王麗翠

（天津城市職業(yè)學(xué)院，天津 300250）

0 引言

電力能源是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，它影響著人類的發(fā)展以及生存質(zhì)量。我國(guó)是一個(gè)電力消耗大國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，全國(guó)電力緊張局面也日益嚴(yán)峻。電力供應(yīng)的主要特點(diǎn)是：電網(wǎng)峰谷差不斷拉大、負(fù)荷率下降，且在負(fù)荷高峰時(shí)段最為嚴(yán)峻。通過削峰填谷的方式消化高峰負(fù)荷，可有效降低高峰時(shí)段的電力需求，緩解電力緊張的情況，同時(shí)使電力用戶和電力公司達(dá)到雙贏的局面[1]。

為了有效地實(shí)現(xiàn)削峰填谷，本文主要從電力需求側(cè)管理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)時(shí)電價(jià)的電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)模型，確定了科學(xué)的分時(shí)電價(jià)機(jī)制，從用戶用電經(jīng)濟(jì)性的角度來實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷的削峰填谷。

1 實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制的分析

實(shí)時(shí)電價(jià)就是把一天時(shí)間按照負(fù)荷曲線的高峰低谷劃分成峰、平、谷三種時(shí)段（或峰、谷兩種時(shí)段），并與之對(duì)應(yīng)著峰、平、谷三種電價(jià)（或峰、谷兩種電價(jià)），峰時(shí)段電價(jià)較高，稱為峰電價(jià)，谷時(shí)段電價(jià)較低，稱為谷電價(jià)[2]。在實(shí)時(shí)電價(jià)的機(jī)制下，電力用戶可以隨時(shí)檢測(cè)當(dāng)前電價(jià)，并根據(jù)電價(jià)和自身的經(jīng)濟(jì)狀況作出正確的應(yīng)對(duì)，調(diào)整家電的運(yùn)行狀況，在節(jié)省開支的前提下最大限度地利用電力資源[3]。實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制可以從用電經(jīng)濟(jì)性角度促使用戶主動(dòng)改變用電方式，盡量避峰用電，降低用戶用電費(fèi)用的同時(shí)達(dá)到削峰填谷、提高電力系統(tǒng)負(fù)荷率的效果，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

但為了能夠順利實(shí)施實(shí)時(shí)電價(jià)的機(jī)制，則需要建立電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)，使用戶通過智能終端根據(jù)目前的用電狀況控制家電的負(fù)荷。

2 電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)的模型

2.1 電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)的模型的原理

雖然在實(shí)時(shí)電價(jià)的機(jī)制下可以達(dá)到對(duì)負(fù)荷削峰填谷的效果，但是要用戶通過當(dāng)前的實(shí)時(shí)電價(jià)來決定目前家電的運(yùn)行情況是相當(dāng)復(fù)雜的過程，讓用戶來隨時(shí)隨地了解當(dāng)前電價(jià)并做出反應(yīng)也是不切實(shí)際的，因此，需要設(shè)計(jì)出一個(gè)智能終端系統(tǒng)，即電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前負(fù)荷的大小和當(dāng)前的電價(jià)，并與用戶設(shè)定的值相比較，根據(jù)結(jié)果自動(dòng)改變家電的運(yùn)行狀態(tài)，其模型如圖1所示，該圖的左邊顯示了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能[4]。

2.2 電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)模型的算法

電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)模型的算法主要是比較當(dāng)前電力公司提供的實(shí)時(shí)電價(jià)與用戶能夠接受的電價(jià)，根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)分配不同的用電方式，譬如電冰箱這類負(fù)載，因?yàn)樨?fù)載的最大特點(diǎn)是能夠儲(chǔ)能放能，研究的重點(diǎn)就是要利用負(fù)載的這個(gè)特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)電價(jià)下對(duì)負(fù)載進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，使其能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。就拿電冰箱作為一個(gè)范例，研究的出發(fā)點(diǎn)在于，根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)的情況以及當(dāng)時(shí)冰箱內(nèi)溫度的狀況，選擇是否要啟動(dòng)制冷。當(dāng)用電量在高峰時(shí)段時(shí)，實(shí)時(shí)電價(jià)價(jià)格較高時(shí)，如果冰箱內(nèi)溫度不是超過使用上限時(shí)，控制模塊選擇不啟動(dòng)壓縮機(jī)，不進(jìn)行制冷；如果溫度超過了使用上限，則選擇啟動(dòng)壓縮機(jī)，進(jìn)行適度制冷，使其達(dá)到使用溫度。當(dāng)用電負(fù)荷處于低谷階段時(shí)，如果冰箱內(nèi)溫度低于設(shè)定最低溫度時(shí)，選擇不啟動(dòng)壓縮機(jī)，適度停止制冷，否則，壓縮機(jī)將一直處于啟動(dòng)狀態(tài)。圖2就以冰箱為例畫出了該模型的算法框圖。

