基于温控负荷动态响应能力的微电网联络线功率控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于温控负荷动态响应能力的微电网联络线功率控制方法，其包括位于用电用户内的用电负荷以及用于提供所述用电负荷所需电能的供电网络，所述供电网络包括配电网以及接入所述配电网的微电网；所述用电负荷包括不可控负荷以及可控温控负荷；还包括用于测量微电网输出电能的负荷控制中心以及安装于所需用电用户内的负荷采集传输装置，所述负荷采集传输装置与所在用电用户内的用电负荷连接，负荷采集传输装置能与负荷控制中心无线连接；本发明能实现微电网?配电网的功率交互优化控制，达到微电网再生能源的最大化利用目的，适应范围广，智能化程度高，安全可靠。
【专利说明】
基于溫控负荷动态响应能力的微电网联络线功率控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种功率控制方法，尤其是一种基于溫控负荷动态响应能力的微电网 联络线功率控制方法，属于微电网功率控制的技术领域。
【背景技术】
[0002] 微电网是指由一定区域内的分布式电源、储能系统、能量变换装置、相关负荷及负 荷监控与保护装置汇集而成的微型电网，微电网可W运行在独立或并网两种模式。微电网 通过将各能源形式均转换为电能，然后加 W利用，W保证重要用户供电的不间断性，并可通 过联络线功率的控制为上游配电网在故障后的快速供电恢复提供电源支持。微电网中存在 大量的可再生能源(如风力、光伏、波浪发电等），使得微电网具有显著的间歇性、随机性及 不确定性等特点。当可再生能源渗透率(即新能源额定功率占年负荷峰值的比例)增加到一 定水平后，将会给系统安全可靠运行带来了极大的挑战，使微电网对新能源的最大化利用 出现一些困难，因此如何有效克服微电网内可再生能源发电系统的波动性是目前亟待解决 的技术难题之一。
[0003] 可再生能源的波动特征非常复杂，波动的时间尺度也从毫秒级延伸到小时级甚至 更长。含有较多新能源的微电网如何进行运行控制W在最大程度上利用其所涵盖的新能 源，已经成为一个广受关注的问题。
[0004] 传统消纳微电网内间歇性新能源的控制手段往往依托储能系统化nergy storage System,ESS)，也是当前常用的调节方法之一。如大多数研究考虑到储能系统其可充、可放 的运行特性，抑制可再生能源引起功率波动，W提高微电网联络线功率与上游配电网的"友 好连接"程度。储能系统在含风电和光伏发电系统的微电网获得了广泛的应用，并起到了一 定的效果。然而当前储能系统成本高、容量小、使用寿命较短的问题在现阶段又难W解决。 因此，为确保含高渗透率可再生能源微电网的安全稳定运行，就必须有更加灵活有效的微 电网一配电网联络线控制策略。
[0005] 目前正在兴起的负荷侧需求响应(Demand Response -DR)控制技术为微网提供了 一个抑制可再生能源引起的功率波动的新手段。DR是指电力用户针对市场价格信号或激励 机制作出响应，并改变正常电力消费模式的市场参与行为。DR主要可划分为基于反映市场 行为的价格控制、基于电力系统运行特征的激励控制两大类方法。需求侧响应技术被应用 到电力系统的运行控制中来，并且已经开发出了一些可行的方法。在需求侧响应的控制方 法中，直接负荷控制是一种重要的激励型需求侧响应方法，该方法目前已经衍生出了一些 有效算法，如状态序列（state queueing,SQ)算法、基于!^kker-Planck方程的辨识控制算 法等。
