智能電錶、電力使用的需求控制系統和方法
2023-08-13 07:32:56 1
專利名稱：智能電錶、電力使用的需求控制系統和方法
技術領域：
本發明涉及電力控制領域，尤指一種智能電錶、電力使用的需求控制系統和方法。
背景技術：
不論從財政角度還是從環境角度考慮，需求響應(demand response)都是應對偶然的、臨時的峰值需求周期的可靠手段。當需求可能超過供應時，如果企業自願地臨時減少電力使用，可以通過需求響應項目給這些企業提供獎勵。然而，現如今，需求響應通常非常複雜，且實現起來較為昂貴。典型的用電限制請求需由電力公司(utility)經電話、郵件發出或者對網站進行監控後發出。並且，要求用戶本地的需求管理必須能夠迅速地響應用電限制請求。圖1為現有實現需求響應的一個示例，電力公司的電力通信和結算系統向用戶發出用電限制請求後，需由用戶本地的管理人員手動操作照明控制單元以及工程、生產和客戶服務(Engineer，Manufacture and Customer Service, EMCS)網關等，對該用電限制請求做出響應。對於某些商業或工業用戶，尤其是小規模或中等規模的商業或工業用戶，他們也希望採用需求響應，以便從電力公司獲得獎勵，從而節省開銷。然而，他們通常無法負擔如此複雜和昂貴的成本(包括人工成本和設備成本)。
發明內容
有鑑於此，本發明提出一種智能電錶以及新的需求控制系統和方法，以便減少人力付出，使得需求響應易於執行、實現起來更經濟。為達到上述目的，本發明的技術方案具體是這樣實現的在本發明提供的一種智能電錶中，包括第一通信單元，用於從外部接收電力消息，提供給所述中央處理單元；所述中央處理單元，用於配置需求響應策略，並根據所述電力消息查找所述需求響應策略，生成對應的控制命令限制或恢復負載的電力使用。該智能電錶進一步包括信號獲取處理單元，用於採集用以確定電力需量的電參數；所述中央處理單元進一步用於將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態，並根據所述電力消息和功率需求狀態查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令。所述中央處理單元進一步用於檢測一個或者多個負載的負載用電狀況，根據所述電力消息和所述負載用電狀況查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制。該智能電錶進一步包括信號獲取處理單元，用於採集用以確定電力需量的電參數；所述中央處理單元進一步用於將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態，檢測一個或者多個負載的負載用電狀況，根據所述電力消息、所述負載用電狀況、以及所述功率需求狀態查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制。該智能電錶進一步包括用戶接口，用於接收用戶對需求響應策略進行配置的配置指令，並顯示所述信號獲取處理單元採集到的電參數。該智能電錶進一步包括數字輸出單元，用於發出所述中央處理單元生成的控制命令。該智能電錶進一步包括第二通信單元，用於發出所述中央處理單元生成的控制命令。在本發明提供的一種電力使用的需求控制系統中，包括智能電錶，用於從外部接收電力消息，根據所述電力消息查找預先配置的需求響應策略，按照所述需求響應策略發出對應的控制命令；一個或者多個負載，用於根據所述控制命令關閉或開啟電力使用。該系統進一步包括一個或者多個開關設備，用於根據所述智能電錶發出的控制命令，限制或恢復其所連接的負載組的電力使用；其中，所述負載組由所述一個或者多個負載根據功能劃分而成。所述開關設備為斷路器、轉換器或者繼電器。在本發明提供的一種電力使用的需求控制方法中，包括在智能電錶上預先配置需求響應策略；所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略，按照所述需求響應策略生成對應的控制命令，用於關閉或開啟一個或者多個負載的電力使用。該方法進一步包括所述智能電錶根據採集到的電參數確定電力需量，將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態；則所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略進一步包括根據所述電力消息和所述功率需求狀態查找對應的需求響應策略。該方法進一步包括所述智能電錶檢測所述一個或者多個負載的負載用電狀況； 其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制；則所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略進一步包括根據所述電力消息和所述負載用電狀況查找對應的需求響應策略。