用于离网微电网管理的系统、设备和方法与流程
背景技术：
停电往往会对关键基础设施造成严重破坏并扰乱人们的生活。根据华盛顿公用事业和运输委员会(washingtonutilitiesandtransportationcommission，utc)的说法，三大停电原因类别是天气、火灾和公共原因。他们各自的贡献分别为27.6％、16.6％和12.4％。从这些事件中恢复经常需要临时住房，这些临时住房可能不容易由损坏的主电网供电。特别地，居住在偏远村庄的人们可能经常需要依靠柴油发电机、光伏或电池作为主要电源，以便在电网基础设施重建之前满足他们几个月的日常能量需求。因此，部署具有自动能量管理单元的微型微电网是快速建立满足基本能量需求的本地化功率供应系统的切实可行的方法。参见a.khodaei,“resiliency-orientedmicrogridoptimalscheduling,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.5,no.4,pp.1584-1591,jul.2014；以及s.bahramirad,w.reder和a.khodaei,“reliability-constrainedoptimalsizingofenergystoragesysteminamicrogrid,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.3,no.4,pp.2056-2062,dec.2012，每一篇均通过引用整体结合于本文。
此外，微电网也是其他应用(诸如临时房屋、军事基地、航空母舰和移动房屋)的理想选择。通常，当人们在偏远地区或路上扎营时，主电网不再可用。在这些情况下，由于能量供应的限制，人们更愿意管理他们的能量使用，以便满足他们最重要的需求。
设计微电网控制器或能量管理系统，以提供电网服务或最大限度地减少客户的能量账单，在m.a.a.pedrasa,t.d.spooner和i.f.macgill,“coordinatedschedulingofresidentialdistributedenergyresourcestooptimizesmarthomeenergyservices,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.1,no.2,pp.134-143,sep.2010；m.pipattanasompom,m.kuzlu和s.rahman,“analgorithmforintelligenthomeenergymanagementanddemandresponseanalysis,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.3,no.4,pp.2166-2173,dec.2012；p.palensky和d.dietrich,“demandsidemanagement：demandresponse,intelligentenergysystems,andsmartloads,”ieeetransactionsonindustrialinformatics,vol.7,no.3,pp.381-388,aug.2011；以及p.du和n.lu,“appliancecommitmentforhouseholdloadscheduling,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.2,no.2,pp.411-419,jun.2011中被描述，每一篇均通过引用整体结合于本文。
家庭能量管理(homeenergymanagement，hem)算法可以在以下假设下管理微型微电网规模(即单个家庭水平)的终端使用：(1)在正常操作下，房屋连接到主电网，(2)分布式发电机(distributedgenerator，dg)和能量存储设备主要用于仲裁或提供不同类型的电网服务，以及(3)优先考虑保持客户舒适度(comfort)，以便减少或延迟能耗仅用作满足节能目标的补充方法。参见b.jiang和y.fei,“smarthomeinsmartmicrogrid：acost-effectiveenergyecosystemwithintelligenthierarchicalagents,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.6,no.1,pp.3-13,jan.2015；h.kanchev,d.lu,f.colas,v.lazarov和b.francois,“energymanagementandoperationalplanningofamicrogridwithapv-basedactivegeneratorforsmartgridapplications,”ieeetransactionsonindustrialelectronics,vol.58,no.10,pp.4583-4592,oct.2011；x.zhu,j.yan,l.dong和n.lu,“amatlab-basedhomeenergymanagementalgorithmdevelopmenttoolbox,”inieeepowerandenergysocietygeneralmeeting(pesgm),2016,pp.1-5；以及q.hu和f.li,“hardwaredesignofsmarthomeenergymanagementsystemwithdynamicpriceresponse,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.4,no.4,pp.1878-1887,dec.2013，每一篇均通过引用整体结合于本文。
