专利名称：智能电表、电力使用的需求控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及电力控制领域，尤指一种智能电表、电力使用的需求控制系统和方法。
背景技术：
不论从财政角度还是从环境角度考虑，需求响应(demand response)都是应对偶然的、临时的峰值需求周期的可靠手段。当需求可能超过供应时，如果企业自愿地临时减少电力使用，可以通过需求响应项目给这些企业提供奖励。然而，现如今，需求响应通常非常复杂，且实现起来较为昂贵。典型的用电限制请求需由电力公司(utility)经电话、邮件发出或者对网站进行监控后发出。并且，要求用户本地的需求管理必须能够迅速地响应用电限制请求。图1为现有实现需求响应的一个示例，电力公司的电力通信和结算系统向用户发出用电限制请求后，需由用户本地的管理人员手动操作照明控制单元以及工程、生产和客户服务(Engineer，Manufacture and Customer Service, EMCS)网关等，对该用电限制请求做出响应。对于某些商业或工业用户，尤其是小规模或中等规模的商业或工业用户，他们也希望采用需求响应，以便从电力公司获得奖励，从而节省开销。然而，他们通常无法负担如此复杂和昂贵的成本(包括人工成本和设备成本)。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种智能电表以及新的需求控制系统和方法，以便减少人力付出，使得需求响应易于执行、实现起来更经济。为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的在本发明提供的一种智能电表中，包括第一通信单元，用于从外部接收电力消息，提供给所述中央处理单元；所述中央处理单元，用于配置需求响应策略，并根据所述电力消息查找所述需求响应策略，生成对应的控制命令限制或恢复负载的电力使用。该智能电表进一步包括信号获取处理单元，用于采集用以确定电力需量的电参数；所述中央处理单元进一步用于将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态，并根据所述电力消息和功率需求状态查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令。所述中央处理单元进一步用于检测一个或者多个负载的负载用电状况，根据所述电力消息和所述负载用电状况查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制。该智能电表进一步包括信号获取处理单元，用于采集用以确定电力需量的电参数；所述中央处理单元进一步用于将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态，检测一个或者多个负载的负载用电状况，根据所述电力消息、所述负载用电状况、以及所述功率需求状态查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制。该智能电表进一步包括用户接口，用于接收用户对需求响应策略进行配置的配置指令，并显示所述信号获取处理单元采集到的电参数。该智能电表进一步包括数字输出单元，用于发出所述中央处理单元生成的控制命令。该智能电表进一步包括第二通信单元，用于发出所述中央处理单元生成的控制命令。在本发明提供的一种电力使用的需求控制系统中，包括智能电表，用于从外部接收电力消息，根据所述电力消息查找预先配置的需求响应策略，按照所述需求响应策略发出对应的控制命令；一个或者多个负载，用于根据所述控制命令关闭或开启电力使用。该系统进一步包括一个或者多个开关设备，用于根据所述智能电表发出的控制命令，限制或恢复其所连接的负载组的电力使用；其中，所述负载组由所述一个或者多个负载根据功能划分而成。所述开关设备为断路器、转换器或者继电器。在本发明提供的一种电力使用的需求控制方法中，包括在智能电表上预先配置需求响应策略；所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略，按照所述需求响应策略生成对应的控制命令，用于关闭或开启一个或者多个负载的电力使用。该方法进一步包括所述智能电表根据采集到的电参数确定电力需量，将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态；则所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略进一步包括根据所述电力消息和所述功率需求状态查找对应的需求响应策略。该方法进一步包括所述智能电表检测所述一个或者多个负载的负载用电状况； 其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制；则所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略进一步包括根据所述电力消息和所述负载用电状况查找对应的需求响应策略。