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基于自动响应控制器的负荷高峰期负载均衡研究

时间:2022-07-25 09:14来源:未知 作者:mac 点击:
摘 要: 智能电网技术的发展为电网注入了新的活力,通过这项技术,电网不仅实现系统内部通信,而且控制中心还能监控用户需求,在高峰时间,通过短信和邮件向客户发出通知,提醒用户用电成本将提高。为了帮助用户更好地实现用能设备的合理分配,改进了现有智
  
摘    要:智能电网技术的发展为电网注入了新的活力,通过这项技术,电网不仅实现系统内部通信,而且控制中心还能监控用户需求,在高峰时间,通过短信和邮件向客户发出通知,提醒用户用电成本将提高。为了帮助用户更好地实现用能设备的合理分配,改进了现有智能电网系统,增加了一个拥有单独控制所有负载的控制器。该控制器能检测高峰时间需求,并通过关闭不需要的负载来减少负载使用,优先级由用户根据控制策略算法设定,该算法通过为用户创建多个可能的计划向量来调度负载使用,从而不增加需求。此外,控制器还可以监控电能使用情况,为负载之间创建重要顺序,从而实现用户侧的智能控制。
 
关键词:智能电网;控制策略;耗电量;电力分布;需求响应;
 
Research on Load Balancing in Peak Load Period Based on Automatic Response
Controller
XU Jia SHEN Luo-cheng LUO Wei-hang
State Grid Sichuan Electric Power Company Information Communication Company
 
 
Abstract:
The development of smart grid technology has injected new vitality into the power grid. Through this technology,the power grid is not only integrated to realize the internal communication of the system,but also the control center can monitor the needs of users and send a notice to customers through SMS and e-mail during peak hours to remind users that the power consumption cost will increase. In order to help users better realize the rational distribution of energy consuming equipment,the existing smart grid system is improved and a controller with a single controller to control all loads is added. The controller can detect the peak time demand and reduce the load use by turning off the unnecessary load.The priority is set by the user according to the control strategy algorithm. The algorithm schedules the load use by creating multiple possible plan vectors for the user,so as to never increase the demand. In addition,the controller can also monitor the use of electric energy and create an important sequence between loads,so as to realize the intelligent control on the user side.
 
Keyword:
smart grid; control strategy; power consumption; power distribution; demand response;
 
1 引言
电网由发电厂、输电线路和用户等部分组成,各部分之间的通信非常复杂[1]。智能电网有效地完成了这一任务。新兴的智能电网是未来一代的“能源网络”[2]。通过改进传统电网网络,使其在信息和通信技术方面更具优势,尤其是将无线通信集成到电网中,以实现自动化、主动运行和高效的需求响应,以及智能电网中的负荷和能量管理。智能电网是信息技术、通信和电力系统工程的最重要组成部分,旨在为电力系统提供更多条件和能量[3]。这些功能使供电公司能够准确预测、监测和控制整个电网的电能分布。智能电网支持双向通信,便于对客户进行实时计量。它还允许实用程序控制用电设备负荷,以便将系统参数保持在安全范围内[4]。
 
为了实现安全、经济、高效、可靠、清洁、互动的智能电网,电力需求响应提供了新的机遇和挑战。在未来的电网建设中,需求响应作为智能电网的重要组成部分将受到广泛关注。作为两种不同的元素,信息和电能可以相互交流和相互作用。用户可以通过这两个要素参与电网的运行和管理。这种方式也改变了以往的用电方式,有利于未来电网的建设。需求响应是用户通过调整实时电价来改变用电方式的主要手段。
 
本文在现有智能电网技术的基础上,增加了控制器,建立了基于用户控制支配的智能电网运行模式,提出了智能电网技术具体的实施方案和控制策略算法,并通过实例演示和仿真计算验证了该系统的有效性,本文的结论有助于提高电网灵活性和可靠性。
 
