陳堅波（海信家電集團股份有限公司 佛山 528303； 海信（廣東）空調(diào)有限公司 江門 529000）

引言

目前，全球各地都或多或少地存在電力波峰波谷現(xiàn)象和短時電力短缺現(xiàn)象，給人們生活、工作和生產(chǎn)帶來問題。盡管美國和歐洲一些國家從本世紀(jì)初開始，到目前已逐步實現(xiàn)了通過智能電網(wǎng)的Open ADR[1-2]，即，智能電網(wǎng)的電力自動調(diào)配，改善了電網(wǎng)的運行情況。但無論如何調(diào)配，總存在一些突發(fā)事件或無法很好調(diào)配的事件，導(dǎo)致局部電力暫時性的短缺。這樣，就需要對電力短缺地方的一些用電客戶進(jìn)行電功率限制控制。

因家電的電力負(fù)載重要性地位較低，所以，常常被要求進(jìn)行功率限制控制。這樣就催生了功率能夠被智能電網(wǎng)限制控制的網(wǎng)絡(luò)智能家電。但是，全球范圍內(nèi)，功率能夠被智能電網(wǎng)限制控制的網(wǎng)絡(luò)智能家電才剛剛起步，許多技術(shù)問題和一些功率限制控制參數(shù)指標(biāo)需要我們共同探討確定，以利于該行業(yè)的健康發(fā)展。本文試圖探討這些參數(shù)和指標(biāo)，就是想起到拋磚引玉的功能。

1 功率限制

1.1 功率限制控制參數(shù)指標(biāo)

在智能電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)智能家電的功率限制控制的方法有多種，一般采用功率閉環(huán)的控制方法能夠較好地限制住家電的功率[3]。在這種功率限制控制中，由于是閉環(huán)控制，就存在與閉環(huán)控制的超調(diào)量、調(diào)整時間、振蕩等技術(shù)參數(shù)[4]，以及網(wǎng)絡(luò)智能控制相關(guān)聯(lián)的一些參數(shù)或技術(shù)要求。所以，需要對這些相關(guān)的參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行探討。

1.2 功率限制范圍的探討

對于智能電網(wǎng)來說，網(wǎng)絡(luò)智能家電的功率能夠無限地接近零功率是最好的，這樣，智能電網(wǎng)的功率限制和調(diào)配算法最簡單。但是，當(dāng)家電的電功率低于一定數(shù)值后，該家電的功能就不明顯了。例如，我們實驗發(fā)現(xiàn)，10 m2的房間，外面環(huán)境溫度為35 ℃、濕度80 %時，如果將1.5匹變頻空調(diào)的功率限制到額定功率的30 %，那么，房內(nèi)的溫度不能被空調(diào)降到25 ℃ 。但是，同樣條件下，將1.5匹變頻空調(diào)的功率限制到額定功率的50 %，是可以將房內(nèi)的溫度降到25 ℃。

所以，功率限制控制的范圍應(yīng)根據(jù)家電的特性、工作環(huán)境溫濕度、當(dāng)前的工作狀態(tài)來選擇功率的限制范圍。一般情況下，建議在50 %額定功率至額定功率這個范圍內(nèi)。

1.3 功率下降的調(diào)節(jié)時間

電網(wǎng)中的電功率不能大幅度地陡升，同樣，也不能大幅度地陡降，因為，功率急劇變化，不僅造成電網(wǎng)問題，也會導(dǎo)致用電器的問題。如公式1所示。

在公式1中，我們看到，功率的變化率dP/dt由電流變化率di/dt和電壓變化率du/dt構(gòu)成。di/dt的數(shù)值過高會產(chǎn)生高壓，擊穿電網(wǎng)設(shè)備和用電器的絕緣，造成電網(wǎng)設(shè)備和用電器的損壞。同樣，du/dt的數(shù)值過高會產(chǎn)生大電流，產(chǎn)生局部過熱，融化供電線路的絕緣物以及燒傷/燒毀導(dǎo)線、連接器等物品。所以，功率調(diào)整中，應(yīng)以一定的速率降低功率或升高功率。

但是，電網(wǎng)功率在超限時，只能允許較短的時間。例如，一般在1 min內(nèi)。這樣，電網(wǎng)就希望家電能盡快地實現(xiàn)降功率。

綜合上面情況，將家電降功率的調(diào)整時間ts規(guī)定在≤50 s是合理的，如圖1所示。圖1中，Pa是需要家電降低到的功率。

1.4 功率限制控制允許的偏差范圍

由于受網(wǎng)絡(luò)智能家電功率控制精度的限制和功率調(diào)整的過渡過程超調(diào)量的影響，功率限制控制中存在功率調(diào)節(jié)偏差。這個功率調(diào)節(jié)偏差我們稱之為功率偏差。

對于電網(wǎng)而言，這個功率偏差的大小并不太重要，但是對于家電而言，卻是重要的。因為過大的功率偏差，導(dǎo)致家電能力偏弱。

由于要求家電的功率檢測器件的精度一般小于等于2 %，所以，目前實現(xiàn)5倍檢測精度的功率偏差是容易實現(xiàn)的。因為，功率檢測精度小于等于2 %，那么，控制的靜態(tài)精度就會小于等于4 %。不論采用古典控制理論，還是現(xiàn)代控制理論以及智能控制理論[4-6]來校正，對于二階慣性環(huán)節(jié)來說，當(dāng)校正成阻尼系數(shù)ξ=0.7～0.8時，它的調(diào)整時間較短，并且超調(diào)量也小，也就是實現(xiàn)所謂的二階電子最佳調(diào)節(jié)系統(tǒng)。此時的超調(diào)量小于等于5 %。所以，功率控制偏差為Pa～0.9 Pa，如圖2所示。

