[發(fā)明專(zhuān)利]聚合大規(guī)模空調(diào)負(fù)荷的信息物理建模與控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910147401.2
• 申請(qǐng)日: 2019-02-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109934470B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-01-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張沛超;王永權(quán)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06Q10/06
• 分類(lèi)號(hào): G06Q10/06;G06Q50/06;F24F11/47;F24F11/80
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 應(yīng)小波

1.一種聚合大規(guī)模空調(diào)負(fù)荷的信息物理建模與控制方法，其特征在于，該方法包括：

在負(fù)荷層，將空調(diào)負(fù)荷視為信息物理系統(tǒng)CPS，提出了基于半馬爾科夫過(guò)程的空調(diào)負(fù)荷概率控制方法，能夠保證空調(diào)的閉鎖時(shí)間和保持集群狀態(tài)的多樣性；并利用混雜系統(tǒng)模型建立了空調(diào)負(fù)荷物理過(guò)程與控制過(guò)程的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)負(fù)荷的自治控制；

在聚合商層，基于市場(chǎng)均衡機(jī)制提出了將空調(diào)負(fù)荷聚合為虛擬調(diào)峰機(jī)組的協(xié)調(diào)控制方法，該方法能有效保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)隱私并顯著降低通信代價(jià)；同時(shí)，虛擬調(diào)峰機(jī)組能夠向調(diào)度提供類(lèi)似于常規(guī)機(jī)組的報(bào)價(jià)曲線(xiàn)和調(diào)節(jié)容量，從而參與電網(wǎng)層的優(yōu)化調(diào)度；

所述的混雜系統(tǒng)模型通過(guò)對(duì)CPS中連續(xù)的物理過(guò)程和離散的控制過(guò)程進(jìn)行聯(lián)立建模得到，具體為：

空調(diào)控制過(guò)程為離散過(guò)程，采用有限狀態(tài)機(jī)描述，提出了一種概率控制方法，引入u₀和u₁兩個(gè)遷移概率控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移，并設(shè)置閉鎖時(shí)間t_lock，其中t_lock包含關(guān)閉后閉鎖時(shí)間t_offlock和打開(kāi)后閉鎖時(shí)間t_onlock；

室內(nèi)溫度變化為連續(xù)的物理過(guò)程，用等效熱參數(shù)ETP模型表示，其二階表達(dá)式如下：

式中，T_a、T_t和T_o分別為室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)固體溫度和室外溫度；U_a為室內(nèi)外的等效阻抗；H_m為室內(nèi)空氣與固體間的等效阻抗；Q_a和Q_m分別為室內(nèi)氣體和固體傳熱量；Q_ac、Q_i和Q_s分別為空調(diào)傳熱量、室內(nèi)熱源傳熱量和太陽(yáng)輻射熱量；C_a和C_m分別為室內(nèi)空氣和固體的熱容；m(t)為空調(diào)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，m(t)＝1代表空調(diào)開(kāi)啟，m(t)＝0代表空調(diào)關(guān)閉；f₁,f₂為傳熱系數(shù)；

所述的控制過(guò)程的半馬爾科夫模型具體為：

1)在狀態(tài)空間上，當(dāng)系統(tǒng)離開(kāi)狀態(tài)m時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)n的概率為p_mn，滿(mǎn)足：

2)在下一個(gè)進(jìn)入的狀態(tài)為n的前提下，直到發(fā)生從m到n轉(zhuǎn)移的時(shí)間具有分布F_mn(t)，該分布為任意分布；

則處于狀態(tài)m的分布F_m(t)滿(mǎn)足：

狀態(tài)m的平均逗留時(shí)間為：

令m＝1,2,3,4分別表示ON，OFF，ONLOCK和OFFLOCK狀態(tài)，空調(diào)負(fù)荷的狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有單向性，則由式(2)可得：

p₁₄＝p₄₂＝p₂₃＝p₃₁＝1 (5)

設(shè)α_mn為從狀態(tài)m到狀態(tài)n的遷移率，當(dāng)半馬爾科夫過(guò)程的執(zhí)行周期Δt超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，則有：u₀≈α₁₄Δt,u₁≈α₂₃Δt，設(shè)狀態(tài)1,2的逗留時(shí)間滿(mǎn)足指數(shù)分布，即具有無(wú)記憶性，則F₁₄(t)和F₂₃(t)分別是參數(shù)為α₁₄和α₂₃的指數(shù)分布，即：

