一种参与电网需求侧响应的智能负荷插座及其远程控制平台的制作方法

本发明涉及物联网及电气测量控制技术领域，具体涉及一种参与电网需求侧响应的智能负荷插座及其远程控制平台。

背景技术：

随着国内年发电量和用电量逐渐趋势平衡，用电量增长也逐渐趋于平缓，电网已经不具备大规模投资输配电的条件，急需要在现有的输配电网络下提高资产运营效率，因此需求侧响应和调频调峰等电力辅助服务成为当前解决该问题的重要途径。当前需求侧响应和调频调峰主要集中在工业用户和发电厂，对于大量的居民用户和商业用户来讲基本很少参与，根据统计，居民用户用电和商业用户用电占据全社会总用电量的30％以上，如何把这部分用户纳入到电网的需求侧响应和调峰等电力辅助服务中来是当务之急，因此需要一种能够实现居民和商业用户的负荷控制设备和平台能够实现这个能力。

根据调查，目前市场上已经有可以控制用户负荷设备的电子插座，但是普遍存在以下问题：一是缺乏与热水器、空调、洗衣机等负荷设备的通信机制，只能根据预先设置的时段来启停这些设备，无法做到实时控制，自然就不能参与电网的需求侧响应和调峰需求等，同时由于只能根据设置好的时段启停控制开关负荷设备，没有与用户的实际使用需求联系起来，导致实际使用中经常被用户习惯性的退出启停控制；二是内部缺乏加密单元，会使用户的设备控制易受外部侵入，会带来不确定的安全风险；三是计量单元必须采取经过认证的计量芯片和数据加密，否则数据很难被需求侧响应平台或其他平台接受和认可。四是目前的电子插座基本上全部采用wifi局域网信号作为无线通信方式，易受用户内部网络环境的制约，导致电子插座上线率不高，满足不了参与需求侧响应的实时在线需求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种参与电网需求侧响应的智能负荷插座，其特征在于，所述智能负荷插座与远程控制平台和负荷连接，所述智能负荷插座用于进行负荷控制和用户节点用电数据采集，并将采集数据信息上传到远程控制平台。

优选的，所述智能负荷插座包括计量芯片、嵌入式处理器及数据存储、显示屏及设置按键、负荷设备有线和/或无线通讯电路、远程通讯接口、硬件加密单元和温度测量电路；

所述智能负荷插座采用无线通信和/或有线通信的方式，来控制智能空开或其他形式的开关实现负荷设备的启停或者直接与负荷设备进行通信连接；

或者，在所述智能负荷插座内部设置电气开关来直接控制负荷设备启停。

优选的，所述嵌入式处理器负责计算算法的实现、计量芯片电量的读取、按键处理，显示输出、通讯控制信号输出、远程通信控制信号接受和输出；

外部的电压电流信号接入到计量芯片，计量芯片负责实时计算电量，计量芯片直接连到嵌入式处理器的spi总线上，嵌入式处理器通过总线读取电量数据；

显示屏及设置按键用于智能负荷插座的显示和参数设置输入，可直接连接到嵌入式处理器的io口上，通过按键设置计量算法的参数，显示屏显示出信息，进行人机交互；

数据存储单元由嵌入式处理器控制，保存必要的电量数据和参数；

负荷设备有线和无线通信电路、远程控制平台通信由所述嵌入式处理器控制，所述嵌入式处理器通过有线和/或无线通信来控制设备的启停，并实现设备负荷曲线实时状态的监控。

优选的，为了保证与远程控制平台的数据通信安全和远程控制安全，所述智能负荷插座内部设置有加密芯片单元，所述加密芯片单元符合国家保密要求和规范；

智能负荷插座内部的嵌入式处理器与负荷设备的通信数据、与远程控制平台的通信数据的接收和发送都是通过加密芯片单元来进行加密处理，保证数据安全。

优选的，所述计量芯片不仅计量用户设备用电时的功率和电量，还计量在进行负荷控制期间的响应电量ψi(k)，其计量的响应电量值为在进行负荷控制起始时刻的用电功率和负荷控制持续时间的乘积减去负荷控制期间的实际用电量，其中i≥1，i表示为参与需求侧响应的用户负荷池中的第i个用户。

优选的，为了在进行需求侧响应时不影响用户的使用习惯，在所述智能负荷插座内设置温度测量电路；

所述温度测量电路可从热水器、空调设备中，用于通过有线或无线通信电路来读取水温或环境温度；

当空调的环境温度较高时尽量避免参与需求量削减响应以避免影响用户体感，在用户热水使用时段尽量避免热水器参与需求侧响应。

优选的，所述负荷设备有线电路为rs485或plc电力载波通信电路，所述无线通讯电路为wifi、蓝牙或红外通信电路。

为解决上述问题，本发明还提供一种用于所述智能负荷插座的远程控制平台，其特征在于，所述远程控制平台与所述智能负荷插座连接，将所有远程连接的用户整合在一起形成用户负荷池，以负荷集成商的形式通过对用户负荷的智能控制，来参与包括电网的需求侧响应和调峰在内的电力辅助服务，整体控制策略如下：

