侯澤東,王曉園,朱 洪,菅東祥,郭 偉,謝文成,段德毅

(國網(wǎng)新疆電力有限公司吐魯番供電公司,新疆 吐魯番 838000)

0 引 言

散煤燃燒是造成大氣污染的重要原因之一, 每年燃煤鍋爐和北方農(nóng)村燒煤取暖需要消耗大量煤炭,對環(huán)境產(chǎn)生了較大危害,而電能具有清潔、安全、便捷等優(yōu)勢,實(shí)施電能替代是有效防治大氣污染的重要舉措之一。2020年9月22日,中國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布:“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2023年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！?能源與電力領(lǐng)域一直是國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域和主戰(zhàn)場。2021年,吐魯番市開始進(jìn)行31萬居民供電設(shè)施改造以及365條10 kV線路“煤改電”(二期)配套電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)?？紤]到“煤改電”的負(fù)荷增長速率過快、負(fù)荷壓力高、溫度晝夜變動(dòng)大且主要集中在冬季供暖壓力高峰期的特點(diǎn),加上客戶用電供暖壓力長期、短期大幅增長,給電力的承載能力和用電調(diào)控水平帶來了一定難度。

統(tǒng)計(jì)吐魯番電網(wǎng)2022年“迎峰度冬”期間配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測異常數(shù)據(jù),冬季保暖保供電期間10 kV線路監(jiān)測異常11條,均因夜間“煤改電”負(fù)荷突增造成重載運(yùn)行;配電變壓器監(jiān)測異常共計(jì)1842臺(tái),因“煤改電”負(fù)荷突增造成配電變壓器運(yùn)行異常1422臺(tái)(配電變壓器重載986臺(tái)、配電變壓器過載436臺(tái)),占保電期間變壓器異常運(yùn)行的77.20%。顯然,電供暖負(fù)荷突增造成配電變壓器重過載運(yùn)行在配電變壓器異常設(shè)備監(jiān)測中所占比例較高,降低了供電可靠性。

由于“煤改電”供暖設(shè)備安裝相對集中,往往處于配電網(wǎng)末端的臺(tái)區(qū),因此大規(guī)?！懊焊碾姟惫┡O(shè)備的投入對本身薄弱的配電網(wǎng)造成較大的負(fù)荷負(fù)擔(dān)。高峰時(shí)期用戶使用電供暖設(shè)備數(shù)量持續(xù)增加、使用時(shí)長逐漸延長,造成局部臺(tái)區(qū)、線路重載、過載,容易引發(fā)電網(wǎng)故障,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)也降低了用戶的用能體驗(yàn)。而短時(shí)間內(nèi)要提升網(wǎng)架的供電能力存在一定的困難,因此考慮保供熱時(shí)伸縮性的特征,以配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行作為切入點(diǎn),從調(diào)度運(yùn)行控制的角度出發(fā),在不影響用戶供暖舒適度的前提下,對“煤改電”用戶的用能進(jìn)行有序控制,保證電力用戶的采暖需求。

1 “煤改電”典型負(fù)荷及其運(yùn)行機(jī)理

1.1 “煤改電”標(biāo)準(zhǔn)化模式

電供暖設(shè)備按接入電網(wǎng)模式的不同分為集中式供暖和分散式供暖,其中:分散式電供暖設(shè)備電熱轉(zhuǎn)換率高,電能直接在終端轉(zhuǎn)換為熱能,沒有熱能輸配熱損損失,節(jié)能效果好;集中供暖方式需要設(shè)置熱水管道系統(tǒng),向終端熱用戶輸送熱量,因而存在管網(wǎng)熱損耗和循環(huán)水泵能耗。按照產(chǎn)生熱的原理分為電熱式和電驅(qū)動(dòng)熱泵式;按照有無蓄熱裝置,電熱式又分為直熱式和蓄熱式。相關(guān)產(chǎn)品分類見表1。

