一種小微負(fù)荷智能監(jiān)測(cè)與聚合分析系統(tǒng)研究

王異成，羅華峰，馬駿超，陸承宇，張 寶，彭 琰

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)[1]建設(shè)的逐步推進(jìn)，在電力供給側(cè)，可再生能源接入電網(wǎng)的滲透率逐步提高。該現(xiàn)狀導(dǎo)致以火電為代表的傳統(tǒng)可調(diào)節(jié)資源不斷被壓縮，使得電力供給側(cè)保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的可調(diào)節(jié)性能顯著降低。負(fù)荷側(cè)靈活性資源具有調(diào)節(jié)靈活、容量充足、潛力巨大[2]等優(yōu)點(diǎn)。伴隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出及其行動(dòng)的推進(jìn)，需要在電力需求側(cè)有效挖掘系統(tǒng)的靈活性負(fù)荷資源[3]的調(diào)節(jié)潛力。

由于居民等常規(guī)負(fù)荷資源單個(gè)容量較小，數(shù)量眾多，時(shí)間、空間等分布隨機(jī)性較強(qiáng)，直接參與電力批發(fā)市場(chǎng)組織管理成本較高。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)引入小微負(fù)荷聚合商，使用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)居民小微負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)與功率實(shí)施非侵入式監(jiān)測(cè)、聚合與功率控制[4]，不僅可以提高對(duì)小微負(fù)荷的規(guī)?；刂颇芰Γ诰蜇?fù)荷側(cè)需求響應(yīng)潛力，顯著降低電網(wǎng)公司供電壓力，還能為終端用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益。

現(xiàn)有的負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有侵入式和非侵入式2 種。侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)需要為每一個(gè)電器裝配數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可詳細(xì)獲取電器的用電狀態(tài)、用電行為與用電能耗。此方法安裝與運(yùn)維復(fù)雜，成本極高，不利于大范圍改造和推廣[4]。而非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)只需在用戶戶外裝配數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)監(jiān)測(cè)用戶出口處的總電氣量，利用智能負(fù)荷辨識(shí)算法分解得到戶內(nèi)電器的用電行為與能耗[5]，其安裝與運(yùn)維簡(jiǎn)單，成本低廉。

已有的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)及實(shí)際應(yīng)用研究主要關(guān)注在對(duì)負(fù)荷及用電的智能感知與監(jiān)測(cè)上。文獻(xiàn)[6]提出了基于非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的用電節(jié)能系統(tǒng)，其手段為負(fù)荷監(jiān)測(cè)，目的為用電節(jié)能。文獻(xiàn)[7]同樣提出了一種非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其適用于海量用戶在網(wǎng)運(yùn)行，提高效率，減輕云端負(fù)荷。從上述文獻(xiàn)及社會(huì)生活現(xiàn)狀來(lái)看，其本質(zhì)上只打通了從負(fù)荷到電網(wǎng)的單向負(fù)荷感知通道，未做到對(duì)用戶負(fù)荷的細(xì)粒度評(píng)估與控制，無(wú)法在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上打通電網(wǎng)公司與用戶的精細(xì)化雙向友好互動(dòng)通道。為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)公司與用戶的精細(xì)化友好互動(dòng)，需要對(duì)現(xiàn)有高級(jí)量測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)與控制。