該方法進一步包括所述智能電錶根據採集到的電參數確定電力需量，將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態；所述智能電錶檢測所述一個或者多個負載的負載用電狀況；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制；則所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略進一步包括根據所述電力消息、所述負載用電狀況、以及所述功率需求狀態查找對應的需求響應策略。所述智能電錶根據採集到的電參數確定電力需量包括對電參數進行測量以獲知電力需量，或者根據採集到的電參數預測電力需量。所述在智能電錶上預先配置需求響應策略包括根據電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態設置需求響應策略，並採用矩陣記錄所述需求響應策略，該矩陣包括電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態三個維度；其中，所述電力消息的取值包括電力消息登入、電力消息登出、無電力消息；所述負載用電狀況的取值包括N+1個，分別是電力使用無限制、限制1個負載組、…、限制N個負載組；其中，所述一個或者多個負載按照功能被劃分為N個負載組；所述功率需求狀態的取值包括電力需量小於恢復門限、電力需量處於恢復門限和限制門限之間、電力需量大於限制門限。所述根據電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態設置需求響應策略包括根據電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態這三個維度的不同取值，將對應的需求響應策略設置為限制一個或多個負載組的電力使用，或者恢復一個或多個負載組的電力使用， 或者無響應行為。該方法進一步包括為不同的負載組設置重要程度，按照重要程度從高到低對負載組的電力使用進行恢復，按照重要程度從低到高對負載組的電力使用進行限制。所述在智能電錶上預先配置需求響應策略包括採用專家系統實現所述需求響應策略，或者採用人工智慧方法實現所述需求響應策略。
圖1為現有實現需求響應的一個示例；圖2為本發明一個實施例中帶有本地需求響應的智能電錶的結構示意圖；圖3為本發明又一個實施例中帶有本地需求響應的智能電錶的結構示意圖；圖4為本發明一個實施例中需求響應策略的模型示意圖；圖5為本發明一個實施例中將多個負載組按照重要程度排序得到的負載組堆棧；圖6為本發明一個實施例中設置需求響應門限用於確定功率需求狀態的方法示意圖；圖7為本發明一個實施例中需求響應策略的使用示意圖；圖8為本發明一個實施例中在智能電錶執行本地需求響應的方法流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。本發明提出一種簡單且實現成本低的需求控制系統，帶有新型的、可在本地執行需求響應的智能電錶，而不必由電力公司的控制設備遠程進行電力使用控制。圖2為本發明一個實施例中帶有本地需求響應的智能電錶的結構示意圖。該智能電錶包括第一通信單元、中央處理單元、信號獲取處理單元、用戶接口、數字輸出單元。其中，第一通信單元，用於從外部接收電力消息，提供給所述中央處理單元。一般情況下，第一通信單元接收到的電力消息由電力公司的控制設備發出，用於簡單指示整個電力系統的用電情況。所述中央處理單元，用於配置需求響應策略，並根據所述電力消息查找所述需求響應策略，生成對應的控制命令限制或恢復負載的電力使用。
在本發明一個實施例中，信號獲取處理單元用於採集用以確定電力需量的電參數。相應地，所述中央處理單元進一步用於將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態，並根據所述電力消息和功率需求狀態查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令。在具體實現時，電力需量可以由信號獲取處理單元計算得出，此時的信號獲取處理單元採用DSP實現。當然，信號獲取處理單元也可以只執行簡單的模擬信號提取以及A/D轉換，將採集到的電參數提供給中央處理單元，由中央處理單元計算出電力需量。需要指出，信號獲取處理單元的具體實現可以參照現有技術，此處不再贅述。在本發明另一個實施例中，中央處理單元進一步用於檢測一個或者多個負載的負載用電狀況，根據所述電力消息和所述負載用電狀況查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制。在本發明又一個實施例中，中央處理單元進一步用於將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態，檢測一個或者多個負載的負載用電狀況，根據所述電力消息、所述負載用電狀況、以及所述功率需求狀態查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制。