2 用户侧智能电网
智能电网技术就是利用计算机技术改善电网各部分的通信自动化,通过实现用户和发电厂之间的信息交互来改善电力分配。如图1所示,智能电表充当用户和供电公司之间的双向通讯器。一方面,供电公司(在图1中表示为控制模块)将电费发送给用户,另一方面,用户通过智能电表将用电情况反馈给供电公司。该系统的一个关键要素是在用户侧安装智能电表。与传统仪表不同,智能电表能够进行双向通信。它提供了发电厂和用户之间的供求信息。通过智能电表传输的数据对于智能电网的功能至关重要。通过分析这些数据,发电厂能够智能地预测和响应高峰需求期。发电厂能够在需要较少电力时减少产量,在接近峰值时快速增加发电量。通过利用计算机、通信和数据分析技术,智能电网提高了传统电网的灵活性和效率,也为风能和太阳能等间歇性发电方式以及电动汽车等网络提供了新机会。
 
对于用户侧,用户所使用的可预测功率称为基本负载。在某些特定时期,电网需要产生额外的电能,以防出现用电高峰。就目前而言,对电力的需求通常在下午和傍晚,以及在夏季空调昼夜运行的时候最高。当数以百万计的客户下班后打开空调时,电网上的需求负荷就会增加。当电网无法满足电力需求时,一些地区将关闭电网以减少电力需求。
 
3 改进的智能电网
需求响应可定义为终端用户在其正常消费模式下,随着时间的推移,随着电价的变化而发生的用电量变化。此外,在市场电价较高时或系统可靠性受到威胁时,用户会选择降低用电量,这被称为激励性消费(一般用DR表示)[5]。激励性消费包括用户有意修改的所有耗电模式,旨在改变时间、瞬时需求水平或总耗电量[6,7,8,9,10]。有三种一般措施可以实现客户响应[5]。这些措施中的每一项都涉及成本和客户采取的措施。首先,客户可以在价格较高的关键高峰时段减少用电量,而不会改变其他时段的用电量,这种选择会暂时失去舒适感。例如,当加热器或空调的恒温器设置临时更改时,就会实现这种响应[11,12,13]。其次,客户可能会将部分高峰需求运营转移到非高峰时段,例如,他们将一些家庭活动(如洗碗机、洗衣机等)转移到非高峰时段[14,15,16]。
 
本文提出的智能电网技术框图如图2所示。在图2中,具有电源集线器功能的控制器模块被添加到现有智能电网系统的用户侧。通过智能电表从供电公司读取需求时间,控制器相应地改变用户的使用模式。通过定期创建用户侧响应跟踪,控制器每天为操作的每个设备选择最佳时间,以便在需求时间内达到最低耗电量。
 
智能电网为当今的电网增加了双向通信和电力流,从而能够向终端用户提供动态电价,有助于促进电网稳定。另一方面,在紧急电力恢复计划中,参与计划的客户在紧急情况下会通过降低负荷而获得奖励[17,18,19,20,21]。此外,电力市场计划提供给客户,当系统出现意外情况时,客户可以承诺降低预先指定的负载[22]。计划参与者通常会提前一天收到通知,如果他们不响应减负要求,将受到处罚。这些计划的最终目标是通过在高峰时段提高价格,在非高峰时段提供低价格,使需求曲线趋于平坦。
 
4 系统设计
本文以一个供电公司与几个用户之间用电情况为例,分析所提出的智能电网技术设计方案。
 
供电公司首先估计未来几个小时的电力需求,并设定不同时间的电价。然后,供电公司通过支持的数字通信网络向客户宣布电价。然后,每个用户根据从供电公司收到的价格信息,通过对其设备采用最佳调度来优化其电能消耗。
 
该方式是基于用户支配的运营模式。根据整个单元用户的需求,供电公司为一天中的不同时间产生不同的电价。这将作为提前一天的计划提供给用户。用户现在可以选择修改电价较低时的负荷分布,或者可以在非高峰时间利用大部分负荷。通过使用此算法并进行优化,用户可对第二天进行提前计划用电,从而在相同电费情况下获得更多的用电小时数,实现最低耗电率。首先,考虑三个用户在4 h的负荷曲线。假设并模拟了不同用户的负载分布,如图3(a)所示。
 