本文研究一種小微負(fù)荷智能監(jiān)測(cè)與聚合分析系統(tǒng)，提出了基于馬氏距離相似度匹配的小微負(fù)荷構(gòu)成非侵入式監(jiān)測(cè)方法，提出基于用戶舒適度指標(biāo)的小微負(fù)荷需求響應(yīng)能力分級(jí)聚合方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)小微負(fù)荷的智能監(jiān)測(cè)、聚合評(píng)估及分類控制。該系統(tǒng)能夠廣泛接入、管理和控制各種類型負(fù)荷終端，可與電網(wǎng)公司需求響應(yīng)平臺(tái)或電力調(diào)控平臺(tái)友好互動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)靈活資源的聚合和策略控制的需求提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從下至上主要由設(shè)備層、量測(cè)控制終端層、邊緣計(jì)算單元和負(fù)荷聚合云平臺(tái)層構(gòu)成[7]。設(shè)備層是最底層，由待監(jiān)測(cè)與控制的家用電器及電力線路組成，是監(jiān)測(cè)與控制的對(duì)象。量測(cè)控制終端層主要由智能斷路器、智能插座及溫度傳感器組成：前兩者除了常規(guī)功能外，還可以實(shí)時(shí)采集負(fù)荷辨識(shí)、聚合評(píng)估與控制所需數(shù)據(jù)；溫度傳感器主要采集用戶室溫?cái)?shù)據(jù)，為溫控負(fù)荷的控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。邊緣計(jì)算單元主要負(fù)責(zé)接收多路量測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行負(fù)荷分解與能耗分類計(jì)量，將當(dāng)前區(qū)域的聚合負(fù)荷構(gòu)成信息上傳至云計(jì)算平臺(tái)層；同時(shí)接收云計(jì)算平臺(tái)層下發(fā)的需求側(cè)響應(yīng)指令，在邊緣計(jì)算單元進(jìn)行調(diào)控計(jì)算，決策各家庭電器運(yùn)行狀態(tài)，并下發(fā)指令進(jìn)行負(fù)荷調(diào)控。負(fù)荷聚合云平臺(tái)層安裝有數(shù)據(jù)庫(kù)，接收位置不同的邊緣計(jì)算單元的聚合負(fù)荷構(gòu)成信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)能力的總體評(píng)估，參與電力市場(chǎng)并對(duì)中標(biāo)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)決策，計(jì)算并調(diào)整負(fù)荷辨識(shí)特征庫(kù)以及展示整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)等。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制采用“云-邊-端”三層協(xié)同管理框架[8]，系統(tǒng)為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。每一戶家庭的量測(cè)控制終端層配備一個(gè)智能斷路器和有限數(shù)量的智能插座，此為“端”；因數(shù)據(jù)采集與傳輸數(shù)據(jù)量巨大，因此在地理位置接近區(qū)域（如同一樓層或同一單元）部署一臺(tái)邊緣計(jì)算單元，單元下所有智能斷路器和智能插座連接至同一邊緣計(jì)算單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸計(jì)算的分布式架構(gòu)，此為“邊”；不同地域的所有邊緣計(jì)算平臺(tái)連接同一負(fù)荷聚合云平臺(tái)，此為“云”。同時(shí)，本系統(tǒng)配備可直接與聚合云平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連的用戶小程序，用戶可以通過(guò)小程序直接設(shè)置自己的設(shè)備主觀使用信息，并直接上傳到聚合云平臺(tái)。在本系統(tǒng)中，負(fù)荷分解與辨識(shí)、初級(jí)聚合評(píng)估由單一邊緣計(jì)算單元完成，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算分布式；負(fù)荷特征庫(kù)的計(jì)算與調(diào)整、全系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)能力的總體評(píng)估等由負(fù)荷聚合云平臺(tái)完成。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)海量用戶數(shù)的小微負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、減輕云端負(fù)載，還可以將分散的負(fù)荷側(cè)靈活資源整合起來(lái)，挖掘負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)潛力，提高對(duì)小微負(fù)荷的規(guī)?；刂颇芰?。

2 系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)

2.1 非侵入式負(fù)荷時(shí)空分解

2.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

首先由量測(cè)控制終端（包括智能斷路器和智能空氣開(kāi)關(guān)）實(shí)時(shí)采集電力線上數(shù)據(jù)，包括電流瞬時(shí)值i 和電壓瞬時(shí)值u，計(jì)算有功功率P、無(wú)功功率Q、電流諧波幅值I、相角φ 等特征值。

使用離散采樣采集連續(xù)的瞬態(tài)交流電壓電流，計(jì)算工頻周期有功、無(wú)功功率有效值。其中有功功率有效值[9]如式（1）所示：

式中：ur，ir為離散電壓電流序列，r 為采樣序列序號(hào)；m 為頻率；N 為每周期電壓電流采樣點(diǎn)數(shù)；n 為時(shí)間。

考慮到電壓和電流的瞬態(tài)波形為非正弦波形，無(wú)功功率有效值計(jì)算采用1927 年Budeanu提出的同頻率無(wú)功功率定義[10]，并在實(shí)際的無(wú)功功率的計(jì)算中使用移相90°的電壓序列與電流序列相乘，其無(wú)功功率有效值如式（2）所示：

