CN116998081A - 能源管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能源管理系统，本发明涉及一种能源管理系统，该能源管理系统包括：a.至少一个分表计量和通信模块，所述模块包括：i.分表计量单元，该分表计量单元被配置用于对与电(电子)器具相关的器具相关电力消耗参数进行计量；以及ii.第一通信接口，该第一通信接口用于与服务器传送所述器具相关电力消耗参数；b.第一处理单元，该第一处理单元被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数并提供电力消耗参数的子集；c.主计量单元，该主计量单元被配置用于对与主电力电缆相关的主电力消耗参数进行计量；d.第二通信接口，该第二通信接口用于与所述服务器传送所述主电力消耗参数，e.第二处理单元，该第二处理单元被配置用于处理所述主电力消耗参数并提供电力消耗参数的主集；该能源管理系统的特征在于，该能源管理系统进一步包括第三处理单元，该第三处理单元被配置用于将所述子集与所述主集进行关联并确认所述主集中存在所述子集。进一步地，本发明涉及一种用于这种能源管理系统的分表计量模块。另外，本发明还涉及一种包括这种能源管理系统的虚拟电厂。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测电(电子)器具的能源管理系统。进一步地，本发明涉及一种用于这种能源管理系统的分表计量模块。另外，本发明还涉及一种包括这种能源管理系统的虚拟电厂。
背景技术
如今，电能仍然是一种即时生成、分配和消耗的能源形式。当电网上的负荷接近最大容量时，网络运营商必须寻找另外的能源供应或寻找管理负荷的方法，以避免电网超负荷。
另外，出于对环境的考虑，发电正在从传统的化石燃料资源转向比如风能、太阳能和地热能等可再生能源。其中一些技术的电力产量是地点特定的和/或取决于天气条件，因此产量不是恒定的，并且也不总是可预测的，从而使得高效的电网负荷管理对于避免超负荷变得更加重要。
电网负荷管理的一种形式是长期负荷管理，其中考虑了长期负荷行为和长期情景，包括天气预报、日峰值消耗和年峰值消耗的预测影响等。
负荷管理的另一种形式建立在储存系统上，例如，将太阳能电厂的多余产量储存起来，并使该能源可供日后使用。然而，如今，这一选择成本高昂，而且往往需要很长的投资回收期。
然而，实现更高水平的高效电网负荷管理的关键涉及对家用和商用能源的使用情况进行计量、监测并根据需要进行控制和调整。示例是使用如US2011196547中所描述的智能计量设备，该智能计量设备连接到智能电网，并且被配置用于基于从电网接收到的信息将家用器具切换到节电模式。作为另一示例，一种选择可以是通过控制家庭中的电动车辆(EV)充电器来降低充电功率，甚至是完全停止对家庭所有者的EV充电。对电网具有重大影响的家用和小型商用负荷的其他示例包括例如：控制PV(光伏电池)逆变器停止向电网注入电力、控制电动车辆充电器的充电速率、控制卫生热水的产生时间、控制HVAC(供暖、通风和空调)和热泵、控制商用制冷系统、控制水池泵、控制自来水和污水处理、控制(备用)电池系统(何时充电或放电)等。
进一步地，所涉及的每个部分(比如辅助服务提供商、虚拟电厂(VPP)提供商、系统或电网运营商、公用事业机构、能源供应商、聚合商以及家庭或商业消费者)都必须获得相应的报酬。
为了提供可再生能源控制措施的证明，使用了收入级计量。公用事业规模的太阳能发电园、风力农场等在整体安装上已存在这样的公用事业收入级计量器。然而，远程控制的家用或商用器具和单元安装在“公用事业计量器”后面，并且没有单独的公用事业收入级计量器。这些单元或器具连接到家庭或企业的电气布线系统的“非密封”部分。因此，无法防止这种电气布线系统被篡改。
另外，为每个家用或商用HVAC器具、每个EV充电器单元、电池储存系统等安装和运行这种收入级电计量器(“公用事业计量器”)将不具有成本效益。公用事业机构的安装费用高昂，并且增加了计量器反复读取的次数和计量器运行的成本。
