DE102011082840A1 - Method for controlling loads of power network, involves molding loads and determining objective function for predetermined prediction time and considering loads as constraints during optimization of modeling of loads - Google Patents
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- H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung von Verbrauchern eines Stromnetzes. Auch wird ein entsprechendes System umfassend mindestens eine solche Vorrichtung vorgeschlagen. The invention relates to a method and a device for controlling consumers of a power grid. Also, a corresponding system comprising at least one such device is proposed.
In einem zukünftigen Smart Grid will man die Einspeisung von regenerativen Energien dadurch nutzen, dass sich die Nachfrage an das Angebot anpasst. Weitere Motive für ein Lastmanagement sind eine hohe Flexibilität der Last zur Vermeidung von Lastspitzen sowie eine verminderte Fluktuation der Lastkurven und damit verbunden eine geringere Nachfrage nach Regelenergie. In a future smart grid, the intention is to use the feed-in of regenerative energies by adapting the demand to the supply. Further motives for a load management are a high flexibility of the load to avoid load peaks as well as a reduced fluctuation of the load curves and thus a lower demand for control energy.
Für ein Lastmanagement gibt es im Wesentlichen die folgenden Interaktionen zwischen Management und Verbraucher:
- (1) eine direkte Steuerung,
- (2) eine Steuerung über Preisanreizsignale sowie
- (3) eine marktbasierte Interaktionen, z.B. Auktionen.
- (1) a direct control,
- (2) control over price incentive signals as well
- (3) market-based interactions, eg auctions.
Bekannte Ansätze zielen auf die Steuerung von Geräten eines Haushalts, z.B. Kühlschränke in privaten Wohnungen oder Häusern. Bei derartigen Verbrauchern wird der Speicher geladen sobald er "leer" ist (im Falle des Kühlschranks: Kühlen bei Erreichen einer oberen Schwellwerttemperatur) und entladen sobald er "voll" ist (im Falle des Kühlschranks: Erreichen einer unteren Schwellwerttemperatur). Known approaches are aimed at controlling household appliances, e.g. Refrigerators in private apartments or houses. For such consumers, the store is charged as soon as it is "empty" (in the case of the refrigerator: cooling on reaching an upper threshold temperature) and discharged as soon as it is "full" (in the case of the refrigerator: reaching a lower threshold temperature).
Mit dem Lastmanagement kann erreicht werden, dass der Energiespeicher geladen bzw. entladen wird, bevor er "leer" bzw. "voll" ist. Dadurch ist es möglich, den Zeitpunkt des elektrischen Verbrauchs zu verschieben. With the load management can be achieved that the energy storage is charged or discharged before it is "empty" or "full". This makes it possible to shift the time of electrical consumption.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Ansätze zu verbessern und insbesondere eine effiziente Möglichkeit zur Steuerung von Verbrauchern zu schaffen. The object of the invention is to improve the above-mentioned approaches and in particular to provide an efficient way of controlling consumers.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments are in particular the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung von Verbrauchern eines Stromnetzes vorgeschlagen,
- – bei dem die Verbraucher modelliert werden,
- – bei dem eine Zielfunktion für eine vorgegebene Prognosedauer bestimmt wird,
- – bei dem die Zielfunktion optimiert wird, wobei bei der Optimierung die Modellierung der Verbraucher als Nebenbedingungen berücksichtigt werden.
- - where consumers are modeled,
- In which an objective function is determined for a predefined prognosis duration,
- - In which the objective function is optimized, with the optimization of the modeling of consumers are considered as constraints.
Hierbei ist es von Vorteil, dass ein Ziel-Lastprofil erreicht werden kann, ohne vorgegebene Nebenbedingungen zu verletzen. It is advantageous that a target load profile can be achieved without violating predetermined secondary conditions.
Durch dieses Optimierungsverfahren können vorgegebene Lastkurven auch mit wenigen Verbrauchern gut nachgeregelt bzw. eingestellt werden und Fluktuationen in der Lastkurve können deutlich verringert werden. By means of this optimization method, predetermined load curves can be readjusted or adjusted well even with a few consumers, and fluctuations in the load curve can be significantly reduced.
Es sei angemerkt, dass der Verbraucher auch als Energiespeicher bezeichnet werden kann oder mindestens einen Energiespeicher umfasst. It should be noted that the consumer can also be referred to as an energy store or comprises at least one energy store.