電器中流過(guò)的電流使用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：

式中：i（t）為t 時(shí)刻總電流；I0和I1為電流的直流分量；Ik為電流的k 次諧波幅值；ω 為電流角頻率；θk為電流的k 次諧波相角。

電流諧波的相角采用快速傅里葉變換法計(jì)算。首先記錄每秒采集的電流樣本數(shù)量，然后使用以下快速傅里葉變換公式來(lái)計(jì)算電流諧波幅值與相角[4]：

式中：FFT 表示快速傅里葉變換運(yùn)算；Ns是參與本次FFT 運(yùn)算的電流序列中的樣本數(shù)量；i[∶]是參與本次FFT 運(yùn)算的電流序列；Fi[∶]是經(jīng)過(guò)FFT 運(yùn)算后維度為Ns的幅值結(jié)果；fi（k）為實(shí)際頻率結(jié)果序列；Ik是k 次電流諧波幅值。

2.1.2 事件監(jiān)測(cè)

當(dāng)用戶內(nèi)部電器發(fā)生啟?；蜻\(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，電器總有功功率會(huì)隨之發(fā)生變化，這種有功功率發(fā)生較大改變的行為稱為一個(gè)電器事件。通過(guò)監(jiān)測(cè)智能斷路器和智能插座來(lái)監(jiān)測(cè)居民電力線上是否發(fā)生有功功率的改變，從而判定是否有電器事件發(fā)生。

本文使用的智能斷路器電路結(jié)構(gòu)含有干路和M 條支路。其干路和支路總有功功率為：

式中：Pt為t 時(shí)刻智能斷路器干路總有功；Pt，i為t 時(shí)刻第i 條支路有功功率；Pt，i，j為第i 條支路下第j 個(gè)負(fù)荷的有功功率；Pe為測(cè)量誤差和未知負(fù)荷有功功率；g 為第i 條支路下的已知負(fù)荷數(shù)目。

本文采用基于滑動(dòng)窗的CUSUM 算法進(jìn)行事件監(jiān)測(cè)[11]。CUSUM 是一種變點(diǎn)檢測(cè)算法，其通過(guò)統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列均值的變化來(lái)檢測(cè)變點(diǎn)。其算法原理為：如果某一時(shí)間序列在某點(diǎn)開(kāi)始存在異常，序列的概率分布（整個(gè)序列的均值、方差等）會(huì)發(fā)生改變。CUSUM 算法優(yōu)勢(shì)在于對(duì)樣本數(shù)據(jù)信息加以累積，將過(guò)程的小偏移累積起來(lái)達(dá)到放大的效果，從而提高檢測(cè)過(guò)程中對(duì)小偏移的靈敏度。

2.1.3 特征提取

本文通過(guò)提取事件發(fā)生（即發(fā)生電器開(kāi)啟或關(guān)閉）區(qū)間負(fù)荷特征變化進(jìn)行后續(xù)負(fù)荷匹配工作，提取和計(jì)算的每秒數(shù)據(jù)體征量包括：有功功率有效值、無(wú)功功率有效值、電流各次諧波含量、電流沖擊系數(shù)等。

在智能斷路器中完成數(shù)據(jù)采集和處理后，在邊緣單元進(jìn)行特征提取。

把電器事件發(fā)生前后一段時(shí)間的有功功率有效值的平均值作差，得到有功功率和無(wú)功功率的特征變化量，如式（9）、式（10）所示：

電流諧波變化量計(jì)算方法與功率不同，其需要考慮電流諧波相角的變化，因此k 次電流諧波幅值變化[13]如式（11）所示：

式中：t1為負(fù)荷工作前時(shí)刻；t2為負(fù)荷工作后時(shí)刻；分別為t1和t2時(shí)刻k 次諧波電流幅值；分別為t1和t2時(shí)刻k 次諧波電流相角。

