CN109359861B - 一种综合能源智能仪表及其需求侧响应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源智能仪表及其需求侧响应方法。包括综合能源测量***、存储***、中央处理***、触控显示***、供电模块和移动终端共六个部分；建立以下负荷中断和负荷平移的双层响应模型，包括目标函数和约束条件，目标函数包括负荷中断计价函数、负荷平移计价函数和能源消费偏差惩罚函数；求解上述双层响应模型获得最优的，作为用户参与综合能源需求侧响应的最优日前计划。本发明集成了电、热、气多种能源的使用情况情况测量，实时接收多种能源的价格信息，向用户提供经济的综合能源***使用方案，以适应综合能源***用户的实际需求，指导用户经济、高效地利用综合能源。

Description

一种综合能源智能仪表及其需求侧响应方法

技术领域

本发明涉及一种电网仪表和需求响应方法，特别是涉及了一种综合能源智能仪表及其需求侧响应方法。

背景技术

综合能源***被誉为是未来人类社会能源的主要承载形式，它以电能为核心，实现电、热、气等多种能源相互转化及消纳，提供多样化的能源服务，具有实现能源高效利用、满足用户多种能源需求、提高社会供能可靠性和安全性等优点。国家已经发行《关于推进多能互补集成优化释放工程建设的实施意见》等文件，大力推进综合能源***的发展。目前广东、江苏等地也已经有多个试点工程。

电表、燃气表等测量仪表的使用非常普遍。在综合能源***中，由于多种能源相互之间的耦合十分紧密，因此有必要将不同能源的测量集合成在一个测量仪表中。此外，我国在大力推进综合能源***的同时，也积极实施能源市场化改革。建设健全的能源市场，是发展综合能源***的重要基础。在市场环境下，能源价格将成为非常重要的信息，因此能源价格的接收功能在用户侧也显得尤为重要。而目前的能源测量仪表通常只能提供用量数据，无法提供相应的能源价格数据。此外，目前不同能源的测量大多是独立进行，不利于充分发挥综合能源***多能互补的优势。

发明内容

针对上述背景技术中的问题，本发明提供了一种综合能源智能仪表及其需求侧响应方法。

本发明的具体方案如下：

一、一种综合能源智能仪表：

如图1所示，智能仪表包括综合能源测量***、综合能源价格接收***、存储***、中央处理***、触控显示***、供电模块和移动终端共六个部分；

所述的综合能源测量***，包括电、热、气三个子测量***，电、热、气三个子测量***经能源线路和各种能源设备相连，通过测量能量流采集得到电、热、气各种能源设备的使用数据，具体测量实现能源转换的能源设备的能源输入输出情况，以用于后续的能源转换效率计算，并将采集的使用数据传送到存储***；

所述的存储***，接收来自综合能源测量***的数据并保存，以供中央处理***进行后续处理，用户根据自身的使用需求借助触控显示***或移动终端设置存储***中的数据存储时间尺度；

所述的中央处理***，从存储***获取整合了电、热、气三种能源的使用数据并进行计算，构建双层响应模型，结合能源设备内部的能源转换效率计算获得用户累积的电、热、气能源使用计价值；

所述的触控显示***，连接到中央处理***，接收来自中央处理***的结果数据并显示，结果数据包括能源计价值和能源使用数据，用户通过触控屏自由设置数据显示的时间尺度；

所述的移动终端，和中央处理***无线连接，通过WiFi接收来自中央处理***的结果数据并显示，包括显示能源使用数据，以方便用户随时查看。用户也可以通过移动终端对***的存储和显示进行自定义设置。

本发明所述的能源设备带有能源转换，能将输入能源的能源类型通过切换转移成另一种能源类型。

还包括供电模块，供电模块连接各个***，直接从仪表接入的电力线路中取电并向仪表中的各个***供电。

所述的移动终端采用手机、平板电脑。

所述的移动终端和中央处理***无线连接采用WiFi通讯连接。

还包括综合能源价格接收***，综合能源价格接收***能够通过互联网实时接收能源企业发布的电、热、气价格信息，并将价格信息传递到存储***。

二、一种综合能源需求侧响应方法：

本发明考虑综合能源***具有多种能源互为替代的特点，基于用户的用能情况和设备能源转换效率，在满足用户的能源需求的情况下，以计价值最低作为目标，计算出获得用户参与综合能源需求侧响应的最优日前计划，实现需求侧最优响应。

