CN117480701A - 能量存储设备充电与电网稳定性的分布式控制 - Google Patents

Abstract

边缘计算设备可以控制负载设备和DER(分布式能源)设备。边缘计算设备可以与位于房屋处的电计量表相关联，或者与位于二级变电站处的配电变压器相关联。负载设备和DER设备的控制可以部分地基于预测的定价信息，该信息考虑了诸如配电设备的设备额定值、环境条件、发电和负载的历史模式以及用户输入等因素。

Description

能量存储设备充电与电网稳定性的分布式控制

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年2月4日提交的第63/145,660号美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及电网控制系统。更具体地，本公开涉及电动车辆和能量存储设备充电的分布式控制，以保持电网稳定性。

背景技术

在资源分配系统中，诸如输送电功率的电网中，计量表被使用于测量和控制用户房屋处的消耗。该计量表可以包括用于测量消耗和监测功率特性的计量模块和用于与诸如头端系统的中央系统通信的通信模块，以及其他模块和组件。

当分布式能源(DER)设备，诸如太阳能面板阵列、风力涡轮机、水力涡轮机、电池、电动车辆(EV)充电器、EV、能量存储设备或发电机位于用户房屋时，DER设备生成或存储的电力可在房屋处被使用或输出至电网。另外，EV充电器、EV和能量存储设备也可从电网接收电力，用于存储和以后使用。在一些系统中，需要单独的计量表和计量表插座以将DER设备连接到电网。这些单独的设备可能不允许诸如头端系统的中央系统控制DER设备到电网的连接。在其他系统中，集成设备可以将DER设备和房屋计量表都连接到电网。然而，这些集成设备可能无法提供对DER设备的最佳控制。因此，需要一种用于控制房屋中的DER设备并且与之通信的改进系统。

发明内容

公开了使用一个或多个边缘计算设备控制负载设备和DER(分布式能源)设备的系统和方法的方面和示例。电计量表可以包括边缘计算设备、通信模块和用于连接到第一负载设备的端口。计量表处的边缘计算设备可以向与配电变压器相关联的边缘计算设备发送负载预测信息。变压器处的边缘计算设备可以基于负载预测信息生成价格区间数据，并且将其发送给计量表。计量表处的边缘计算设备基于价格区间数据控制负载设备，以在价格区间数据包括低成本时间区间时使用正常操作参数进行操作，或者在价格区间数据包括高成本时间区间时使用节能操作参数进行操作。当价格区间数据包括高成本时间区间时，电计量表处的边缘计算设备还可以控制DER设备向电网输出电力。

在一些示例中，电计量表处的边缘计算设备生成未来定价数据。未来定价数据对应于包括在价格区间数据中的时间区间之后的时间区间，并且可以基于特定于计量表的数据。

在一些示例中，边缘计算设备与配电变压器相关联，并且在配电变压器下游的房屋处控制充电器，诸如EV充电器。边缘计算设备确定变压器的预测负载和房屋的预测负载，并且使用预测来控制充电器。边缘计算设备可以控制充电器的充电速率或者控制充电器何时可以充电。

提及这些说明性方面和特征不是为了限制或定义当前描述的主题，而是为了提供示例以帮助理解本申请中描述的构思。在审阅了整个申请之后，当前描述的主题的其他方面、优点和特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出了配电网、计量表、位于房屋处的面板和多个DER设备之间的示例性电力连接的框图。

图2是示出了连接至计量表、多个DER设备和多个负载的示例性面板的框图。

图3是示出了用于头端系统、计量表和多个DER设备之间通信的示例性通信网络的一部分的框图。

图4是示出了图3的通信网络的示例性通信网络拓扑的一部分的框图。

图5是示出了用于头端系统、网关设备、计量表和多个DER设备之间通信的示例性通信网络的一部分的框图。

图6是示出了用于头端系统、独立系统操作者、计量表和由计量表计量的多个DER和负载设备之间的通信的示例性通信和控制网络的一部分的框图。

图7是示出了用于控制配电网上的负载设备或DER设备的示例性方法的流程图。

图8是示出了配电网、计量表、位于房屋处的面板和一个或多个DER设备之间的示例性电力和通信连接的框图。

图9是示出了配电网和包括DER设备的多个房屋之间的示例性电力和通信连接的框图。

图10A是示出了聚合器和控制设备的示例性操作的框图。

图10B是用于使用聚合器和控制设备调节电网上电压的示例性系统的框图。

图11是示出了电耦合至太阳能逆变器的多端口计量表的示例性布置的框图。

图12是示出了电耦合至太阳能面板、电池存储器或两者的逆变器的多端口计量表的示例性布置的框图。

图13是示出了电耦合至电动车辆充电器的多端口计量表的示例性布置的框图。

图14是示出了示例性机器学习模型的训练和验证的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种系统，其支持边缘计算设备之间以及边缘计算设备和头端系统之间的通信，以控制负载设备和DER(分布式能源)设备。DER设备包括能够向电网或房屋提供能量的设备。能量可以由例如太阳能面板的设备生成，或者由例如电池的设备存储。一些DER设备，诸如电池，可能够既提供能量又能消耗能量。可以至少部分基于预测的定价信息来控制DER和负载设备。预测的定价信息可以考虑许多因素，包括但不限于例如配电变压器的配电设备的设备额定值、例如当前和预测的天气条件的环境条件、发电和负载的历史模式以及用户输入。对设备的控制可以包括允许设备使用正常操作参数进行操作，修改设备的操作以使用节能操作参数，或者断开设备。对DER设备的控制可以包括将DER设备连接到电网、将DER设备从电网断开、将DER设备连接到房屋或从房屋断开、或者调整DER设备的参数的命令。

图1示出了配电网或电网102、房屋104、计量表106、面板108和多个DER设备110a、110b、……110n之间的示例性电力连接。在这个示例中，至少三个DER设备位于相同房屋处。

