Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕАЛИЗУЕМОГО КОМПЬЮТЕРОМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ МНОЖЕСТВА ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГОСЕТИ

Изобретение относится к реализуемому компьютером способу управления электрическим потреблением энергии множества потребителей энергии в электрической энергосети, а также к соответствующей энергосети и к применяемому в энергосети потребителю энергии.

В рамках распределения электрической энергии, предоставляемой поставщиком энергии, в энергосети следует избегать пиков нагрузки, которые при обстоятельствах могут привести к тому, что поставщик энергии не сможет более удовлетворить потребности в энергии потребителей энергии. Поэтому из уровня техники известны подходы, каким образом можно согласовать друг с другом предложение энергии поставщика энергии и потребность в энергии потребителей энергии. Обычно для этого применяются централизованные решения, при которых информация о потреблении энергии отдельных потребителей энергии собирается централизованно, и затем на основе этой информации соответствующим образом распределяется нагрузка. Эти способы имеют недостаток, состоящий в том, что, с одной стороны, необходимо передавать большое количество информации в центральный пункт и, с другой стороны, эта информация представляет заслуживающие доверия данные, которые позволяют сделать вывод о пользовательском режиме пользователей, применяющих соответствующие потребители энергии.

Поэтому задачей изобретения является создать реализуемый компьютером способ управления электрически потреблением энергии множества потребителей энергии в электрической энергосети, который обеспечивает возможность соответствующей координации энергопотребления потребителей по возможности с минимальным количеством данных.

Эта задача решается способом согласно п. 1 формулы изобретения или энергосетью согласно п. 18 формулы изобретения или потребителем энергии согласно п. 20 формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Соответствующий изобретению способ служит для компьютеризованного управления электрическим энергопотреблением множества потребителей энергии в электрической энергосети, причем потребители энергии представляют сетевые узлы децентрализованной коммуникационной сети из множества сетевых узлов. В этой коммуникационной сети потребители энергии могут осуществлять коммуникацию друг с другом. Децентрализованная коммуникационная сеть с отдельными потребителями энергии в качестве сетевых узлов может при этом быть реализована известными способами, например, на основе известных протоколов сети одноранговых узлов.

На этапе а) соответствующего изобретению способа сетевые узлы оценивают на основе обмена информацией с по меньшей мере одним другим сетевым узлом общее потребление энергии множества сетевых узлов. Согласно этапу b) соответствующий сетевой узел, потребность в энергии которого повышается на необходимое количество энергии, сравнивает оцененное им общее потребление энергии по отношению, включая требуемое количество энергии, с заданной общей потребностью в энергии множества сетевых узлов и инициирует затем получение требуемого количества энергии от поставщика энергии, если его оцененное общее потребление энергии, включая требуемое количество энергии, на по меньшей мере заданное пороговое значение меньше, чем заданная общая потребность в энергии. Описанные выше этапами а) и b) признаки способа представляют при этом не жесткую временную последовательность, в которой выполняются соответствующие признаки.

Соответствующий изобретению способ обеспечивает возможность простого согласования получения энергии отдельных потребителей энергии посредством децентрализованного обмена информацией между потребителями энергии, не требуя того, чтобы информация о потребности энергии отдельных потребителей собиралась в центральном пункте. Способ отличается, таким образом, с одной стороны, посредством экономности данных и, с другой стороны, защитой достойной доверия информации касательно потребности в энергии отдельных потребителей энергии. В соответствии с изобретением создается чисто децентрализованный подход к управлению потребностью в энергии на сторонах потребителей, чтобы тем самым согласовать общее потребление энергии с предусмотренной общей потребностью в энергии. Общая потребность в энергии при этом задается, например, посредством профиля нагрузки, который специфицирует временную характеристику общей энергии, предоставляемой в энергосети. Профиль нагрузки описывает, таким образом, емкость энергии, которую поставщик энергии может максимально предоставить к соответствующим моментам времени или хотел бы предоставить. За счет выбора подходящего заданного порового значения, например, в качестве процентного значения заданной общей потребности в энергии, при этом может гарантироваться, что общее потребление энергии всегда лежит ниже заданной общей потребности в энергии. При необходимости, заданное пороговое значение может устанавливаться в нуль, так что получение энергии всегда инициируется в том случае, когда оцененное сетевым узлом общее потребление энергии, включая необходимое количество энергии, меньше или равно заданной общей потребности в энергии.

В предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа соответствующий сетевой узел, в случае, когда его оцененное общее потребление энергии, включая требуемое количество энергии, не меньше на по меньшей мере заданное пороговое значение, чем заданная общая потребность в энергии, повторяет спустя заданный временной интервал этап b). Таким способом гарантируется, что сетевой узел требуемую ему дополнительную энергию может получить в более поздний момент времени. Длина заданного временного интервала в другом выполнении соответствующего изобретению способа после каждого повторения этапа b) удлиняется, например удваивается. Тем самым достигается равномерное распределение нагрузки на сетевых узлах, если большое количество сетевых узлов запрашивает энергию от поставщика энергии.

В другом выполнении соответствующего изобретению способа соответствующий узел после заданного числа повторений этапа b) более не участвует в способе. То есть соответствующий сетевой узел покидает децентрализованную сеть и может затем свою энергию иным способом приобрести у поставщика энергии или у другого поставщика, например, по повышенной цене. Таким способом гарантируется, что потребитель энергии не должен длительное время ожидать требуемое количество энергии.

В другом выполнении соответствующего изобретению способа соответствующий сетевой узел выбирает с заданными временными интервалами по меньшей мере один сетевой узел из некоторого количества известных ему сетевых узлов, чтобы на основе обмена информацией с по меньшей мере одним выбранным сетевым узлом оценить общее потребление энергии множества сетевых узлов. При этом предпочтительным образом достигается то, что оценка общего потребления энергии в каждом сетевом узле возможна наиболее актуальным образом.

В предпочтительном выполнении соответствующего изобретению способа обмен информацией на этапе а) осуществляется соответственно между заданным количеством сетевых узлов, причем это заданное количество в особенно предпочтительном варианте состоит из пары сетевых узлов. Предпочтительным образом при этом соответствующий сетевой узел из заданного количества передает оцененное им среднее потребление энергии отдельного сетевого узла в коммуникационной сети или параметр, из которого может быть выведено среднее потребление энергии, на другой сетевой узел из заданного количества. При этом среднее потребление энергии представляет собой среднее потребление энергии для каждого сетевого узла в сети. При этом соответствующий сетевой узел из заданного количества актуализирует свое оцененное среднее потребление энергии с учетом всех средних потреблений энергии сетевых узлов заданного количества и определяет из этого актуализированное оцененное общее потребление энергии множества сетевых узлов. Актуализированное среднее потребление энергии для соответствующих сетевых узлов заданного количества при этом предпочтительно является арифметическим средним значением средних потреблений энергии всех сетевых узлов заданного количества.

В другом варианте соответствующего изобретению способа соответствующий сетевой узел заданного количества передает оцененное им общее количество сетевых узлов в коммуникационной сети или параметр, из которого может быть выведено оцененное общее количество, на другой сетевой узел заданного количества, причем соответствующий сетевой узел заданного количества актуализирует свое оцененное общее количество с учетом всех общих количеств сетевых узлов заданного количества и затем на основе умножения оцененного им и актуализированного среднего потребления энергии на актуализированное общее количество актуализирует оцененное общее потребление энергии множества сетевых узлов. Тем самым способ подходящим образом может использоваться в децентрализованных сетях, в которых отдельные сетевые узлы не знают, как велико общее количество сетевых узлов в сети.

В предпочтительном варианте вышеописанного примера выполнения соответствующий сетевой узел заданного количества предает свое оцененное общее количество сетевых узлов или значение, обратное его оцененному общему количеству сетевых узлов, на другие сетевые узлы заданного количества, причем актуализированное общее количество сетевых узлов для соответствующего сетевого узла получается из обратного значения разделенной на заданное количество суммы обратных значений оцененных общих количеств всех сетевых узлов заданного количества. Таким способом достигается подходящее усреднение общего количества между сетевыми узлами заданного количества.