因此，本发明的目的是提供一种能源管理系统，更具体地是提供一种家庭能源管理系统(HEMS)或建筑能源管理系统(BEMS)，该HEMS或BEMS不需要密封公用事业计量器后面的电气布线并提供与主“公用事业计量器”相同的收入级质量计量。本发明还将提供一种用于接口连接到要控制的本地器具或单元的一体化解决方案。
本发明的目的还在于提供一种能源管理系统，该能源管理系统在技术上是兼容的并且可以提供与现场安装的收入级“公用事业计量器”相当的收入级计量数据，以由电网或计量器运营商对家庭或建筑的总负荷(消耗)进行测量。
因此，本发明的目的还在于向电网和系统运营商、第三方辅助服务提供商、PP和聚合商等提供已建立的能源管理系统(HEMS或BEMS)，该能源管理系统能够准确控制单个器具是否产生负荷、何时生成产生以及产生多少负荷，并且能够准确控制例如器具确实在所要求的时间点打开或关闭。
因此，本发明的目的还在于向电网和系统运营商、第三方辅助服务提供商、VPP和聚合商等提供已建立的能源计量和能源管理系统，该能源计量和能源管理系统允许对这种家用或商用的各个单元或器具进行核实，并基于各个器具或单元的使用情况准确地向其家庭或商业所有者支付报酬或开具账单。
进一步地，本发明的目的在于提供一种能源管理系统，该能源管理系统可按日、按周、按月或按年向消费者实时提供根据电网负荷对其能源使用情况、成本和收益情况的分析，并且可选地直接指示单个器具(例如，打开/关闭)，该收益来自对家庭或企业总消耗以及每个分表计量的器具的(“灵活性”)报酬。
本发明的进一步的目的在于提供一种设备，该设备帮助用户根据所提供的分析通过行为改变来减少电力消耗，从而每年减少高达12％的账单值。利用“可操作数据”实现了高达45％的节省。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种能源管理系统，该能源管理系统包括：
a.至少一个分表计量和通信模块，所述模块包括：
i.分表计量单元，该分表计量单元被配置用于对与电(电子)器具相关的器具相关电力消耗参数进行计量；以及
ii.第一通信接口，该第一通信接口用于与服务器传送所述器具相关电力消耗参数；
b.第一处理单元，该第一处理单元被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数并提供电力消耗参数的子集；
c.主计量单元，该主计量单元被配置用于对与主电力电缆相关的主电力消耗参数进行计量；
d.第二通信接口，该第二通信接口用于与所述服务器传送所述主电力消耗参数，
e.第二处理单元，该第二处理单元被配置用于处理所述主电力消耗参数并提供电力消耗参数的主集；
该能源管理系统的特征在于，该能源管理系统进一步包括第三处理单元，该第三处理单元被配置用于将所述子集与所述主集进行关联并确认所述主集中存在所述子集。
在本发明的实施例中，这种能源管理系统可以进一步包括控制单元，该控制单元被适配为与电网进行通信，并且能够从该电网接收指示电(电子)器具的指令。
在第二方面，本发明涉及分表计量和通信模块在如贯穿本文描述的能源管理系统中的用途，所述模块包括：
a.分表计量单元，该分表计量单元被配置用于对与电(电子)器具相关的器具相关电力消耗参数进行计量；
b.第一处理单元，该第一处理单元被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数并提供电力消耗参数的子集；以及
c.通信接口，该通信接口用于与服务器传送所述子集。
在第三方面，本发明涉及一种包括如贯穿本文描述的能源管理系统的虚拟电厂。
附图说明
图1展示了根据本发明的实施例的HEM的配置。
具体实施方式
在第一方面，本发明涉及一种能源管理系统，该能源管理系统包括：
a.至少一个分表计量和通信模块，所述模块包括：
i.分表计量单元，该分表计量单元被配置用于对与电(电子)器具相关的器具相关电力消耗参数进行计量；以及