前述“背景技术”描述是为了概括地呈现本公开的上下文。发明人的工作，在本背景技术部分所描述的范围内，以及在提交时可能不符合现有技术的描述方面，既不明确也不隐含地被承认为是本发明的现有技术。
技术实现要素：
本公开涉及一种用于管理离网功率供应(off-gridpowersupply)的方法。该方法包括从一个或多个负载获取数据。一个或多个负载连接到离网功率供应。该方法还包括基于所获取的数据对一个或多个负载建模，估计与离网功率供应相关联的能量存储设备(energystoragedevice，esd)的充电状态，以及确定一个或多个负载中的每一个的操作状态。操作状态至少基于esd的充电状态以及一个或多个负载中的每一个的类别。基于操作状态控制每个负载。
本公开还涉及一种用于管理离网功率供应的系统。该系统包括能量存储设备和控制器。控制器被配置为从连接到能量存储设备的一个或多个负载获取数据；基于所获取的数据对一个或多个负载建模；估计能量存储设备的充电状态；至少基于能量存储设备的充电状态和一个或多个负载中的每一个的类别来确定一个或多个负载中的每一个的操作状态；并且基于所确定的操作状态来控制每个负载。
本公开还涉及一种能量存储设备。能量存储设备包括控制器，该控制器被配置为从连接到能量存储设备的一个或多个负载获取数据；基于所获取的数据对一个或多个负载建模；估计能量存储设备的充电状态；至少基于能量存储设备的充电状态和一个或多个负载中的每一个的类别来确定一个或多个负载中的每一个的操作状态；并且基于所确定的操作状态来控制每个负载。
前述段落是作为一般性介绍提供的，并不旨在限制所附权利要求的范围。通过结合附图参考以下详细描述，将最好地理解所描述的实施例以及进一步的优点。
附图说明
通过参考以下结合附图的详细描述，可以更好地理解本公开及其多个伴随的优点，从而容易获得更完整的理解，其中：
图1是根据一个示例的移动能量管理系统的示例图；
图2a是根据一个示例的配电板(electricpanel)的框图；
图2b是根据另一示例的配电板的框图；
图3是示出根据一个示例的基于任务的负载建模的示意图；
图4是示出根据一个示例的室温概况(profile)和相应的空调状态的示意图；
图5是示出根据一个示例的消耗概况的示意图；
图6a-6h是示出根据一个示例的移动能量管理系统的多个用户界面的示意图；
图7是示出根据一个示例的洗衣机负载建模的示意图；
图8是示出根据一个示例的功率限额(cap)控制的示意图；
图9是根据一个示例的用于管理离网微电网的方法的流程图；
图10是示出根据一个示例的能量存储设备状态和相应的用户舒适度概况的示意图；
图11是示出根据一个示例的用于多个测试情况的能量存储设备的充电状态的示意图；
图12是示出根据一个示例的来自微电网控制器的测量数据的示意图；
图13是示出根据一个示例的能量存储设备充电状态的示意图；
图14是示出根据一个示例的室温概况的示意图；
图15是示出根据一个示例的断电期间系统总功耗的示意图；
图16是根据一个示例的计算机的示例性框图；
图17是示出根据一个示例的智能开关原型的示意图；
图18a和图18b是示出根据一个示例的移动能量管理模块原型的示意图；和
图19是示出根据一个示例的发光二极管(lightemittingdiode，led)用户界面的示意图。
具体实施方式
现在参考附图，其中在几个视图中相同的附图标记表示相同或相应的部件，以下描述涉及用于管理离网微电网的系统、设备和相关方法。
微型微电网可以是由非常有限的能量供应源(例如柴油发电机、电池组或光伏板)供电的单相功率供应系统。能量容量和功率容量两者都有上限和下限，因此微型微电网中的能耗必须被小心管理。本文所描述的系统满足期望的功率供应持续时间，并将峰值负载保持在功率要求的限度内。
在一个实施方式中，分布式发电机(dg)和电池是满足功率需求的唯一手段。此外，减少或延迟负载是满足控制目标的主要方法，即满足供应持续时间要求，并将每分钟功耗保持在其上限和下限内。
图1是根据一个示例的移动能量管理系统100的示例图。系统100可以包括移动能量管理模块或单元(mobileenergymanagementunit，m-emu)102、控制器104、能量源112和能量存储设备(esd)114。esd114存储由能量源112生成的能量。能量源112可以是可再生发电系统，诸如太阳能光伏(photovoltaic，pv)。可再生发电系统可以包括风力发电系统(例如，风力涡轮机)、液压能量源、用于加热和发电的微型热电联产(combinedheatandpower，chp)单元、或者来自可再生资源(诸如雨、潮汐或波浪)的任何其他能量系统。esd114可以是电能存储设备、燃料电池、热能存储设备、生物电化学能量存储设备、混合能量存储设备、不间断电源(uninterruptiblepowersupply，ups)等。esd114可以是一个或多个电池。能量源112可以是电网。
m-emu102包括本地控制器106、传感器和致动器108、配电板110和通信模块。m-emu102管理连接到配电板110的电器和负载的功率供应。
微电网电器可分为三个类别：必须运行的基本负载(如照明和计算机)、恒温控制的负载(如便携式冰箱和空调)和可中断负载(如风扇和充电器)。
所有负载都通过配电板110来控制和监测，配电板110包括预定数量的开关和/或插座，它们都可以由模块102来监测和控制。在一个实施方式中，配电板110可以包括最少三个开关/插座，每个开关/插座对应于微电网电器的类别。开关是预先排序和预先分类的。必须运行的负载连接到第一类(多个)开关(或插座)，必须运行的负载具有要被供电的最高优先级。恒温控制的负载(可延迟且可中断)连接到第二类(多个)开关(或插座)。可中断负载可以连接到第三类(多个)开关(或插座)，并且具有最低优先级。
