一种应用于电力排灌设施的需求响应调控装置和方法与流程

本发明涉及排灌设施用电自动化及其自动参与需求响应，具体涉及一种应用于电力排灌设施的需求响应调控装置和方法。

背景技术：

灌溉和排涝对于战胜旱、涝灾害，促进农、林、牧业的发展具有十分重要的意义。随着农田基本建设的加强和生产力水平的提高，许多地方都利用电力进行灌溉和排水，这一举措造成了农业用电明显的季节性特征，即在抗旱防汛问题较为突出的春夏两季，用电量和用电负荷明显高于其他季节。并且，由于以往的排灌设施自动化程度较低，除很多仍须人为控制其启停外，即使目前所能实现的自动化排灌设施也并不能智能参与需求响应，造成了排灌用电除了季节性明显外，同一天负荷也由于人们的作息习惯，在白天与晚上存在较大峰谷差。而在用电高峰时刻供电紧张的同时，用电低谷时刻还存在严重的弃风、弃光现象，造成了大量的电能浪费。这些特征，不仅加剧了电网夏季供电紧张、可靠性面临严重威胁的局面；由于变压器容量限制，用户的排灌活动受到了严重限制；而且还造成了大量的电能浪费。

我国电力供需紧张局面仍时有发生，弃风弃光现象也在不断加剧，发改委等相关部门高度重视需求响应工作的开展。目前，自动排灌控制系统虽然能够做到农田排灌的自动化，但已经无法满足用户经济效益最大化以及电网削峰填谷、消纳可再生能源等需求，具体表现在以下两方面：一方面，电网在出现供需紧张情况，如高峰用电时刻供不应求，或者电网存在可再生能源无法有效消纳，供大于求时，会制定灵活的分时电价、实时电价等电价政策，但现有自动排灌控制系统无法根据上述灵活电价政策实现分时段的运行；另一方面，在需求响应服务商、负荷聚合商等需求响应实施机构组织实施尖峰负荷削减或可再生能源消纳计划任务时，现有自动排灌控制系统无法自动参与上述计划任务，从而也无法获得对应的激励。

申请号为201320283908.9的发明专利提供一种基于无线传输的农田自动排灌控制系统，具体提供了一种根据作物的需水规律进行适时适量的灌溉自动排灌装置，根据水位信息作出排水或灌水的决策，但该发明专利在软硬件设计上均无法支撑排灌设施自动参与需求响应。

技术实现要素：

针对现有电力排灌设施自动化水平还不够高，无法参与需求响应、自动分析需求响应服务器发来的需求响应信号，不能生成设备时段运行策略并直接根据策略控制设备启停的问题，本发明提供一种应用于电力排灌设施的需求响应调控装置和方法，用于支撑电力排灌设施参与需求响应业务，不光在电价和激励政策的基础上，为用户节约电费、获得补贴，还可以在需要负荷消纳时开启负荷，从而获得低价电能或获取补贴。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种应用于电力排灌设施的需求响应调控装置，包括微处理器模块、通信模块、安全模块、接口模块、数据采集模块、数据存储模块、实时时钟模块、看门狗模块和电源管理模块；

所述通信模块、安全模块、接口模块、数据采集模块、数据存储模块、实时时钟模块、看门狗模块均与微处理器模块双向连接，所述电源管理模块与微处理器模块和接口模块同时单向连接。

微处理器模块基于需求响应策略库中的需求响应策略，并匹配运行调控策略库中的运行调控策略，进而生成运行调控指令。

通信模块通过通信网络与需求响应服务器和用户移动终端进行通信，其将电力排灌设施的用电信息发送给需求响应服务器和用户移动终端，并接收需求响应服务器下发的电价信息和激励信息，同时接收用户移动终端下发的用户控制指令。

数据采集模块用于采集电力排灌设施的运行状态参数，并对采集的运行状态参数进行监测，同时还用于测量电力排灌设施的电参数和环境参数；

电参数包括各主机的电参数以及相关组成部件的电参数；

环境参数包括土壤湿度、水位和温度。

数据存储模块内置需求响应策略库和运行调控策略库，其用于存储电力排灌设施的基本信息、运行状态参数、电参数、环境参数以及历史数据；

基本信息包括电力排灌设施的编号、地址、用户电话和供电优先级。

需求响应服务器通过调用并匹配电力排灌设施的基本信息，区分并查找电力排灌设施。

安全模块用于验证数据采集模块采集的电力排灌设施的运行状态参数、电参数和环境参数的合法性，且对反馈信号进行加密，同时对用户基本信息进行保密，确保用户基本信息安全不外流，起到保护用户隐私的作用。