[0006] 溫度型可控负荷一热累、热水器或电冰箱等设备开关状态灵活可控，且由于单体 负荷的额定功率小，中断操作灵活，聚合响应灵敏度高，非常适合参与微电网系统功率调节 (regulation)和负荷跟随（load following)等辅助服务功能。目前已有方法在利用需求响 应平抑新能源出力波动时没有充分考虑溫控负荷用户本身的主动选择性与意愿，同时由于 用户的设备功率和房屋导热性不同，有可能出现某用户设备被控制次数过多的问题，影响 用户用能舒适程度，无法体现响应参与的公平性，导致微电网一配电网联络线功率控制效 果下降，新能源利用水平不高。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于溫控负荷动态响应能 力的微电网联络线功率控制方法，其能实现微电网-配电网的功率交互优化控制，达到微电 网再生能源的最大化利用目的，适应范围广，智能化程度高，安全可靠。
[0008] 按照本发明提供的技术方案，所述基于溫控负荷动态响应能力的微电网联络线功 率控制方法，包括位于用电用户内的用电负荷W及用于提供所述用电负荷所需电能的供电 网络，所述供电网络包括配电网W及接入所述配电网的微电网；所述用电负荷包括不可控 负荷W及可控溫控负荷;还包括用于测量微电网输出电能的负荷控制中屯、W及安装于所需 用电用户内的负荷采集传输装置，所述负荷采集传输装置与所在用电用户内的用电负荷连 接，负荷采集传输装置能与负荷控制中屯、无线连接；
[0009] 负荷采集传输装置能采集所连接用电负荷的用电功率，并能通过负荷采集传输装 置设定所连接可控溫控负荷的响应程度，负荷采集传输装置能将采集用电负荷的用电功 率、用电负荷的工作状态W及对应可控溫控负荷的响应程度传输至负荷控制中屯、内；
[0010] 负荷控制中屯、根据微电网的输出电能确定负荷控制目标，并能根据负荷控制目 标、各用电负荷的工作状态相应W及各用电负荷内可控溫控负荷的响应程度确定各用电负 荷中可控溫控负荷的工作状态，负荷控制中屯、根据确定各用电负荷中可控溫控负荷的工作 状态向与可控溫控负荷匹配连接的负荷采集传输装置传输负荷工作控制信号，W使得负荷 采集传输装置根据接收的负荷工作控制信号调节对应连接可控溫控负荷的工作状态。
[0011] 目^4女々1視±台出|1止1 ,|\施吿々1視±台出|1曰/>'巧5".为
[0012]
[0013] 其中，Pag为通过负荷采集传输装置确定的可控溫控负荷的自然消耗总负荷，Pr为 通过负荷采集传输装置确定的不可控负荷的消耗总负荷，S%为供电网络中微电网的渗透 率，Ps为微电网中光伏发电系统的输出功率，Pw为微电网中风力发电系统的输出功率。
[0014] 通过负荷采集传输装置设定可控溫控负荷的响应程度包括最优先响应、次优先响 应、非优先响应或从不响应；
[001引设俯亥煤一响应等级内可响应的可控溫控负荷的总负荷为C，且俯该响应等级组 内所有用电负荷的总负荷为货，若
则负荷控制中屯、确定所述响应等级内的 可控溫控负荷的工作状态为全打开或全关断，然后进入下一响应等级;若
则按加权系数Ke大小排队打开或关断对应的可控溫控负荷；
[0016] 其中，若需要关断可控溫控负荷，则所述第i个用电用户内可控溫控设备的加权系 数Kc为
[0017]
[001引且有；
[0019] Kt+Kct=1
[0020] 其中，Kt为溫度加权系数，:C,,为第i个用电用户在t时刻室内溫度，Kct为控制次数 加权系数，为第i个用电用户的可控已被控制次数；
[0021] 若需要打开可控溫控负荷，则所述第i个用电用户内可控溫控设备的加权系数Kc 为
[0022]
[0023] 甘有；