配电板110可以连接到esd114。m-emu102可以位于esd114或配电板110上。m-emu102通过监测和控制智能开关和/或插座来管理能量使用。功率和能量限制由esd114(例如ups单元)的状态决定。m-emu102可以不控制esd114的充电。相反，m-emu102可以基于esd114的实时充电状态(state-of-charge，soc)来更新操作约束。
能量管理系统的控制与任务监测分离，使得m-emu102设计独立于功率供应侧布局。本文所描述的方法通过简化m-emu102的输入和输出提供了模块化设计的优点。m-emu102与esd114通信，以获得esd114和(例如，连接到主电网、连接到pv或连接到柴油发电机)的soc的当前充电/放电状态。m-emu102与配电板110中用于监测负载情况和发出on/off命令的智能开关接口。由于配电板110是预先排序和预先分类的，它简化了m-emu的控制设计以及用户界面。因此，系统100可以自动切换到备用功率模式(backuppowermode)或者切换回电网连接模式。
本地控制器106可以实现图形用户界面(graphicaluserinterface，gui)、soc和负载预测算法以及能量管理算法。当来自esd的测量不可用时，gui允许用户输入esd114初始条件和连接模式(例如，离网、与pv连接、连接到主电网等)。
本地控制器106在中央控制器104和包括esd114、配电板110的开关和插座以及传感器108的微型微电网设备之间提供中间链路。本地控制器106可以从集成有用户设置的中央控制器104下载并执行能量管理算法。本地控制器106捕获来自传感器108的测量，计算实时消耗数据或其他环境信息，并控制智能开关和/或插座的开启/关闭(on/off)。本地控制器106还可以向中央控制器104报告与esd114和配电板110相关联的数据。
当更新可用时，或者当经由网络的连接可用时，中央控制器104可以每隔预定时段(例如，一个月)更新存储在本地控制器106中的算法和数据。
传感器和致动器108可以通过无线或有线链路与本地控制器106通信。传感器和致动器108可以收集测量，诸如电压、电流、功率、温度、太阳辐射或湿度。通信模块提供中央控制器104和本地控制器106之间的双向无线通信路径。
在一个实施方式中，当至少一个可调度的能量源、诸如电网或发电机组(genset)(例如柴油发电机、柴油机和发电机的组合)可用时，m-emu102可以直接连接到能量源112。例如，当至少一个可调度的能量源(例如，pv和发电机组)连接到系统时，可以实现到配电板110的直接连接(绕过esd)。
合适的网络可以包括本地内联网、个人区域网(personalareanetwork，pan)、局域网(localareanetwork，lan)、广域网(wideareanetwork，wan)、城域网(metropolitanareanetwork，man)、虚拟专用网(virtualprivatenetwork，vpn)或存储区域网(storageareanetwork，san)中的任何一个或多个，或者与它们接口。
本文所描述的模块可以实现为软件和/或硬件模块，并且可以存储在任何类型的计算机可读介质或其他计算机存储设备中。例如，本文所描述的每个模块可以在可编程的电路(例如，基于微处理器的电路)或专用电路(例如，专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits，asics)或现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearrays，fpgas))中实现。在一个实施例中，中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)可以执行软件来执行可归于本文所描述的每个模块的功能。cpu可以执行用诸如java、c或汇编等编程语言所编写的软件指令。模块中的一个或多个软件指令可以嵌入到固件(诸如可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom))中。
图2a是根据一个示例的配电板110的框图。配电板110可以包括一个或多个必须运行的基本负载开关/插座202、一个或多个恒温控制的负载(thermostaticallycontrolledload，tcl)开关/插座204、以及一个或多个可中断负载(即，基于任务的负载)开关/插座206。当功率和能量存储两者都受到限制时，从最高优先级到最低优先级为负载提供服务。当用户选择将负载插入配电板110中的智能开关/插座时，由用户分配优先级。图2b是配电板110的框图，其包括必须运行的基本负载，诸如开关/插座202a、202b、202c和tcl开关/插座204a、204b、204c，以及基于任务的负载，诸如开关/插座206a、206b、206c。
本地控制器106对电器建模，以预测电器何时将被打“开”，电器保持“开”多长时间，以及功耗。对于不同的能量管理系统(energymanagementsystem，ems)应用，建模方法和假设可能不同。例如，当住宅连接到主电网时，当不太可能违反功率或能量限制时，可以自由地开启和关闭电器。然而，如果基于使用情况或峰值负载有多高，以不同的费率对能耗收费，家庭能量控制器会限制峰值，并避免在高价格时段的能量使用。与用户的舒适度相比，节省的金钱通常不足以保证限制电器使用。因此，电器的建模通常基于从历史数据导出的统计数据，并且受到客户行为变化的影响。
然而，在微型微电网中，功率和能量存储都是有限的，因此可以密切地监测和控制功耗，以实现可靠操作并满足临界负载。在大多数情况下，只有在能量或功率限制得到满足后，用户的舒适度才能得到尊重。因此，基于逐分钟测量，使用数据驱动的电器建模方法来构建电器模型。
与电网连接的住宅不同，对于微型微电网，使用前几周或前几年的历史数据来预测负载消耗可能不切实际。首先，可控负载的操作模式受m-emu102控制方案的影响很大。第二，消耗模式在m-emu应用中通常非常灵活。例如，如果能量供应低，人们可以选择吃冷的食物而不是热的食物。本文描述了一种基于从传感器108获取的最近测量(和数据)对负载建模的数据驱动的、事件触发的电器建模方法。