表1 電供暖產(chǎn)品及分類

1.2 典型電供暖設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理

1.2.1 直熱類(熱泵類)設(shè)備運(yùn)行機(jī)理模型

基于電供熱裝置和建筑系統(tǒng)中良好的熱儲(chǔ)能特點(diǎn),直熱類(熱泵類)產(chǎn)品的電功率由房間、室外環(huán)境共同確定,因此,在對直熱類、熱泵類電供熱裝置進(jìn)行機(jī)理特性建模中,往往采用能量守恒原理建模房間和環(huán)境之間的能量轉(zhuǎn)換情況,從而尋求系統(tǒng)的電-溫特性關(guān)聯(lián)[1]。目前一般為基于電路仿真的等效熱參數(shù)(equivalent thermal parameters,ETP)模型以及基于系統(tǒng)冷熱負(fù)載平衡的建模,而目前則大多使用ETP模型的二階微分形式,來表述對“煤改電”負(fù)荷的暫態(tài)熱平衡關(guān)系,如圖1所示為直熱類、熱泵類溫控負(fù)荷-建筑系統(tǒng)中的ETP模型。

圖1 直熱類(熱泵類)設(shè)備ETP模型

圖1中:Ca為空氣比熱容,J/℃;P為直熱類(熱泵類)裝置的總供熱能量,kW;Tout為戶外溫度,℃;Tin為室內(nèi)溫度,℃;Tm為室內(nèi)固體溫度,℃;R1、R2分別為室內(nèi)空氣熱阻和室內(nèi)固體熱阻。

根據(jù)圖1所示模型,其狀態(tài)空間方程可表述為:

(1)

(2)

(3)

基于式(1)—式(3)的ETP模型,直熱類(熱泵類)在工作過程中可進(jìn)一步簡化,得到電供暖設(shè)備功率與室溫的關(guān)系為:

(4)

(5)

通常將式(5)簡寫為

(6)

式中,R為等效熱阻。

實(shí)際計(jì)算時(shí)將式(4)、式(6)表述為

(7)

式中:st,i為第i臺(tái)電供暖設(shè)備在t時(shí)刻的啟停狀態(tài);m為裝設(shè)的電供暖設(shè)備數(shù)量;Pi為第i臺(tái)電供暖設(shè)備的熱功率。

在電供暖設(shè)備開啟、關(guān)閉過程中,室內(nèi)溫度變化量為

(8)

室內(nèi)溫度的遞推函數(shù)關(guān)系為

(9)

顯然,電供暖負(fù)荷對室內(nèi)溫度的變化作用,不僅與電供暖設(shè)備的啟停狀態(tài)有關(guān),還與此刻室內(nèi)的溫度有關(guān)。

1.2.2 蓄熱類電供暖設(shè)備運(yùn)行機(jī)理模型

蓄熱式電供暖設(shè)備有直熱式電供暖裝置和蓄熱裝置兩部分組成,其中蓄熱裝置作為主要儲(chǔ)能部件,能夠靈活切換供暖運(yùn)行方式,在電網(wǎng)低谷時(shí)段用戶熱量需求使用直接式電供暖設(shè)備供暖;同時(shí)將一部分熱能量儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件,在電網(wǎng)高峰時(shí)段使用蓄熱裝置釋放熱能量來平衡直熱式供熱量與用戶熱量需求,在不影響用戶熱舒適的情況下同時(shí)參與電力削峰填谷。

1)蓄熱裝置蓄熱與釋放

①蓄熱裝置蓄釋熱量約束

EHS(T+1)=EHS(T)(1-σHS)-

(10)

IHS.C(T)+IHS.D(T)∈(0,1)

(11)

EHS min≤EHS(T+1)≤EHS max

(12)

式中:σHS為蓄熱裝置的熱量耗散率;EHS(T)為蓄熱裝置在T時(shí)刻的蓄熱量;EHS max與EHS min分別為蓄熱裝置的蓄熱量上、下限;IHS.C為蓄熱裝置的蓄熱狀態(tài)變量;ηHS.C為蓄熱裝置的蓄熱能效率;IHS.D為蓄熱裝置的散熱狀態(tài)變量;ηHS.D為蓄熱裝置的散熱效率。

②蓄熱裝置蓄釋熱功率約束

(13)

式中:PHS.C min和PHS.C max分別為蓄熱裝置的最小、最大蓄熱輸出功率;PHS.D min和PHS.D max分別為蓄熱裝置的最小、最大散熱能量輸出功率。

2 可控制“煤改電”負(fù)荷評(píng)價(jià)

2.1 配電網(wǎng)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)