用戶接口不僅顯示電參數，而且顯示需求響應策略的配置，使得用戶能夠對該需求響應策略進行設置、修改或更新。數字輸出單元用於發出中央處理單元生成的控制命令給開關設備，由所述開關設備根據控制命令，限制或恢復其所連接的一個或者多個負載的電力使用。在圖2中，開關設備可以是斷路器(circuit breaker)、轉換器(switch)、繼電器(relay)等，設置在用戶本地，用於控制用戶本地負載的用電。具體地，數字輸出單元通過對應的電氣信號，對開關設備進行聯動控制。在本發明提出的系統中，智能電錶和電力公司的控制設備通信以獲取簡單的電力消息。進一步地，智能電錶實時監視諸如電力系統的電壓和電流等電參數，以確定電力需量。當然，智能電錶還可以獲取當前的負載用電狀況，即獲知一個或者多個負載的電力使用是否受到限制。在本發明另一個實施例中，中央處理單元生成的控制命令也可以通過圖3所示的第二通信單元提供給斷路器、轉換器、繼電器等開關設備，以便對負載的電力使用進行限制或恢復等控制。需要指出，採用第二通信單元對開關設備進行控制時，要求開關設備能夠解析第二通信單元發出的通信信號。可以看出，本發明提供的智能電錶的核心在於其內部配置有需求響應策略。在本發明一個實施例中，需求響應策略有兩個輸入、一個輸出，如圖4所示。該需求響應策略可由用戶配置。這兩個輸入分別是(1)電力消息；(2)系統測量的電力需量(power demand, PD)或者預測的電力需量。可選地，當智能電錶具有預測功率需求的功能時，可以採用更為靈活的需求響應策略。一個輸出為根據對應的需求響應策略輸出控制命令到智能電錶的數字輸出單元或第二通信單元。在具體實現時，需求響應策略可以僅有一個電力消息輸入，也可以有電力消息、負載用電狀況、功率需求狀態這三個輸入。進一步地，在本發明一個實施例中，預先配置的需求響應策略以需求響應矩陣的形式記錄、存儲在智能電錶中。該需求響應矩陣具有電力消息、負載用電狀況、功率需求狀態這三個維度。對於電力消息這一維度，在本發明一個具體實現中，電力公司的控制設備提供的電力消息有3種取值(1)電力消息登入(Utility message check-in)，表明此時整個電力系統達到電力峰值需求，電力公司希望用戶限制負載以免系統出現風險。需要指出，電力消息登入可以視為限制消息。(2)電力消息登出(Utility message check-out)，表明整個電力系統的電力峰值需求已過，電力公司通知用戶恢復到正常操作。當然，電力消息登出可以視為恢復消息。(3)無電力消息，表明用戶行為完全依賴於用戶的實際負載和自身需求，可以不受整個電力系統的影響。對於負載用電狀況這一維度，可以將一個或者多個負載按照功能或者負載響應帶來的影響劃分為N個負載組。相應地，負載用電狀況的取值包括N+1個，分別是電力使用無限制、限制1個負載組.....限制N個負載組。例如，將負載劃分為暖通(HVAC，heatingventilation and air-condition)、照明、操作時間較靈活的設備、關鍵設備四個負載組(見表1)，則負載用電狀況的取值可以為電力使用無限制(或滿負載)、限制暖通、限制照明、限制操作時間較靈活的設備、限制關鍵設備。以限制照明為例，該取值表明在限制暖通的基礎上進一步限制照明，在表1中直觀地表示為兩個白圈；而限制操作時間較靈活的設備這一取值則表明在限制暖通、照明的基礎上進一步限制操作時間較靈活的設備，在表1中直觀地表示為三個白圈。考慮到不同負載組的重要程度，可以將暖通作為負載限制的主要備選(重要程度為1，即不重要)，照明也可予以考慮(重要程度為2)。緊接著是操作時間較靈活的設備； 對於關鍵設備，需要在懲罰還是獎勵，以及限制對用戶的營業造成的影響這兩個方面折中考慮。最不重要的負載組可以最先限制最後恢復或釋放，最關鍵的負載組將被最後限制而最先釋放。在本發明的一個具體實現中，可以使用堆棧存儲負載組，如圖5所示，限制和釋放就類比於先入後出(FILO)堆棧中的進棧和出棧。如果使用指針標識當前的負載用電狀況，在滿負載的條件下，指針=0 ；在空負載的條件下，指針=N(N為負載組數目)。對於功率需求狀態這一維度，需要考慮的是一個典型的工業用電帳單不僅針對能量(或千瓦/小時，即kWh)計費，而且還根據用戶與電力公司籤訂的合同針對峰值需求計費。在電力需量到達合同約定的峰值需求之前，就要採取負載限制。如果已經到達合同約定的峰值需求才進行負載限制，往往為時已晚。因此，在本發明提供的需求響應策略中，設置兩個需求響應門限用於確定功率需求狀態，如圖6所示。首先是限制門限(Pshield)。當測量或預測的電力需量(PD)高於限制門限時，就要採取負載限制，因為下一個峰值需求可能超過和電力公司(utility)籤訂的合同中約定的峰值需求，而這通常會招致電力公司的罰款或者電力供應終止。其次是恢復門限(Prelease)。當電力需量降到恢復門限之下，並且原先存在負載限制時，則為所述受限制的負載恢復電力供應。
