張 松,張伍勛,康玉杰,史江凌,張 運(yùn)

（1．國(guó)網(wǎng)北京市電力公司通州供電公司，北京 100032；2．國(guó)網(wǎng)（北京）綜合能源服務(wù)有限公司，北京 100032）

1 引言

電采暖設(shè)備因用戶習(xí)慣不同，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，大范圍的電、熱負(fù)荷會(huì)影響電采暖設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是，建筑電采暖設(shè)備室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)范圍的不同，將導(dǎo)致建筑熱能量供給不同。在滿足一定溫度條件下，電加熱負(fù)荷具有一定的功率和能量調(diào)節(jié)范圍，并且電加熱是可變的，這使得電加熱負(fù)荷在能源需求方面更具靈活性[1]。在聚集成簇的電熱負(fù)荷之后，其統(tǒng)一參與電力需求響應(yīng)的控制方式主要是分散控制和集中控制。采用分散控制，電采暖設(shè)備調(diào)度中心向集群內(nèi)的各電熱負(fù)荷集群發(fā)出調(diào)度指令，向集群內(nèi)的各電熱負(fù)荷集群發(fā)送調(diào)度控制信息。當(dāng)電暖器及各電暖器接收控制指令后，調(diào)整各電采暖設(shè)備的相關(guān)工作狀態(tài)，從而改變電采暖設(shè)備的工作功率，實(shí)現(xiàn)電采暖設(shè)備調(diào)度中心的調(diào)度方案。傳感器實(shí)時(shí)采集各集束電熱負(fù)荷相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，反饋給電力系統(tǒng)調(diào)度中心[2]。中央監(jiān)控雖然需要實(shí)時(shí)、保密、安全的信息傳輸，但只有建立專門的電力信息傳輸通道，才能在電網(wǎng)調(diào)度中心和電熱負(fù)荷之間傳輸，整體控制效率不高；集中控制是指每個(gè)家庭都配有智能控制裝置，能夠接收電力系統(tǒng)調(diào)度中心發(fā)出的調(diào)度指令，從而獲得電供熱負(fù)荷的初始設(shè)定溫度和供熱功率。根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)信息，形成控制指令。分布監(jiān)測(cè)不涉及電力系統(tǒng)調(diào)度中心和用戶之間雙向通信，它在一定程度上減輕了復(fù)雜度和不可靠度等問題影響。但由于分布式監(jiān)測(cè)與控制無反饋實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)的電力系統(tǒng)調(diào)度中心，使其無法提供精確實(shí)時(shí)控制能力，且易出現(xiàn)反應(yīng)能力不足或反應(yīng)過度等問題，導(dǎo)致整體控制效率低下。為此，對(duì)大規(guī)模電采暖設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)控和運(yùn)維保障技術(shù)進(jìn)行了研究與應(yīng)用。

2 大規(guī)模電采暖設(shè)備用電負(fù)荷優(yōu)化控制模型

針對(duì)大規(guī)模電采暖設(shè)備用電負(fù)荷控制的多目標(biāo)優(yōu)化模型，考慮了調(diào)峰要求，其目的功能是使電熱負(fù)荷在高峰時(shí)間達(dá)到最小，從而最大限度地滿足調(diào)峰要求。從實(shí)際運(yùn)行情況看，可集中控制的用戶容量很小，可以滿足部分調(diào)峰而忽略調(diào)峰總約束[3]。根據(jù)用戶峰值功率的限制、對(duì)用戶室溫舒適的限制、對(duì)用戶可控周期的限制限制等因素，構(gòu)建控制模型。

2.1 目標(biāo)模型

采用直接負(fù)荷控制方案的首要目標(biāo)是降低該地區(qū)實(shí)施最大電力負(fù)荷，在實(shí)際的電熱負(fù)荷控制中，由于其具有一定的削峰能力，因此可將其描述為一日高峰期最低電熱負(fù)荷，也就是t時(shí)段用戶總負(fù)荷Pt最?。?/p>

