利用现有电网的分布式负荷设备集中控制系统及方法与流程

1.本发明涉及固体电储能技术领域，特别涉及一种利用现有电网的分布式负荷设备集中控制系统及方法。


背景技术：

2.在我国，为了在2030年前达到碳达峰的目标，综合利用风、光产生的电能代替燃煤、燃气产生的热能，是减少碳排放的有效途径。本技术人从2010年以来，在长江以北各省市自治区为近600个用户安装的固体电蓄热设备总功率以达3000mw，还远远不能满足热用户的需求。制约广大用户用电能蓄热需求的主要瓶颈，在于用电电价和电网接入线路通道选址困难及铺设线路成本往往超过用户所能承受能力的难题。对用电侧实际情况分析发现，电网线路下各用户实际用电负荷较申请容量仍有部分剩余，将这部分剩余进行累加，所产生的该线路实际闲置容量是十分巨大的。同时，用电负荷多数集中在白天工作，在低谷期时段还将释放大量的闲置容量，对电网线路的容量资源造成极大浪费。以往，如果在该线路敷设区域内新增电能替代、电储能等大功率设备，需根据该线路容量被各用户申请占用后是否还有足够容量计算，如果已经被占用完，即使线路容量实际利用率仍有剩余，但是为保证线路安全也将无法利用。所以这类新增大功率设备往往需要额外申请专线接入，增加了大量架设成本和新建开闭站成本。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种利用现有电网的分布式负荷设备集中控制系统。
4.发明所采用的技术方案是：一种利用现有电网的分布式负荷设备集中控制系统, 其技术要点是，包括，分布式负荷设备，分散安装于现有电网线路各节点的用户端，用于采集并存储各用户地理位置、所在电网线路、设备额定功率、当前设备蓄热剩余容量及用热负荷信息；用户侧控制器，其输入端与分布式负荷设备的输出端连接，用于接收分布式负荷设备的采集数据，设置、存储设备运行参数和设备保护参数，执行下载的调度计划，执行实时调度指令；数据管理服务器，其输入端通过通信接入层、隧道网络和防火墙与用户侧控制器的输出端通讯连接，用于对由用户侧控制器输出的被通信接入层、隧道网络和防火墙加密保护的数据信号进行解密及验证，与用户侧控制器建立私有通信连接；集中控制服务器，其输入端连接数据管理服务器的输出端，用于确定控制权限；用户应用服务器，其输入端连接数据管理服务器的输出端，用于对外发布设备的运行状况和控制权限；数据库服务器，其输入端连接数据管理服务器的输出端，用于对全部运行数据和调度数据进行保存。
5.一种利用现有电网的分布式负荷设备集中控制电能的控制方法,其技术要点是，适于在集中控制服务器中执行，具体包括：接收由电网调度自动化系统下达的各用户区、线路的96点负荷指标和各电网线路的剩余容量信息，并根据存储的各用户地理位置、所在电网线路、设备额定功率、当前设备蓄热剩余容量、用热负荷信息计算出该设备所需的容量缺口和预计用电时长；将该线路下所有用户信息汇总，结合96点负荷、电网线路剩余容量信息、各用户所需容量缺口计算生成各用户的调度计划；同时根据电网线路容量的实时信息动态调整补充已下载的调度计划进行实时调度，用以实现各用户负荷的精确投入与退出，匹配电网线路的安全容量和闲置容量利用要求。
6.上述方案中，所述计算出该设备所需的容量缺口和预计用电时长的公式分别为：式中，q
s 为容量缺口，kw/h；t’当前蓄热温度；t额定蓄热温度；q设备额定容量；式中，s预计用电时长；q
s 容量缺口；w设备额定功率。本发明的有益效果是：一种利用现有电网的分布式负荷设备集中控制系统，解决既有电网线路的容量浪费，将单一大功率设备化整为零，从而不必新增专用线路和开闭站的投资。对于分布式负荷设备可采用本地控制和集中控制两种模式，在集中控制模式下通过调度计划下载、实时调度指令来实现负荷设备的全自动运行，目前，分时电价政策已逐渐开始面向居民用户，同时利用本发明技术可使各独立用户具备电网调峰能力。因此采用这种控制模式将根据电网情况实时调度，使用户享受到优惠电价，降低用电成本。而电网随着分布式负荷设备规模的增加，也将在电网安全的前提下节约新建线路投资、提高利用率、兼具调峰能力。安装在现有输电或配电网上的分布式负荷设备主体，可以将电能转换的热能向用户提供供暖，饮用，洗浴等生活热水、饱和或过热蒸汽、热风等热源；安装在现有风电场或太阳能光伏电场内的分布式负荷设备主体，可以将电能转换的热能产生10mpa的高温蒸汽，驱动0.5mw到5mw的小型汽轮机再发电，其经济性和稳定性优于蓄电池储能。
