[0002] 本申请要求
申请人在2013年1月30日向澳大利亚国家ICT提交的澳大利亚临时申请2013900285的优先权,并且其内容通过援引纳入于此。
技术领域
[0003] 本
发明一般涉及
智能电网中的负载控制。本发明的各方面包括用于控制功耗设备的操作的计算机实现的方法、
软件以及
计算机系统。
背景技术
[0004] 在传统电网中,电网很少与它所服务的功耗设备进行交互。换言之,电网通常不知道功耗设备何时启动以及功耗设备要消耗多少电,功耗设备也不知道电网可提供多少电
力。结果,如果许多功耗设备同时开始操作,电网的聚集负载可能超出电网的工作容量,这可导致较高的操作成本或甚至电网故障。在现代电网中,具体而言是智能电网,与功耗设备和电网有关的信息被直接或间接地在它们之间交换,以调度功耗设备的操作,来将电网的聚集负载保持在最佳
水平,使得电网和/或功耗设备可以在最佳条件下操作。
[0005] 包括在本
说明书中的文献、动作、材料、设备、物品等的任何讨论不应被认为是承认这些事项中的任何或全部形成
现有技术基础的一部分,或不应被认为是承认因它在本申请的每一
权利要求的
优先权日之前存在而是与本公开相关的领域中的公知常识。
发明内容
[0006] 提供了一种用于控制电网中的功耗设备的操作的计算机实现的方法,所述方法包括:
[0007] 基于所述电网的理想可转移(shiftable)负载来确定所述功耗设备的启动时间的概率分布;
[0008] 根据启动时间的所述概率分布来确定所述功耗设备的操作的启动时间;以及[0009] 发送指令以使所述功耗设备在所述启动时间启动。
[0010] 本申请确定启动时间的概率分布以及基于概率分布确定启动时间以按随机方式间接控制功耗设备的操作是有利的。通过这样做,电网的总体负载基本上保持在电网的理想负载,使得电网以最佳操作条件来操作。
[0011] 电网可包括智能电网。
[0012] 功耗设备可包括能被编程成在特定
时间窗口内操作的设备,如
洗衣机、干衣机、
洗碗机、
电动车,等等。
[0013] 理想可转移负载可以基于电网的理想负载和不可转移负载。
[0014] 理想可转移负载可以例如是理想负载减去不可转移负载。
[0015] 理想负载可以表示电网的运营商在保持电网在最佳操作条件(例如最小操作成本)下的同时在特定时段内使用电网能提供的
能量。应当注意,取决于电网的配置,电网的理想负载可以是可变的。
[0016] 不可转移负载可以是电网的运营商在特定时段内提供的基本上预定和/或可预测的能量。不可转移负载的供电不能被转移到另一时段。
[0017] 可转移负载可以表示能从一个时段转移到另一时段的能量,这意味着可转移负载的供
电能被转移到一时间窗口中的另一时段。
[0018] 给定基本上预定和/或可预测的不可转移负载,理想可转移负载可表示电网的运营商能转移到特定时段以保持电网在所述特定时段中在理想负载水平下操作的能量。
[0019] 确定功耗设备的启动时间的概率分布可以基于功耗设备的操作的时间窗口。此外,确定功耗设备的启动时间的概率分布还可包括基于功耗设备的能耗简档和操作的时间窗口来确定概率分布。
[0020] 功耗设备的操作的能耗简档和时间窗口可被包括在操作
请求中。
[0021] 发送指令以使功耗设备启动可包括在启动时间发送指令来启动功耗设备。
[0022] 功耗设备可以在接收到指令时启动。
[0023] 发送指令以使功耗设备启动可包括在启动时间之前将指令发送给电网中的中间智能电表或能量管理系统,其中该指令包括启动时间。
[0024] 功耗设备可由智能电表在到达启动时间时启动。
[0025] 该方法可最初包括接收或
访问电网的理想可转移负载。
[0026] 还提供了一种包括计算机可读指令的计算机软件程序,该计算机可读指令在由处理器执行时使得所述处理器执行前述权利要求中的任一项所述的方法。
[0027] 还提供了一种用于控制电网中的功耗设备的操作的计算机系统,所述系统包括处理器,所述处理器被适配成:
[0028] 基于所述电网的理想可转移负载来确定所述功耗设备的启动时间的概率分布;
[0029] 根据启动时间的所述概率分布来确定所述功耗设备的操作的启动时间;以及[0030] 发送指令以使所述功耗设备在所述启动时间启动。
附图说明
[0031] 将参考附图来描述本发明的至少一个示例,附图中:
[0032] 图1是根据本发明的一
实施例的具有被用来调度功耗设备的操作的调度器的电网的示图;
[0033] 图2a示出电网的聚集负载的分解图;
[0034] 图2b示出根据本发明的各实施例的电网的理想负载的分解图;
[0035] 图3是根据本发明的一实施例的调度功耗设备的操作的
流程图;
[0036] 图4是从功耗设备发送的操作请求的示例性格式;以及
[0037] 图5a-5b示出根据本发明的一实施例的用来确定功耗设备的启动时间的概率分布的示例性理想可转移负载。
[0038] 应当注意,贯穿各附图,相同的标号表示相同或相似的元素。
具体实施方式
[0039] 电网
[0040] 在图1中,电网110是向电网110中的功耗设备125、126、127、135、136、137、145、146以及147提供电能的供电网络。在本发明中,电网110可以是可向连接到的智能电表120、130和140直接或间接提供其状态信息(如工作容量、定价策略等)的智能电网。
[0041] 为了描述本发明的概念,阐明本说明书中使用的术语是必要的。参考图2,水平坐标表示一天中的时间,且垂直坐标表示电网110在一天中的时间内提供的能量。电网110在一天中的特定时间提供的聚集能量被称为负载(在图2a中示为实线)。该负载可被分成不可转移负载(在图3a中示为点虚线)和可转移负载(图2a中的虚线)。
[0042] 不可转移负载可以是电网110在特定时段内提供的基本上预定和/或可预测的能量。例如,用于照明和家庭娱乐的能量必须在特定时段(如每天下午8:00-11:00)内提供。换言之,不可转移负载的供电不能被调度到另一时段。
[0043] 可转移负载表示能从一个时段转移到另一时段的能量,这意味着可转移负载的供电能被调度到一时间窗口中的另一时段。例如,用户在早晨出
门上班之前刚决定在上午8:00洗他的衣服。他想要这次洗衣不迟于下午5:30完成,彼时他预期会回家。用户编程洗衣机以运行长热洗涤循环自现在起的任何时间开始,只要它不迟于下午5:30完成,所以时间窗口是上午8:30到下午5:30。如果长热洗涤循环花费2小时15分钟,则洗衣机可在上午8:00那样早或下午3:15那样迟来启动,以不迟于下午5:30完成。用户不关心洗衣机何时启动运行,只要它不迟于下午5:30完成。因此,针对这一任务的可转移负载的供电可被调度到当天上午8:30和下午3:15之间的任何时段。在其他示例中,功耗设备的操作的时间窗口可以是包括所有合适启动时间的窗口,但不一定包括功耗设备的操作的结束时间。使用以上示例,在这种情况下的时间窗口将是上午8:00和下午3:15。
[0044] 从以上描述可以看到,电网110的负载是不可转移负载和可转移负载的总和。在峰值时间期间(如在夏天晚上在数千或甚至数百万用户同时操作他们的电视机、
空调等),电网110的负载可超出其工作容量,即电网110可提供的最大负载。这种超过工作容量可造成电网110的备用模
块的启动以提供附加能量,以保证能量供应,或甚至可能造成电网110的故障,从而造成供电中断。这两个场景可对电网110的运营商和用户带来经济低效。
[0045] 在实践中,电网110可具有其理想负载,这表示电网110的运营商在保持电网在最佳操作条件(例如最佳操作成本)下的同时在特定时段使用电网110能提供的能量。理想负载的示例在图2b中示为实线且在这一示例中是随时间相当恒定的。应当注意,在另一示例中,理想负载可能不是随时间恒定的。换言之,电网110的理想负载是可变的。理想负载包括不可转移负载(这具有与图2a中相同的意义)和理想可转移负载。给定基本上预定和/或可预测的不可转移负载,理想可转移负载(在图2b中示为实线)表示电网的运营商能在一时间窗口内转移到特定时段以保持电网在所述特定时段中并在所述时间窗口总体上在理想负载水平下操作的能量。在本发明中,理想负载是不可转移负载和理想可转移负载的总和。例如,在图2b中,上午4:00的理想负载是约100MW,不可转移负载是约60MW,则理想可转移负载是约40MW。
