本發(fā)明涉及一種電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)及其負(fù)荷控制方法。

背景技術(shù)：

隨著居民用戶用電量逐年增加，電力負(fù)荷峰谷差逐漸加大，不利于電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為解決這一問(wèn)題，基于分時(shí)電價(jià)的電力需求響應(yīng)項(xiàng)目被廣泛實(shí)施。但是由于缺少一個(gè)能夠自動(dòng)運(yùn)行的需求響應(yīng)控制器，而居民負(fù)載用電具有時(shí)效性和緊迫性，所以即使大部分時(shí)間的用電成本較高居民也不愿意調(diào)整電器的運(yùn)行時(shí)間和降低用電費(fèi)用。因此需針對(duì)居民用戶設(shè)計(jì)需求響應(yīng)控制器與促進(jìn)其參與電力需求響應(yīng)。

目前針對(duì)住宅用戶如何參與需求響應(yīng)的研究，或是僅考慮了住宅用戶中部分負(fù)荷的需求響應(yīng)調(diào)度問(wèn)題，不能充分挖掘用戶需求側(cè)可控資源；或是建立了精確而復(fù)雜的電器能耗描述模型與調(diào)度策略，需要經(jīng)過(guò)大量計(jì)算后才能獲得調(diào)度結(jié)果。所以還需研究如何通過(guò)合適的電器負(fù)荷模型與控制方法，充分挖掘用戶需求側(cè)可控資源，促進(jìn)住宅用戶參與需求響應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)及其負(fù)荷控制方法，本發(fā)明能夠充分挖掘用戶需求側(cè)可控資源，幫助居民用戶自動(dòng)參與電力需求響應(yīng)，減少電費(fèi)支出。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)，包括控制器和設(shè)置于住宅用戶家中各電器的智能插座，所述智能插座被配置為實(shí)現(xiàn)電器起?？刂啤㈦娏鲾?shù)據(jù)采集及將電流數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器，所述控制器根據(jù)各電器的負(fù)荷類(lèi)型，建立對(duì)應(yīng)的時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系模型，結(jié)合各時(shí)段的電費(fèi)，以最小電費(fèi)支出為目標(biāo)確定電器運(yùn)行時(shí)間，制定電器控制策略發(fā)送給智能插座，使得用戶自動(dòng)參與基于分時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)。

所述控制器設(shè)置有人機(jī)交互界面。

所述控制器通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)入通訊網(wǎng)絡(luò)，所述控制器通過(guò)zigbee與智能插座連接。

所述智能插座，包括紅外遙控與繼電器控制接口，以根據(jù)控制器的控制策略對(duì)用戶的家電用電進(jìn)行自動(dòng)啟?？刂?。

所述智能插座，包括zigbee模塊、電流互感器和交流峰值檢波電路，利用電流互感器將大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)并通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，利用交流峰值檢波電路將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)并送至zigbee模塊。

基于上述控制系統(tǒng)的負(fù)荷控制方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)電器使用規(guī)律及改變電器工作時(shí)間后對(duì)居民生活造成的影響，判定電器種類(lèi)，將電器總體分為可控負(fù)荷電器與不可控負(fù)荷電器，其中可控負(fù)荷電器又分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器與可削減負(fù)荷電器；

(2)針對(duì)不同類(lèi)型的可控負(fù)荷，分別建立其在每個(gè)時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系模型；

(3)建立電費(fèi)與電器工作時(shí)間的關(guān)系，以最小電費(fèi)支出為目標(biāo)，求解電器運(yùn)行時(shí)間，制定相應(yīng)的控制策略。

所述步驟(2)中，構(gòu)建可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器的每個(gè)時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)在該類(lèi)電器的轉(zhuǎn)移時(shí)間的約束條件下，確定該類(lèi)電器在每個(gè)時(shí)段工作時(shí)長(zhǎng)與其轉(zhuǎn)移時(shí)間的關(guān)系。

所述步驟(2)中，構(gòu)建可削減負(fù)荷電器的每個(gè)時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系，根據(jù)該類(lèi)電器工作時(shí)間的削減方式，當(dāng)為在開(kāi)始或結(jié)束工作時(shí)段削減，保證電器工作連續(xù)性的削減方式，構(gòu)建電器工作時(shí)間與削減時(shí)段的關(guān)系，根據(jù)設(shè)置的不同的負(fù)荷削減度來(lái)限制負(fù)荷削減的程度，表達(dá)負(fù)荷削減度與削減時(shí)間的關(guān)系。

所述步驟(2)中，構(gòu)建可削減負(fù)荷電器的每個(gè)時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系，根據(jù)該類(lèi)電器工作時(shí)間的削減方式，當(dāng)為在電器整個(gè)工作時(shí)段內(nèi)插入停止運(yùn)行時(shí)段，會(huì)出現(xiàn)電器工作不連續(xù)的情況的削減方式，設(shè)置的不同的負(fù)荷削減度來(lái)限制限制停止運(yùn)行的次數(shù)，構(gòu)建電器每次停止運(yùn)行時(shí)段開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)的關(guān)系。

