一种海量空调负荷仿真方法及系统与流程

本发明涉及计量测试与统计领域，具体涉及一种海量空调负荷仿真方法及系统。

背景技术：

在电力系统中需求侧资源的充分利用能有效提高电力系统资源的优化分配已然成为电力工业学者和技术人员的共识，但如何利用这些潜力巨大的需求侧资源则成为近年来的研究热点。

由于我国缺乏灵活的售电市场和负荷主动调节手段，大量理论研究成果难以获得可信度高的负荷响应数据，同时负荷互动还涉及用户、电网公司以及发电商的复杂利益关系，通过建设示范工程来获取实验数据实行难度大且执行成本高。

海量负荷的仿真一直是柔性负荷调控的难点，通常都是采用黑箱方式，从蒙特卡洛采样或者实际样本中统计负荷集群的外特性，但是负荷集群的外特性受底层负荷的物理约束、控制器的控制策略及用户个性化设定相关，从而导致统计得到的外特性难以建立这些影响因素对负荷集群响应结果的量化关系，外特性的不确定性和可信度也难以得到保证。

因此，需要提供一种技术方案来弥补现有技术的不足。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种海量空调负荷仿真方法及系统。

一种海量空调负荷仿真方法，包括：计算虚拟子负荷的温度调节量；基于虚拟子负荷的温度调节量，计算聚合体的温度调节量；基于聚合体的温度调节量，计算并控制空调的启停状态。

获取目标功率，计算虚拟子负荷的温度调节量，包括：将获取到的目标功率，利用比例积分控制器进行计算，得到虚拟子负荷的温度调节量，其计算公式如下所示：

其中，δθset(t)为t时段虚拟子负荷的温度调节量；δθset(t-1)为t-1时段虚拟子负荷的虚拟子负荷温度调节量；为t-1时段虚拟子负荷的温度调节量增量，虚拟子负荷的温度调节量增量的计算公式，如下所示：

其中，μ1表示比例环节权系数，n表示虚拟子负荷下辖的聚合体数，yi(t)表示第i个聚合体的功率总加，pref(t)表示目标功率，μ2表示积分环节权系数，t0表示仿真起始时间。

聚合体包括：领导者聚合体和跟随者聚合体；领导者聚合体为空调负荷集群的中心控制器，其与虚拟子负荷建立通信连接；跟随者聚合体为空调负荷集群的控制器，其不与虚拟子负荷建立通信，但跟随者聚合体间相互建立通信连接。

基于聚合体分布式控制技术中的通信链接系数矩阵，对领导者聚合体和跟随者聚合体进行通信连接；每建立一条通信链接，在通信链接两端的聚合体邻居列表属性中添加对端聚合体的智能体序列号。

基于虚拟子负荷的温度调节量，计算聚合体的温度调节量的公式，如下所示：

其中，δθset,i(t)为聚合体的温度调节量；δθset,i(t-1)为t-1时段聚合体的温度调节增量；为t-1时段聚合体的温度调节增量，聚合体的温度调节增量的计算如下式：

其中，β1表示聚合体i相邻聚合体j的偏差权系数，aij表示聚合体i与聚合体j的通信链接系数，δθset,j(t)表示t时段聚合体j的温度调节量，β2表示虚拟子负荷的偏差全系数，di表示聚合体i与虚拟子负荷的通信链接系数。

基于聚合体的温度调节量，计算并控制空调的启停状态，包括：基于聚合体的温度调节量，利用室温热力学模型计算并控制空调的启停状态；室温热力学模型如下所示：

其中，θa(t)为t时刻的室外温度，c为热容，r为热阻，pc为空调的制冷功率，pac(t)为空调的耗电功率，η为空调的制冷效率，θ(t)表示空调温度传感器t时刻得到的用户室内温度；s(t)表示空调中热交换设备的启停状态，0表示关停，1表示启动，具体计算式如下：

θset,c表示空调的设定温度，δ表示空调中热交换设备的启停控制温度死区，θset,max表示空调的最高设定温度，θset,0表示空调的初始设定温度，θset,min表示空调的最低设定温度，δθset,i(t)表示聚合体的温度调节量。

获取目标功率包括：利用指令调用接口从实时数据库中获取目标功率。

基于聚合体的温度调节量，计算并控制空调的启停状态之后还包括：利用指令调用接口按照预设的时间步长将虚拟子负荷下辖的空调的功率总加更新到实时数据库中。

实时数据库还包括所述空调的运行控制参数：空调的制冷功率，空调的耗电功率，空调中热交换设备的启停控制温度死区，空调的最高设定温度，空调的初始设定温度，空调的最低设定温度；利用文本参数接口实现对空调的运行控制参数的获取。

