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1、(10)申请公布号 CN 103336434 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103336434 A *CN103336434A* (21)申请号 201310226977.0 (22)申请日 2013.06.07 G05B 13/04(2006.01) G05D 23/00(2006.01) (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号 (72)发明人 王丹 王成山 孔祥玉 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 温国林 (54) 发明名称 一种家居温控负荷需求响应控制方法 (57) 摘要 本发明公开了一。
2、种家居温控负荷需求响应 控制方法， 包括 ： 实时采集调节温度、 可控温控 设备的开关状态及额定功率， 建立反映电网运行 状态的可控变量与温控设备之间状态的函数关 系 ； 根据可控变量与温控设备之间状态的函数关 系、 温控设备的可控温度范围获取描述多个温控 设备聚合负荷群的调节能力的上下边界 ； 通过多 个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界 确定响应目标计算下一步长温控设 备的目标开关状态， 温控设备响应操作后， 获取 t+t 时刻的所有温控设备的实际总响应负荷值 PHPt+t。 本发明有效的描述反映用户舒适使用 信息或单个温控设备负荷的操作约束， 监控温控 设备负荷的调节范围， 同时本发。
3、明有助于降低电 力系统运行和建设成本， 满足实际应用中的多种 需要。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103336434 A CN 103336434 A *CN103336434A* 1/1 页 2 1. 一种家居温控负荷需求响应控制方法， 其特征在于， 所述方法包括 ： 实时采集调节温度、 可控温控设备的开关状态及额定功率， 建立反映电网运行状态的 可控变量与温控设备之间状态的函数关系 ； 根据所述可控变量与温控设备之间状态的。
4、函数关系、 温控设备的可控温度范围获取描 述多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界 ； 通过所述多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界确定响应目标 计算下一步长温控设备的目标开关状态， 温控设备响应操作后， 获取 t+t 时刻的所有温 控设备的实际总响应负荷值 PHPt+t。 2. 根据权利要求 1 所述的一种家居温控负荷需求响应控制方法， 其特征在于， 所述温 控设备的可控温度范围具体为 ： 设可控温控设备的调节温度 变化范围上下限为 -,+， 则可控温控设备的可控 温度范围为 on,+ 和 -,off， on和 off为设定的阈值。 3. 根据权利要求 1 所述的一种家居温控负荷需。
5、求响应控制方法， 其特征在于， 所述多 个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界具体为 ： 其中 PHPt 表示 t 时刻的所有可控温控设备的实际总响应负荷值 ； Pmint+t 表示 t+t 时刻所有可控温控设备的总响应负荷下边界， t 表示仿真步长 ； Pmaxt+t 表示 t+t时刻所有可控温控设备的总响应负荷上边界 ； Prated,i表示第i个可控温控设备额定功 率 ； it+t表示t+t时刻预测第i个可控温控设备的调节温度 ； nit+t表示t+t 时刻第 i 个可控温控设备的开关状态， nit+t=1 表示 t+t 时刻预测第 i 个可控温控设 备打开， nit+t=0 表示 t。
6、+t 时刻预测第 i 个可控温控设备关闭 ； 符号表示取交集。 权 利 要 求 书 CN 103336434 A 2 1/6 页 3 一种家居温控负荷需求响应控制方法 技术领域 0001 本发明涉及智能电网、 用户侧需求响应领域， 特别涉及一种家居温控负荷 （电热泵 和电冰箱等） 需求响应控制方法。 背景技术 0002 需求响应技术是指通过电力价格或者其他激励手段， 有效控制需求侧分布的大量 负荷设备， 通过其自动响应， 实现系统负荷调节目标的技术手段。 家居温控设备 （如电热泵、 热水器以及电冰箱等） 是重要的可调负荷资源之一。如何有效地通过需求响应策略实时控 制家居温控设备的开关状态， 从。