附图说明
7.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
8.图1为本发明实施例中利用现有电网的分布式负荷设备集中控制系统结构框图。
具体实施方式
9.使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1和具体实施
方式对本发明作进一步详细的说明。
10.本实施例以辽宁省目前“峰平谷”时段及电价划分为例（各地区及随政策调整会有差异仅供参考）：从以上数据中可以看出，相对于“峰”期时段，“谷”期时段的电费单价优惠时分明显，这就构成了一个简单的“调度计划下载”信息。而从实际情况出发，目前“峰平谷”时段划分虽然是常用方式，但这种方式仅能较粗略的对线路容量情况做划分，并且由于时间固定无法动态调整，不能反映出某条电网线路容量的动态情况。所以不利于精确调节。因而，采用更为精细的“96点负荷”或其他类型的动态指标信息来生成用户侧的调度计划，甚至通过与电网调度设置的专用网络动态接收电网线路的容量信息，用来完成更为精确的“实时调度”功能使各用户具备参与电网调峰的能力，享受优惠电费单价政策，即在电网线路剩余容量少、电费单价高的“尖峰”时刻通过调度计划和实时调度功能使用户设备退出（停止）运行，电网线路剩余容量多、电费单价低的“低谷”或“调峰”时刻使设备投入（启动）运行。
11.图1所示，由分布式负荷设备1、用户侧控制器2构成了分散于现有电网线路各节点的分布式负荷设备1至分布式负荷设备n，本实施例中采用分散于现有电网线路各节点的电储能设备、间断式工作设备作为分布式负荷设备。
12.用户侧控制器2是一种用于设置存储设备运行参数、设备保护参数、执行本地控制策略，执行下载的调度计划和执行实时调度指令的电控部件。用户侧控制器2采集分布式负荷设备1的运行数据。运行数据经通信接入层3进行加解密后接入隧道网络4，经防火墙5后进入数据管理服务器6。本实施例中对运行数据进行加解密的过程为：数据加解密层是指利用多层加解密验证方式，将用户侧控制器硬件信息、握手密钥与数据管理服务器信息进行双向绑定，并进行加密传输，为数据通信安全提供保障。具体实现为：设备侧控制器出厂前，分配设备id、提取处理器唯一身份id和mac地址等硬件信息存入数据管理服务器和用户侧控制器，并由数据管理服务器根据实际需要采用国密sm2或rsa等非对称加密算法生成一对通用密钥，其中公钥保存到用户侧控制器，私钥保存到数据管理服务器。在生成一个随机设备身份识别码、一个随机数据管理服务器身份识别码。同时写入用户侧控制器和数据管理服务器。初始通信时，用户侧控制器将“握手指令 时间参数 处理器id mac地址等硬件信息 设备身份识别码”通过公钥加密后发送到数据管理服务器，数据管理服务器接收数据后通过私钥解密数据，提取该报文中的“时间参数”用以判断该通
信帧的有效性、实时性，提取“处理器id和mac地址等硬件信息”判断是否为绑定在数据管理服务器的原厂设备，在验证“设备身份识别码”与保存的信息进行比对，判断设备的合法性。经验证合法的原厂设备在数据管理服务器握手成功后，重新生成一对私有连接的密钥（采用sm2、rsa等非对称加密的公钥和私钥），通过原加密途径向用户侧控制器下发“更换公钥指令 时间参数 新生成的公钥 数据管理服务器身份识别码”。设备侧控制器接收数据后，提取“时间参数”用以判断该通信帧的有效性、实时性，验证“数据管理服务器身份识别码”与存储器中保存的信息进行比对，判断数据管理服务器连接的合法性。