CN107453364A - 一种区域能源***的能量流与信息流融合方法 - Google Patents

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Abstract

一种可以实现面向居民侧的区域能源***的高度集成的区域能源***的能量流与信息流融合方法，所述区域能源***集成有多个家庭能源网络、电力供需互动服务平台和通讯管理机，每个家庭能源网络包括家庭智慧能源网关、分布式发电设备、储能设备与用户负荷，该方法包括：家庭智慧能源网关采集用户负荷、发电设备、储能设备的信息，并将信息通过通信管理机上传至电力供需互动服务平台；电力供需互动平台根据信息、预定能量流约束条件和预定优化目标，在预定运营模式下，制定出家庭智慧能源优化协调控制策略，并将该控制策略通过通讯管理机和家庭智慧能源网关下发至发电设备、储能设备与用户负荷，以根据控制策略对发电设备、储能设备与用户负荷相互之间的能量流进行控制。

Description

一种区域能源***的能量流与信息流融合方法
技术领域
本发明一般地涉及电力***的能量流及信息流融合领域，具体涉及一种区域能源***的能量流与信息流融合方法。
背景技术
电网信息物理融合***(cyber-physical system，CPS)交互建模方法可以反映电力***中信息流与能量流的相互作用机理，通过搭建电网CPS信息-物理耦合架构，CPS子模块的基元模型与电力***中的电气设备进行电气连接与逻辑连接，形成整体的电网信息物理融合***，为电力***优化控制、可靠性分析等提供了新的框架与技术基础。
目前研究成果主要涉及电力***的能量流及信息流融合方法及交互机制，即考虑传统发电机组与负荷之间的信息-物理连接关系，但是现有技术未涉及包含分布式光伏发电等新型能源和储能设备的面向居民侧的区域能源***的能量流与信息流融合方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种区域能源***的能量流与信息流融合方法，该方法可以实现面向居民侧的区域能源***的高度集成。
根据本发明的区域能源***的能量流与信息流融合方法，所述区域能源***包括多个家庭能源网络、电力供需互动服务平台以及通讯管理机，每个所述家庭能源网络包括家庭智慧能源网关、分布式发电设备、储能设备与用户负荷，所述方法包括：
所述家庭智慧能源网关采集所述用户负荷、所述分布式发电设备、所述储能设备的信息，并将所述信息通过所述通信管理机上传至所述电力供需互动服务平台；
所述电力供需互动平台根据所述信息、预定能量流约束条件和预定优化目标，在预定运营模式下，制定出家庭智慧能源优化协调控制策略，并将该控制策略通过所述通讯管理机和所述家庭智慧能源网关下发至所述分布式发电设备、所述储能设备与所述用户负荷，以根据所述控制策略对所述分布式发电设备、所述储能设备与所述用户负荷相互之间的能量流进行控制。
优选地，所述预定能量流约束条件包括所述分布式发电设备、所述储能设备、所述用户负荷之间的能量流的流向及时间段。
优选地，所述预定优化目标包括最小化所述家庭能源网络的运行费用、最大化所述用户负荷的用能效率、最大化所述分布式发电设备的利用率。
优选地，所述预定运营模式为全额上网模式，在该模式下，所述分布式发电设备所提供的电能全部送入电网；所述储能设备在低谷电价时段从所述电网充电，并在高峰电价时段为所述用户负荷供电。
优选地，所述预定运营模式为自发自用、余电上网模式下，在该模式下，所述分布式发电设备所提供的电能优先发送至所述用户负荷，多余电能储存在所述储能设备中，若所述储能设备容量有限，无法消纳全部所述电能，则将多余电能提供给电网，获取电价收益；所述储能设备首先储存所述分布式发电设备所提供的电能，若有多余容量则在低谷电价时段储存所述电网的电能，并在所述分布式发电设备的电能不足或在所述电网的高峰电价时段释放电能供所述用户负荷使用；在所述分布式发电设备及所述储能设备不足以满足用户用电需求的情况下，所述电网向所述用户负荷提供电能。
优选地，所述上传的信息包括所述用户负荷、所述分布式发电设备、所述储能设备的电量数据或者状态数据。
优选地，每个所述家庭能源网络还包括智能插座，所述智能插座采集所述用户负荷的所述电量数据或者状态数据，并将所述电量数据或者状态数据上传至所述家庭智慧能源网关，所述智能插座还将所述家庭智慧能源网关的所述控制策略下发至所述用户负荷。
优选地，每个所述家庭能源网络还包括主动需求响应单元，所述主动需求响应单元主动响应电网的频率/电压变化、电价/激励信号，一方面将所述用户负荷的电量数据或者状态数据上传至所述家庭智慧能源网关，另一方面将所述电价/激励信号下发给所述用户负荷。