把電器投切時(shí)的最大周期電流有效值與電器達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電流有效值之比稱為電流沖擊系數(shù)，其計(jì)算公式如式（12）所示：

式中：max（i[∶]）代表以每周期電流有效值組成序列的最大值；i′代表小微負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電流有效值。

2.1.4 負(fù)荷匹配

如2.1.3 所述，使用每秒有功功率有效值、無(wú)功功率有效值、電流沖擊系數(shù)及各次電流諧波有效值描述電器特征，用向量表示為X=[ΔP，ΔQ，kp，ΔI2，ΔI3，…，ΔIm]，對(duì)于各類家用電器，其投切電器特征均服從均值為μ，協(xié)方差矩陣為D 的正態(tài)分布。收集用戶電器歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)后，對(duì)各類電器大量的投切樣本進(jìn)行分析，得到組數(shù)據(jù)，第n 組數(shù)據(jù)記為Xn。使用極大似然估計(jì)法求得模型總體分布，均值和協(xié)方差矩陣的極大似然估計(jì)值分別為：

本文采用相似度匹配方法進(jìn)行負(fù)荷匹配。選取指標(biāo)為馬哈拉諾比斯距離（以下簡(jiǎn)稱“馬氏距離”），其表示點(diǎn)與一個(gè)分布之間的距離，是一種有效的衡量樣本與負(fù)荷分布之間的相似度的方法。對(duì)于一個(gè)均值為μ，協(xié)方差矩陣為D 的分布，其任意一點(diǎn)的馬氏距離d 為：

在負(fù)荷匹配過(guò)程中，對(duì)于每一類電器，設(shè)定一置信邊界距離ds。當(dāng)樣本與該負(fù)荷分布中心的馬氏距離不大于置信邊界距離ds，則可以判定該樣本特征值代表此類電器投切特征值，否則排除此類電器可能。

2.2 小微負(fù)荷響應(yīng)能力分級(jí)聚合

2.2.1 小微負(fù)荷特性與響應(yīng)能力建模

居民家用負(fù)荷具有多樣性和差異性。不同家用負(fù)荷的物理特性及使用功能均不同。根據(jù)居民負(fù)荷的使用特性及響應(yīng)特征不同，將居民負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、可中斷負(fù)荷、可平移負(fù)荷、基礎(chǔ)負(fù)荷[13]。

1）可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。此類負(fù)荷一般在負(fù)荷工作周期內(nèi)消費(fèi)電能總量保持不變，負(fù)荷運(yùn)行時(shí)功率恒定或可變，可以在負(fù)荷使用期間中斷，其對(duì)時(shí)間敏感度較低，例如儲(chǔ)能（電動(dòng)汽車）、冰蓄能等。

假設(shè)該類負(fù)荷允許在t=a 之后開(kāi)始工作，并在不晚于t=b 完成用電任務(wù)，其運(yùn)行功率恒定為Pt，其用電總耗能為EI，則其用電特性建模[14]為：

式中：xt是可轉(zhuǎn)移負(fù)荷在t 時(shí)段開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為0-1變量，開(kāi)啟時(shí)為1，關(guān)斷時(shí)為0；Pt為t 時(shí)段負(fù)荷功率；tmax為最大調(diào)度時(shí)段數(shù)。

對(duì)于這4 類負(fù)荷，按照負(fù)荷在本時(shí)段是否可以參與響應(yīng)及最大可響應(yīng)功率容量為標(biāo)準(zhǔn)，定義可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷響應(yīng)能力函數(shù)為：

2）可中斷負(fù)荷。此類負(fù)荷可中斷，不可轉(zhuǎn)移，是否中斷會(huì)影響用戶舒適程度。一般居民小微負(fù)荷中可中斷負(fù)荷均為溫控負(fù)荷，如空調(diào)等。其調(diào)節(jié)方式一般為溫度調(diào)節(jié)和開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)混合進(jìn)行。