電網(wǎng)安全是電網(wǎng)在運(yùn)行過程中的一個(gè)特點(diǎn),它反映了電網(wǎng)在遇到可能的干擾后繼續(xù)向用戶提供電力的能力。目前的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要以電網(wǎng)公司和用戶為對象進(jìn)行,同時(shí)也會(huì)計(jì)及綜合效益的作用[3]。配電變壓器處于電網(wǎng)的末端,國外有些研究單位通過引入變壓器負(fù)載率、運(yùn)行年份等來對變壓器運(yùn)行狀況分析[4]。

變壓器的負(fù)載率是“某一時(shí)段”該設(shè)備的視在功率與額定容量的比值,能反映變壓器在“某一時(shí)段內(nèi)”的運(yùn)行狀況,相對于以往設(shè)計(jì)規(guī)劃階段對經(jīng)濟(jì)性、三相不平衡方面的研究,負(fù)載率更加符合配電變壓器的實(shí)際工作特性與需要,計(jì)算公式為

(14)

式中:μ為配電變壓器運(yùn)行負(fù)載率,%;U為配電變壓器運(yùn)行線電壓,kV;I為配電變壓器運(yùn)行線電流,A;SN為配電變壓器額定容量,kVA。

依據(jù)配電變壓器負(fù)載率將設(shè)備劃分為警告級(jí)和限制級(jí)。警告級(jí):設(shè)備重載運(yùn)行,80%≤最大負(fù)載率<100%,原則上可開發(fā)容量為0,但仍然可以接入少量負(fù)荷,需要持續(xù)監(jiān)測臺(tái)區(qū)并做好臺(tái)區(qū)預(yù)測及事故應(yīng)急處置措施。限制級(jí):設(shè)備過載運(yùn)行,最大負(fù)載率≥100%,原則上計(jì)算可開放容量為0,限制接入負(fù)荷,需要持續(xù)監(jiān)測臺(tái)區(qū),并盡快落實(shí)臺(tái)區(qū)升級(jí)改造或進(jìn)行需求側(cè)負(fù)荷資源調(diào)度。

超導(dǎo)鈮腔是加速器的核心部件，加速器主要用于高能粒子加速、核廢料處理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究。這些前沿領(lǐng)域的研究普遍要求加速器具有高功率，從而使粒子在短時(shí)間內(nèi)具有高能量。所以，科學(xué)家和學(xué)者們也普遍追求超導(dǎo)鈮腔的高加速梯度Eacc和高Q0值。大量研究證明，EP在提高超導(dǎo)鈮腔加速梯度Eacc，改善品質(zhì)因數(shù)Q0降低現(xiàn)象，提高射頻表面質(zhì)量方面較通常所用的最終表面化學(xué)拋光有明顯的優(yōu)勢。

2.2 用戶熱舒適度評(píng)價(jià)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(international organization for standardization,ISO)有關(guān)熱舒適度ISO 7730系列標(biāo)準(zhǔn)由ISO/TC 159人類工效學(xué)-物理環(huán)境分委會(huì)制定[5],現(xiàn)行的熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)版本是ISO 7730—2005《熱環(huán)境人類工效學(xué)—基于PMV-PPD計(jì)算確定的熱舒適及局部熱舒適判據(jù)的分析測定和解析》,采用了丹麥范格爾教授的PMV-PPD模型來評(píng)價(jià)熱舒適度,ISO基于PMV-PDD模型提出對人體熱平衡特性建立《適中的熱環(huán)境—PMV與PPD指標(biāo)的確定及熱舒適條件的確定》(ISO 7730)熱舒適度模型。

人體對外界的溫度感受與體溫變化的熱量感受模型即為一個(gè)預(yù)測平均值模型(predicted mean vote,PMV)。在穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下,通過ISO模型得出PMV指標(biāo)值與人體熱感覺值對應(yīng)關(guān)系,如表2所示。

表 2 PMV指標(biāo)值與舒適度

ISO 7730熱舒適度模型指出PMV指標(biāo)值在-0.5～0.5區(qū)間均為人體感受的舒適溫度區(qū)間,最近舒適溫度為PMV=0。參照ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)[6]簡化ISO 7730熱舒適度模型。

PMV=0.208Tin-5.276

(15)

式中:PMV為熱感覺PMV指標(biāo)值;Tin為室內(nèi)溫度。

顯然,室內(nèi)溫度增加時(shí),PMV增大,室內(nèi)溫度降低時(shí),PMV減小,兩者呈正向線性關(guān)系。根據(jù)式(15)所建立的簡化熱舒適度模型,可得出人的體感溫度可接受范圍為[23.0,27.8]℃,當(dāng)室內(nèi)溫低于 23.0 ℃或著高于 27.8 ℃時(shí),則超出了人體的舒適范圍,用戶將感到不舒服,此區(qū)間以外的溫度范圍定為人體不可接受溫度區(qū)域。