计量表106测量和控制电网和房屋之间的电功率。该计量表可以包括计量模块122、通信模块132和断路开关142，以及其他组件。计量模块测量电能的消耗，并且可以提供收入级计量和负载分析。通信模块经由通信网络(未显示)与中央或头端系统通信。计量模块和通信模块可以是单独的模块，或者可以组合成单个模块。断路开关控制从电网通过计量表到房屋的电力流。

在图1中，每个DER设备110a、110b、110n可以经由面板108连接至电网和房屋。每个DER设备可以包括计量模块120a、120b、120n、通信模块130a、130b、130n和控制设备140a、140b、140n，诸如逆变器或断路开关。控制设备的参数或状态可以由控制器控制。计量模块测量DER设备生成的电功率。它测量DER设备向房屋或电网提供的能量的量，以及提供能量的时间。计量模块的测量可以足够准确，以提供收入级计费。可替代地，计量模块可以为非收入级计费提供测量或数据。计量模块可以提供负载分析，其可以根据相关监管机构的要求使用适当的区间长度(例如，1分钟区间、5分钟区间、15分钟区间)。它还可以监测所生成的电力，并且提供电力数据，诸如电力质量和功率因数数据。在一些系统中，计量模块由单个模块提供，例如片上计量表(MOC)模块。通信模块经由通信网络(未显示)与中央系统通信。计量模块和通信模块可以是单独的模块，或者可以组合成单个模块。控制设备控制DER设备的输出到面板的连接。

虽然图1示出了DER设备110a、110b、110n连接至面板108，但替代配置也是可行的，并且可以由DER设备中的计量模块120a、120b、120n和通信模块130a、130b、130n支持。替代方案包括将一个或多个DER设备连接到多端口计量表，或者将DER设备直接连接到电网。在这样的示例中，计量模块120a、120b、120n可以形成计量表106的一部分，计量表106能够测量DER设备110a、110b、110n的单独的负载。

DER设备中的通信模块允许与DER设备的低延迟双向通信。这些通信可以提供更多或更及时的关于DER设备操作的信息，并且使得能够比当前可用的更好地控制DER设备。

计量模块和通信模块可被添加至任何类型的DER设备，以使得DER设备能够在图1的系统中操作。这些模块(或单个模块，如果组合的话)可被集成到DER设备的硬件设计中。DER设备的PCB(印刷电路板)上可以设计有焊盘或连接器，以容纳模块的增加。在一些实施方式中，DER设备由第三方生产，并且模块由提供计量表的相同的一方提供。模块可以焊接到PCB上，或者使用连接器或线束连接。DER设备中的计量模块和通信模块可以经由有线连接、无线连接或其组合与DER设备的其他组件通信。

计量表106经由面板108将房屋连接到电网。面板可以包含控制房屋与计量表的连接的主断路器，以及用于DER设备和位于房屋处的负载的附加断路器。图2示出了具有主断路器202、用于每个DER设备204a、204b、204n的断路器以及用于房屋负载206a、206b、206n的断路器的示例性面板208。

使用计量表的通信

除了图1和图2所示的电力连接外，计量表和DER设备经由一个或多个通信网络连接。图3示出了一个示例性通信网络的一部分。通信网络包括计量表106和DER设备110a、110b、110n之间的通信通道。DER设备中的每个通信模块与计量表中的通信模块通信。通信通道可以是有线或无线的，并且可以使用任何类型的通信协议，包括专有或非专有协议。一个示例是Zigbee通信协议。DER设备中的通信模块可以传送关于所生成的或供应给电网的能量的信息，以及关于设备的状态的信息。

计量表中的通信模块可接收头端系统302发送的命令或控制指令，并且将命令路由至适当的DER设备。它还可以从DER设备接收通信，并且将该通信传输到头端系统。

除了头端系统和DER设备之间的路由通信之外，或作为其替代方案，计量表可生成命令，并且将命令发送至DER设备中的一个或多个通信模块。计量表也可以从DER设备接收信息。该信息可被提供给头端系统和/或被计量表使用。

在图3中，DER设备和另一设备之间的所有通信均通过相同房屋处的计量表进行路由。计量表可以使用相同的网络协议与DER设备和通信网络上的其他设备通信，或者可以使用一种网络协议与DER设备通信，并且使用不同的网络协议与通信网络上的其他设备通信。

在一些实施方式中，计量表从DER设备接收信息，聚合该信息，然后将聚合后的信息发送至头端系统。在其他实施方式中，计量表仅仅将从DER设备接收的信息路由到头端系统，而不进行聚合。

作为由图3所示的DER设备和头端系统之间的经过计量表的通信的替代方案，可配置一个或多个DER设备，使得头端系统和DER设备之间的通信经过计量表以外的节点。例如，头端系统302和DER设备110a之间的通信可以通过网络上的设备而不是相同房屋处的计量表106来路由。

在任何这些示例中，网络上其他设备的通信可通过计量表106进行路由。如图4所示，计量表可以连接到计量表的网络和其他设备，并且头端系统402和计量表106之间的通信可以通过跨一个或多个网络的多个设备来传送。

在一些网络中，计量表和/或DER设备的通信模块可与提供边缘计算服务的设备通信。边缘计算服务或边缘计算设备410可以提供低延迟的通信和控制，因为它在拓扑上更靠近通信网络上的DER设备。

使用网关设备的通信

图5示出了另一示例性通信网络。在图5中，DER设备110a、110b、110n中的通信模块与网关设备504通信。与网关设备的通信可以使用任何类型的通信协议，包括专有或非专有协议。一些示例是Zigbee、Wi-Sun或WiFi通信协议。DER设备中的通信模块可以传送关于生成的或提供给电网的能量的信息以及关于设备状态的信息。