1.5 功率限制控制中調(diào)節(jié)過程的振蕩次數(shù)限制

在功率限制控制中，如果產(chǎn)生調(diào)節(jié)振蕩，不僅會影響家電實現(xiàn)它的功能，也有可能會對電網(wǎng)產(chǎn)生危害。因為在智能電網(wǎng)中大面積、大數(shù)量地調(diào)節(jié)家電的功率，如果產(chǎn)生同頻功率振蕩的話，就會對電網(wǎng)產(chǎn)生危害。所以，不允許家電在功率限制控制中產(chǎn)生功率調(diào)節(jié)振蕩。但允許在Pa～0.9 Pa的范圍內(nèi)有一個過渡過程的波頭，如圖2所示，防止調(diào)節(jié)過程中功率的急劇變化。

1.6 功率限制控制中功率因數(shù)下降的限制

圖1 降低功率的調(diào)整時間

圖2 功率控制的偏差范圍

由于功率從額定值Pe向下調(diào)節(jié)時，許多家電的功率因數(shù)也往往下降，如圖3所示。

從圖3可見，有功功率雖然下降了，但因為功率因數(shù)cos?也下降了。有功功率P、視在功率S和功率因數(shù)cos?的關(guān)系如式2所示。

從式2可見，視在功率S不一定會下降。即使下降，也不會有較大的下降，如圖3所示。甚至某些家電還會造成視在功率升高。這樣的有功功率下調(diào)，對電網(wǎng)沒有起到應(yīng)有的作用。所以，有必要對功率限制控制中功率因數(shù)下降進(jìn)行限制。

由于大多數(shù)的家電功率下調(diào)到50 %的額定功率是合理的程度，所以，從額定功率下降到50 %額定功率時，家電的功率因數(shù)下降不應(yīng)大于10 %。盡管這個下降值為10 %是有點苛刻，但對于一個cos?= 0.95的家電來說，下降10 %后，就是cos?= 0.855了。所以，我們項目2017A050501056的英國方面也要求不能小于10 %。

2 智能電網(wǎng)與智能電器信息交互

2.1 智能電網(wǎng)與智能電器信息交互的安全性

由于智能電器會遭受網(wǎng)絡(luò)信息攻擊，出現(xiàn)錯誤的功率限制運行。同樣，智能電網(wǎng)也會遭受網(wǎng)絡(luò)信息攻擊，出現(xiàn)錯誤的功率限制運行。所以，智能電網(wǎng)與智能電器的信息交互必須采取安全措施，如加解密，而不能使用明碼信息交互。

圖3 家電的功率因數(shù)隨功率下調(diào)而下降的情況

由于家電采用的MCU基本上都是廉價、能力較弱的MCU，在家電實時控制中，MCU往往沒有什么較長的空余時間來處理復(fù)雜、計算量大的非對稱式加解密工作。所以，家電中目前不能采用復(fù)雜的非對稱式加解密工作。但是，可以進(jìn)行一定強度的對稱式加解密工作。當(dāng)然，此時的對稱式加解密秘鑰的安全就是一個十分重要的問題。

由于加解密只能探討方法，而無法進(jìn)行參數(shù)量化。所以，本小節(jié)無法給出具體的量化指標(biāo)。

2.2 智能電網(wǎng)與智能電器信息交互的容錯性

智能電網(wǎng)與智能電器交互的信息中，如果存在錯誤，必須識別出來，而不能錯誤運行。否則，將產(chǎn)生危害電網(wǎng)的不良后果。為了能有效地識別信息中的錯誤，需要采用較強糾錯能力的校驗方式[7-8]，這同樣涉及到家電MCU能力問題。所以，在網(wǎng)絡(luò)智能家電中，選擇合適的通信校驗方式和輔助配合方法，是十分重要的。

為此，在通信中，我們推薦使用CRC16及以上的通信幀校驗，而不使用任何形式的累加和校驗[7-8]。

3 結(jié)語

電網(wǎng)的智能化是未來全球的趨勢，現(xiàn)在有一定經(jīng)濟實力的國家都在進(jìn)行這方面的研究和實施。中國作為發(fā)展中國家的領(lǐng)頭羊，也開始了電網(wǎng)的智能化研究[2]。我們公司也有幸于2016年參與了中國國家電網(wǎng)智能化項目中的網(wǎng)絡(luò)智能家電功率限制控制產(chǎn)品研制項目。通過這個項目的研制，我們提出了上述參數(shù)和指標(biāo)，并實現(xiàn)和達(dá)到了這些參數(shù)和指標(biāo)。同年11月，我們通過中英合作項目，與英國蘭卡斯特大學(xué)一起進(jìn)行了英國和歐盟的智能電網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)智能家電功率限制控制研究。上述的參數(shù)和指標(biāo)，也被英國同行所接受，在項目中得以實施，并取得預(yù)期的結(jié)果。