則由式(4)可得狀態(tài)1,2的平均逗留時(shí)間為：

而狀態(tài)3,4的逗留時(shí)間不服從指數(shù)分布，而是如下的確定值：

T₃＝t_onlock，T₄＝t_offlock (8)

如果半馬爾科夫鏈?zhǔn)遣豢杉s的，則經(jīng)過(guò)有限時(shí)間后，處于某狀態(tài)的概率收斂到與初始狀態(tài)無(wú)關(guān)的定值，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)概率；相對(duì)的，在收斂到穩(wěn)態(tài)概率之前的概率被稱(chēng)為暫態(tài)概率，根據(jù)半馬爾科夫鏈的性質(zhì)，各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率p_m為：

式中，π_m表示狀態(tài)m的平穩(wěn)分布，平穩(wěn)分布滿(mǎn)足：

將式(5)的結(jié)果代入式(10)可得：

π₁＝π₂＝π₃＝π₄＝0.25 (11)

代入式(9)即得到各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率為：

空調(diào)負(fù)荷處于各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率是遷移概率u₀和u₁的函數(shù)；

所述的物理過(guò)程的特征功率包括：

1)額定功率P_rate,ij

P_rate,ij為空調(diào)負(fù)荷集群i中空調(diào)j開(kāi)啟后的功率，它與式(1)中的空調(diào)傳熱量Q_a,i滿(mǎn)足如下關(guān)系：

Q_a,ij＝COP_ij×P_rate,ij (13)

式中，COP_ij為空調(diào)能效比；i＝1…M，j＝1…N_i，M為集群數(shù)量，N_i為集群i的空調(diào)數(shù)量；

2)穩(wěn)態(tài)期望功率P_exp,ij

對(duì)于采用ON/OFF控制的空調(diào)負(fù)荷，其某時(shí)刻的功率為離散隨機(jī)變量，根據(jù)離散隨機(jī)變量的期望值公式，該空調(diào)負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)期望功率為：

P_exp,ij是遷移概率u₀和u₁的函數(shù)，上式建立了空調(diào)混雜系統(tǒng)模型中物理過(guò)程和控制過(guò)程的聯(lián)系，其中p₁和p₃是由式(12)得到的ON和ONLOCK的穩(wěn)態(tài)概率；

則空調(diào)負(fù)荷集群i的總功率的期望值為：

通過(guò)控制各空調(diào)負(fù)荷的遷移概率，即可控制整個(gè)集群的功率，將P_exp,ij簡(jiǎn)稱(chēng)為空調(diào)負(fù)荷的期望功率，將P_exp,i簡(jiǎn)稱(chēng)為集群總功率；

3)基準(zhǔn)功率P_base,ij

P_base,ij定義為集群i中空調(diào)j在非控狀態(tài)下維持在設(shè)定溫度T_set,ij所需的期望功率，由式(1)求得基準(zhǔn)功率為：

其中COP_ij為空調(diào)能效比；U_a,ij為室內(nèi)外的等效熱阻；Q_m,ij為室內(nèi)固體傳熱量；T_o為室外溫度；

基準(zhǔn)功率受室外溫度影響，但由于室外溫度變化較慢，在一個(gè)控制周期內(nèi)，認(rèn)為基準(zhǔn)功率基本不變；

則集群i的基準(zhǔn)功率為：

空調(diào)負(fù)荷集群的靈活性是通過(guò)使集群總功率P_exp,i偏離基準(zhǔn)功率P_base,ij來(lái)達(dá)到的；

4)動(dòng)態(tài)功率P_d,ij

P_d,ij定義為在一個(gè)控制周期內(nèi)，使當(dāng)前室溫變化到指定溫度所需的期望功率，設(shè)空調(diào)在第k個(gè)周期以P_d,ij持續(xù)運(yùn)行一個(gè)控制周期，使室溫變化到溫度T_a,ij(k)，則由式(1)求得動(dòng)態(tài)功率為：