基于任务的负载(task-basedload，tbl)是非循环可控负载，其消耗需要在可允许延迟的持续时间内完成。tbli通过基于任务的负载开关/插座206连接到微型微电网。有两个用户指定的变量：优先级wi∈[1，ntbl]和最大任务完成延迟di。注意，ntbl是激活的tbl开关的数量。wi的默认值为1，这是最低优先级。di的默认值是剩余调度时段。
一旦tbl被连接到配电板110，tbl可以被置于待机状态。基于其调度算法的结果，m-emu102可以随时开启智能开关以在开始时间
其中，si(j)是电器i在时间j的状态(j为1是开启(on)且为0是关闭(off))，
如果早于
在本地控制器106在其操作中途关闭电器之后，如果电器在再次开启时能够恢复其操作，则该电器被认为是可中断负载(interruptibleload，il)，并被建模为：
等式(5)也可以表示为pi(t)＝pi(t，n)×si(t)，其中pi(t)是负载i在时间t的功率；si(t)是负载i的开/关(1/0)状态，prated,i是ili的额定功率；以及pi(t，n)是时间t处、cli的阶段n处的功耗；
如果电器可以被延迟但不能被中断，则该电器将被视为可延迟负载(deferrableload，dl)，并被建模为：
其中
图3是示出根据一个示例的基于任务的负载建模的示意图。示意图302示出了调度时段内tbl的功率概况。示意图304示出了调度时段内tbl的功率概况。示意图306示出了调度时段的dl的功率概况。
恒温控制的负载(tcl)可以在开启(on)和关闭(off)之间进行负载循环，以便在其操作期间将温度(例如，空调单元的室温)控制在死区(deadband)内。假设当tcli开启时，tcl可以以恒定的功率
其中，
开发了数据驱动的tcl模型，以基于测量计算温度变化率。
tdeadband＝thigh-tlow(9)
kdec＝-tdeadband/ton(10)
kinc＝tdeadband/toff(11)
其中tdeadband是tcl的期望温度死区，thigh是期望温度上限，tlow是期望温度下限，kdec是当冷却tcl开启(on)时的温度下降率，kinc是当冷却tcl关闭(off)时的温度上升率，ton是tcl开启(on)的持续时间，并且toff是tcl关闭(off)的持续时间。
当tcl的开启(on)和关闭(off)由tcl开关204控制时，控制器106在
图4是示出根据一个示例的预测的室温概况和相应的空调(airconditioning，ac)状态的示意图。示意图402示出了房间的温度概况。示意图404示出了相应的空调状态。
图5是示出根据一个示例的消耗概况的示意图500。示意图500示出了典型的ac功耗概况。连接到必须运行的基本负载开关202的必须运行的负载具有运行的最高优先级，因此它们的消耗被认为是基本负载
能量存储设备的建模是使用来自esd制造商的数据(例如，ups的美国电力转换(americanpowerconversion，apc))制定的。参见，例如，p.du和n.lu,“appliancecommitmentforhouseholdloadscheduling,”ieeetransactionsonsmartgrid,vol.2,no.2,pp.411-419,june2011，通过引用整体结合于本文。在时间
其中a和b是系统参数；pf(t)是所有预测的负载功耗的总和；
图6是示出根据一个示例的图形用户界面(gui)600的示意图。gui600可以是被配置为允许用户与中央控制器104和本地控制器106交互的网站、网页门户、个人计算机应用或移动应用的部分。gui600为用户提供用于检索电器的状态和查看其消耗概况的界面。gui600显示从本地控制器106和/或中央控制器104所获得的操作统计数据。
gui600可以包括“参数设置”窗格602、显示窗格604、“估计电池时间”窗格606和“电源”窗格608。“估计电池时间”窗格606示出了估计的剩余esd时间。“电源”窗格608示出了系统100的当前功率的源。显示窗格604可以示出电池充电状态和估计电池时间。用户可以使用“参数设置”窗格602输入系统100的设置。例如，在激活控件610时，可以向用户呈现下拉菜单、搜索框或用于识别要使用的esd的其他选择控件。gui600还可以包括优先级控件612、功率限制控件614和电池soc限制控件616。在激活优先级控件612时，可以向用户呈现设备优先级的设置面板。图6b中示出了示例性设置面板。在激活功率限制控件614时，可以向用户呈现系统功率限制的设置面板。图6c示出了系统功率控制的示例性设置面板。在激活电池soc限制控件616时，可以向用户呈现用于esdsoc限制的设置面板。在图6d中示出了用于esdsoc限制的示例性设置面板。
gui600也可以为系统提供不同的控制方案。例如，gui600可以包括“无控制”按钮618、“最小运行时间控制”按钮620、“功率限额控制”按钮622和“定制控制”按钮624。用户可以基于当前状态选择控制方案。例如，在选择“无控制”按钮618时，不对任何设备或esd施加控制动作。所有设备都与其相关联的自然条件一起运行。当按钮620、622或624被激活时，可以向用户呈现用于设置控制参数的弹出面板。图6e示出了用于移动能量管理系统的示例性控制参数设置面板。在激活按钮620时，可以向用户呈现示例性控制参数设置面板。在该控制方案中，所需的最小系统运行时间由用户设置。在激活按钮622时，可以向用户呈现用于移动能量管理系统的控制参数设置面板。用户为每个负载设备设置单独的功率限制。图6f示出了示例性面板。在激活按钮624时，可以向用户呈现控制参数设置面板。用户可以将不同的控制方案集成在一起。图6g示出了示例性面板。在图6g中，“auto”选择/复选框626为相关插头(plug)提供自动控制。选择/激活“tem”选择/复选框628指示相关插头连接到恒温控制的负载。选择/激活“p_cap”选项630为相关插头使能限额文本框632。用户可以在文本框中指定设备的功率限制。用户还可以激活运行时控制634来设置最小系统持续时间要求。图6h是示出为设备设置温度范围的用户界面636的示意图。当为设备激活“tem”选择/复选框628时，向用户呈现用户界面636。