经验证数据管理服务器的连接合法后，更换加密公钥对后续“控制信息”进行加密传输，数据管理服务器利用新私钥解密。同时为保证每一个通信帧的合法性、唯一性，在传输过程中，数据管理服务器在每通信帧加入“上一帧guid 本帧guid”，用户侧控制器验证“上一帧guid”是否一致，返回数据中加入接收到的“本帧guid”供数据管理服务器验证使用。同时，通信过程中，用户侧控制器和数据管理服务器双方对通信行为进行监控，提取每帧通信行为特征，包括握手时间、握手次数、合法帧次数、非法帧次数、密钥交换频率、ip地址范围、网络延迟等信息，当发生异常通信时分别给出网络异常、设备入侵等报警信息，并根据报警等级设备停止运行，进入待机状态，数据管理服务器将该设备加入黑名单。
13.数据到达数据管理服务器6后，由数据管理服务器6对数据进行解密并验证数据是否合法，以及是否为已绑定的原厂、合法设备，验证成功后数据管理服务器端握手成功，向用户侧控制器2下发私有通信密钥和控制信息，用户侧控制器2验证数据管理服务器6下发数据的有效性、合法性，验证成功后建立私有通信连接，同时数据管理服务器6将此私有通信连接数据提供给下层网络中的集中控制服务器7、用户应用服务器8和数据库9使用，经集中控制服务器7确定控制权限，如处于本地控制权限，则集中控制服务器7不对分布式负荷设备进行调度，仅执行网络精确对时、数据分析、预警、报警、数据库9记录数据等基本功能，所有控制操作逻辑由用户侧控制器2根据用户设定的蓄热温度上下限、当地峰平谷蓄热时段、供暖时段及供回水温度、大气补偿修正值、各时段循环泵频率等参数执行；如处于集中控制权限，则由集中控制系统按照调度计划下载和实时调度指令统一对分布式负荷设备进行投入（启动）和退出（停止）进行操作，如：图1中所示的分布式负荷设备1、分布式负荷设备2同属于一条电网线路供电，这种属性信息将被录入到集中控制服务器7中，这两个分布式负荷设备的投退设备时间规律较强，并且进入12月份后9点至13点该条电网线路容量紧张严禁投入设备，18点至19点该条线路容量大量闲置需要投入设备并享受优惠电价，针对这两个分布式负荷设备可以生成新的调度计划禁用9点至13点，优先启用18点至19点，其他容量闲置、优惠电价时段根据大数据分析结果进行分配，其中分布式负荷设备1由于负荷需求增大需要更多的用电时长，可在调度计划中优先分配电网线路容量不太宽裕的优惠电价时段，某时刻集中控制系统接到电网调度参与调峰指令且这两个分布式负荷设备所在电网线路在调峰范围内，将使用实时调度指令将分布式负荷设备1、分布式负荷设备2投入运行，调峰结束后在根据各自调度计划运行，特殊情况下该条电网线路需要释放出部分容量来保障线路安全，集中控制系统将根据释放容量要求实时调度分布式负荷设备1、分布式负荷设备2分别退出运行，为电网线路安全提供保障，全部运行数据和调度数据将由数据库9进行保存，供数据分析和查询使用，设备的运行状况和控制权限选择通过用户应用服务器8以app、web等方式对外发布，提供给用户使用。
14.本实施例中涉及的网络精确对时，是指利用集中控制系统对用户侧控制器下达包含时间参数的对时指令，用户侧控制器接收到对时指令后启动内部定时器，集中控制系统再次下达包含时间参数的对时指令，用户侧控制器提取当前时间参数，并与首个对时指令中的时间参数和内部定时器值进行修正，计算延时从而实现网络精确对时。
15.本实施例中所述的调度计划下载是指依据电网调度的“96点负荷”等动态指标信息，以及各电网线路的剩余容量信息，利用存储在集中控制系统的各用户地理位置、所在电网线路、设备额定功率、当前设备蓄热剩余容量、用热负荷信息等计算出该设备所需的容量缺口和预计用电时长。将该线路下所有用户信息汇总，在分解为每个用户的调度计划，对用户侧控制器提前下达调度计划信息，使控制器按照预定计划执行工作。
16.其中，容量缺口计算公式为：式中，q
s 容量缺口，单位：kw/h；t’当前蓄热温度；t额定蓄热温度；q设备额定容量；预计用电时长计算公式为：式中，s预计用电时长，单位：分；q