3 “煤改電”負(fù)荷調(diào)度控制策略

3.1 直接負(fù)荷控制技術(shù)概述

直接負(fù)荷控制(direct load control,DLC)是指在用戶同意的前提下,調(diào)度側(cè)使用智能終端直接控制管理用戶的一部分負(fù)荷,對電網(wǎng)運(yùn)行性能優(yōu)化研究的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大程度的清潔能源消納[7],能夠參與DLC的負(fù)荷具有一下特點(diǎn):1)快速響應(yīng)能力,負(fù)荷能夠快速響應(yīng)電力調(diào)度控制中心的控制指令,響應(yīng)時(shí)間一般小于15 min[8],是參與電力系統(tǒng)負(fù)荷快速調(diào)節(jié)的基礎(chǔ);2)具備能量儲(chǔ)存能力,保證負(fù)荷短時(shí)服務(wù)質(zhì)量不會(huì)有較大影響;3)容易形成規(guī)?；?yīng),一定規(guī)模的負(fù)荷能夠影響負(fù)荷曲線的峰谷差,這是實(shí)現(xiàn)DLC的關(guān)鍵[9]。從“煤改電”標(biāo)準(zhǔn)化配置的供暖設(shè)備可以看出,供暖負(fù)荷類能量為單相能量傳輸負(fù)荷,電力調(diào)度控制中心通過無線公網(wǎng)遠(yuǎn)程遙控電供暖設(shè)備智能終端直接管理用戶用電。

DLC在高級(jí)量測體系(A-MI)的支持下由負(fù)荷管理中心發(fā)布指令,通過負(fù)荷控制設(shè)備執(zhí)行控制命令,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分類、分時(shí)控制[10],DLC技術(shù)的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DLC典型結(jié)構(gòu)

首先,電供暖負(fù)荷單向能量傳輸控制模型根據(jù)調(diào)度需求和負(fù)荷容量,把參與DLC的負(fù)荷分成N組[8];然后,把電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線按時(shí)段繪制成階梯狀[11],如圖3所示。

圖3 階梯狀負(fù)荷曲線

設(shè)t時(shí)段第n組DLC實(shí)際受控負(fù)荷Pnt為

Pnt=βntPNn,β∈[-1,1]

(16)

式中:Pnt為第n組DLC實(shí)際受控負(fù)荷;PNn為第n組DLC受控負(fù)荷額定功率;βnt為控制指令,βnt∈[-1,0)對應(yīng)降低負(fù)荷指令,βnt=0保持負(fù)荷不變,βnt∈(-1,0]對應(yīng)提高負(fù)荷指令。

綜上所述,t時(shí)段N組內(nèi)DLC總受控負(fù)荷為

(17)

DLC執(zhí)行完成減少負(fù)荷指令之后,受控負(fù)荷開始正常運(yùn)行。受控期間被削減的用電量需求在控制結(jié)束后將部分或全部償還用電設(shè)備,試圖恢復(fù)到甚至高于其被控制前的負(fù)荷水平,從而導(dǎo)致后續(xù)負(fù)荷突然增大,這部分在DLC受控結(jié)束后產(chǎn)生的超過未參與DLC時(shí)的負(fù)荷被稱為反彈負(fù)荷[12]。當(dāng)前許多文獻(xiàn)都研究了反彈負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型,然而由于不同類型的負(fù)荷所處的運(yùn)行環(huán)境不同,反彈負(fù)荷的準(zhǔn)確。對于溫控負(fù)荷的反彈負(fù)荷通常使用3階自回歸模型[13],設(shè)第n組DLC的滯后電量需求為

(18)

結(jié)合實(shí)際受控負(fù)荷與反彈負(fù)荷,從式(16)、式(18)可知,第t時(shí)段、第n組用戶總負(fù)荷改變量為

(19)

基于DLC的配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度控制策略是一個(gè)數(shù)學(xué)層面的復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化問題, 求解方法從最初的傳統(tǒng)優(yōu)化算法(例如線性規(guī)劃、多目標(biāo)線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃[14]、模糊線性規(guī)劃、模糊動(dòng)態(tài)規(guī)劃等)發(fā)展到目前的啟發(fā)式優(yōu)化算法(例如多目標(biāo)進(jìn)化算法、遺傳算法、蟻群算法等)。

