以及预测的用户未来24小时热水需求数据；

步骤S303：调度时段[t，t+1]电价趋势信号f_1,t的生成，f_1,t＝1时电价趋势信号赋值为上升，代表[t，t+1]时段未来一段时间电价呈上升趋势，f_1,t＝-1时电价趋势信号赋值为下降，代表[t，t+1]时段未来一段时间电价呈下降趋势，f_1,t＝0时电价趋势信号赋值为维持，代表[t，t+1] 时段未来一段时间电价与当前时刻持平，生成[t，t+1]时段电价趋势信号f_1,t的具体方法为：如果调度时段为[t，t+1]时段，按顺序执行以下步骤得到[t，t+1]时段的电价趋势信号f_1,t：

1)得到[t，t+1]时段的电价p_t，计算[t，t+n]时段的电价平均值p_t,t+n，若[t，t+1]时段的电价p_t低于[t，t+n]时段的电价平均值p_t,t+n，即p_t＜p_t,t+n，则令f_1,t＝1，其中[t，t+n]时段长度为n×Δt，表示用来判断电价趋势的时间窗口长度，n为整数，n个调度时段覆盖的时间大于 3小时，n的默认值取12；

2)若[t，t+1]时段的电价p_t高于[t，t+n]时段的电价平均值p_t,t+n，即p_t＞p_t,t+n，则令f_1,t＝-1；

3)否则，令f_1,t＝0；

步骤S304：[t，t+1]时段用水趋势信号f_2,t的生成，f_2,t＝1时用水趋势信号赋值为大，代表t时刻未来一段时间有较大的用水需求存在，f_2,t＝0时用水趋势信号赋值为小，代表t时刻未来一段时间用水需求很小或不存在，生成[t，t+1]时段用水趋势信号f_2,t的具体方法为：如果调度时段为[t，t+1]时段，按顺序执行以下步骤得到[t，t+1]时段的用水趋势信号f_2,t：

1)计算[t，t+n]时段的用户用水需求平均值u_t,t+n，若[t，t+n]时段的用户用水需求平均值 u_t,t+n与变容量热水器水罐容积M的比值大于给定的阈值H，即u_t,t+n/M＞H，则令f_2,t＝1，[t，t+n]时段长度为n×Δt，与判断电价趋势信号的时间窗口长度相同，阈值H为小于1的正数，默认取阈值H为0.1；

2)否则，令f_2,t＝0；

步骤S4:针对变容量热水器，建立基于控制动作优先级的优化策略，其方法是：在目标调度时段，综合电价趋势信号、用水趋势信号、水温和水量信息，对变容量热水器所有可能的控制动作组合设定优先级；将控制动作组合按照优先级从高到低的顺序，结合变容量热水器当前工况，进行变容量热水器水温仿真，仿真过程遍历所有控制动作组合，记录仿真结果并对其设定优先级；对仿真结果进行舒适性约束和安全约束核查，结合仿真结果的优先级给出优化结果，具体包括以下步骤：

步骤S401：[t，t+1]时段控制动作组合优先级的生成，对变容量热水器调度的过程中，定义允许调度的开关有加热开关X_1,t以及加水开关X_2,t，这两个控制开关又分别有两个状态：“开”和“关”，X_1,t＝1时控制加热开关开，表示热水器在[t，t+1]时段以额定功率对水罐中的热水加热；X_1,t＝0时控制加热开关关，表示热水器在[t，t+1]时段不加热；X_2,t＝1时控制加水开关开，表示热水器在[t，t+1]时段向水罐中加水，流速为额定值，由于以固定周期控制，所以一个周期中加水的水量为固定值，X_2,t＝0时控制加水开关关，表示热水器在[t，t+1]时段不加水；两个开关可以生成以下四个对变容量热水器调度的控制动作组合：X_1,t＝1,X_2,t＝1加热开关开且加水开关开、X_1,t＝0,X_2,t＝1加热开关关且加水开关开、X_1,t＝1,X_2,t＝0加热开关开且加水开关关、X_1,t＝0,X_2,t＝0加热开关关且加水开关关；

步骤S402：对变容量热水器的控制设定两层优先级，并定义第一层级优先级较第二层级优先级的优先级高：

将变容量热水器的安全控制设定为第一层级优先级，并采用事件触发机制进行开关操作以保证热水器的安全，具体方法为：只要变容量热水器的水量大于或等于水量安全区间上限 V_{limit_high}，控制器2立即令加水开关8关；只要变容量热水器的水量小于或等于水量安全区间下限V_{limit_low}，控制器2立即令出水安保开关6关；只要变容量热水器的水量大于水量安全区间下限V_{limit_low}而小于水量安全区间的上限V_{limit_high}，控制器2立即令出水安保开关6开；只要变容量热水器的水温大于或等于水温安全区间上限T_{limit_high}，控制器2立即令加热开关11关；只要变容量热水器的水温小于或等于水温安全区间下限T_{limit_low}，控制器2立即令加热开关11 开；