该方法进一步包括所述智能电表根据采集到的电参数确定电力需量，将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态；所述智能电表检测所述一个或者多个负载的负载用电状况；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制；则所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略进一步包括根据所述电力消息、所述负载用电状况、以及所述功率需求状态查找对应的需求响应策略。所述智能电表根据采集到的电参数确定电力需量包括对电参数进行测量以获知电力需量，或者根据采集到的电参数预测电力需量。所述在智能电表上预先配置需求响应策略包括根据电力消息、负载用电状况以及功率需求状态设置需求响应策略，并采用矩阵记录所述需求响应策略，该矩阵包括电力消息、负载用电状况以及功率需求状态三个维度；其中，所述电力消息的取值包括电力消息登入、电力消息登出、无电力消息；所述负载用电状况的取值包括N+1个，分别是电力使用无限制、限制1个负载组、…、限制N个负载组；其中，所述一个或者多个负载按照功能被划分为N个负载组；所述功率需求状态的取值包括电力需量小于恢复门限、电力需量处于恢复门限和限制门限之间、电力需量大于限制门限。所述根据电力消息、负载用电状况以及功率需求状态设置需求响应策略包括根据电力消息、负载用电状况以及功率需求状态这三个维度的不同取值，将对应的需求响应策略设置为限制一个或多个负载组的电力使用，或者恢复一个或多个负载组的电力使用， 或者无响应行为。该方法进一步包括为不同的负载组设置重要程度，按照重要程度从高到低对负载组的电力使用进行恢复，按照重要程度从低到高对负载组的电力使用进行限制。所述在智能电表上预先配置需求响应策略包括采用专家系统实现所述需求响应策略，或者采用人工智能方法实现所述需求响应策略。
图1为现有实现需求响应的一个示例；图2为本发明一个实施例中带有本地需求响应的智能电表的结构示意图；图3为本发明又一个实施例中带有本地需求响应的智能电表的结构示意图；图4为本发明一个实施例中需求响应策略的模型示意图；图5为本发明一个实施例中将多个负载组按照重要程度排序得到的负载组堆栈；图6为本发明一个实施例中设置需求响应门限用于确定功率需求状态的方法示意图；图7为本发明一个实施例中需求响应策略的使用示意图；图8为本发明一个实施例中在智能电表执行本地需求响应的方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。本发明提出一种简单且实现成本低的需求控制系统，带有新型的、可在本地执行需求响应的智能电表，而不必由电力公司的控制设备远程进行电力使用控制。图2为本发明一个实施例中带有本地需求响应的智能电表的结构示意图。该智能电表包括第一通信单元、中央处理单元、信号获取处理单元、用户接口、数字输出单元。其中，第一通信单元，用于从外部接收电力消息，提供给所述中央处理单元。一般情况下，第一通信单元接收到的电力消息由电力公司的控制设备发出，用于简单指示整个电力系统的用电情况。所述中央处理单元，用于配置需求响应策略，并根据所述电力消息查找所述需求响应策略，生成对应的控制命令限制或恢复负载的电力使用。
在本发明一个实施例中，信号获取处理单元用于采集用以确定电力需量的电参数。相应地，所述中央处理单元进一步用于将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态，并根据所述电力消息和功率需求状态查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令。在具体实现时，电力需量可以由信号获取处理单元计算得出，此时的信号获取处理单元采用DSP实现。当然，信号获取处理单元也可以只执行简单的模拟信号提取以及A/D转换，将采集到的电参数提供给中央处理单元，由中央处理单元计算出电力需量。需要指出，信号获取处理单元的具体实现可以参照现有技术，此处不再赘述。在本发明另一个实施例中，中央处理单元进一步用于检测一个或者多个负载的负载用电状况，根据所述电力消息和所述负载用电状况查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制。在本发明又一个实施例中，中央处理单元进一步用于将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态，检测一个或者多个负载的负载用电状况，根据所述电力消息、所述负载用电状况、以及所述功率需求状态查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制。