3.2 調(diào)度控制策略

變壓器作為聯(lián)系用戶與電力調(diào)度控制中心的重要媒介,向下為用戶提供負(fù)荷,向上準(zhǔn)實(shí)時(shí)上報(bào)運(yùn)行情況(目前新疆上報(bào)負(fù)荷曲線頻次為15 min/次),調(diào)度側(cè)確定變壓器需要削減容量的大小。通過電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系向下分析出“煤改電”用戶信息, 再基于DLC控制計(jì)算通過遠(yuǎn)程控制裝置循環(huán)控制用戶的電供暖設(shè)備,用戶參與負(fù)荷控制的結(jié)構(gòu)如圖4所示。調(diào)度側(cè)對參與的“煤改電”負(fù)荷開展輪控,整個(gè)控制過程中必須滿足用戶舒適度需求,即室內(nèi)溫度[23.0,27.8]℃,要求用戶的室內(nèi)溫度不能超過該區(qū)間。

圖4 用戶負(fù)荷參與DLC結(jié)構(gòu)

3.2.1 可控“煤改電”負(fù)荷預(yù)測

Tmax=Tout(1-ετoff)+Tminετoff

(20)

(21)

τc=τoff+τon

(22)

假設(shè)變壓器下有m臺(tái)電供暖設(shè)備,并將這些電供暖負(fù)荷平均分成n組進(jìn)行輪控,輪控策略如圖5所示。

圖5 電供暖負(fù)荷輪控策略

每組電供暖負(fù)荷在一個(gè)τc控制周期內(nèi)的“開啟”狀態(tài)(白色)時(shí)間為τon,“關(guān)閉”狀態(tài)(黑色)時(shí)間為τoff。當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到人體感受的最低舒適溫度Tmin時(shí),電供暖負(fù)荷控制狀態(tài)進(jìn)入“關(guān)閉”狀態(tài),電供暖負(fù)荷恢復(fù)正常供暖,室內(nèi)溫度開始上升;當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到人體感受的最高舒適溫度Tmax時(shí),電供暖負(fù)荷控制狀態(tài)進(jìn)入“開啟”狀態(tài),停止電供暖負(fù)荷供暖,溫度開始下降。

設(shè)1個(gè)控制狀態(tài)時(shí)間間隔為ω,則一個(gè)τc控制周期內(nèi)有τc/ω個(gè)控制狀態(tài)。每組電供暖設(shè)備在同一時(shí)刻處于不同狀態(tài),進(jìn)入下一個(gè)控制狀態(tài)時(shí)總有一組電供暖設(shè)備處于“開啟”狀態(tài),同時(shí)另一組電供暖設(shè)備處于“關(guān)閉”狀態(tài),保證每個(gè)控制狀態(tài)下的處于“開啟”狀態(tài)的電供暖設(shè)備相同,即τon/τc比例相同。這樣就可以得到第t時(shí)段參與DLC行動(dòng)的“煤改電”負(fù)荷可控容量為

(23)

3.2.2 調(diào)度控制策略

1)調(diào)度控制計(jì)劃模型

調(diào)度側(cè)提前一日計(jì)算配電變壓器各時(shí)段的“煤改電”可控負(fù)荷,以配電變壓器不出現(xiàn)重過載運(yùn)行為原則(負(fù)載率μ=80%)對需求側(cè)負(fù)荷資源進(jìn)行分析,分配系統(tǒng)缺額,制定調(diào)度控制計(jì)劃。

在宏觀側(cè),以配電變壓器不出現(xiàn)重過載運(yùn)行決策出配電變壓器削減量的調(diào)度控制計(jì)劃。假設(shè)次日負(fù)荷調(diào)度控制共分為M個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段間隔為Δx,該變壓器在第x時(shí)段(x=1,2,3,…,M)應(yīng)進(jìn)行電力削減量為C(x),調(diào)度側(cè)按照重過載邊界條件計(jì)算并分配給該變壓器的削減量為D(x),按照該變壓器在M個(gè)時(shí)段內(nèi)削減量最少為目標(biāo)建立調(diào)度控制模型為:

(24)

s.t.0≤D(x)≤C(x)

(25)

(26)