计量表和头端系统之间的通信可以不通过网关设备进行路由。而是，计量表可以如图3所示与头端系统通信，或者可以通过PLC网络与头端系统通信。可替代地，计量表可以经由网关设备进行通信。

网关设备可位于房屋处或房屋附近。网关设备通过一个或多个网络与头端系统502通信。除了通信功能，网关设备还可以是提供边缘计算服务(诸如支持DER设备的计量和控制的服务)的边缘计算设备。头端系统可以经由通过网关设备路由的通信与DER设备通信。

在一些示例中，网关设备504位于房屋处，诸如房屋网关设备或家庭网关设备。与房屋网关设备504的通信可以使用任何类型的通信协议，包括专有或非专有协议。一些示例是Zigbee、Wi-Sun或WiFi通信协议。DER设备中的通信模块可以传送关于生成的或提供给电网的能量的信息以及关于设备状态的信息。

房屋网关设备可位于房屋处。例如，家庭网关设备可以位于处于房屋处的建筑物的内部或外部。家庭网关设备通过一个或多个网络与头端系统通信。除了通信功能，房屋网关设备还可以提供边缘计算服务，包括DER设备的计量和控制。

在附加示例中，网关设备504可为经由蜂窝网络与计量表和DER设备通信的蜂窝基站。蜂窝网络可以是公共或私有蜂窝网络。DER设备中的通信模块可以传送关于生成的或提供给电网的能量的信息，以及关于设备状态的信息。

头端系统502经由蜂窝基站网关设备504与计量表和DER设备通信。尽管图5中未示出，蜂窝基站和头端系统之间的通信可以使用附加的网络和网络设备。作为通过蜂窝基站通信的计量表的通信模块的替代，计量表可以使用不同于DER设备使用的网络的网络与头端系统通信。

用于控制负载和DER设备的边缘计算设备

图6是示出了用于头端系统602、独立系统操作者604、计量表106和由计量表106计量的多个DER和负载设备之间的通信的示例性通信和控制网络的一部分的框图106。图6中描绘的组件之间的通信可以使用以上参考图1-图5描述的任何技术来执行。如所描绘的，电计量表106包括多个端口，用于将电计量表106电耦合、通信耦合或者电耦合并通信耦合到DER和负载设备。例如，电计量表106可以包括用于电池存储设备610a、耦合到太阳能面板的逆变器610b、连接到电动车辆(EV)的EV充电器610c、洗衣机/烘干机612、HVAC系统614、室内显示器或智能恒温器616、连接到出口处的设备的智能开关618或任何其他住宅负载设备622的端口。在示例中，电计量表106能够监测每个耦合的设备，并且提供控制命令来控制设备到电网102的连接。尽管图6包括一个电计量表106，但是可以有连接到与二级变电站相关联的配电变压器的多个电计量表，每个计量表耦合到其自己的一组负载。

例如，如果位于配电变压器下游的多个电动车辆充电器610c同时开始充电，与二级变电站控制器606相关联的配电变压器可能会过载。为了防止配电变压器过载，诸如由边缘计算设备410生成并且分配给联网设备的命令的分布式智能可用于通过减少提供给电动车辆充电器610c或电池存储设备610a的功率的占空比，或通过减少单独的电动车辆或电池存储设备610a的充电水平来管理总体需求，从而管理多个电动车辆或其他电池存储设备610a的充电。

当有多个具有边缘计算设备的计量表连接到相同的二级变电站下游时，边缘计算设备之间可通信和协调，以管理连接至每个计量表的设备。一个选项是让一个边缘计算设备充当主设备。另一个选项是让每个边缘计算设备独立地做出其自己的确定，然后将该确定传送给其他边缘计算设备，使得边缘计算设备在确定其自己的动作时可以考虑其他边缘计算设备已经采取或将要采取的动作。

在一些示例中，配电变压器的需求可通过运行在位于计量表106处的边缘计算设备410上或诸如二级变电站606或头端系统602的远程系统上的机器学习算法来预测。例如，机器学习算法可以随时间学习二级变电站控制器606下游的设备(其包括潜在可能会过载的配电变压器)的电力消耗趋势。机器学习算法的输入可以包括但不限于当前和历史的能量需求、一天中的时间、一周中的日期、一年中的日期、地理位置、当前和预报的天气条件、下游DER设备的历史发电、变压器和设备额定值、包括配电变压器的配电系统或配电系统的一部分的模型、以及灵活负载系数。灵活负载系数与可能释放的负载或预测要释放的负载相关。当电力消耗趋势被知晓时，边缘计算设备410可以在可能对配电变压器造成压力的时间段期间为设备生成控制命令。在示例中，控制命令可涉及控制电动车辆充电器610c或电池存储设备610a的充电速率，或控制从电动车辆、电池存储设备610a和逆变器610b到电网102的电力施加。也可以实现其他控制命令，以通过控制非关键负载的开或关、放电存储设备(例如，电池存储设备或EV)来减少或增加配电变压器下游的能量消耗，或者增加灵活负载(例如，电池存储设备或EV)的能量消耗。例如，控制命令可以涉及打开或关闭断路器的命令，以将DER设备与电网102或其他在房屋的负载电去耦或耦合，如上文参考图2所描述。

在示例中，电动车辆充电器610c和其他DER设备(例如，连接至太阳能面板的电池存储设备610a和逆变器610b)可在电网102提供的多相电力系统上创建显著的相位不平衡，诸如当几辆电动车辆同时开始充电时，或当太阳能设备的输出在太阳能高峰时间段达到峰值时。分布式智能可以协助DER设备610a-610c的充电和放电定时，以提供跨相位负载的平衡效果。在示例中，机器学习技术可以学习导致相位不平衡的二级变电站控制器606下游的设备随时间的电力消耗趋势。例如，随着电力相位不平衡趋势被知晓，边缘计算设备410可以在预期相位不平衡的预测时间段期间为在电网102的各个相位上操作的设备生成控制命令。在示例中，控制命令可涉及控制电动车辆或电池存储设备610a的充电速率，或控制从电池存储设备610a、逆变器610b或电动车辆向电网的电力施加。其他控制命令也可被实现以平衡配电变压器下游各相位上的负载。