在一个实施方式中，当电器首次连接到微型微电网时，该电器连接到具有测量功能的校准智能开关/插座，以便可以逐分钟或在预定情况下测量和记录其来自t＝[0，τend]的功耗pmeasure(t)。如图7所示，曲线702是从洗衣机循环测量的pmeasure(t)；并且曲线704是从曲线702导出的电器模型pmodel(t)。由于动态操作不是主要问题，尖峰可以被忽略，并且总能耗应该大致相同。
由于微型微电网是为离网操作(例如电网断电或无电网可用)而设计的，并且esd114作为已插入的电器的主要供应，因此一个重要的操作参数是系统所需的持续时间。在一个实施方式中，微型微电网可以包括nbl个必须运行的负载、ntbl个tbl和ntcl个tcl。假设调度时段为
本文所描述的滚动功率限额(rollingpower-cap，rpc)算法基于资源的稀缺性来计算供应的成本。首先，在每个时间间隔
基于负载聚合的惩罚比b(t)可以通过应用等式(15)来计算。注意，本文所描述的方法的主要目的是保证用户的供应持续时间，因此，只要dg可用，就可以尽可能多地利用dg，并且m-emu102可以支持更多的负载。
具有优先级wj，tbl和wk，tcl的任务延迟和温度设置点的惩罚函数被计算为：
ck，tcl(t)＝0.5×wk，tcl×[tk，tbl(t)-tk，set]2(17)
其中cj，tbl(t)和ck，tcl(t)分别是tblj和tclk的不舒适度的惩罚，tk，set是tclk的温度设置点，并且wj，tbl、wk，tcl分别是tblj和tclk的预设优先级。
因此，由移动能量存储单元供电的微型微电网的微型微电网最优能量管理(optimalenergymanagement，oem)问题可以被表达为：
注意，等式(19)限制了微型微电网的总功耗小于电池功率限制
在每个预定时段的开始，本地控制器106从配电板110接收测量。然后，本地控制器106可以使用等式(1)-(3)和(7)为每个负载确定更新的负载预测。本地控制器106使用等式(13)来估计esd114的soc。注意，当计算esd114的soc时，由于关注的是能量而不是功率，所以使用平均功率
如果关闭一个tbl还不够，本地控制器106可以选择优先级列表底部的下一个。每次，tbl的
满足soc限制后，可以迭代地求解(14)-(20)所定义的滚动功率限额调度(r-pcap)算法。算法总结为算法1。
接下来，描述了基于规则的调度算法，该算法有助于在考虑居住者的设置和约束的同时，在对不同电器进行完美控制的情况下探索令人满意的备用持续时间。算法的概述列在表i中。算法2-4可以由本地控制器106实现。
表i：算法的简述
算法2的细节：当负载控制器106在每个时隙更新电器测量时，插头功率限额控制运行。每个插头都有自己的功率限制。如果已插入的电器的功率水平高于限制，那么该电器将被关闭。
算法3的细节：如果为微电网系统确定了总功率限额pcap，则实施功率限额控制。该算法的基本思想是将总功耗保持在安全区域附近，并将温度保持在该范围内。如图8所示，当总功率达到“高功率区域”时，具有最低优先级的运行电器关闭；而当总功率低于“安全区域”时，具有最高优先级的非运行设备被开启。此外，当能量充足或不足时，本地控制器106可以“预冷却”或“预加热”空间。用户可以通过在算法3中设置参数α和β、经由gui600设置触发点。
算法4的细节：算法4是本地控制器106的主要功能。控制器106在每个时间步骤的开始更新电器测量结果，然后基于电网状态运行不同的控制算法。本文所述的微电网控制不仅可用于在电网故障期间提供合适的备用持续时间，还可用于在接收到功率限制信号时实现需求响应事件的负载削减。
m-emu102最大化用户舒适度。用户舒适度可以被量化以说明本文所描述的控制算法的效果。对于基本负载(baseload，bl)，所需的操作时间是完整的调度范围，bl的用户舒适度ucbl被定义为：
对于tbl，舒适度通过造成了多少延迟和中断来评估。因此，如果所需的操作时间为τtbl，则tbl的用户舒适度ucbl被计算为：
在一个实施方式中，每个tcl的可接受温度被设置为tset±2℃。因此，热舒适度被表达为：
因此，总用户舒适度uctotal被表达为：
图9是示出根据一个示例的用于管理离网微电网的方法的流程图900。该方法可以由本地控制器106实现。在步骤902，本地控制器106可以获取电源状态。例如，本地控制器106可以确定来自主电网或其他发电机的功率是否可用。在一个实施方式中，本地控制器106可以检查来自用户的输入是否指示断电或调度断电。用户可以输入断电的总持续时间或期望的操作时段。
在步骤904，响应于检测到触发离网操作的事件(例如，没有来自电网的功率)，过程进行到步骤908。响应于确定没有检测到触发离网操作的事件，过程进行到步骤906。在步骤906，系统100以电网连接模式操作。
在步骤908，系统100以备用功率模式操作。在步骤910，本地控制器106通过传感器108获取esd的充电状态。在步骤912，本地控制器106获取已连接的负载(例如，电器)的状态。例如，本地控制器106可以确定连接到配电板110的负载/电器的数量。
在步骤914，本地控制器106可以基于本文如前所述的与负载相关联的开关/插座的类别，对连接到配电板110的负载/电器中的每一个建模。