В другой форме выполнения соответствующего изобретению способа уменьшает затем соответствующий сетевой узел, если он сокращает свое потребление энергии у поставщика энергии на некоторое количество энергии, свое оцененное среднее потребление энергии на это количество энергии. Тем самым гарантируется, что также снижения потребления соответствующим образом учитываются при оценке среднего потребления энергии. Аналогичным образом, соответствующий сетевой узел, если он намеревается приобрести у поставщика энергии требуемое количество энергии, он повышает свое оцененное среднее потребление энергии на требуемое количество энергии.

Соответствующий изобретению способ может использоваться в любых типах энергосетей. В частности, отдельные представляющие соответствующие сетевые узлы потребители энергии являются, соответственно, блоком потребления энергии и/или группой блоков потребления энергии, например блоков потребления энергии домашнего хозяйства. Соответствующий изобретению способ пригоден, в частности, для распределения электрической энергии среди блоков потребления энергии, которые выполнены таким образом, что приобретение требуемого блоку потребления энергии количества энергии может откладываться без существенного отрицательного воздействия функции блока потребления энергии. Это имеет место, например, для установок кондиционирования воздуха или блоков потребления для приобретения электрической энергии для электрических транспортных средств.

Аналогично потребителям энергии, также поставщик энергии в соответствующем изобретению способе может быть выполнен любым образом. При этом речь может идти об одном или более производителей энергии или одном или более торговых посредников по энергии.

Наряду с вышеописанным способом изобретение также включает в себя энергетическую сеть с множеством потребителей энергии, причем потребители энергии представляют сетевые узлы децентрализованной коммуникационной сети из множества сетевых узлов, в которой потребители энергии могут осуществлять связь друг с другом. При этом сетевые узлы в энергосети выполнены таким образом, что вышеописанный способ или один или более вариантов этого способа могут выполняться в энергосети.

Изобретение относится, кроме того, к потребителю энергии, который выполнен таким образом, что он может функционировать как сетевой узел в вышеописанной децентрализованной коммуникационной сети и, таким образом, может выполнять соответствующие этапы соответствующего изобретению способа или одного или более вариантов этого способа.

Примеры выполнения изобретения далее описаны более детально со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - схематичное представление электрической энергосети, в которой выполняется вариант соответствующего изобретению способа и

Фиг. 2 - две диаграммы, которые сравнивают потребление энергии, управляемое с помощью соответствующего изобретению способа, с потреблением энергии без соответствующего изобретению способа.

Фиг. 1 показывает в схематичном представлении электрическую энергосеть, например, в форме так называемой интеллектуальной сети, в которой потребление энергии множества потребителей энергии управляется посредством формы выполнения соответствующего изобретению способа. Для реализации соответствующего изобретению управления потребители энергии соединены друг с другом в сеть через децентрализованную коммуникационную сеть и представляют в этом смысле сетевые узлы или одноранговые узлы коммуникационной сети. На фиг. 1 показана энергетическая сеть с всего восьмью потребителями Р1, Р2,…, РВ, которые являются соответствующими узлами в коммуникационной сети, причем существующие между отдельными сетевыми узлами коммуникационные соединения сети обозначены посредством сплошных линий между одноранговым узлами. Коммуникационная сеть при этом является ячеистой сетью, причем каждый одноранговый узел в сети знает определенное количество других одноранговых узлов. Однако соответствующему одноранговому узлу не известно полное количество восьми одноранговых узлов в коммуникационной сети. При этом представленная на фиг. 1 децентрализованная сеть может выполняться с помощью известного как таковой способа между одноранговыми узлами, например, на основе известного протокола Chord-Ring или других протоколов одноранговых узлов. Представленная энергосеть служит только для пояснения соответствующего изобретению способа. В реальных применениях сеть включает в себя по существу более восьми одноранговых узлов (например, 1000 и более одноранговых узлов).