因为机器学习技术使得能够基于负载需求自动制定决策，所以可避免导致低效率和不准确的用户参与。此外，机器学习技术可以提供预知和预防建议，以避免对电网的负面影响，诸如配电变压器的过载。

在附加示例中，电网102的需求曲线与逆变器610b的太阳能生产供应曲线及其他因素相组合，可引起所需的能量生成的较大可变性。使用分布式智能和控制可以提供一种平滑供应和需求曲线的机制，这可以减少总的能量生产成本。需求和供应曲线可以与任何大小的区域相关，从整个地区到微型电网。ISO 604或边缘计算设备410可以预测一段时间内的能量生产成本。能量生产成本可以基于电网102在时间段期间所经历的负载需求。在示例中，可以通过以下来平滑供应和需求曲线，即，在低成本时间段期间执行利用低能量成本的操作(诸如通过对电动车辆和电池存储610a充电)，以及在高成本时间段期间减少消耗，诸如通过使用车辆到电网系统对电动车辆和电池存储610a放电来将能量出售给电网102，并且将来自其他DER设备的其他可用电力出售给电网102。在一些示例中，预测能量生产成本可以通过最大化可生产太阳能的使用来最小化不可再生能源的使用。

该技术可解决终端消费者能源使用低效率的问题，该问题通常会导致更高的总能量成本和更高的碳排放。这种技术可以传递能量生产的真实成本，以在电网102需要时(例如，在高成本时间段期间)向用户提供激励以出售能量，并且在电网102的最佳时间(例如，在低成本时间段期间)消耗能量。这种技术还可以为公用事业公司提供直接控制能量使用的选项，以达到相同的目的。

在一些示例中，DER设备还可通过调节电网102上的电压来解决高无功负载和发电机的影响。例如，当高无功负载开始消耗来自电网102的电力时，边缘计算设备410可以通过计量表106向耦合到电网102的DER设备提供命令以放电，使得电网102上的电压保持在期望的水平。边缘计算设备可以通过监测无功功率消耗或总谐波失真来检测高无功负载的存在。在示例中，当具有充足电荷的电动车辆电耦合到充电站时，几个电动车辆充电站可聚合为电压调节的源。

另外，这些设备控制系统可为智能家居需求管理提供智能，以防止过度需求收费(例如，通过在高成本时间段期间减少需求)，提供实时负载监测，提供能源和账单预测，以及提供与电力消耗和相关联的成本相关的警报。在一些示例中，边缘计算设备410可以自动向单独的设备提供控制命令，以在预期过载条件时停止操作或修改它们的操作。例如，洗衣机/烘干机612、HVAC系统614、智能恒温器616、智能开关618和负载控制设备620各自都能够接收控制命令以防止或限制高峰需求时间段期间的操作。在一些示例中，消费者可能同意对各种家用设备的这种直接控制，以换取更低的总电力消耗单位成本。

用于控制负载或DER设备的示例性技术

如上所述，包括在DER设备和其他负载设备中的通信模块，以及将DER设备和其他负载设备连接至通信网络，支持设备的改进控制和连接。

控制诸如电动车辆或能量存储设备或负载的DER设备的示例性方法700如图7所示。在框702中，方法700涉及ISO 604、公用事业公司头端系统602或能量聚合器确定预测区间的能量出售和购买价格。ISO 604、头端系统602或能量聚合器可以使用机器学习技术来学习历史需求周期、天气条件以及其他对能量生成成本有贡献的因素，并且充分利用这些历史因素来设置预测区间的能量价格。机器学习算法的输入可以包括当前和历史能量需求、一天中的时间、一周中的日期、一年中的日期、地理位置以及与房屋如何消耗能量相关的其他因素。在一些示例中，区间可被设置为五分钟的时间段，其中价格在区间之间的边界上变化。也可以使用更短或更长的区间。价格可以在扩展数量的时间区间内预测或设置。例如，可以预测一天、几天、几周等的价格，以向边缘计算设备410提供映射耦合到电网102的负载设备的成本效益使用的能力。

在框704中，方法700涉及边缘计算设备410从ISO 604或头端系统602接收价格预测。其他设备和用户也可以接收价格预测。例如，消费者、电动车辆充电器、光伏逆变器、电池存储系统以及响应于价格预测而可控的其他设备也可以接收价格预测。

在框706中，方法700涉及边缘计算设备410做出确定以增加或减少负载处接收的能量，或出售来自能量存储和发电设备(诸如电动车辆、电池存储系统、太阳能逆变器、太阳能电池存储系统和风力涡轮机)的能量。边缘计算设备410还可以基于诸如天气、历史负载、一天中的时间、一周中的日期等因素来预知与边缘计算设备410相关联的房屋处的负载。边缘计算设备可以生成特定时间段的负载预测。边缘计算设备使用的时间段可以但不要求与框704中使用的区间相同。另外，边缘计算设备410可以使用历史定价趋势来预知超出由ISO604、公用事业公司头端系统602或能量聚合器生成的预测量的未来定价。可替代地，边缘计算设备可以基于接收到的价格预测生成其自己的价格预测。

