基于需求侧响应的城乡居民多能源柔性控制系统和方法与流程

本发明涉及智能用电和电力调度技术领域，特别是一种基于需求侧响应的城乡居民多能源柔性控制系统和方法。

背景技术：

进入21世纪，随着科技的进步和经济的发展，全球对电力能源的需求量也逐年递增，而且电力缺口有逐渐增大的趋势。电力负荷峰谷差进一步增大，各地对能源需求的增长远超电力生产能力的增长，供需双方的矛盾日益加深，同时很多新的问题一一出现，如煤炭资源紧张，电力需求量快速增长引起的电网容量不足及环境污染等。这些问题导致了在电力需求高峰时候频繁的功率限制和停电。传统应对方法如高峰时部分区域拉闸限电和启动备用发电机组不仅会增加发电的成本，给人民日常生活带来不便同时还会造成环境污染。除此之外，研究表明目前电力资产利用效率较低，仅20%的系统容量用于满足电力峰值需求，其运行时间仅占系统运行时间的5%。

随着人们生活水平的提高和住房条件的改善，城乡居民家用电器无论数量还是质量都在逐年提高，导致居民用电量增长非常明显，电力成了居民家庭中的主要能耗项目；同时，居民生活用电在全社会用电中占很大的比重。在智能用电技术高速发展和节能减排的背景下，研究用电响应模式，通过不同的响应模式实现家庭智能用电，增强居民的节约用电意识，引导居民节约、合理用电，现实、必要而又迫切。

同时，随着智能电网的发展，用户侧越来越受到重视，家庭能源管理是智能电网在居民侧的延伸，是智能电网领域的研究热点之一。研究表明，通过调整用户侧的负荷及用户自身配备储能设备的充放电来适应电网负荷和电价变化的自动化系统，可以更经济、更有效的达到节约能源、确保用户用电安全、减少用户电费支出、提高电网稳定性和安全性的目的。

此外，随着用户能源利用方式的变化，家用分布式发电、电动汽车等需求侧的电源将越来越多的接入电网，并对电网运行控制带来影响，例如：新型电源产生的额外电能送回电网所产生的双向潮流问题；电动汽车充电需要增加馈线的承载容量，还会导致严重的晚间用电高峰问题；分布式发电、需求响应及电动汽车引起的负荷曲线变化问题。因此，建设与用户友好互动的智能电网，为用户提供及时准确的用电信息，实现用户的自主选择，满足多元化客户需求，提升电网公司的服务质量，将是未来智能用电的发展方向。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：为电网公司和电力用户之间提供友好开放的双向交互途径，在满足不影响居民正常生活的基础上，实现居民家庭参与电网需求侧响应，满足降低电力需求的“峰谷比”和电力资产投资额的需求，提高电力资产的利用效率，增强电力系统运行的安全性。

本发明采取的技术方案为：基于需求侧响应的城乡居民多能源柔性控制系统，包括通过网络依次连接的电网端、能源管控云平台、家庭能源网关和居民负荷端；各个居民负荷端的多个可调负荷通过一个家庭能源网关与能源管控云平台连接通信；

电网端向能源管控云平台下发包括负荷调节限额的负荷调控指令；各家庭能源网关向能源管控云平台传输相应居民负荷端的可调负荷数据；

能源管控云平台接收负荷调控指令后，根据可调负荷数据计算被控区域内所有居民负荷端的最大可调负荷量，并将计算结果与负荷调节限额相比较，当负荷调节限额小于最大可调负荷量，则能源管控云平台根据被控区域内的可调负荷分布，分析得到针对各居民负荷端的负荷调节策略；

能源管控云平台根据负荷调节策略对应向各个居民负荷端对应的家庭能源网关下发负荷调节指令；

各家庭能源网关根据接收到的负荷调节指令对相应居民负荷端的可调负荷进行功率调节。

进一步的，本发明中居民负荷端包括可调负荷、可控负荷、分布式电源和储能系统；各家庭能源网关根据电网电源、分布式电源和储能系统三个能源节点，和居民用电负荷设备的特点，及能源与负荷之间的协调关系，动态调节电网电源、分布式电源和储能系统的输入输出量，使其与用电需求相匹配，以最大限度提高分布式电源在居民侧的利用率。