上述公式中：Pn，t表示電采暖的第n個(gè)用戶在t時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際負(fù)荷；P 表示空氣源熱泵額定功率；wn(t)表示電采暖的第n個(gè)空氣源熱泵在t時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行情況[4]。

2.2 約束條件

2.2.1 高峰功率限制

因?yàn)槟Ｐ驮O(shè)備初始工作負(fù)荷會(huì)受到設(shè)備額定功率的限制，可能會(huì)超過實(shí)際工作負(fù)荷峰值。為防止這些異?，F(xiàn)象發(fā)生，滿足大規(guī)模電采暖設(shè)備實(shí)際運(yùn)行需要，必須考慮到用戶設(shè)備的運(yùn)行約束[5-8]。也就是大規(guī)模電采暖設(shè)備在任何時(shí)間的運(yùn)行負(fù)荷都沒有超過歷史最高負(fù)荷：

公式(4)中，Pp表示電采暖設(shè)備每日實(shí)際運(yùn)行功率[9]。

2.2.2 溫度約束

公式(5)中，Tn(t)表示n個(gè)用戶使用電采暖實(shí)際房間內(nèi)溫度；表示房間內(nèi)適宜溫度。

空源熱泵的溫控模型是對(duì)空源熱泵運(yùn)行狀態(tài)描述，它需要考慮熱泵本身功率、環(huán)境溫度以及室內(nèi)熱力參數(shù)。以采樣周期作為時(shí)間間隔，對(duì)連續(xù)時(shí)間進(jìn)行離散化處理。氣源熱泵開關(guān)變換是在離散時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行的，引入了高斯白噪聲表示了室內(nèi)溫度受用戶活動(dòng)等隨機(jī)影響干擾。

2.2.3 使用者可控時(shí)間范圍

使用者在與代理商簽訂合同時(shí)提交受控期限，對(duì)于每一位使用者，機(jī)構(gòu)的最佳控制期限必須與使用者簽署的控制期限一致，即使用者的實(shí)際控制期限在其允許的范圍之內(nèi)。受控周期的限制見式(6)。

公式(6)中，tn表示電采暖用戶實(shí)際受控時(shí)段；Tpm表示電采暖用戶實(shí)際允許受控時(shí)段。

3 大規(guī)模電采暖監(jiān)測(cè)調(diào)控機(jī)制

電力和熱力負(fù)荷可以作為重要的需求響應(yīng)資源。在地理位置上，電熱負(fù)荷較多的地區(qū)在北方，而且比較分散。所以在參與需求響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)，必須采用一定方法來計(jì)算電熱負(fù)荷，這樣就避免了大規(guī)模電采暖設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)度中心分散電熱負(fù)荷量大，而無法及時(shí)處理現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電熱負(fù)荷資源合理配置，大規(guī)模電采暖監(jiān)測(cè)調(diào)控機(jī)制如圖1所示。

圖1 大規(guī)模電采暖監(jiān)測(cè)調(diào)控機(jī)制

4 大規(guī)模電采暖設(shè)備運(yùn)維保障技術(shù)

大規(guī)模電采暖設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)策略分為啟動(dòng)控制、溫度控制和周期懸掛控制。

(1)啟停控制

控制策略：通過電加熱裝置的開關(guān)直接操作電加熱負(fù)荷，這種方法在一定程度上減少了恢復(fù)過程中電熱負(fù)荷功率的大幅波動(dòng)，在電熱負(fù)荷啟動(dòng)控制中，決策變量為開關(guān)狀態(tài)。通過不同的目標(biāo)函數(shù)和相關(guān)約束條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種開關(guān)組合的最佳控制。

(2)溫度控制

對(duì)電采暖負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，即調(diào)整電采暖初始設(shè)定溫度，以滿足電采暖負(fù)荷中家庭電采暖溫度上下限最佳控制。這一控制策略一方面能有效地降低負(fù)荷波動(dòng)問題；在優(yōu)化電加熱負(fù)荷組溫度調(diào)節(jié)時(shí)，可以發(fā)揮其參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)節(jié)的巨大潛力。另外，通過調(diào)整室內(nèi)電加熱設(shè)定溫度，相應(yīng)地調(diào)整電加熱負(fù)荷，使操作更加方便，在合理控制和調(diào)整過程中，可達(dá)到人體熱舒適溫度要求。