根據(jù)上面的框圖，很容易便可以得到如下的算法程序，并根據(jù)該程序?qū)崿F(xiàn)模型的軟件的設(shè)計(jì)。

main()

{

float setPmax，setPmin，setTmax，setTmin

∕*****setPmax參考電價(jià)最高值 ******∕∕

∕*****setPmin參考電價(jià)最低值 ******∕∕

∕*****setTmax 參考溫度最高值 ******∕∕

∕*****setTmin 參考溫度最低值 ******∕∕

float Lp，T

∕*****Lp實(shí)時(shí)電價(jià) ******∕∕

∕*****T實(shí)時(shí)溫度 ******∕∕

int com ∕*****壓縮機(jī)狀態(tài)，0關(guān)閉，1開啟

******∕∕

test()

{

∕***** 自檢 ******∕∕

}

receive_RTD()

{

∕***** 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收 給Lp，T******∕∕

}

if Lp＞setPmax

Then if T＞setTmax

set com=1 ∕***** 電機(jī)開啟 ******∕∕

Return

else

set com=0 ∕***** 電機(jī)關(guān)閉 ******∕∕

elseif Lp＜setPmin

Then if T＜setTmin

set com=0

return

else set com=1

return

圖2 算法框圖

else if T＞setTmax

set com=1

return

elsecom=0

return

}

3 負(fù)載在電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)下的應(yīng)用

3.1 電冰箱在電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)下的削峰填谷

我國(guó)是世界電冰箱消費(fèi)大國(guó)，家用冰箱的保有量上億臺(tái)，而冰箱全天處于工作狀態(tài)，屬于耗電量較大的電器。因此電冰箱在給我們的生活帶來便利的同時(shí)，也消耗了大量的電力資源，增加了電網(wǎng)高峰負(fù)荷，在電力供需矛盾比較突出的情況下，合理使用電冰箱，可以在一定程度上能起削峰填谷的作用，同時(shí)在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，用戶也可降低用電費(fèi)用。下面就以冰箱為例簡(jiǎn)要分析在電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)下冰箱的運(yùn)行方式[5-6]。

電冰箱的使用若要實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷，就要減少電冰箱在用電高峰時(shí)的工作時(shí)間，增加其用電低谷時(shí)的工作時(shí)間，因此在保證電冰箱低溫儲(chǔ)存食物功能的前提下可以通過以下方法：在用電低谷時(shí)適當(dāng)降低冰箱冷凍室和冷藏室的溫度，并在用電由谷轉(zhuǎn)為峰的時(shí)候，適當(dāng)提高冷凍室和冷藏室的溫度。此時(shí)冰箱內(nèi)儲(chǔ)存著一定的冷量，在開始峰時(shí)的一段時(shí)間之內(nèi)，電冰箱的壓縮機(jī)不會(huì)啟動(dòng)，從而也可在一定程度上達(dá)到削峰的目的[7-8]。

3.2 電冰箱在削峰填谷中應(yīng)用的分析

圖3為某一市某一天的日負(fù)荷擬合曲線圖，其中240 MW 是發(fā)電廠供應(yīng)電的最理想值，發(fā)電廠希望該城市的負(fù)荷盡量穩(wěn)定在240 MW，這只是一種理想狀態(tài)，實(shí)際上總負(fù)荷總是存在著一些波動(dòng)，因此電力公司便希望負(fù)荷的波動(dòng)能盡量減小，最好就在240 MW上下小小的浮動(dòng)，假設(shè)最理想的狀態(tài)為230 MW到250 MW之間，而不是負(fù)荷最低的時(shí)候才180 MW左右，最高時(shí)又達(dá)到了280 MW以上，上下波動(dòng)太大，不利于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)也給電力公司造成了一些麻煩。為了改善上述狀況，電力公司從用戶的角度出發(fā)，實(shí)行實(shí)時(shí)電價(jià)的電價(jià)機(jī)制，使得用戶從自身的經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，不再按照以往的習(xí)慣運(yùn)行家電，而是根據(jù)當(dāng)前電價(jià)改變家電的運(yùn)行狀況，從而對(duì)整個(gè)城市的總負(fù)荷起到一定的削峰填谷作用，使得該城市的負(fù)荷在240 MW上下小浮動(dòng)。

