一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法与流程

本发明涉及电力系统的技术领域，尤其涉及一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法。

背景技术：

随着社会的不断发展和经济的日益增长，“智慧城市”建设在低碳经济、构建和谐社会等诸多领域中日益重要，“互联网+”、泛在电力物联网等新型经济模式的出现为“智慧城市”建设提供了良好基础。2015年国家发改委出台了《关于促进智能电网发展的指导意见》，在此指导意见下，国家电网公司响应号召，提出了基于配电变压器监测终端(ttu，distributiontransformersupervisoryterminalunit，)的智能台区建设计划和建设方案，该项目实现了10kv以下配电网络的工业和居民负荷数据采集，大大节省了抄表过程中的人力和物力，多表数据集中管理，提高了服务水平。

随着近5年配网监控设备的逐步建设，智能电网中配网用户的用电数据规模已从gb增长到tb，甚至达到pb级别。但由于电力系统的复杂特性，电力数据往往具有规模大，传输速度快，类型多样的特点；如何利用大数据技术从复杂的用电数据中提取所需的信息，充分利用ttu采集数据，缺乏相关落地应用方案，已成为是国内外学术界和产业界的研究重点热点。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法，能够实现对大用户关键节点的负荷数据采集和获得设备最优用电需量调节策略，辅助授权人员进行设备用电需量管理决策。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，通过用电采集终端网络实时采集大用户关键节点的负荷数据；基于系统偏好函数构建遥控型设备用电效用评估模型和遥调型设备用电效用评估模型，并结合变电所可中断可控供电设备类型和所述负荷数据对遥控型设备和遥调型设备的运行状态的变化进行评估；动态优化所述遥控型设备和遥调型设备的运行状态，并定义用电效用变化值；基于所述评估对优化设备运行状态的措施进行节能效用成本计算，进而获得设备最优用电需量调节策略，辅助授权人员进行设备用电需量管理决策。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述负荷数据包括，变压器高压处的电力指标、电量指标和非电量指标；变压器低压处的开关电流、电压、有功、无功、功率因数、频率和开关状态。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述遥控型设备用电效用评估模型包括，可遥控型设备的运行状态只有开启和关闭两种状态，定义状态函数si(t)描述所述遥控型设备i在t时刻的运行状态，如下式：

基于所述系统偏好函数ρ(x)，构建所述遥控型设备用电效用评估模型如下：

其中，为用户在t时刻使用所述遥控型设备i的用电效用评估值，为用户在t时刻使用设备i的概率，s为用于推断所述的数据集。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述遥调型设备用电效用评估模型包括，用状态函数sj(t)描述所述遥调型设备j在t时刻的运行状态，如下式：

基于所述系统偏好函数ρ(x)，构建所述遥调型设备用电效用评估模型如下：

其中，为用户在t时刻使用所述遥调型设备j的用电效用评估值，为用户在t时刻使用所述遥调型设备j的概率，s为用于推断所述的数据集，pr为设备的额定功率，pd为不同档位功率运行时的实际功率。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述动态优化遥控型设备和遥调型设备包括，将用电设备k的功率输出值记为pk(t)，在计量时段[t0，ta]内的电能消耗记作ek(t0，ta)，则所述遥控型设备i的用电最大需量优化目标函数如式所示：

其中，所述用电设备k包括所述遥控型设备和遥调型设备；δt是用于计量的时间单元。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述用电效用变化值包括，优化前后两种运行模式之间所述的用电效用变化值代表了对用户满意度的增加或减少，定义所述用电效用变化值为节能优化措施的节能成本，如下式：

其中，为所述用电设备k在t时刻接受用电节能管理优化措施的节能效用成本，ek(t)为实施节能优化措施前所述用电设备k在t时刻的用电效用评估，为实施节能优化措施后所述用电设备k在t时刻的用电效用评估；若所述节能成本为正，代表节能优化措施会损害用户的用电满意度；若为负，则代表节能优化措施大概率不影响用户的用电满意度。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述节能成本还包括，由于用电侧节能优化策略需要充分考虑用户的主观需求程度，定义基于前景理论的节能效用成本评价方法如下式所示：