将变容量热水器的优化控制设定为第二层级优先级，并采用时间触发机制进行开关操作以优化变容量热水器的运行，具体方法为：优化控制中在每个目标调度时段对所有控制动作组合设定优先级，如果调度时段为[t，t+1]时段，按顺序执行以下步骤得到[t，t+1]时段的控制动作组合优先级：

1)获取t时刻的变容量热水器水罐热水温度T_t、热水水量V_t，获取未来24小时电网分时电价数据以及预测的未来24小时用户热水需求数据，根据步骤S3得到[t，t+1]时段的电价趋势信号f_1,t和用水趋势信号f_2,t；

2)将加热开关开且加水开关开、加热开关开且加水开关关、加热开关关且加水开关开、加热开关关且加水开关关四种组合依次分别记为(1,1)、(1,0)、(0,1)、(0,0)；优化控制中，在每个目标调度时段对所有可能的控制动作组合设定优先级，不同情况下优化控制的控制动作组合优先级排布如表1所示，表1中第五列某行的值表示在同时满足第一列到第四列对应行所列条件下，控制动作组合优先级从高到低的顺序，根据已经获得的t时刻的变容量热水器水罐热水温度T_t、热水水量V_t、[t，t+1]时段的电价趋势信号f_1,t和用水趋势信号f_2,t，与表1 中第一列到第四列所列条件对照，由第五列对应行得到[t，t+1]时段的所有控制动作组合优先级顺序；

表1.优化控制的控制动作组合优先级排布表

步骤S403：得到目标调度时段对变容量热水器进行调度的控制动作组合：设目标调度时段是[t，t+1]时段，获得调度变容量热水器的控制动作组合的具体方法是：按顺序执行下列步骤得到[t，t+1]时段调度变容量热水器的控制动作组合；

1)令加热开关X_1,t，加水开关X_2,t按[t，t+1]时段第二层级优先级从高到低的顺序取对应的动作，将[t，t+1]时段起始时刻的变容量热水器水罐内热水温度T_t、热水水量V_t、环境温度 T_out,t以及预测的[t，t+1]时段用户热水需求W_D,t代入式(5)与式(10)建立的变容量热水器水温模型中，仿真得到t+1时刻的变容量热水器水罐内热水温度T_t+1和热水水量V_t+1；

2)遍历第二层级优先级中所有控制动作组合，记录每一次的仿真结果，按使用的控制动作组合优先级顺序，为对应的仿真结果设定优先级，仿真结果的优先级与对应控制动作组合优先级相同；

3)对记录的第二层级优先级所有控制动作仿真结果进行水温舒适性约束、水量安全约束核查，如果存在仿真结果同时满足式(14)、式(12)建立的水温舒适性约束和水量安全约束，则选取满足约束的仿真结果中优先级最高的仿真结果，输出此仿真结果所使用的控制动作组合作为[t，t+1]时段调度变容量热水器的控制动作组合；

如果记录的仿真结果均不能同时满足式(14)、式(12)建立的水温舒适性约束和水量安全约束，则再次对记录的第二层级优先级所有控制动作仿真结果进行水温安全约束、水量安全约束核查，如果存在仿真结果同时满足式(11)、式(12)建立的水温安全约束和水量安全约束，则选取满足约束的仿真结果中优先级最高的仿真结果，输出此仿真结果所使用的控制动作组合作为[t，t+1]时段调度变容量热水器的控制动作组合；

步骤S5：变容量热水器根据基于控制动作优先级的优化策略输出的优化结果进行加热、加水操作，维持变容量热水器运行，具体包括以下步骤：

步骤S501：请参阅图1，在目标调度时段[t，t+1]，获取未来24小时分时电价和用水需求数据，由通信线3输入控制器2，控制器2可通过步骤S3的过程计算得到[t，t+1]时段的电价趋势信号f_1,t和用水趋势信号f_2,t；获取t时刻水罐内热水温度T_t、热水水量V_t，由传感信号接收线4输入控制器2，控制器2执行基于控制动作优先级的优化策略，得到作为[t，t+1]时段优化结果的控制动作组合，通过控制线12控制加水开关8、加热开关11和出水安保开关6，实现变容量热水器的优化调度；

步骤S502：变容量热水器运行中的任何时刻，如果发现水量达到或超出安全上下限、水温达到或超出安全上下限，则立即采用对应的第一层级优先级控制动作，如果第一层级优先级控制动作与第二层级优先级控制动作矛盾，则采用第一层级优先级控制动作；