空調(diào)等效熱參數(shù)模型[15]為：

式中：Tt為t 時(shí)刻室內(nèi)溫度；Pair為空調(diào)機(jī)組的制冷制熱功率；ηair為空調(diào)能效比；Pt為空調(diào)運(yùn)行電功率；ε 為散熱函數(shù)（即室內(nèi)溫度改變的慣性系數(shù)）；A 為導(dǎo)熱系數(shù)；為t 時(shí)刻室外溫度；為0-1 變量，值為0 時(shí)代表空調(diào)關(guān)閉，值為1 時(shí)代表空調(diào)開(kāi)啟。

用戶會(huì)在某一溫度范圍內(nèi)感到舒適，空調(diào)溫度約束為：

空調(diào)等可中斷負(fù)荷的響應(yīng)能力函數(shù)為：

3）可平移負(fù)荷。該類負(fù)荷可平移，在使用過(guò)程中不可中斷，負(fù)荷的使用受工作流程和規(guī)定時(shí)間約束，例如洗衣機(jī)、微波爐等。

假設(shè)該類負(fù)荷允許在t=a 之后開(kāi)始工作，并在不晚于t=b 完成用電任務(wù)，其用電任務(wù)持續(xù)時(shí)間為L(zhǎng)1，運(yùn)行功率為Pt，運(yùn)行次數(shù)設(shè)定為m，則用電特性建模[14]為：

因其不可中斷運(yùn)行特性，可得用電特性約束為：

式中：xt是負(fù)荷在t 時(shí)段開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為0-1 變量，開(kāi)啟時(shí)為1，關(guān)斷時(shí)為0。

運(yùn)行次數(shù)約束為：

定義可平移類負(fù)荷響應(yīng)能力函數(shù)為：

4）基礎(chǔ)負(fù)荷。這類負(fù)荷是家庭生活必備的不可關(guān)閉電器，如果進(jìn)行調(diào)控會(huì)極大影響用戶舒適程度，一般不調(diào)控。

2.2.2 小微負(fù)荷響應(yīng)能力聚合

傳統(tǒng)的需求響應(yīng)不考慮參與負(fù)荷類型，對(duì)某區(qū)域負(fù)荷均統(tǒng)一調(diào)配，缺乏對(duì)小微負(fù)荷響應(yīng)能力細(xì)粒度評(píng)估，不能精細(xì)化調(diào)控。

對(duì)于一小微負(fù)荷聚合商，其管理范圍內(nèi)的小微負(fù)荷總需求響應(yīng)能力為某時(shí)段各用戶各類型負(fù)荷響應(yīng)能力綜合，即：

式中：N 為管轄范圍內(nèi)用戶數(shù)。

2.3 小微負(fù)荷響應(yīng)控制

2.3.1 小微負(fù)荷需求響應(yīng)控制模型

對(duì)于用戶來(lái)講，小微負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)與用戶使用意愿和用戶舒適度相關(guān)。本文對(duì)文獻(xiàn)[16]提出的用戶舒適度指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善，構(gòu)建用戶舒適度指標(biāo)來(lái)衡量用戶使用該家用電器的舒適程度。該指標(biāo)一方面可以表征用戶使用家電的舒適程度，另一方面也可以使用舒適度指標(biāo)為需求響應(yīng)控制做指導(dǎo)。

定義用戶舒適度指標(biāo)Kcom為：

由用戶舒適度指標(biāo)定義可知，負(fù)荷實(shí)時(shí)狀態(tài)偏離設(shè)定值越多，其用戶舒適度越小，表明其參與需求響應(yīng)意愿或優(yōu)先級(jí)越低。經(jīng)過(guò)標(biāo)幺化的用戶舒適度指標(biāo)可用于需求響應(yīng)控制優(yōu)先級(jí)作參考。

1）可轉(zhuǎn)移負(fù)荷用戶舒適度。

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷用戶舒適度與已消耗電能量和當(dāng)前時(shí)間有關(guān)，其指標(biāo)表示為：

式中：Kt中為t 時(shí)刻是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)標(biāo)志，其值為1 代表工作還在規(guī)定時(shí)間中，值為0 代表工作未完成，并且已經(jīng)超出規(guī)定時(shí)間；E1為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷已消費(fèi)電能。