在微觀側(cè),以最小化“煤改電”負(fù)荷實(shí)際削減量與調(diào)度側(cè)控制計(jì)劃間的偏差實(shí)施DLC,滿足規(guī)定的調(diào)度計(jì)劃。假設(shè)調(diào)度側(cè)分配給配電變壓器的削減量為D(x),該變壓器接帶“煤改電”用戶m家(每家一臺(tái)電供暖設(shè)備),第x時(shí)段的功率分別為Pi(x)(i=1,2,...,m),si(x)表示第i家用戶電供暖設(shè)備在第x時(shí)段的控制狀態(tài),si(x)=0說明第i家用戶電供暖設(shè)備控制狀態(tài)處于“關(guān)閉”狀態(tài),即電供暖設(shè)備開啟;si(x)=1說明第i家用戶電供暖設(shè)備控制狀態(tài)處于“開啟”狀態(tài),即電供暖設(shè)備關(guān)閉。該變壓器接帶用戶組的控制變量記為Φ(x)={s1(x),s2(x),...,sm(x)},表示第x時(shí)段m家用戶的電供暖設(shè)備的受控狀態(tài)組合,則第x時(shí)段該變壓器所能提供的“煤改電”負(fù)荷組實(shí)際供應(yīng)電力削減量為

(27)

從而確定第x時(shí)段,該變壓器對“煤改電”負(fù)荷組的需求響應(yīng)資源供應(yīng)量與調(diào)度計(jì)劃的偏差為

e(x)=G(x)-D(x)

(28)

2)約束條件

①可控“煤改電”負(fù)荷約束

調(diào)度側(cè)實(shí)施DLC的同時(shí)還需要考慮用戶的熱舒適度,室內(nèi)環(huán)境溫度不能超出[Tin,min,Tin,max],調(diào)度側(cè)分配給變壓器的負(fù)荷削減量D(x)不能超過該變壓器的可控“煤改電”負(fù)荷Ct,DLC需求響應(yīng)控制量約束為

D(x)≤Ct

(29)

②DLC需求響應(yīng)控制量約束

(30)

(31)

(32)

理想情況下:

(33)

3)決策模型

當(dāng)調(diào)度側(cè)分配給變壓器的負(fù)荷削減量D(x)與變壓器開展“煤改電”負(fù)荷削減量相同時(shí),由電供暖設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理即熱舒適度模型可知,此時(shí)室內(nèi)溫度變化最小,引起用戶感受到的舒適度變化最小,但求解過程中可使偏差e(x)盡可能小。根據(jù)調(diào)度控制模型及約束條件整理出決策模型為

(34)

(35)

(36)

上述模型為非線性多目標(biāo)優(yōu)化問題,決策變量為:Φ(x)={s1(x),s2(x),...,sm(x)},x=1,2,3,...,M。

4 案例分析

2022年12月吐魯番市持續(xù)低溫,導(dǎo)致多臺(tái)配電變壓器出現(xiàn)重過載運(yùn)行現(xiàn)象,選取其中“煤改電”用戶改造完成的典型臺(tái)區(qū)進(jìn)行案例分析。10 kV高昌線95號(hào)桿變壓器額定容量為400 kVA,通過查看配用電調(diào)度感知系統(tǒng)可知該變壓器接帶的“煤改電”總負(fù)荷為210 kW,“煤改電”用戶為70戶,均為分布式“煤改電”用戶,使用的電供暖設(shè)備為分散式直熱類,該變壓器2021年12月5日負(fù)荷晚高峰期間(19:30—00:30)的負(fù)荷曲線與負(fù)載率如圖6所示。

圖6 配電變壓器負(fù)荷與負(fù)載率曲線

由圖6中負(fù)載率曲線可知,該變壓器在20:15—21:45區(qū)間出現(xiàn)重過載運(yùn)行現(xiàn)象,甚至在20:45時(shí)出現(xiàn)過載運(yùn)行。變壓器長時(shí)間的重過載運(yùn)行會(huì)對設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅,若不及時(shí)處置可能產(chǎn)生大范圍長時(shí)間停電情況。

負(fù)荷采集時(shí)間段為15 min,20:15—21:45共為7個(gè)時(shí)間段,根據(jù)圖3中的負(fù)荷曲線與重載邊界值計(jì)算出1～7個(gè)時(shí)段所需削減功率如表3所示。