在一些示例中，边缘计算设备410基于价格和负载预测向负载设备传输控制命令。例如，在低成本时间区间，边缘计算设备410可将控制命令发送到电动车辆充电器和电池系统充电器以开始充电。在高成本时间区间，边缘计算设备410可将控制命令发送到电动车辆充电器和电池系统充电器，以使用车辆到电网系统将能量出售回电网102，或向与电动车辆和电池系统相关联的房屋供应能量。另外，边缘计算设备410可以控制需求响应设备，诸如水池水泵、洗衣机、HVAC系统等以在低成本时间区间期间使用正常操作参数正常进行操作，并且在高成本时间区间期间使用节能操作参数来以简化的方式进行操作。当控制负载设备时，边缘计算设备可以考虑用户输入或命令。用户可以指定设备在一定时间段内保持供电，或者在一定时间之前将设备充电到某一水平。用户还可以允许某些设备在高成本时间区间期间或在一定条件下消费。

边缘计算设备410可包括直接控制上文列出的动作以及影响负载总量和将能量提供回电网的其他动作的能力。这些动作可能会影响系统峰值需求、电压调节和系统平衡，以及其他影响。在一些示例中，控制命令可以直接来自公用事业公司头端系统602或本地控制器，诸如二级变电站控制器606。在分级系统的示例中，头端系统可以向二级变电站发送命令，该命令指定需要减少或可用的能量的量。二级变电站可以基于从头端系统接收的命令以及其他因素，诸如可用能量、瞬时功率和电网拓扑，向变电站下游的边缘控制设备发送其他命令。边缘控制设备可以基于从变电站接收的命令以及其他因素来控制负载。另外，用户、公用事业公司或两者都有能力改变或覆盖边缘计算设备410控制负载的方法。此外，计量表106可以包括使负载预测能够更准确的负载分解，从而为负载控制提供更高效的粒度。一旦边缘计算设备410提供了控制命令，方法700可以返回到框702，用于附加的时间区间的进一步的价格预测。

在附加示例中，公用事业公司或控制组，诸如能源聚合器，可与消费者签订协议，基于ISO 604生成的价格来控制负载设备。ISO 604可以设置五分钟区间或其他时间区间长度的价格。控制组可以基于来自ISO 604的价格来确定可用能量的量以及出售或使用能量的最佳时间。基于该确定，控制组可以基于能量可用性和设置的价格对特定时间区间的一定量的能量报价。控制组基于能量报价在期望的时间发送命令，该命令使得能量能够从单独的能量存储设备流回电网102。在一些示例中，控制组还可以基于报价发送用于延期负载的命令，诸如水池水泵和HVAC系统。

监测和控制DER负载，诸如电动车辆和电池存储系统，使得能够为公用事业公司提供服务，以管理DER负载的充电或其他能量消耗，从而随着时间的推移分散负载，以确保相对平坦的负载曲线。在示例中，具有以最快充电速率充电的多辆电动车辆的小区可能在负载曲线中创建尖峰，并且可能使本地变电站过载。通过管理电动车辆的充电，诸如减慢充电或减少同时充电的电动车辆的数量，可以从变电站获得被允许的负载水平。

使用多个边缘计算设备来控制负载和DER设备

图8是示出了配电网、计量表、位于房屋内的面板和一个或多个DER设备之间的示例性电力和通信连接的框图。如图所示，电网102通过配电变压器804、电计量表106和电气面板108向房屋802供电。配电变压器可以以类似于图6的二级变电站控制器606的方式进行操作。可以从公用事业公司头端系统302向配电变压器804处的边缘计算设备806以及电计量表106处的边缘计算设备410提供通信。

在一些示例中，定价预测可在配电变压器804的边缘计算设备806处使用机器学习技术来确定，然后被提供给电计量表106处的边缘计算设备410。例如，边缘计算设备410可以基于从配电变压器的边缘计算设备接收的定价预测来控制DER设备，诸如电动车辆810的电动车辆充电器808。在一些示例中，边缘计算设备806可以直接通信并且控制连接到电计量表的DER设备。如果这样的话，那么电计量表可能不需要它自己的边缘计算设备。

在附加示例中，配电变压器804处的边缘计算设备806可被移除。在这样的示例中，电计量表106处的边缘计算设备410可以执行先前在配电变压器804处执行的操作。另外，在电计量表106是能够直接计量电动车辆充电器808消耗或输出的能量的多端口计量表的示例中，电动车辆充电器808可以绕过电气面板108。

此外，在头端系统302和电动车辆充电器808均通信耦合至数据网络的示例中，可直接从头端系统302向电动车辆充电器808提供通信。在一些示例中，电计量表106和头端系统302都能够与电动车辆充电器808直接通信。尽管图8描绘了电动车辆充电器808和电动车辆810，但是其他示例可以包括耦合到电池存储的逆变器。在一些示例中，逆变器、电池存储或两者可以耦合到房屋处的太阳能面板。

图9是示出了配电网络和包括DER设备的多个房屋之间的示例性电力和通信连接的框图。在一些示例中，边缘计算设备806可以向房屋902、904和906中的每一个提供一般信息，诸如动态峰值定价(即，由与配电变压器相关联的边缘计算设备确定的定价预测信息)。边缘计算设备410a、410b和410c可以使用该一般信息来确定房屋902、904和906处的更细粒度的命令。例如，边缘计算设备410a、410b和410c可以基于从配电变压器的边缘计算设备806接收的动态峰值定价指示来生成用于电动车辆充电器808a、808b和808c的控制命令。

在示例中，控制设备，诸如配电变压器804处的或公用事业公司头端系统302处的边缘计算设备806，也可监测配电变压器804的负载。随着需要大量的电流来充电的电动车辆810的激增，在配电变压器804下对每个房屋902、904和906处的电动车辆810a、810b和810c同时充电可能造成该配电变压器过载。为了防止过载，控制设备通过多端口计量表106a、106b和106c，通过直接与电动车辆充电器通信，或者通过房屋的负载分解，来监测总负载和单独的房屋负载，包括电动车辆充电器808a、808b和808c的负载。控制设备可以使用天气、历史负载和发电数据、一天中的时间、一周中的日期、地理位置和其他因素来预测负载。如果预测高于指定的阈值(例如，配电变压器容量的80％)，则控制器可以向一些或所有终端设备(诸如计量表106a、106b和106c)发送命令，然后这些终端设备将通过直接控制(诸如切断命令、降低充电速率的命令或防止开始充电的命令)来控制电动车辆充电器808a、808b和808c。来自终端设备的直接控制可将电动车辆810a、810b和810c或EV充电器808a、808b、808c的充电速率降低到特定充电速率水平(例如，10％、50％、90％等)以下或终止对电动车辆810a、810b和810c充电。