请参阅图4，本发明还提供了一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器；存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法。

处理器用于控制该计算机终端设备的整体操作，以完成上述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该计算机终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该计算机终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random AccessMemory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称 EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器 (Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

在一示例性实施例中，计算机终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device,简称DSPD)、可编程逻辑器件 (Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，并达到如上述方法一致的技术效果。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由计算机终端设备的处理器执行以完成上述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，并达到如上述方法一致的技术效果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，或者对其中部分技术特征进行等同替换，这些改进、润饰和等同替换均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：针对变容量热水器，采用散热、水罐进出水、加热各环节先分离后综合的方法，分步建立变容量热水器水温模型；

步骤S2：获取变容量热水器标定的安全工作条件，建立变容量热水器安全约束，包括水温安全约束、水量安全约束；获取用户设定的热水温度舒适性区间，建立变容量热水器的水温舒适性约束；

步骤S3：在目标调度时段，获取变容量热水器水罐内的热水温度以及热水水量，获取电网未来24小时分时电价数据以及预测的用户未来24小时热水需求数据，并根据分时电价数据生成电价趋势信号，根据预测的用水需求数据生成用水趋势信号；

步骤S4：针对变容量热水器，建立基于控制动作优先级的优化策略，其方法是：在目标调度时段，综合电价趋势信号、用水趋势信号、水温和水量信息，对变容量热水器所有可能的控制动作组合设定优先级；将控制动作组合按照优先级从高到低的顺序，结合变容量热水器当前工况，进行变容量热水器水温仿真，仿真过程遍历所有控制动作组合，记录仿真结果并对其设定优先级；对仿真结果进行舒适性约束和安全约束核查，结合仿真结果的优先级给出优化结果；

步骤S5：变容量热水器根据基于控制动作优先级的优化策略输出的优化结果进行加热、加水操作，维持变容量热水器运行。

2.根据权利要求1所述的一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，步骤S1所述的“采用散热、水罐进出水、加热各环节先分离后综合的方法，分步建立变容量热水器水温模型”包含以下步骤：

获取变容量热水器的水罐容积与表面积、水罐总体热阻、热水加热装置的加热额定功率、热水加热装置将电能转化为热能的热转换效率参数；

仅考虑散热损失单独作用对于变容量热水器水罐内水温的影响，建立变容量热水器的第一温度模型；散热损失的能量通过水罐表面积、水罐总体热阻和水罐内热水温度计算；

仅考虑水罐进出水的情况，水量变化单独作用对于变容量热水器水罐内水温及水量的影响，建立变容量热水器的第二温度模型；水罐内热水温度和水量的变化通过未加水前水罐内热水的温度及水量、加水开关的状态、加入水罐冷水的水量和温度计算；

仅考虑加热单独作用对于变容量热水器水罐内水温的影响，建立变容量热水器的第三温度模型；加热过程由加热开关控制，加热的能量通过加热开关的状态、加热装置的额定功率、加热装置将电能转化为热能的热转换效率计算；

综合变容量热水器的第一温度模型、第二温度模型、第三温度模型，建立变容量热水器的水温模型。

3.根据权利要求1所述的一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，步骤S2包含以下步骤：

获取变容量热水器标定的热水温度安全区间，建立对变容量热水器调度需要满足的水温安全约束为：变容量热水器运行过程中，水罐内热水温度处于标定的热水温度安全区间内；

获取变容量热水器标定的热水水量安全区间，记水量安全中值为水量安全区间上下限的平均值，建立对变容量热水器调度需要满足的水量安全约束为：变容量热水器运行过程中，水罐内热水水量处于标定的热水水量安全区间内；

获取用户设定的热水温度舒适性区间，记水温舒适性中值为水温舒适性区间上下限的平均值，建立对变容量热水器调度需要满足的水温舒适性约束为：变容量热水器运行过程中，水罐内热水水温处于用户设定的热水温度舒适性区间内。

4.根据权利要求1所述的一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，步骤S3所述的“根据分时电价数据生成电价趋势信号，根据预测的用水需求数据生成用水趋势信号”包含以下步骤：

将目标调度时段的电价和与它相邻的未来一段时间的平均电价进行对比，生成电价趋势信号：其规则是，与目标调度时段的电价相比，如果未来一段时间的平均电价更高，则电价趋势信号赋值为上升；与目标调度时段的电价相比，如果未来一段时间的平均电价更低，则电价趋势信号赋值为下降；与目标调度时段的电价相比，如果未来一段时间的平均电价与目标调度时段电价相同，则电价趋势信号赋值为维持；