2）可中斷負(fù)荷用戶舒適度。

溫控負(fù)荷等可中斷負(fù)荷的用戶舒適度與室內(nèi)溫度有關(guān)，其指標(biāo)表示為：

式中：Tmin與Tmax分別為用戶感覺(jué)舒適的最小與最大溫度；T 為當(dāng)前溫度。

（3）可平移負(fù)荷用戶舒適度

可平移負(fù)荷的用戶舒適度與在規(guī)定時(shí)間內(nèi)是否可以完成規(guī)定任務(wù)有關(guān)，其指標(biāo)表示為：

2.3.2 小微負(fù)荷需求響應(yīng)控制方案

為了進(jìn)行合理的小微負(fù)荷需求響應(yīng)控制，需要制定小微負(fù)荷聚合商的最優(yōu)控制策略。假設(shè)系統(tǒng)維持安全穩(wěn)定，小微負(fù)荷聚合商的調(diào)度與控制目標(biāo)制定為：在保證用戶舒適度水平不變或者盡量小幅減小的前提下，保證經(jīng)濟(jì)收益最高。小微負(fù)荷聚合商收入來(lái)源為：以管轄區(qū)域內(nèi)的居民用戶為整體來(lái)為電網(wǎng)公司需求側(cè)響應(yīng)提供服務(wù)，從而獲得資金收入；而小微負(fù)荷聚合商需從用戶一方獲得參與需求側(cè)響應(yīng)的負(fù)荷資源，因此需付出成本給用戶。

本文主要關(guān)注日內(nèi)小微負(fù)荷需求響應(yīng)控制策略，并且主要關(guān)注調(diào)峰服務(wù)。首先在各時(shí)段對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)可參與需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)聚合資源總量進(jìn)行評(píng)估，再對(duì)歷史成交電價(jià)進(jìn)行估計(jì)，參與投標(biāo)，獲得中標(biāo)價(jià)格和中標(biāo)響應(yīng)量后對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)的用戶資源進(jìn)行調(diào)度，使得付出成本最小，進(jìn)而收益最多。

獲得中標(biāo)響應(yīng)量Uc（t）后，小微型負(fù)荷聚合商分別考察該時(shí)段內(nèi)所有可轉(zhuǎn)移負(fù)荷響應(yīng)能力，所有可中斷負(fù)荷響應(yīng)能力，則需求側(cè)響應(yīng)有如下幾種情況：

1）Uc（t）≤，即中標(biāo)響應(yīng)量小于所有可轉(zhuǎn)移負(fù)荷響應(yīng)能力。此時(shí)，對(duì)所有參與需求側(cè)響應(yīng)用戶按照戶均可轉(zhuǎn)移負(fù)荷用戶舒適度平均值排序，由低至高參與需求側(cè)響應(yīng)；在處于響應(yīng)量邊界時(shí)，優(yōu)先響應(yīng)中標(biāo)響應(yīng)量較小者。

3）Uc（t）＞（U1（t）+U2（t）），即中標(biāo)響應(yīng)量大于所有可轉(zhuǎn)移和可中斷負(fù)荷響應(yīng)能力總和，因在日內(nèi)控制階段，可平移負(fù)荷無(wú)法執(zhí)行負(fù)荷關(guān)斷操作，因此，最大響應(yīng)能力仍為（U1（t）+U2（t））。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 系統(tǒng)部署

本系統(tǒng)在包含有30 間房間的某單位員工宿舍開(kāi)展部署和運(yùn)行測(cè)試。其中，每間房間量測(cè)控制終端層均安裝含有5 條支路和1 條干路的智能斷路器。每10 間房間配套1 臺(tái)邊緣計(jì)算單元。整個(gè)系統(tǒng)部署一套獨(dú)立開(kāi)發(fā)的負(fù)荷聚合云平臺(tái)。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