优选地，所述通讯管理机将所述家庭智慧能源网关的通讯数据，通过协议转换、逻辑处理、整理汇总后以预定的数据帧格式实时上传至所述电力供需互动服务平台。
优选地，所述分布式发电设备包括分布式光伏发电设备。
与现有技术相比，本专利的方案至少具有以下优点：本发明既实现了区域能源***中位于居民侧的分布式发电设备、储能设备、用户负荷与上层电力供需互动服务平台在物理上的高度集成，又实现了它们之间能量流与信息流的高度集成，提升了区域能源***的交互能力和自调节能力，实现了电网与家庭用户的友好双向互动。
附图说明
图1a示出了根据本发明的一个实施例的全额上网模式下的面向居民侧的区域能源***的能量流架构；
图1b示出了根据本发明的一个实施例的自发自用、余电上网模式下的面向居民侧的区域能源***的能量流架构；
图2示出了根据本发明的一个具体实施例的面向居民侧的区域能源***的信息流架构；
图3示出了根据本发明的一个实施例的区域能源***的集成架构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本专利提出一种区域能源***的能量流与信息流融合方法，可以反映区域能源***的能量流与信息流之间的耦合关系与交互机制，为构建包含用户负荷、分布式发电设备、储能设备等的家庭能源网络优化运行控制模型，突破居民用户智慧能源网关的最佳能量分配方法提供了技术支撑。
下面参照附图1～3描述根据本发明的发明构思的具体实施方式，在该具体实施方式中，本发明所述的分布式发电设备例如是分布式光伏发电设备等，储能设备例如是蓄电池等，用户负荷例如是空调、热水器等。当然，本领域的技术人员可以容易想到，本发明所述的分布式发电设备、储能设备以及用户负荷可以是本文列出的具体实施例的其他等同设备，例如分布式发电设备还可以是分布式风电设备等其他新型能源。
下面，为了更好地理解根据本发明的区域能源***的能量流与信息流融合方法，将以三个部分进行描述，第一部分描述根据本发明的在不同并网模式下的区域能源***的能量流的架构；第二部分描述根据本发明的区域能源***的信息流的架构；第三部分描述根据本发明的面向居民侧的区域能源***的能量流与信息流的集成架构。
(1)根据本发明的不同并网模式下的区域能源***的能量流架构
目前，家用分布式光伏发电设备共有两种并网模式，即：全额上网模式与自发自用、余电上网模式。不同模式下的方案间虽存在不同，但是参与区域能源***运行的主体及主体架构是基本一致的，即：分布式光伏、分布式储能、用户负荷及电网。
两种模式下面向居民侧的区域能源***能量流架构如图1所示，其中图1a示出全额上网模式下的面向居民侧的区域能源***能量流架构，图1b示出自发自用、余电上网模式下的面向居民侧的区域能源***能量流架构。
在图1a所示的全额上网模式下，分布式光伏发电设备作为电源，提供能量来源，所发电量全部送入电网；户用储能设备在低谷电价时段从电网吸收电能以进行充电，并在高峰电价时段为用户负荷供电，从而实现能量的调节；用户负荷作为能量终端，其能量来源于户用储能设备及电网供电。这种架构降低了分布式光伏发电设备对电网运行的影响，同时便于电量计量，有利于实施分时电价等需求侧管理措施。
在图1b所示的自发自用、余电上网模式下，分布式光伏发电设备所发电量优先自用，多余电量可以储存在户用储能设备中，若储能设备容量有限，无法消纳全部电能，可以将余电提供给电网，获取电价收益。户用储能设备作为能量调节单元，首先储存分布式光伏发电设备的电能，若有多余容量则储存电网低谷电价时段的电能，并在光伏发电设备的电量不足或电网高峰电价时段释放能量供用户负荷使用。用户负荷在光伏发电设备及储能设备不足以满足家庭用电需求的情况下，需要从电网购电。这种架构真正实现了光伏发电的就地消纳，既降低了用户购电成本，又提高了本地光伏消纳率。
(2)根据本发明的区域能源***的信息流架构
在不同模式下，面向居民侧的区域能源***信息流的模式是大致相同的。图2示出了根据本发明的一个具体实施例的面向居民侧的区域能源***的信息流架构。由图2可知，信息流的整体架构可以包括***层、传输层和设备层。
其中，***层包括后台控制程序、数据库、交互界面三个部分，交互界面读取数据库中的相应数据并实时显示，数据库则负责存储设备层中的各设备的状态量、电量数据、控制指令信息及控制程序的计算结果。控制程序可以实现对家庭能源网络内部的优化运行控制以及区域能源***内多个家庭能源网络间的能量交互协调控制等。
传输层以通讯管理机及家庭智慧能源网关为主，家庭智慧能源网关实现用能数据的采集、用户负荷与光储***的智能管理、能量优化控制等功能，负责将设备层的电量数据、状态数据等信息上传至***层，并接收***层下发的控制信息，对设备层进行相应控制。通讯管理机可以进行相应的协议处理，将区域能源***内所有的智能控制设备，如家庭智慧能源网关的通讯数据，通过协议转换、逻辑处理，整理汇总后以一种数据帧格式实时上传至***层，数据库通过信息传输协议与通讯管理机进行数据衔接。