Отдельные одноранговые узлы в предпочтительном варианте осуществления представляют отдельные интеллектуальные потребители тока, которые имеют соответствующее программное обеспечение или аппаратные средства, чтобы иметь возможность осуществлять связь в сети на основе соответствующего изобретению способа. При этом предпочтительным образом речь идет о потребителях тока, в которых получение электрической энергии может происходить также отложенным образом в некотором промежутке времени, не оказывая существенно влияния на функционирование потребителя тока. Примерами таких потребителей тока являются системы кондиционирования воздуха или блоки контроля для получения электрического тока для электрических транспортных средств. При этом соответствующие блоки контроля как интеллектуальные потребители тока могут быть интегрированы в электрическое транспортное средство или также в соответствующую зарядную станцию для зарядки электрического транспортного средства. При необходимости, также существует возможность того, что отдельные одноранговые узлы могут представлять собой объединение нескольких потребителей энергии, например, одноранговый узел может относиться ко всем или части приборов потребления энергии в частном домашнем хозяйстве или на предприятии.

В энергосети по фиг. 1 все одноранговые узлы получают свою электрическую энергию от поставщика ЕР энергии, причем, например, получение повышенного на значение Δх количества энергии одноранговым узлом Р1 показано сплошной стрелкой. Поставщик ЕР энергии может при этом быть выполнен различным образом. В частности, он может представлять собой оператора энергетической установки или оператора виртуальной энергетической установки, который совместно управляет множеством поставщиков энергии. Также поставщик ЕР энергии может быть реализован так называемым агрегатором, который агрегирует поставляемую энергию от нескольких поставщиков или производителей электроэнергии и выполняет координацию предоставления энергии в сеть.

При выполнении способа для распределения энергии в энергосети по фиг. 1 не существует центральной инстанции, которая собирает количества энергии, требуемые отдельными одноранговыми узлами, и, базируясь на этом, управляет распределением энергии одноранговым узлам. Напротив, отдельные одноранговые узлы регулируют между собой свое получение энергии. Одноранговый узел, который в рамках способа может получать необходимое ему количество энергии, запрашивает это количество энергии от поставщика ЕР энергии. При этом поставщику энергии не известно, каково действительное потребление энергии в отдельных потребителях энергии, и, кроме того, поставщик энергии не имеет возможности собирать и оценивать информацию статуса относительно потребления энергии отдельных одноранговых узлов. В особенности, в рамках способа никакая информация о потреблении энергии или режиме работы пользователей отдельных потребителей энергии не предается к поставщику энергии.

Описываемый ниже соответствующий изобретению способ опирается на способ, который в рамках распределения информации в компьютерных сетях известен под названием “gossiping” (болтовня). При этом пары одноранговых узлов обмениваются информацией друг с другом с некоторыми временными интервалами. В описанном здесь варианте каждый из одноранговых узлов Р1-Р8 спустя заданный временной интервал T_G выбирает случайным образом другой одноранговый узел из децентрализованной сети, с которой он обменивается соответствующей информацией. Обмен информацией на фиг. 1 показан в качестве примера для пары одноранговых узлов Р7 и Р8. Как поясняется ниже более подробно, каждый отдельный одноранговый узел оценивает актуальное для себя общее потребление энергии всеми одноранговыми узлами в сети на основе оцениваемого среднего потребления энергии и оцененного общего числа всех одноранговых узлов в сети. Это общее число не известно отдельным одноранговым узлам, так как не каждый одноранговый узел знает все одноранговые узлы в сети. На фиг. 1 оцененное одноранговым узлом Р7 общее потребление энергии обозначено ссылочной позицией ТЕ, его оцененное среднее потребление энергии - ссылочной позицией АЕ, а также его оцененное общее число одноранговых узлов - ссылочной позицией N. Аналогичным образом, оцененное одноранговым узлом Р8 общее потребление энергии обозначено ссылочной позицией ТЕ', его оцененное среднее потребление энергии - ссылочной позицией АЕ,' а также его оцененное общее число одноранговых узлов - ссылочной позицией N'.

В рамках коммуникации между обоими одноранговыми узлами Р7 и Р8 оцененное общее потребление энергии обоих одноранговых узлов актуализируется, причем для этого одноранговый узел Р7 оцененное им среднее потребление АЕ энергии посылает на узел Р8, который, в свою очередь, соответствующее оцененное им среднее потребление энергии АЕ' посылает одноранговому узлу Р7. Кроме того, одноранговый узел Р7 передает обратное значение его оцененного общего числа 1/N на одноранговый узел Р8, который, аналогично, передает свое оцененное обратное значение 1/N' на одноранговый узел Р7. На основе принятой в одноранговых узлах информации осуществляется тогда актуализация оцененного общего потребления энергии ТЕ или TE', как поясняется ниже более подробно.