在步骤916，本地控制器106可以确定下一调度时段的操作状态。例如，本地控制器106可以实现本文前面所描述的基于soc的微电网备用持续时间控制。例如，步骤910至918每隔预定时段(例如，5分钟)重复一次，直到本地控制器106在功率恢复时运行电网连接模式。
为了说明本文所描述的系统和相关方法的能力，呈现了示例性结果。
在示例性模拟中使用了逐分钟细计量的电器消耗概况。这些数据是由pecanstreet项目从德克萨斯州奥斯汀的住宅收集的。负载的汇总在表ii中给出。使用商业数学软件gurobitm来求解方程(18)，以获得每个负载的开启/关闭(on/off)状态sn(t)。
将受控和非受控(non-controlled，nc)情况之间的uctotal与不同的持续时间要求(4、6和8小时)进行比较。对于nc情况，tcl和tbl基于设备级控制器被开启/关闭(on/off)，而不受来自m-emu102的任何干扰。在受控情况下，m-emu102实现r-pcap算法，并基于运行这些负载的预定优先级来管理tcl和tbl。对于受控情况，将本文所描述的基于模型的预测机制(表iii中的rp情况)与完全预测(表iii中的rp-pf情况)进行了比较。这导致了表iii中的九种测试情况。
表ii：微电网参数设置
表iii：测试情况设置
图10是示出根据一个示例的能量存储设备状态和用户舒适度概况的示意图。示意图1000示出了在调度时段的结束时的总用户舒适度和电池soc变化。在图11中绘制了每种情况下的soc曲线。与nc情况(即情况1、4和7)相比，m-emu102成功地控制了每个电器的状态，以满足供应持续时间要求。在开始阶段，太阳能发电足以支撑负载，并且esd114在18：00之后开始放电。如果供应持续时间为4或6小时，则受控情况优化了用户舒适度，因此，通过让可延迟负载完成其循环并最小化对可中断负载的中断，总体舒适度比非受控情况高得多。
但是，如果供应持续时间延长至8小时，为了保证必须运行的负载的供应持续时间，tcl和tbl负载将因大部分时间处于关闭而被牺牲。与以前的受控情况相比，这导致用户舒适度显著下降。剩下的soc也很低。当供应持续时间为4小时和6小时时，基于模型的预测算法表现良好。但是，如果供应持续时间为8小时，则供应资源在其限制下操作，对每个负载进行完美的预测可以产生更好的调度，从而在供应持续时间结束时获得更高的舒适度。
在另一个示例中，使用系统原型和实际负载模拟器在实验室环境中演示并进行了小规模硬件实施。
两块相同的arduinotm板用作原型的本地控制器106。这些是用于测量采样和命令执行两者的多用途负载控制器。还使用了zigbeetm通信模块和具有10a继电器的传感器。构建了可编程灯泡组来模拟基本负载。通过对微控制器进行编程，可以为微电网生成不同的基本负载概况。ups作为系统的能量存储设备。原型还提供了供客户插上他们的电器的面板。
如本文前面所讨论的，微电网系统集中于控制功率密集型负载，其可以包括ac、烘干机、热水器等。由于在实验室环境中使用实际电器的局限性，一些具有类似操作特征的电器被用来展示微电网控制器的功能。假设微电网的操作持续时间为40分钟，并且断电时间为21至30分钟。五个独立的电器(包括tcl)被插入到前面板中，并为每个插头分配了优先级列表。电池soc通过测量输出功率来计算。表iv概述了情景假设。
表iv：微电网参数设置
基于微电网原型进行了实验。考虑三种场景：无控制、功率限额和基于soc的功率限额。
场景1：无控制。如图12所示，前10分钟是没有任何功率限制或电网故障的基本情况。由于ac的操作，总功耗在此范围内具有几个脉冲，并且总功率超过系统的功率限额700w。电池处于闲置状态，并且无论是否使用算法控制，室温都被限制在给定的范围内。值得注意的是，由于足够的能量和α和β的算法设置，当室温达到给定范围的中点(约26.5℃)时，将提前开启具有算法控制的ac。所以室温实际上被限制在范围的底部区域(大约从23.4℃到26.5℃)。最后10分钟是断电后的恢复阶段。
场景二：功率限额。如图12的具有功率限额控制的示意图1200所示，功率限额控制负载削减发生在11至20分钟之间。这是因为，在此时段期间，ac(200w)、照明(200w)和基本负载(最大360w)的总功率几乎达到或超过功率限制。当基本负载低或ac单元关闭时，为了将总家庭消耗保持在限制以下，只能启动洗衣机或烹饪设备中的一个。另一方面，当温度高于触发点时，当有足够的能量可用时，空间可以被预冷却。当温度低于触发点时，微电网控制器可以提前关闭ac，开启其他具有较高或较低优先级的电器，从而减少cl的中继时间。如图14的示意图1400所示，室温被保持在给定范围的中心(大约从24.6℃到27.3℃)。
场景3：基于soc的功率限额。假设微电网系统经历20至30分钟的电网故障。在断电期间，负载控制器使用等式(4)计算动态功率限制，并将该动态功率限制应用于微电网。由于剩余持续时间要求的降低，如图15的示意图1500所示，功率限制有明显的上升趋势。此外，与图13中的示意图1300的“无控制”情况相比，具有控制的电池soc没有达到下限，这意味着微电网系统没有在完全断电模式下被激活，并且电器可以保持它们的操作。在断电的开始阶段，由于能量不足，虽然温度高于预设触发点，但微电网控制器直到温度达到上限才开启ac。
当温度下降到低于触发点时，ac被关闭(off)，然后较低优先级的电器可以有足够的能量来被开启(on)。在断电结束时，微电网控制器具有比以前更大的动态功率限额，因此可以开启更多的电器，并且温度可以达到场景1中的较低区域。在整个断电期间中，微电网控制器可以保持合理的温度范围，而如果没有控制，在电池耗尽能量的情况下，温度将超过范围。
在一些实施方式中，与模块中的每一个相关联的过程可以由控制器104的一个或多个处理器或者可以由包括云计算资源的其他计算资源来执行。