相應地，功率需求狀態的取值可以根據電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限的關係進行設置，包括以下3種電力需量小於恢復門限、電力需量處於恢復門限和限制門限之間、電力需量大於限制門限。需要指出，上述兩個需求響應門限考慮到的不僅是風險，還有系統運行的效率。進一步地，可設置合同峰值需求(Pcontracted)，如果用戶在合同中針對峰值需求計費，則按照合同約定設置Pcontracted，否則可以按照系統的滿負載需求(peak demand)設置Pcontracted。因此，在本發明的又一個具體實現中，功率需求狀態的取值有4種，包括PD小於Prelease、PD大於Prelease且小於Pshield、PD大於Pshield且小於Pcontracted、PD大於Pcontracted。此外，在一個具體實現中，可以將Pshield設置為 Pcontracted 的 95%，將 Prelease 設置為 Pcontracted 的 80%。可以看出，將上述三個維度的不同取值結合，可以得到不同的需求情況(demand situation)，比如收到電力消息登入時，負載用電狀況為電力使用無限制，且功率需求狀態為電力需量大於限制門限就是其中一種需求情況。當負載組數目為N時，如果功率需求狀態有3種取值，共有(N+l)*3*3種需求情況；如果功率需求狀態有4種取值，則有(N+l)*4*3 種需求情況。在每種需求情況下，用戶可以有3種不同類型的響應行為(response action) (1)無響應行為；(2)對負載組堆棧(如圖5所示)中的下一個負載組進行限制 (前提是仍然存在可被限制的負載，即指針小於K) ； (3)將負載組堆棧(如圖5所示)中最近一個被限制的負載釋放(前提是存在已被限制的負載，即指針大於1)。在圖5所示的負載組堆棧中，重要程度為K的負載組置於棧頂，重要程度為1的負載組置於棧底。需要指出， 每種需求情況對應的響應行為都是可配置的。經過上述配置，智能電錶所具有的需求響應矩陣的示例見表1，共有5*4*3 = 60種需求情況。該需求響應矩陣在實際應用中可根據不同的需求情況進行配置，用於控制(即限制或恢復)一個或多個負載組的電力使用。
權利要求
1.一種智能電錶，其特徵在於，包括第一通信單元，用於從外部接收電力消息，提供給所述中央處理單元；所述中央處理單元，用於配置需求響應策略，並根據所述電力消息查找所述需求響應策略，生成對應的控制命令限制或恢復負載的電力使用。
2.根據權利要求1所述的智能電錶，其特徵在於，進一步包括信號獲取處理單元，用於採集用以確定電力需量的電參數；所述中央處理單元進一步用於將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態，並根據所述電力消息和功率需求狀態查找所述需求響應策略， 確定出對應的控制命令。
3.根據權利要求1所述的智能電錶，其特徵在於，所述中央處理單元進一步用於檢測一個或者多個負載的負載用電狀況，根據所述電力消息和所述負載用電狀況查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制。
4.根據權利要求1所述的智能電錶，其特徵在於，進一步包括信號獲取處理單元，用於採集用以確定電力需量的電參數；所述中央處理單元進一步用於將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態，檢測一個或者多個負載的負載用電狀況，根據所述電力消息、所述負載用電狀況、以及所述功率需求狀態查找所述需求響應策略，確定出對應的控制命令； 其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制。
5.根據權利要求1至4任一項所述的智能電錶，其特徵在於，進一步包括用戶接口， 用於接收用戶對需求響應策略進行配置的配置指令，並顯示所述信號獲取處理單元採集到的電參數。
6.根據權利要求1至4任一項所述的智能電錶，其特徵在於，進一步包括數字輸出單元，用於發出所述中央處理單元生成的控制命令。
7.根據權利要求1至4任一項所述的智能電錶，其特徵在於，進一步包括第二通信單元，用於發出所述中央處理單元生成的控制命令。
8.一種電力使用的需求控制系統，其特徵在於，包括智能電錶，用於從外部接收電力消息，根據所述電力消息查找預先配置的需求響應策略，按照所述需求響應策略發出對應的控制命令；一個或者多個負載，用於根據所述控制命令關閉或開啟電力使用。
9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，進一步包括一個或者多個開關設備，用於根據所述智能電錶發出的控制命令，限制或恢復其所連接的負載組的電力使用；其中，所述負載組由所述一個或者多個負載根據功能劃分而成。
