感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置和方法

技术领域

本发明涉及电力控制技术领域，特别涉及一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置和方法。

背景技术

目前，公司经营区季节性尖峰负荷增长和新能源消纳矛盾日益突出，整体能源利用效率仍然较低。“三华”地区各省最大负荷95%以上尖峰持续时间仅5~81小时。若通过建设调峰电厂满足5%峰值负荷需求，但只针对峰值负荷进行建造，成本过高。若在客户侧可调节负荷实施同等效果的需求响应，相关软硬件建设运维和补贴的总资金规模，可大幅延缓、节约发电和电网投资，显著降低全社会成本投入。因此亟需开展可调节负荷资源池感知、接入、调节能力建设，提升客户侧资源柔性互动能力，提高用能效率，降低用能成本，加快形成以电为中心、多能互补的智慧能源综合服务体系，推动形成中国特色国际领先的能源互联网。

发明内容

本发明目的之一在于提供了一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，在电力系统出现大的故障引起系统频率波动或局部供需不平衡时电压越限运行，可从本地自动跟踪这些电力系统频率电压参数的变化，自动的调节所连接的多元负荷，实现自动调节控制，辅助电力系统恢复到正常状态，具有响应时间快、选择型好、控制输出不依赖远程通信的特点。

本发明实施例提供的一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，包括：

通信模块，与用电器连接，用于获取用电器的参数信号；

AD采样模块，与通信模块连接，用于对参数信号进行数据采样；

计量回路，与AD采样模块连接，用于基于AD采样模块采样的采样数据确定用电器的参数值；

主控芯片，与计量回路模块，用于基于参数值生成用电器的控制信号；

控制输出模块，与主控芯片连接，用于通过通信模块向用电器输出控制信号。

优选的，通信模块包括：以太网、窄带物联网NB-IOT。

优选的，感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，还包括：温度传感器模块，与主控芯片连接，用于检测用电器的温度。

优选的，用电器包括：冰蓄冷空调或电动汽车充电桩。

优选的，感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，还包括：语音交互模块，与主控芯片连接，用于接收用户的语音控制指令。

本发明还提供一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法，应用于冰蓄冷空调，包括：

步骤S1：获取A/D芯片及温度传感模块对电压、电流、频率、温度实时采样的信号；

步骤S2：滤除实时采样的信号的高频干扰，并计算实时感知的频率变化量、频率变化率、电压变化量和电压变化率；

步骤S3：将所述实时感知的频率变化量、频率变化率，电压变化量和电压变化率分别与各自对应的预设越限偏差值进行对比，当出现越限值时，执行控制策略；

步骤S4：根据频率、电压实时测量值，结合所述温度，主控芯片判断频率、电压变化量在V-F空间的动作区间，当处于高越限区时，形成调低或断开空调负荷快速响应的控制策略，当处于低越限区时，通过调低空调的设定温度进行微调；

步骤S5：主控芯片通过通信模块下发控制命令，或者接收主站下发的控制信号，并根据控制信号生成控制策略并下发；

步骤S6：执行控制策略；

步骤S7：控制策略执行后，重新计算频率、电压偏差值，若仍然越限，回到步骤S4，主控芯片重新制定新的控制策略；若已恢复，结束控制策略执行，回到步骤S1，继续进行监测。

优选的，所述电压、频率实时采样128点以上/周波，并通过IEEE802.15.4、IEEE802.11传输方式本地传输至主控芯片。

其中，所述控制策略包括：分级调升、调降冰蓄冷空调的运行温度，或断电切除冰蓄冷空调负荷；通信模块的通信接口包括本地通信接口和远程通信接口，远程通信支持以太网、窄带物联网NB-IOT等传输方式。

优选的，所述方法应用于电动汽车充电桩。

优选的，控制策略包括：开启或断开电动汽车充电桩开关，或，启动或停止电动汽车充电。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，包括：通信模块，与用电器连接，用于获取所述用电器的参数信号；AD采样模块，与所述通信模块连接，用于对参数信号进行数据采样；计量回路模块，与所述AD采样模块连接，用于基于所述AD采样模块采样的采样数据确定所述用电器的参数值；主控芯片，与所述计量回路模块，用于基于所述参数值生成所述用电器的控制信号；控制输出模块，与所述主控芯片连接，用于通过所述通信模块向所述用电器输出所述控制信号。该装置可有效拓展电网故障时的可控资源，进一步丰富和完善电网安全控制手段。本发明的实施，减少了保证电网稳定的减载切负荷量，为电网高效有序运行提供了有益的补充和辅助。

进一步的，本发明可以面向空调负荷、电动汽车充电桩、储能等多元负荷，具有控制选择性好、动作速度快、自动分层分级调减或调低负荷能力，不依赖远程通信等优势，是保障智能电网安全的重要技术手段。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置的示意图；

