校园动态节能配电方法
【专利摘要】本发明提供了一种校园动态节能配电方法，包括：针对用电设备的类型和优先级协调多用户之间的用电量，对未来时间的设备用电量进行估计，根据估计结果对设备进行供电，并通过采集用户反馈信息来校正电力分配。本发明通过调整校园内多个单位的用电，降低电网峰值负荷，兼顾用户用电需求，降低总体能耗，保证了电网运行的安全稳定性。
【专利说明】
校园动态节能配电方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电网智能化，特别涉及一种校园动态节能配电方法。
【背景技术】
[0002] 随着物联网技术出现，智能电网已经成为当前以及未来生活中不可或缺的重要元 素，也将成为人们生活方式重大转变。我国能源结构不合理和环境恶化问题成为当前社会 关注的重点，节能技术和智能电网建设也显得更具迫切性。全球许多国家和地区已经将节 能减排作为未来电网的重要发展目标。在学校、商场等公共场所，更加贴近用户需求的智能 配电系统与软件开发已经迫在眉睫，结合物联网技术与智能电网技术，实现对用户配电管 理以及保障电网平稳安全运行，并有效实现节能减排，成为智能校园领域的重要创新方向。 现有技术的多数能量管理系统不能根据用户用电习惯来协调多用户用电，使得电网侧峰值 负荷较高，严重影响电网的安全性与稳定性。
【发明内容】
[0003] 为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种校园动态节能配电方法， 包括：
[0004] 针对用电设备的类型和优先级协调多用户之间的用电量，对未来时间的设备用电 量进行估计，根据估计结果对设备进行供电，并通过采集用户反馈信息来校正电力分配。
[0005] 优选地，所述针对用电设备的类型和优先级协调多用户之间的用电量，进一步包 括：
[0006] 根据设备启动时刻的可调整范围将设备分为高弹性设备和低弹性设备;其中高弹 性设备是指，在默认启动时刻的前后启动用户可接受的可调整范围大于预设时长的设备； 低弹性设备是指，在默认启动时刻的前后启动用户可接受的可调整范围小于预设时长的设 备，所述设备启动时刻的可调整范围的确定通过统计分析用户使用设备习惯得到，其中最 早启动时刻和最晚启动时刻通过计算设备在每个时间段的启动频率得到，对于高弹性设 备，在交叉时段内调度运行；
[0007] 将用电设备的最早启动时刻和最晚启动时刻之间的启动时刻调整范围平均分为 三部分，当前时刻处于启动时刻范围的前1/3时段时，该设备的启动请求为低优先等级，而 当前时刻处于该设备启动时刻范围的中间时段时，启动请求为中优先等级，在当前时刻已 到达启动时刻范围的最后1/3段时，该设备的启动请求为高优先等级;对于同等级的启动请 求，则继续根据当前时刻到设备最晚启动时刻的时长，即剩余时长，设定各个请求的优先顺 序，设定剩余时长越短，分配优先等级越高，由上述的设备启动请求的当前时刻与剩余时长 来建立实时优先等级，按照该优先等级处理设备启动请求：
[0008] 将设备1的启动时刻调整范围记为Μπη,ιη)，当前时刻表示为t，将设备1的启动请 求实时优先等级的权值匕表示为：
[0009]
[0010] 其中设备1处于低优先等级时1α = 3,处于中优先等级时1α = 2,处于高优先等级时 ki = l;结合设备的剩余时长，根据设备在当前时刻t时1^的值来计算设备1实时优先等级的 优先值Pi，其计算公式为：
[0011] p=(n-t.)*10'
[0012] 根据设备的优先值Pi，从小到大对设备的启动请求进行排序；
[0013]在设备运行调度过程中，在交叉时段内分配多用户中有运行任务的所有高弹性设 备的运行，设置功率上限阈值α;当时间到达高弹性设备启动时刻调整范围的起点时，设备 发出启动请求，请求信息包括该设备的运行功率、运行时长、以及可调整范围，其中请求信 息缓存在请求列表V中；在交叉时段内，响应高弹性设备的启动请求进行电力分配，其中交 叉时段内出现以下中断之一时触发分配过程：
[0014] (1)时间到达交叉时段的起点；（2)时间到达任意设备的启动时刻调整范围的起 点；（3)时间到达任意未启动设备的启动时刻调整范围的终点；（4)任意运行中的设备完成 运行并停止运行；