7、而使一定数量的家居温控设备响应系统的负荷调节目标， 并有效地参与到电网优化中， 提高能源利用效率和降低系统运行成本， 是当前的热点研究 问题。 0003 发明人在实现本发明的过程中， 发现现有技术中至少存下以下缺点和不足 ： 0004 目前， 大多数研究者主要探讨家居温控设备的需求响应方法， 对于家居温控设备 的响应负荷调节能力范围和用户舒适使用的限制信息的建模信息不足， 无法有效量化其调 节能力范围， 并动态进行监控， 这样会导致电网控制成本增加、 系统维护费用增高。 发明内容 0005 本发明提供了一种家居温控负荷需求响应控制方法， 本方法有效量化了家居温控 设备的调节能力， 降低了电网控。
8、制成本和系统维护费用， 详见下文描述 ： 0006 一种家居温控负荷需求响应控制方法， 所述方法包括 ： 0007 实时采集调节温度、 可控温控设备的开关状态及额定功率， 建立反映电网运行状 态的可控变量与温控设备之间状态的函数关系 ； 0008 根据所述可控变量与温控设备之间状态的函数关系、 可控温控设备的可控温度范 围获取描述多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界 ； 0009 通过所述多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界确定响应目标 计算下一步长温控设备的目标开关状态， 温控设备响应操作后， 获取 t+t 时 刻的所有温控设备的实际总响应负荷值 PHPt+t。 0010 所述温。
9、控设备的可控温度范围具体为 ： 0011 设可控温控设备的调节温度 变化范围上下限为 -,+， 则可控温控设备的 可控温度范围为 on,+ 和 -,off， on和 off为设定的阈值。 0012 所述多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界具体为 ： 0013 0014 说 明 书 CN 103336434 A 3 2/6 页 4 0015 其中 PHPt 表示 t 时刻的所有可控温控设备的实际总响应负荷值 ； Pmint+t 表 示 t+t 时刻所有可控温控设备的总响应负荷下边界， t 表示仿真步长 ； Pmaxt+t 表 示 t+t 时刻所有可控温控设备的总响应负荷上边界 ； Prat。
10、ed,i表示第 i 个可控温控设备额 定功率 ； it+t 表示 t+t 时刻预测第 i 个可控温控设备的调节温度 ； nit+t 表示 t+t 时刻第 i 个可控温控设备的开关状态， nit+t=1 表示 t+t 时刻预测第 i 个可控 温控设备打开， nit+t=0 表示 t+t 时刻预测第 i 个可控温控设备关闭 ； 符号表示取 交集。 0016 本发明提供的技术方案的有益效果是 ： 本发明在通讯双向可靠的前提下， 采用居 民家居温控型负荷设备作为负荷响应资源， 有效的描述反映用户舒适使用信息或单个温控 设备负荷的操作约束， 进而描述聚合温控设备负荷群的调节能力的上下边界， 用以监控温 。
11、控设备负荷的调节范围， 其中， 家居温控设备可以为电空调， 电冰箱， 热水器等 ； 同时本发明 有助于降低电力系统运行和建设成本， 满足实际应用中的多种需要。 附图说明 0017 图 1 为本发明提供的单个电热泵热力学动态过程 ； 0018 图 2 为直接负荷控制方法的示意图 ； 0019 图 3 为本发明提供的聚合温控负荷群动态响应过程示意图 ； 0020 图 4 为本发明提供的家居温控负荷需求响应控制方法的流程图。 具体实施方式 0021 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。 0022 为了有效量化家居温控设备的调节能力， 降低。
12、电网控制成本和系统维护费用， 本 发明实施例提供了一种家居温控负荷需求响应控制方法， 参见图 4， 详见下文描述 ： 0023 101 ： 实时采集调节温度、 温控型家居设备的开关状态及额定功率， 建立反映电网 运行状态的可控变量与温控型家居设备之间状态的函数关系 ； 0024 其中， 可控变量通常为调节温度， 电网运行状态的可控变量与温控型家居设备之 间状态的函数关系即为 ： 调节温度与温控型家居设备的开关状态之间的函数关系， 该步骤 为本领域技术人员所公知， 本发明实施例对此不做赘述。 0025 102 ： 根据可控变量与温控型家居设备之间状态的函数关系、 温控负荷设备的可控 温度范围获取。
13、描述多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界 ； 0026 其中， 可控温控负荷设备的可控温度范围用于反映用户舒适使用信息或单个温控 设备的操作约束， 调节能力的上下边界用于监控温控设备的响应负荷调节能力范围。 0027 之后， 可定义多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界 ： 温控设备的可控 温度范围具体为 ： 以电热泵 （具体实现时， 还可以为电空调、 电冰箱、 洗衣机等常用的家居设 备， 本发明实施例对此不做限制） 为家居温控设备代表说明建模机理， 设电热泵的调节温度 变化范围上下限为 -,+， 温控设备的可控温度范围为 on,+ 和 -,off， on 和 off为设定的阈值， 。