[0024] Kt+Kct=1〇
[0025] 本发明的优点：在用电用户内设置负荷采集传输装置，并能利用负荷采集传输装 置实现对可控溫控负荷响应程度进行设定，负荷控制中屯、根据微电网的输出电能确定负荷 控制目标，并能根据负荷控制目标、各用电负荷的工作状态相应W及各用电负荷内可控溫 控负荷的响应程度确定各用电负荷中可控溫控负荷的工作状态，负荷控制中屯、根据确定各 用电负荷中可控溫控负荷的工作状态向与可控溫控负荷匹配连接的负荷采集传输装置传 输负荷工作控制信号，W使得负荷采集传输装置根据接收的负荷工作控制信号调节对应连 接可控溫控负荷的工作状态，从而能实现微电网-配电网的功率交互优化控制，达到微电网 再生能源的最大化利用目的，适应范围广，智能化程度高，安全可靠。
【附图说明】
[00%]图1为本发明的结构框图。
[0027] 图2为本发明控制序列的示意图。
[0028] 图3为本发明室外溫度曲线的示意图。
[0029] 图4为本发明控制效果图。
[0030] 图5为本发明控制次数加权系数分别为20%和90%时的对比示意图。
[0031 ]图6为本发明控制次数加权系数分别为20 %和90 %时的正态分布对比示意图。
[0032] 图7为本发明控制次数标准差随加权控制系数变化曲线。
[0033] 图8为本发明控制次数变异系数随加权控制系数变化曲线。
[0034] 附图标记说明：1-微电网、2-负荷控制中屯、、3-负荷采集传输装置W及4-用电负 荷。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0036] 如图1所示:为了能实现微电网-配电网的功率交互优化控制，达到微电网再生能 源的最大化利用目的，本发明包括位于用电用户内的用电负荷4W及用于提供所述用电负 荷4所需电能的供电网络，所述供电网络包括配电网W及接入所述配电网的微电网1;所述 用电负荷4包括不可控负荷W及可控溫控负荷；其特征是：还包括用于测量微电网1输出电 能的负荷控制中屯、2W及安装于所需用电用户内的负荷采集传输装置3,所述负荷采集传输 装置3与所在用电用户内的用电负荷4连接，负荷采集传输装置3能与负荷控制中屯、2无线连 接；
[0037] 负荷采集传输装置3能采集所连接用电负荷4的用电功率，并能通过负荷采集传输 装置3设定所连接可控溫控负荷的响应程度，负荷采集传输装置3能将采集用电负荷4的用 电功率、用电负荷4的工作状态W及对应可控溫控负荷的响应程度传输至负荷控制中屯、2 内；
[0038] 负荷控制中屯、2根据微电网1的输出电能确定负荷控制目标，并能根据负荷控制目 标、各用电负荷4的工作状态相应W及各用电负荷4内可控溫控负荷的响应程度确定各用电 负荷4中可控溫控负荷的工作状态，负荷控制中屯、2根据确定各用电负荷4中可控溫控负荷 的工作状态向与可控溫控负荷匹配连接的负荷采集传输装置3传输负荷工作控制信号，W 使得负荷采集传输装置討良据接收的负荷工作控制信号调节对应连接可控溫控负荷的工作 状态。
[0039] 具体地，在每个供电网络覆盖的用电用户内均有用电负荷4,其中，每个用电用户 内的用电负荷4均可W包括不可控负荷W及可控溫控负荷，不可控负荷可W包括照明或其 他类同的电器设备，可控溫控负荷包可W包括空调等能实现溫度控制的电器设备，具体为 本技术领域人员所熟知，此处不再寶述。微电网1接入配电网形成供电网络，负荷控制中屯、2 与微电网1连接，W获取微电网1的输出电能，负荷控制中屯、2可W采用服务器等形式实现， 负荷控制中屯、2可W采用本技术领域常用的技术手段获取确定微电网1的输出电能，具体为 本技术领域人员所熟知，此处不再寶述。