其中，ck(t)是用户主观感受的所述用电设备k在t时刻节能效用成本；η为用户对节能效用成本的敏感系数，η越大，说明用户越不能接受节能措施；θ为对效用损害的风险规避系数，θ∈(0,1]；υ为对效用增加的风险偏好系数，υ∈(0,1]。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述遥控型设备的节能效用成本计算包括，在所述计量时段[t0，ta]的遥控型设备i累计用电效用成本ci(t0，ta)计算方式如下式：

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述遥调型设备的节能效用成本计算包括，将所述遥调型设备j的运行状态集合记作实时功率记作pj(t)；在所述计量时段[t0，ta]的遥调型设备j累计用电效用成本cj(t0，ta)计算方式如下式：

其中，sj(t0)为所述遥调型设备在时刻t0的运行状态，sj(ta)为所述遥调型设备在ta时刻的运行状态。

作为本发明所述的基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的一种优选方案，其中：所述节能效用成本计算还包括，为保证用电效用，所述用电设备的节能优化问题的约束条件为：

sck(t0,ta)≤ξ

其中，ξ为节能优化策略中的风险系数，ξ<0；ξ越小，说明节能策略发生误操作的可能性越小。

本发明的有益效果：通过构建400伏电压等级的大用户ttu数据采集网络，实现对大用户关键节点的负荷数据采集，并基于前景理论价值函数评价一段时间内设备用电效用的变化与用户主观价值需求之间的关系，通过用电效用评估评价遥控型设备的开关状态、遥调型设备的运行状态的变化并计算设备节能效用成本，得到设备最优用电需量调节策略，均衡工业变电所的峰谷负荷，辅助授权人员进行设备用电需量管理决策，有效管理用户的用电需量，节约企业生产成本，提高了配电网的安全经济运行水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的大用户ttu数据采集网络流程示意图；

图3为本发明第一个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的可遥控型设备需量调节算法流程示意图；

图4为本发明第一个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的可遥调型设备需量调节算法流程示意图；

图5为本发明第二个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的工业电炉实时监控界面示意图；

图6为本发明第二个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的变压器月度负荷峰谷差率对比示意图；

图7为本发明第二个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的变电所日用电需量数据对比示意图；

图8为本发明第二个实施例所述的一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法的变电所月用电需量数据对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～图4，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于400伏用电采集终端的大用户用电管理方法，包括：

s1：通过用电采集终端网络实时采集大用户关键节点的负荷数据。

其中需要说明的是，通过在大用户进线变压器上加装ttu模块，构建用电采集终端网络；ttu分散安装在开关柜中，与本地服务器间采用485通信方式，串口服务器、交换机等其它设备集中安装在自动化控制柜内；变电所安装摄像头，具有视屏抓拍、远方实时监视等功能。

采集数据的流程如图2所示，通过该用电采集终端网络可以实现对变压器高压处的电力指标、电量指标和非电量指标以及变压器低压处的开关电流、电压、有功、无功、功率因数、频率和开关状态的实时采集和监测。

s2：基于系统偏好函数构建遥控型设备用电效用评估模型和遥调型设备用电效用评估模型，并结合变电所可中断可控供电设备类型和负荷数据对遥控型设备和遥调型设备的运行状态的变化进行评估。

从节能优化管理角度，结合变电所可中断可控供电设备类型，引入用电效用评估函数描述某一时刻用电设备运行结果与用户用电满意度之间的关系。

需要说明的是，在能效管理系统中，通过对用电设备历史用电数据进行挖掘，如用电负荷聚类、用电行为分析等，可以预测在某一时刻用户使用某用电设备的概率，记作p^on；针对设备的能效管理优化策略，决策系统对于概率的判断可设定自己的偏好。工程中在已知概率值的基础上，对于概率极小，即极不可能的事情，往往看成是不会发生的；而对概率极大，即极可能的事情，往往看成是绝对的，为此引入系统偏好函数ρ(x)来表征决策系统的决策偏好，如下式所示：

其中，α为系统决策偏好系数，x是通过历史用电数据分析出的概率值(x∈[0,1])，ρ(x)是忽略极不可能事件和肯定极大可能事件的偏好决策概率(ρ(x)∈[0,1])，偏好程度由α决定，α∈[4,∞)，α越大，则用户偏好程度越大。