电网端还可通过能源管控云平台和家庭能源网关向居民负荷端下发实时电价数据；居民负荷端的光伏分布式电源和储能系统可将自有电量传输至大电网。用户可根据需要对家庭能源网关进行设置，利用自有的光伏分布式电源为用电设备提供免费的自备电能，也可以选择在合适的时机将光伏分布式电源所发电量或储能系统的储备电量出售给大电网。

本发明电网端用于发布需求侧响应调节指令的，可为电力控制中心，或有电力调控权限的电力公司或电力咨询公司等。用于连接电网端、能源管控云平台和家庭能源网关的网络可为运营商宽带或者电力专网。能源管控云平台基于全区城乡居民用电信息实时采集，利用大数据技术实现对全区居民负荷的最大可调负荷量估计及负荷分布分析，并根据用户负荷优先级进行全区电网可切负荷全景定位及控制路径设定，以快速精准的定位出参与负荷控制的居民范围、可调负荷的负荷控制程度及可控负荷交替运行控制时间，实现多约束全局跨区域合理负荷调度。能源管控云平台可采用服务器形式实现对负荷调节指令的传输以及相关的数据计算分析处理，给出对于接入网络内的居民可调负荷的最大可调负荷量， 并根据负荷调节限额制定调节策略，具体原理流程如下：

1、家庭能源网关实时采集家庭各个负荷，并将居民负荷分成可调负荷、可控负荷和不可控负荷三类负荷分别上送给能源管控云平台；

2、能源管控云平台构建负荷类型、地区、时间、运行状态、重要等多元数据结构，并将实时接收的居民负荷信息按照类型、地区、时间、运行状态特征实时归类更新，并根据用户信息库给出各个居民负荷等级；

3、按照重要等级分别实时计算平台管理的每一等级的运行的允许可调负荷、可控负荷的负荷总量，并将各等级负荷总量计算总和给出最大可调负荷量；

4、收到电网负荷调节命令后，判断该地区电网负荷是否满足电网负荷调节需求，即电网负荷调节限额小于此时的最大可调负荷量；

5、如不满足则将负荷差额返回给电网，接受进一步命令；

6、如满足，进入负荷调节范围计算流程；

7、从低到高按照地区序号逐级累加各等级最大可调负荷量，并将负荷信息归入可调负荷序列；

8、判断是否达到电网负荷调节需求，如是进入第9步，如否回到第7步；

9、得出满足电网负荷调节需求的居民调节范围，并根据生成的可调负荷序列信息，给需调节的居民负荷相应家庭能源网关下达负荷调节命令，从而实现满足电网需求侧响应的大范围居民负荷调节。

当电网端下发需求侧响应调节结束指令，或者达到需求侧相应调节结束时间时，家庭能源网关给各用电电器下达功率恢复命令或者重新启动命令使得家用电器恢复正常运行。

本发明还公开基于上述城乡居民多能源柔性控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，电网端向能源管控云平台下发负荷调节指令，负荷调节指令中包括负荷调节限额；

步骤二，能源管控云平台接收负荷调节指令，实时计算被控区域内所有居民负荷端的最大可调负荷量；

步骤三，能源管控云平台将计算得到的最大可调负荷量与负荷调节限额进行比较：

若负荷调节限额超出最大可调负荷量，则能源管控云平台将计算得到的最大可调负荷量返回给电网端电力公司，以使得电网端调整符合调节限额后重发负荷调节指令；

若负荷调节限额小于最大可调负荷量，则转至步骤四；

步骤四，能源管控云平台对整个被控区域内的可调负荷和可控负荷进行分析，计算得到各个居民负荷端的负荷调节策略；然后根据对应各居民负荷端的负荷调节策略向相应的家庭能源网关下发负荷调减命令；