用户接口不仅显示电参数，而且显示需求响应策略的配置，使得用户能够对该需求响应策略进行设置、修改或更新。数字输出单元用于发出中央处理单元生成的控制命令给开关设备，由所述开关设备根据控制命令，限制或恢复其所连接的一个或者多个负载的电力使用。在图2中，开关设备可以是断路器(circuit breaker)、转换器(switch)、继电器(relay)等，设置在用户本地，用于控制用户本地负载的用电。具体地，数字输出单元通过对应的电气信号，对开关设备进行联动控制。在本发明提出的系统中，智能电表和电力公司的控制设备通信以获取简单的电力消息。进一步地，智能电表实时监视诸如电力系统的电压和电流等电参数，以确定电力需量。当然，智能电表还可以获取当前的负载用电状况，即获知一个或者多个负载的电力使用是否受到限制。在本发明另一个实施例中，中央处理单元生成的控制命令也可以通过图3所示的第二通信单元提供给断路器、转换器、继电器等开关设备，以便对负载的电力使用进行限制或恢复等控制。需要指出，采用第二通信单元对开关设备进行控制时，要求开关设备能够解析第二通信单元发出的通信信号。可以看出，本发明提供的智能电表的核心在于其内部配置有需求响应策略。在本发明一个实施例中，需求响应策略有两个输入、一个输出，如图4所示。该需求响应策略可由用户配置。这两个输入分别是(1)电力消息；(2)系统测量的电力需量(power demand, PD)或者预测的电力需量。可选地，当智能电表具有预测功率需求的功能时，可以采用更为灵活的需求响应策略。一个输出为根据对应的需求响应策略输出控制命令到智能电表的数字输出单元或第二通信单元。在具体实现时，需求响应策略可以仅有一个电力消息输入，也可以有电力消息、负载用电状况、功率需求状态这三个输入。进一步地，在本发明一个实施例中，预先配置的需求响应策略以需求响应矩阵的形式记录、存储在智能电表中。该需求响应矩阵具有电力消息、负载用电状况、功率需求状态这三个维度。对于电力消息这一维度，在本发明一个具体实现中，电力公司的控制设备提供的电力消息有3种取值(1)电力消息登入(Utility message check-in)，表明此时整个电力系统达到电力峰值需求，电力公司希望用户限制负载以免系统出现风险。需要指出，电力消息登入可以视为限制消息。(2)电力消息登出(Utility message check-out)，表明整个电力系统的电力峰值需求已过，电力公司通知用户恢复到正常操作。当然，电力消息登出可以视为恢复消息。(3)无电力消息，表明用户行为完全依赖于用户的实际负载和自身需求，可以不受整个电力系统的影响。对于负载用电状况这一维度，可以将一个或者多个负载按照功能或者负载响应带来的影响划分为N个负载组。相应地，负载用电状况的取值包括N+1个，分别是电力使用无限制、限制1个负载组.....限制N个负载组。例如，将负载划分为暖通(HVAC，heatingventilation and air-condition)、照明、操作时间较灵活的设备、关键设备四个负载组(见表1)，则负载用电状况的取值可以为电力使用无限制(或满负载)、限制暖通、限制照明、限制操作时间较灵活的设备、限制关键设备。以限制照明为例，该取值表明在限制暖通的基础上进一步限制照明，在表1中直观地表示为两个白圈；而限制操作时间较灵活的设备这一取值则表明在限制暖通、照明的基础上进一步限制操作时间较灵活的设备，在表1中直观地表示为三个白圈。考虑到不同负载组的重要程度，可以将暖通作为负载限制的主要备选(重要程度为1，即不重要)，照明也可予以考虑(重要程度为2)。紧接着是操作时间较灵活的设备； 对于关键设备，需要在惩罚还是奖励，以及限制对用户的营业造成的影响这两个方面折中考虑。最不重要的负载组可以最先限制最后恢复或释放，最关键的负载组将被最后限制而最先释放。在本发明的一个具体实现中，可以使用堆栈存储负载组，如图5所示，限制和释放就类比于先入后出(FILO)堆栈中的进栈和出栈。如果使用指针标识当前的负载用电状况，在满负载的条件下，指针=0 ；在空负载的条件下，指针=N(N为负载组数目)。对于功率需求状态这一维度，需要考虑的是一个典型的工业用电账单不仅针对能量(或千瓦/小时，即kWh)计费，而且还根据用户与电力公司签订的合同针对峰值需求计费。在电力需量到达合同约定的峰值需求之前，就要采取负载限制。如果已经到达合同约定的峰值需求才进行负载限制，往往为时已晚。因此，在本发明提供的需求响应策略中，设置两个需求响应门限用于确定功率需求状态，如图6所示。首先是限制门限(Pshield)。当测量或预测的电力需量(PD)高于限制门限时，就要采取负载限制，因为下一个峰值需求可能超过和电力公司(utility)签订的合同中约定的峰值需求，而这通常会招致电力公司的罚款或者电力供应终止。其次是恢复门限(Prelease)。当电力需量降到恢复门限之下，并且原先存在负载限制时，则为所述受限制的负载恢复电力供应。