3.2.1 非侵入式負(fù)荷時(shí)空分解

本系統(tǒng)中，每戶房間均安裝以下5 種小微負(fù)荷，其特征信息如表1 所示。

表1 小微負(fù)荷特征庫(kù)信息

為驗(yàn)證本文提出方法的有效性和合理性，對(duì)小微負(fù)荷進(jìn)行投切實(shí)驗(yàn)，圖2 為各個(gè)小微負(fù)荷在開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程中測(cè)量到的有功功率和無(wú)功功率曲線。可以看出，有功功率和無(wú)功功率存在一定程度的波動(dòng)性，這給事件檢測(cè)和負(fù)荷匹配帶來(lái)一定困難。

圖2 系統(tǒng)小微負(fù)荷運(yùn)行功率曲線

對(duì)本文提出算法在本系統(tǒng)中進(jìn)行1 000 次測(cè)試，對(duì)每類電器各開(kāi)啟和關(guān)閉100 次，得到的事件檢測(cè)和負(fù)荷匹配結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯觯罕疚奶岢龅氖录z測(cè)方法對(duì)所有電器投切事件的檢測(cè)都很有效，且準(zhǔn)確率較高；本文提出的負(fù)荷匹配方法也有很高的辨識(shí)精度，但空調(diào)負(fù)荷匹配準(zhǔn)確率較其他電器偏低，經(jīng)分析是空調(diào)每次啟動(dòng)的特征較為分散導(dǎo)致的。

表2 事件檢測(cè)及負(fù)荷辨識(shí)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2.2 小微負(fù)荷響應(yīng)能力分級(jí)聚合

本系統(tǒng)中，通過(guò)非侵入式負(fù)荷時(shí)空分解后可知用戶各小微負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)的小微負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)的能力聚合和控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

小微負(fù)荷的運(yùn)行功率和負(fù)荷需求設(shè)定如表3所示?？紤]到算法測(cè)試需求，引入電動(dòng)汽車充電數(shù)據(jù)，虛擬接入系統(tǒng)中測(cè)試算法性能。

表3 小微負(fù)荷功率及需求信息

本系統(tǒng)采用杭州市負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)市場(chǎng)規(guī)則，在每天10:30，13:30，16:00，20:00 共計(jì)4個(gè)時(shí)段進(jìn)行小微負(fù)荷能力分級(jí)聚合。

選取本系統(tǒng)2021 年某一天的情況進(jìn)行計(jì)算，各類型小微負(fù)荷響應(yīng)能力如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)小微負(fù)荷響應(yīng)能力分級(jí)聚合

表4 為第一時(shí)段宿舍中各用戶小微負(fù)荷開(kāi)啟信息，展示了圖3 所示數(shù)據(jù)的計(jì)算流程，可顯示本系統(tǒng)負(fù)荷辨識(shí)和負(fù)荷能力分級(jí)聚合的細(xì)粒程度。

表4 第一時(shí)段小微負(fù)荷運(yùn)行信息

分析圖3 數(shù)據(jù)可以看出，晚間時(shí)段三類負(fù)荷的響應(yīng)能力都很高，這是由于該時(shí)段用戶都在家中使用電器，因此其可以參與需求側(cè)響應(yīng)。三類負(fù)荷橫向比較，可中斷負(fù)荷相比于其他兩類負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)能力較強(qiáng)，這是因?yàn)榭照{(diào)和熱水器均為可中斷負(fù)荷，其起到維持室溫和水溫的作用，即使白天用戶家庭沒(méi)有人時(shí)，也被允許工作。而白天用戶家庭無(wú)人時(shí)，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷（電動(dòng)汽車）和可平移負(fù)荷不在工作，因此其參與需求側(cè)響應(yīng)的能力較小。

選取2021 年連續(xù)一周每天晚間時(shí)段的小微負(fù)荷各類型負(fù)荷響應(yīng)能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其變化情況如圖4 所示。

分析圖4 數(shù)據(jù)可以看出，同樣是在晚間時(shí)段，三類負(fù)荷和總負(fù)荷在工作日和非工作日的需求側(cè)響應(yīng)能力有明顯差別。周末時(shí)段的小微負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)能力明顯弱于非工作日，這是因?yàn)橹苣r(shí)段很多用戶晚上在外活動(dòng)，很多小微負(fù)荷不開(kāi)啟使用，因此其需求側(cè)響應(yīng)能力較弱。