[0046] 本发明将可转移负载保持得基本上在理想可转移负载的水平,以使电网110在最佳操作条件下操作。
[0047] 智能电表
[0048] 在图1中,智能电表120、130和140用作电网110与功耗设备125、126、127、135、136、137、145、146以及147之间的中间实体,它接收来自电网110的状态信息和来自功耗设备
125、126、127、135、136、137、145、146以及147的操作请求。电网110的状态信息和操作请求随后被发送到智能电表120、130和140或由它们访问。智能电表120、130和140的任务之一是使得功耗设备在它们的相应管理下在特定时间窗口中启动,如果它们被编程成在该特定时间窗口中操作的话。例如,如图1所示,功耗设备125、126和127被编组在一起以由智能电表
120来管理。如果功耗设备125、126和127中的任一者被编程成在特定时间窗口中操作,则操作请求被发送给智能电表120。与传统智能电表不同,在本发明的这一实施例中,智能电表
120不确定启动功耗设备的启动时间;而是改为,智能电表120使得发出请求的功耗设备125在接收到来自调度器121的启动指令时启动。如下所述,在这一实施例中,启动指令在根据启动时间的概率分布以随机方式确定的启动时间从调度器121发送给智能电表120。启动时间的概率分布是基于从智能电表120接收或访问的状态信息和操作请求来确定的。
[0049] 在另一实施例中,一旦调度器121根据启动时间的概率分布确定了启动时间(换言之,在启动时间之前),包括启动时间的启动指令就可被发送给智能电表120,并且智能电表120进而使功耗设备125在到达启动时间时启动。
[0050] 在又一实施例中,智能电表120可以在从调度器121接收包括启动时间的启动指令后简单地将该启动指令转发给功耗设备125,并且功耗设备125可在到达启动时间时自动启动。
[0051] 应当注意,虽然在本发明的实施例中,智能电表被描述和适配成电网与在其相应管理下的功耗设备之间的中间实体,但在实践中,能量管理系统(EMS)(图1中未示出)也可被用作中间实体来执行类似功能,而不背离宽泛地描述的本发明的范围。
[0052] 调度器
[0053] 调度器121、131和141中的每一者分别连接到智能电表120、130和140,作为接收或访问来自其连接到的智能电表的数据以确定发出请求的功耗设备的启动时间的概率分布并进而基于概率分布来确定实际启动时间的计算设备或计算设备的一部分。在其他实施例中,调度器可以只与一个功耗设备通信。在这种情况下,调度器可以是功耗设备的一部分,如在功耗设备的
外壳内部,使得调度器的功能是功耗设备的功能(即,一部分)。
[0054] 如上所述,能量管理系统(EMS)可被用来代替智能电表120、130和140。在这种情况下,调度器121、131和141中的每一者连接到它们对应的EMS。
[0055] 虽然调度器121、131和141中的每一者被示为图1中的独立实体,但调度器也可以是其连接到的智能电表的一部分。取调度器121作为示例来描述调度器121、131和141,调度器121包括处理器122、
存储器123以及通信端口124。处理器122可以是例如通用处理器、专用集成
电路(ASIC)、或
现场可编程门阵列(FPGA),等等。处理器122取得并执行存储在存储器122中的指令以基于从智能电表120接收或访问的数据确定发出请求的功耗设备的启动时间的概率分布并基于启动时间的概率分布来确定实际启动时间。通信端口124是调度器121与智能电表120的