s 容量缺口；w设备额定功率；本实施例所述的实时调度指令是根据电网线路容量的实时信息调整补充已下载的调度计划，对用户侧控制器实时下达调度指令，使控制器执行实时工作。
17.本实施例所述的大数据分析是指通过对用户所在地气象、气温、各时段剩余蓄热温度、各时段供暖风机输出频率、供暖供水、供暖回水、每天蓄热用电时长、设计阶段的热负荷参数等信息进行综合分析，首先根据当地历年气候条件，将气温由“暖—寒—暖”的变化过程精细划分出多个交替时间范围，将“暖天气”提高“周期蓄热升温系数”，“寒冷天气”降低“周期蓄热升温系数”，在根据天气预报情况调整“当日蓄热升温系数”，根据以往历史数据中的各时段剩余蓄热温度、风机输出频率、供回水数据、每天蓄热用电时长调整“修正蓄热升温系数”，各值乘以各自权重后相加，结果越低所分配的调度计划中总蓄热时长越多、蓄热温度上限值越高。根据历史数据中各时段剩余蓄热温度、供回水温度、风机频率、设定供水温度计算出“供暖各时段达标率”，不达标时段越多、达标率越低，在调度计划下载中所分配的启动间隔越密集、蓄热温度上下限温差越小。配合调度计划下载、实时调度指令确保分布式负荷设备的最佳工作状态。
18.本实施例所述的具备参与电网调峰能力是指，各独立用户通过本发明构建的大规模分布式负荷设备集中控制系统，通过调度计划下载和实时调度指令组成了一个安全的、受控的、高容量的、投入功率可调的整体。由集中控制系统通过设置的专用网络统一接收电网调度的调峰信息，在将调峰信息按容量生成各用户的调度计划和实时调度指令。利用集中控制系统作为统一的调峰结算接口，这样解决了单独用户个体容量低、没有结算途径的问题。整合控制后的各用户具备了参与电网调峰的能力。
19.本实施例所述的预警提示是指通过集中控制系统，提取各用户以往数据库中各时间点运行数据的关键特征点、相似用户数据的关键特征点与当前时刻关键特征点进行对
比，及时发现设备运行的故障隐患并通知用户和集中控制系统值班人员。实现方式分为蓄热、供热输出、水系统三个预警部分，蓄热预警中根据蓄热温度记录、电流记录、供暖输出负荷等记录生成动态的蓄热温升曲线，与当前实际蓄热温升曲线和相近用户温升曲线对比，蓄热偏差过大，证明设备运行中某一环节存在故障隐患，应重点排查。供热输出预警和水系统预警利用供回水温差记录、气温记录、蓄热温度记录和供暖时段达标率记录对管道内夹入气体、丢水、循环水不畅通等作出预警提示。
20.本实施例所述的报警提示是指在用户侧控制器和集中控制系统中两套独立、并列运行的检测系统，分别用于实时检测设备运行数据是否在保护参数设定范围内，发生故障时用户侧控制器启动声光报警器发出本地报警，集中控制系统在平台弹出报警信息窗口，并推送app信息给用户。起到冗余报警的作用。
21.本实施例所述的用户侧控制器保护策略是指固化在控制内部的通用保护策略，策略按用户输入的具体参数实时检测设备运行状态，故障发生时执行相关保护动作。主要包括蓄热、供热、循环水三类保护，独立运行，不依托于网络和集中控制系统。
22.本实施例系统可搭载到分布式负荷设备上随设备配套使用，也可搭载到现有负荷设备上技术改造使用。
23.本实施例中的系统及方法将大大提高电网线路的安全性和利用率。同时，通过各用户“调度计划下载”信息的汇总，能够反映出未来电网线路容量增加情况，为电网调度预测负荷变化情况提供依据。这样在既有电网线路下，既保障了线路的容量安全，又充分提高了线路的利用率，降低了用电成本。解决了独立建设大功率设备带来的不足和局限性。同时，该套系统的技术背景将能够支撑更多的合作运营模式，除用户独立安装设备享受低电价时间窗口的红利外，针对部分一次性出资困难的用户，还可采用由发明人投资安装固体电蓄热设备，用户只需负担较低的用电使用成本。通过服务费用的方式由发明人逐步回收建设安装成本等，通过多种多样的合作运营模式彻底解决固体电蓄热设备建设安装的各种瓶颈。
24.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。