步骤五，各家庭能源网关根据接收到的负荷调减命令对被控居民负荷端的可控负荷和可调负荷进行运行控制，以实现负荷调减；

步骤六，判断居民负荷需求侧响应调节是否需要结束，若需要结束，则家庭能源网关控制各可调负荷和可控负荷恢复原运行状态。

进一步的，本发明步骤四中，所述负荷调节策略包括对应各居民负荷端用电负荷的负荷调减程度、调节方式和调减时间间隔。基于现有的居民用电信息采集技术进行最大可调负荷量和负荷调节策略的分析计算为现有技术。

本发明步骤五中，家庭能源网关根据负荷调减命令，综合被控居民负荷端的分布式电源发电情况和储能系统情况，对被控的可控负荷和可调负荷进行运行控制，所述运行控制包括：调节可调负荷温度参数、控制可控负荷运行时间。家庭能源网关对被控可控负荷和可调负荷的具体控制可采用现有技术，主要是家庭能源网关通过PLC或WIFI通信方式与家电控制模块进行信息交互，从实现对家电的负荷调节及控制。

本发明中，负荷调节策略不是简单地通过开关通断进行负荷控制，而是在保证不可调负荷（如照明、电饭锅、电视类家电等）正常运行的情况下，调节可调负荷（如空调等）的输出功率和调节可控负荷（如热水器、洗衣机、电动汽车等）来实现居民负荷的调减，从而既能调低用电峰值又保证居民用电影响较小，即实现居民多能源柔性控制。

步骤六中，居民负荷需求侧响应调节是否需要结束的标识可为，接收到电网端通过能源管控云平台下发的负荷调节结束指令，或者，步骤一中，电网端下发的负荷调节指令中还包括负荷调节的结束时间，结束时间到则标识着负荷调节需要结束。

本发明的有益效果为：能够与调度限电方案实现无缝对接，不仅能够较好的完成与电力调度系统的信息交互，有效缩短负控应急处置时间，以快速精确响应电网负荷调控需求。还能基于大数据技术实现对用户负荷信息和用电设备信息的智能分析评估，提供个性化的用电策略建议，实现家庭能源的智能管理和电力需求侧响应。从而有力保证电网安全稳定运行和家庭能源的有效管理。

本发明主要效果体现在以下方面：

（1）削峰填谷，支持需求响应在居民侧的实施：

居民用户侧是通过实施需求响应来削减电力峰值需求的最大潜在领域，通过此方法可以实现需求响应在众多居民用户中得到实施，激励引导用户在系统用电高峰或者系统稳定性受到威胁时减少用电负荷，在用电低谷时段增加用电，从而保护电力系统供电可靠性并提高系统的资源利用率，使电力系统的运行的经济性和安全性得到进一步的提高。另一方面，此方法还可以控制居民家用电器对电力公司发布的动态电价信号进行合适的响应和优化控制，达到降低用户用电费用和节能减排的目的。

（2）精准切负荷，维护电网安全稳定运行：

此方法可实时获取区域电网所用用户各设备详细电力数据，掌握当前空调、热水器、风机等各大功率用电设备用电量，从而可根据用电缺额快速定位出所切负荷设备范围及切负荷电网范围，实现精准切负荷，切除短时对生产生活影响不大的空调、热水器、风机等各大功率用电设备，在电网潮流调整完毕后恢复供电，既保证了社会生产生活，又提高电网运行可靠性。同时，还可实现更精确的电网负荷预测。

（3）改善居民生活质量，带来经济效益：

1）支撑分布式新能源接入

风电和光伏发电等分布式电源，对于提高可再生能源的利用率、优化能源结构、降低用户用能费用具有重要意义，但同时使配电网中的潮流复杂化。另外风能、太阳能具有波动性、随机性和间歇性的特点，风电和光伏发电的大规模接入会给电网电能质量和电网的安全运行带来挑战。此方法能够实现家庭用户拥有的分布式可再生能源接入电网，促进智能控制光伏发电系统、储能系统、电网三部分联动运行，保证有效配比，突破以往被管理的家庭用电系统及只能从电网用电模式，有助于充分应用分布式光伏，有效实现家庭用能的高效利用。