(3)周期性暫?？刂?/p>

溫控范圍按電加熱的熱舒適性劃分用戶，因此電熱功率控制的周期暫停改變溫度的上下限，即按固定時(shí)間控制電熱負(fù)荷組。

集束電熱控制策略的制定應(yīng)考慮以下4個(gè)方面：

①實(shí)現(xiàn)削峰指標(biāo)；

③達(dá)到人體熱舒適溫度范圍；

③數(shù)量調(diào)節(jié)起動(dòng)和停止電熱應(yīng)盡可能少；

④集群后續(xù)功率調(diào)節(jié)對(duì)電網(wǎng)的影響較小，集群電熱負(fù)荷曲線盡可能滿足需求。

在明確電加熱負(fù)荷控制方法及其調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上，根據(jù)上節(jié)建立的參數(shù)均質(zhì)聚集模型，提出了基于大規(guī)模電采暖設(shè)備的運(yùn)維策略，如圖2所示。

圖2 基于大規(guī)模電采暖設(shè)備的運(yùn)維策略

如圖2所示，當(dāng)調(diào)整群集電熱負(fù)荷時(shí)，可根據(jù)電熱供暖功率和建筑物室內(nèi)溫度來估計(jì)群集電熱負(fù)荷的可調(diào)節(jié)電勢(shì)，根據(jù)電采暖設(shè)備調(diào)度中心的指令，確定某一時(shí)間段的調(diào)度目標(biāo)。當(dāng)設(shè)備接受到電加熱指令時(shí)，需通過改變加熱功率和室內(nèi)溫度設(shè)定值來調(diào)節(jié)自身負(fù)荷，滿足調(diào)度指令要求。將標(biāo)準(zhǔn)電加熱負(fù)荷更新室內(nèi)溫度和負(fù)荷信息返回給電網(wǎng)調(diào)度中心。

5 實(shí)測(cè)分析

為了驗(yàn)證大規(guī)模電采暖設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)控和運(yùn)維保障技術(shù)研究與應(yīng)用合理性，進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。

5.1 測(cè)試對(duì)象

測(cè)試對(duì)象是漢中市某住宅小區(qū)的一套住宅，室內(nèi)設(shè)有風(fēng)機(jī)盤管和地板輻射供暖。測(cè)試房間為主臥。房子在20 樓，屬于中層。本小區(qū)熱源采用地下熱泵系統(tǒng)，終端設(shè)備采用地源輻射和風(fēng)機(jī)盤管，通過雙端閥門相互切換，實(shí)現(xiàn)不同終端設(shè)備的加熱。

5.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.2.1 負(fù)荷變化

電熱負(fù)荷達(dá)到一定規(guī)模后，調(diào)節(jié)潛力很大。假定某地區(qū)電采暖負(fù)荷約為總負(fù)荷的2%，即1000個(gè)電采暖標(biāo)準(zhǔn)戶，對(duì)該地區(qū)電采暖需求響應(yīng)進(jìn)行了調(diào)節(jié)分析。通過對(duì)該區(qū)負(fù)荷特征分析，將以上群集控制策略與未實(shí)施群集電熱負(fù)荷需求響應(yīng)的群集控制策略進(jìn)行對(duì)比。表1顯示了選定用戶部分小時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)。

表1 部分用戶每小時(shí)負(fù)荷

由表1可知，從負(fù)荷逐時(shí)變化趨勢(shì)上來看，20時(shí)至次日9時(shí)為用戶用電低谷期，而9時(shí)至19時(shí)為用戶用電高峰期。18時(shí)和19時(shí)是一天中用電負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)間段，4時(shí)是一天中用電負(fù)荷達(dá)到最低的時(shí)間段。

5.2.2 溫度變化

最優(yōu)調(diào)度下用戶平均室溫變化曲線，如圖3所示。在室外平均溫度大于-7℃的情況下，臥室和起居室的溫度不能低于18℃，所以用戶的舒適溫度應(yīng)設(shè)在18℃以下，見圖3虛線區(qū)域。

