一种家庭负荷分类电网友好响应控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能电网领域，特别涉及一种基于阶梯频率响应的家庭负荷分类友好 响应控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着国家经济的日益发展，电力需求显著增加以及全球资源短缺问题日益突出， 新能源的开发与应用已成为共识，但也为电力系统的稳定运行带来挑战。通过传统的调用 备用机组出力并辅以常规低频减载、拉闸限电等措施，虽然有助于维持电网稳定，但会导致 电力系统运营成本增加或影响用户的用电体验。
[0003] 早在2002年瑞典Thiringer教授第一次提出"电网友好"理念，负荷侧的电网友 好是让负荷主动参与电网协调互动，支持电网稳定、安全运行。之后美国太平洋西北国家实 验室研制了能够满足大用户需求的单台电气设备电网友好型装置，但未涉及广大家庭用户 多台电气设备相互协调进行友好响应。
[0004] 需求响应是用户根据电网运行情况，主动调整用电行为，参与电网协作的重要方 式。主动调整用电负荷来提高电力系统的安全性和经济性，是解决电力供求矛盾的有效工 具，是确保电网安全经济运行的可靠资源。
[0005] 需求响应是指根据价格信号或通过激励影响增加需求侧在市场中的作用，从而以 相对低的费用实现供需平衡，为电网可靠的经济运行提供更强的灵活性。利用激励机制的 需求响应进行移峰填谷，可以减少传统电力系统运行需要的备用容量，降低维护电网可靠 运行的压力。
[0006] 我国国家能源科技"十二五"规划中，明确提出了建设智能电网技术研发平台，大 力研发智能用电技术，智能电网用户端设备及系统测试技术等智能电网关键技术。国家电 网公司发布的《智能电网关键设备（系统）研制规划》中也明确提出了家庭能量管理系统， 智能开关等相关设备的研发任务。智能电网环境下的家庭能量管理系统不仅要能根据阶 梯电价等激励机制实现家庭用电设备的经济运行，更应在考虑用户用电感受的基础上，主 动迎合电网的需求对家庭负荷做出必要的调整，为避免由失稳所造成的大停电事故做出贡 献。
[0007] 随着社会的发展，我国整体用电负荷呈现多元化、各产业用电量分布呈现合理化 的状态，城乡居民生活用电量占全社会用电量比重逐渐提高，对电网的影响也日趋明显，其 负荷量大小在负荷侧电网友好响应中将发挥日益重要的作用。
【发明内容】
[0008] 为了解决家庭负荷分类电网友好响应控制的技术问题，本发明提供一种基于阶梯 频率的家庭负荷分类控制方法。使家庭负荷主动友好响应电网频率，使家庭能量管理系统 充分考虑到电网系统频率的实时波动性并主动对家庭电器用电状态进行调整，促进电力系 统的安全与稳定。
[0009] 本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
[0010] 1)利用电网频率检测装置实时监测电网的频率；
[0011] 2)将实时监测到的电网频率与设定的阶梯化频率进行比较，同时计算出在采样周 期内电网频率波动变化率的绝对值，并与响应指标K比较，K为设定的频率波动变化率允许 值，并存储在存储模块中；
[0012] 3)当实时监测到的电网频率f>fSM1，fSM1为49. 97Hz，且电网频率波动变化率的绝 对值T = IHil/t小于等于响应指标K时，其中ft表示t时刻电网频率， 时刻电网频率；则控制模块对是否响应智能用电负荷中断要求进行预判：频率值在电网允 许波动范围内，进入下一个检测周期，并更新存储器中记录周期的f值；
[0013] 4)当实时监测到的电网频率fSM2〈f〈fSM1且T彡K，f SM2为49. 95Hz，此时控制模块 立即搜索是否有可调节类型负荷处于运行状态，若有则立即调整该类负荷的输出功率，调 整的电器状态保持延时，同时监测实时频率，若电网频率恢复至f>f SM1，则控制模块逐步恢 复可调节负荷的初始设定运行状态；
[0014] 5)当实时监测到的电网频率fSM2〈f〈fSM1且t>K或fSM3〈f〈fSM2且T彡K，此时控制 模块迅速搜索是否有可调节类型负荷处于工作状态，若有则直接将所有该类型负荷输出功 率调节至最小值；同时，搜索是否有可中断类型负荷处于工作状态，若有则逐步关断该类型 负荷，并不断的延时搜索电网的实时频率直至电网频率恢复至稳定状态，则相应的自动恢 复当前响应电网频率而改变的所有负荷的运行状态；