除了使用预测负载控制电动车辆810a、810b和810c外，控制设备还可以使用瞬时需求值确定电动车辆所需的控制水平。这允许控制设备响应于配电变压器804接近其极限或超过其极限的情况。

在附加示例中，可移除配电变压器804处的边缘计算设备806。在这样的示例中，住宅902、904和906中的每一个处的边缘计算设备410a、410b和410c可以执行先前在配电变压器804处执行的操作。另外，在电计量表106a、106b和106c是能够直接计量由电动车辆充电器808a、808b和808c消耗或输出的能量的多端口计量表的示例中，电气面板108a、108b和108c可被电动车辆充电器808a、808b和808c绕过。在边缘计算设备806被移除的示例中，头端系统302可以生成一般信息并且将其提供给边缘计算设备410a、410b和410c。

此外，在头端系统302和电动车辆充电器808a、808b和808c通信耦合至数据网络的示例中，可直接从头端系统302向电动车辆充电器808a、808b和808c提供通信。另外，尽管图9描绘了电动车辆充电器808a、808b和808c和电动车辆810a、810b和810c，其他示例可以包括耦合到电池存储系统的逆变器。在一些示例中，逆变器、电池存储系统或这两者可以耦合到房屋处的太阳能面板。

使用聚合器和控制设备来控制电力质量

图10A和10B示出了边缘控制设备可以如何控制电力质量。图10B是系统1000的框图，该系统1000使用包括边缘软件的聚合器和控制设备1002来调节电网上的关键配电点1004处的负载控制和定价。关键配电点可以对应于二级变电站或配电变压器。聚合器和控制设备控制负载和分布式能源的聚合，以优化各种输出。当被实现为软件时，聚合器和控制设备1002利用人工智能和机器学习，输入天气、一天中的时间、日期、历史需求和能量生产以及地理位置，输出定价变化或直接控制形式的控制。输出被发送到关键配电点下游的电计量表。聚合器和控制设备1002还可以在关键配电点1004(诸如位于电网和电力质量计量表1006之间的配电变压器)处监视电力质量，诸如电压稳定性。聚合器和控制设备可以是电力质量计量表1006的一部分。

在示例中，聚合器和控制设备1002可使用天气、历史负载和发电数据、一天中的时间、一周中的日期、地理位置、有功功率和无功功率(PQ)计量表1006对电网102的实时电力质量计量和其他因素来预测负载和电力质量，包括有功和无功功率和电压，并且相应地调节电压。如果聚合器和控制设备1002确定对电网的电力质量的调整是期望的，则聚合器和控制设备1002可以向诸如与电动车辆充电站808a、808b、808c和808d通信的计量表106的终端设备发送命令，以将充电降低到特定水平(例如，10％、50％、90％等)以下以终止充电、开始将能量提供回电网、或者控制调节电压所需的有功和无功功率。聚合器和控制设备1002可接收由电动车辆充电站808a、808b、808c和808d注入电网102的有功功率P和由电动车辆充电站808a、808b、808c和808d从电网102吸收的任何无功功率Q的指示。

图10A示出了用于控制EV充电站以解决电力质量问题的方法。电力质量计量表1006可以检测电力质量问题并且将该问题传送到诸如聚合器和控制设备1002之类的控制设备。聚合器和控制设备通过向充电站发送控制信号来控制EV充电站808a-808d，以进行调整来解决电力质量问题。响应于接收控制信号，每个EV充电站可对连接的EV电池充电或放电。发送到EV充电站的控制信号可请求不同的EV充电器采取不同的动作。聚合器和控制设备组合来自EV充电器的输出，并且将输出发送到电网，以控制电网节点处的有功功率和无功功率。

示例性机器学习模型

可能有多个机器学习模型在上述系统中操作。这些模型可以包括但不限于用于生成在头端系统或二级变电站处操作的价格区间数据的模型、用于生成在电力计量表处操作的未来定价数据的模型、以及用于控制在计量表处操作的负载和DER设备的模型。

生成定价数据的模型预测能量价格，并且可以使用回归模型来实现。线性和非线性回归模型都可以被使用。每个回归模型可以使用数据集来训练和验证。该数据集基于从跨各种条件、日期和时间的先前时间段收集的定价数据。条件、日期和时间可用于定义模型输入，历史价格可用于定义模型输出。用于在电计量表处操作的模型的数据集可以不同于用于在头端系统或二级变电站处操作的模型的数据集。用于在电计量表上操作的模型的数据可以包括特定于计量表的数据。特定于计量表的数据可以包括与计量表或房屋相关的温度信息，而不是更广泛地理区域的温度信息。

数据集分为训练数据集和验证数据集。训练数据集被用于训练回归模型，验证数据集被用于验证经训练的模型。在训练和验证期间，调整模型中使用的权重直到模型提供能够接受的准确度水平。测量模型准确度的选项包括确定模型正确预测价格的区间的百分比，或模型在能够接受的容差内预测价格的区间的百分比。一旦模型被验证，它可被部署到边缘计算设备。监测已部署模型的性能并且收集附加数据，以便根据期望使用新的数据集来重新训练该模型。然后可以部署重新训练的模型来替换原始模型。

控制负载和DER设备的模型可以使用包括与预测定价的模型所使用的数据不同类型的数据的训练集。数据集可以基于从跨各种条件、日期和时间的先前时间段收集的控制数据。该数据可以包括但不限于与特定类型的负载或DER设备相关的数据。