本发明的双层响应模型如下：双层响应模型中包含NL个能源设备，NK个计划时段。能源种类为l∈{e,g,h}；e、g、h分别代表电能源、气能源、热能源。在双层响应模型中，需求侧用户提供负荷中断和负荷平移的需求响应。

本发明采用用户损失函数(customer damage functions，CDF)进行负荷中断计价值和负荷平移计价值的计算，量化地构建表征负荷中断和负荷平移的需求响应给用户带来的不便和损失。电用户损失函数(CDF)是中断时间的分段阶增长梯状函数，电用户损失函数(CDF)与中断负荷量成正比，中断负荷量是指用户自身进行主动削减的负荷量且可分解为消耗和中断两部分。

1)建立以下负荷中断和负荷平移的双层响应模型，包括目标函数和约束条件；

目标函数的决策变量为负荷中断和负荷平移的数量和时间，目标函数具体为：

Min{TC＝CC+SC+LOP}

其中，TC表示用户参与综合能源需求侧响应的总计价值，CC和SC分别为负荷中断计价函数和负荷平移计价函数，LOP为能源消费偏差惩罚函数；

1.1)负荷中断计价函数CC采用以下公式计算：

其中，

表示第T_k个计划时段下第i个能源设备的能源类型l的总体损失计价值，T_k表示单位削减负荷的第k个计划时段，

表示第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的中断负荷；CC^l,m(T_k)表示第T_k个计划时段下第m类型服务所损失的能源l中断计价值，l表示能源种类，l∈{e,g,h}，e、g、h分别代表电能源、气能源、热能源，m表示类型服务的序数；

电能源、气能源、热能源的三种能源的中断计价值具体采用以下公式计算：

CC^e,m(T_k)＝CDF^e(T_k)β^e,m/α^e,m

其中，CC^e,m(T_k)、CC^g,m(T_k)、CC^h,m(T_k)分别表示第T_k个计划时段下第m类型服务所损失的电能源e、气能源g、热能源h的中断计价值，α^e,m是用电能源的第m类型服务所消耗的电能占用户总电能消耗量的比例，β^e,m是第m类型服务所损失的计价值所占总体损失计价值的比例(总体损失计价值是指单位削减负荷量下所有类型服务所损失的计价值总和)；NM表示类型服务的总数；

和

分别为针对第m类型服务的电气转换效率和电热转换效率，M^h表示所有用热能源的类型服务的集合，M^e表示表示所有用电能源的类型服务的集合；

具体实施中，根据负荷类型有不同的比例，先计算获得满足第m类型服务的负荷的电中断计价值CC^e,m(t)，再根据不同类型服务的能源转换效率用电中断计价值估计计算气中断计价值CDF^g(t)和热中断计价值CDF^h(t)。

所述的类型服务包括用电能源的类型服务、用热能源的类型服务和用气能源的类型服务。

电能源的类型服务包括只能由气能源替代的服务，只能由热能源替代的服务、既能由热能源也能由气能源替代的服务如水加热、无法由热能源或者气能源替代的服务如电脑等电子产品的驱动，共计四种；

热能源的类型服务包括只能由气能源替代的服务、只能由电能源替代的服务、既能由电能源也能由气能源替代的服务、无法由电能源或者气能源替代的服务如，共计四种；

气能源的类型服务包括只能由电能源替代的服务、只能由热能源替代的服务、既能由热能源也能由电能源替代的服务、无法由热能源或者电能源替代的服务，共计四种。

1.2)负荷平移计价函数SC采用以下公式计算：

其中，

表示第T_k个计划时段下第m类型服务所消耗的第i个能源设备的能源类型l的平移计价值，t_k和t_k'分别表示负荷平移前和平移后的服务时段，

表示第m类型服务，从第k个时段第i个能源设备的能源类型l平移到第k’个时段第i’个能源设备的能源类型l’的过程中，平移出的负荷量；

电能源、气能源、热能源的负荷平移计价值SC^l,m(T_k)均采用以下公式的负荷中断计价值进行线性化估计计算获得：

SC^l,m(T_k)＝CC^l,m(T_k)/24*△t

其中，△t为负荷平移时间；

1.3)能源消费偏差惩罚函数LOP计算为：

其中，

是第i个能源设备的能源类型l在第k个计划时段的参与需求侧响应后的负荷水平，

是能源设备i的能源类型l在第k个计划时段的能源供给量，PF为惩罚因子，NL表示能源设备的总数，k表示计划时段的序数，NK表示计划时段的总数；

2)建立双层响应模型满足的约束条件：

其中，

为第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的参与需求侧响应前的负荷水平，

为第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的固定负荷，

是第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的中断负荷的上限，

是第i个能源设备的能源类型l在第k个时段下进行第m个类型服务的可平移负荷的上限；

表示第m类型服务，从第k个时段第i个能源设备的能源类型l平移到第k’个时段第i’个能源设备的能源类型l’的过程中，平移入的负荷量。ml表示消耗能源l的服务总数。

上述公式中，第一个约束是对负荷组成成分的约束，第二个约束是对平移负荷的约束：第二个约束保证了负荷平移前后的类型服务质量一致，第三个约束是对LD'^l(k)的约束，第三个约束和第四个约束是对负荷中断和负荷平移上限的约束。