2）支持大规模电动汽车安全接入

电动汽车具有电池容量大、充电功率高、接入电网充电时间集中的特点，大量电动汽车无序接入电网充电会造成电力需求峰值增加，电网供需失衡，输电线路和变压器过载等后果，降低电力资产利用率，缩短设备寿命，威胁电网的安全运行。通过家庭用电网络接入电网是电动汽车入网充电的重要方式之一，此方法可以实现对电动汽车的充电过程进行控制削弱或消除电动汽车上网充电对电网的不利影响，同时减少用户的用电费用。

附图说明

图1所示为本发明控制系统结构示意图；

图2所示为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

本发明基于根据用电特性将居民家庭用电负荷进行分类，具体分为可调负荷、可控负荷和不可控负荷，可调负荷如空调等，这些设备可以通过交互调控设定参数来调节设备的输出功率，达到调节居民负荷量的目的，且在一定程度上能够在规定的时间、空间满足生活需求，灵活性较强，对居民的舒适度影响很小；可控负荷如热水器、洗衣机、电动汽车等，这些设备用电规律较为稳定，用电时间灵活性较强，可以方便的调整到其他合适时间运行，几乎不影响居民正常生活，便于参与DR 控制；不可调负荷如照明、电饭锅、电视类家电等，其断电会给用户生活造成较大影响，因此不参与调节控制。

本发明不再通过传统的拉闸限电进行负荷控制，而是基于居民家庭用电负荷分类，保证居民不可调负荷不间断运行基础上，通过远程调节可调负荷温度参数和控制可控负荷运行时间来实现。

同时，本发明还基于现有的城乡居民用电信息实时采集技术，在发起需求侧响应活动时，需求侧响应主站即能源管控云平台通过电力专网接收到电网控制中心下达的调控命令及调控信息后，根据居民用电信息和用户负荷优先级进行全区电网可切负荷全景定位及控制路径设定，快速精准的定位出参与负荷控制的居民范围、可调负荷的负荷控制程度及可控负荷交替运行控制时间，在保证居民生活关系密切的负荷正常运行基础上，实现多约束全局跨区域自动需求侧响应柔性调节控制。

针对家庭引入光伏/风能发电系统、储能系统情况，综合考虑居民用电设备、分布式电源和储能系统，三者能源节点的特点及协调关系，动态调节分布式电源、储能的输入输出量，使其与需求侧响应需求、用电需求相匹配，从供应侧角度最大限度提高分布式电源利用率。

参考图1所示，本发明基于需求侧响应的城乡居民多能源柔性控制系统，包括通过网络依次连接的电网端、能源管控云平台、家庭能源网关和居民负荷端；各个居民负荷端的多个可调负荷通过一个家庭能源网关与能源管控云平台连接通信；

电网端向能源管控云平台下发包括负荷调节限额的负荷调控指令；各家庭能源网关向能源管控云平台传输相应居民负荷端的可调负荷数据；

能源管控云平台接收负荷调控指令后，根据可调负荷数据计算被控区域内所有居民负荷端的最大可调负荷量，并将计算结果与负荷调节限额相比较，当负荷调节限额小于最大可调负荷量，则能源管控云平台根据被控区域内的可调负荷分布，分析得到针对各居民负荷端的负荷调节策略；

能源管控云平台根据负荷调节策略对应向各个居民负荷端对应的家庭能源网关下发负荷调节指令；

各家庭能源网关根据接收到的负荷调节指令对相应居民负荷端的可调负荷进行功率调节。

进一步的，本发明中居民负荷端包括可调负荷、可控负荷、分布式电源和储能系统；各家庭能源网关根据电网电源、分布式电源和储能系统三个能源节点，和居民用电负荷设备的特点，及能源与负荷之间的协调关系，动态调节电网电源、分布式电源和储能系统的输入输出量，使其与用电需求相匹配，以最大限度提高分布式电源在居民侧的利用率。