10.根據權利要求8或9所述的系統，其特徵在於，所述開關設備為斷路器、轉換器或者繼電器。
11.一種電力使用的需求控制方法，其特徵在於，包括在智能電錶上預先配置需求響應策略；所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略，按照所述需求響應策略生成對應的控制命令，用於關閉或開啟一個或者多個負載的電力使用。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，進一步包括所述智能電錶根據採集到的電參數確定電力需量，將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態；則所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略進一步包括根據所述電力消息和所述功率需求狀態查找對應的需求響應策略。
13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，進一步包括所述智能電錶檢測所述一個或者多個負載的負載用電狀況；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制；則所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略進一步包括根據所述電力消息和所述負載用電狀況查找對應的需求響應策略。
14.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，進一步包括所述智能電錶根據採集到的電參數確定電力需量，將所述電力需量和預先設置的限制門限和恢復門限進行比較得到功率需求狀態；所述智能電錶檢測所述一個或者多個負載的負載用電狀況；其中，所述負載用電狀況用於指示所述一個或者多個負載的電力使用是否受到限制；則所述智能電錶根據外部接收的電力消息查找所述需求響應策略進一步包括根據所述電力消息、所述負載用電狀況、以及所述功率需求狀態查找對應的需求響應策略。
15.根據權利要求12或14所述的方法，其特徵在於，所述智能電錶根據採集到的電參數確定電力需量包括對電參數進行測量以獲知電力需量，或者根據採集到的電參數預測電力需量。
16.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述在智能電錶上預先配置需求響應策略包括根據電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態設置需求響應策略，並採用矩陣記錄所述需求響應策略，該矩陣包括電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態三個維度；其中，所述電力消息的取值包括電力消息登入、電力消息登出、無電力消息；所述負載用電狀況的取值包括N+1個，分別是電力使用無限制、限制1個負載組、…、 限制N個負載組；其中，所述一個或者多個負載按照功能被劃分為N個負載組；所述功率需求狀態的取值包括電力需量小於恢復門限、電力需量處於恢復門限和限制門限之間、電力需量大於限制門限。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述根據電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態設置需求響應策略包括根據電力消息、負載用電狀況以及功率需求狀態這三個維度的不同取值，將對應的需求響應策略設置為限制一個或多個負載組的電力使用， 或者恢復一個或多個負載組的電力使用，或者無響應行為。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，進一步包括為不同的負載組設置重要程度，按照重要程度從高到低對負載組的電力使用進行恢復，按照重要程度從低到高對負載組的電力使用進行限制。
19.根據權利要求11-14任一項所述的方法，其特徵在於，所述在智能電錶上預先配置需求響應策略包括採用專家系統實現所述需求響應策略，或者採用人工智慧方法實現所述需求響應策略。
全文摘要
本發明公開了一種智能電錶、電力使用的需求控制系統和方法。該智能電錶包括第一通信單元，用於從外部接收電力消息，提供給所述中央處理單元；所述中央處理單元，用於配置需求響應策略，並根據所述電力消息查找所述需求響應策略，生成對應的控制命令限制或恢復負載的電力使用。應用本發明能夠節省成本，且易於實現、維護簡單。
文檔編號G01R22/06GK102385002SQ20101026888
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者卓越, 湯光強, 胡飛凰 申請人:西門子公司