圖3 受控用戶室內(nèi)溫度變化曲線

如圖3所示，用戶的平均室溫在18℃左右穩(wěn)定波動(dòng)，偏差不超過±1℃，較好地滿足了用戶的室溫要求，不會(huì)因負(fù)荷減少而引起室溫變化。波動(dòng)性較大，表明該方法能夠使電熱設(shè)備在集中控制下滿足用戶加熱要求。另外，高峰負(fù)荷期用戶的室溫波動(dòng)很大，說明在此期間，高峰負(fù)荷要求允許用戶控制時(shí)間增加，設(shè)備調(diào)度頻繁，但對(duì)整個(gè)房間的溫度要求仍有保障。

5.3 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

5.3.1 不同方法下負(fù)荷變化分析

分別采用分散控制、集中控制監(jiān)測(cè)調(diào)控方法與大規(guī)模電采暖設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)控方法分析時(shí)間為2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24時(shí)電熱負(fù)荷變化情況，結(jié)果如表2所示。

表2 不同時(shí)刻不同方法下負(fù)荷變化分析/MW

由表2可知，使用集中控制監(jiān)測(cè)調(diào)控方法要比分散控制監(jiān)測(cè)調(diào)控方法負(fù)荷變化更加精準(zhǔn)，尤其當(dāng)時(shí)間為4、18、24時(shí)，負(fù)荷變化與實(shí)際值一致，而當(dāng)時(shí)間為2、6、10、16時(shí)，負(fù)荷變化與實(shí)際值誤差為1MW。使用大規(guī)模電采暖設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)控方法負(fù)荷變化與實(shí)際值一致，誤差為0。

5.3.2 不同方法下溫度變化分析

分別采用分散控制、集中控制監(jiān)測(cè)調(diào)控方法與大規(guī)模電采暖設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)控方法分析時(shí)間為2、4、6、8、10、12、14、16、18、20時(shí)溫度變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同時(shí)刻不同方法下溫度變化分析

由圖4可知，使用分散控制監(jiān)測(cè)調(diào)控方法舒適溫度時(shí)段在7-15t時(shí)間段，最高室內(nèi)溫度為19．5℃，最低為16．1℃；使用集中控制監(jiān)測(cè)調(diào)控方法舒適溫度時(shí)段在10-19t 時(shí)間段，最高室內(nèi)溫度為18．8℃，最低為15．5℃；使用所研究方法舒適溫度時(shí)段在8-17t 時(shí)間段，最高室內(nèi)溫度為19．8℃，最低為17．5℃，與實(shí)際溫度變化情況一致。

6 結(jié)束語

電-熱負(fù)荷是一種良好的用戶端需求響應(yīng)資源，它實(shí)現(xiàn)了電熱負(fù)荷的可調(diào)性評(píng)價(jià)，通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢赃_(dá)到各種系統(tǒng)目標(biāo)，具有廣闊工程應(yīng)用前景?；谝陨戏治?，提出了大規(guī)模電采暖設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)控和運(yùn)維保障技術(shù)研究與應(yīng)用。設(shè)計(jì)空源熱泵供熱設(shè)備區(qū)域電供熱設(shè)備，參與調(diào)峰負(fù)荷的優(yōu)化控制策略，研究了基于電供熱負(fù)荷聚集的控制機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)策略?？刂菩宰罡叩挠脩裟軌颢@得最大的利潤(rùn)回報(bào)，從而激發(fā)用戶積極參與需求調(diào)峰響應(yīng)。

盡管使用該技術(shù)可以保證電加熱良好的控制效率，但仍存在一些問題。在研究供熱系統(tǒng)調(diào)制法時(shí)，只從質(zhì)量管理、熱泵主機(jī)調(diào)制法對(duì)供水溫度進(jìn)行了不同的室外溫度管理，而沒有對(duì)供水量、供水量、質(zhì)量進(jìn)行同一時(shí)間管理，因此，在今后研究進(jìn)程中，對(duì)這一內(nèi)容展開深入分析。