设备层包括光储***、主动需求响应单元、智能插座和用户负荷，智能插座可以采集用户负荷的电量数据及状态数据等信息，并将用户负荷的电量数据及状态数据等信息上传至家庭智慧能源网关，也可通过智能插座将家庭智慧能源网关的控制信息下发至用户负荷。主动需求响应单元可以主动响应电力***的频率/电压变化、电价/激励信号，通过与用户负荷连接，一方面可以将用户负荷的数据上传至家庭能源网关，另一方面将电价/激励信号下发给用户负荷，实现负荷需求响应、自动控制等功能。光储***用来管理分布式光伏发电设备与储能设备，可以将分布式光伏发电设备与储能设备的电量数据及状态数据等信息传递到家庭智慧能源网关，并接收从网关传来的控制信息。图2中所有的信息流都是双向的。
(3)面向居民侧的区域能源***的能量流与信息流集成架构
图3示出了根据本发明的一个实施例的区域能源***的集成架构。本专利以能量流作为最基础的物理链路，以高速的信息流作为基础的通讯手段，实现了面向居民侧的区域能源***的高度集成。
在图3中，从能量流的角度而言，区域能源***由多个家庭能源网络0,1……n号组成，每一个家庭能源网络由家庭智慧能源网关、分布式光伏发电设备、储能设备与用户负荷组成，并通过公共连接点与电网连接。图3中的1～n号家庭能源网络与0号家庭能源网络结构相同。
家庭智慧能源网关是区域能源***的重要枢纽，它是连接家庭能源网络与电力供需互动服务平台的桥梁，实现能量、信息接口的标准化，从而保证能量流与信息流的有效融合。基于区域能源***能量流架构，在不同并网模式下，家庭智慧能源网关可以实现光伏发电、储能、负荷间的协调控制。
从信息流的角度而言，信息采集的最基本单位是家庭智慧能源网关，它实现了家庭能源网络内部的设备层的信息的整合。通过光储***实现对光伏发电设备及储能设备的信息采集，通过智能插座或主动需求响应单元获取家用用户负荷的信息，并将信息上传至家庭智慧能源网关中。
然后各家庭能源网络的信息上传至通讯管理机，通过协议转换、逻辑处理，整理汇总后以一种数据帧格式实时上传至***层。
电力供需互动服务平台位于***层，通过对设备层的信息进行汇总、分析，以最小化所述家庭能源网络的运行费用、最大化所述用户负荷的用能效率、最大化所述发电设备的利用率为优化目标，以光伏发电设备、储能设备、用户负荷之间的能量流的流向及时间段为约束条件，可以实现多元用户负荷预测、需求侧主动响应机制编制、电力套餐/激励发布、供需互动策略等功能。当然，本领域的技术人员根据实际的需要，还可以设定其他的优化目标以及能量流约束条件。
下面，为了更好地理解本发明的区域能源***的能量流与信息流融合方法的构思和原理，以0号家庭能源网络为例进行举例说明。在该示例中，区域能源***中的0号家庭能源网络中包含分布式光伏发电设备、储能设备、家庭智慧能源网关以及空调、热水器等家用用户负荷，光储***实现对光伏发电设备及储能设备的信息采集，智能插座或主动需求响应单元获取用户负荷的信息，并将该信息上传至家庭智慧能源网关中，家庭智慧能源网关通过通讯管理机将信息上传至电力供需互动服务平台。电力供需互动平台通过负荷预测等结果，例如以区域能效最高作为优化目标，并且例如在自发自用、余电上网的运营模式下，制定出家庭智慧能源优化协调控制策略，并将该控制策略通过通讯管理机下发至家庭智慧能源网关，由家庭智慧能源网关将控制策略下发至家庭能源网络的设备层，实现光伏、储能、用户负荷间能量的协调控制及能量流的传递。
通过对区域能源***集成架构的分析，可以发现面向用户侧的区域能源***是以能量流作为最基础的物理链路，以高速的信息流作为基础的通讯手段，因此是两种流模型高度集成的综合架构。能量流是区域能源***的实际调控对象，信息流是能量流与调配策略之间的桥梁。
根据本发明的上述区域能源***的集成架构，通过家庭智慧能源网关可有效连接家庭能源网络与电力供需互动平台，实现能量、信息的标准化传输，一方面家庭智慧能源网关可以实现对用户负荷、分布式光伏发电设备、储能设备等信息的采集，并将信息上传至电力供需互动服务平台；另一方面，电力供需互动平台结合城区用户水电气及分布式能源等多源信息的状态感知，通过家庭智慧能源网关实现对家庭能源网络内部可控电源的出力、储能设备与可调度负荷的运行时间、可控负荷的功率确定以及与上级电网或区域能源***内的能量交互进行优化协调控制，以最小化家庭能源网络的运行费用，最大化居民用户用能效率，并辅助提升可再生能源利用率为目标，实现大规模居民能效管理与需求响应服务。