相应地，功率需求状态的取值可以根据电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限的关系进行设置，包括以下3种电力需量小于恢复门限、电力需量处于恢复门限和限制门限之间、电力需量大于限制门限。需要指出，上述两个需求响应门限考虑到的不仅是风险，还有系统运行的效率。进一步地，可设置合同峰值需求(Pcontracted)，如果用户在合同中针对峰值需求计费，则按照合同约定设置Pcontracted，否则可以按照系统的满负载需求(peak demand)设置Pcontracted。因此，在本发明的又一个具体实现中，功率需求状态的取值有4种，包括PD小于Prelease、PD大于Prelease且小于Pshield、PD大于Pshield且小于Pcontracted、PD大于Pcontracted。此外，在一个具体实现中，可以将Pshield设置为 Pcontracted 的 95%，将 Prelease 设置为 Pcontracted 的 80%。可以看出，将上述三个维度的不同取值结合，可以得到不同的需求情况(demand situation)，比如收到电力消息登入时，负载用电状况为电力使用无限制，且功率需求状态为电力需量大于限制门限就是其中一种需求情况。当负载组数目为N时，如果功率需求状态有3种取值，共有(N+l)*3*3种需求情况；如果功率需求状态有4种取值，则有(N+l)*4*3 种需求情况。在每种需求情况下，用户可以有3种不同类型的响应行为(response action) (1)无响应行为；(2)对负载组堆栈(如图5所示)中的下一个负载组进行限制 (前提是仍然存在可被限制的负载，即指针小于K) ； (3)将负载组堆栈(如图5所示)中最近一个被限制的负载释放(前提是存在已被限制的负载，即指针大于1)。在图5所示的负载组堆栈中，重要程度为K的负载组置于栈顶，重要程度为1的负载组置于栈底。需要指出， 每种需求情况对应的响应行为都是可配置的。经过上述配置，智能电表所具有的需求响应矩阵的示例见表1，共有5*4*3 = 60种需求情况。该需求响应矩阵在实际应用中可根据不同的需求情况进行配置，用于控制(即限制或恢复)一个或多个负载组的电力使用。
权利要求
1.一种智能电表，其特征在于，包括第一通信单元，用于从外部接收电力消息，提供给所述中央处理单元；所述中央处理单元，用于配置需求响应策略，并根据所述电力消息查找所述需求响应策略，生成对应的控制命令限制或恢复负载的电力使用。
2.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，进一步包括信号获取处理单元，用于采集用以确定电力需量的电参数；所述中央处理单元进一步用于将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态，并根据所述电力消息和功率需求状态查找所述需求响应策略， 确定出对应的控制命令。
3.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，所述中央处理单元进一步用于检测一个或者多个负载的负载用电状况，根据所述电力消息和所述负载用电状况查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制。
4.根据权利要求1所述的智能电表，其特征在于，进一步包括信号获取处理单元，用于采集用以确定电力需量的电参数；所述中央处理单元进一步用于将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态，检测一个或者多个负载的负载用电状况，根据所述电力消息、所述负载用电状况、以及所述功率需求状态查找所述需求响应策略，确定出对应的控制命令； 其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制。
5.根据权利要求1至4任一项所述的智能电表，其特征在于，进一步包括用户接口， 用于接收用户对需求响应策略进行配置的配置指令，并显示所述信号获取处理单元采集到的电参数。
6.根据权利要求1至4任一项所述的智能电表，其特征在于，进一步包括数字输出单元，用于发出所述中央处理单元生成的控制命令。
7.根据权利要求1至4任一项所述的智能电表，其特征在于，进一步包括第二通信单元，用于发出所述中央处理单元生成的控制命令。