海量空调负荷仿真方法基于netlogo仿真软件实现；netlogo仿真软件通过继承report类实现文本参数接口；netlogo仿真软件通过继承command类实现指令调用接口。

一种海量空调负荷仿真系统，包括：虚拟子负荷温度调节量计算模块，用于计算虚拟子负荷的温度调节量；聚合体温度调节量计算模块，用于基于虚拟子负荷的温度调节量，计算聚合体的温度调节量；空调启停状态模块，用于基于聚合体的温度调节量，计算并控制空调的启停状态。

虚拟子负荷温度调节量模块，包括：虚拟子负荷建模子模块、聚合体建模子模块、温控负荷建模子模块、目标功率获取子模块和温度调节量参考值子模块；虚拟子负荷温度调节量计算模块，包括：比例积分控制器子模块和温度调节量增量子模块；比例积分控制器子模块，用于将获取到的目标功率，利用比例积分控制器，进行计算，得到虚拟子负荷的温度调节量，其计算公式如下所示：

其中，δθset(t)为t时段虚拟子负荷的温度调节量；δθset(t-1)为t-1时段虚拟子负荷的虚拟子负荷温度调节量；为t-1时段虚拟子负荷的温度调节量增量；温度调节量增量子模块，用于计算虚拟子负荷的温度调节量增量

其中，μ1表示比例环节权系数，n表示虚拟子负荷下辖的聚合体数，yi(t)表示第i个聚合体的功率总加，pref(t)表示目标功率，μ2表示积分环节权系数，t0表示仿真起始时间。

聚合体包括：领导者聚合体和跟随者聚合体；领导者聚合体为空调负荷集群的中心控制器，其与虚拟子负荷建立通信连接；跟随者聚合体为所述空调负荷集群的控制器，其不与虚拟子负荷建立通信，但跟随者聚合体间相互建立通信连接。

聚合体还包括：通信连接单元和智能体序列号单元；通信连接单元，用于基于聚合体分布式控制技术中的通信链接系数矩阵，对领导者聚合体和跟随者聚合体进行通信连接；智能体序列号单元，用于每建立一条通信链接，在通信链接两端的聚合体邻居列表属性中添加对端聚合体的智能体序列号。

聚合体温度调节量计算模块，包括：第一计算子模块和聚合体温度调节增量子模块；第一计算子模块，用于其中，δθset,i(t)为聚合体的温度调节量；δθset,i(t-1)为t-1时段聚合体的温度调节增量；为t-1时段聚合体的温度调节增量；聚合体温度调节增量子模块，用于计算聚合体的温度调节增量

其中，β1表示聚合体i相邻聚合体j的偏差权系数，aij表示聚合体i与所述聚合体j的通信链接系数，δθset,j(t)表示t时段聚合体j的温度调节量，β2表示虚拟子负荷的偏差全系数，di表示聚合体i与虚拟子负荷的通信链接系数。

空调启停状态模块，包括：室温热力学模型子模块和热交换设备子模块；室温热力学模型子模块，用于基于聚合体的温度调节量，利用室温热力学模型计算并控制空调的启停状态；室温热力学模型如下所示：

其中，θa(t)为t时刻的室外温度，c为热容，r为热阻，pc为空调的制冷功率，pac为空调的耗电功率，η为空调的制冷效率，θ(t)表示空调温度传感器t时刻得到的用户室内温度；热交换设备子模块，用于计算空调中热交换设备的启停状态s(t)，：

其中，0表示关停，1表示启动，θset,c表示空调的设定温度，δ表示空调中热交换设备的启停控制温度死区，θset,max表示空调的最高设定温度，θset,0表示空调的初始设定温度，θset,min表示空调的最低设定温度，δθset,i(t)表示聚合体的温度调节量。

虚拟子负荷温度调节量计算模块中的目标功率利用指令调用接口从实时数据库中获取。

海量空调负荷仿真系统还包括：数据更新模块，用于利用指令调用接口按照预设的时间步长将虚拟子负荷下辖的空调的功率总加更新到实时数据库中。

实时数据库还包括空调的运行控制参数：空调的制冷功率，空调的耗电功率，空调中热交换设备的启停控制温度死区，空调的最高设定温度，空调的初始设定温度，空调的最低设定温度；数据更新模块，还用于利用文本参数接口实现对所述空调的运行控制参数的获取。