3)采用遗传算法求解上述双层响应模型获得最优的

和

作为用户参与综合能源需求侧响应的最优日前计划。

本发明基于负荷中断计价值和负荷平移计价值，给出用户参与需求侧响应的日前最优计划，在满足能源消费需求的前提下，使计价值最小化。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明集成了电、热、气多种能源的使用情况测量，以适应综合能源***用户的实际需求。

2)本发明实时接收多种能源的价格信息，让用户及时获取能源市场的价格动态。

3)本发明可向用户提供经济的综合能源***使用方案，指导用户经济、高效地利用综合能源。

附图说明

图1是本发明的***框架图；

图2是本发明的外观示意图；

图3是电、气、热三种能源在需求响应过程中被中断或者平移的负荷情况示意图；

图4是需求响应过程中负荷的移入情况示意图。

图中：1、综合能源智能仪表，2、触控显示屏，3、综合能源测量接口，4、电测量接口，5、热测量接口，6、气测量接口，7、开关按钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

按照本发明发明内容完整***和方法实施的具体实施例如下：

如图2所示，综合能源智能仪表1具有触控显示***2、综合能源测量接口3和开关按钮7。综合能源测量接口3包含电测量接口4、热测量接口5、气测量接口6，分别接入对应的能源线路实现测量功能。

综合能源测量接口3接收测量了电、热、气多种能源的使用情况以及能源转换设备的能源输入输出情况。并将这些情况数据发送到综合能源智能仪表1内部的存储***中保存，供中央处理***进行后续处理。

设定用户负荷包含了电、气、热三种能源，而且每一种能源都包含了固定负荷FXL，可中断负荷CL和可平移负荷SL三个部分。电、气、热三种能源的日负荷曲线分别如图x所示。用户一共采用了5类服务，即m_l＝5。这些服务分别为：水加热、空间加热、厨房烹饪、照明和其它应用。根据用户配备的能源设备，其中水加热可以由电能源(电热水器)和气能源(燃气热水器)实现，空间加热可以由电能源(空调)和热能源(暖气)实现，厨房烹饪可以由电能源(电磁炉)和气能源(燃气炉)实现，照明可以由电能源(电灯)实现，其它电负荷(例如电脑)只能由电能源实现。

中央处理***计算能源转换设备的能源转换效率和用户累积的电、热、气能源使用计价值，并提供经济的综合能源使用方案。

水加热，照明和50％的空间加热和其它应用被设为FXL，空间加热的另外50％被设为CL，而厨房烹饪被设为SL。FXL，CL和SL的比例分别为77.08％，14.34％和8.58％。以一天作为计算时段，则有

且

将PF设定为10000以抑制负荷的震荡。日负荷曲线详细数据显示于表1。

表1电、气、热日负荷曲线表

电、气、热三种能源在需求响应过程中被中断或者平移的负荷如图3和表2所示，需求响应过程中负荷的移入如图4和表3所示。从中可以看出在平移过程中其它能源倾向于平移为气能源，这是因为气能源的效率相对较高。此外负荷倾向于平移到8：00，这是因为从9：00到20：00是气能源的负荷谷。图2和表3表示了需求响应过程中负荷的移入。可见气能源是移入最多的能源。

表2

表3

采用了本发明方法进行需求侧响应的结果和不采用本发明需求侧响应方法的结果成本比较如表4所示：

从表4可以看出，采取本发明的需求响应方法后，将一天内运行总需求响应下降了51.15％。

Claims (5)

1.一种综合能源智能仪表，其特征在于：包括综合能源测量***、存储***、中央处理***、触控显示***、供电模块和移动终端共六个部分；

所述的综合能源测量***，包括电、热、气三个子测量***，电、热、气三个子测量***经能源线路和各种能源设备相连，通过测量能量流采集得到电、热、气各种能源设备的使用数据，并将采集的使用数据传送到存储***；