8.一种电力使用的需求控制系统，其特征在于，包括智能电表，用于从外部接收电力消息，根据所述电力消息查找预先配置的需求响应策略，按照所述需求响应策略发出对应的控制命令；一个或者多个负载，用于根据所述控制命令关闭或开启电力使用。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，进一步包括一个或者多个开关设备，用于根据所述智能电表发出的控制命令，限制或恢复其所连接的负载组的电力使用；其中，所述负载组由所述一个或者多个负载根据功能划分而成。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述开关设备为断路器、转换器或者继电器。
11.一种电力使用的需求控制方法，其特征在于，包括在智能电表上预先配置需求响应策略；所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略，按照所述需求响应策略生成对应的控制命令，用于关闭或开启一个或者多个负载的电力使用。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括所述智能电表根据采集到的电参数确定电力需量，将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态；则所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略进一步包括根据所述电力消息和所述功率需求状态查找对应的需求响应策略。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括所述智能电表检测所述一个或者多个负载的负载用电状况；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制；则所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略进一步包括根据所述电力消息和所述负载用电状况查找对应的需求响应策略。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括所述智能电表根据采集到的电参数确定电力需量，将所述电力需量和预先设置的限制门限和恢复门限进行比较得到功率需求状态；所述智能电表检测所述一个或者多个负载的负载用电状况；其中，所述负载用电状况用于指示所述一个或者多个负载的电力使用是否受到限制；则所述智能电表根据外部接收的电力消息查找所述需求响应策略进一步包括根据所述电力消息、所述负载用电状况、以及所述功率需求状态查找对应的需求响应策略。
15.根据权利要求12或14所述的方法，其特征在于，所述智能电表根据采集到的电参数确定电力需量包括对电参数进行测量以获知电力需量，或者根据采集到的电参数预测电力需量。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述在智能电表上预先配置需求响应策略包括根据电力消息、负载用电状况以及功率需求状态设置需求响应策略，并采用矩阵记录所述需求响应策略，该矩阵包括电力消息、负载用电状况以及功率需求状态三个维度；其中，所述电力消息的取值包括电力消息登入、电力消息登出、无电力消息；所述负载用电状况的取值包括N+1个，分别是电力使用无限制、限制1个负载组、…、 限制N个负载组；其中，所述一个或者多个负载按照功能被划分为N个负载组；所述功率需求状态的取值包括电力需量小于恢复门限、电力需量处于恢复门限和限制门限之间、电力需量大于限制门限。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述根据电力消息、负载用电状况以及功率需求状态设置需求响应策略包括根据电力消息、负载用电状况以及功率需求状态这三个维度的不同取值，将对应的需求响应策略设置为限制一个或多个负载组的电力使用， 或者恢复一个或多个负载组的电力使用，或者无响应行为。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括为不同的负载组设置重要程度，按照重要程度从高到低对负载组的电力使用进行恢复，按照重要程度从低到高对负载组的电力使用进行限制。
19.根据权利要求11-14任一项所述的方法，其特征在于，所述在智能电表上预先配置需求响应策略包括采用专家系统实现所述需求响应策略，或者采用人工智能方法实现所述需求响应策略。
全文摘要
本发明公开了一种智能电表、电力使用的需求控制系统和方法。该智能电表包括第一通信单元，用于从外部接收电力消息，提供给所述中央处理单元；所述中央处理单元，用于配置需求响应策略，并根据所述电力消息查找所述需求响应策略，生成对应的控制命令限制或恢复负载的电力使用。应用本发明能够节省成本，且易于实现、维护简单。
文档编号G01R22/06GK102385002SQ20101026888
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者卓越, 汤光强, 胡飞凰 申请人:西门子公司