14、该阈值的取值由用户舒适使用信息或单个温控设备确定， 本发明实 施例对此不做限制。 说 明 书 CN 103336434 A 4 3/6 页 5 0028 处于 on,+ 和 -,off 温度变化范围内的电热泵可以参与需求响应控制， 处于两段温度变化范围之外的电热泵设备， 认为其开启或者关停的时间没有达到设备操作 约束的限制要求， 不能参与需求响应控制。 0029 其中多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界具体为 ： 0030 设定温控设备的可控温度范围 on,+ 和 -,off 0031 0032 0033 其中 PHPt 表示 t 时刻的所有可控温控设备的实际总响应负荷值 ； Pmint。
15、+t 表 示t+t时刻所有可控温控设备的总响应负荷下边界， t表示仿真步长 ； Pmaxt+t表示 t+t时刻所有可控温控设备的总响应负荷上边界 ； Prated,i表示第i个可控温控设备额定功 率 ； 0034 it+t 表示 t+t 时刻第 i 个可控温控设备的调节温度 ； nit+t 表示 t+t 时刻第 i 个可控温控设备的开关状态， nit+t=1 表示 t+t 时刻第 i 个可控温 控设备打开， nit+t=0 表示 t+t 时刻第 i 个可控温控设备关闭 ； 符号表示取交集。 nit+t的具体取值由图1中的温控设备的热力学动态过程预测， 预测过程为本领域技术 人员所公知， 本发明。
16、实施例对此不做限制。 0035 103 ： 通过多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界确定响应目标 计算下一步长可控温控设备的目标开关状态， 温控设备响应操作后， 获取t+t 时刻的所有可控温控设备的实际总响应负荷值 PHPt+t。 0036 该步骤具体为 ： 通过将多个温控设备聚合负荷群的调节能力的上下边界作为约束 条件带入到电力系统运行优化模型， 例如 ： 最优潮流模型等， 可以确定响应目标 通过响应目标温控设备的热力学动态过程、 可控变量与温控型家居设备之间状 态的函数关系确定 t+t 时刻第 i 个可控温控设备的目标开关状态将目标开关 状态传输至可控温控设备， 可控温控设备响应开启。
17、或关闭操作， 并获取 t+t 时 刻的所有可控温控设备的实际总响应负荷值 PHPt+t， 参见表 1。 0037 表 1 家居温控负荷需求响应的基本控制原则 0038 说 明 书 CN 103336434 A 5 4/6 页 6 0039 0040 其中，为 t+t 时刻响应目标与不受控的负荷消耗值 之间的差额， 其他变量对应如下 ： 0041 是在调节温度变化范围 -,+ 内可打开的所有温控设备的负荷总和 ； 0042 是在调节温度变化范围 -,off 内可打开的所有温控设备的数目 ； 0043 Poff是在调节温度变化范围 -,off 内可打开的所有温控设备的负荷总 和 ； 0044 No。
18、ff是在调节温度变化范围 -,off 内可打开的所有温控设备的数目 ； 0045 s 是在调节温度变化范围 -,off 内可打开的起始温控设备的编号 ； 0046 s是可打开的起始温控设备对应的调节温度 ； 说 明 书 CN 103336434 A 6 5/6 页 7 0047 non为响应开启的温控设备数目 ； 0048 是在调节温度变化范围 ,+ 内可关闭的所有温控设备的负荷总和 ； 0049 是在调节温度变化范围 ,+ 内可关闭的所有温控设备的数目 ； 0050 Pon是在调节温度变化范围 on,+ 内可关闭的所有温控设备的负荷总和 ； 0051 Non是在调节温度变化范围 on,+ 内。
19、可关闭的所有温控设备的数目 ； 0052 w 是在调节温度变化范围 on,+ 内可关闭的所有温控设备的编号 ； 0053 w是可关闭的起始温控设备对应的调节温度 ； 0054 noff为响应关闭的温控设备数目 ； 0055 为所有温控设备的额定功率的平均值。 0056 例如 ： 参见图 2， 根据温控设备的热力学动态过程计算所有温控设备在 t+t 时刻 的调节温度it+t， 并预测t+t时刻的开关状态nit+t， i的取值为所有的温控设 备 ； 所有温控设备在 t+t 时刻不受控的负荷消耗值为响应目标与 不受控的负荷消耗值为的差值为正 10kW， Poff的取值为 100kW ； 再通过可控变。
20、 量与温控型家居设备之间状态的函数关系对开关状态进行分群， 即分为打开状态和关闭状 态， 对打开状态中的温控设备 （第 1- 第 5 温控设备） 的调节温度进行由低到高的排序， 对关 闭状态中的温控设备 （第 1- 第 15 温控设备） 的调节温度进行由高到低的排序， 通过正 10kW 在关闭状态中选择响应打开的可控温控设备 （non=3） ， 通常选择调节温度越接近阈值 -的 可控温控设备 （s=15-3+1=13） ， 则将第13可控温控设备、 第14可控温控设备和第15可控温 控设备响应打开。 0057 例如 ： 参见图2， 响应目标与不受控的负荷消耗值为的差值为 正 200kW， Po。