ii.第一通信接口，该第一通信接口用于与服务器传送所述器具相关电力消耗参数；
b.第一处理单元，该第一处理单元被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数并提供电力消耗参数的子集；
c.主计量单元，该主计量单元被配置用于对与主电力电缆相关的主电力消耗参数进行计量；
d.第二通信接口，该第二通信接口用于与所述服务器传送所述主电力消耗参数，
e.第二处理单元，该第二处理单元被配置用于处理所述主电力消耗参数并提供电力消耗参数的主集；
该能源管理系统的特征在于，该能源管理系统进一步包括第三处理单元，该第三处理单元被配置用于将所述子集与所述主集进行关联并确认所述主集中存在所述子集。
根据本发明的能源管理系统可以防止篡改，因为由主计量单元计量的电力消耗参数的变化应该与由存在于能源管理系统中的分表计量和通信模块计量的电力消耗参数的变化进行关联并对由该主计量单元计量的电力消耗参数的变化进行确认。如果无法对由主计量单元计量的变化进行关联和确认，则可能存在篡改情况。如果由主计量单元计量的变化确实与子集关联并且得到了确认，则保证分表计量单元位于主计量单元的后面并且能源确实是由能源管理系统内的器具消耗的且测量正确。
在本发明的实施例中，被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数的第一处理单元可以被包括在分表计量和通信模块中。
在根据本发明的实施例中，第一处理单元和/或第二处理单元和/或第三处理单元可以被配置在服务器上。
在特定实施例中，第一处理单元和第二处理单元、或第一处理单元和第三处理单元、或第二处理单元和第三处理单元、或第一处理单元和第二处理单元和第三处理单元可以被配置为服务器上的一个单元。
替代性地，第一处理单元可以被配置在分表计量和通信模块中。在这种情况下，第一处理单元被配置用于处理器具相关电力消耗参数，然后第一通信接口将电力消耗参数的子集传送到服务器。
或者，第二处理单元可以被配置在主计量单元中。在这种情况下，第二处理单元被配置用于处理主电力消耗参数，然后第二通信接口将电力消耗参数的主集传送到服务器。
在根据本发明的实施例中，服务器可以包含数据库，该数据库被适配用于存储电力消耗参数的子集和主集和/或相应的确认。另外，数据库可以被适配用于存储处理前的(即，所计量的)电力消耗参数。
进一步地，被配置在服务器上或与所述服务器分开配置的第三处理单元被适配用于请求相应的子集和主集，并且用于将所述子集与所述主集进行关联并确认所述主集中存在所述子集。
在本发明的实施例中，所述第一通信接口和/或所述第二通信接口可以进一步包括无线接口，其中，电力消耗参数被无线地传输到服务器。
在根据本发明的另一实施例中，用于与服务器传送所述主电力消耗参数的第二通信接口可以被配置在主计量单元中。替代性地，该第二通信单元可以是连接到主计量单元的单独单元。
在本发明的实施例中，分表计量和通信模块可以以每10秒至少1次计量、或每秒1次计量、或每秒100次计量、或每秒至少1000次计量的速率来测量和/或传送器具相关电力消耗参数。
在本发明的进一步实施例中，作为附加功能，分表计量和通信模块可以进一步包括用于对电力消耗参数应用签名检测功能的装置。在这种情况下，模块可以能够通过可在电力消耗参数中检测到的每个器具的特定签名来识别、器具组中(例如，住宅内)的器具，并测量和传送电力消耗参数的多个子集，每个子集与单个器具相关。在这种情况下，签名检测算法的被表征为事件的结果可以包括数字串，该数字串包括峰值参数和/或瞬态特性。在EP2946568和US2013191103中描述了应用这种签名检测功能的示例。
根据本发明，主计量单元可以是电网运营商要安装在主电缆进入房屋或公寓或建筑物内部的地方的收入级主计量单元。或者，主计量单元可以是与传统的机电或数字公用事业计量器组合安装的收入级主计量单元。
在不需要收入级计量器的其他情况下，可以使用任何类型的主计量单元，该主计量单元能够例如通过放置在主电力电缆上的传感器来测量主电力电缆上的电力消耗参数。