Der Verbraucher wird z.B. eingeschaltet, falls eine Steuergröße einen oberen Schwellwert erreicht oder überschreitet und er wird z.B. ausgeschaltet, falls die Steuergröße einen unteren Schwellwert erreicht oder unterschreitet. Die Schwellwerte können mit einer Hysterese versehen sein, um einen unerwünschten Wechsel zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand zu verhindern. The consumer is e.g. switched on, if a control variable reaches or exceeds an upper threshold, and it is e.g. switched off if the control variable reaches or falls below a lower threshold value. The thresholds may be provided with hysteresis to prevent unwanted switching between on and off states.
Hierbei ist es von Vorteil, dass die Steuerung der Verbraucher vorausschauend erfolgt und damit eine deutliche Verbesserung des Lastmanagements erreicht werden kann. It is advantageous that the control of the consumer takes place in a forward-looking manner and thus a significant improvement in the load management can be achieved.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Verbraucher modelliert werden, indem eine zeitliche Entwicklung mindestens eines Energiespeichers jedes Verbrauchers modelliert wird. A development is that the consumers are modeled by modeling a temporal evolution of at least one energy storage of each consumer.
Die zeitliche Entwicklung des Energiespeichers kann eine Komponente "Laden des Verbrauchers" und eine Komponente "Entladen des Verbrauchers" umfassen. Beide Komponenten können als Terme der zeitlichen Entwicklung berücksichtigt werden. The evolution of the energy storage over time may include a consumer load component and a consumer discharge component. Both components can be considered as terms of temporal evolution.
Eine beispielhafte Weiterbildung ist es, dass die zeitliche Entwicklung eines Verbrauchers wie folgt modelliert wird: wobei
- n
- den Verbraucher,
- E rel / n
- einen normierten Speicherinhalt pro Verbrau cher n,
- E amb / n
- eine Außentemperatur, die dafür sorgt, dass der Verbraucher n entladen wird (Wärmeverlust),
- un
- eine Stellgröße,
- τn
- eine Zeitkonstante für die Entladung,
- kn
- eine Kopplungsstärke,
- υn
- einen Zufallsprozess
- n
- the consumer,
- e rel / n
- a normalized memory content per consumer,
- e amb / n
- an outside temperature which ensures that the consumer n is discharged (heat loss),
- u n
- a manipulated variable,
- τ n
- a time constant for the discharge,
- k n
- a coupling strength,
- υ n
- a random process
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die zeitliche Entwicklung des Verbrauchers anhand von online verfügbaren Daten modelliert (z.B. geschätzt) wird, insbesondere indem die Parameter τn, kn und
Vorzugsweise kann hierfür ein Kalman-Filter eingesetzt werden. Preferably, a Kalman filter can be used for this purpose.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass im Rahmen der Optimierung die Zielfunktion minimiert wird, die eine Abweichung einer Gesamtlast von einer Ziellast bestraft. In particular, it is a development that the objective function is minimized as part of the optimization, which punishes a deviation of a total load of a target load.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass anhand der Optimierung ermittelt wird, wann ein einzelner Verbraucher umgeschaltet wird. It is also a development that is determined by the optimization, when a single consumer is switched.
Umschalten umfasst dabei entweder ein Einschalten des Verbrauchers oder ein Ausschalten. Optional können unterschiedliche Zwischenstufen des Ein- bzw. Ausschaltens realisiert sein. Switching involves either switching on the load or switching off. Optionally, different intermediate stages of switching on and off can be realized.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass anhand einer Stellgröße mit einer Randbedingung
- P tar / t
- einen vorgegebenen Summenlastverbrauch zu ei ner Zeit t,
- P rated / n
- einen Energieverbrauch eines Verbrauchers n, wenn dieser lädt (z.B. u = 1),
- T
- ein Zeitintervall einer Prognose
- P tar / t
- a given total load consumption at a time t,
- P rated / n
- an energy consumption of a consumer n when it is charging (eg u = 1),
- T
- a time interval of a forecast
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird die Optimierung durchgeführt, indem zu einem Zeitpunkt an einem Ende eines Zeitintervalls für jeden Verbraucher ermittelt wird, wie sich die Zielfunktion ändern würde, wenn der Verbraucher zu diesem Zeitpunkt umgeschaltet würde. In an additional development, the optimization is performed by determining at a time at one end of a time interval for each consumer how the target function would change if the consumer were switched at that time.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Zielfunktion einen quadratischen Fehler umfasst und die Optimierung den quadratischen Fehler minimiert. A next development is that the objective function includes a quadratic error and the optimization minimizes the quadratic error.