[0015] 在分配过程中，首先更新正在运行的设备列表，设置各个有启动请求的设备优先 等级，并将同一优先等级队列中的设备按照Pi升序排序;然后，将已到达启动时刻调整范围 终点的未启动设备直接启动，并在不超出总功率上限阈值α的前提下，根据优先等级由高到 低，对各个优先等级队列中的设备逐个启动;其中阈值α通过统计交叉时段内的平均功率而 获得。
[0016] 优选地，所述根据估计结果对设备进行供电，并通过采集用户反馈信息来校正电 力分配，进一步包括：
[0017] 预分配阶段，根据下一个时间段的估计信息对设备的运行进行预先的规划，判断 当前时段所属类型是休息日还是非休息日，然后根据所属类型对设备和电力进行调度分 配，第一个周期为24小时，对高弹性设备进行分配;第二个周期为1小时，对低弹性设备进行 分配；
[0018] 在实时校正阶段，判断产生误差的来源，若来源是设备数量改变，则利用预分配过 程对此单位时间需要运行的设备进行分配;若来源是电费和电力可用量改变，则设定电费 变化的变化范围为± S和可用电量的变化范围为ε，若变化未超出这两个范围，则不对预分 配进行修改;若超出则根据预分配过程对已做分配进行微调；
[0019] 接收用户输入的最近时间段内的设备运行状态评价，包括默认启动时刻、运行时 长以及启动时刻范围；根据反馈信息与实际运行信息的差异分别反馈给估计过程和分配过 程进行校正;若所建议的启动时刻范围没有包括已估计出的默认启动时刻，则反馈信息反 馈估计方法来重新训练估计方法中的网络;若所建议的启动时刻范围包括已估计出的默认 启动时刻，则反馈信息反馈分配方法，来校正相应的信息。
[0020] 本发明相比现有技术，具有以下优点：
[0021] 本发明提出的校园动态节能配电方法，通过调整校园内多个单位的用电，降低电 网峰值负荷，兼顾用户用电需求，降低总体能耗，保证了电网运行的安全稳定性。
【具体实施方式】
[0022] 下文提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发 明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸 多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出 于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权 利要求书实现本发明。
[0023] 本发明提出了一种基于校园设备的配电方法，通过协调多用户用电情况，在降低 电力开支的基础上，解决威胁电网稳定的高峰出现等问题。针对校园中电力利用率与用户 体验的权衡问题，通过容忍度来描述每个时间段内用户容忍度与节能的关系。根据估计出 的设备运行情况对设备进行合理的电力分配。针对估计信息与实时信息存在的误差，实时 校正过程进行调整，并通过采集用户反馈信息来校正估计和分配。
[0024] 根据对用电设备运行情况的分析得到，用户对于设备的启动时刻有一个可调整范 围，即设备启动时刻可调整弹性。根据启动时刻范围以及用户容忍度将设备分为高弹性设 备和低弹性设备。其中高弹性设备是指，此类设备在默认启动时刻的前后启动用户都可以 接受，并且启动时刻的可调整范围大于预设时长;在此弹性内用户对于设备启动时刻的容 忍程度在默认启动时刻之前之后下降的速率较慢。低弹性的设备是指，用户可以接受此类 设备在默认启动时刻之前启动，但是可接受范围小于预设时长，对于设备的延期启动的时 间可接受范围更小，即低弹性;在默认启动时刻之前的范围内，用户的容忍度的变化较为缓 慢，在默认启动时刻之后的范围内，用户的容忍度的变化较为迅速，并且持续下降。
[0025] 设备启动时刻可调整范围的确定通过统计分析用户使用设备习惯得到，其中最早 启动时刻和最晚启动时刻通过计算设备在每个时间段的启动频率得到。为了确保单用户室 内对于容忍度的要求，在保障用户容忍度的前提下，分配对用户容忍度影响较小的高弹性 设备在交叉时段内运行。
[0026] 根据当前时刻与高弹性设备启动时刻点范围的位置关系，定义设备实时优先等 级。首先将某一用电设备的最早启动时刻和最晚启动时刻之间的启动时刻调整范围平均分 为三部分，当前时刻处于启动时刻范围的前1/3时段时，该设备的启动请求为低优先等级， 而当前时刻处于该设备启动时刻范围的中间时段时，启动请求为中优先等级，在当前时刻 已到达启动时刻范围的最后1/3段时，该设备的启动请求为高优先等级。而对于同等级的启 动请求，则继续根据当前时刻到设备最晚启动时刻的时长，称剩余时长，设定各个请求的优 先顺序，设定剩余时长越短，分配优先等级越高。因此，由上述的设备启动请求的当前时刻 与剩余时长来建立实时优先等级。