在一个实施方式中，本地控制器106的功能和过程可以由计算机1626实现。接下来，参考图16描述根据示例性实施例的计算机1626的硬件描述。在图16中，计算机1626包括执行本文所描述的过程的cpu1600。过程数据和指令可以存储在存储器1602中。这些过程和指令也可以存储在存储介质盘1604(诸如硬盘驱动器(harddrive，hdd)或便携式存储介质)上，或者可以被远程存储。此外，所要求的改进不受存储本发明过程的指令的计算机可读介质的形式的限制。例如，指令可以存储在cd、dvd、闪存、ram、rom、prom、eprom、eeprom、硬盘或计算机1626与之通信的任何其他信息处理设备(诸如服务器或计算机)中。
此外，所要求的改进可以作为实用应用(utilityapplication)、后台守护程序或操作系统的组件或者其组合来提供，结合cpu1600和诸如
为了实现计算机1626，硬件元件可以由本领域技术人员已知的各种电路元件来实现。例如，cpu1600可以是来自
图16中的计算机1626还包括网络控制器1606，诸如来自美国英特尔公司的
计算机1626还包括显示控制器1608，诸如来自
通用存储控制器1620将存储介质盘1604与通信总线1622连接，通信总线1622可以是isa、eisa、vesa、pci或类似总线，用于互连计算机1626的所有组件。显示器1610、键盘和/或鼠标1614以及显示控制器1608、存储控制器1620、网络控制器1606和通用接口1612的一般特征和功能的描述在本文被省略，因为这些特征是已知的。
图17是示出根据一个示例的智能开关原型的示意图。智能开关1700可以包括在配电板110中。智能开关1700被设计为提供诸如开启/关闭(on/off)状态控制、功率监测和多重感测的功能。智能开关1700包括手动开关，因此用户可以手动控制开启/关闭(on/off)状态。智能开关1700还可以从本地控制器106或中央控制器104接收控制命令，并切换继电器模块以实现自动控制。智能开关1700包括用于功率监测的三个模拟通道：电压、小电流(小于1a)和大电流(大于1a)。智能开关1700还可以包括用于多个传感器的三个附加的模拟通道。例如，当智能开关1700连接到恒温控制的负载时，智能开关1700可以包括温度传感器。
图18a和图18b是示出根据一个示例的移动能量管理模块原型1800的示意图。原型包括六个智能开关，诸如图17所示的智能开关。智能开关可以与电池和五个不同的负载相关联。功率监测和传感器测量数据可以通过zigbeetm通信模块被传输到中央控制器104，或者通过铜电路被传输到机载本地控制器106。
图19是示出根据一个示例的发光二极管(led)用户界面1900的示意图。如图19所示，led用户界面1900可以显示电池的剩余soc、系统的剩余备用时间以及每个设备的状态。用户可以通过led屏设置不同的参数。
本公开的特征在微电网管理的技术领域中提供了多种改进。具体地，控制器基于下一预定时段的esd的充电状态来识别多个开关和插座中的每一个的操作模式。由于收集和计算数据的绝对复杂性，本文所描述的方法不能由人来实现，并且包括各种新颖的特征和元素，其结果明显不仅是任何抽象概念。本文所描述的方法可以用于不同类型的负载(例如，基本负载、tcl和基于任务的负载)。因此，本文所描述的实施方式改善了esd的功能。因此，本文所描述的系统和相关方法明显不仅是基于本文所描述的改进和优点的抽象概念。
显然，根据上述教导，多种修改和变化是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于本文所具体描述的方式实施。
因此，前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。如本领域技术人员将理解的，本发明可以以其他特定形式实施，而不脱离其精神或基本特征。因此，本发明的公开旨在是说明性的，而不是限制本发明以及其他权利要求的范围。包括本文教导的任何容易辨别的变体的本公开部分地定义了前述权利要求术语的范围，使得没有发明主题被公众所知。
上述公开内容还包括下面所列出的实施例。
(1)一种用于管理离网功率供应的方法，该方法包括从连接到离网功率供应的一个或多个负载获取数据；基于所获取的数据，使用处理电路对一个或多个负载建模；使用处理电路来估计与离网功率供应相关联的能量存储设备(esd)的充电状态；使用处理电路，至少基于esd的充电状态和一个或多个负载中的每一个的类别，确定一个或多个负载中的每一个的操作状态；以及基于所确定的操作状态来控制每个负载。
(2)根据特征(1)的方法，还包括，对于恒温负载，根据能量存储设备的充电状态将参数值识别为触发点，其中使用所识别的作为触发点的参数值、根据恒温参数接通和断开恒温负载。
(3)根据特征(2)的方法，还包括，确定恒温参数的上限和下限，该恒温参数的上限和下限不同于当恒温负载连接到不可调度的电源时的恒温参数的其他上限和下限。
(4)根据特征(1)至(3)中任一项的方法，其中对负载的控制包括：控制对配电板的一个或多个开关和插座的功率供应。
(5)根据特征(4)的方法，其中配电板包括与多个开关和插座类别相关联的开关和/或插座，每个类别与一个或多个负载的优先级相关联。
(6)根据特征(5)的方法，其中开关和插座类别包括基于任务的负载(tbl)、恒温运行的负载和必须运行的负载中的一个或多个负载。
(7)根据特征(6)的方法，还包括识别一个或多个负载中具有最低优先级的tbl负载；以及当esd的充电状态小于充电状态阈值限制时，减少tbl的运行时间。
(8)根据特征(6)的方法，还包括当接收到未来调度时段的功率限额的指示时，控制当前调度时段的恒温运行的负载。
(9)根据特征(5)至(8)中任一项的方法，还包括确定开关和/或插座中的每一个的功率限额；以及当来自连接到开关或插座的负载的功率测量超过所确定的功率限额时，停用开关或插座。
(10)根据特征(4)至(9)中任一项的方法，其中配电板还包括校准智能开关和/或插座，该校准智能开关和/或插座被配置为在预定情况下获取连接到校准开关和/或插座的至少一个负载的功耗。