在本发明的上下文中，主电力电缆应被理解为是向众多器具供应电能的电缆，比如将能源从主电力线输送到建筑物、房屋或公寓的电缆。
根据本发明，分表计量单元包括用于通过放置在器具的电力电缆上或连接到器具的熔断器上的传感器对器具的电力消耗参数进行计量/监测的装置。
在本发明的上下文中，电力消耗参数的子集或主集应被理解为某个时段内带时间戳的电力消耗参数的集合。这种子集或主集可以是某个时段内的数据流，也可以是表示某个时段的数据分组。这种数据流或数据分组可以被压缩。这种数据流或数据分组可以包括连续的电力消耗参数流，或者可以限于表示能源消耗变化的数据。电力消耗的这种变化可以是峰值、和/或峰值之后的瞬态变化、和/或在峰值之前和/或之后和/或期间的典型能源消耗特性、或其组合。
在本发明的上下文中计量的电力消耗参数可以是：电流、电压、cosφ(其中，φ是电流与电压之间的相位角)、有功功率、无功功率、归一化有功/无功功率等。
进一步地，在本发明的上下文中，对与所述电(电子)器具相关的子集与主电力电缆的主集进行关联并确认该主集中存在该子集被理解为第三处理单元确定器具的电力参数流是否与主电力电缆的电力参数流相关。换言之，如果检测到主电力电缆上的电力消耗变化，则第三处理单元核实是否是分表计量单元所测量的器具造成了这种影响。如果能源管理系统中存在若干分表计量和通信模块，则第三处理单元将若干器具的每个子集与主集进行关联并确定是哪个器具造成了这种影响。如果主计量单元由电网运营商认证和密封(即，收入级计量单元)，并且第三处理单元在特定器具的由分表计量单元测量的子集与主计量单元的主集之间建立链路，则由该特定器具生成的子集可以被视为通过第三处理单元的确认，从而确保能源提供商掌握该特定器具的正确电力消耗参数，以作为向消费者计费的依据。
另外，如果通过确认如分表计量单元所计量的子集，主计量单元被密封和认证或进行了收入分级，则分表计量单元的准确性也得到证实，因此分表计量和通信单元实际上被提升为收入级计量器。
在实施例中，在将子集与主集进行关联时，第三处理单元可以被适配为在如分表计量单元所测量的准确性极限(例如，1％)内调整子集中的电力消耗参数(例如，振幅)，以便更好地与主集进行关联。该调整提高了子集的准确性，从而提高了有效性和对应的报酬。
在根据本发明的实施例中，第三处理单元通过应用数学函数对器具的电力消耗参数和主电力电缆上的电力消耗参数的数学处理进行比较。这种数学函数选自包括以下各项的组：除法、减法等。
在进一步的特定实施例中，第一处理单元和第二处理单元在检测到状态变化(比如打开/关闭或能源消耗变化)时启动向服务器传递相应的子集或主集，从而使得根据本发明的系统的效率得到显著提高，因为只有第三处理单元进行进一步分析和处理所需的数据量被发送到服务器，而不是连续的数据流。
在根据本发明的实施例中，能源管理系统可以提供用于根据预测和/或实时的电网负荷、根据和/或能源成本和/或根据所产生的能源来修改器具的能源使用情况和/或能源使用时段的指令。这些指令可以是经由软件应用程序(比如基于web的门户或仪表盘或移动应用程序等)从提供商到消费者。替代性地，这些指令可以经由分表计量和通信模块直接提供给器具。
在实施例中，能源管理系统可以进一步包括控制单元，该控制单元被适配为与电网进行通信，并且可以能够从该电网接收用于指示电(电子)器具修改其能源使用情况和/或能源使用时段的指令。
特别地，分表计量和通信模块可以被适配为经由第一通信接口与电网进行通信，并且可以能够从该电网接收用于指示电(电子)器具修改其能源使用情况和/或能源使用时段的指令。