电网端还可通过能源管控云平台和家庭能源网关向居民负荷端下发实时电价数据；居民负荷端的光伏分布式电源和储能系统可将自有电量传输至大电网。用户可根据需要对家庭能源网关进行设置，利用自有的光伏分布式电源为用电设备提供免费的自备电能，也可以选择在合适的时机将光伏分布式电源所发电量或储能系统的储备电量出售给大电网。

本发明电网端用于发布需求侧响应调节指令的，可为电力控制中心，或有电力调控权限的电力公司或电力咨询公司等。用于连接电网端、能源管控云平台和家庭能源网关的网络可为运营商宽带或者电力专网。能源管控云平台基于全区城乡居民用电信息实时采集，利用大数据技术实现对全区居民负荷的最大可调负荷量估计及负荷分布分析，并根据用户负荷优先级进行全区电网可切负荷全景定位及控制路径设定，以快速精准的定位出参与负荷控制的居民范围、可调负荷的负荷控制程度及可控负荷交替运行控制时间，实现多约束全局跨区域合理负荷调度。能源管控云平台可采用服务器形式实现对负荷调节指令的传输以及相关的数据计算分析处理，对于接入网络内的居民可调负荷的最大可调负荷量，以及根据负荷调节限额制定调节策略为现有技术。

当电网端下发需求侧响应调节结束指令，或者达到需求侧相应调节结束时间时，家庭能源网关给各用电电器下达功率恢复命令或者重新启动命令使得家用电器恢复正常运行。

参考图2，本发明,基于上述城乡居民多能源柔性控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，电网端向能源管控云平台下发负荷调节指令，负荷调节指令中包括负荷调节限额；

步骤二，能源管控云平台接收负荷调节指令，实时计算被控区域内所有居民负荷端的最大可调负荷量；

步骤三，能源管控云平台将计算得到的最大可调负荷量与负荷调节限额进行比较：

若负荷调节限额超出最大可调负荷量，则能源管控云平台将计算得到的最大可调负荷量返回给电网端电力公司，以使得电网端调整符合调节限额后重发负荷调节指令；

若负荷调节限额小于最大可调负荷量，则转至步骤四；

步骤四，能源管控云平台对整个被控区域内的可调负荷和可控负荷进行分析，计算得到各个居民负荷端的负荷调节策略；然后根据对应各居民负荷端的负荷调节策略向相应的家庭能源网关下发负荷调减命令；

步骤五，各家庭能源网关根据接收到的负荷调减命令对被控居民负荷端的可控负荷和可调负荷进行运行控制，以实现负荷调减；

步骤六，判断居民负荷需求侧响应调节是否需要结束，若需要结束，则家庭能源网关控制各可调负荷和可控负荷恢复原运行状态。

上述步骤四中，所述负荷调节策略包括对应各居民负荷端用电负荷的负荷调减程度、调节方式和调减时间间隔。

家庭能源网关根据负荷调减命令，综合被控居民负荷端的分布式电源发电情况和储能系统情况，对被控的可控负荷和可调负荷进行运行控制，所述运行控制包括：调节可调负荷温度参数、控制可控负荷运行时间。

步骤六中，居民负荷需求侧响应调节是否需要结束的标识可为，接收到电网端通过能源管控云平台下发的负荷调节结束指令，或者，步骤一中，电网端下发的负荷调节指令中还包括负荷调节的结束时间，结束时间到则标识着负荷调节需要结束。

以上阐述了本发明的系统环节和工作流程，但本发明绝不限于上述所列实施方式，凡是基于本发明技术方案所作的等同变化、改进及故意变劣等行为，均应属于本发明的保护范围。