图2为本发明实施例中一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法应用于冰蓄冷空调的流程示意图；

图3为本发明实施例中一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法应用于冰蓄冷空调的本地连接示意图；

图4本发明实施例中一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法为应用于冰蓄冷空调的网络连接示意图；

图5为本发明实施例中一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法应用于电动汽车充电桩的流程示意图；

图6为本发明实施例中一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法应用于电动汽车充电桩的本地连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，如图1所示，包括：

通信模块1，与用电器6连接，用于获取用电器6的参数信号；

AD采样模块2，与通信模块1连接，用于对参数信号进行数据采样；

计量回路3，与AD采样模块2连接，用于基于AD采样模块2采样的采样数据确定用电器的参数值；

主控芯片5，与计量回路3模块，用于基于参数值生成用电器的控制信号；

控制输出模块4，与主控芯片5连接，用于通过通信模块1向用电器6输出控制信号。

优选的，通信模块包括：以太网、窄带物联网NB-IOT。

优选的，感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，还包括：温度传感器模块，与主控芯片连接，用于检测用电器的温度。

优选的，用电器包括：冰蓄冷空调或电动汽车充电桩。

优选的，感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节装置，还包括：语音交互模块，与主控芯片连接，用于接收用户的语音控制指令。

主控芯片采用40Mhz以上32位MCU或DSP为主控芯片，片内集成16kB以上的FLASH芯片，片上还集成2kB以上SRAM随机存储器，可外扩程序和数据存储器。A/D采样和计量回路通过SPI或并行接口接入12位以上A/D转换器、1S级以上精度计量芯片，A/D芯片支持4-8路信号的32ksps以上速率采样。 装置软件实现电力系统频率、电压、电流等参数的实时采样、自动跟踪和多元负荷的自动调节，具有实时检测、数字滤波、参数配置、日功率预测、功率控制、费控/电量控制、协调控制、通信管理等功能。装置通信接口实现远程及本地通信功能。通信接口包括本地通信接口和远程通信接口，主要用于参数配置等功能，远程通信支持以太网、窄带物联网NB-IOT等传输方式；本地通信支持IEEE802.15.4、IEEE802.11传输方式。温度传感器可感知温度的实时变化，精度达到正负0.5度。控制输出可以支持2路以上交流负载驱动。

本发明具有广阔的应用前景。一是在电力系统发生较大故障造成频率快速下降时，基于本地实时感知分析结果，启动分层分级的多元负荷控制措施。二是局部电网故障，造成台区孤岛运行功率缺额时，对多元负荷运行状态进行调整，在保证电网的安全稳定运行的同时保证重要负荷的可靠供电。三是控制输出不依赖远程通信，不需要敷设大量光缆，经济效益、社会效益显著。

本发明还提供一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法，应用于冰蓄冷空调，如图2、图3和图4，包括：

步骤S1：通过A/D芯片及温度传感模块对电压、电流、频率、温度实时采样，电压、频率实时采样128点以上/周波，并通过IEEE802.15.4、IEEE802.11传输方式本地传输至主控芯片；

步骤S2：采用自适应滤波方法滤除高频干扰，利用FFT或函数拟合方法计算实时频率，计算频率、电压偏差及变化率；

步骤S3：计算实时感知的频率变化量和频率变化率，电压变化量和电压变化率，与设定频率、电压的越限偏差值进行对比，当频率、电压达到预设的越限值时，启动控制策略；

步骤S4：根据频率、电压实时测量值，结合环境温度，主控芯片判断频率、电压变化量在V-F空间的动作区间，当处于高越限区时，形成调低或断开大量空调负荷快速响应的调节策略，当处于低越限区时，通过调低部分空调的设定温度进行微调；

步骤S5：主控芯片通过通信模块下发控制命令；同时，主控芯片也可接收主站下发的控制信号，并根据控制信号生成控制策略并下发；

步骤S6：执行控制策略；

步骤S7：控制策略执行后，重新计算频率、电压偏差值，若仍然越限，回到步骤S4，主控芯片重新制定新的控制策略；若已恢复，结束控制策略执行，回到步骤S1，继续进行监测。

其中，所述控制策略包括：分级调升、调降冰蓄冷空调的运行温度，或断电切除冰蓄冷空调负荷；通信模块的通信接口包括本地通信接口和远程通信接口，远程通信支持以太网、窄带物联网NB-IOT等传输方式。

目前，冰蓄冷空调技术已相对成熟，在国内得到广泛推广和大量应用，是本发明合适的应用对象之一。常规冰蓄冷空调系统的运行模式分为全部蓄冷模式和部分蓄冷模式。全部蓄冷模式在谷电时段储存全部的空调日冷负荷，在峰电和平电时段空调主机不运行，靠融冰满足全部冷负荷；部分蓄冷模式则是在谷电时段储存部分冷量，平日的空调负荷部分由融冰负担，部分仍由制冷机组承担。冰蓄冷空调在平衡电网负荷、移峰填谷方面具有巨大潜力，同时，蓄冷模式下运行费用低，可节约大量电费。