微处理模块通过接口模块完成运行调控指令的下发，所述接口模块包括数字接口、模拟接口、RJ45、RS232和RS485；

模拟接口采集模拟信号，并将采集的模块信号进行处理，之后产生并输出模拟控制信号；

数字接口采集数字信号，且用于判断电力排灌设施中各水泵机组的运行状态，之后产生和输出数字控制信号。

实时时钟模块为所述装置提供精准时间，防止发生电力排灌设施运行时段错误的情况，保证运行调控策略正常执行；

看门狗模块用于监控所述装置是否正常运行；

电源管理模块负责所述装置电能的管理和分配。

用户移动终端包括智能手机和平板电脑，用户通过用户移动终端实时远程监控电力排灌设施的运行状态，并在用户拒绝按照运行调控策略调控电力排灌设施时，由用户下发人为控制指令，当用户下发的人为控制指令与微处理器模块下发的运行调控指令冲突时，电力排灌设施按照用户下发的人为控制指令运行。

本发明还提供一种应用于电力排灌设施的需求响应调控方法，包括：

接收需求响应事件信息，并判断需求响应类别；

根据不同的需求响应类别匹配相应的需求响应策略；

根据需求响应策略执行运行调控策略。

接收需求响应事件信息，并判断需求响应类别具体包括：

接收需求响应服务器下发的需求响应事件信息；

根据需求响应事件信息判断需求响应类别，所述需求响应类别包括激励型需求响应和电价型需求响应。

根据不同的需求响应类别匹配相应的需求响应策略具体包括：

若需求响应类别为激励型需求响应，先接收并解析负荷消减信号或可再生能源消纳信号，然后根据激励型需求响应匹配相应的需求响应策略；

若需求响应类别为电价型需求响应，先接收电价信号，然后根据电价型需求响应匹配相应的需求响应策略。

根据不同的需求响应类别匹配相应的需求响应策略之后包括：

若需求响应类别为激励型需求响应，采集电力排灌设施的电参数、环境参数和运行状态参数，接着确定响应等级和响应容量，并上传反馈信号，最后判断是否满足需求响应事件要求，若满足接收需求响应服务器下发确认信号，若不满足则继续接收并解析负荷消减信号或可再生能源消纳信号并执行后续操作；

若需求响应类别为电价型需求响应，采集电力排灌设施的电参数、环境参数和运行状态参数，接着确定响应等级和响应容量，并上传反馈信号，需求响应服务器根据反馈信号下发确认信号。

判断是否满足需求响应事件要求具体包括：

将负荷削减计划或可再生能源消纳计划上传至需求响应服务器，所述需求响应服务器根据汇总结果下发信号，分为以下情况：

1)若汇总结果满足需求响应事件要求，所述需求响应服务器下发确认信号；

2)若汇总结果不满足需求响应事件要求，所述需求响应服务器下发重新制定需求响应策略信号，继续接收并解析负荷消减信号或可再生能源消纳信号，重新匹配需求响应策略并反馈，直到汇结果满足需求响应事件要求，此时需求响应服务器下发确认信号。

根据需求响应策略执行运行调控策略具体包括：

接收需求响应服务器下发的确认信号；

根据需求响应策略和确认信号执行运行调控策略。

根据需求响应策略执行运行调控策略之后包括：

根据响应等级，判断需求响应是否属于紧急性需求响应；若不属于紧急性需求响应，用户选择以手动方式或自动方式进行负荷控制；若属于紧急性需求响应，用户必须以自动方式进行负荷控制；