所述的存储***，接收来自综合能源测量***的数据并保存，以供中央处理***进行后续处理；

所述的中央处理***，从存储***获取整合了电、热、气三种能源的使用数据并进行计算，构建双层响应模型，结合能源设备内部的能源转换效率计算获得用户累积的电、热、气能源使用计价值；

所述的触控显示***，连接到中央处理***，接收来自中央处理***的结果数据并显示，结果数据包括能源计价值和能源使用数据；

所述的移动终端，和中央处理***无线连接，接收来自中央处理***的结果数据并显示；

综合能源智能仪表采用综合能源需求侧响应方法，方法包括以下步骤：

1)建立以下包含有负荷中断和负荷平移的双层响应模型，包括目标函数和约束条件，目标函数具体为：

Min{TC＝CC+SC+LOP}

其中，TC表示用户参与综合能源需求侧响应的总计价值，CC和SC分别为负荷中断计价函数和负荷平移计价函数，LOP为能源消费偏差惩罚函数；

1.1)负荷中断计价函数CC采用以下公式计算：

其中，

表示第T_k个计划时段下第i个能源设备的能源类型l的总体损失计价值，T_k表示单位削减负荷的第k个计划时段，

表示第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的中断负荷；CC^l,m(T_k)表示第T_k个计划时段下第m类型服务所损失的能源l中断计价值，l表示能源种类，l∈{e,g,h}，e、g、h分别代表电能源、气能源、热能源，m表示类型服务的序数，NK表示计划时段的总个数，NL表示能源设备的总数；

电能源、气能源、热能源的三种能源的中断计价值具体采用以下公式计算：

CC^e,m(T_k)＝CDF^e(T_k)β^e,m/α^e,m

其中，CC^e,m(T_k)、CC^g,m(T_k)、CC^h,m(T_k)分别表示第T_k个计划时段下第m类型服务所损失的电能源e、气能源g、热能源h的中断计价值，α^e,m是用电能源的第m类型服务所消耗的电能占用户总电能消耗量的比例，β^e,m是第m类型服务所损失的计价值所占总体损失计价值的比例；NM表示类型服务的总数；

和

分别为针对第m类型服务的电气转换效率和电热转换效率；

1.2)负荷平移计价函数SC采用以下公式计算：

其中，

表示第T_k个计划时段下第m类型服务所消耗的第i个能源设备的能源类型l的平移计价值，t_k和t_k'分别表示负荷平移前和平移后的服务时段，

表示第m类型服务，从第k个时段第i个能源设备的能源类型l平移到第k’个时段第i’个能源设备的能源类型l’的过程中，平移出的负荷量；

电能源、气能源、热能源的负荷平移计价值SC^l,m(T_k)均采用以下公式的负荷中断计价值进行线性化估计计算获得：

SC^l,m(T_k)＝CC^l,m(T_k)/24*Δt

其中，Δt为负荷平移时间；

1.3)能源消费偏差惩罚函数LOP计算为：

其中，

是第i个能源设备的能源类型l在第k个计划时段的参与需求侧响应后的负荷水平，

是能源设备i的能源类型l在第k个计划时段的能源供给量，PF为惩罚因子，NL表示能源设备的总数，k表示计划时段的序数，NK表示计划时段的总数；

2)建立双层响应模型满足的约束条件：

其中，

为第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的参与需求侧响应前的负荷水平，

为第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的固定负荷，

是第i个能源设备的能源类型l在第k个时段的中断负荷的上限，

是第i个能源设备的能源类型l在第k个时段下进行第m个类型服务的可平移负荷的上限；

表示第m类型服务从第k个时段第i个能源设备的能源类型l平移到第k’个时段第i’个能源设备的能源类型l’的过程中平移入的负荷量，m_l表示消耗能源l的服务总数；

3)求解上述双层响应模型获得最优的上限

和负荷量

作为用户参与综合能源需求侧响应的最优日前计划。

2.根据权利要求1所述的一种综合能源智能仪表，其特征在于：

所述的供电模块连接各个***，直接从仪表接入的电力线路中取电并向仪表中的各个***供电。

3.根据权利要求1所述的一种综合能源智能仪表，其特征在于：

所述的移动终端采用手机、平板电脑。

4.根据权利要求1所述的一种综合能源智能仪表，其特征在于：

所述的移动终端和中央处理***无线连接采用WiFi通讯连接。

5.根据权利要求1所述的一种综合能源智能仪表，其特征在于：还包括综合能源价格接收***，综合能源价格接收***能够通过互联网实时接收能源企业发布的电、热、气价格信息，并将价格信息传递到存储***。

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