海量空调负荷仿真系统基于netlogo仿真软件实现；netlogo仿真软件包括report类和command类；继承report类，用于通过继承report类实现文本参数接口；netlogo仿真软件通过继承command类实现指令调用接口。

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：

1、本发明通过计算虚拟子负荷和聚合体的温度调节量来调整空调的温度，充分考虑了各层级的响应因素，有效提高了海量空调负荷仿真的准确性；

2、本发明采用实时数据库作为电网仿真程序与第三方软件netlogo的数据交互平台，通过实时数据库接口实现数据的访问修改，提高了数据的可观测性，数据交互更加规范化。

附图说明

图1为本发明方法的流程图

图2为本发明的详细仿真流程图；

图3为本发明多层级空调负荷互动系统的自动建模流程图；

图4为本发明海量空调负荷分层控制技术的示意图；

图5为本发明中java与实时数据库接口开发流程图；

图6为本发明中netlogo与java数据交互接口开发流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的方法包括：获取目标功率，计算虚拟子负荷的温度调节量；基于虚拟子负荷的温度调节量，计算聚合体的温度调节量；基于聚合体的温度调节量，计算并控制空调的启停状态。

如图2所示，本发明所提出的海量空调负荷仿真流程包括的具体步骤如下所示：

步骤1：启动netlogo空调负荷仿真工程：

在netlogo软件上建立仿真工程，图形界面设计有工程控制按钮和数据观测窗，点击启动按钮即可启动空调负荷仿真工程。

步骤2：数据准备环节：

通过数据交互接口获取实时数据库中netlogo仿真的虚拟子负荷数据；

从文本文件中获取空调负荷运行与控制参数。

步骤3：多智能体自动建模：

如图3所示，本发明所提出的多层级空调负荷互动系统的自动建模技术，包括：代理商自动建模、聚合体自动建模和底层负荷自动建模。

具体对象建模采用智能体模型建模，包含智能体物理属性、通信链接、决策逻辑以及行为空间。

步骤3-1：代理商智能体建模，每个netlogo仿真的虚拟子负荷实例化一个代理商智能体类，依据实时数据库对应虚拟子负荷信息和参数文本数据对代理商智能体参数进行初始化；

步骤3-2：聚合体智能体建模，依据每个代理商智能体的下辖聚合体总数参数值实例化该代理商下辖的聚合体智能体类，依据参数文本数据对聚合体智能体参数进行初始化；

步骤3-3：聚合体通信构架建模，依据参数文本中通信链接矩阵数据，对聚合体进行通信连接建模，每建立一条通信链接，在通信链接两端的聚合体邻居列表属性中添加对端聚合体智能体序列号；

步骤3-4：用电设备层温控技术-温控负荷建模，其中，温控负荷包括：室温演化热力学模型和空调热交换设备控制器；

室温演化热力学模型则可描述为：

其中，θ(t)为t时刻用户的室内温度，θa(t)为t时刻的室外温度，c为热容，r为热阻，pc为空调的制冷功率，pac为空调的耗电功率，η为空调的制冷效率；

空调热交换设备控制器：空调设备接收聚合体下发的温度调节指令来修改空调的设定温度，依据室温传感器得到的室温，控制空调热交换设备(压缩机或者电热丝)的启停；

具体空调控制器的设计如下：

其中s(t)表示热交换设备启停状态，0表示关停，1表示启动，θ(t)表示空调温度传感器得到的t时刻用户的室内温度，θset,c表示空调的设定温度，δ表示空调热交换设备的启停控制温度死区，θset,max表示空调的最高设定温度，θset,0表示空调的初始设定温度，θset,min表示空调的最低设定温度。

如图4所示，本发明所提出的海量空调负荷分层控制技术将海量空调负荷分为三层，包括代理层、聚合体层、用电设备层，其中代理层—参与电力系统调度的实体，聚合体层—负荷集群中心控制器，设备层—海量空调负荷，实时数据库是数据库技术结合实时处理技术产生的数据库的一个分支。

具体各层所采用的控制技术可表述为：

步骤4：目标功率监听：从实时数据库监听空调负荷集群的虚拟子负荷目标功率；

步骤5：负荷代理商决策仿真：依据目标功率计算代理商空调温度调节量参考值；

5-1：代理商层比例积分控制技术；

代理商层是指参与电力系统调度控制的市场实体，电力系统接收代理商提供的可调度信息，代理商接收系统调控指令；

代理商比例积分控制器设计如下：

其中，表示代理商下发给聚合体的温度调节量参考值，μ1表示比例环节权系数，i表示第i个聚合体，n表示代理商下辖的空调聚合体数，yi表示第i个聚合体的空调功率总加，pref(t)表示虚拟子负荷目标功率，μ2表示积分环节权系数，t0表示仿真起始时间。