执行需求响应策略，并基于运行调控策略库中的运行调控策略，生成运行调控指令；

记录需求响应开始时间、结束时间、需求响应过程中电力排灌设施的电参数、环境参数以及运行状态参数，并将记录的上述信息加密后，发送至需求响应服务器。

用户选择以手动方式或自动方式进行负荷控制具体包括：

如果用户选择自动方式进行负荷控制，按照运行调控策略自动控制各水泵机组的启停；

如果用户选择手动方式进行负荷控制，由用户自行按照需求响应策略和运行调控策略执行结果对电力排灌设施进行调控。

需求响应策略包括响应参与对象信息、响应对象运行状态信息和响应时间安排信息。

针对价格型需求响应和激励型需求响应，相应的需求响应策略均应以不能对灌区内的作物产生影响为原则，具体分为以下情况：

对于仅含有单台水泵机组的电力排灌设施，首先确认水泵机组在需求响应时段的工作状态，将需求响应时段按照水泵机组运行的必要和紧急程度进行划分，需要负荷削减时优先在非必要运行时段关停或减小流量；

对于由至少两台水泵机组聚合的电力排灌设施，在满足需求响应要求的前提下，各需求响应时段均将水泵机组按照运行的必要和紧急程度选择需要响应的机组，具体操作为需要负荷削减时优先选择非必要运行水泵机组，需要负荷消纳时优先选择紧急水泵机组，最终确定响应负荷。

运行调控策略包括利用变频装置调节水泵机组的流量和启停整台水泵机组。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置内置需求响应策略库和运行调控策略库，不光响应负荷削减命令同时响应可再生能源消纳命令，且支持实时更新；

需求响应策略库中的需求响应策略结合电力排灌设施的运行状态参数和环境参数，确定机组各时段运行的必要性和紧急性，并制定响应机组的优先运行次序，最大程度的减少了机组负荷变化对生产生活的影响；

本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置内置电力排灌设施的运行调控策略库，将需求响应策略转化为针对电力排灌设施的运行调控指令；

本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置部署于电力排灌设施侧，能够采集电力排灌设施侧的用电参数和环境参数等，并能够调控其运行状态以响应电网侧或负荷聚合商需求响应信号要求，为用户节约成本或产生经济效益，提高了电网的运行可靠性；

在参与自动需求响应业务方面，本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置能够代替人工，自动实现电力排灌设施的负荷控制，避免人工参与带来的不确定因素；

本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置所针对的需求响应任务除了负荷削减类需求响应，还可以用于消纳可再生能源，在供大于求的时刻开启负荷，将一部分负荷转移至可再生能源发电供大于求的时段；

本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置既可以使排灌系统按照策略执行，同时又接受人工干预，并且用户人工干预命令的优先级较高，当用户下发指令后，停止需求响应策略执行，电力排灌设施直接按照用户指令运行；

对于通过负荷聚合商参与需求响应的水泵机组，由于部分负荷聚合商必须满足一定的响应任务，因此当负荷聚合商将反馈信息进行汇总后，不能满足削减任务时，负荷聚合商将重新下发响应指令，本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置具有在收到该类指令后重新匹配运行策略的功能；

针对不同的需求响应等级，本发明提供的应用于电力排灌设施的需求响应调控装置能制定出不同的运行调控策略，并且应用于电力排灌设施的需求响应调控装置内置对由多台水泵机组组成的电力排灌系统的运行调控策略，该运行调控策略能够根据来自电网侧需求响应服务器的需求响应事件信息，结合自身的运行参数、环境参数，对由多台水泵机组组成的电力排灌系统，综合考虑各水泵机组运行的必要性和紧急性，合理安排参与自动需求响应的机组的次序，在提高了自动需求响应业务的执行效率的同时，有效避免了因机组运行不合理造成的经济损失。

附图说明

图1是本发明实施例中应用于电力排灌设施的需求响应调控装置结构示意图；

图2是本发明实施例中应用于电力排灌设施的需求响应调控装置数据交换示意图；

图3是本发明实施例中应用于电力排灌设施的需求响应调控方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提出对电力排灌设施进行自动需求响应调控，既削减了用电高峰，缓解了电网压力，提升了电网运行可靠性；又减少了用户手动操控排灌设施的工作量，为用户提供了便利；还在弃光、弃风情况严重的背景下，为有效的消纳可再生能源发电提供了技术支持。

本发明提供一种应用于电力排灌设施的需求响应调控装置，如图1和图2，包括微处理器模块、通信模块、安全模块、接口模块、数据采集模块、数据存储模块、实时时钟模块、看门狗模块和电源管理模块；