接口。在调度器121和智能电表120之间交换的数据和指令是经由通信端口124传递的。虽然调度器121在图1中被示为物理设备,但它也可以是包括在可编程设备(如可编程集成电路、台式机、膝上型计算机、手机,等等)上运行以执行相同功能的机器可读指令的
计算机程序。
[0056] 一旦确定了发出请求的功耗设备的启动时间的概率分布,调度器121就根据该概率分布以随机的方式确定启动时间。随后在启动时间将启动指令发送给智能电表120以造成发出请求的功耗设备的启动。
[0057] 在另一实施例中,一旦调度器121根据启动时间的概率分布确定了启动时间,包括启动时间的启动指令就可在启动时间之前被发送给智能电表120。智能电表120将进而使得功耗设备125在到达启动时间时启动。
[0058] 在又一实施例中,智能电表120可以在从调度器121接收包括启动时间的启动指令后简单地将该启动指令转发给功耗设备125,并且功耗设备125可在到达启动时间时自动启动。
[0059] 功耗设备
[0060] 功耗设备125、126、127、135、136、137、145、146和147是可被编程成在特定时间窗口内用电能来操作的设备。功耗设备可包括例如
家用电器,诸如洗衣机、干衣机、洗碗机,等等。如果功耗设备中的任一者被编程成在特定时间窗口内操作,则操作请求从该设备发送到其连接到的智能电表。
[0061] 操作请求可包括设备ID、能耗简档、以及时间窗口。操作请求的示例在图4中示出。
[0062] 设备ID被用来标识需要操作的功耗设备,这可以是唯一性的数字或字符串或数字和字符的组合,例如,用于洗碗机的“洗碗机101”、用于干衣机的“干衣机102”、用于洗衣机的“洗衣机103”,等等。设备ID可由电网110或功耗设备的制造商来分配。
[0063] 能耗简档是表示功耗设备在其操作时段期间要消耗多少能量的向量。例如,能耗简档可以采取以下形式:
[0064]
[0065] 能耗简档xi指示操作请求i占据δi个时段,且在操作时段中的任何时段中的能耗由xiτ表示,其中1≤τ≤δi。例如,xi1指示操作请求i的操作时段中的第一时段中的能耗。
[0066] 操作请求中的时间窗口指示功耗设备可在其间启动的时间
帧。时间窗口可由指示与操作请求i相关联的功耗设备的最早启动时间ei和最晚启动时间li的一对数字/字符串来表示,例如[上午8点,下午3点]。
[0067] 可从功耗设备126发送给智能电表120的可能的操作请求在图1中示出,其中功耗设备126的设备ID是“洗碗机126”,该设备的能耗简档是[2,2,1],且最早启动时间和最晚启动时间分别是0:00和23:00。
[0068] 图1中的任何两个实体之间的链路可以是物理链路或逻辑链路。链路也可以是一个或多个通信网络(图1中未示出)。这样的网络例如包括专用网络、公共网络、公共安全网络、有线网络、无线网络、局域网(LAN)、广域网(WAN)、以及上述的任何组合。具体而言,上述网络可以经由因特网(图1中未示出)相耦合。图1中实体之间的连接关系只是出于示例性的目的,并且可以存在其他形式的连接而不背离本发明的范围。通过链路发送的数据和指令可以经由任何适当的现有标准通信协议来发送,如TCP/IP、3GPP、3GPP2,等等。或者,数据和指令也可经由针对电网或智能电网特别设计的通信协议来发送,而不背离本发明的范围。
[0069] 现在将参考图3和图5a-5b来描述调度器121、131和141所实现的用于确定功耗设备的启动时间的概率分布的过程。
[0070] 在本发明的一实施例中,理想可转移负载(作为电网110的状态信息的一部分)从电网110或具有这样的信息的其他实体(图1中未示出)发送给智能电表120、130和140,所述发送是通过它们之间的链路。或者,智能电表120、130和140可以访问电网110或其他实体处的理想可转移负载。在另一实施例中,智能电表120、130和140不一定必须直接获得电网110的理想可转移负载;而是,它们可获得电网110的理想负载和不可转移负载并随后通过从理想负载减去不可转移负载来确定理想可转移负载。本领域技术人员将明白,存在又一些方式来在智能电表120、130和140处确定和获得理想可转移负载,而不背离本发明的范围。