在图1中，展示了根据本发明的实施例的HEM的配置。多个器具(a1，a2)的总电力消耗由收入级计量单元(mu)计量。单个器具的电力消耗由分表计量和通信模块(scm)计量。该模块包括分表计量单元(su)、控制单元(cu)和通信接口(sci)。这两个通信接口(sci，mci)都将所计量的数据提交给包括处理单元(pu)的服务器。应理解，该服务器还可以位于云中、或者位于分表计量和通信模块(scm)中。处理单元(pu)将电力消耗数据的子集和主集进行关联并确认该主集中存在该子集，并且将其传送到消费者接口(CI)，以允许消费者追踪器具的行为。该消费者接口可以是移动器具，也可以存在于HEM系统中的任何地方。处理单元(pu)将该电力消耗数据传送到第三方，比如虚拟电厂(VPP)、或者例如又传送到HVAC服务提供商。第三方提出改变器具行为的指令，并且经由消费者接口(CI)，消费者可以批准或不批准这些指令。如果消费者批准，则控制单元对器具的行为进行调整，这将导致电力消耗的变化，该电力消耗变化会受到监测、关联和确认，并获得相应的报酬。
在根据本发明的特定实施例中，可以提供一种能源管理系统，其中，分表计量单元被配置用于对与存在于住宅中的所有电(电子)器具的总电力消耗相关的器具相关电力消耗参数进行计量，并且其中，主计量单元被配置用于对与向多个所述住宅提供能源的主电力电缆相关的主电力消耗参数进行计量。在这种情况下，主计量可以应用于电网层面(即，应用于电能变电站处的主电缆，电能从该电能变电站被分配到多个住宅)，并且可以连接分表计量和通信计量单元，以便能够测量住宅的总电力消耗。这使得可以检测到变电站与住宅之间的非技术性能源损耗，并检测到篡改。
在第二方面，本发明涉及分表计量和通信模块在如贯穿本文描述的能源管理系统中的用途，所述模块包括：
a.分表计量单元，该分表计量单元被配置用于对与电(电子)器具相关的器具相关电力消耗参数进行计量；
b.第一处理单元，该第一处理单元被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数并提供电力消耗参数的子集；以及
c.通信接口，该通信接口用于与服务器传送所述子集。
在根据本发明的特定实施例中，所述分表计量和通信模块的通信接口可以包括控制单元，该控制单元能够与电网进行通信，并且可以能够从该电网接收用于指示电(电子)器具修改其能源使用情况和/或能源使用时段的指令。
在第三方面，本发明涉及一种包括如贯穿本文描述的能源管理系统的虚拟电厂。通过将这种能源管理系统实施到虚拟电厂中，可以更高效地监测、控制和管理预测和/或实时的电网负荷。
根据本发明的能源管理系统为辅助服务提供商和虚拟电厂(VPP)提供商提供了其对每个单元或器具的控制措施的证明和收入级计量，以便由电网运营商或系统运营商向为其提供这些辅助服务或VPP服务或聚合服务的提供商支付报酬。
在本发明的上下文中，辅助服务是指帮助电网运营商维持可靠电力系统的功能。辅助服务维持了电力的正确流动和方向，解决了供需失衡的问题，并且帮助系统在电力系统事件后进行恢复。
在本发明的上下文中，虚拟电厂是分散式发电单元(比如家用或商用光伏系统或风力涡轮机、公用事业规模的太阳能或风力发电园、家用、商用或公用事业规模的电池储存系统)组成的网络。这些互连的单元通过虚拟电厂的中央控制室进行调度，但其运行和所有权仍然保持独立。虚拟电厂的目标是通过在峰值负荷时段期间智能地分配各个单元所产生的电力来减轻电网负荷。另外，虚拟电厂中联网单元的综合发电量和电力消耗量在能源交易所进行交易。
进一步地，根据本发明的能源管理系统为系统运营商或电网运营商、公用事业机构、能源供应商、聚合商等提供了收入计量日期证明，以向家庭或企业所有者支付报酬，因为他们允许通过控制其单元或器具来灵活控制其场所中的能源需求和供应(称为“灵活性”)。
进一步地，本发明的能源管理系统在命令之前就对运行状态或模式进行准确核实。作为示例，“关闭命令”可能被发送到未工作的HVAC单元。重要的是，监测和记录已接收到的命令，并对HVAC系统对电力降低的贡献程度进行计量。在HVAC单元不工作的情况下，其对降低电力消耗没有贡献，因此不应获得报酬。
另外，本发明的能源管理系统使得用户、家庭或企业所有者能够通过配置设置或偏好来覆写这种控制，以便例如维持一定的舒适度(冬季最低供暖量、无论kWh的成本是多少都需要对EV汽车充电等)。这将在这种HEM系统的用户界面(本地显示器或设备、或通过浏览器或智能手机可经由互联网访问的云软件、平板App)上完成。