图14示出了用于训练和验证用于预测定价的线性回归模型的示例性方法，该模型可用于生成价格区间数据或未来定价数据。数据集1402包括训练数据集1404和验证数据集1406。训练数据集用于训练线性回归模型1410。一旦训练模型1412可用，验证数据集就被用于验证经训练的模型。训练和验证模型的过程包括图14中未示出的许多个附加步骤，诸如调整模型中使用的权重以改进训练和验证期间价格输出的准确度。模型一旦被验证，就可以部署了。

边缘计算设备和多端口计量表

图11为示出了与太阳能逆变器1104电耦合的多端口计量表1102的布置的框图。太阳能逆变器1104从光伏太阳能面板1106接收DC电力。太阳能逆变器1104转换DC电力以生成提供给多端口计量表1102的AC电力。多端口计量表1102可以将来自太阳能逆变器1104的AC电力施加到电网102或房屋104。在示例中，多端口计量表1102可以从边缘计算设备1108接收指令以例如，如果需要的话，从太阳能逆变器1104释放能量生产。太阳能逆变器1104的计量可以通过多端口计量表1102进行。另外，边缘计算设备1108可以位于多端口计量表1102中，以做出关于分布式能源设备的控制的边缘决策，分布式能源设备诸如太阳能面板1106，其通过太阳能逆变器1104电耦合在多端口计量表1102处。

图12示出了电耦合至用于太阳能面板1206、电池存储1208或两者的逆变器1204的多端口计量表1102的布置的框图。逆变器1204从光伏太阳能面板1206或电池存储系统1208接收DC电力。逆变器1204转换DC电力以生成提供给多端口计量表1102的AC电力。多端口计量表1102可以将来自逆变器1204的AC电力施加到电网102或房屋104。在示例中，多端口计量表1102可以从边缘计算设备1108接收指令以例如，如果需要的话，从逆变器1204释放能量生产。在这样的示例中，太阳能面板1206生产的能量可以存储在电池存储系统1208中为未来使用。逆变器1204的计量可以通过多端口计量表1102进行。另外，边缘计算设备1108可以位于多端口计量表1102中，以做出关于诸如通过逆变器1204电耦合到多端口计量表1102的太阳能面板1206和电池存储系统1208的分布式能源设备的控制的边缘决策。

图13是示出了多端口计量表1102电耦合至电动车辆充电器1304的布置的框图。电动车辆充电器1304的计量可通过多端口计量表1102进行。电动车辆充电器1304可对在多端口计量表1102处从电网102接收的AC市电电力进行整流，并且施加整流后的DC电力对电动车辆1306充电。在一些示例中，电动车辆充电器1304还可以转换来自电动车辆1306的DC电力，其方式使得能够提供所得的AC电力以在电网102或房屋104处使用。在示例中，边缘计算设备1108可向电动车辆充电器1304提供指令以在适宜的时间对电动车辆1306的电池充电或放电。例如，边缘计算设备1108可以指示电动车辆充电器1304基于预测的能量价格或基于与多端口计量表1102的房屋104相关联的配电变压器的预知过载来控制电动车辆1306的充电或放电水平或电压。

本文所描述的头端系统、网关设备、计量模块、电计量表、边缘计算设备、聚合器和控制设备以及通信模块的操作可由任何合适的计算机系统执行。该计算系统可以包括一个或多个处理元件，这些处理元件执行存储在存储器设备中的计算机可执行程序代码。存储器设备可以包括用于存储程序代码和数据的任何合适的计算机可读介质。计算系统可以执行程序代码并且配置处理元件来执行这里描述的一个或多个操作。计算系统可以包括其他组件，诸如用于建立到网络的连接并且在网络上通信的一个或多个网络接口设备，以及输入/输出设备，诸如显示设备。

尽管本主题已参考其特定方面作了详细描述，但应领会的是，技术人员在获得对前述的理解之后，可以轻易地产生这些方面的替代、变化和等同物。相应地，应该理解的是，本公开已经出于示例而非限制的目的被呈现，并且不排除包括对本主题的这种修改、变化和/或添加，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。

Claims (20)

1.一种包括与房屋相关联的边缘计算设备的电计量表，所述电计量表被配置用于控制与所述房屋相关联的第一负载设备，并且所述房屋位于配电变压器的下游，所述电计量表包括：

通信模块，用于与位于所述配电变压器下游的多个下游边缘计算设备以及与和所述配电变压器相关联的变压器边缘计算设备通信；

第一端口，用于将所述第一负载设备连接到所述电计量表；以及

所述边缘计算设备，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储计算机可读指令，所述计算机可读指令在由所述处理器执行时，将所述边缘计算设备配置为：

经由所述通信模块向所述变压器边缘计算设备发送所述第一负载设备和至少一个第二负载设备的负载预测信息；

经由所述通信模块从所述变压器边缘计算设备接收价格区间数据，其中所述价格区间数据为多个即将到来的时间区间中的每一个提供预测价格；以及

基于所述价格区间数据，控制所述第一负载设备，使得：

当所述价格区间数据包括低成本时间区间时，允许所述第一负载设备在所述即将到来的时间区间期间消耗电力并且使用一个或多个正常操作参数进行操作，以及

当所述价格区间数据包括高成本时间区间时，控制所述第一负载设备在所述即将到来的时间区间期间使用一个或多个节能操作参数进行操作。

2.根据权利要求1所述的电计量表，其中所述第一负载设备是电动车辆EV充电器，并且控制所述第一负载设备在所述即将到来的时间区间期间使用一个或多个节能参数操作包括在所述即将到来的时间区间期间将所述EV充电器的充电速率从当前充电速率降低。