通信模块、安全模块、接口模块、数据采集模块、数据存储模块、实时时钟模块、看门狗模块均与微处理器模块双向连接，电源管理模块与微处理器模块和接口模块同时单向连接。

微处理器模块基于需求响应策略库中的需求响应策略，并匹配运行调控策略库中的运行调控策略，进而生成运行调控指令。

通信模块通过通信网络与需求响应服务器和用户移动终端进行通信，其将电力排灌设施的用电信息发送给需求响应服务器和用户移动终端，并接收需求响应服务器下发的电价信息和激励信息，同时接收用户移动终端下发的用户控制指令。

数据采集模块用于采集电力排灌设施的运行状态参数，并对采集的运行状态参数进行监测，同时还用于测量电力排灌设施的电参数和环境参数；

电参数包括各主机的电参数以及相关组成部件的电参数；

环境参数包括土壤湿度、水位和温度。

数据存储模块内置需求响应策略库和运行调控策略库，其用于存储电力排灌设施的基本信息、运行状态参数、电参数、环境参数以及历史数据；

基本信息包括电力排灌设施的编号、地址、用户电话和供电优先级。

需求响应服务器通过调用并匹配电力排灌设施的基本信息，区分并查找电力排灌设施。

安全模块一方面用于验证数据采集模块采集的电力排灌设施的运行状态参数、电参数和环境参数的合法性，另一方面，为了防止发送出的信息被篡改，安全模块对反馈信号进行加密，同时对用户基本信息进行保密，确保用户基本信息安全不外流，起到保护用户隐私的作用。

微处理模块通过接口模块完成运行调控指令的下发，接口模块包括数字接口、模拟接口、RJ45、RS232和RS485；

模拟接口采集模拟信号，并将采集的模块信号进行处理，之后产生并输出模拟控制信号；

数字接口采集数字信号，且用于判断电力排灌设施中各水泵机组的运行状态，之后产生和输出数字控制信号。

实时时钟模块为装置提供精准时间，防止发生电力排灌设施运行时段错误的情况，保证运行调控策略正常执行；

看门狗模块用于监控装置是否正常运行；

电源管理模块负责装置电能的管理和分配。

用户移动终端包括智能手机和平板电脑，用户通过用户移动终端实时远程监控电力排灌设施的运行状态，并在用户拒绝按照运行调控策略调控电力排灌设施时，由用户下发人为控制指令，当用户下发的人为控制指令与微处理器模块下发的运行调控指令冲突时，电力排灌设施按照用户下发的人为控制指令运行。

本发明提供的需求响应调控装置安装于电力排灌设施设备侧，对上通过通信网络与需求响应服务器和用户移动终端进行通信；对下根据实际情况，选择现场分布式总线或其他局域网络与电力排灌设施各水泵机组通信。

本发明还提供一种应用于电力排灌设施的需求响应调控方法，如图3所示，具体包括：

S101：接收需求响应事件信息，并判断需求响应类别；

S102：根据不同的需求响应类别匹配相应的需求响应策略；

S103：根据需求响应策略执行运行调控策略。

S101具体过程如下：

接收需求响应服务器下发的需求响应事件信息；

根据需求响应事件信息判断需求响应类别为激励型需求响应或电价型需求响应。

S102具体过程分为以下情况：

情况1：若需求响应类别为激励型需求响应，先接收并解析负荷消减信号或可再生能源消纳信号，然后根据激励型需求响应匹配相应的需求响应策略；

情况2：若需求响应类别为电价型需求响应，先接收电价信号，然后根据电价型需求响应匹配相应的需求响应策略。

S102之后分两种情况：

情况1：若需求响应类别为激励型需求响应，采集电力排灌设施的电参数、环境参数和运行状态参数，接着确定响应等级和响应容量，并上传反馈信号，最后判断是否满足需求响应事件要求，若满足接收需求响应服务器下发确认信号，若不满足则继续接收并解析负荷消减信号或可再生能源消纳信号并执行后续操作；

判断是否满足需求响应事件要求具体过程如下：

将负荷削减计划或可再生能源消纳计划上传至需求响应服务器，需求响应服务器根据汇总结果下发信号，分为以下情况：

1)若汇总结果满足需求响应事件要求，需求响应服务器下发确认信号；

2)若汇总结果不满足需求响应事件要求，需求响应服务器下发重新制定需求响应策略信号，继续接收并解析负荷消减信号或可再生能源消纳信号，重新匹配需求响应策略并反馈，直到汇结果满足需求响应事件要求，此时需求响应服务器下发确认信号。