[0071] 一旦电网110的理想可转移负载在智能电表120、130和140处可用,它们就将理想可转移负载分别发送给它们相关联的调度器121、131和141;或者,调度器121、131和141可从智能电表120、130和140访问理想可转移负载,如图3的步骤310所示。在这两个场景中,调度器121、131和141分别通过它们的通信端口124、134和144获得理想可转移负载。本领域技术人员将明白,存在又一些方式来在调度器121、131和141处获得理想可转移负载,而不背离本发明的范围。调度器121、131和141获得的理想可转移负载的示例性示图在图5a和5b中示出。
[0072] 如上所述,如果功耗设备(例如,功耗设备126)被编程成在特定时间窗口内操作,操作请求随后被发送给相关的智能电表,在发出请求的功耗设备是功耗设备126的情况下这是智能电表120。例如,用户决定在0:00和23:00之间使用他的洗碗机126清洗他的碟子,并且预期花费三个时段,其中每一时段例如是1小时。如果用于这一任务的洗碗机的能耗简档是[2,2,1],则图1中所示的操作请求A由洗碗机126生成并发送给智能电表120。在智能电表120处接收到操作请求A后,智能电表120将操作请求A发送给相关联的调度器121,并且调度器121通过其通信端口124接收操作请求A;或者,调度器121可以通过通信端口124从智能电表120访问操作请求A,如图3的步骤320所示。
[0073] 接着,调度器121从操作请求A提取330设备ID、能耗简档、以及时间窗口。
[0074] 在本发明中,电网110在时段t中的可转移、不可转移以及负载分别被定义为st、nt以及dt。电网110在时段t中的理想可转移负载和理想负载被定义为st*和dt*。因此,如上所述且在图2a-2b和图5a-5b中示出的,对于每一时段t,负载是可转移负载和不可转移负载的总和dt=st+nt且理想可转移负载是理想负载减去不可转移负载st*=dt*-nt。
[0075] 针对操作请求i的发出请求的功耗设备的启动时间的概率分布被定义为:
[0076]
[0077] 其中count(i,t)表示有多少具有与操作请求i相同的能耗简档的假设请求可被调度到在时段t中启动以达到理想可转移负载st*。因此,在本发明的这一示例中,count(i,t)被如下定义:
[0078]
[0079] sumcount(i)表示在给定时间窗口上有多少这样的操作请求可被调度。因此,sumcount(i)仅仅是所有时段ei≤t≤li上的count(i,t)的总和,
[0080]
[0081] 应当注意,存在不同的其他方式来定义count(i,t)和suncount(i)而不背离本发明的范围。
[0082] 在图3的步骤340,给定电网110的理想可转移负载如图5a所示,则count(A,t)根据式(3)如下定义:
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091]
[0092] ……
[0093]
[0094]
[0095]
[0096]
[0097]
[0098]
[0099]
[0100] 根据以上内容,通过根据式(4)对所有时段0≤t≤23上的count(A,t)相加来确定350sumcount(A),所以在该示例中,sumcount(A)=22.5。
[0101] 给定count(A,t)和sumcount(A),根据式(2)来确定针对操作请求A的功耗设备126的启动时间的概率分布360是容易的。例如, 这意味着在时段1:00-2:00中启动洗碗机126的概率是0.0889,且在时间段20:00-21:00中启动洗碗机126的概率是0.0444,以此类推。虽然在任何时段启动洗碗机126的概率是相对小的,但洗碗机126将总是在0:00和23:00之间的某一时段启动,因为所有时段0≤t≤23上的PA,t的总和是1,这保证用户所编程的任务的完成。