本发明的能源管理系统进一步使得服务提供商(聚合商等)能够与充当家庭或企业所有者的代理的这种HEM、BEMS进行接口连接。服务提供商的接口将是经由本地通信端口或经由HEM提供商的云系统处的API直接接入HEM中的API(应用程序编程接口)。
Claims (13)
1.一种能源管理系统，包括：
a.至少一个分表计量和通信模块，所述模块包括：
i.分表计量单元，所述分表计量单元被配置用于对与电(电子)器具相关的器具相关电力消耗参数进行计量；
ii.第一通信接口，所述第一通信接口用于与服务器传送所述器具相关电力消耗参数；
b.第一处理单元，所述第一处理单元被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数并提供电力消耗参数的子集；
c.主计量单元，所述主计量单元被配置用于对与主电力电缆相关的主电力消耗参数进行计量；
d.第二通信接口，所述第二通信接口用于与所述服务器传送所述主电力消耗参数；
e.第二处理单元，所述第二处理单元被配置用于处理所述主电力消耗参数并提供电力消耗参数的主集；
所述能源管理系统的特征在于，所述能源管理系统进一步包括第三处理单元，所述第三处理单元被配置用于将所述子集与所述主集进行关联并确认所述主集中存在所述子集。
2.根据权利要求1所述的能源管理系统，其中，被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数的所述第一处理单元被包括在所述分表计量和通信模块中。
3.根据权利要求1所述的能源管理系统，其中，所述第一处理单元和所述第二处理单元和所述第三处理单元被配置为所述服务器上的一个单元。
4.根据上述权利要求中任一项所述的能源管理系统，其中，所述服务器包含数据库，所述数据库被适配用于存储所述子集和所述主集和/或用于存储相应的确认。
5.根据上述权利要求中任一项所述的能源管理系统，其中，所述第三处理单元被适配用于请求所述相应的子集和主集，并且用于将所述子集与所述主集进行关联并确认所述主集中存在所述子集。
6.根据权利要求5所述的能源管理系统，其中，所述主计量单元是收入级计量器。
7.根据上述权利要求中任一项所述的能源管理系统，提供用于根据预测和/或实时的电网负荷来修改所述器具的能源使用情况和/或能源使用时段的指令。
8.根据权利要求7所述的能源管理系统，进一步包括控制单元，所述控制单元被适配为与所述电网进行通信并且能够从所述电网接收指示所述电(电子)器具的指令。
9.根据权利要求8所述的能源管理系统，其中，至少所述第一通信接口包括控制单元，所述控制单元能够与所述电网进行通信，并且能够从所述电网接收指示所述电(电子)器具的指令。
10.根据上述权利要求中任一项所述的能源管理系统，其中，所述分表计量单元被配置用于对与存在于住宅中的所有电(电子)器具的总电力消耗相关的器具相关电力消耗参数进行计量，并且其中，所述主计量单元被配置用于对与向多个所述住宅提供能源的主电力电缆相关的主电力消耗参数进行计量。
11.分表计量和通信模块在根据上述权利要求中任一项所述的能源管理系统中的用途，所述模块包括：
a.分表计量单元，所述分表计量单元被配置用于对与电(电子)器具相关的器具相关电力消耗参数进行计量；
b.第一处理单元，所述第一处理单元被配置用于处理所述器具相关电力消耗参数并提供电力消耗参数的子集；以及
c.通信接口，所述通信接口用于与服务器传送所述子集。
12.根据权利要求11所述的用途，其中，所述分表计量和通信模块包括控制单元，所述控制单元能够与电网进行通信，并且能够从所述电网接收指示所述电(电子)器具修改其能源使用情况和/或能源使用时段的指令。
13.一种虚拟电厂，包括根据权利要求1至10中任一项所述的能源管理系统。
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