P_d,ij(k)＝A_1,ijT_a,ij(k)+B_1,ijT_a,ij(k-1)+C_1,ijT_r,ij(k-1)+D_1,ij(k) (18)

A_1,ij、B_1,ij、C_1,ij、D_1,ij(k)表示與室外溫度和空調(diào)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；T_a,ij(k)表示第k周期末的室內(nèi)氣體溫度、T_r,ij(k-1)表示第k-1周期末的室內(nèi)固體溫度；

若空調(diào)j允許的室溫范圍為[T_min,ij,T_max,ij]，最適溫度為T(mén)_set,ij，則動(dòng)態(tài)功率有如下特殊值：

1)當(dāng)指定溫度T_a,ij(k)＝T_min,ij，記所需的動(dòng)態(tài)功率為P_max0,ij；

2)當(dāng)指定溫度T_a,ij(k)＝T_max,ij，記所需的動(dòng)態(tài)功率為P_min0,ij；

3)當(dāng)指定溫度T_a,ij(k)＝T_set,ij，動(dòng)態(tài)功率為回到最適溫度所需的功率，記為P_set0,ij；

設(shè)置溫度“軟邊界”，即將溫度區(qū)間縮小為[T_min,ij+δ,T_max,ij-δ]，其中δ取為：

δ＝0.1×(T_max,ij-T_min,ij) (19)

為了對(duì)空調(diào)負(fù)荷實(shí)施聚合與反聚合，將所述的市場(chǎng)均衡機(jī)制應(yīng)用于集群的協(xié)調(diào)控制，令各空調(diào)根據(jù)各自的用電迫切性和靈活性構(gòu)造需求曲線(xiàn)d_ij(π)，該需求曲線(xiàn)具有單調(diào)減特性，包含三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：A(1,P_min,ij)，B(0,P_set,ij)和C(-1,P_max,ij)；其中，橫坐標(biāo)中的價(jià)格π僅代表控制信號(hào)，稱(chēng)之為虛擬價(jià)格，并將其范圍限制為[-1,1]；縱坐標(biāo)為動(dòng)態(tài)功率；由于按式(18)估計(jì)的動(dòng)態(tài)功率可能出現(xiàn)小于0或者大于額定功率的情況，所以需求曲線(xiàn)中的三個(gè)關(guān)鍵功率為：

P_min,ij表示考慮軟邊界后的最小動(dòng)態(tài)功率；P_set,ij表示考慮軟邊界后使室溫回到最適溫度的動(dòng)態(tài)功率；P_max,ij表示考慮軟邊界后的最大動(dòng)態(tài)功率；P_max0,ij表示未考慮軟邊界的最大動(dòng)態(tài)功率，其值由式(18)確定；P_min0,ij表示未考慮軟邊界的最小動(dòng)態(tài)功率，其值由式(18)確定；P_set0,ij表示未考慮軟邊界使室溫回到最適溫度的動(dòng)態(tài)功率，其值由式(18)確定；P_rate,ij表示空調(diào)負(fù)荷的額定功率；

空調(diào)在每個(gè)控制周期根據(jù)當(dāng)前狀況更新需求曲線(xiàn)；

當(dāng)準(zhǔn)備對(duì)空調(diào)集群解除控制之前，可預(yù)先發(fā)布虛擬價(jià)格為0的信號(hào)，根據(jù)需求曲線(xiàn)，各空調(diào)負(fù)荷的響應(yīng)功率為P_set,ij，即讓室溫回到設(shè)定溫度的期望功率，在這種方式下，各空調(diào)負(fù)荷將保持半馬爾科夫的概率控制方式運(yùn)行一段時(shí)間，使室溫接近設(shè)定溫度后再解除控制；

空調(diào)負(fù)荷本地控制具體為：

當(dāng)空調(diào)負(fù)荷接到虛擬價(jià)格后，根據(jù)需求曲線(xiàn)確定其響應(yīng)功率為則空調(diào)負(fù)荷需確定遷移概率u₀和u₁值，使期望功率滿(mǎn)足：