[0040] 负荷采集传输装置3可W包括用于与负荷控制中屯、2连接的无线模块、用于获取所 在环境信息的环境传感器、用于与可控溫控负荷连接进行通信的可控溫控负荷通信模块、 用于设定对应连接可控溫控负荷响应程度的输入模块W及用于调节对应连接可控溫控负 荷工作状态的驱动执行模块，所述输入模块可W包括触摸屏、按键电路等，环境传感器可W 包括溫度传感器，可控溫控负荷通信模块能够获取可控溫控负荷在当前的工作状态，驱动 执行模块可W采用相应的驱动电路，具体与可控溫控负荷的类型相关，具体为本技术领域 人员所熟知。
[0041] 在每个用电用户内安装一个负荷采集传输装置3,所述负荷采集传输装置3的数量 可W与供电网络覆盖用电用户的数量相同或少于供电网络覆盖的用电用户数量，具体可W 根据需要进行选择。
[00创所述负荷控制中屯、2确定负荷控制目标常pi为
[0043]
[0044] 其中，Pac为通过负荷采集传输装置3确定的可控溫控负荷的自然消耗总负荷，Pr为 通过负荷采集传输装置3确定的不可控负荷的消耗总负荷，S%为供电网络中微电网1的渗 透率，1??微电网1中光伏发电系统的输出功率，Pw为微电网1中风力发电系统的输出功率。
[0045] 具体实施时，假定微电网1中仅存在光伏发电系统和风力发电系统，在忽略网损的 前提下，则微电网1与外网联络线上的功率Pl为总负荷减去微电网1内净负荷需求），则功率 Pl为：
[0046]
[0047] 在未受外来控制的状态下，可控溫控负荷需要使室内溫度保持在用户设定溫度附 近，每个可控溫控负荷由室外溫度、自身热力学参数确定所在房间的溫度变化。
[004引设微电网1的渗透率为S%，利用负荷采集传输装置3可实时测量所在用电用户内 可控溫控负荷的消耗负荷PacW及不可控负荷的消耗负荷扣，为了遵循微网I最大化利用的 原则，即你俱罵十功盎俱面I货拖.聪络线功率控制目标可设定为：
[0049]
[0050] 从而，可得空调负荷的控制目标为：
[0化1 ]
[0052] 另外，由于过于频繁的启动有可能导致用户的可控溫控负荷的寿命减少甚至损 坏，因此，规定压缩机在开关状态改变后5分钟内不得再次可控溫控负荷的改变开关状态。
[0053] 进一步地，通过负荷采集传输装置3设定可控溫控负荷的响应程度包括最优先响 应、次优先响应、非优先响应或从不响应；
[0化4]设t时刻某一响应等级内可响应的可控溫控负荷的总负荷为巧，且t时该响应等级 组内所有用电负荷4的总负荷为穗，圭
则负荷控制中屯、2确定所述响应等
心*心WTM'7曰控负荷的工作状态为全打开或全关断，然后进入下一响应等级.若 ,则按加权系数Ke大小排队打开或关断对应的可控溫控负荷；
[0055] 其中，若需要关断可控溫控负荷，则所述第i个用电用户内可控溫控设备的加权系 数Kc为
[0化6]
[0化7] 且有；
[005引 Kt+Kct=1
[0化9]其中，Kt为溫度加权系数，:C。,，,为第i个用电用户在t时刻室内溫度，Kct为控制次数 加权系数，Cl,"为第i个用电用户的可控已被控制次数；
[0060] 若需要打开可控溫控负荷，则所述第i个用电用户内可控溫控设备的加权系数Kc 为
[0061]
[0062] 且有；
[0063] Kt+Kct=1〇
[0064] 本发明实施例中，最优先响应、次优先响应、非优先响应W及从不响应的响应程度 逐渐减低，在联络线功率与控制目标不一致时，负荷控制中屯、2优先控制最优先响应的可控 溫控负荷；当最优先响应的可控溫控负荷全部进行对应控制但扔未达到控制目标时，则进 行次优先响应的可控溫控负荷的控制，后续的依次类推，不再寶述。