由于冰蓄冷空调负荷受季节气温影响较大，且存在一定的同时率，实际可切负荷在不同时段均有变化，因此建立数据库，基于大数据与机器学习技术，提升调控精度与响应速度，实现冰蓄冷空调智能化自动需求响应。

本发明可以通过改变冰蓄冷空调负荷的运行温度或切除空调负荷，增加或减少空调负荷的运行功率，以应对台区电压、频率波动。以调整1000台冰蓄冷空调为例，以控制前平稳的功率作为基准值（100%），比较不同环境温度（以35℃-39℃为例）时，调高1℃。35℃时，控制后空调负荷群的总功率是控制前的72.5%±3.5%；37℃时，控制后空调负荷群的总功率是控制前的85%±3.0%；39℃时，控制后空调负荷群的总功率是控制前的94.0%±2.0%。

本发明还提供一种感知电力实时运行状态的多元负荷跟踪调节方法，应用于电动汽车充电桩，如图5和图6所示，包括：

步骤S11：通过A/D芯片及温度传感模块对电压、电流、频率实时采样，对储能充放电功率、SOC值进行采样，并判断储能当前运行状态;电压、频率实时采样128点以上/周波，并通过IEEE802.15.4、IEEE802.11传输方式本地传输至主控芯片;

步骤S12：采用自适应滤波方法滤除高频干扰，利用FFT或函数拟合方法计算实时频率，频率测量精度优于0.01%，计算频率、电压偏差及变化率，频率变化率精度优于0.2Hz/s;

步骤S13：计算实时感知的频率变化量和频率变化率，电压变化量和电压变化率，与设定电压、频率的越限偏差值进行对比;

步骤S14：根据频率、电压实时测量值，结合环境温度，主控芯片判断频率、电压变化量在V-F空间的动作区间，当处于高越限区时，形成改变大量储能单元充放电状态及开启或断开电动汽车充电桩开关的调节策略，当处于低越限区时，通过改变部分储能单元充放电状态进行微调;

步骤S15：主控芯片通过通信模块下发控制命令;同时，主控芯片也可接收主站下发的控制信号，并根据控制信号生成控制策略并下发;

步骤S16：执行控制策略，改变储能设备充放电状态，通信接口包括本地通信接口和远程通信接口，远程通信支持以太网、窄带物联网NB-IOT传输方式;

步骤S17：控制策略执行后，重新计算频率、电压偏差值，若仍然越限，回到步骤S14，主控芯片重新制定新的控制策略；若已恢复，结束控制策略执行，回到步骤S11，继续进行监测。

优选的，控制策略包括：开启或断开电动汽车充电桩开关，或，启动或停止电动汽车充电。

此外，还可基于大数据与机器学习技术，丰富和纠正策略样本，提升调控精度与响应速度。

例如：频率控制和电压控制两种控制策略：

频率控制：当系统频率突升时，通过控制BESS进行充电来吸收系统多余的有功功率；而当系统频率突降时，通过控制BESS进行放电来补偿系统有功功率缺额。因基于PCS及其相应控制策略，BESS的运行时间常数较小，通常在几十毫秒~1秒间，且动态响应快。

BESS运行时其调频特性表示为

式中，∆f为系统频率偏移；∆P为BESS输出有功功率；Kp为系统发电增益；Tp为BESS的时间常数。

同时，BESS 输出总能量可以通过如下公式计算：

电压控制:通过调节BESS的无功功率输出可抑制系统电压的波动。当馈线电压U

与频率控制相似，BESS 运行时其调压特性表示为

式中，∆U为系统电压偏移；∆Q为BESS输出无功功率；Kq为系统发电增益；Tq为BESS的时间常数。

此外，影响BESS与其内部的模块化BESS子系统的调压能力的因素也有所不同。对于单个模块化BESS而言，其调压能力受其视在功率及系统对其调频能力要求等因素影响，即模块化BESS子系统视在功率恒定时，系统对其调频能力要求越高，则其调压能力将会降低；但是，对于BESS而言，其总调压能力还与所采用的控制策略有关。

实施效果：本发明对电动汽车的控制只考虑切除（因电动汽车提供事故支援等辅助服务电价如何计算，且对电动汽车电池寿命影响如何补偿）、储能设备由充电运行状态转为放电状态。储能与电动汽车负荷：直接控制电动汽车充电负荷的启停，响应程度100%；直接控制储能设备从充电负荷变为放电状态，响应程度200%。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。