所述步驟(3)中，以負(fù)荷電器工作時(shí)段確定其對(duì)應(yīng)的電價(jià)，時(shí)段電價(jià)乘以各電器時(shí)段能耗并求和得到用戶花費(fèi)，進(jìn)而建立用戶花費(fèi)與電器工作時(shí)間的關(guān)系。

所述步驟(3)中，針對(duì)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器，用戶花費(fèi)只會(huì)在負(fù)荷平移至不同電價(jià)區(qū)間才發(fā)生增長(zhǎng)趨勢(shì)的改變，且花費(fèi)與電價(jià)成線性關(guān)系，分別求出負(fù)荷平移時(shí)遇到電價(jià)區(qū)間發(fā)生變化時(shí)間點(diǎn)的花費(fèi)，進(jìn)而得到花費(fèi)曲線，即可得到花費(fèi)最小的電器運(yùn)行時(shí)間。

所述步驟(3)中，針對(duì)可削減負(fù)荷電器，調(diào)整電器負(fù)荷開(kāi)始與結(jié)束時(shí)段削減時(shí)間比例，同樣花費(fèi)只會(huì)在電價(jià)區(qū)間發(fā)生變化時(shí)才改變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)，分別求出調(diào)整電器負(fù)荷開(kāi)始與結(jié)束時(shí)段削減時(shí)間比例時(shí)遇到電價(jià)區(qū)間發(fā)生變化時(shí)間點(diǎn)的花費(fèi)，進(jìn)而得到花費(fèi)曲線，即可得到花費(fèi)最小的電器運(yùn)行時(shí)間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明所提電力需求響應(yīng)控制器及其負(fù)荷控制方法能夠幫助用戶自動(dòng)參與基于分時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)項(xiàng)目，進(jìn)而有效減少用戶用電花費(fèi)。本發(fā)明所提需求響應(yīng)控制器方案的人機(jī)交互界面為瀏覽器，便于用戶錄入配置信息。本發(fā)明所提負(fù)荷控制方法計(jì)算量小，易于在常見(jiàn)嵌入式控制器中實(shí)現(xiàn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為負(fù)荷控制方法流程圖；

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在的目前針對(duì)住宅用戶如何參與需求響應(yīng)的研究，或是僅考慮了住宅用戶中部分負(fù)荷的需求響應(yīng)調(diào)度問(wèn)題，不能充分挖掘用戶需求側(cè)可控資源；或是建立了精確而復(fù)雜的電器能耗描述模型與調(diào)度策略，需要經(jīng)過(guò)大量計(jì)算后才能獲得調(diào)度結(jié)果的不足，為了解決如上的技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)及其負(fù)荷控制方法。

需求響應(yīng)控制系統(tǒng)包括控制器與智能插座兩部分?？刂破魍瓿芍朴嗠娖骺刂撇呗?、發(fā)送控制策略至智能插座以及提供人機(jī)交互界面的功能。智能插座完成電器起?？刂啤㈦娏鲾?shù)據(jù)采集及將電流數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器的功能。

負(fù)荷控制方法分為以下幾個(gè)步驟：

步驟一：根據(jù)電器使用規(guī)律及改變電器工作時(shí)間后對(duì)居民生活造成的影響，判定電器種類(lèi)。電器總體分為可控負(fù)荷電器與不可控負(fù)荷電器，其中可控負(fù)荷電器又分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器與可削減負(fù)荷電器；

步驟二：針對(duì)不同類(lèi)型的可控負(fù)荷電器，分別建立其在一天每個(gè)時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系模型；

步驟三：建立用戶花費(fèi)與電器工作時(shí)間的關(guān)系；

步驟四：使用合適的方法求得以最小電費(fèi)支出為前提的電器運(yùn)行時(shí)間。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1所示，包含控制器與智能插座兩個(gè)模塊。

控制器模塊完成以下功能：

制訂電器控制策略，該功能在控制器mcu中完成，根據(jù)用戶提供的電價(jià)信息與電器工作計(jì)劃，通過(guò)合適的負(fù)荷控制算法調(diào)整電器工作時(shí)間，以期減少用戶電費(fèi)支出；

發(fā)送控制策略至智能插座，控制器mcu中完成的控制策略通過(guò)串口發(fā)送至zigbee模塊，控制器中的zigbee模塊作為協(xié)調(diào)器，將控制策略發(fā)送至智能插座中的終端zigbee模塊，完成將控制策略發(fā)送至智能插座的功能；