21、ff的取值为 100kW， 则将关闭状态中的第 1- 第 15 可控温控设备响应打开。 0058 例如 ： 参见图 2， 响应目标与不受控的负荷消耗值为的差值 为负10kW， Pon的取值为30kW ； 再通过可控变量与温控型家居设备之间状态的函数关系对 开关状态进行分群， 即分为打开状态和关闭状态， 对打开状态中的温控设备 （第1-第5温控 设备） 的调节温度进行由低到高的排序， 对关闭状态中的温控设备 （第 1- 第 15 温控设备） 的 调节温度进行由高到低的排序， 通过负 10kW 在打开状态中选择响应关闭的可控温控设备 （noff=3） ， 通常选择调节温度越接近阈值 +的可控温控设。
22、备 （w=5-3+1=3） ， 则将第 3 可控温 控设备、 第 4 可控温控设备和第 5 可控温控设备响应关闭。 0059 例如 ： 参见图2， 响应目标与不受控的负荷消耗值为的差值为 负 200kW， Pon的取值为 30kW， 则将打开状态中的第 1- 第 5 可控温控设备响应关闭。 0060 下面以具体的实验来验证本发明提供的一种家居温控负荷需求响应控制方法的 可行性， 详见下文描述 ： 0061 在负荷响应的研究中， 由于以建筑暖通负荷、 热水器和电冰箱等为代表的热力学 可控负荷(Thermostatically Controlled Loads， TCL)在经济发达国家负荷中占有较。
23、大比 重， 且具有良好的储能特性， 逐渐成为需求响应控制的研究重点。 以欧美国家居民负荷中常 用的电热泵为例， 其基本动态过程如图 1 所示， 调节温度在一定的温度设置值 Tset附近上下 说 明 书 CN 103336434 A 7 6/6 页 8 波动， 由给定温度上下边界 决定电热泵的开关时刻。温度上升过程对应电功率的消耗， 意味着电能转化为室内热能， 即电热泵调节升高调节温度 ； 温度下降意味着设备关闭， 温度 自然下降， 消耗电功率为零。 0062 参见图 2， 假设系统中共有 20 个电热泵， 若采用状态变量 S 描述单个电热泵的 “开 启” 或者 “关闭” 状态， 则每一个时刻存。
24、在 20 个状态变量， 其状态值与调节温度测量值的高 低相关。图 2 中， 有 5 个电热泵处于 “开启” 状态， 15 个处于 “关闭” 状态。针对图 2 中所示 时段， 以 on,+ 和 -,off 为设定的可控调节温度变化范围， 则可以控制 “关闭” 的 电热泵为 S2-S5所对应的设备， 而可以控制 “开启” 的电热泵为 S 3-S15所对应的设备。 设备关闭或开启的优先顺序为 ： 优先关闭靠近上边界的电热泵， 优先打开靠近下边界的电 热泵。 该控制方法的实质就是建立反映考虑设备操作约束的可控变量与温控型家居设备之 间状态的函数关系， 通过控制温控型家居设备的状态， 从而实现所有可控电。
25、热泵的响应目 标值 0063 参见图 3， 以电热泵为例， 图中是所有电热泵的动态响应过程， 在 320 分钟之前所 有电热泵处于不受控状态， 负荷消耗值为320 分钟之后施加控制信号PHP是控制 之后的实际响应值， Pmax,Pmin 为所有可控电热泵的可调负荷响应上下边界 ； 在 600 分钟之 后， 控制信号相对于所有电热泵的不受控聚合负荷曲线显著提高， 反映了系统的控 制压力逐渐增大， 同时可调负荷响应的上边界显著收缩， 反映了所有电热泵的可调能力在 不断下降， 即用户可承受的舒适程度在不断减少， 动态变化的负荷响应边界、 响应目标和实 际响应值均可做为监控的物理变量， 反映负荷响应能。
26、力和用户承受能力之间的交互情况， 可及时发现响应目标与负荷响应边界的不匹配征兆， 做出预防控制措施。 0064 综上所述， 本发明实施例提供了一种家居温控负荷需求响应控制方法， 本发明在 通讯双向可靠的前提下， 采用居民家居温控型负荷设备作为负荷响应资源， 有效的描述单 个温控负荷的操作约束， 进而描述聚合温控负荷群的调节能力的上下边界， 用以监控温控 负荷的调节范围， 并根据调节能力的上下边界和实际响应值， 定义温控负荷群的虚拟充电 状态值， 以描述其热储能特性， 监测温控负荷被控运行状态 ； 同时本方法有助于降低电力系 统运行和建设成本， 满足实际应用中的多种需要。 0065 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图， 上述本发明实施例 序号仅仅为了描述， 不代表实施例的优劣。 0066 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103336434 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103336434 A 9 2/2 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103336434 A 10 。