圖3 某城市的日負(fù)荷曲線

下面以電冰箱為例，簡(jiǎn)要分析電冰箱在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下削峰填谷的運(yùn)行狀態(tài)。

假設(shè)該冰箱的冷凍室溫度在-18～-14℃，根據(jù)上面對(duì)冰箱在削峰填谷中的運(yùn)行的概述可得：當(dāng)總的電負(fù)荷小于220 MW時(shí)，此時(shí)電力公司鼓勵(lì)用戶用電，在分時(shí)電價(jià)的機(jī)制下，電價(jià)較平時(shí)低，用戶從自身的經(jīng)濟(jì)條件出發(fā)，一般會(huì)選擇盡量在此時(shí)消耗電，就冰箱而言，比如把冷凍室的溫度設(shè)置的更低，將原先的-18～-14℃重新設(shè)置為-18～-16℃；然而當(dāng)總的電負(fù)荷大于240 MW時(shí)，此時(shí)電力公司希望用戶少用電，在分時(shí)電價(jià)的機(jī)制下，電價(jià)較平時(shí)高，用戶此時(shí)便會(huì)盡量避免消耗電，就冰箱而言，可采取的方式便可能是把冷凍室的溫度設(shè)置的比平時(shí)高，比如將原先的-18～-14℃重新設(shè)置為-16～-14℃。假設(shè)采樣時(shí)間為30 min，即每30分鐘檢測(cè)一次當(dāng)前負(fù)荷，并根據(jù)負(fù)荷的大小按上述方法設(shè)置冰箱的溫度區(qū)間，并且當(dāng)負(fù)荷小于220 MW時(shí)，冰箱將開啟壓縮機(jī)，即冰箱將一直處于制冷狀態(tài)，直到冰箱的冷凍室溫度小于-18℃，冰箱才會(huì)停止壓縮機(jī)，停止制冷，若當(dāng)冰箱的冷凍室的溫度上升到-16℃時(shí)，還沒有到下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，冰箱又會(huì)接著開啟壓縮機(jī)，重復(fù)循環(huán)上述工作直到下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)；而當(dāng)負(fù)荷大于240 MW時(shí)，冰箱將一直處于停止壓縮機(jī)的狀態(tài)，即不制冷，直到冰箱的冷凍室溫度大于-14℃，冰箱才會(huì)啟動(dòng)壓縮機(jī)開始制冷，若冰箱的冷凍室的溫度下降到-16℃時(shí)還未到下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，則冰箱又會(huì)停止壓縮機(jī)，停止制冷，開始處于不制冷的狀態(tài)，重復(fù)循環(huán)上述工作直到下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

如上文所分析的冰箱一樣，在電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)下，其他的家用電器也會(huì)根據(jù)用戶自身的情況在不同的時(shí)間段處于不同的運(yùn)行狀況，其運(yùn)行的基準(zhǔn)是當(dāng)前的電價(jià)而不再是用戶的習(xí)慣。取采樣時(shí)間為30 min，并且假設(shè)當(dāng)日負(fù)荷小于230 MW時(shí)，有9%的用戶將要響應(yīng)此時(shí)的電價(jià)（即有9%的負(fù)荷打開），當(dāng)日負(fù)荷大于250 MW時(shí)，有3%的用戶要響應(yīng)此時(shí)的電價(jià)（即有3%的負(fù)荷關(guān)閉），這個(gè)假設(shè)是根據(jù)是據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)城市的觀景燈負(fù)荷占整個(gè)城市負(fù)荷的1%到4%。根據(jù)上述假設(shè)便可得到圖4所描繪的新的負(fù)荷曲線圖。在圖4中，曲線1為原本的日負(fù)荷曲線，曲線2為基于電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)計(jì)算后的日負(fù)荷曲線，從該圖便能明顯地得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）日負(fù)荷的峰值從280 MW減少到了270 MW，日負(fù)荷的谷值從180 MW上升到了199 MW，該結(jié)果明顯地說明了通過電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷；