Eine Ausgestaltung ist es, dass als Zielfunktion angegeben wird. An embodiment is that as a target function is specified.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass derjenige Verbraucher umgeschaltet wird, der die größte Verbesserung der Zielfunktion erzielt. An alternative embodiment is that the one consumer is switched, which achieves the greatest improvement of the objective function.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Optimierung solange durchgeführt wird, bis sie konvergiert oder eine vorgegebene Anzahl von Iterationen erreicht wurde. A next embodiment is that the optimization is performed until it has converged or a predetermined number of iterations has been reached.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Steuerung von Verbrauchern eines Stromnetzes, umfassend eine Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass
- – die Verbraucher modellierbar sind,
- – eine Zielfunktion für eine vorgegebene Prognosedauer bestimmbar ist,
- – die Zielfunktion optimierbar ist, wobei bei der Optimierung die Modellierung der Verbraucher als Nebenbedingungen berücksichtigt werden.
- - the consumers are modelable,
- An objective function can be determined for a predefined duration of the prognosis,
- - The objective function can be optimized, with the optimization of the modeling of consumers are considered as constraints.
Die hier genannte Verarbeitungseinheit kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen. The processing unit mentioned here may in particular be embodied as a processor unit and / or an at least partially hard-wired or logical circuit arrangement, which is set up, for example, in such a way that the method can be carried out as described herein. Said processing unit may include any type of processor or computer or computer necessary peripherals (memory, input / output interfaces, I / O devices, etc.).
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. The above explanations regarding the method apply to the device accordingly. The device may be implemented in one component or distributed in several components.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Vorrichtung Teil eines Lastmanagements bzw. Lastmanagementsystems ist. A development is that the device is part of a load management or load management system.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Vorrichtung eine Konfigurationseinheit umfasst, anhand derer Parameter für die Optimierung einstellbar sind. Another development is that the device comprises a configuration unit, by means of which parameters for the optimization can be set.
Auch wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels eines Systems umfassend mindestens eine der hier beschriebenen Vorrichtungen. Also, the above object is achieved by means of a system comprising at least one of the devices described here.
Insbesondere kann das System derart ausgeführt sein, dass die Vorrichtung Statusinformationen von den Verbrauchern erhält und basierend auf den Statusinformationen eine Steuerung der Verbraucher durchführt. In particular, the system may be configured such that the device receives status information from the consumers and performs control of the consumers based on the status information.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen. The solution presented here further comprises a computer program product which can be loaded directly into a memory of a digital computer, comprising program code parts which are suitable for performing steps of the method described here.
Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z.B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt. Furthermore, the above problem is solved by means of a computer-readable storage medium, e.g. any memory comprising computer-executable instructions (e.g., in the form of program code) adapted for the computer to perform steps of the method described herein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following schematic description of exemplary embodiments which will be described in detail in conjunction with the drawings. In this case, the same or equivalent elements may be provided with the same reference numerals for clarity.
Es zeigt: It shows:
Nachfolgend wird insbesondere auf die Interaktion (1), "direkte Steuerung" näher eingegangen. Vorzugsweise ist diese direkte Steuerung vorausschauend ausgeführt, so dass Energiespeicher auch für extreme Anforderungen vorbereitet werden können. In the following, in particular the interaction (1), "direct control" will be discussed in more detail. Preferably, this direct control is designed anticipatory, so that energy storage can be prepared for extreme requirements.
Es gibt unterschiedliche Verbraucher (Geräte), die elektrische Energie benötigen. Diese elektrischen Verbraucher werden z.B. eingeschaltet, falls eine Steuergröße einen oberen Schwellwert erreicht oder überschreitet und sie werden z.B. ausgeschaltet, falls die Steuergröße einen unteren Schwellwert erreicht oder unterschreitet. Die Schwellwerte können mit einer Hysterese versehen sein, um einen unerwünschten Wechsel zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand zu verhindern. There are different consumers (devices) that need electrical energy. These electrical consumers are e.g. switched on, if a control variable reaches or exceeds an upper threshold and they are e.g. switched off if the control variable reaches or falls below a lower threshold value. The thresholds may be provided with hysteresis to prevent unwanted switching between on and off states.