3.根据权利要求1所述的电计量表，其中所述边缘计算设备进一步包括用于将与所述房屋相关联的第二负载设备连接到所述电计量表的第二端口，并且其中所述电计量表进一步被配置用于：

接收提供用于控制所述第二负载设备的指令的用户命令；

以及

基于所述价格区间数据和所述用户命令，控制所述第二负载设备，使得：

当所述价格区间数据包括高成本时间区间并且所述用户命令允许所述第二负载设备的正常操作时，允许所述第二负载设备在所述即将到来的时间区间期间使用一个或多个正常操作参数进行操作。

4.根据权利要求1所述的电计量表，其中所述边缘计算设备进一步包括用于将与所述房屋相关联的第二负载设备连接到所述电计量表的第二端口，并且其中所述电计量表进一步被配置用于：

在从所述变压器边缘计算设备接收价格区间数据之后，确定未来定价数据，其中所述未来定价数据对应于所述即将到来的时间区间之后的多个时间区间；以及

基于所述未来定价数据，控制所述第二负载设备。

5.根据权利要求1所述的电计量表，其中所述边缘计算设备进一步包括用于将与所述房屋相关联的分布式能源DER设备连接到所述电计量表的第二端口，并且其中所述电计量表还被配置用于：

当所述价格区间数据包括高成本时间区间时，控制所述DER设备向电网输出电力。

6.根据权利要求1所述的电计量表，其中所述边缘计算设备进一步被配置用于向位于所述配电变压器下游的其他电计量表发送与控制所述第一负载设备相关的信息。

7.根据权利要求1所述的电计量表，其中所述边缘计算设备进一步被配置用于从所述变压器边缘计算设备接收用于控制所述第一负载设备的通信。

8.根据权利要求1所述的电计量表，其中所述价格区间数据部分地基于所述配电变压器的额定值。

9.一种控制至少一个负载设备和至少一个分布式能源DER设备的方法，所述方法包括：

在与连接到电网的电计量表和房屋相关联的边缘计算设备处接收价格区间数据，其中所述价格区间数据为多个即将到来的时间区间中的每一个提供预测价格；

由所述边缘计算设备确定未来定价数据，其中所述未来定价数据对应于所述即将到来的时间区间之后的多个时间区间；以及

基于所述价格区间数据和所述未来定价数据，控制与所述电计量表相关联的多个负载设备，其中与所述电计量表相关联的所述负载设备包括所述至少一个负载设备和所述至少一个DER设备，使得：

当所述价格区间数据和所述未来定价数据都包括低成本时间区间时，允许所述至少一个负载设备消耗电力并且使用一个或多个正常操作参数进行操作，

当所述价格区间数据和所述未来定价数据都包括高成本时间区间时，控制所述至少一个DER设备向所述电网输出电力，以及

当所述价格区间数据包括高成本时间区间并且所述未来定价数据包括低成本时间区间时，控制所述至少一个负载设备修改其操作以在所述即将到来的时间区间期间使用一个或多个节能操作参数进行操作，并且在所述即将到来的时间区间之后使用一个或多个正常操作参数进行操作。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个DER设备具有充电模式，所述方法进一步包括：

当所述价格区间数据和所述未来定价数据都包括低成本时间区间时，允许所述至少一个DER设备消耗电力并且以所述充电模式进行操作。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

在所述边缘计算设备处接收针对所述至少一个负载设备的用户命令；以及

控制所述至少一个负载设备，使得：

当所述价格区间数据和所述未来定价数据都包括高成本时间区间时，允许所述至少一个负载设备消耗电力并且使用一个或多个正常操作参数进行操作。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个负载设备是电动车辆EV充电器，并且控制所述至少一个负载设备修改其操作以在所述即将到来的时间区间期间使用一个或多个节能操作参数进行操作包括在所述即将到来的时间区间期间将所述EV充电器的充电速率从当前充电速率降低。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述价格区间数据和所述未来定价数据被不同地确定，并且所述未来定价数据基于特定于计量表的数据。

14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

在所述边缘计算设备处接收来自变压器边缘计算设备的用于控制所述至少一个负载设备的通信，其中所述电计量表位于与所述变压器边缘计算设备相关联的配电变压器的下游。

15.一种控制多个充电器的方法，其中每个充电器与计量表和房屋相关联，所述方法包括：

提供与配电变压器相关联的边缘计算设备，其中所述配电变压器向所述房屋中的每一个供电；

由所述边缘计算设备预测与所述配电变压器相关联的预测负载；

由所述边缘计算设备预测所述房屋中的每一个的单独的房屋预测负载；

基于由所述边缘计算设备预测的所述预测负载和所述单独的房屋预测负载，控制所述充电器，使得：

当所述预测负载超出阈值时，控制所述充电器中的至少一个以降低所述充电器中的所述至少一个的充电速率，其中所述充电器中的所述至少一个是基于与所述充电器中的所述至少一个相关联的房屋的所述单独的房屋预测负载来选择的；以及

当所述预测负载不超出所述阈值时，允许所述充电器充电。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

由所述边缘计算设备从与所述充电器相关联的所述计量表中的每一个接收负载数据；以及

使用所述负载数据用于预测所述单独的房屋预测负载。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

当所述预测负载超出阈值时，在控制所述充电器中的至少一个以降低所述充电器中的所述至少一个的充电速率之后，允许所述充电器中的第二个充电器保持第二充电速率。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

生成价格区间数据，其中所述价格区间数据为多个即将到来的时间区间中的每一个提供预测价格；以及

将所述价格区间数据传送给与所述充电器相关联的所述计量表。

19.根据权利要求15所述的方法，其中控制所述充电器中的至少一个以降低所述充电器中的所述至少一个的充电速率包括控制所述多个充电器以降低所述多个充电器中的每一个的充电速率。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述充电器中的第一个充电器的充电速率的降低不同于所述充电器中的第二个充电器的充电速率的降低。