[0065] W社区级微电网系统为例，对本发明进行进一步的说明。溫度环境曲线如图3所 示，可控溫控负荷确定为空调设备，假设社区内有1000户居民空调设备参与响应控制，每个 空调的额定功率参考民用空调普遍情况设定为IkW，室内溫度设定值为24°C，允许偏差为± 1.5°C。在完全没有储能设备参与的情况下，用户响应等级选择作如下设置:最优先响应的 用户数量为100户，次优先响应的用户为200户，非优先响应的用户数量为400户，不响应的 用户数量为300户。如图2所示，加权系数设置如下:溫度加权系数Kt为0.6，控制次数加权系 数Kct为0.4。微电网1的渗透率为10%，上述条件下控制效果如图4所示。
[0066] 图4中控制前负荷曲线为不施加控制的自然状态下空调设备消耗的负荷曲线，控 审IJ目标曲线为按照上述说明得到的控制目标，控制后负荷曲线即为按照加权系数排队算法 控制后的负荷曲线，可W看出即使在完全没有储能设备介入的情况下加权系数排队算法也 能有较好的控制效果。
[0067]加权系数由溫度加权系数Kt和控制次数加权系数Kct加权而成。当溫度加权系数Kt =1而控制次数加权系数Kct = O时，本发明对可控溫控负荷的控制即等同于SQ算法(状态序 列算法KKct所占权重越高，同一响应等级用户组内用户被控制次数就越平均，即用户的公 平性就越好，运一点可W在图5中得到体现。
[006引图5对比了控制次数加权系数分别为20%和90%时，响应等级为最优先响应的用 户组的被控制次数的散点分布，仿真时间为30天。在仿真时间较长的情况下，控制次数加权 系数权重较低时不同用户的被控制次数差异较大，而控制次数加权系数权重较高时，不同 用户间被控制次数差别很小，保证了公平性。将图6中的数据进行正态拟合，能够更好的说 明控制加权次数的差异导致的用户控制次数分布差异。
[0069] 控制次数加权系数从0变化到100%时，用户被控制次数分布呈越来越集中的趋 势，即加权控制系数越大，同一响应级别用户组被控制次数分布的标准差越小，如图7所示。 图8给出了用户组被控制次数分布的变异系数随加权控制系数变化的关系图，也较好的说 明了运个趋势。由此可看出，本发明能够较好地保证用户的公平性。
[0070] 本发明允许用户选择可控溫控负荷的响应程度。一部分用户不愿自己的可控溫控 负荷被外部控制，有的用户为了保证自己的舒适度不愿其可控溫控负荷的响应优先级太 高，而有的用户为了得到更多的和电力公司签订的经济补偿协议中规定的经济补偿，愿意 可控溫控负荷优先响应控制信号。用户不同的响应程度选择会影响用户被控制次数。可控 溫控负荷的响应程度的优先等级越高，被控制次数越多。从不响应的可控溫控负荷的被控 制次数永远为0。
[0071] 由于种种约束的限制，比如用户响应等级、空调自身运行溫度上下限的约束、压缩 机不能频繁启停的约束等，使用空调设备的需求侧响应并不总能完全满足达成控制目标的 需要，此时仍需要微电网中的储能设备的介入。但是在应用了空调设备进行溫控负荷需求 侧响应后，储能设备的使用强度会有明显减小。
[0072] 本发明在用电用户内设置负荷采集传输装置3,并能利用负荷采集传输装置3实现 对可控溫控负荷响应程度进行设定，负荷控制中屯、2根据微电网1的输出电能确定负荷控制 目标，并能根据负荷控制目标、各用电负荷4的工作状态相应W及各用电负荷4内可控溫控 负荷的响应程度确定各用电负荷4中可控溫控负荷的工作状态，负荷控制中屯、2根据确定各 用电负荷4中可控溫控负荷的工作状态向与可控溫控负荷匹配连接的负荷采集传输装置3 传输负荷工作控制信号，W使得负荷采集传输装置3根据接收的负荷工作控制信号调节对 应连接可控溫控负荷的工作状态，从而能实现微电网-配电网的功率交互优化控制，达到微 电网再生能源的最大化利用目的，适应范围广，智能化程度高，安全可靠。