根据本发明的上述区域能源***的集成架构，以能量流作为最基础的物理链路，以高速的信息流作为基础的通讯手段，可以实现面向居民侧的区域能源***的高度集成，为实现区域能源***能量流与信息流的合理调配及各家庭能源网络的能量互济提供技术支撑。
根据本发明的区域能源***能量流与信息流融合方法，可以实现面向居民侧的区域能源***的高度集成。通过能量流与信息流的有效融合，实现面向居民侧的区域能源***内分布式光-储-用设备能量流的合理调配及信息流的有效传递，提高了分布式电源就地消纳能力，通过电力供需互动服务平台与家庭能源网络的紧密耦合，提升了家庭综合能效管理水平，促进了电网与家庭用户的双向互动。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种区域能源***的能量流与信息流融合方法，所述区域能源***包括多个家庭能源网络、电力供需互动服务平台以及通讯管理机，每个所述家庭能源网络包括家庭智慧能源网关、分布式发电设备、储能设备与用户负荷，所述方法包括：
所述家庭智慧能源网关采集所述用户负荷、所述分布式发电设备、所述储能设备的信息，并将所述信息通过所述通信管理机上传至所述电力供需互动服务平台；
所述电力供需互动平台根据所述信息、预定能量流约束条件和预定优化目标，在预定运营模式下，制定出家庭智慧能源优化协调控制策略，并将该控制策略通过所述通讯管理机和所述家庭智慧能源网关下发至所述分布式发电设备、所述储能设备与所述用户负荷，以根据所述控制策略对所述分布式发电设备、所述储能设备与所述用户负荷相互之间的能量流进行控制。
2.根据权利要求1所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，所述预定能量流约束条件包括所述分布式发电设备、所述储能设备、所述用户负荷之间的能量流的流向及时间段。
3.根据权利要求1所述的区域能源***的能量与信息流融合方法，其特征在于，所述预定优化目标包括最小化所述家庭能源网络的运行费用、最大化所述用户负荷的用能效率、最大化所述分布式发电设备的利用率。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，所述预定运营模式为全额上网模式，在该模式下，所述分布式发电设备所提供的电能全部送入电网；所述储能设备在低谷电价时段从所述电网充电，并在高峰电价时段为所述用户负荷供电。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，所述预定运营模式为自发自用、余电上网模式下，在该模式下，所述分布式发电设备所提供的电能优先发送至所述用户负荷，多余电能储存在所述储能设备中，若所述储能设备容量有限，无法消纳全部所述电能，则将多余电能提供给电网，获取电价收益；所述储能设备首先储存所述分布式发电设备所提供的电能，若有多余容量则在低谷电价时段储存所述电网的电能，并在所述分布式发电设备的电能不足或在所述电网的高峰电价时段释放电能供所述用户负荷使用；在所述分布式发电设备及所述储能设备不足以满足用户用电需求的情况下，所述电网向所述用户负荷提供电能。
6.根据权利要求1所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，所述上传的信息包括所述用户负荷、所述分布式发电设备、所述储能设备的电量数据或者状态数据。
7.根据权利要求6所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，每个所述家庭能源网络还包括智能插座，所述智能插座采集所述用户负荷的所述电量数据或者状态数据，并将所述电量数据或者状态数据上传至所述家庭智慧能源网关，所述智能插座还将所述家庭智慧能源网关的所述控制策略下发至所述用户负荷。
8.根据权利要求1所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，每个所述家庭能源网络还包括主动需求响应单元，所述主动需求响应单元主动响应电网的频率/电压变化、电价/激励信号，一方面将所述用户负荷的电量数据或者状态数据上传至所述家庭智慧能源网关，另一方面将所述电价/激励信号下发给所述用户负荷。
9.根据权利要求1所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，所述通讯管理机将所述家庭智慧能源网关的通讯数据，通过协议转换、逻辑处理、整理汇总后以预定的数据帧格式实时上传至所述电力供需互动服务平台。
10.根据权利要求1所述的区域能源***的能量流与信息流融合方法，其特征在于，所述分布式发电设备包括分布式光伏发电设备。
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