[0027] 为了满足用户对于容忍度的需求，设备必须在调整范围内启动，按上述优先顺序 处理设备启动请求，可以减小设备在弹性最后时刻被迫启动的几率，增强了用电设备启动 控制的灵活性。
[0028] 设定设备1的启动时刻调整范围为t(mi，m)，当前时刻表示为t，将设备1的启动请 求实时优先等级的权值匕表示为：
[0029]
[0030] 其中设备1处于低优先等级时1α = 3,处于中优先等级时1α = 2,处于高优先等级时 ki = l。结合设备的剩余时长，根据设备在当前时刻t时1^的值来计算设备1实时优先等级的 优先值Pi，其计算公式为：
[0031] P=(n.-L)*lOs
[0032] 根据设备的优先值Pi，从小到大对设备的启动请求进行排序，值越小，设备请求启 动顺序越早。
[0033] 在设备运行调度过程中，在交叉时段内分配多用户中有运行任务的所有高弹性设 备的运行。设置功率上限阈值α。当时间到达高弹性设备启动时刻调整范围的起点时，设备 发出启动请求，请求信息包括该设备的运行功率、运行时长、以及可调整范围，其中请求信 息缓存在请求列表V中。在交叉时段内，响应高弹性设备的启动请求进行电力分配。其中交 叉时段内出现以下中断之一时触发分配过程：
[0034] (1)时间到达交叉时段的起点；（2)时间到达任意设备的启动时刻调整范围的起 点；（3)时间到达任意未启动设备的启动时刻调整范围的终点；（4)任意运行中的设备完成 运行并停止运行。
[0035] 分配过程具体为:首先更新正在运行的设备列表，设置各个有启动请求的设备优 先等级，并将同一优先等级队列中的设备按照Pi升序排序。然后，将已到达启动时刻调整范 围终点的未启动设备直接启动，并在不超出总功率上限阈值α的前提下，根据优先等级由高 到低，对各个优先等级队列中的设备逐个启动。其中阈值α通过统计交叉时段内的平均功率 而获得。
[0036]在校园中，能量管理系统EMS是实现配电的底层基础平台，本发明实施例的EMS由 三部分组成，包括用电设备数据存储模块，智能计算模块以及显示模块。供电方为EMS系统 提供日前电费和实时电费，服务器为EMS系统提供可用电量的估计和实时信息。数据存储模 块直接与用电设备进行通信，进行用电设备状态信息的采集和用电设备运行历史数据的存 储；智能计算模块是电力控制的核心，进行信息数据的处理与分析并根据计算来指导设备 的运行;显示模块给用户提供了一个平台用来查看用电设备的运行情况和对设备的运行情 况进行容忍度评估。在能量管理系统中各个模块与用电设备的通信通过zigbee无线网络协 议。
[0037]智能计算模块处理和分析来自校园外部以及其它模块的信息并分配用电设备的 运行，该模块包括三个单元，估计单元，分配单元和用户反馈单元。估计单元处理数据存储 模块提供的用电设备运行情况的历史信息与实时运行信息，并对用电设备的下一个时间段 的运行情况进行估计，再通过用户反馈的容忍度评估信息进行估计方法的校正，其中估计 的设备运行情况提供给分配单元，作为分配的依据和限制条件。分配单元根据供电方提供 的实时电费，从服务器上得到的电力的可使用情况的估计和实时信息以及估计单元提供的 设备运行情况的估计信息和来自数据存储模块的实时信息来进行设备的调度，指导用电设 备的运行，并根据用户反馈单元反馈的信息对方法进行校正。用户反馈单元用来采集、分析 和处理显示模块中的移动终端提供的用户对分配后设备的运行情况所做的容忍度评估信 息，并将此信息提供给估计单元和分配单元以进行信息校正。
[0038] 本发明提出的室内分配方法分为预分配和实时校正分配两部分。预分配是指根据 下一个时间段的估计信息对设备的运行进行预先的规划。由于估计信息与实时信息存在的 误差以及人为的干预，使得预分配无法针对实时的情况变化进行相应的调整。针对上述问 题，实时校正分配根据实时信息对预分配所做分配进行实时校正。
[0039] 在预分配中，首先在每天的开始判断此时段所属类型是休息日还是非休息日。然 后根据所属类型对设备和电力进行合理的调度分配以满足用户的需求。预分配分为两个周 期进行分配。第一个周期为24小时，对高弹性设备进行分配。第二个周期为1小时，对低弹性 设备进行分配。对第一周期的设备进行分配后再对第二周期的设备进行分配。