将未来一段时间的用水需求与变容量热水器最大容积进行对比，生成用水趋势信号：其规则是，如果用水需求与变容量热水器最大容积之比的值大于给定的阈值，则用水趋势信号赋值为大，小于或等于给定的阈值，则用水趋势信号赋值为小。

5.根据权利要求1所述的一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，步骤S4所述的“综合电价趋势信号、用水趋势信号、水温和水量信息，对变容量热水器所有可能的控制动作组合设定优先级”包含以下步骤：

归纳变容量热水器所有可能的控制动作组合：变容量热水器的可控开关为加热开关、加水开关和出水安保开关，定义加热开关和加水开关用于变容量热水器调度，加热开关开表示变容量热水器的加热装置以额定功率加热，加热开关关表示变容量热水器不加热，加水开关开表示变容量热水器以额定流速向水罐中加水，加水开关关表示变容量热水器不加水，出水安保开关开表示允许变容量热水器向外放水，出水安保开关关表示不允许变容量热水器向外放水；生成变容量热水器可能的控制动作组合为：加热开关开且加水开关开、加热开关开且加水开关关、加热开关关且加水开关开、加热开关关且加水开关关，以上四种组合依次分别记为(1,1)、(1,0)、(0,1)、(0,0)；

对变容量热水器的控制设定两层优先级，并定义第一层级优先级较第二层级优先级的优先级高：

将变容量热水器的安全控制设定为第一层级优先级，并采用事件触发机制进行开关操作以保证变容量热水器的安全，具体方法为：只要变容量热水器的水量大于或等于水量安全区间上限，立即令加水开关关；只要变容量热水器的水量小于或等于水量安全区间下限，立即令出水安保开关关；只要变容量热水器的水量大于水量安全区间下限而小于水量安全区间的上限，立即令出水安保开关开；只要变容量热水器的水温大于或等于水温安全区间上限，立即令加热开关关；只要变容量热水器的水温小于或等于水温安全区间下限，立即令加热开关开；

将变容量热水器的优化控制设定为第二层级优先级，并采用时间触发机制进行开关操作以优化变容量热水器的运行，具体方法为：优化控制中，在每个目标调度时段对所有可能的控制动作组合设定优先级，不同情况下优化控制的控制动作组合优先级排布如表1所示，表1中第五列某行的值表示在同时满足第一列到第四列对应行所列条件下，控制动作组合优先级从高到低的顺序。

表1.优化控制的优化控制动作组合优先级排布表

6.根据权利要求1所述的一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，步骤S4所述的“将控制动作组合按照优先级从高到低的顺序，结合变容量热水器当前工况，进行变容量热水器水温仿真，仿真中遍历所有控制动作组合，记录仿真结果并对其设定优先级”包含以下步骤：

变容量热水器优化控制中，按第二层级优先级从高到低的顺序选取控制动作组合，将变容量热水器水罐内热水温度、热水水量、预测的用户热水需求以及环境温度代入变容量热水器水温模型中，仿真得到调度时段结束时刻的变容量热水器水罐内热水温度和热水水量；

遍历第二层级优先级中所有控制动作组合，记录对应的仿真结果，并对仿真结果设定优先级，仿真结果的优先级与对应控制动作组合优先级相同。

7.根据权利要求1所述的一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，步骤S4所述的“对仿真结果进行舒适性约束、安全约束核查，结合仿真结果的优先级给出优化结果”包含以下步骤：

对第二层级优先级所有控制动作仿真结果进行水温舒适性约束、水量安全约束核查，如果存在仿真结果既满足水温舒适性约束又满足水量安全约束，则在满足约束的仿真结果中，选取优先级最高的仿真结果，直接输出此仿真结果对应的控制动作组合作为优化结果；

如果不存在既满足水温舒适性约束又满足水量安全约束的仿真结果，则对第二层级优先级所有控制动作仿真结果进行水温安全约束、水量安全约束核查，在既满足水温安全约束又满足水量安全约束的仿真结果中，选取优先级最高的仿真结果，输出此仿真结果对应的控制动作组合作为优化结果。

8.根据权利要求1所述的一种面向需求响应优化的变容量热水器控制方法，其特征在于，步骤S5包含以下步骤：

在目标调度时段，基于控制动作优先级的优化策略输出的加热动作、加水动作的开、关指令，变容量热水器依照输出指令运行；

变容量热水器运行中的任何时刻，如果发现水量达到或超出安全上下限、水温达到或超出安全上下限，则立即采用对应的第一层级优先级控制动作，如果第一层级优先级控制动作与第二层级优先级控制动作矛盾，则采用第一层级优先级控制动作。

9.一种计算机终端设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-8任一项所述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的面向需求响应优化的变容量热水器控制方法。

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