圖4 一周內(nèi)晚間時(shí)段小微負(fù)荷響應(yīng)能力分級(jí)聚合

同樣選取這一周同一時(shí)段，家庭總負(fù)荷及其需求側(cè)響應(yīng)能力曲線變化如圖5 所示。

圖5 一周內(nèi)晚間時(shí)段小微負(fù)荷水平與響應(yīng)能力

分析圖5 數(shù)據(jù)可以看出，因?yàn)橛脩魧?duì)自身舒適度的感受不同，因此并非所有負(fù)荷均可參與需求側(cè)響應(yīng)，用戶總負(fù)荷水平大于總響應(yīng)能力。

3.2.3 小微負(fù)荷響應(yīng)控制

為驗(yàn)證本文所提小微負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)控制策略在系統(tǒng)中運(yùn)行有效性，與3.2.2 節(jié)選取相同一周同一時(shí)段，假定相同中標(biāo)量，并分別設(shè)定中標(biāo)量為5～3.5 kW 計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)情況，不同中標(biāo)量對(duì)應(yīng)實(shí)際響應(yīng)情況如圖6 所示。

分析圖6 數(shù)據(jù)可以看出，因?yàn)榭善揭曝?fù)荷無(wú)法參與響應(yīng)，用戶在日內(nèi)可參與需求側(cè)響應(yīng)能力為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷響應(yīng)能力總水平，其小于理論上的總需求側(cè)響應(yīng)能力。通過(guò)分析圖6數(shù)據(jù)可知，當(dāng)中標(biāo)量不大于實(shí)際可響應(yīng)能力時(shí)，所有中標(biāo)量均可以消納；而當(dāng)中標(biāo)量大于實(shí)際可響應(yīng)能力時(shí)，不能完全消納中標(biāo)量，只有違約選擇。因此，小微負(fù)荷聚合商準(zhǔn)確評(píng)估自身管轄范圍內(nèi)小微負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)能力是必要的。

圖6 一周內(nèi)晚間時(shí)段小微負(fù)荷實(shí)際響應(yīng)能力與中標(biāo)量

4 結(jié)論

本文構(gòu)建一種小微負(fù)荷智能監(jiān)測(cè)與聚合分析系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)小微負(fù)荷進(jìn)行細(xì)粒度監(jiān)測(cè)與聚合控制。

1）考慮用戶功率、電流等特征差異，提出基于馬氏距離相似度匹配的小微負(fù)荷構(gòu)成非侵入式監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)數(shù)據(jù)處理、事件監(jiān)測(cè)、特征提取和負(fù)荷匹配等步驟實(shí)現(xiàn)小微負(fù)荷的細(xì)粒度監(jiān)測(cè)。

2）考慮小微負(fù)荷的物理特性和響應(yīng)原理存在差異，提出基于用戶舒適度指標(biāo)的小微負(fù)荷需求響應(yīng)能力分級(jí)聚合方法。通過(guò)分析各種不同類型的小微負(fù)荷在用戶舒適度指標(biāo)下的當(dāng)前負(fù)荷可用性及負(fù)荷功率，實(shí)現(xiàn)小微負(fù)荷響應(yīng)能力評(píng)估。

3）在本文所應(yīng)用的小微負(fù)荷智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中對(duì)所提方法進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠完成預(yù)定各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)管轄區(qū)域內(nèi)小微負(fù)荷的監(jiān)測(cè)、需求響應(yīng)能力評(píng)估及負(fù)荷調(diào)控。

本研究為后續(xù)更深層次研究提供了測(cè)試平臺(tái)，為打通電網(wǎng)與負(fù)荷友好互動(dòng)通道做出有益實(shí)踐，打好了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在后續(xù)研究中，可以考慮更復(fù)雜的小微負(fù)荷響應(yīng)能力指標(biāo)，通過(guò)提供多類型、多時(shí)段的需求響應(yīng)服務(wù)，研究更好的控制手段；也可以在商業(yè)模式上進(jìn)行理論創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)對(duì)小微負(fù)荷智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的更深層次利用。