（2）通過電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)，日負(fù)荷大多數(shù)時(shí)間處于220 MW到250 MW之間，使得負(fù)荷曲線趨于穩(wěn)定，即使得整個(gè)電力系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，易于維護(hù)；

（3）因?yàn)橥ㄟ^電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)，有效地實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的削峰填谷，減小了負(fù)荷峰值，避免了通過增加機(jī)組來增加功率，即避免了設(shè)備和資源的浪費(fèi)；

（4）對(duì)于用戶而言，通過基于實(shí)時(shí)電價(jià)的電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)，減少了單位購電成本，對(duì)于發(fā)電廠而言，系統(tǒng)的穩(wěn)定使得發(fā)電設(shè)備更易維護(hù)，減少了發(fā)電成本，增加了盈利，對(duì)于電力公司而言，雖然有時(shí)侯電價(jià)偏低，但減少電價(jià)所得的虧損完全可以由多銷售的電力資源得到補(bǔ)償，同時(shí)還提高了傳輸設(shè)備的利用效率，減少了電力公司在電力資源傳輸上面的開銷，從而獲得更大的利潤(rùn)。

圖4 基于主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)的日負(fù)荷曲線

4 結(jié)論

為了更合理、更高效地利用電力資源，本文從用戶的角度出發(fā)，在實(shí)時(shí)電價(jià)的機(jī)制下，以快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)為載體，設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)時(shí)電價(jià)的電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)模型，該模型通過實(shí)時(shí)電價(jià)影響用戶的參與積極性，并簡(jiǎn)要敘述了電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)模型的算法，它主要是接收當(dāng)前的電價(jià)，并與用戶可以接受的電價(jià)相比較，利用通信技術(shù)和嵌入式模塊控制非必須用電設(shè)備（如蓄冷蓄熱空調(diào)、部分照明設(shè)備、生產(chǎn)線的某些可暫停工位等），從而在現(xiàn)有容量水平的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，最大程度利用容量，合理高效地利用能源。通過對(duì)某城市的日負(fù)荷仿真，可以發(fā)現(xiàn)，在電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)下，用戶為使用更多電量所付出的額外支出，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常水平；電力供應(yīng)企業(yè)銷售了更多的電力，增加了銷售額；電力生產(chǎn)企業(yè)則減少了為應(yīng)付尖峰負(fù)荷而增加的投入，以及電力波動(dòng)而增加的備用設(shè)備和啟停次數(shù)，同時(shí)也有效地利用了現(xiàn)有設(shè)備，增加了發(fā)電量。可見，該模型最終實(shí)現(xiàn)了電力用戶、電力公司、發(fā)電廠三贏的局面。

（1）對(duì)用戶而言，在電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)下，顯然能降低其單位負(fù)荷的成本，使得在耗電量增加的情況下購電成本依然有所降低。同時(shí)，也避免了社會(huì)資源的浪費(fèi)，在用電高峰期起到了一定削峰作用，避免了電力公司拉閘限電帶來的不便。但是，該模型在一定程度上也降低了生活或生產(chǎn)的舒適程度，電力用戶還是受益較大。

（2）對(duì)電力生產(chǎn)企業(yè)如發(fā)電廠而言，在電力系統(tǒng)主動(dòng)反饋網(wǎng)絡(luò)下，實(shí)現(xiàn)了削峰填谷的原理，使得發(fā)電設(shè)備大部分時(shí)間運(yùn)行于一個(gè)較穩(wěn)定的出力區(qū)間，因此負(fù)荷曲線更加平緩，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，設(shè)備更易維護(hù)，這本身就能降低其生產(chǎn)成本，而多生產(chǎn)的電力亦可帶來額外的營(yíng)業(yè)性收入，同時(shí)提高了現(xiàn)有設(shè)備的使用效率。

（3）對(duì)電力供應(yīng)商而言，通過制定分時(shí)電價(jià)這種合理的電價(jià)機(jī)制，雖然超負(fù)荷減少造成了一定收入的減少，但完全可以由多輸送的電力來彌補(bǔ)。該模型增加了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)可減少設(shè)備的維護(hù)量。