表3 各時(shí)段所需削減功率

假設(shè)10 kV高昌線95號(hào)桿變壓器接帶 “煤改電”用戶的電供暖設(shè)備平均制熱功率為3 kW,平均能效比(制熱率)為2.7,用戶熱舒適度為[23.0,27.8]℃,20:15—21:45期間室外環(huán)境溫度為0 ℃,由此可得到電供暖設(shè)備額熱動(dòng)力學(xué)模型為:

(37)

(38)

根據(jù)可控“煤改電”負(fù)荷預(yù)測模型式(20)、式(21)、式(22)可求解負(fù)荷控制周期τc為13.77 min,電供 暖設(shè)備處于“開啟”控制狀態(tài)時(shí)間τon為9.1 min,處于“關(guān)閉”控制狀態(tài)時(shí)間τoff為4.67 min。

根據(jù)DLC可控容量預(yù)測式(25),可得出20:15—21:45期間能參與控制行動(dòng)的“煤改電”負(fù)荷為71.19 kW。

顯然,實(shí)際可執(zhí)行負(fù)荷削減量大于20:50—21:45期間調(diào)度側(cè)要求的每個(gè)時(shí)間段削減需求量,因此實(shí)際進(jìn)行“煤改電”負(fù)荷削減可按表3的要求執(zhí)行。 為簡化計(jì)算,將70家“煤改電”用戶分為7組進(jìn)行輪控,每組10家電供暖設(shè)備在實(shí)施調(diào)度控制策略時(shí)行動(dòng)一致,各負(fù)荷組的制熱功率如表4所示。

表4 各負(fù)荷組的制熱功率

設(shè)負(fù)荷控制時(shí)間間隔ω=1 min,在20:15—21:45期間7個(gè)時(shí)段內(nèi)執(zhí)行105次控制,每個(gè)時(shí)段執(zhí)行15次相同控制方式,需要各負(fù)荷組提供的響應(yīng)資源由式(31)的決策模型得出:

mine(x)=G(x)-D(x),e(x)≥0

(39)

(40)

(41)

CPLEX是目前國際上頂尖的線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃和某些非線性規(guī)劃問題求解軟件包,它可用于求解線性規(guī)劃問題、二次規(guī)劃問題、二次約束規(guī)劃問題與混合整數(shù)問題[15],基于Matalb的CPLEX優(yōu)化平臺(tái)編寫非線性多目標(biāo)優(yōu)化算法程序,通過調(diào)用ILOG CPLEX算法求解決策變量。Φ(x)={s1(x),s2(x),s3(x),s4(x),s5(x),s6(x),s7(x)},x=1,2,3,...,105。程序流程如圖7所示。

圖7 多目標(biāo)優(yōu)化算法程序流程

在變壓器重過載期間(20:15—21:45),通過與實(shí)施“煤改電”負(fù)荷調(diào)度控制策略前負(fù)荷曲線與負(fù)載率圖進(jìn)行對比,變壓器負(fù)載率均未超過重載邊界值,保持在變壓器健康運(yùn)行的要求范圍內(nèi),如圖8所示。

圖8 負(fù)荷控制前后負(fù)荷曲線對比

5 結(jié) 論

上面通過實(shí)地調(diào)研吐魯番市“煤改電”工程推進(jìn)程度以及配電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測異常情況,冬季“迎峰度冬”保供電期間因“煤改電”負(fù)荷短時(shí)間、大規(guī)模增長造成10 kV線路、配電變壓器重過載運(yùn)行所占比例較大,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,而短時(shí)間提升網(wǎng)架的供電能力存在一定的困難。通過調(diào)研吐魯番市“煤改電”工程接入模式和設(shè)備種類,建立“煤改電”標(biāo)準(zhǔn)化配置模式,使用變壓器負(fù)載率作為實(shí)施負(fù)荷控制后的運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo),利用ISO制定PMV指標(biāo)值簡化熱舒適度模型,基于DLC技術(shù)設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度控制策略,具體分析策略實(shí)施過程中的目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及決策模型。最后,選取吐魯番市完成“煤改電”工程改造的臺(tái)區(qū)重過載運(yùn)行進(jìn)行實(shí)例分析,通過Matlab程序求解出負(fù)荷控制結(jié)果顯示,調(diào)度控制策略成功將變壓器運(yùn)行在安全邊界以內(nèi),且不影響用戶采暖的熱舒適度,具有一定的有效性和實(shí)用性。