5-2：聚合体层分布式控制技术；

聚合体是指空调负荷集群的中心控制器，空调负荷集群依据地理位置或者电气连接关系公用一个集中的中心控制器；

领导者聚合体是指与代理商建立通信的聚合体，跟随者聚合体是指不与代理商建立通信的聚合体。聚合体之间依据需求建立通信，聚合体之间通信冗余度越高，空调负荷控制可靠性越高，保证空调负荷控制准确性的最低通信需求是聚合体通信拓扑图为全连通图，由聚合体中心控制器计算得到下辖空调负荷的温度调节量，并广播给成员空调。

空调负荷聚合体分布式控制算法如下：

其中表示聚合体温度调节量，β1表示相邻聚合体偏差权系数，aij表示聚合体i与聚合体j的通信链接系数，1表示有通信，0表示无通信，δθset,j表示相邻聚合体，β2表示代理商偏差全系数，di表示聚合体与代理商的通信链接系数，1表示有通信，0表示无通信。

步骤6：负荷集群聚合体仿真：依据代理商下发温度调节量参考值和自身状态信息计算聚合体温度调节量。

步骤7：空调负荷用户仿真：依据聚合体下发的温度调节浪和自身状态信息计算并控制空调热交换设备(压缩机或电热丝)的启停状态。

步骤8：采样响应结果：按照指定时间步长将负荷代理商所下辖空调负荷功率总加更新到实时数据库。

步骤9：计时器计时：图形界面结束控制按钮提供仿真结束信号，若仿真不结束则等待计时器下一循环触发信号。

如图5所示，基于实时数据库的仿真数据交互技术主要通过以下两个步骤实现：

1.1)通过java本地接口开发实现java程序对实时数据库的访存；

基于java本地接口(jni,javanativeinterface)的实时数据库访存接口开发方法，为保证负荷仿真的实时性，空调负荷仿真对外数据交互采用实时数据库平台，实时数据库提供数据内存块访问的c++接口，通过jni实现java虚拟机(jvm，javavirtualmachine)与c++实时数据库接口的通信，而海量空调负荷的参数通过文本数据设定，通过开发文本数据接口实现netlogo对文本数据的访存；

具体java对实时数据库访存接口的开发方法可表述为：

1.1.1)java对实时数据库应用程序接口(api,applicationprogramminginterface)进行封装，将本地动态库调用函数封装成java实时数据库访存类(*.java)；

1.1.2)通过javac编译工具生成java类文件(*.class)。

1.1.3)通过javah工具生成java本地动态库接口头文件(*.h)。

1.1.4)本地动态库函数实现，函数实现需包含jni头文件、本地动态库接口头文件、实时数据api头文件。

1.1.5)本地动态库(*.so)生成，生成过程中需链接到实时数据api动态库文件。

1.2)用过netlogo数据交互扩展应用程序接口实现netlogo程序对用户自定义java函数的调用；

1.2.1)netlogo数据交互扩展应用程序接口(extensionsapi)的开发方法：其中，netlogo是一个用来对自然和社会现象进行仿真的可编程建模环境，本项目设计的海量空调负荷仿真程序就是在该建模环境中开发的，通过该扩展应用程序接口实现netlogo对java代码的调用。

如图6所示，netlogo数据交互扩展应用程序接口的开发方法可表述为：

1.2.3)设计netlogo数据交互源语：其中源语表示netlogo可编程建模环境中的关键字，通过extensionsapi中相关java程序实现源语功能；

1.2.4)netlogo类管理器编写：类管理器是用于储存netlogo源语与java类的一一对应关系的容器，在netlogo建模环境中使用自定义源语，netlogo会从类管理器中查找并运行源语对应的java类；

1.2.5)netlogo继承类的实现：netlogo给用用户提供了两个接口父类：report类、command类，其中report类带有返回值，command类不带返回值，用户自定义源语对应的java类都是通过继承这两类实现的，在本软件中继承了report类和command类，通过调用封装的java实时数据库访存接口，实现netlogo对实时数据库的访存，本软件中也继承了report类和command类，通过java的文本读写类实现netlogo对文本数据的访存；