(1)远程控制平台与电网或政府的需求侧响应平台连接，根据远程控制平台当前预测可调控的负荷总量按照远程控制平台执行的职能交易响应策略来确定参与需求侧响应的调控负荷总量ψ(k)，k表示为当前时刻；

(2)远程控制平台根据用户实时负荷曲线来预测当前每个用户能够响应的负荷量ψi(k)及响应的持续时间ti(k)，再结合远程控制平台接入的在线用户数量和负荷分配最优化策略，就可以给每个用户节点分配负荷控制指令，其中i≥1，i表示为参与需求侧响应的用户负荷池中的第i个用户；

负荷分配最优化策略为最经济的分配原则，分配负荷控制的用户数量n最少，同时能够持续响应的时间之和最长，具体如下公式：其中n＝min(∑i)取最小值，

(3)用户以智能负荷插座为单位，对远程控制平台下发的负荷控制指令进行响应，并记录开始响应时的实际负荷功率ρi(k)作为负荷响应计量值、持续响应的时间ti(k)、负荷控制期间实际使用的用电量实时上传内部计量的实际响应负荷电量为

(4)远程控制平台根据实际负荷的响应用电量ψi(k)来获取收益，收益不限于参与需求量响应的收益和调峰收益，用户根据实际响应的负荷电量和与平台的约定来分享相关的收益。

本发明具备以下技术特点和技术效果：

(1)本发明的智能负荷插座内部集成了与负荷设备的有线或无线wifi局域网通信电路，可以直接实现点对点之间的通信，不需要通过路由器等设备来建立通信链路，使智能负荷插座与负荷设备之间的启停控制更加智能化，更加符合用户的使用习惯；

(2)本发明的智能负荷插座内部与远程控制采取4g、5g等无线通信方式，避免采用wifi通信需经过路由器才能进行远程连接的缺点，使远程控制平台能够稳定地对负荷设备进行实时控制；

(3)本发明的智能负荷插座内部采取数据加密芯片，使数据和远程平台的控制指令更加安全，避免数据和控制指令被外部侵入篡改；

(4)本发明的远程控制平台可以将一定数量的用户和负荷集成在一起，满足需求量响应和调峰等电力辅助服务平台对负荷总量的要求，用户从中也可以获得相关收益。

附图说明

图1示出了本发明的系统构成及通信控制示意图；

图2示出了本发明的智能负荷插座内部组成示意图。

具体实施方式

本发明提供一种参与电网需求侧响应的智能负荷插座及其远程控制平台，通过智能负荷插座来进行负荷控制和用户节点用电数据采集，并将采集数据信息上传到远程控制平台，远程控制平台可以将所有远程连接的用户整合在一起以负荷集成商的形式通过对用户负荷的智能控制来参与电网的需求侧响应，并与用户分享相关收益，同时用户还可以通过该远程控制平台来参与碳交易、碳积分等低碳能源促进机制。

图1示出了一种参与电网需求侧响应的智能负荷插座及其远程控制平台的系统示意图。该系统包括用户侧的设备负荷、智能负荷插座、远程控制平台，其中智能负荷插座是核心，是远程控制平台来控制设备负荷的关键，采用4g或5g等物联网无线通信方式通过智能负荷插座来进行负荷控制和用户节点用电数据采集，并由智能负荷插座将采集数据信息上传到远程控制平台，远程控制平台可以将所有远程连接的用户整合在一起以负荷集成商的形式通过对用户负荷的智能控制来参与电网的需求侧响应，并与用户分享相关收益，同时用户还可以通过该远程控制平台来参与碳交易、碳积分等低碳能源促进机制。

智能负荷插座与设备之间采用有线或无线的通信方式来获取对设备的控制和状态获取。

远程控制平台包括物联网服务器和显示平台，物联网服务器主要用于数据存储和云计算，远程控制平台通过互联网与需求侧响应平台等电力辅助服务平台来连接，接受响应指令，参与相关交易。

为了提高系统效率，远程控制平台还可以采取去中心化的方式，直接在智能负荷插座中建立协作区块链。智能负荷插座可以直接作为协作区块链的节点，区块链的共识算法以智能合约机制的方式来实现，电力辅助服务平台作为智能合约机制的发布方，节点与节点之间可以直接实现网络连接，可以直接在区块链中建立数据加密防篡改机制，省去了加密芯片。

图2示出了本发明的智能负荷插座内部组成示意图，智能负荷插座由插座本体、计量芯片、嵌入式处理器及数据存储、显示屏及设置按键、负荷设备有线和无线通讯电路、远程通讯接口、硬件加密单元、温度测量电路等组成。智能负荷插座采用无线通信(如wifi、红外、蓝牙)和/或有线通信(如rs485、plc电力载波通信等)的方式，来控制智能空开或其他形式的开关实现负荷设备的启停或者直接与负荷设备进行通信连接，也可以在智能负荷插座内部设置电气开关来直接控制负荷设备启停。嵌入式处理器为智能负荷插座的核心，负责计算算法的实现、计量芯片电量的读取、按键处理，显示输出、通讯控制信号输出、远程通信控制信号接受和输出；外部的电压电流信号接入到计量芯片，计量芯片负责实时计算电量，计量芯片直接连到嵌入式处理器的spi总线上，嵌入式处理器通过总线读取电量数据；显示屏及设置按键是电表的显示和输入，直接连接到嵌入式处理器的io口上，通过按键设置计量算法的参数，显示屏显示出信息，进行人机交互；数据存储单元由嵌入式处理器控制，保存必要的电量数据和参数；