В последующем описании поясняется в общем виде информационный обмен между одноранговым узлом Pi и одноранговым узлом Pj из множества одноранговых узлов в коммуникационной сети. При этом оцененное значение однорангового узла Pi относительно общего потребления, которое на фиг. 1 обозначено как ТЕ или ТЕ', теперь обозначается как . Кроме того, оцененное соответствующим одноранговым узлом Pi общее число одноранговых узлов, которое на фиг. 1 обозначено как N или N', теперь обозначается как . Кроме того, для среднего потребления энергии однорангового узла Pi, которое на фиг. 1 обозначено как АЕ или АЕ', теперь применяется переменная .

В рамках инициализации способа сначала некоторые одноранговые узлы, которые хотели бы получать энергию от поставщика ЕР энергии, регистрируются у поставщика энергии, при этом одноранговые узлы одновременно между собой с помощью соответствующего протокола устанавливают децентрализованную сеть. В рамках временной последовательности регистрации каждый одноранговый узел получает соответствующий индекс i, причем каждый из одноранговых узлов Pi инициализируется к моменту времени t инициализации со следующими значениями для среднего потребления энергии или обратного значения общего числа одноранговых узлов Pi:

(t)=0

В рамках Gossiping-процесса отдельные оцененные значения в соответствующем одноранговом узле Pi актуализируются с заданным временными интервалами T_G. При этом для актуализации соответствующий одноранговый узел Pi выбирает другой известный ему одноранговый узел коммуникационной сети, обозначенный далее как Pj. При этом одноранговый узел Pi посылает оцененные им значения и на другой одноранговый узел Pj. После приема этих значений одноранговый узел Pj посылает свои оцененные им значения и на другой одноранговый узел Pi. После приема этих значений одноранговый узел Pi посылает назад подтверждение, которым он квитирует, что прием значений был успешным. Затем в одноранговом узле Pi осуществляется актуализация среднего потребления энергии , а также общего числа одноранговых узлов в момент времени t+1. При этом актуализация среднего потребления энергии основывается на формировании среднего значения оцененных в одноранговых узлах Pi и Pj средних потреблений энергии и осуществляется следующим образом:

.

Актуализация общего количества одноранговых узлов в одноранговых узлах в момент времени t+1 осуществляется посредством соответствующего формирования среднего значения обратных значений оцененных в одноранговых узлах Pi и Pj общих количеств и выражается следующим образом:

.

На основе умножения актуализированного оцененного общего количества на актуализированное оцененное среднее потребление получается тогда для однорангового узла Pi новое оцененное значение общего потребления энергии в сети следующим образом:

.

После того как одноранговый узел Pj принимает от однорангового узла Pi вышеописанное подтверждение, он актуализирует свои переменные аналогичным образом, как одноранговый узел Pi, то есть для актуализированных переменных получаются следующие новые значения:

,

,

и

.

Для того чтобы теперь вышеописанное оцененное значение для общего потребления энергии подходящим образом учесть при получении энергии от поставщика ЕР энергии, в каждом из отдельных одноранговых узлов загружается заданная потребность энергии в форме профиля нагрузки, который для предварительно определенного промежутка времени отображает заданное общее потребление энергии одноранговых узлов в коммуникационной сети, например, для суток или более длинного или более короткого промежутка времени. Профиль нагрузки может, например, базироваться на временном прогнозе потребления энергии одноранговых узлов в сети. При необходимости, профиль нагрузки может также выбираться на основе подходящего задания, согласно которому поставщик энергии хотел бы проставлять энергию сети из одноранговых узлов. Профиль нагрузки далее обозначается как .