1.2.6)编写扩展包清单manifest：netlogo通过扩展包清单建立用户自定义源语与扩展包名、类管理器名、继承类实体的关系；

1.2.7)使用java开发用具对用户自定义的扩展接口进行打包，并拷贝至nelogo安装程序扩展包文件夹，netlogo建模环境即可引用自定义源语。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种海量空调负荷仿真系统，其包括：虚拟子负荷温度调节量计算模块，用于计算虚拟子负荷的温度调节量；聚合体温度调节量计算模块，用于基于虚拟子负荷的温度调节量，计算聚合体的温度调节量；空调启停状态模块，用于基于聚合体的温度调节量，计算并控制空调的启停状态。

虚拟子负荷温度调节量模块，包括：虚拟子负荷建模子模块、聚合体建模子模块、温控负荷建模子模块、目标功率获取子模块和温度调节量参考值子模块；虚拟子负荷温度调节量计算模块，包括：比例积分控制器子模块和温度调节量增量子模块；比例积分控制器子模块，用于将获取到的目标功率，利用比例积分控制器，进行计算，得到虚拟子负荷的温度调节量，其计算公式如下所示：

其中，δθset(t)为t时段虚拟子负荷的温度调节量；δθset(t-1)为t-1时段虚拟子负荷的虚拟子负荷温度调节量；为t-1时段虚拟子负荷的温度调节量增量；温度调节量增量子模块，用于计算虚拟子负荷的温度调节量增量

其中，μ1表示比例环节权系数，n表示虚拟子负荷下辖的聚合体数，yi(t)表示第i个聚合体的功率总加，pref(t)表示目标功率，μ2表示积分环节权系数，t0表示仿真起始时间。

聚合体包括：领导者聚合体和跟随者聚合体；领导者聚合体为空调负荷集群的中心控制器，其与虚拟子负荷建立通信连接；跟随者聚合体为所述空调负荷集群的控制器，其不与虚拟子负荷建立通信，但跟随者聚合体间相互建立通信连接。

聚合体还包括：通信连接单元和智能体序列号单元；通信连接单元，用于基于聚合体分布式控制技术中的通信链接系数矩阵，对领导者聚合体和跟随者聚合体进行通信连接；智能体序列号单元，用于每建立一条通信链接，在通信链接两端的聚合体邻居列表属性中添加对端聚合体的智能体序列号。

聚合体温度调节量计算模块，包括：第一计算子模块和聚合体温度调节增量子模块；第一计算子模块，用于其中，δθset,i(t)为聚合体的温度调节量；δθset,i(t-1)为t-1时段聚合体的温度调节增量；为t-1时段聚合体的温度调节增量；聚合体温度调节增量子模块，用于计算聚合体的温度调节增量

其中，β1表示聚合体i相邻聚合体j的偏差权系数，aij表示聚合体i与所述聚合体j的通信链接系数，δθset,j(t)表示t时段聚合体j的温度调节量，β2表示虚拟子负荷的偏差全系数，di表示聚合体i与虚拟子负荷的通信链接系数。

空调启停状态模块，包括：室温热力学模型子模块和热交换设备子模块；室温热力学模型子模块，用于基于聚合体的温度调节量，利用室温热力学模型计算并控制空调的启停状态；室温热力学模型如下所示：

其中，θa(t)为t时刻的室外温度，c为热容，r为热阻，pc为空调的制冷功率，pac为空调的耗电功率，η为空调的制冷效率，θ(t)表示空调温度传感器t时刻得到的用户室内温度；热交换设备子模块，用于计算空调中热交换设备的启停状态s(t)，：

其中，0表示关停，1表示启动，θset,c表示空调的设定温度，δ表示空调中热交换设备的启停控制温度死区，θset,max表示空调的最高设定温度，θset,0表示空调的初始设定温度，θset,min表示空调的最低设定温度，δθset,i(t)表示聚合体的温度调节量。

虚拟子负荷温度调节量计算模块中的目标功率利用指令调用接口从实时数据库中获取。

海量空调负荷仿真系统还包括：数据更新模块，用于利用指令调用接口按照预设的时间步长将虚拟子负荷下辖的空调的功率总加更新到实时数据库中。

实时数据库还包括空调的运行控制参数：空调的制冷功率，空调的耗电功率，空调中热交换设备的启停控制温度死区，空调的最高设定温度，空调的初始设定温度，空调的最低设定温度；数据更新模块，还用于利用文本参数接口实现对所述空调的运行控制参数的获取。

海量空调负荷仿真系统基于netlogo仿真软件实现；netlogo仿真软件包括report类和command类；继承report类，用于通过继承report类实现文本参数接口；netlogo仿真软件通过继承command类实现指令调用接口。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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。