智能负荷插座内的计量芯片不仅仅是计量用户设备用电时的功率和电量，而且还要计量在进行负荷控制期间的响应电量ψi(k)(不是实际的用电量)，其计量的响应电量值为在进行负荷控制起始时刻的用电功率和负荷控制持续时间的乘积减去负荷控制期间的实际用电量，其中i≥1，i表示为参与某次需求侧响应的第i个用户。

为了在进行需求侧响应时不影响用户的使用习惯，在智能负荷插座内设计了温度测量电路使用户设备使用更加智能化，同时也可以从热水器、空调等设备中通过有线或无线通信电路来读取水温或环境温度。当空调的环境温度较高时尽量避免参与需求量削减响应以避免影响用户体感，在用户热水使用时段尽量避免热水器参与需求侧响应。

所述远程控制平台与所述智能负荷插座连接，将所有远程连接的用户整合在一起，以负荷集成商的形式通过对用户负荷的智能控制来参与包括电网的需求侧响应和调峰在内的电力辅助服务，整体控制策略如下：

(1)远程控制平台与电网或政府的需求侧响应平台连接，根据远程控制平台当前预测可调控的负荷总量按照远程控制平台执行的职能交易响应策略来确定参与需求侧响应的调控负荷总量ψ(k)，k表示为当前时刻；

(2)远程控制平台根据用户实时负荷曲线来预测当前每个用户能够响应的负荷量ψi(k)及响应的持续时间ti(k)，再结合远程控制平台接入的在线用户数量n和负荷分配最优化策略，就可以给每个用户节点分配负荷控制指令，其中n≥i≥1，i表示为参与某次需求侧响应的第i个用户；

负荷分配最优化策略为最经济的分配原则，分配负荷控制的用户数量最少，同时持续响应的时间最长，具体如下：第k次时刻总的需求侧响应电量其中n＝min(∑i)取最小值，其中，ψ(k)取得最优的条件是参与的用户总数量n数值最小，同时用户参与需求侧响应的时间之和最长；

(3)用户以智能负荷插座为单位，对远程控制平台下发的负荷控制指令进行响应，并记录开始响应时的实际负荷功率ρi(k)作为负荷响应计量值、持续响应的时间ti(k)、负荷控制期间实际使用的用电量实时上传内部计量的实际响应负荷电量为

(4)远程控制平台根据实际负荷的响应用电量ψi(k)来获取收益，收益不限于参与需求量响应的收益和调峰收益，用户根据实际响应的负荷电量和与平台的约定来分享相关的收益。

负荷设备有线或无线通信、远程平台通信都是由嵌入式处理器控制的，嵌入式处理器通过有线或无线通信来控制设备的启停和设备负荷曲线实时状态的监控。有线包括rs485总线等，无线通信方式包括蓝牙、wifi、zigbee等通信。与远程平台的通信为4g/5g等广域网通信方式，信号更为可靠，也可以选择wifi局域网通信来作为补充，通过wifi通信来与路由器建立通信链路与远程控制平台来连接。

例如对于用户热水器来讲，目前大部分热水器产品只能设置在时段上进行加热控制，无法实现远程控制来参与需求侧响应。假设某区域有1万户家庭热水器采用智能负荷插座后，这一万户加热器都可以通过远程控制的方式参与需求侧响应，总的用户池响应功率为1万千瓦。某一天白天12点电网负荷处于高峰时，需求侧响应平台向用户池远程控制平台直接下发1万千瓦的功率下调指令，远程控制平台根据各用户上传的能够参与下调的功率值及持续时间，从这1万用户中挑选出最优数量的用户来参与1万千瓦的功率下调。实际响应的电量数值经过远程控制平台确认后即可响应其收益。

为了在进行需求侧响应时不影响用户的使用习惯，在智能负荷插座内设计了温度测量电路使用户设备使用更加智能化，同时也可以从热水器、空调等设备中通过有线或无线通信电路来读取水温或环境温度。当空调的环境温度较高时尽量避免参与需求量削减响应以避免影响用户体感，在用户热水使用时段尽量避免热水器参与需求侧响应。

为了保证与远程控制平台的数据通信安全和远程控制安全，内部设计有加密单元，加密单元符合国家保密要求和规范。智能负荷插座内部的嵌入式处理器与负荷设备的通信数据、与远程控制平台的通信数据的接收和发送都是通过加密芯片单元来进行加密处理，保证数据安全。加密芯片是对内部集成了符合国家保密标准的各类对称与非对称算法,自身具有极高安全等级,可以保证内部存储的密钥和信息数据不会被非法读取，属于硬件加密。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围，特别是跟插座相关的电气开关、插头等类似功能的发明也在本发明的保护范围之内。