具体的，构建遥控型设备用电效用评估模型的步骤如下，

(1)遥控型设备的运行状态只有开启和关闭两种状态，定义状态函数si(t)描述遥控型设备i在t时刻的运行状态，如下式：

(2)基于系统偏好函数ρ(x)，遥控型设备用电效用评估模型如下：

其中，为用户在t时刻使用遥控型设备i的用电效用评估值，为用户在t时刻使用遥控型设备i的概率，s为用于推断的数据集。

构建遥调型设备用电效用评估模型的步骤如下：

(1)遥调型设备如电炉等温控设备，可工作在不同的功率档位状态，用状态函数sj(t)描述遥调型设备j在t时刻的运行状态，如下式：

(2)基于系统偏好函数ρ(x)，遥调型设备用电效用评估模型如下：

其中，为用户在t时刻使用遥调型设备j的用电效用评估值，为用户在t时刻使用遥调型设备j的概率，s为用于推断的数据集，pr为设备的额定功率，pd为不同档位功率运行时的实际功率。

s3：动态优化遥控型设备和遥调型设备的运行状态，并定义用电效用变化值。

对用电设备进行节能管理优化，即在评估电器运行的用电效用后，调整设备的运行模式，使其运行在最节约电能的状态，以实现最大化节能效益。

需要说明的是，以节能为主要目标进行用电设备运行状态的动态优化，需要在目标时间段内尽可能降低设备的电能消耗，同时保证设备运行对用户的用电效用；因此，最大需量优化问题的目标函数为最小化供电回路中所有可控设备的耗电值。

具体的，将用电设备k的功率输出值记为pk(t)，在计量时段[t0，ta]内的电能消耗记作ek(t0，ta)，则用电设备k的用电最大需量优化目标函数如式所示：

其中，用电设备k包括遥控型设备和遥调型设备；δt是用于计量的时间单元。

进一步的，优化前后两种运行模式之间的用电效用变化值代表了对用户满意度的增加或减少，定义用电效用变化值为节能优化措施的节能成本，如下式：

其中，为用电设备k在t时刻接受用电节能管理优化措施的节能效用成本，ek(t)为实施节能优化措施前用电设备k在t时刻的用电效用评估，为实施节能优化措施后用电设备k在t时刻的用电效用评估；

若节能成本为正，代表节能优化措施会损害用户的用电满意度；若为负，则代表节能优化措施大概率不影响用户的用电满意度。

再进一步的，用电侧节能优化策略需要充分考虑用户的主观需求程度，因此，将行为经济学中前景理论的价值函数引入节能效用成本的评价中，用于评价用电效用的变化与用户主观满意度变化之间的关系。

定义基于前景理论的节能效用成本评价方法如下式所示，这是设备节能效用成本到用户主观感受节能效用成本的一个转换：

其中，ck(t)是用户主观感受的用电设备k在t时刻节能效用成本；η为用户对节能效用成本的敏感系数，η越大，说明用户越不能接受节能措施；θ为对效用损害的风险规避系数，θ∈(0,1]；υ为对效用增加的风险偏好系数，υ∈(0,1]。

s4：基于评估对优化设备运行状态的措施进行节能效用成本计算，进而获得设备最优用电需量调节策略，辅助授权人员进行设备用电需量管理决策。

定义计量时段[t0，ta]内的遥控型设备i累计用电效用成本ci(t0，ta)计算方式如下式：

同样的，遥调型设备工作在不同的功率曲线下，将遥调型设备j的运行状态集合记作实时功率记作pj(t)；定义计量时段[t0，ta]内的遥调型设备j累计用电效用成本cj(t0，ta)计算方式如下式：

其中，sj(t0)为遥调型设备在时刻t0的运行状态，sj(ta)为遥调型设备在ta时刻的运行状态。

进一步的，为保证用电效用，用电设备的节能优化问题的约束条件为：

sck(t0,ta)≤ξ

其中，ξ为节能优化策略中的风险系数，ξ<0；ξ越小，说明节能策略发生误操作的可能性越小。

需要说明的是，对于遥控型设备，判断其节能效用成本与其节能阈值ξ之间的关系，若小于ξ，则改变遥控型设备运行状态；若大于ξ，则保持原运行状态不变。

对于遥调型设备，判断其节能效用成本与其节能阈值ξ之间的关系，若其节能效用成本大于其节能阈值ξ，则关闭遥调型设备为最优节能控制策略；若小于ξ，则结合设备运行状态与δt内功率曲线评估δt内用电效用；