[0015] 6)当实时监测到的电网频率fSM3〈f〈f SM2且T >K或f〈f SM3，控制模块迅速响应控制 要求，直接将所有的可调节类负荷的输出功率调节至最小值并立即关断所有已开启的可中 断类负荷，同时提醒用户按需求自行关断可提醒类负荷；
[0016] 7)利用存储模块将用户电器动作状态进行实时记录，并累计用户家庭电器对电网 所作的贡献；
[0017] 本发明中根据家用电器的工作特性将家庭用电负荷分为：可调节类型、可中断类 型、可提醒类型三种。其中可调节类型电器的工作模式为：当有频率调整要求时，控制系统 发出指令使其自动调节负荷输出状态，改变所需功率。这类电器包括热水器、变频空调、变 频冰箱、变频洗衣机等变频类电器以及电炉等持续性工作设备和电动汽车充电设备等充放 电设备。可中断类型电器的工作模式为：当电网有频率调整要求时，控制系统发出指令使该 类电器自行停运。这类电器主要有普通冰箱、普通空调等间歇式运转设备。可提醒类型电 器的工作模式为：有频率调整要求时，发出警报并发送询问信号给用户，由用户决定该类设 备的运行状态。这类电器在正常时需要持续接通电源、有频率响应要求停止时将极大影响 用户体验，包括有电视、电脑、照明设备等。
[0018] 本发明提出利用基于阶梯频率响应的家庭电器分类主动响应方法设计的智能家 庭能量管理系统对电网做的贡献采用如下方式转换成经济补偿，以多参与多补偿为经济补 偿原则，鼓励更多的用户参与到主动响应电网稳定运行中：
[0019] 利用本发明方法设计的智能家庭能量管理系统在系统工作期间存储模块记录下 系统切断时的负荷以及参与时间，计算得到总参与负荷为P和总参与时间为％。由于参与 响应的负荷并不是同时切断（包含调整输入功率和中断两种模式），因此可以考虑用统一 系数O (〇〈 O〈1)，得到等效功率尹为：
[0020] P=^P (I)
[0021] 假设用户标准电价为V，又考虑到电力部门如若采用备用机组出力替代负荷主动 响应的购入电价成本低于用户电价，且用户不仅是友好响应的参与者，也是其潜在受益者， 因此在为友好响应进行补偿时采用贡献系数y (〇〈y〈l)，使得等效补偿电价7为：
[0022] = Z 八' (2)
[0023] 因此利用本发明方法实现的智能家庭能量管理系统的用户提供的经济补偿Q公 式如（3)所示，可在用户电费中以负电费的形式反馈给电力用户。
[0024] Q = ^-P-K (3)
[0025] 本发明的技术效果：本发明将家庭负荷分类，当电网频率发生异常时，家用电器按 照其分类特性主动进行响应，协助电网频率在最短时间内恢复正常运行水平，保持电网频 率的稳定。并且当市场中大量的一般家庭用电负荷参与响应时，这种主动调整对电网的运 行质量就可以做出明显的贡献，这样就达到既满足用户用电体验，又使电网公司减少运营 成本的目的，提高波动性新能源渗透率，促进智能电网的建设，最终实现节能减排的目标。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的系统组成模块图。
[0027] 图2为本发明中电网频率分级分类电器响应模式关系图。
[0028] 图3为本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0030]图1为以智能负荷为中心的硬件系统模块组成图。图中体现整个智能家电管理系 统以家庭用电设备（负荷）为中心，辅以通信模块、测量模块、控制模块、储存模块、报警模 块、显示模块等组成。其中，通信模块采用蓝牙模块BRF6150,可以实现在家庭范围的短距离 快速通信；测量模块利用已有的电网频率监测装置对电网进行实时的频率检测；储存模块 采用MC9S12UF32储存装置，对测量模块采集到的电网频率进行存储，同时记录用户对用电 器运行状态的操作；报警模块，当电网频率即将跌出频率f SM3时，报警模块迅速自启动，以 提醒用户将非智能的家庭用电器关闭，以实现对电网的友好响应；显示模块主要用来实现 人机交互的操作功能；控制模块采用数字信号处理器（DSP)以相应的算法实现对用电负荷 的智能分类以及对用电设备的控制。
[0031]图2为电网频率梯度与分类负荷响应程度的关