提供人機(jī)交互界面，控制器mcu通過(guò)spi接口與以太網(wǎng)通信控制器芯片w5500通信，w5500通過(guò)rj45接口與普通電腦通信，實(shí)現(xiàn)控制器與電腦的信息交互；在控制器mcu中搭建webserver，用戶通過(guò)電腦瀏覽器訪問(wèn)webserver中的網(wǎng)頁(yè)，查看電器運(yùn)行狀態(tài)與修改電器運(yùn)行計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

智能插座模塊完成以下功能：

電器起?？刂疲悄懿遄屑t外遙控與繼電器兩種硬件控制接口，能夠完成大部分家用電器自動(dòng)起?？刂频墓δ埽K端zigbee模塊作為智能插座的控制核心；

電流數(shù)據(jù)采集，電器能耗量的測(cè)量精度要求不高，所以默認(rèn)電器工作電壓為交流220v，通過(guò)測(cè)量電流獲得電器耗電量；的利用電流互感器將大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)并通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，利用交流峰值檢波電路將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)并送至終端zigbee模塊模擬信號(hào)檢測(cè)引腳，終端zigbee模塊從該引腳讀取電壓值，完成電流數(shù)據(jù)采集的功能；

發(fā)送電流數(shù)據(jù)至控制器，智能插座通過(guò)終端zigbee模塊將采集到的電流信息發(fā)送至控制器的協(xié)調(diào)器zigbee模塊，進(jìn)而通過(guò)串口發(fā)送至控制器的mcu中，完成發(fā)送電流數(shù)據(jù)至控制器的功能。

負(fù)荷控制方法如圖2所示，可分為以下幾個(gè)步驟：

步驟一：根據(jù)電器使用規(guī)律及改變電器工作時(shí)間后對(duì)居民生活造成的影響，判定電器種類(lèi)。電器總體分為可控負(fù)荷電器與不可控負(fù)荷電器，其中可控負(fù)荷電器又分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器與可削減負(fù)荷電器，居民用戶常見(jiàn)電器分類(lèi)如表1所示，用戶可根據(jù)自己實(shí)際情況修改具體電器所屬的種類(lèi)；

表1居民用戶常見(jiàn)電器分類(lèi)表

步驟二：針對(duì)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器，每個(gè)時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系如下：

e^an(t)＝p^an(t)·t^work,an(t),t＝0,1,2,...,23(1)

式中，e^an(t)為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器n在t時(shí)段內(nèi)用電量，p^an(t)為該類(lèi)電器n在t時(shí)段的功率，t^work,an(t)表示該類(lèi)電器n在t時(shí)段內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)。

該類(lèi)電器在每個(gè)時(shí)段工作時(shí)長(zhǎng)與其轉(zhuǎn)移時(shí)間的關(guān)系如下：

式中，t^work,an(t)表示該類(lèi)電器n在t時(shí)段內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)，t^stan為該類(lèi)電器n轉(zhuǎn)移前的起始工作時(shí)間點(diǎn)，t^endn為該類(lèi)電器n負(fù)荷轉(zhuǎn)移前的終止工作時(shí)間點(diǎn)，t^chan為該類(lèi)電器n負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng)，可正可負(fù)，最小轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng)單位為1分鐘，即為1/60。

該類(lèi)電器的負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)間不能是任意的，即需滿足如下條件：

式中，t^stan為該類(lèi)電器n轉(zhuǎn)移前的起始工作時(shí)間點(diǎn)，t^endn為該類(lèi)電器n負(fù)荷轉(zhuǎn)移前的終止工作時(shí)間點(diǎn)，t^chan為該類(lèi)電器n負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng)，t^stan用戶設(shè)定的該類(lèi)電器n最早可開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)間點(diǎn)，t^endn用戶設(shè)定的該類(lèi)電器n最遲可結(jié)束運(yùn)行的時(shí)間點(diǎn)。

步驟三：針對(duì)可削減負(fù)荷電器，每個(gè)時(shí)段耗電量與其工作時(shí)間的關(guān)系如下：

e^bn(t)＝p^bn(t)·t^work,bn(t),t＝0,1,2,...,23(4)

式中，e^bn(t)為可削減負(fù)荷電器n在t時(shí)段內(nèi)用電量，p^bn(t)為該類(lèi)電器n在t時(shí)段的功率，t^work,bn(t)表示該類(lèi)電器n在t時(shí)段內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)。

該類(lèi)電器工作時(shí)間有兩種削減方式可供用戶選擇，方式一為在開(kāi)始或結(jié)束工作時(shí)段削減，保證電器工作連續(xù)性；方式二在電器整個(gè)工作時(shí)段內(nèi)插入停止運(yùn)行時(shí)段，會(huì)出現(xiàn)電器工作不連續(xù)的情況。