[0040] (1)第一周期:假设除了高弹性设备其他的设备的启动时刻按照估计的默认启动 时刻启动，然后根据高弹性设备的估计的运行情况和启动时刻范围，可用电量的估计情况， 实时电费的估计情况以及动态容忍度的情况以最小化花费为目的，来规划高弹性设备的运 行。
[0041] (2)第二周期：以每小时为单位的单位时间分配，以至于更好的掌控设备的运行情 况。对低弹性设备在分配过程进行分类。设定单位时间范围表示为t'（e'，f'），设备启动时 刻范围为t(e，f)，其中e'表示单位时间的起点，f '表示单位时间的终点，e表示设备启动时 刻范围的起点，f表示设备启动时刻范围的终点，tnh表示设备η的默认启动时刻，t ' nh表示在 第i个单位时间内设备η的默认启动时刻。根据在第i个单位时间内的前后关系，将 设备分为了 二类:a . t ' nh>tnh ; b . t ' nh - tnh ； C . t nh〈 tnh ·
[0042] 以每小时花费最小为目的确定目标函数，遵循约束条件来求解设备启动时刻^的 最优解。目标函数表达式为：
[0043] minCosti = Xi(Ei_Ci)，
[0044] 其中，Cost指在第i个单位时间的花费;Xl指第i个单位时间内的电费;(^表示在第 i个单位时间内的电力的可用量;Ei表示第i个单位时间内的总的用电量，表达式如下：
[0045] η·=\
[0046] 其中，集合α表示在第i个单位时间开始时没有开始运行的设备的号，即η类设备 号，集合β表示第i个单位时间开始时已经开始运行的设备的号，即k类设备号。p4Pp k分别表 示η类和k类设备的运行时的平均功率;hni和hkl分别表示η类设备和k类设备在第i个单位时 间内的运行时长。本发明设定设备在第i个单位时间内设备运行时长由设备的启动时刻t n 决定，hni和hki分别表不为：
[0047]
[0048]
[0049] 其中，h4Phk分别表示η类设备和k类设备估计的运行时长。;表示设备在第i个 单位时间之前已经运行的时长。tnt表示设备启动时刻tn去除整点时刻后所剩的时间，即：
[0050] tnt = tn-[tn]
[0051] 在计算出第i个单位时间开始时已经开始运行的设备（即k类设备)在第i个单位时 间内所消耗的电力后，进而得到电力在提供给已启动设备电力后所剩余的电力C'i和未启 动设备(即η类设备)在此单位时间内所要消耗电力总和，表达式如下：
[0052]
[0053] 根据E'i和C'i的关系，以及设备启动时刻范围和动态容忍度来设定约束条件求解 设备η的启动时刻tn。
[0054] 进一步在实时校正阶段，本发明对预分配结果进行调整。根据实际运行情况将产 生误差的来源分为三类:设备数量变化，电费的改变和可用电量的改变。并根据产生的来源 对分配进行实时的校正。
[0055] (1)设备的数量改变:①设备增加，抢占资源，等同于此单位时间内的电力的可用 量减少，然后再利用预分配过程对此单位时间需要运行的设备进行分配。②设备的减少，释 放资源，等同于此单位时间内的电力的可用量增加，然后再利用预分配过程对此单位时间 需要运行的设备进行分配。
[0056] (2)电费和电力可用量改变:设定电费变化的变化范围为± δ和可用电量的变化范 围为ε，若变化未超出这两个范围，则不对预分配进行修改;若超出则根据预分配过程对已 做分配进行微调。
[0057] EMS中显示模块提供了用户对设备运行情况进行容忍度评估的平台。接收用户输 入的最近时间段内的设备运行状态评价，包括默认启动时刻、运行时长以及启动时刻范围。 根据反馈信息与实际运行信息的差异分别反馈给估计过程和分配过程进行校正。若所建议 的启动时刻范围没有包括已估计出的默认启动时刻，则反馈信息反馈估计方法来重新训练 估计方法中的网络;若所建议的启动时刻范围包括已估计出的默认启动时刻，则反馈信息 反馈分配方法，来校正相应的信息。
[0058]应当理解的是，本发明的上述【具体实施方式】仅仅用于示例性说明或解释本发明的 原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨 在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修 改例。