Ein Ziel besteht nun darin, die Geräte so anzusteuern, dass ein Ziel-Lastprofil erreicht wird, ohne vorgegebene Nebenbedingungen zu verletzen. One goal now is to control the devices so that a target load profile is achieved without violating given constraints.
Das vorliegende Lastmanagementproblem lässt sich als diskretes Optimierungsproblem formulieren. Dabei soll eine Zielfunktion minimiert werden, die die Abweichung der Gesamtlastkurve von einer Ziellastkurve bestraft. The present load management problem can be formulated as a discrete optimization problem. In this case, a target function is to be minimized, which penalizes the deviation of the total load curve from a target load curve.
Eine Zeitentwicklung eines Verbrauchers kann wie folgt modelliert werden: A consumer's time evolution can be modeled as follows:
Hierbei bezeichnen:
- n
- einen Energiespeicher (Verbraucher),
- E rel / n
- einen normierten (relativen) Speicherinhalt pro Energiespeicher n, wobei der normierte Speicherinhalt in einem Intervall zwischen 0 und 1 notiert werden kann,
- E amb / n
- eine Außentemperatur, die dafür sorgt, dass der Energiespeicher n entladen wird (Wärmeverlust),
- un
- eine Stellgröße, z.B. "0" für "Entladen" und "1" für "Laden" des Energiespeichers n,
- τn
- eine Zeitkonstante für die Entladung des Ener giespeichers n,
- kn
- eine Kopplungsstärke (je größer die Kopplung, desto schneller wird der Energiespeicher n geladen),
- υn
- einen Zufallsprozess, der die Entladerate mo difiziert (in der Praxis kann hierfür eine Prognose eingesetzt werden).
- n
- an energy store (consumer),
- e rel / n
- a normalized (relative) memory content per energy store n, wherein the normalized memory content can be noted in an interval between 0 and 1,
- e amb / n
- an outside temperature which ensures that the energy store n is discharged (heat loss),
- u n
- a manipulated variable, eg "0" for "discharging" and "1" for "charging" the energy store n,
- τ n
- a time constant for the discharge of the energy storage n,
- k n
- a coupling strength (the larger the coupling, the faster the energy storage n is charged),
- υ n
- a random process that modifies the discharge rate (in practice, a forecast can be used for this).
Eine Optimierung soll nun ergeben, wann der Verbraucher n umgeschaltet werden muss, d.h. es soll die Stellgröße
Gemäß der Randbedingung schaltet der Speicher n um, falls er voll ist. According to the boundary condition, the memory switches n if it is full.
Es bezeichnen:
- u * / n,t
- die zeitabhängige Stellgröße für den Energie speicher n,
- P tar / t
- einen vorgegebenen Summenlastverbrauch zu ei ner Zeit t,
- P rated / n
- einen Energieverbrauch des Energiespeichers n, wenn dieser lädt (z.B. u = 1),
- T
- ein Zeitintervall der Prognose.
- u * / n, t
- the time-dependent manipulated variable for the energy storage n,
- P tar / t
- a given total load consumption at a time t,
- P rated / n
- an energy consumption of the energy store n when it is charging (eg u = 1),
- T
- a time interval of the prognosis.
Die Optimierung wird dadurch gelöst, dass für einen Zeitpunkt t beginnend am Ende des gesamten betrachteten Zeitintervalls für jeden Verbraucher bestimmt wird, wie eine Zielfunktion ändern würde, wenn der Verbraucher zum Zeitpunkt t umgeschaltet würde. The optimization is achieved by determining for each consumer, at a time t beginning at the end of the entire considered time interval, how a target function would change if the consumer were switched over at time t.
Der Verbraucher, der die größte Verbesserung der Zielfunktion, z.B. des folgenden quadratischen Fehlers durch Umschalten erreicht, wird auch umgeschaltet; falls keine Verbesserung erzielbar ist, wird nicht umgeschaltet. The consumer, the biggest improvement of the objective function, for example, the following quadratic error achieved by switching is also switched; if no improvement can be achieved, it will not switch.
Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Verfahren konvergiert oder eine voreingestellte Anzahl von Iterationen erreicht ist. This process is repeated until the process converges or a preset number of iterations is reached.
Alternativ kann auch ein absoluter Fehler als Zielfunktion verwendet werden. Alternatively, an absolute error can also be the target function be used.
Für die Konfiguration dieses Verfahrens können die Modellparameter entweder bekannt (z.B. vorgegeben) sein oder aus (z.B. vorherigen) Messdaten geschätzt werden. For the configuration of this method, the model parameters may be either known (e.g., predetermined) or estimated from (e.g., previous) measurement data.
Der erfinderische Schritt besteht in einem modellprädiktiven Ansatz umfassend eine Zielfunktion für einen endlichen Prognosehorizont und Modelle für die Verbraucher, die deren zeitliche Änderungen beschreiben. Basierend hierauf kann ein vorausschauendes Lastmanagement erreicht werden. The inventive step consists in a model predictive approach comprising an objective function for a finite forecast horizon and models for the consumers describing their temporal changes. Based on this, predictive load management can be achieved.
Ein weiterer erfinderischer Schritt besteht in der Wahl des Optimierungsverfahrens. Dieses skaliert linear mit einer Anzahl N der Speicher und quadratisch mit einer Anzahl T der betrachteten Zeitschritte und damit wesentlich besser als ein allgemeines diskretes Optimierungsverfahren, das zumindest einen Teil der 2T·N möglichen Lösungen evaluieren muss. Another inventive step is the choice of the optimization method. This scales linearly with a number N of memories and quadratically with a number T of the time steps considered, and thus much better than a general discrete optimization method that has to evaluate at least part of the 2 T · N possible solutions.
Durch dieses Optimierungsverfahren können vorgegebene Lastkurven auch mit wenigen Speichern gut nachgeregelt bzw. eingestellt werden und Fluktuationen in der Lastkurve können deutlich verringert werden. By means of this optimization method, predefined load curves can be readjusted or adjusted well even with a few memories, and fluctuations in the load curve can be significantly reduced.
Tests mit vorgegebenen Lastkurven erlauben es, bestimmte charakteristische Eigenschaften zu untersuchen und mit simulierten Versionen dieses Verfahrens zu vergleichen. Ein Beispiel für ein charakteristisches Verhalten ist die Reduktion des Speicherinhaltes vor einem Anstieg des Ziellastprofils. Tests with given load curves allow to investigate certain characteristics and to compare them with simulated versions of this method. An example of a characteristic behavior is the reduction of the memory contents before an increase of the target load profile.
Jeder der Verbraucher
Die Optimiereinheit
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. While the invention has been further illustrated and described in detail by the at least one embodiment shown, the invention is not so limited and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
Literatur: Literature:
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Koch 2009 [0007] Chef 2009 [0007]
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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KOCH, S.; ZIMA, M.; ANDERSSON, G.: Active Coordination of Thermal Household Appliances for Load Management Purposes. In: IFAC Symposium on Power Plants and Power Systems Control, 5 - 8 July 2009, Tampere, Finland, 2009. ISBN 978-3-902661-48-7 * |
Stadler 2007 |
Stadler et al., "The Adaptive Fridge - Comparing different control schemes for enhancing load shifting of electricity demand", 21st Conference on Informatics for Environmental Protection - Enviroinfo Warsaw 2007, Shaker Verlag, 2007, 199-206 |
Stadler, M. et al.: The Adaptive Fridge - Comparing different control schemes for enhancing load shifting of electricity demand. In: Hryniewicz, O., Studzinski, J., Romaniuk, M. (Eds.): 21st Conference on Informatics for Environmental Protection - Enviroinfo Warsaw 2007, Shaker Verlag, ISBN 978-3-8322-6397-3, pp. 199-206 * |
Stadler, M. et al.: The Adaptive Fridge – Comparing different control schemes for enhancing load shifting of electricity demand. In: Hryniewicz, O., Studzinski, J., Romaniuk, M. (Eds.): 21st Conference on Informatics for Environmental Protection - Enviroinfo Warsaw 2007, Shaker Verlag, ISBN 978-3-8322-6397-3, pp. 199-206 |
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CN111341389A (en) * | 2020-03-27 | 2020-06-26 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | Electrolytic aluminum load electric heating characteristic modeling method for direct load control |
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