削減方式一的電器工作時(shí)間與削減時(shí)段的關(guān)系如下：

式中，t^work,bn(t)表示該類(lèi)電器n在t時(shí)段內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)，t^stan為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的起始工作時(shí)間點(diǎn)，t^cutsn為該類(lèi)電器n在起始工作時(shí)段削減時(shí)長(zhǎng)，t^endn為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的終止工作時(shí)間點(diǎn)，t^cuten為該類(lèi)電器n在結(jié)束工作時(shí)段削減時(shí)長(zhǎng)。

用戶通過(guò)設(shè)置不同的負(fù)荷削減度來(lái)限制負(fù)荷削減的程度，該方式下的負(fù)荷削減度與削減時(shí)間的關(guān)系如下：

式中，δ¹n為該方式下的負(fù)荷削減度，t^stan為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的起始工作時(shí)間點(diǎn)，t^cutsn為該類(lèi)電器n在起始工作時(shí)段削減時(shí)長(zhǎng)，t^endn為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的終止工作時(shí)間點(diǎn)，t^cuten為該類(lèi)電器n在結(jié)束工作時(shí)段削減時(shí)長(zhǎng)。

削減方式二的電器工作時(shí)間與削減時(shí)段的關(guān)系如下：

式中，t^work,bn(t)表示該類(lèi)電器n在t時(shí)段內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)，t^cutn為電器n停止運(yùn)行的固定時(shí)長(zhǎng)，可設(shè)為15分鐘，in表示該類(lèi)電器n一次工作過(guò)程中停止運(yùn)行的次數(shù)，t^cutn,i表示該類(lèi)電器n第i次停止運(yùn)行時(shí)段的開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)。

用戶通過(guò)設(shè)置不同的負(fù)荷削減度來(lái)限制停止運(yùn)行的次數(shù)，該方式下的電器停止運(yùn)行的次數(shù)與削減度的關(guān)系如下：

式中，δ²n為該方式下的負(fù)荷削減度，in為中間變量，無(wú)實(shí)際意義，in表示該類(lèi)電器n一次工作過(guò)程中停止運(yùn)行的次數(shù)，通過(guò)對(duì)in取整得到，t^stan為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的起始工作時(shí)間點(diǎn)，t^endn為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的終止工作時(shí)間點(diǎn)。

該類(lèi)電器每次停止運(yùn)行時(shí)段開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算方式如下：

式中，t^cutn,i表示該類(lèi)電器n第i次停止運(yùn)行時(shí)段的開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，t^stan為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的起始工作時(shí)間點(diǎn)，t^endn為該類(lèi)電器n負(fù)荷削減前的終止工作時(shí)間點(diǎn)，in表示該類(lèi)電器n一次工作過(guò)程中停止運(yùn)行的次數(shù)。

步驟四：建立用戶花費(fèi)與電器工作時(shí)間的關(guān)系。電器運(yùn)行時(shí)間與用戶電費(fèi)支出的關(guān)系如下：

式中，cost表示用戶可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器與可削減負(fù)荷電器的能耗電費(fèi)支出，p^an(t)為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器n在t時(shí)段的功率，t^work,an(t)表示可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器n在t時(shí)段內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)，p^bn(t)為可削減負(fù)荷電器n在t時(shí)段的功率，t^work,bn(t)表示可削減負(fù)荷電器n在t時(shí)段內(nèi)工作時(shí)長(zhǎng)，pr(t)表示時(shí)段t內(nèi)的電價(jià)，為分時(shí)電價(jià)，由用戶設(shè)定。

步驟五：使用合適的方法求得以最小電費(fèi)支出為前提的電器運(yùn)行時(shí)間。

針對(duì)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷電器，用戶花費(fèi)只會(huì)在負(fù)荷平移至不同電價(jià)區(qū)間才發(fā)生增長(zhǎng)趨勢(shì)的改變，且花費(fèi)與電價(jià)成線性關(guān)系，分別求出負(fù)荷平移時(shí)遇到電價(jià)區(qū)間發(fā)生變化時(shí)間點(diǎn)的花費(fèi)，進(jìn)而得到花費(fèi)曲線，即可得到花費(fèi)最小的電器運(yùn)行時(shí)間。

針對(duì)可削減負(fù)荷電器，調(diào)整電器開(kāi)始與結(jié)束時(shí)段削減時(shí)間比例，同樣花費(fèi)只會(huì)在電價(jià)區(qū)間發(fā)生變化時(shí)才改變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)，所以分別求出調(diào)整電器開(kāi)始與結(jié)束時(shí)段削減時(shí)間比例時(shí)遇到電價(jià)區(qū)間發(fā)生變化時(shí)間點(diǎn)的花費(fèi)，進(jìn)而得到花費(fèi)曲線，即可得到花費(fèi)最小的電器運(yùn)行時(shí)間。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。