【主权项】
1. 一种基于溫控负荷动态响应能力的微电网联络线功率控制方法，包括位于用电用户 内的用电负荷(4) W及用于提供所述用电负荷(4)所需电能的供电网络，所述供电网络包括 配电网W及接入所述配电网的微电网（1);所述用电负荷(4)包括不可控负荷W及可控溫控 负荷;其特征是:还包括用于测量微电网（1)输出电能的负荷控制中屯、（2) W及安装于所需 用电用户内的负荷采集传输装置(3)，所述负荷采集传输装置(3)与所在用电用户内的用电 负荷(4)连接，负荷采集传输装置(3)能与负荷控制中屯、(2)无线连接； 负荷采集传输装置(3)能采集所连接用电负荷(4)的用电功率，并能通过负荷采集传输 装置(3)设定所连接可控溫控负荷的响应程度，负荷采集传输装置(3)能将采集用电负荷 (4)的用电功率、用电负荷(4)的工作状态W及对应可控溫控负荷的响应程度传输至负荷控 制中屯、(2)内； 负荷控制中屯、（2)根据微电网（1)的输出电能确定负荷控制目标，并能根据负荷控制目 标、各用电负荷(4)的工作状态相应W及各用电负荷(4)内可控溫控负荷的响应程度确定各 用电负荷(4)中可控溫控负荷的工作状态，负荷控制中屯、（2)根据确定各用电负荷(4)中可 控溫控负荷的工作状态向与可控溫控负荷匹配连接的负荷采集传输装置(3)传输负荷工作 控制信号，W使得负荷采集传输装置(3)根据接收的负荷工作控制信号调节对应连接可控 溫控负荷的工作状态。2. 根据权利要求1所述的基于溫控负荷动态响应能力的微电网联络线功率控制方法， 其特征是:所述负荷控制中屯、(2)确定负荷控制目标巧为其中，Pag为通过负荷采集传输装置(3)确定的可控溫控负荷的自然消耗总负荷，扣为通 过负荷采集传输装置(3)确定的不可控负荷的消耗总负荷，S%为供电网络中微电网（1)的 渗透率Js为微电网（1)中光伏发电系统的输出功率，Pw为微电网（1)中风力发电系统的输出 功率。3. 根据权利要求2所述的基于溫控负荷动态响应能力的微电网联络线功率控制方法， 其特征是，通过负荷采集传输装置(3)设定可控溫控负荷的响应程度包括最优先响应、次优 先响应、非优先响应或从不响应； 设t时刻某一响应等级内可响应的可控溫控负荷的总负荷为巧，且t时该响应等级组内 所有用电负荷(4)的总负荷为砖，若I巧/-巧巧>巧，则负荷控制中屯、（2)确定所述响应等 级内的可控溫控负荷的工作状态为全打开或全关断，然后进入下一响应等级；若 巧-巧戸"I <巧，则按加权系数Ke大小排队打开或关断对应的可控溫控负荷； 其中，若需要关断可控溫控负荷，则所述第i个用电用户内可控溫控设备的加权系数Kc 为 且有：时+KcT=l 其中，Κτ为溫度加权系数，7：。,,,为第i个用电用户在t时刻室内溫度，KcT为控制次数加权 系数，每胃为第i个用电用户的可控已被控制次数； 若需要打开可控溫控负荷，则所述第i个用电用户内可控溫控设备的加权系数Kc为 且有：时+KcT=l。
【文档编号】H02J3/06GK105846434SQ201610174089
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】沈海平, 陶琼, 陈铭, 桑丙玉, 汤铮, 崔国华, 杨波, 叶季蕾, 李立, 薛金花, 顾江, 穆云飞, 陈国湘
【申请人】江苏省电力公司无锡供电公司, 中国电力科学研究院, 国家电网公司