【主权项】
1. 一种校园动态节能配电方法，其特征在于:针对用电设备的类型和优先级协调多用 户之间的用电量，对未来时间的设备用电量进行估计，根据估计结果对设备进行供电，并通 过采集用户反馈信息来校正电力分配。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针对用电设备的类型和优先级协调多 用户之间的用电量，进一步包括： 根据设备启动时刻的可调整范围将设备分为高弹性设备和低弹性设备;其中高弹性设 备是指，在默认启动时刻的前后启动用户可接受的可调整范围大于预设时长的设备;低弹 性设备是指，在默认启动时刻的前后启动用户可接受的可调整范围小于预设时长的设备， 所述设备启动时刻的可调整范围的确定通过统计分析用户使用设备习惯得到，其中最早启 动时刻和最晚启动时刻通过计算设备在每个时间段的启动频率得到，对于高弹性设备，在 交叉时段内调度运行； 将用电设备的最早启动时刻和最晚启动时刻之间的启动时刻调整范围平均分为三部 分，当前时刻处于启动时刻范围的前1/3时段时，该设备的启动请求为低优先等级，而当前 时刻处于该设备启动时刻范围的中间时段时，启动请求为中优先等级，在当前时刻已到达 启动时刻范围的最后1/3段时，该设备的启动请求为高优先等级;对于同等级的启动请求， 则继续根据当前时刻到设备最晚启动时刻的时长，即剩余时长，设定各个请求的优先顺序， 设定剩余时长越短，分配优先等级越高，由上述的设备启动请求的当前时刻与剩余时长来 建立实时优先等级，按照该优先等级处理设备启动请求： 将设备1的启动时刻调整范围记为t(mi，m)，当前时刻表示为t，将设备1的启动请求实 时优先等级的权值Iu表示为：其中设备1处于低优先等级时1α = 3,处于中优先等级时1α = 2,处于高优先等级时Iu = 1;结合设备的剩余时长，根据设备在当前时刻t时1^的值来计算设备1实时优先等级的优先 值Pi，其计算公式为： P1= (n「t')*l:〇3ki 根据设备的优先值Ρι，从小到大对设备的启动请求进行排序； 在设备运行调度过程中，在交叉时段内分配多用户中有运行任务的所有高弹性设备的 运行，设置功率上限阈值α;当时间到达高弹性设备启动时刻调整范围的起点时，设备发出 启动请求，请求信息包括该设备的运行功率、运行时长、以及可调整范围，其中请求信息缓 存在请求列表V中；在交叉时段内，响应高弹性设备的启动请求进行电力分配，其中交叉时 段内出现以下中断之一时触发分配过程： (1)时间到达交叉时段的起点；（2)时间到达任意设备的启动时刻调整范围的起点；（3) 时间到达任意未启动设备的启动时刻调整范围的终点；（4)任意运行中的设备完成运行并 停止运行； 在分配过程中，首先更新正在运行的设备列表，设置各个有启动请求的设备优先等级， 并将同一优先等级队列中的设备按照Pi升序排序;然后，将已到达启动时刻调整范围终点 的未启动设备直接启动，并在不超出总功率上限阈值α的前提下，根据优先等级由高到低， 对各个优先等级队列中的设备逐个启动;其中阈值α通过统计交叉时段内的平均功率而获 得。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据估计结果对设备进行供电，并通 过采集用户反馈信息来校正电力分配，进一步包括： 预分配阶段，根据下一个时间段的估计信息对设备的运行进行预先的规划，判断当前 时段所属类型是休息日还是非休息日，然后根据所属类型对设备和电力进行调度分配，第 一个周期为24小时，对高弹性设备进行分配;第二个周期为1小时，对低弹性设备进行分配； 在实时校正阶段，判断产生误差的来源，若来源是设备数量改变，则利用预分配过程对 此单位时间需要运行的设备进行分配;若来源是电费和电力可用量改变，则设定电费变化 的变化范围为±δ和可用电量的变化范围为ε，若变化未超出这两个范围，则不对预分配进 行修改;若超出则根据预分配过程对已做分配进行微调； 接收用户输入的最近时间段内的设备运行状态评价，包括默认启动时刻、运行时长以 及启动时刻范围;根据反馈信息与实际运行信息的差异分别反馈给估计过程和分配过程进 行校正。
【文档编号】H02J3/14GK105932684SQ201610353171
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】毛新龙
【申请人】毛新龙