情况2：若需求响应类别为电价型需求响应，采集电力排灌设施的电参数、环境参数和运行状态参数，接着确定响应等级和响应容量，并上传反馈信号，需求响应服务器根据反馈信号下发确认信号。

S103具体包括：

接收需求响应服务器下发的确认信号；

根据需求响应策略和确认信号执行运行调控策略。

S103之后还执行如下操作：

1)根据响应等级，判断需求响应是否属于紧急性需求响应：

1-1)若不属于紧急性需求响应，用户选择以手动方式或自动方式进行负荷控制；具体分为以下情况：

如果用户选择自动方式进行负荷控制，按照运行调控策略自动控制各水泵机组的启停；

如果用户选择手动方式进行负荷控制，由用户自行按照需求响应策略和运行调控策略执行结果对电力排灌设施进行调控。

1-2)若属于紧急性需求响应，用户必须以自动方式进行负荷控制；

2)执行需求响应策略，并基于运行调控策略库中的运行调控策略，生成运行调控指令；(对于单台水泵机组，其实际功耗受流量影响，因此需求响应策略涉及水泵的启停时段和开启状态时各时段的流量；对于由多台水泵机组并联构成，并可单独调节各个水泵的排灌系统，响应策略的制定需要综合考虑多台水泵的启停时段和各时段的流量，使整个系统的响应情况最优)

3)记录需求响应开始时间、结束时间、需求响应过程中电力排灌设施的电参数、环境参数以及运行状态参数，并将记录的上述信息加密后，发送至需求响应服务器。

需求响应策略包括响应参与对象信息、响应对象运行状态信息和响应时间安排信息。

针对价格型需求响应和激励型需求响应，相应的需求响应策略均应以不能对灌区内的作物产生影响为原则，具体分为以下情况：

对于仅含有单台水泵机组的电力排灌设施，首先确认水泵机组在需求响应时段的工作状态，将需求响应时段按照水泵机组运行的必要和紧急程度进行划分，需要负荷削减时优先在非必要运行时段关停或减小流量；

对于由至少两台水泵机组聚合的电力排灌设施，在满足需求响应要求的前提下，各需求响应时段均将水泵机组按照运行的必要和紧急程度选择需要响应的机组，具体操作为需要负荷削减时优先选择非必要运行水泵机组，需要负荷消纳时优先选择紧急水泵机组，最终确定响应负荷。例如，在接收到负荷削减命令后，如果在某时刻某一台机组必须保持正常运行，则在制定该时刻策略时，将负荷削减任务分配给其他机组，以保证该机组正常运行。

运行调控策略包括利用变频装置调节水泵机组的流量和启停整台水泵机组：

(1)利用变频装置调节水泵机组的流量：

对于装有变频装置的水泵拖动电机，电机的运行功率受水泵流量影响，因此可以通过控制流量调节机组的运行功率。变频装置根据为机组设置的流量，控制变频器的频率，自动改变水泵电机的转速，最终达到调节机组运行功率的目的。

(2)启停整台机组：

该运行调控策略负荷变化量大且快速，对于未安装变频装置的机组，将出现较大的瞬时冲击电流，对电网可能造成影响。

运行调控策略集成了对单台水泵机组的分时段调控、对多台水泵机组的分时段联合调控两方面策略；

单台水泵机组分时段调控指对于同一台水泵机组，根据其各时段运行必要性不同，调整其各时段的启停状态或流量。

多台水泵机组分时段联合调控指对由多台机组组成的电力排灌系统，以整体响应情况最优为目标，在需要负荷削减时优先选择非必要运行机组关停，减少对排灌效果的影响；

可用于响应需求响应服务器下发的可再生能源消纳命令，对于由多台水泵聚合的电力排灌系统，在满足响应要求的前提下，为避免造成其他的经济损失，各时刻均将机组按照运行的必要和紧急程度进行排序，优先选择开启紧急机组。

同时，需求响应执行过程中，电力排灌设施相关参数也将被实时采集，并被发送至用户控制系统或需求响应执行机构的监测系统等。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。