(11)根据特征(1)至(10)中任一项的方法，还包括确定功率限额限制；确定总功耗；当所确定的总功耗超过所确定的功率限额限制时，识别具有最低优先级的负载；当所确定的总功耗超过所确定的功率限额限制时，关闭对具有最低优先级的负载的功率供应；当所确定的总功耗小于所确定的功率限额限制时，识别具有最高优先级的第二负载；以及当所确定的总功耗小于所确定的功率限额限制时，激活对具有最高优先级的第二负载的功率供应。
(12)一种能量存储设备，包括控制器，该控制器被配置为从连接到能量存储设备(esd)的一个或多个负载获取数据；基于所获取的数据对一个或多个负载建模；估计esd的充电状态；至少基于esd的充电状态和一个或多个负载中的每一个的类别来确定一个或多个负载中的每一个的操作状态；并且基于所确定的操作状态来控制每个负载。
(13)根据特征(12)的设备，其中控制器还被配置为，对于恒温负载，根据能量存储设备的充电状态将参数值识别为触发点，其中使用所识别的作为触发点的参数值、根据恒温参数接通和断开恒温负载。
(14)根据特征(13)的设备，其中控制器还被配置为，确定恒温参数的上限和下限，该恒温参数的上限和下限不同于当恒温负载连接到不可调度的电源时的恒温参数的其他上限和下限。
(15)根据特征(12)至(14)中任一项的设备，其中对负载的控制包括：控制对配电板的一个或多个开关和插座的功率供应。
(16)根据特征(15)的设备，其中配电板包括与多个开关和插座类别相关联的开关和/或插座，每个类别与一个或多个负载的优先级相关联。
(17)根据特征(16)的设备，其中开关和插座类别包括基于任务的负载(tbl)、恒温运行的负载和必须运行的负载中的一个或多个负载。
(18)根据特征(17)的设备，其中控制器还被配置为识别一个或多个负载中具有最低优先级的tbl负载；并且当esd的充电状态小于充电状态阈值限制时，减少tbl的运行时间。
(19)根据特征(18)的设备，其中控制器还被配置为当接收到未来调度时段的功率限额的指示时，控制当前调度时段的恒温运行的负载。
(20)根据特征(16)至(19)中任一项的设备，其中控制器还被配置为确定每个开关和/或插座的功率限额；以及当来自连接到开关或插座的负载的功率测量超过所确定的功率限额时，停用开关或插座。
(21)根据特征(15)至(19)中任一项的设备，其中配电板还包括校准智能开关和/或插座，该校准智能开关和/或插座被配置为在预定情况下获取连接到校准开关和/或插座的至少一个负载的功耗。
(22)根据特征(12)至(21)中任一项的设备，其中控制器还被配置为，确定功率限额限制；确定总功耗；当所确定的总功耗超过所确定的功率限额限制时，识别具有最低优先级的负载；当所确定的总功耗超过所确定的功率限额限制时，关闭对具有最低优先级的负载的功率供应；当所确定的总功耗小于所确定的功率限额限制时，识别具有最高优先级的第二负载；以及当所确定的总功耗小于所确定的功率限额限制时，激活对具有最高优先级的第二负载的功率供应。
(23)一种系统，包括能量存储设备和控制器，该控制器被配置为从连接到能量存储设备的一个或多个负载获取数据；基于所获取的数据对一个或多个负载建模；估计esd的充电状态；至少基于esd的充电状态和一个或多个负载中的每一个的类别来确定一个或多个负载中的每一个的操作状态；并且基于所确定的操作状态来控制每个负载。
(24)根据特征(23)的系统，其中控制器还被配置为，对于恒温负载，根据能量存储设备的充电状态将参数值识别为触发点，其中使用所识别的作为触发点的参数值、根据恒温参数接通和断开恒温负载。
(25)根据特征(24)的系统，其中控制器还被配置为，确定恒温参数的上限和下限，该恒温参数的上限和下限不同于当恒温负载连接到不可调度的电源时的恒温参数的其他上限和下限。
(26)根据特征(23)至(25)中任一项的系统，其中对负载的控制包括：控制对配电板的一个或多个开关和插座的功率供应。
(27)根据特征(26)的系统，其中配电板包括与多个开关和插座类别相关联的开关和/或插座，每个类别与一个或多个负载的优先级相关联。
(28)根据特征(27)的系统，其中开关和插座类别包括基于任务的负载(tbl)、恒温运行的负载和必须运行的负载中的一个或多个负载。
(29)根据特征(28)的系统，其中控制器还被配置为识别一个或多个负载中具有最低优先级的tbl负载；并且当esd的充电状态小于充电状态阈值限制时，减少tbl的运行时间。
(30)根据特征(23)至(29)中任一项的系统，其中控制器还被配置为当接收到未来调度时段的功率限额的指示时，控制当前调度时段的恒温运行的负载。
(31)根据特征(26)至(30)中任一项的系统，其中控制器还被配置为确定每个开关和/或插座的功率限额；以及当来自连接到开关或插座的负载的功率测量超过所确定的功率限额时，停用开关或插座。
(32)根据特征(26)至(31)中任一项的系统，其中配电板还包括校准智能开关和/或插座，该校准智能开关和/或插座被配置为在预定情况下获取连接到校准开关和/或插座的至少一个负载的功耗。
(33)根据特征(12)至(21)中任一项的系统，其中控制器还被配置为，确定功率限额限制；确定总功耗；当所确定的总功耗超过所确定的功率限额限制时，识别具有最低优先级的负载；当所确定的总功耗超过所确定的功率限额限制时，关闭对具有最低优先级的负载的功率供应；当所确定的总功耗小于所确定的功率限额限制时，识别具有最高优先级的第二负载；以及当所确定的总功耗小于所确定的功率限额限制时，激活对具有最高优先级的第二负载的功率供应。
一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，当由至少一个处理器执行时，指令使得至少一个处理器执行特征(1)至(11)中任一特征的方法。
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