但僅由上式并不能唯一確定u₀和u₁，需要補(bǔ)充條件，當(dāng)集群中大量空調(diào)處于ON或OFF狀態(tài)的平均逗留時(shí)間超過(guò)設(shè)定高值或小于設(shè)定低值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致集群中滯留在某個(gè)狀態(tài)的空調(diào)數(shù)量過(guò)多，從而破壞多樣性，考慮到ON或OFF狀態(tài)的平均逗留時(shí)間取決于u₀和u₁，故為避免這種現(xiàn)象，形成如下補(bǔ)充條件，假設(shè)t_onlock＝t_offlock＝t_lock：

式中，函數(shù)Rand用于產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)，Δt表示半馬爾科夫過(guò)程的執(zhí)行間隔；

若)，此時(shí)打開(kāi)概率u₁較大而關(guān)閉概率u₀較小，防止因u₁過(guò)大而導(dǎo)致OFF狀態(tài)的平均逗留時(shí)間T₂過(guò)小，將式(7)帶入式(22)，可知T₂被限制于[t_lock/1.5,t_lock/0.5]區(qū)間，與閉鎖時(shí)間t_lock在同一數(shù)量級(jí)，u₁隨機(jī)產(chǎn)生，在由式(22)得到u₁后，再依式(21)解出u0，在求得u₀和u₁后，空調(diào)負(fù)荷即可按狀態(tài)機(jī)模型進(jìn)行本地控制；

利用所述的市場(chǎng)均衡機(jī)制對(duì)大規(guī)模空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，具體過(guò)程如下：

1)聚合過(guò)程，當(dāng)每個(gè)空調(diào)負(fù)荷形成需求曲線(xiàn)d_ij(π)后，聚合商i按照下式形成總需求曲線(xiàn)D_i(π)：

2)反聚合過(guò)程，聚合商i得到響應(yīng)功率按照下式求得虛擬價(jià)格：

聚合商將該虛擬價(jià)格廣播到集群內(nèi)，各空調(diào)負(fù)荷得到各自的響應(yīng)功率由于為市場(chǎng)均衡價(jià)格，因而在集群層面滿(mǎn)足了：

虛擬調(diào)峰機(jī)組的外部特性包括調(diào)峰功率、調(diào)峰容量和調(diào)峰費(fèi)用，其中調(diào)峰功率定義為虛擬機(jī)組響應(yīng)功率偏離基準(zhǔn)功率的值，僅考慮空調(diào)負(fù)荷在夏季用電高峰時(shí)削減負(fù)荷的場(chǎng)景，等效于常規(guī)機(jī)組增加出力，則虛擬機(jī)組i的調(diào)峰功率與響應(yīng)功率的關(guān)系為：

調(diào)峰容量定義為虛擬機(jī)組最大的調(diào)峰功率，可結(jié)合式(23)由下式計(jì)算：

式中，D_i(1)表示虛擬機(jī)組i的最小響應(yīng)功率；P_base,i為空調(diào)負(fù)荷i的基準(zhǔn)功率，其值由式(16)決定；

定義空調(diào)狀態(tài)SOA指標(biāo)，當(dāng)僅考慮夏季削減負(fù)荷場(chǎng)景時(shí)，SOA定義為：

則虛擬機(jī)組i的平均SOA表示為：

而為了衡量虛擬機(jī)組的調(diào)峰程度，定義調(diào)峰深度ΔP_ratio,i為：

令各虛擬機(jī)組通過(guò)報(bào)價(jià)的方式參與調(diào)峰調(diào)度，假設(shè)各虛擬機(jī)組按下式報(bào)價(jià)：

式中，λ_r為實(shí)時(shí)電價(jià)；a_i表示調(diào)峰深度補(bǔ)償系數(shù)；b_i表示舒適度補(bǔ)償系數(shù)，因ΔP_ratio,i和已標(biāo)幺化，易估計(jì)出上述報(bào)價(jià)的上限為(a_i+b_i)λ_r；

上式表明，虛擬機(jī)組在接下來(lái)的控制周期的調(diào)峰深度越大、當(dāng)前平均SOA越高，則報(bào)價(jià)越高；

則虛擬機(jī)組i的調(diào)峰費(fèi)用表示為：

F_i(ΔP_a,i)＝λ_c,iΔP_a,i (32)

調(diào)峰費(fèi)用為調(diào)峰功率的二次函數(shù)。