为了计算供电公司产生的电费,假设供电公司下的用户数量为N。对于每个用户n∈N,式(1)给出了当天的总负荷:
 
 
使用式(2)和式(3)计算每日峰值和平均负荷:
 
 
峰值与平均值之比为
 
 
随后,使用MATLAB编码随机生成3个用户,每个用户有4 h的负载配置文件。然后,由实用程序创建提前一天的计划。图3(b)中的图表显示了根据不同家庭用户的每个负载情况的不同电价。首先,将用户的策略存储为计划向量,并计算各个计划的收益。然后找到最优策略,并与其他策略进行反复比较。
 
使用以下算法从正常计划中找到最优策略:
 
获取设备n小时的计划(此处n=4)。对于每个设备a∈A,使用式(5)定义效能消耗计划向量:
 
 
使用式(6)计算用户n的负载:
 
 
确定单个用户的最小负荷使用小时数。
 
设置这几个小时内的设备向量,并将其存储为最优策略。为小单元房屋(h=3)添加负载分布。确定负载配置文件的最小值所需的时间,该值提供了最小的使用功率。
 
将设备向量重新安排到确定的最小使用小时数。获得的向量存储为用户策略。使用式(7)比较具有最优策略的向量:
 
 
如果后面的策略占主导地位,则使用获得的向量更新最优策略。
 
硬件设计考虑了单个用户的负荷,并假设其他用户的负荷分布。包括一个连接到继电器电路的微控制器单元。继电器电路连接到控制器单元的端口B。继电器的另一端与负载相连。为了更好的演示,选用三个灯负载作为实时负载,供电公司的各种需求电价模型作为直接输入。为了保持负荷的完整性,同时保持对电能价格和需求的控制,采用了以下算法:
 
检测到需求增加。在这种情况下,当需求增加时,将向控制器提供一个输入。根据需求形成新的计划向量。当该输入给定时,控制器根据新向量选择要从当前状态改变的负载。微控制器触发相应的NPN晶体管。一旦晶体管触发,继电器线圈通电。此时,继电器断开/接通特定负载。再次检查需求。控制器尝试关闭/打开另一个负载,并重复该过程,直到需求降至最低水平,该向量被保存并运行。负载状态和需求时间始终显示在LCD中,这样用户也可以识别出最后由继电器电路关闭的负载。
 
5 仿真及结果分析
在MATLAB中模拟供电公司支出,获得的结果是每个用户最终迭代出的最优策略。表1所示的结果表示在应用控制策略算法之前4 h内的计划价格和房屋总成本,表2中的结果表示策略控制算法实施后的结果。从两个表中可以明显看出,应用策略控制算法后,用户1和用户2的总成本降低了,分别由12、14.6元降低到7.2、11.4元,而用户3的总成本始终保持在最低水平,即7.2元。
 
该设计的硬件在proteuspro8中进行了仿真,得到了仿真结果。结果表示控制器自动关闭负载以减少用电需求。该过程重复进行,直到房屋总成本降至最低,并保留向量,直到供电公司的输入电价发生变化。
 
6 结论
本文设计了自动需求响应控制器,根据需求响应控制用户负荷。同时,提出了智能电网技术具体的实施方案和控制策略算法,并通过实例演示和仿真计算验证了该系统的有效性。
 
根据某区域用户们的需求,供电公司为一天中的不同时间产生不同的电价。这将作为提前一天的计划提供给用户。用户可以选择修改电价较低时的负荷分布,或者可以在非高峰时间使用大部分负荷。通过控制策略算法进行多次迭代可以制定出最优策略,控制器根据最优策略为用户的每个设备选择最佳的运行时间,以便在需求时间内达到最低耗电量。
 
本文引入的控制器实现了用户对每个设备的自动控制以实现最低耗电量,这不仅提高了电网的灵活性和可靠性,也对未来智能家居的实现提供了思路。
 
参考文献
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(责任编辑:mac)
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