[0102] 使用在步骤360确定的启动时间的概率分布,调度器121以随机的方式在操作请求A
指定的时间窗口内确定洗碗机126的操作的启动时间370,例如上午8:00。随后,调度器121在上午8:00通过通信端口124将启动指令发送给380智能电表120以造成洗碗机126的启动。一旦智能电表120从调度器121接收到启动指令,智能电表120就向洗碗机126发送指令以使洗碗机126开始执行其任务。
[0103] 在另一实施例中,一旦调度器121根据启动时间的概率分布确定了启动时间(例如,上午8:00),包括启动时间的启动指令就可在上午8:00之前而非在上午8:00之时被发送给智能电表120。智能电表120将进而使得洗碗机126在到达启动时间时启动。
[0104] 在又一实施例中,智能电表120可以在从调度器121接收包括启动时间的启动指令后简单地将该启动指令转发给洗碗机126,并且洗碗机126可在到达启动时间时自动启动。
[0105] 以此方式,在这种情况下,调度器121、131和141可以间接控制在它们管理之下的所有功耗设备的操作。结果,电网110的可转移负载被保持在基本上理想可转移负载,以使电网110在最佳条件下操作。
[0106] 应当注意,在本发明中,调度器121、131和141不直接控制功耗设备的操作;而是,它们生成功耗设备的启动时间的概率分布,以间接造成功耗设备的启动。
[0107] 本领域技术人员将明白,可对在具体实施例中示出的本发明作出多种变型和/或
修改而不背离宽泛地描述的本发明的范围。
[0108] 例如,电网110的可变理想可转移负载可如图5b所示,且时间帧可以是[6,8]。在这种情况下,图1所示的操作请求B由洗碗机126生成。因此,count(B,t)根据式(3)如下确定:
[0109] count(B,6)=1
[0110] count(B,7)=0.5
[0111] count(B,8)=0.5
[0112] 则,在该示例中,sumcount(B)是2。给定count(B,t)和sumcount(B),针对操作请求B的洗碗机126的启动时间的概率分布被确定为对于所有其他时段,概率是0。
[0113] 例如,计算count(i,t)的另选方式是通过只使用请求i的能耗简档来曲线拟合理想可转移负载。所需的能耗简档的数量随后将与可被调度以在时段t中启动来达到理想可转移负载的假设请求的数量相对应,这是count(i,t)。为了使用请求i的能耗简档来曲线拟合理想可转移负载,需要以最小化在聚集这些能耗简档来达到的理想可转移负载和假设负载之间的方差为目的来解决最优化问题。
[0114] 还应注意,参考调度器121描述的功能不旨在被限于调度器处,这可分布在多个实体之间。例如,调度器121的功能可以分布在调度器121与智能电表120或EMS(图1中未示出)之间而不背离本发明的范围。或者,调度器121的功能可被集成到智能电表120或EMS(图1中未示出)。甚至,调度器121的功能可被分布在多个调度器之间或与其他调度器的功能集中在一起。
[0115] 应当注意,本公开的技术可以使用各种技术来实现。例如,本文描述的方法可通过驻留在合适的计算机可读介质上的一系列计算机可执行指令来实现。合适的计算机可读介质可包括易失性(例如,RAM)和/或非易失性(例如,ROM、盘)存储器、载波、以及传输介质。示例性载波可采取沿局域网或公共可访问网络(如因特网)传达数字数据流的电、电磁、或光
信号的形式。
[0116] 还应理解,除非明确指明,否则如从以下讨论显而易见的,可以明白,在全文中,利用诸如“控制”或“调度”或“获得”或“计算”或“存储”等术语的讨论,指的是计算机系统或类似
电子计算设备的动作和
进程,该计算机系统操纵在该计算机系统的寄存器和存储器内表示为物理(电子)量的数据并将其转换成在该计算机系统存储器或寄存器或其它这样的信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其它数据。