(1)将所有当前可操作的控制命令的集合记作可遥调命令集，判断遥调命令集是否为空，若不为空，则转至第(4)步；若为空，则继续第(2)步；

(2)选择其中一种遥调命令，对δt内在该命令下设备的用电效用进评估；

(3)计算该控制策略所带来的节能效用成本，判断其是否小于设定节能效用成本阈值ξ，若大于ξ，则将该控制命令放入可行控制命令集中；若小于ξ，经判断设备无需长期停机后，从遥调命令集中删除该控制命令；返回第(1)步；

(4)遍历所有遥调命令集，对其在(2)中预测的δt内的功率曲线进行积分计算，寻找总用电量最小的控制命令，即为最优需量调节策略。

实施例2

为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的用电需量管理方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

传统的用电需量管理方法基于人工抄表的方式进行数据的采集和整理，缺乏功率、电度量、负荷、负荷率等参数的综合采集，对用电设备精细化管理以及能效优化缺乏有效的数据支撑。

为验证本方法相对传统的用电需量管理方法能更有效管理用户的用电需量，本实施例中将采用传统的用电需量管理方法和本方法分别对台车式电炉和变压器的负荷进行测量对比。

首先通过接入ttu构建工业变电所能效智能管理系统，实现对两个变压器的高压开关处9个节点实现遥测遥信功能，对低压开关处实现51个遥测遥信功能；基于ttu采集数据，工业变电所能效智能管理系统通过分析包含工业电炉等大功率可控设备的供电回路遥测数据，进行供电回路的用电能效评估，根据本方法对高耗电可控负荷的用电峰值进行合理的调节控制，减少用电的峰值，使变压器的用电量基本达到均衡。

工业电炉工作时段主要集中在20:00-8:00的时段，实时遥测数据上传主站管理系统后，本发明的用电需量优化方法给出设备最优遥调运行指令，设备管理人员可实时监控电炉的负荷平衡情况，系统及时推送用电越限情况下的告警信息，授权管理人员可根据生产实际改变设备运行状态；图5给出的某100kw台车式电炉的实时功率平衡控制界面，系统记录的2020年3月的月度统计数据，该工业电炉月度最低负荷为2.27kw，最高负荷为720.97kw，平均负荷为147.37kw。

该台车式电炉所在低压回路，其他大功率可控设备还包括1台100kw箱式电炉、1台100kw电炉，所连接的变压器容量为1600kva；变压器的月份负荷峰谷差率对比如图6所示，a)图为采用传统的用电需量管理方法获得的2019年4月数据曲线，b)图为采用本方法获得的2020年4月数据曲线，两种方法的变压器平均峰谷差率都为90％，但变压器2020年4月的月度平均峰谷差率曲线较为平坦，变压器负荷较为均衡。

变电所变压器总容量为23800kw，变电所的单日用电需量数据对比曲线如图7所示，a)图为采用传统的用电需量管理方法获得的2019年4月10日数据曲线，当日最大负荷8524.79kw，最小负荷1412.23kw，平均负荷3910.45kw；b)图为采用本方法获得的2020年4月10日数据曲线，当日最大负荷3605.39kw，最小负荷874.32kw，平均负荷1599.71kw。

变电所月度用电需量数据对比曲线如图8所示，a)图为采用传统的用电需量管理方法获得的2019年4月数据曲线，当月最大负荷13892.81kw，最小负荷15.74kw，平均负荷3995.52kw；b)图为采用本方法获得的2020年4月数据曲线，当月最大负荷4996.19kw，最小负荷0.20kw，平均负荷1525.31kw。

由图6～图8所示的测试数据对比可见，本方法通过高耗电设备用电需量的远程监控，可有效控制变电所用电需量在合约值内，保证企业可充分利用电能安全生产。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。