Одноранговый узел в сети, который дополнительно к своему текущему потреблению энергии хотел бы получить дополнительное количество энергии Δх от поставщика ЕР энергии, сравнивает сначала оцененное им текущее общее потребление энергии, включая дополнительное количество энергии, с текущим потреблением энергии согласно профилю нагрузки. Если сумма оцененного общего потребления и дополнительного количества энергии Δх меньше или равна потреблению энергии согласно профилю нагрузки, одноранговый узел инициирует получение дополнительного количества энергии Δх от поставщика энергии тем, что он свою нагрузку соответственно повышает. Кроме того, соответствующий одноранговый узел актуализирует оцененное среднее потребление энергии на новое значение, которое получается из текущего среднего потребления энергии, включая дополнительное количество энергии. Математически можно, таким образом, описать получение одноранговым узлом Pi дополнительного количества энергии Δх следующим образом:

Если

При этом x_i(t) означает текущее количество энергии, которое одноранговый узел Pi получает от поставщика энергии. Это значение актуализируется до x_i(t+1). В случае, если описанное выше условие не выполняется, т.е. если сумма оцененного общего потребления, включая дополнительное количество энергии, больше, чем профиль нагрузки, спустя предварительно определенный временной интервал T_R выполняется новая попытка получить дополнительное количество энергии. При этом в специальном варианте временные интервалы T_R после каждого безуспешного получения энергии увеличиваются, например удваиваются. При этом могут соответствующим образом учитываться пики нагрузки, при которых одновременно большое количество одноранговых узлов требуют большего количества энергии от поставщика ЕР энергии.

Для того чтобы в вышеописанном способе также учитывать уменьшение потребления энергии x_i(t), при таком снижении получение энергии у поставщика энергии соответственно сокращается, и, кроме того, оцененное значение среднего потребления энергии уменьшается. Это может быть математически описано с помощью следующего уравнения:

Как следует из приведенных выше выводов, с помощью соответствующего изобретению способа реализуется децентрализованное получение электрической энергии от поставщика энергии, не требуя, чтобы последний собирал данные потребления энергии отдельных одноранговых узлов. Вместо этого выполняется только обмен агрегированной информацией. Тем самым никакие заключения о режиме работы пользователя в отношении потребления энергии невозможны для поставщика энергии. Другое преимущество способа заключается в экономности данных.

Способ пригоден, в частности, для децентрализованного управления большим количеством потребителей энергии, например порядка величины нескольких тысяч потребителей. При этом не требуется, чтобы все функции быть реализованы в энергосети децентрализовано. Определенные функции, как, например, заключение договора и расчеты, могут также обрабатываться на центральном сервере. В соответствии с этим для вычислительно интенсивных и широкополосных задач контроля статуса получения энергии отдельными одноранговыми узлами применяется вышеописанный распределенный подход.

Изобретатели протестировали способ на основе моделирования, что представлено на диаграммах D1 и D2 на фиг. 2. При этом для множества временных шагов, которые отображены вдоль оси абсцисс t обеих диаграмм D1 и D2, случайным образом отдельными одноранговыми узлами предварительно определенные дополнительные количества энергии получаются от поставщика энергии или потребление энергии соответственно снижается, причем получаемая отсюда полная нагрузка L на диаграмме D1 отображена кривой С, а на диаграмме D2 - кривой С'. На диаграммах, кроме того, представлена кривая нагрузки LC, которая в рамках моделирования учитывалась посредством соответствующего изобретению способа. На диаграмме D1 нагрузка управлялась без применения соответствующего изобретению способа, в то время как на диаграмме D2 использовался соответствующий изобретению способ. Отчетливо видно, что на диаграмме D2 после фазы инициирования полная нагрузка очень хорошо согласуется с заданной нагрузочной кривой LC. В противоположность этому на диаграмме D1 происходят превышения или спадания ниже нагрузочной кривой LC. Чтобы, при необходимости, обеспечивать, что на диаграмме D2 ни в какой момент времени не происходит превышения нагрузочной кривой LC, в одном варианте соответствующего изобретению способа получение нагрузки может регулироваться таким образом, что получение дополнительного количества энергии допускается только тогда, когда оцененное общее потребление энергии, включая дополнительное количество энергии, на заданное положительное пороговое значение меньше, чем профиль нагрузки.